научная статья по теме АКТИВНАЯ ПОРИСТОСТЬ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ Геология

Текст научной статьи на тему «АКТИВНАЯ ПОРИСТОСТЬ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ»

ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2014, № 3, с. 262-269

== ГРУНТОВЕДЕНИЕ =

УДК 624.131

АКТИВНАЯ ПОРИСТОСТЬ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

© 2014 г. В. И. Осипов, Ф. С. Карпенко, Н. А. Румянцева

Институт геоэкологии им. Е.М.Сергеева Российской академии наук, Уланский пер.13, стр. 2, Москва, 101000 Россия. E-mail: direct@geoenv.ru

Поступила в редакцию 1.08.2013 г.

Уточняется понятие активной пористости, данное Б.М. Гуменским. Под активной пористостью понимается объем общей пористости за вычетом объема порового пространства, занятого адсорбционной водой. Рассматриваются методы нахождения активной пористости путем определения объема, занимаемого адсорбционной водой при максимальной гигроскопической влажности грунта, и его вычета из общей пористости. Показано, что определение активной пористости важно не только для оценки коллекторских и фильтрационных свойств грунтов, но и для ряда параметров, определяемых в механике грунтов.

Ключевые слова: внутрикристаллическоеразбухание, активная пористость, максимальная гигроскопическая влагоемкость, число пластичности, коэффициент сжимаемости.

ВВЕДЕНИЕ

Для характеристики порового пространства глинистых пород применяется несколько показателей: общая, открытая, закрытая, активная и эффективная пористость. Принцип выделения упомянутых видов пористости неодинаков, а их физическая сущность трактуется не всегда однозначно. Первые три вида пористости характеризуют геометрическое пространство, занимаемое порами, и различаются по степени их взаимосвязи между собой. Под общей пористостью (п) понимается все геометрическое пространство, занимаемое в породе порами независимо от их размера, формы и степени взаимосвязи. К открытой (п0) относится пористость, слагаемая связанными между собой и окружающим пространством порами; закрытая (пз) пористость состоит из закрытых (изолированных) и не связанных между собой пор. Суммарная величина открытых и закрытых пор характеризует общую пористость: п = п0 + пз.

Характеристика и оценка эффективной и активной пористости основывается на другом принципе. Так, в инженерной геологии и механике грунтов под эффективной понимается часть по-рового пространства горной породы, по которому может происходить движение газа и жидкости при определенном давлении [6]. В нефтяной геологии и гидрогеологии под эффективной понимается

пористость, по которой возможно движение газов и воды при определенном градиенте напора [9]. Таким образом, в первом случае эффективной считается пористость, изменяющаяся при деформационных процессах, из которой отжимается газ или флюид при сжатии породы. Во втором - пористость, по которой идет движение газа и жидкости под влиянием гидравлического давления без какого-либо механического воздействия на скелет породы. В этом случае по величине эффективной пористости можно прогнозировать потенциальную водо-, нефте- или газоотдачу пласта, что важно при оценке ресурсов месторождений. Главное же заключается в том, что в обоих случаях значение эффективной пористости - величина переменная, зависящая от конкретных условий воздействия на породу. В первом случае значение эффективной пористости снижается с ростом давления, а во втором - возрастает с увеличением градиента напора, поэтому показатель, характеризующий эффективную пористость, не может служить в качестве константы порового пространства пород.

Более дискуссионным является определение понятия активной пористости. В.Д.Ломтадзе активной считает пористость, обусловленную крупными порами, по которым может свободно двигаться вода [6]. Такое определение подразумевает, что активная пористость по своей величине

должна быть близка к открытой пористости в понимании специалистов по инженерной геологии и механике грунтов. Е.М. Пашкин, А.А. Каган и Н.Ф. Кривоногова [9] дают другое определение. Активная пористость - "объем пор, через который при данном напорном градиенте может происходить фильтрация воды", т.е. активная пористость - это синоним эффективной пористости в определении гидрогеологов и нефтяников. С учетом неоднозначности понятия активной пористости ниже предлагается придать ему более определенный физический смысл и тем самым конкретизировать сам термин и способ определения величины этого вида пористости.

ПОНЯТИЕ АКТИВНОЙ ПОРИСТОСТИ

Б.М. Гуменский [5] обратил внимание на то, что часть порового пространства тонкодисперсных пород занята физически связанной водой, которая прочно удерживается минеральной поверхностью частиц и сокращает объем порового пространства, через которое может двигаться свободная гравитационная вода. Объем пор, свободный от физически связанной воды, он предложил называть активной пористостью (па). В соответствии с этим, коэффициент активной пористости (еа) водонасыщенных пород определяется отношением объема пор, заполненных свободной водой, к объему твердых минеральных частиц:

п„ = п - п

ы(связ)

г= , (1) 100-па

где п - общая пористость, найденная по стандартной методике, пк(связ) - объем пор, занятых связанной водой.

