книги / Физические свойства коллекторов нефти при высоких давлениях и температурах
..pdfМикроскопическое, рентгенодифрактометрическое и электронно микроскопическое изучение деформированных образцов исландского шпата показало, что пластическая его деформация является ре зультатом трех основных процессов: собственно пластической деформации, хрупкого разрушения и аморфизации исходного ве щества.
Пластическая деформация проявляется в макро- и микромасшта бах. Она выражается в двойниковом скольжении, наблюдаемом в шлифе деформированного монокристалла. При изучении сколов на растровом электронном микроскопе в деформированном образце вид ны скольжение и смещение микрослоев по спайности и под углом к ней (рис. 3 ), дробление в зонах скольжения, выпадение отдель ных блоков (рис. 4 ) .
Большой интерес представляет наблюдаемая в процессе деформа ции .аморфизация исходного вещества. Этот эффект, безусловно, свя зан с разрушением кристаллической решетки минерала, и обуслов лен, по-видимому, трением при скольжении, сопровождающимся зна чительным повышением температуры. Аморфизация наблюдается между плоскостями скольжения (рис. 5 ), а чаще по базальным по верхностям. Развитие этого процесса на поверхности скольжения иллюстрирует рис. 6 . Следует отметить, что аморфизация способ ствует залечиванию развивающихся трещин.
При дифрактометрическом изучении аншлифа и-порошка деформи рованного монокристалла выявлены как уменьшение интенсивности основного пика рефлекса в 3 ,8 раза, так и ухудшение общей кар тины дифракции, свидетельствующие об искажении кристаллической решетки исследуемого минерала и аморфизации вещества, в связи
спластической деформацией.
Вцелом проведенное изучение показало сложность пластической
деформации монокристалла исландского шпата, в механизме которой двойникование и скольжение сочетаются с аморфизацией исходного вещества и хрупким разрушением.
Исследованный мрамор в исходном состоянии отличали: измененность перекристаллизацией, смещения и сколы микроблоков, де формация зерен, а иногда и развитие трещин, секущих одно или несколько зерен.
На шлифе полированной поверхности исходного образца мрамора после травления 2%-ной соляной кислотой (рис. 6 ) четко видны особенности строОния мрамора: форма и размер кристаллов, раз личные ориентировки спайности и характер сочленения кристаллов, трещиноватость.
Пластическая деформация мрамора, как показывают результаты исследований в условиях неравномерного всестороннего сжатия при разных давлениях и температурах (7 5 0 и 2 0 0 0 кгс/см ^, t= 2 0 , 1 0 0 °С ), включает утонение двойниковых, зон внутри и межкристал лическое скольжение, сопровождаемые образованием трещин, пре имущественно на границах зерен. Широко развиты структуры вдав ливания зерен (инкорпорация).
Сложный характер деформации мрамора обусловлен спецификой строения поликристаллических пород, в частности, тем, что грани-, цы зерен в них, в отличие от металлов, характеризуются значи тельно меньшими силами связи по сравнению со связями внутри зерен. Часто межзерновые связи, кроме того, экранируются про слойками менее прочного аморфного цементирующего вещества.
Ослабленность связей по границам зерен сохраняется в опреде ленном диапазоне давлений и обусловливает развитие остаточной деформации преимущественно межзернового механизма, сопровож дающейся микротрещинообразованием и увеличением пустотности пород от единиц до десятков процентов.
Роль границ зерен, как звена, определяющего объемные дефор мации пород, уменьшается с ростом сил прижатия зерен друг к другу, т.е. в условиях увеличения общего уровня всестороннего сжа тия. В этом случае влияние границ зерен на общую деформацию гор ных пород сводится к тому влиянию, которое оказывают границы зерен в металлах,препятствуя движению дислокаций.
