1.3.4 Плотность газовой и жидкой фаз

В зависимости от концентрации солей плотность вод увеличивается от 1 (пресная вода) до 1,26 г/см³ (предельно крепкий раствор). С увеличением давления (глубины) она увеличивается. Рост температуры приводит к ее уменьшению, так как температурный коэффициент расширения, изме­няясь от 6,510^-5 при 410 °С до 5810^-5 при температуре 6570°С, также растет.

Рисунок 1.2 – Зависимость плотности растворов NaCl от объемной концентрации C_v и температуры t.

1 – зависимость от температуры, 2 – зависимость от концентрации

Нефть является смесью жидкости (С₅Н₂С₁₆Н₃₄), газа (углеводороды СН₄С₄Н₃₄) и твердых веществ (С₁₇Н₃₆С₁₅Н₇₂ – парафины и церезины).

Плотность нефтей колеблется в пределах 0,750,98 г/см³ (t=20 °С), чаще всего в пределах 0,820,92.

Она зависит:

во-первых, от содержания в ней легких низкокипящих – бензиновых и лигриновых – фракций;

во-вторых, от содержания асфальтово-смолистых компонентов, обладающих плотностью порядка 1 и выше;

в-третьих, от химической при­роды углеводородов, составляющих основную массу нефти. Метановые нефти (ряд алканов С_nН_2n+2) легче нафтеновых (ряд циклоалканов С_пН_2n-2), а последние в свою очередь легче ароматических (С_nН_2n-p, р= 6, 12...36).

Плотность воздуха при температуре 20°С и давлении 0,1 МПа равна 0,0012 г/см³.

Плотность углеводородных газов находится в пределах от 0,000715 (метан) до 0,00317 (пентан) г/см³ и в среднем близка к плотности воздуха.

1.4 Способы определения плотности

Плотность горных пород измеряют либо на специально отби­раемых образцах пород, либо в их естественном залегании.

Способ гидростатического взвешивания относится к числу наиболее распространенных. Он сводится к двойному взвешиванию испытуемого образца горной породы. Вначале определяют массу образца т₁ в воздухе, затем в воде – т₀. В соответствии с законом Архимеда разница между этими величинами (т₁–т₀) равна массе воды в объеме образца. Учитывая, что плотность воды _в=1, имеем:

.

(1.5)

Так поступают с практически водонепроницаемыми породами. Для сохранения естественной влажности водопроницаемых горных пород их образцы сразу после отбора парафинируют. Де­лают это при температуре не выше 6070 °С, чтобы законсервировать образец с поверхности, но одновременно не исказить результат измерений за счет проникновения парафина в поры породы. При этом формула (1.5) усложняется:

,

(1.6)

где ;

_п – плотность парафина;

m₂ – масса образца после парафинирования.

Точно по такой же методике можно получить плотность водо- и газонасыщенной породы. Изменяется лишь подготовка образца к измерениям. Чтобы получить плотность водонасыщенного образца _в, его предварительно насыщают водой, а для получения плотности газонасыщенной породы _в образец, наоборот, высушивают при температуре 105110°С в муфельной печи. Признаком водо- или газонасыщенности служит стабилизация массы образца.

В гравиразведке широко распространен денситометр Самсонова, при использовании которого в результате взвешивания образца в воздухе и в воде значение плотности считывают непосредственно с нелинейной шкалы прибора. Денситометром можно измерять плотность образцов любой формы, в том числе керна скважин. Масса отдельных образцов может колебаться в пределах 50500 г.

Пикнометрический способ применяют для определения плотности рыхлых сыпучих пород, например песка, супеси, почвы и т. п. Он сводится к взвешиванию определенного объема горной породы, насыпанной в сосуд цилиндрической формы  пикнометр. Значение плотности рассчитывают по формуле

,

(1.7)

где m' – масса пикнометра;

m – масса пикнометра с породой;

V  объем рабочей полости пикнометра, занятой породой.

Минералогическую плотность _м также определяют пикнометрическим методом. Для этого породу дробят до частиц размером менее 0,25 мм.

Взвешивают при температуре t и получают массы т_п абсолютно сухого пикнометра, т_п.ж пикнометра, заполненного до метки рабочей (пластовая вода, керосин и др.) жидкостью, т_п.т абсолютно сухого пикнометра заполненного на 1/3 объема абсолютно сухой измельченной твердой фазой породы, и пикнометра с тем же объемом твердой фазы и рабочей жидкостью т_п.т.ж, заполняющей до метки оставшийся объем пикнометра.

Зная эти массы, можно рассчитать минеральную плотность:

.

(1.8)

Гамма-гамма-метод используют для определения плотности горных пород на образцах, в шурфах, шпурах и скважинах. При измерениях плотности пород гамма-гамма-методами регистрируют результат взаимодействия с веществом гамма-лучей от искусственного источника излучения, в качестве которого обычно используют радиоактивные изотопы ¹³⁷Cs, ⁶⁰Со и ²²⁶Ra. При прохождении гамма-квантов через объем горной породы происходят процессы, приводящие к их частичному поглощению веществом, например фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние, образование пар электрон-позитрон.

Наряду с методиками точечных измерений плотности известны способы оценки плотности больших объемов пород в естественном залегании.

Метод подземной регистрации космического излучения (ПРКИ). Как известно, космические лучи на определенной высоте от уровня моря представляют непрерывный и достаточно постоянный во времени поток элементарных частиц, состоящий из жесткой и мягкой компонент. Мягкая составляющая космических лучей включает электроны, позитроны и фотоны. В состав жесткого компонента, определяющей порядка 2/3 полной интенсивности космических лучей, входят протоны и -мезоны. Интенсивность потока космических лучей при измерении под землей, в скважинах, штольнях или шахтах определяется исключительно -мезонами, которые вследствие своей громадной энергии проникают сквозь мощные толщи горных пород, одновременно взаимодействуя с ядрами вещества. При этом интенсивность потока -мезонов под землей зависит в основном от средней плотности горных пород, залегающих в интервале от дневной поверхности до пункта регистрации.

Способ Неттлтона используется для оценки среднего значения плотности промежуточного слоя в гравиразведке.

Гравиметрический способ определения плотности массива горных пород в естественном залегании основан на измерении разности ускорений силы тяжести , на двух высотных уровнях Н₂ и H₁ в скважине или в шахте.