На основании современных представлений о природе физически связанной воды, определение активной пористости, данное Б.М. Гуменским, может быть уточнено. Образующаяся на поверхности и внутри разбухающих глинистых минералов граничная пленка физически связанной воды состоит из адсорбированных молекул воды (адсорбционная вода) и осмотической воды [8]. Адсорбционная вода прочно связана с поверхностью минералов за счет водородных связей и образует тонкую пленку толщиной не более 2.5-5.0 нм. Она имеет специфическую структуру и свойства, не передает порового давления и удерживается в породе даже при давлениях, достигающих 100 МПа и более, не участвует в электроосмотическом переносе влаги. Только в условиях повышенной температуры (60-70°С) происходит разрушение ее структуры, и она переходит в свободную воду.

Осмотическая вода непосредственно не связана с минеральной поверхностью. Она притянута осмотическими силами в диффузную часть двойного электрического слоя (ДЭС) частиц, где гидратирует обменные катионы, образуя ионные гидратные комплексы за счет ионно-электроста-тических связей. Масса осмотической связанной воды, удерживаемой в породе, определяется зарядом частиц, составом и концентрацией порового раствора и рядом других физико-химических факторов [8]. Толщина пленки осмотической воды значительно больше по сравнению с адсорбционной водой и достигает 50 нм и более. Она передает поровое давление и, несмотря на повышенную вязкость, может отжиматься вместе с катионами при уплотнении породы или с ростом градиента напора. В тонкодисперсных уплотненных породах градиент напора, при котором начинается фильтрация воды (в том числе и осмотической), получил название начального градиента напора.

Таким образом, адсорбционная вода практически при всех условиях сохраняется на поверхности тонкодисперсных минералов и межслоевом пространстве глинистых минералов, уменьшая объем пор на величину собственного объема (рис. 1). Ее количественное содержание зависит от кри-сталлохимических особенностей поверхности глинистых минералов, а у минералов смектито-вой группы - еще и от состава катионов адсорбционного слоя ДЭС.

В отличие от адсорбционной осмотическая связанная вода имеет переменный объём, величина которого определяется физико-химическими факторами, а главное, она может удаляться (отжиматься) вместе со свободной водой при сжатии породы или фильтрации при градиенте напора выше начального.

Исходя из сказанного, можно скорректировать данное Б.М. Гуменским понятие активной пористости. Под активной пористостью (па) следует понимать объем общей пористости за вычетом объема порового пространства, занятого адсорбционной водой (пш(адс)):

п - п

w(адс)'

(2)

Активная пористость - важный параметр порового пространства, зависящий от состава и состояния пород. Максимальное значение активной пористости водонасыщенных пород характеризует объем пор, занятых свободной и осмотической водой. Этот показатель определяет максимальную водоотдачу породы, а также ее потенциально сжимаемое пространство при приложении внешней нагрузки. Как будет показано ниже, использование значений активной

Рис. 1. Активная пористость глинистых пород: а - общий вид порового пространства глинистых пород, б - стенки макро- и микропор, сложенные глинистыми минералами: 1 - активные поры, заполненные свободной и осмотической водой, 2 - пленки адсорбционной воды, 3 - разбухающие глинистые минералы, 4 - неразбухающие глинистые минералы, 5 - межчастичные ультрамикропоры, заполненные адсорбционной водой.

пористости позволяет существенно повысить точность расчетов ряда параметров, определяемых в механике грунтов.

РАСЧЕТ АКТИВНОЙ ПОРИСТОСТИ

Как уже было сказано, активная пористость глинистого грунта численно равна его общей пористости, найденной по стандартной методике, за вычетом объема пор, занимаемого адсорбционной водой (ф. 2). Известно, что предельное содержание адсорбционной воды соответствует максимальной гигроскопической влажности породы ^т8). Величина w определяется массой воды в единице объема грунта, адсорбированной на внешней поверхности глинистых минералов и в межслоевом пространстве их разбухающих разностей, отнесенной к массе скелета грунта. Ее значение возрастает с увеличением содержания глинистых минералов в породе, особенно с разбухающей кристаллической решеткой.

Расчет активной пористости и коэффициента активной пористости можно осуществить двумя способами. Первый основан на расчете пористости с использованием реальной плотности минеральных частиц грунта (р'):

Па--;- УО, еа--'

р' Ра

где ра - плотность скелета грунта.

Значения р' находят, учитывая содержание в грунтах глинистых минералов с разбухающей кристаллической решеткой. Как было показано В.Г. Шлыковым и П.В. Трапезниковым [11], В.И. Осиповым [7], образование адсорбционной воды в межслоевом пространстве таких минералов приводит к снижению их плотности, что влияет на значение плотности твердой компоненты всего грунта. Более подробно методика определения р' приведена в работах

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком