Петрофизика (стр. 9 из 20)
Обогащение породы рудными минералами ведет к увеличению ее плотности до 3,5-4,0 г/см3 в зависимости от их плотности и процентного содержания. Плотность руд, как правило, очень высокая (3,5- до 5 г/см3) но окисленные руды имеют небольшую плотность (1,5-2,0 г/см3).
2.6. Плотность нефтей
Плотность нефтей колеблется в пределах 0,75-0,98 г/см3 (t=20°С), чаще всего в пределах 0,82-0,92 /4,6,8/. Она зависит, во-первых, от содержания в ней легких низкокипящих – бензиновых и лигроиновых фракций, во-вторых, от содержания асфальтово-смолистых компонентов, обладающих плотностью порядка 1 и выше, в-третьих, от химической природы углеводородов, составляющих основную массу нефти. Первая зависимость обратная, вторая – прямая, при этом первая зависимость в общем случае имеет большее значение, чем вторая. Третья зависимость проявляется в том, что метановые нефти (ряд алканов СnH2n+2) легче нафтеновых (ряд циклоалканов С2H2n-2), а последние в свою очередь легче ароматических (СnH2n-p, p=6,12 ..36).
Величина эффективной плотности залежи может быть по следующей формуле:
, (2.19)где σз – эффективная плотность залежи; σв – плотность пластовой воды; σн.г – плотность нефти и газа в естественных условиях; kп – коэффициент пористости; kн.г. – коэффициент нефтегазонасыщения, определяющий степень заполнения объема пор нефтью и газом.
Проведенные рядом исследователей расчеты позволяют считать, что для газовых залежей σз в среднем составляет –(0,1-0,25) г/см3, а для нефтяных залежей – (0,05-0,1) г/см3. С глубиной при увеличении всестороннего давления плотность пород-коллекторов увеличивается, а пористость уменьшается, хотя довольно медленно (Березкин В.М.).
2.7. Определение плотности
Для определения плотности отбирают образцы горных пород из обнажений, горных выработок, скважин. Масса образцов должна быть 150-200 г. Для каждой разновидности породы отбирают до 50-100 образцов. Отбираемые образцы должны достаточно полно характеризовать геологический разрез. Для влагоемких пород плотность следует определять по свежим образцам с сохранением их естественной влажности.
Плотность твердых пород определяют гидростатическим взвешиванием с помощью специального прибора – денситометра Самсонова. Прибор позволяет определять плотность быстро и с высокой точностью (0,01-0,02 г/см3).
Для измерения плотности пород в условиях их естественного залегания используют радиоактивные методы (гамма-гаммма-метод в полевом и скважином варианте). Среднюю плотность пород можно определить по данным гравиметрических съемок вдоль профилей, пересекающие характерные формы рельефа. Плотность промежуточного слоя определяют способами Неттльтона, наименьших квадратов, путем решения систем избыточных уравнений по способу Коши. Среднюю плотность горных пород находят также по данным ускорения силы тяжести в горных выработках и скважинах.
Контрольные вопросы к главе 2.
1. От каких факторов зависит плотность горных пород?
2. Охарактеризуйте связь между плотностью и пористостью?
3. Какие закономерности плотности наблюдаются в сводах структур?
Глава 3. Упругие свойства минералов и горных пород
3.1. Упругие параметры физических тел
Упругость – свойство вещества оказывать влияющей на него силе механическое сопротивление и принимать после её спада исходную форму. Противоположность упругости называется пластичность /1,4,6,8/.
Упругость тел – одна из основных физических констант, связанная с внутренним строением вещества.
Упругость характеризует свойство веществ сопротивляться изменению их объема и формы (твердые тела) или только объема (жидкости, газы) под воздействием механических напряжений, что обуславливается возрастанием внутренней энергии веществ.
