Коллекторские свойства горных пород

Водные свойства горных пород зависят от их минерального и гранулометрического состава, строения (структуры), сложения (текстуры), трещиноватости (скважности) и пористости. Выделяют коллекторские и водные свойства. К основным коллекторским свойствам горных пород относят гранулометрический состав, плот­ность породы, пористость, трещиноватость и скважность.

Трещиноватость — это совокупность трещин — линейных, прямых или изогнутых разрывов сплошности пород. Трещинова­тость может быть первичной, тектонической, вызванной силами давления, литогенетической, связанной с формированием пород, вторичной, связанной с выветриванием, растворением, усыханием и т.д. Различают трещины открытые (большие разрывы) и за­крытые, заполненные каким-либо материалом. Трещины являются путями движения подземных вод. При выходе на дневную поверх­ность пород с большими трещинами происходит втекание атмо­сферных вод в толщу земной коры, называемое инфлюацией.

Гранулометрический состав показывает процентное содержание (по массе) частиц различного размера, слагающих данную рыхлую породу. Для определения гранулометрического состава производят механический (гранулометрический) анализ. Обломочную породу расчленяют на группы частиц более или менее одинакового раз­мера (фракции) и определяют процентное (по массе) содержание в ней отдельных фракций. Обычно определяют содержание круп­нообломочных (размером > 2 мм; в зависимости от их размера вы­деляют валуны, гальку, гравий), песчаных (0,05—2 мм), пылеватых (0,005—0,05 мм) и глинистых (< 0,005 мм) частиц.

В зависимости от процентного соотношения различных фракций устанавливают классификационное название породы (глина, суг­линок, супесь, песок, щебень, дресва и т.д.). Гранулометрический состав породы определяет многие ее свойства: скважность, порис­тость, водопроницаемость, сжимаемость, высоту капиллярного поднятия, пластичность, усадку, набухание и др. Его необходимо знать для выбора фильтрационных обсыпок к фильтрам скважин, сеток фильтров, шага проволочной обмотки и т.д.

Скважность и пористость пород в значительной степени влияют на водопроницаемость, теплопроводность, прочность (сжимае­мость) и другие их свойства. Под скважностью породы Ф.П. Саваренский предложил понимать совокупность пустот всех размеров и форм. По размеру пустот скважность делится на капиллярную (пористость) и некапиллярную. Граничные размеры капиллярных и некапиллярных пустот в горных породах в зависимости от их форм приведены в табл.ниже.

Подразделение различных пустот в горных породах

Виды скважности	Виды пустот	Размеры пустот, мм		Типичные породы
		Диаметр округлых пустот	Ширина трещин
Некапиллярная	Каверны, трещины	> 2	> 2	Закарстованные, трещиноватые, крупнообло­мочные
	Сверхка­ пилляры	2-0,5	2-0,25
Капил­лярная (порис­тость)	Капил­ ляры	0,5-0,002	0,25-0,0001	Тонко трещино­ватые, пористые, мелкообломочные. Ультрапористые, глинистые
	Субка­ пилляры	< 0,0002	< 0,0001

Пористость количественно характеризует объем пустот (пор, трещин, полостей и т.п.) в объеме горной породы. Она выражается двумя показателями: коэффициентом пористости п и коэффици­ентом приведенной пористости е. Коэффициент пористости п представляет собой отношение объема пустот V_n к объему всей породы V, а коэффициент приведенной пористости е — отно­шение объема пустот V_a к объему скелета породы V_c, т.е. п = V_n / V и e = V_n /V_c.

Как видно из этих формул, коэффициенты пористости и приве­денной пористости — величины безразмерные (измеряются в долях единицы или %). Коэффициент пористости всегда меньше еди­ницы, а коэффициент приведенной пористости может ее превы­шать. В частности, у некоторых глинистых пород, обладающих вы­сокой пористостью, коэффициент приведенной пористости может быть намного больше единицы.

Соотношение между пористостью и коэффициентом порис­тости можно выразить формулами:

n = е /(1 +e); е = n ( 1 - n).

Скважность в грунтах колеблется в широких пределах, причем наименьшей скважностью обычно обладают магматические, мета­морфические и плотные осадочные породы. Ниже приведена по­ристость некоторых пород, %: граниты, гнейсы, кварциты — 0,02—2; известняки, мергели — 1,5—22; песчаники — 2—38; пески — 35—42; глины каменноугольного возраста — 35—37; глины верхнеюрские — 40—46; глины четвертичные — 50—54; лёссы — 52—56. Пористость глин высокая (до 54%), однако поры у них очень тонкие, чешуй­чатые, что делает их непроницаемыми для воды. У песков порис­тость меньше (35—42%), но поры у них округлые, хорошо проница­емые для воды. Характерные значения общей пористости для раз­личных типов горных пород приведены в таблице ниже.

Характерные значения общей пористости для различных типов горных пород

Горные породы		Общая пористость, %
Свежие осадки	Илы глинистые	50,0
	Торф	80,0
	Различные типы почв	55,0
Породы верхней части зоны вывет­ривания	Пески	35,0
	Лёсс, лёссовидные суглинки	45,0
	Покровные суглинки	35,0
	Глины	35,0
Осадочные породы	Пески рыхлые	25,0-35,0
	Песчаники	10,0-20,0
	Глины	20,0-40,0
	Гипс	1,0
	Мел	30,0
	Опока	35,0
Метаморфические породы	Сланцы глинистые и др.	4,0
	Кварциты, гнейсы, мрамор	2,0
Магматические породы	Порфириты	2,0
	Граниты,сиениты	1,0
	Эффузивы	2,0
	Интрузивы	1,0

Пористость грунтов обычно вычисляется по плотности частиц грунта, плотности грунта и его влажности. Точность вычисления зависит от качества определения этих величин в лаборатории. Данные о пористости используются при построении компресси­онных кривых и определении коэффициента уплотнения. С по­мощью последнего рассчитывается величина осадки грунта под со­оружением. Кроме того, по величине пористости можно судить о плотности пород, она может быть использована для вычисления коэффициента фильтрации песков по эмпирическим формулам.

Показатели пористости, определяемые лабораторным или рас­четным путем, являются важными характеристиками горных пород, так как от пористости зависят водопроницаемость, водоотдача, сжимаемость, плотность, влагоемкость и другие свойства пород. Многие из этих свойств зависят также от размеров пор, трещин и пустот. Например, фильтрация подземных вод возможна лишь при наличии сверхкапиллярных пор и трещин (размером > 0,5 мм). Капиллярные (0,5—0,002 мм) и субкапиллярные (< 0,002 мм) поры заполнены капиллярной и физически связанной водой (пленочной и гигроскопической), что делает их практически водонепроницае­мыми. В частности, глинистые породы, пористость которых может достигать 60%, водонепроницаемы. Поэтому в гидрогеологии выде­ляют еще эффективную (активную) пористость, характеризующую объем пор, по которым возможна фильтрация подземных вод. Ес­тественно, что активная пористость всегда меньше общей порис­тости, характеризуемой коэффициентом пористости n.