Разные механизмы деформации хорошо иллюстрируют сколы мра мора, деформированного при давлении в 2 0 0 0 к г с / с м ^ .(рис. 7 ) , позволяющие наблюдать характерные особенности внутрикристаллической и межзерновой деформации, а также сопровождающие их про цессы трещинообразования и аморфизации исходного вещества. Сле дует отметить, что процессы аморфизации вещества на отдельных участках деформированного мрамора затушевывали картину микро смещений и разрывов (рис. 8 ).
Дифрактометрическое .исследование деформированного образца мрамора, как и в случае анализа монокристалла исландского шпата, показало уменьшение интенсивности пика рефлекса кальцита пример но в 4 раза при общем ухудшении картины дифракций и незначитель ном уменьшении межплоскостных расстояний.
При давлениях, больших 2 0 0 0 кгс/см ^, и температурах свыше 2 0 0 °С межзерновые эффекты почти исчезают и определяющее вли яние приобретает внутрикристаллическое скольжение.
В исследованном диапазоне давлений и температур, типичном для 8 - 1 0 км земной коры, как было установлено, пластическая де формация мрамора имела сложный механизм, основную роль в: кото ром играли межзерновые перемещения и связанные с ним процессы инкорпорации, трещинообразования и аморфизации исходного веще ства.
Минеральные зерна претерпевали при деформации породы изме нения, подобные выявленным при деформировании зерна монокристал ла, хотя интенсивность их деформационных преобразований была су щественно меньшей.
Аналогичен механизм остаточной деформации пород упругих гене тических типов (песчано-алевритовых, метаморфических и магмати ческих).
На рис. 9 представлен скол деформированной в условиях нерав номерного объемного сжатия глины алеврито-слюдистой, иллюстри-
рующий развитие микротрещин преимущественно по границам зерен, увеличивающих исходную пористость глины (К .= 16,51% ) па 10,4%,
На рис. ГО показана характерная особенность межзерновой де формации диабаза - разобщение стыков породообразующих минера лов (пироксена), сопровождающееся приростом исходной'пористости (Кп = 1,81% ) на 2,43% .
О роли межзерновых перемещений позволяют судить и резуль таты количественного обсчета изменений в структуре различных деформированных пород с помощью электронно-счетного устройства "Квантимет* (таблица).
Обсчету подвергались как прокрашенные шлифы пород до и после деформации, так и фото шлифов с прокрашенным полем пустотного пространства. В последнем случае представлялось возможным рас считывать лишь параметры пустот.
Данные таблицы свидетельствуют об увеличении плошади и сред него размера хорд пор при почти неизменных размерах минераль ных зерен, что подтверждает превалирующую роль межзерновых эф фектов в общей объемной деформации пород.
Отмеченная в исследованиях общность механизма остаточной де формации ограничена у пород разных генетических типов, состава и строения различными диапазонами.
Так, если у большинства карбонатных пород преимущественное развитие внутрикристаллического скольжения начинается при напря
жениях, типичных для |
глубин в 8 - 1 0 км, то |
у |
песчаных пород |
оно может проявляться |
как при меньших, так |
и |
при больших ве |
личинах напряжений, а у большинства метаморфических и магмати
ческих пород - при напряжениях, характерных для |
глубин более |
1 5 -2 0 км. |
|
Следует отметить, что исходные (поры, трещины) и возник |
|
шие в. процессе деформации (трещины) дефекты |
оказывает боль |
шое влияние на коллекторские и прочностные характеристики пород.
Увеличение объема пустот и развитие трещиноватости в породах при неравномерном объемном напряженном состоянии объясняют фор мирование коллекторов преимущественно порово-трещинного и тре щинного типов в тектонически активных зонах земной коры. Это позволяет судить о возможных масштабах вторичной (тектоническо го генезиса) емкости для: .нефти и газа в породах разных литогене тических типов.
Исходная дефектность и нарушения» возникающие при деформации, оказывают непосредственное влияние на прочностные характеристики пород при неравномерном объемном сжатии.