При упругих деформациях вещество восстанавливает свои первоначальные объем и форму после прекращения действия сил, вызывающих их деформацию. Количественными характеристиками упругих свойств являются модули упругости. В простейших случаях малых деформаций зависимость линейная – и действует закон Гука, на котором основана теория упругости. Согласно этой теории малые деформации пропорциональны приложенной нагрузке:
(3.1, 3.2 )где Δl/l и Δd/d –относительная продольная и поперечная деформация;
- приложенная к телу нагрузка в кг, S – площадь поперечного сечения тела в м2; 
/S – напряжение.1) модуль Юнга E (модуль продольной упругости) – это отношение нормального напряжения к относительному удлинению, вызванному этим напряжением в направлении его действия. Модуль Юнга характеризует способность тел сопротивляться деформации растяжения или сжатия:
, (3.3)где p – нормальное растяжение,
- относительное удлинение.Единица измерения модуля Юнга в системе СИ: Па (паскаль), в системе СГС дин/см2.
2) коэффициент Пуассона σП(коэффициент поперечного сжатия) – отношение поперечного сжатия тела при одноосном растяжении к продольному удлинению. Коэффициент Пуассона равен абсолютному значению отношения относительной поперечной деформации тела к относительной продольной деформации:
, 
, (3.4, 3.5)где εx , εy , εz – деформации по соответствующим осям.
В твердых породах коэффициент Пуассона изменяется от 0,1- до 0,4. Чем больше значение коэффициента Пуассона, тем больше порода может деформироваться. Более однородные по минеральному составу породу характеризуются более низкими значениями коэффициента Пуассона.
3) константы Ламе λ:
, (3.6)где K модуль объемного сжатия.
4) модуль сдвига G. Модуль сдвига определяет способность тел сопротивляться изменению формы при сохранении их объема:
, (3.7)где r – касательное напряжение; α – угол сдвига.
Модуль сдвига численно равен другой константе Ламе:
(3.8)
Возникающие в телах под действием механического напряжения деформации имеют различный характер и вызывает разные по природе деформации растяжения – сжатия, поперечные – деформации сдвига. Скорость упругих волн равна отношению длины пути соответствующей волны к времени пробега этого пути:
; 
(3.9, 3.10)
Для геофизиков большое значение имеют скорости, которые связаны с модулями упругости и плотностью.
Скорость продольных упругих волн или упругих колебаний, возникающих вследствие деформаций растяжение-сжатие в любой среде:
(3.11)Скорость поперечных волн или упругих колебаний, возникающих вследствие деформаций сдвига в твердой среде:
(3.12)Скорости vp и vs в принципе независимые величины. Связь между ними осуществляется через коэффициент Пуассона:
(3.13)При сейсморазведочных работах вычисляют ряд скоростных параметров разреза: граничную, пластовую, среднюю, эффективную и лучевую скорости.
Распространение упругих колебаний сопровождается затуханием их амплитуды по мере удаления от источника. Амплитуда A гармонической волны с частотой w убывает с расстоянием l в однородной поглощающей среде по закону:
, (3.14)где A0 – амплитуда волны в некоторой фиксированной (начальной) точке; n - показатель расхождения фронта волны; α – коэффициент поглощения.
Коэффициент поглощения измеряется м-1. Коэффициент поглощения упругих колебаний зависит от свойств среды. Чем ниже скорость распространения упругих колебаний в породе, тем выше значение коэффициента поглощения. С увеличением пористости коэффициент поглощения растет.
3.2. Скорость упругих волн и упругие модули химических элементов и минералов
По упругим характеристикам химические элементы весьма неоднородны. В упругой характеристике элементов играют роль их электронная оболочка, которая является упругой средой, и ядра атомов, обладающие различной массой. Данные о скорости распространения продольных упругих волн в элементах были получены экспериментально или рассчитаны по модулям упругости.
Наблюдается корреляция с плотностью и атомными радиусами в пределах периода. Скорость увеличивается в элементах первой половины каждого периода и уменьшается в элементах второй половины каждого периода. Наибольшая зависимость скорости от атомного радиуса установлена у sp-элементов с большим размерами атомов. Зависимость скорости у sp-элементов от атомной массы – незначительна. Для d-элементов скорость в основном определяется атомной массой вещества. Скорость уменьшается при увеличении массы вещества. Это справедливо и для скоростей продольных волн и для скоростей поперечных волн. Поскольку они связаны соотношением
.