L БУРЕНИЕ СКВАЖИН,
L А
УДК 624.131.43, 624.131.522
© М.Г. Храмченков, Э.М. Храмченков, В.В. Петруха, 2015
Особенности набухания глинистых пород в растворах электролитов1
М.Г. Храмченков, д.г.-м.н., Э.М. Храмченков, к.г.-м.н., В.В. Петруха
(Казанский (Приволжский) федеральный университет)
Адрес для связи: ekhramch@gmail.com
Ключевые слова: набухание, деформации, осмотическое давление, растворы электролитов
The peculiarities of clayey rock swelling in electrolyte solutions
M.G. Khramchenkov, E.M. Khramchenkov, V.V. Petrukha (Kazan (Volga Region) Federal University, RF, Kazan)
E-mail: ekhramch@gmail.com
Key words: swelling, deformations, osmotic pressure, electrolyte solution.
Osmotic pressure in swelling clay rock depends on the type and concentration of the pore solution. At zero concentration of the pore solution osmotic pressure is generated by ions-compensators negative electric charge of clay particles. Last is the cause of heterovalent substitution of iron ions in the octahedral sites and silicon ions in tetrahedral sites. If the osmotic pressure is balanced by the external pressure on the osmotic system, the latter starts to swell. The presence of electrolytes in the water changes the magnitude of the osmotic pressure in the clayey rock. The dependence of the concentration of the osmotic pressure of the solution is rather complex, therefore at different solution concentrations swelling of clayey rocks proceeds differently.
Набухание глинистых пород обусловлено наличием в их составе частиц глинистых минералов и взаимодействием активных центров на поверхности глинистых частиц с молекулами воды и последующим формированием моно- или многослойной сетки молекул воды. Исходя из полярного характера молекул воды наиболее важную роль в процессе набухания будут играть электрически активные центры поверхности глинистых частиц, в частности, катионы-компенсаторы электрического заряда глинистых частиц [1]. Последние за счет формирования гидратной оболочки из молекул воды отделяются от поверхности глинистых частиц, создавая условия для возникновения осмотического давления и дальнейшего набухания глинистых пород. Таким образом, способность к набуханию связана с гидрофильным характером глинистых минералов, слагающих некоторые типы грунтов и горных пород. Частицы глинистых минералов, обладающие большой удельной поверхностью, наиболее активно проявляют гидрофильные свойства. Уменьшение сцепления между частицами грунта приводит к потере связности грунта, следовательно набухание грунтов или горных пород может вызвать их частичную, а в некоторых случаях и полную дезинтеграцию агрегатной структуры породы или грунта. Далее будем исходить из предположения, что процесс набухания имеет главным образом осмотический характер. Причиной осмотического набухания является разница концентраций солей во внутриагрегатном растворе
и воде, окружающей набухающие агрегаты. Если концентрация внешнего по отношению к набухающим агрегатам раствора меньше суммарной (включающей также гидратированные катионы-компенсаторы электрического заряда глинистых частиц) концентрации раствора, находящегося во внутриагрегатных порах, то происходит набухание породы, которое возрастает с повышением разницы концентраций этих растворов. Если концентрация внешнего раствора больше концентрации по-рового раствора, то набухания может не быть. При этом может наблюдаться сжатие породы, подобное происходящему при ее высыхании.
При увеличении объема грунта или горной породы в процессе набухания развивается давление, которое называется давлением набухания. Будем считать, что скорость набухания пропорциональна этому давлению.
Теоретические основы моделирования динамики набухания глинистых грунтов в растворах электролитов
В работе [2] предложена теоретическая модель набухания глинистых пород, основанная на вышеизложенных предположениях. Далее было проведено сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными из работы [3]. Оно показало небольшое различие модельных и экспериментальных результатов. Тем не менее остается актуальной задача распространения предложенной теории на случай набухания глинистых
1Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (геС), грант №15-11-10015, а также за счет средств субсидии, выделенной в рамках государственной поддержки Казанского (Приволжского) федерального университета с целью повышения его конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров.
09'2015
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
62
горных пород в растворах электролитов. Эта задача особенно важна с точки зрения исследования влияния набухания глиносодержащих пород на фильтрацию воды в нефтяных пластах при вытеснении нефти.