Предел текучести пород, как было показано ранее [6], связан зависимостью с коэффициентом сжимаемости породы р, который учи тывает влияние неоднородностей исходной структуры пород (пор, трещин) на величину их упругих деформаций. Эта зависимость име-
Т а б л и ц а
Результаты обсчета на 'Квантимете* структурно-текстурных параметров пород до .и после деформации
Порода |
|
аон' |
кгс/см о |
Площадь пор,% |
Средний размер |
(образец) |
кгс/см ^ |
хорд для пор, |
|||
|
|
|
|
|
мкм |
|
|
|
Шл ифы |
|
|
Песчайик |
|
Исходный образец |
1 8 ,6 ( 8 0 ,7 ) * |
2 6 ,2 (1 2 8 ,5 ) * |
|
кварцевый |
с |
5 0 0 |
2 9 6 0 |
2 1 ,8 ( 7 7 ,9 ) * |
3 2 ,2 ( 1 1 9 ,2 )* |
карбонатно |
|
|
|
|
|
глинистым це |
|
|
|
|
|
ментом |
|
|
|
|
|
(1 3 8 - 6 9 ) |
|
|
|
|
|
|
|
Ф о то п у с т о т в ш ли ф ах |
|
||
Песчаник |
|
Исходный образец |
1 0 ,4 |
.2 2 ,5 |
|
кварцевый |
с |
3 6 5 |
1 6 1 0 |
1 6 .4 |
2 5 ,3 |
глинистым |
|
|
|
|
|
цементом |
|
|
|
|
|
(2 6 3 1 ДДВ) |
|
|
|
2 5 ,6 |
|
Песчаник |
|
Исходный образец |
1 3 ,3 |
||
кварцевый |
с |
5 7 0 |
4 1 4 0 |
1 5 ,9 |
3 1 ,7 |
глинисто |
|
|
|
|
|
карбонатным |
|
|
|
|
|
цементом |
|
|
|
|
|
(1 5 4 2 1 ДДВ) |
|
|
|
|
|
Известняк об- |
!Исходный образец |
4 .4 |
2 4 ,2 |
||
ломочный |
|
7 0 0 |
1 6 9 0 |
6 ,0 |
2 6 ,4 |
(5 3 /1 1 П -71) |
|
|
|
2 4 ,3 |
|
Известняк |
|
Исходный образец |
4 ,1 |
||
биоморфно- |
|
5 0 0 |
1 2 3 0 |
9 ,7 |
2 4 ,7 |
детритовый |
|
|
|
|
|
(3 5 7 /4 2 П -71)
*Данные для зерен.
ет линейный характер и может быть описана уравнением
т. = b —a/3f is
где а и b - постоянные, имеющие конкретный физический смысл [6]. Сопротивление пород разрушению (т.е. предел прочности г-с )
зависит от показателя разуплотнения пород в процессе неравномер
ного объемного сжатия К у^ > равного отношению относительного
изменения объема (AV/V) на единицу остаточной деформации до раз рушения А* [ 6 ]
In
КЛ АР
Vic |
V |
Д<г |
|
|
|
|
|
|
1п |
|
|
|
|
Анализ экспериментальных данных показал, что у всех пород |
||||||
кривые зависимости Кv от |
всестороннего сжатия о |
приближен |
||||
|
|
|
ие |
ОН |
|
|
но описываются экспоненциальной зависимостью |
|
|
||||
KV- |
Kv |
./ |
—Аг ОН |
|
|
|
|
|
|
|
|||
ic |
с |
|
|
|
|
|
где Krç |
- показатель интенсивности разуплотнения породы при од |
|||||
ноосном сжатии; |
А_ постоянная, зависящая от состава |
и структур |
||||
ных особенностей пород [в]. |
|
|
Аг-с = |
|||
Зависимости сопротивления породы неупругой деформации |
||||||
" Tic ~ 4s |
^Чс |
- |
прочность; |
- предел текучести пород) |
от Kyic |
|
также близки к линейным и могут быть выражены с помощью урав нения
|
|
|
Аг. |
|
|
|
|
|
гс |
|
|
|
Аг.1C |
- |
К ИЕ_ |
|
|
|
|
1Cпр |
Vicпр |
|
|
где Аг. |
- сопротивление породы пластическому изменению фор- |
||||
|
1С, |
|
|
|
|
мы |
(не сопровождающемуся разуплотнением структуры); Ку. |
|
|||
|
|
|
|
teпр |
|
максимальное: значение коэффициента интенсивности разуплотнения |
