Пористость - один из ключевых показателей, характеризующих горные породы. Она определяет способность пород пропускать жидкости и газы, а также влияет на прочностные и теплоизоляционные свойства. От пористости зависит возможность добычи полезных ископаемых, строительства зданий и сооружений. Давайте разберемся, как рассчитать этот важный параметр и где он применяется.
1. Понятие пористости горных пород
Пористость - это наличие пор, не заполненных твердым веществом, в объеме горной породы. Поры бывают разных видов:
- Полости между зернами осадочных пород
- Трещины в изверженных и метаморфических породах
- Каналы выщелачивания в растворимых породах (известняк, доломит)
- Пустоты от выгоревших органических остатков
Различают полную пористость - суммарный объем всех пор в породе, и эффективную (открытую) - только сообщающихся пор.
На величину пористости влияют:
- Размер частиц осадочной породы
- Их форма и окатанность
- Сортировка частиц по размерам
- Количество и тип цемента между зернами
- Трещиноватость твердых пород
2. Измерение и расчет пористости
Для измерения пористости используются разные методы.
Гидростатическое взвешивание - насыщение образца жидкостью с известной плотностью. По изменению массы рассчитывают объем пор.
Ртутная порометрия - заполнение пор ртутью и определение объема вытесненной жидкости.
Газовая порометрия - аналогичный метод с использованием газа вместо ртути.
Расчет пористости производится по формуле:
Пористость = (Vп/Vо) x 100%
где Vп - объем пор в образце, Vо - полный объем образца.
Для численной оценки используется коэффициент пористости (Кп). Он измеряется в долях единицы или процентах.
Например, песчаник со средней пористостью имеет Кп = 0,15 или 15%.
Согласно нормам, породы с Кп более 10-15% считаются пористыми.
3. Зависимость свойств пород от пористости
Пористость напрямую влияет на водопроницаемость горных пород. Чем выше пористость, тем легче жидкость и газ проводятся через породу под действием перепада давлений. Это описывается законом Дарси.
Коэффициент пористости обратно пропорционален плотности породы. Чем меньше пор, тем плотнее сложен минеральный скелет, тем выше плотность:
ρпор = ρc x (1 - Пористость)
где ρпор - плотность породы с порами, ρc - плотность минерального скелета.
Для пористых коллекторов важна именно эффективная открытая пористость. Она определяет емкостные запасы горючих полезных ископаемых - нефти, газа, угля. Так порода-коллектор со средней 15% пористостью способна вместить 150 л жидкости в 1 м3 объема.
4. Изменение пористости в процессах выветривания и уплотнения
Пористость горных пород может изменяться со временем под действием природных факторов.
При выветривании породы разрушаются, образуя все более мелкие частицы. Между ними появляются новые поры и пустоты. Поэтому пористость возрастает по мере выветривания.
На глубине под толщей осадочных отложений породы испытывают большое давление. Это приводит к их уплотнению и уменьшению пористости. Так глины и алевролиты теряют до 50% первоначальной пористости на глубине 1-2 км.
5. Пористость осадочных горных пород
У осадочных пород пористость формируется при седиментации частиц на морском дне или в другой среде.
Для песчаников характерна первичная межзерновая пористость до 25-30%. В процессе литификации (уплотнения) она уменьшается до 10-15%.
Известняки также имеют высокую (до 20%) первичную пористость. Кроме того, в них развивается вторичная пористость за счет растворения карбоната кальция и выщелачивания.
Глины и аргиллиты отличаются очень низкой (1-5%) пористостью. Однако в них могут присутствовать микротрещины, частично компенсирующие малое количество пор.
6. Пористость грунта формула и общая пористость
Для грунтов пористость является важной характеристикой при строительных работах, в сельском хозяйстве, гидрогеологии. Ее расчет для грунтов выполняют по тем же формулам:
Пористость грунта = (Вп/Во) x 100%
где Вп - объем пор в образце грунта, Во - полный объем образца.
Для грунтов также определяют общую пористость и эффективную (открытую). Первая включает все поры, вторая только сообщающиеся.
7. Практическое использование данных о пористости
Знание пористости необходимо в различных областях - от геологоразведки до строительства.
В нефтегазовой геологии пористость позволяет оценить запасы коллекторов и приток флюидов в скважины.
В грунтоведении и геотехнике по пористости судят о водопроницаемости, прочности оснований.
В агрономии контролируют пористость почв для оптимального роста растений.
8. Влияние пористости на физико-механические свойства горных пород
Пористость существенно влияет на все физико-механические характеристики горных пород.
С повышением пористости снижается плотность породы. Это происходит из-за увеличения доли пор, заполненных воздухом или водой, имеющих меньшую плотность по сравнению с минеральным скелетом.
Увеличение пористости также приводит к понижению прочности на сжатие. Это связано с ослаблением структурных связей между частицами из-за наличия пор.
9. Анизотропия пористости осадочных пород
Пористость осадочных горных пород часто бывает анизотропной, то есть неодинаковой по разным направлениям.
Это происходит из-за ориентации уплощенных частиц параллельно напластованию в процессе уплотнения осадка. В результате пористость по горизонтали выше, чем по вертикали.
Анизотропию пористости учитывают при разработке нефтяных и газовых месторождений, так как она влияет на фильтрационные свойства коллекторов.
10. Методы регулирования пористости в промышленности
Существуют различные методы изменения пористости материалов для получения заданных свойств.
Для повышения пористости применяют термическую обработку с добавлением порообразователей; вспенивание расплавов; замораживание дисперсий с последующим оттаиванием.
Для снижения пористости используют спекание при высоких давлениях и температурах; пропитку полимерами, цементирующими поры; ультразвуковую обработку.
11. Пористость как диагностический признак в медицине
В медицинской диагностике пористость костной ткани является важным показателем.
При пористости формула остеопороза происходит разрежение кости, увеличение размеров пор и снижение механической прочности. Это повышает риск переломов.
Определение пористости кости по рентгенограммам или КТ позволяет диагностировать остеопороз на ранней стадии и назначить лечение.