Обычно массоперенос и набухание в глинистых грунтах и глинистых горных породах количественно рассматриваются в рамках концепции массопереноса в так называемых бипористых (с двойной пористостью) средах [4], в которых одна система пор, обычно называемых трещинами, является хорошо проницаемой, а вторая, называемая блоками, - слабопроницаемой. Закачиваемый раствор по хорошо проницаемым порам попадает в породу и постепенно пропитывает слабопроницаемые блоки (агрегаты). В связи с этим необходимо учитывать массу растворенного вещества, находящуюся в системах хорошо проницаемых пор и слабопроницаемых блоков.
Осмотическое давление вычисляется по формуле
я = RT
Q + glCV bCVr
mcV (m - mc )V
(1)
где R - универсальная газовая постоянная;! - абсолютная температура; - емкость катионного обмена; у1, у2 - доля общей массы закачанного электролита соответственно в межслоевой воде (блоках) и проницаемых порах (трещинах), у1 + у2 = 1; С - концентрация закачиваемого электролита; Vr - объем закачки; т - общая доля воды в объеме глинистого грунта; тс - доля межслоевой воды (относительный объем воды между глинистыми частицами); V - объем глинистой породы.
Уравнение динамики набухания может быть записано в виде
Динамика высоты подъема поверхности грунта hsw:
1, 2, 3 - теоретическая кривая и экспериментальные точки для котлована, в который заливали соответственно 10%-ный раствор серной кислоты, комбинированный электролит (10 % серной кислоты, 50 % медного купороса и 3 % никелевого купороса) и воду
ми для соответствующего интервала времени (см. рисунок). Наибольшее набухание происходит при закачке в грунт раствора серной кислоты, более слабое - при закачке более концентрированного раствора комбинированного электролита и самое слабое - при закачке воды. Отмеченное отражает нелинейный характер зависимости параметров тс, у1 и у2 от концентрации раствора [4], что подтверждает анализ зависимости р от С.
Таким образом, по расчетным данным и результатам их сравнения с экспериментальными разработана модель, адекватно описывающая процесс набухания глинистых грунтов и горных пород в растворах электролитов. Модель позволяет прогнозировать изменение объема грунта или горной породы во времени и в зависимости от концентрации фильтрующегося раствора во многих практических важных случаях.
Э0/Э£=ая,
(2)
где 0=(^о)^ - относительное изменение объема набухающего грунта; V=Vo(1+0)-Vs; V0 - начальный объем грунта; Vs - объем твердой фазы грунта; а - константа скорости набухания.
Уравнение (2) представляет собой дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными и может быть легко проинтегрировано, а неизвестные постоянные определены из эксперимента.
Экспериментальные исследования
Экспериментальные данные взяты из работы [3]. Опыты основаны на измерениях подъема глинистого грунта при закачке в него воды, раствора серной кислоты, а также более сложной комбинации электролитов. В соответствии с решением уравнения (2) были построены графики во всем диапазоне времени набухания и проведено их сравнение с экспериментальными данны-
Список литературы
1. Лазаренко Е.К. Курс минералогии. - М.: Высшая школа, 1963. - 559 с.
2. Храмченков М.Г., Храмченков Э.М., Петруха В.В. Оценка скорости набухания глинистых пород // Нефтяное хозяйство. - 2014. - № 10. -C.54-56.
3. Сорочан Е.А. Строительство сооружений на набухающих грунтах. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1989. - 312 с.
4. Khramchenkov M.G. Rheological double-porosity model for clayey rocks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2005. - V. 42. - P. 1006-1014.
References
1. Lazarenko E.K., Kurs mineralogii (The course of Mineralogy), Moscow: Vysshaya shkola Publ., 1963, 559 p.
2. Khramchenkov M.G., Khramchenkov E.M., Petrukha V.V, The valuation of swelling rate of clayey rock (In Russ.), Neftyanoe khozyaystvo = Oil Industry, 2014, no. 10, pp. 54-56.
3. Sorochan E.A., Stroitel'stvo sooruzheniy na nabukhayushchikh gruntakh (Construction of facilities on swelling soils), Moscow: Stroyizdat Publ., 1989, 312 p.
4. Khramchenkov M .G., Rheological double-porosity model for clayey rocks, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2005, V 42, pp. 1006-1014.
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
09'2015 63
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.