|
||||
породы при упруго-хрупком ее |
разрушении, когда г-с близко к |
. |
|||
|
ЛИТЕРАТУРА |
|
|
|
|
1. |
К о н т о р о в Г.А., Ф р е н к е л ь |
Л.И. Статистическая теория хрупкой проч |
|||
|
ности |
реальных |
кристаллов. - |
Техника физики, .1941, т. XI, вып. 3, |
|
|
с. 1 7 3 . |
|
|
|
|
2. |
В о л к о в С.Д. Основы статистической теории прочности твердых тел. - |
||||
|
В кн.: Некоторые проблемы прочности твердого тела. М.: Иад-во АН |
|
|||
3. |
СССР, |
1 9 5 9 , с. 3 2 5 - 3 3 3 . |
|
|
|
Brady |
В.Т. A statistical theory of brittle fracture for rock materials. - |
|
|||
|
Intern. |
J. Rock Median, and Mining Sci., 1969, vol. 6, N 1, 3. |
|
||
4. С т а в р о г и н |
A.H. Анализ экспериментальных данных по деформации |
и разрушению |
горных пород. Л.: Недра, 196 8 , с. 2 7 9 - 2 8 9 . |
5. Н о в о ж и л о в В.В. О необходимом и достаточном критерии хрупкой проч^
иости. |
К основам теории равновесных трещин в упругих телах. - Прик- |
|||
ладная |
математика и механика, 1 9 6 9 , вып. 2, с. 5. |
|||
6. П а в л о в а Н.Н. Деформационные и коллекторские |
свойства горных по |
|||
род. М.: Недра, |
1 9 7 5 . 2 4 0 |
с. |
|
|
7. П а в л о в а Н.Н., |
К о н ы ш е в а |
Р.А. Дефекты структуры горных пород при |
||
различных объемных напряженных состояниях. - |
V Междунар. конф. до |
|||
физ. и техн. высоких давлений: Тез.докл. М.: |
Наука, 1 9 7 5 . |
|
8. Миркин |
Л.И. Физические основы прочности |
и пластичности. М.: МГУ, |
1 9 6 8 , 5 |
3 8 с. |
|
СТРУКТУРЫ ДЕФОРМАЦИЙ НЕКОТОРЫХ КРЕМНИСТЫХ ПОРОД И МИНЕРАЛОВ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРАХ
Р. А. Конышева, Е. И. Зубковская
Изменение физических свойств горных пород и минералов при по вышенных давлениях и температурах тесно связано с их микрострук— турными преобразованиями в ходе деформации. Экспериментальное исследование структурных деформационных преобразований горных пород вызывает определенные методические трудности, так как по роды в результате действия ряда природных факторов, как правило, интенсивно преобразуются в минеральном и структурном плане. В реаультатё этого трудно различать структурные изменения, обуслов ленные условиями эксперимента, от природных преобразований пород под влиянием стресса, тектонических напряжений, температуры и мнргих других факторов.
Сказанное вызывает необходимость проводить эксперименталь ные исследования на неизмененных монокристаллах породообразую щих минералов. Это помогает выяснить масштаб и механизм преоб разований, происходящих в эксперименте, а полученные данные ис пользовать для корректировки результатов испытания полиминераль— ных систем1, интенсивно измененных в природных условиях. Такой подход позволяет судить о преобразованиях, возникающих при раз личных термодинамических параметрах экспериментов, моделирую щих определенные природные условия пород, залегающих на больших глубинах.
В ИГиРГИ несколько лет назад наряду с изучением полиминеральных объектов были возобновлены эксперименты с мономинеральными образцами. Изучение прочностных, деформационных и других
физических свойств монокристаллов при повышенных |
p-t парамет |
рах проводилось и ранее как советскими [1 - 3 ], так |
и зарубежны |
ми [4 ,5 ] исследователями. |
Различные физические |
параметры |
иссле |
довались традиционными (в |
основном косвенными) |
методами. |
|
Впоследние годы аналитическая база геологии все более осна щается современными приборами, позволяющими по-новому подойти
крешению многих вопросов, К таковым относится растровый элек тронный микроскоп (РЭМ ), обладающий большой глубиной фокуса, широким диапазоном увеличений и позволяющий на естественных сколах, поверхностях образцов воочию увидеть, что произошло с веществом в ходе эксперимента,
Внастоящей статье представлен материал по изучению кремнис тых образований, являющихся наряду с карбонатами [6 ] наиболее распространенными породообразующими минералами осадочных пород.
Для большего контраста взяты крайние члены этого ряда (по степе
ни изначальной преобразованности) : природный монокристалл кварца» горный хрусталь, опал и кварцитовидный песчаник. Образцы изуча лись комплексом методов, до и после их испытаний .на установке вы» сокого давления (УИМК). Эксперименты проведены А.А. Фоминым по известной методике [7 ], исследования в оптическом микроско пе - Е.И. Зубковской, в растровом электронном микроскопе -Р.А.Ко. нышевой, рентгенографические - Е.И, Зубковской и Т .Л . Максимовой,
Горный хрусталь. В ориентированных образцах исследовался крис»
талл размером 4 x 7 |
см (Средний Урал, Магнитогорск). |
|
В шлифе (вдоль главной оси призмы |
[1 0 1 0 ]) минерал прозрач |
|
ный, бесцветный, двукратно погасает в |
скрещенных николях под уг |
|
лом 4 5 и 9 0 °; TIQ = |
1 ,5 4 , пе - 1 ,5 5 , |
двупреломление - 0 ,0 0 9 ; |
оптически положительный. Поле шлифа однородное, но по нему прос матривается масса мелких точечных включений различного состава, вокруг которых при вращении столика образуются ореолы радиальнолучистого свечения. Встречаются единичные трещины: продольные (длиной до 4 мм, шириной около 10 мкм) и поперечные, затухаю
щие, раскрытостыо менее 5 |
мкм. Микротрещинки ровные, прямоли |
|
нейные, без обломков в них |
(рис. 1 ,а )*. |
|
Цилиндр, выпиленный из кристалла кварца параллельно основной |
||
оси призмы (грань призмы |
[1 0 1 0 ] со штриховкой), был подвергнут |
|
деформации до хрупкого разрушения при неравномерном сжатии |
||
= 1 7 5 0 кгс/см ^, t - комнатная). |
||
В |
результате остаточной деформации испытываемый цилиндр раско |
|
лолся |
на две части по' плоскости, направленной под углом 4 0 ° к |
|
продольной нагрузке. Скол имеет вогнутую форму, выполаживаясь к торцам цилиндра. Поверхность скола, проходящая по магистральной трещине, гладкая, напоминает раковистый излом, характерный для кварца. Половинки цилиндра разбиты на игольчатые и призматические стекловидные осколки шириной 1 -2 мм, длиной до 8 мм, параллель ные оси цилиндра, субпараллельные к главной оси призмы минерала
(с). Более мелкие иголки трещиноваты, под нажимом пальцев рас тираются в белый порошок. К торцам цилиндра трещинки затухают.
Из деформированного образца сделаны шлифы (параллельно шкх>’ кости [1 0 1 0 ] и перпендикулярно ей из торцовой части цилиндра). Шлиф, параллельный плоскости призмы, в отличие от исходного об разца, характеризуется значительной трещиноватьстыо. В результате деформации кварца образовались крупные зияющие (раскрытостью до 5 0 мкм) трещины, параллельные оси призмы кристалла. С одной стороны, они имеют прямолинейные границы, с другой - резкие ло
маные (рис. 1 9б). Трещинки выполнены мелкими |
обломками |
квар |
ца - брекчией дробления с различным погасанием |
обломков. |
Под уг |
лом .5 0 - 7 0 ° к продольным микротрещинам наблюдаются более мел кие оперяющие трещинки, также с ломаными линиями контуров. По краям шлифа фиксируется серия мелких продольных субпараллельных микротрещин скалывания, с выкалыванием длинных лейст, затухаю-
*Рис. 1, 3 -6 см. в конце книги.
ших через доли миллиметра. Микротрещины, разделяющие лейсты, залечены кремнистым веществом, сохраняющим анизотропность и: имеющим невысокое двупрелом пение (рис. 1 ,*).
Преобразования кремнистого вещества в результате деформации под влиянием высокого давления изучены с помощью рентгенографи ческого анализа исходного и деформированного образцов. Снимались препараты на стекле и в кювете, при этом были получены сопоста вимые данные. Порошкограмма исходного кварца типична для диф-
рактометрической картины |
этого минерала |
(рис. |
2 ,а). После дефор |
|||
мации кварца |
(рис. 2 ,6 ) |
рефлексы 4 ,2 6 ; |
2 ,1 3 |
 сохранили свою |
||
интенсивность |
и положение, |
интенсивность |
рефлекса |
3 ,3 5 /^ умень |
||
шилась, сократилась ширина |
его основания. Рефлекс |
2 ,4 6 А претер |
||||
пел аналогичные изменения. Флуктуация фона осталась без изменений. Сравнительный анализ дифрактограмм позволяет предположить,
что в ходе деформации в целом кварц оказался устойчивым к прило женным нагрузкам: плоскости кристаллической решетки, в том чис ле основной грани призмы [10*10], остались без изменений. Одна ко деформированные плоскости некоторых других граней (ромбоэдра [ЮН], зоны срастания бразильских двойников), возможно при обрели некоторую дефектность (если исключить влияние текстурированности препарата и плотности вещества в кювете). Дефектность может свидетельствовать о начале разрушения кристаллической структуры кварца, о частичной аморфизации вещества. Дефектность могла возникнуть в ходе деформации в результате разориентированности фрагментов кристаллической решетки по плоскостям сколь жения.
В растровом электронном микроскопе просматривалосьнесколько сколов горного хрусталя при разном диапазоне увеличений. В исход ном образце отмечаются как гладкие, однородные поверхности, даю щие на снимках однородный серый фон, так и раковистые сколы с характерной полусферической тонкой ребристостью, осложненной пер пендикулярными ступенями более мелкого порядка. На поверхности грани призмы наблюдается густая сеть разномасштабных борозд (штриховка), которые отражают неоднородную, блочную и двойнико вую структуру кристалла. Особенно четко это видно после протрав-* ливания поверхности плавиковой кислотой. После протравливания обнаружены и кратерообразные формы, видимо, отражающие разно образные примеси-включения.:(газа, жидкости, минералов). На ряде
сколов |
наблюдаются слои роста. |
|
Так, |
на серии микрофографий (рис. 39а,б,в) представлен учас |
|
ток скола со слоями роста - |
светлый полосчатый участок;, черное - |
|
гладкая поверхность кварца |
(белые точки на поверхности слоев - |
|
мелкая крошка - результат раскалывания образца).
В целом можно констатировать, что механических нарушений после ростовых деформаций на сколах естественного образца горно го хрусталя в РЭМ не обнаружено,
В деформированном горном хрустале с помощью РЭМ обнаружена хрупкая деформация. Так же как и макроскопически, она выражает-
Р и с *2 . |
Дифрактограммы кремнистых минералов |
|
а - |
исходный образец горного хрусталя; б — деформированный |
|
образец горного хрусталя; в |
- исходный образец опала с примесью |
|
кристобалита и кварца; г - |
деформированный опал |
|