WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

«Храмченков Максим Георгиевич ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ ПРИРОДНЫХ ПОРИСТЫХ СРЕД Монографии по механике. № 5 Посвящается 200-летию Казанского университета ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ...»

-- [ Страница 2 ] --

Гл. 5. Фильтрация в глинах ГЛАВА 5. ФИЛЬТРАЦИЯ В ГЛИНАХ Полученные в предыдущем разделе соотношения оказыва ются полезными и при анализе влияния на проницаемость глини стых пород различных факторов (концентрация растворов, горное давление и др.). Для этого снова воспользуемся формулой Арчи (2.3.2). В работе [8] приведена еще одна эмпирическая формула – формула Нишиды для проницаемости бентонитовых глин:

, где Mp – число пластичности. Оче k = exp[(nln10 / 0,01M ) -10] p видно, что обе формулы описывают зависимость одного характе ра, поэтому в дальнейшем будем использовать только формулу Арчи, поскольку полученные результаты легко могут быть пере писаны для более сложного случая, описываемого формулой Нишиды.

В обе формулы входит значение пористости пород. По скольку мы различаем пористость транспортных пор и порис тость межслоевых пленок воды, то очевидно, что n = mc + m. То гда согласно (2.2.9) n = - (1- ) = 0. Видим, что для того, чтобы получить зависимость проницаемости глинистых пород от концентрации, нужно более детально рассмотреть характер тече ния по транспортным порам и порам, образованным межслоевым пространством глинистых частиц. Это было сделано автором в работе [47]. Новое, что добавляется к результатам [47], это воз можность учесть влияние нагрузки обжатия на вид кривых зави Разд. 2. Теоретические основы физико-химической механики глин… симости проницаемости от концентрации через величину n со гласно последней формуле.

Поскольку обычно для глинистых пород можно считать, что m mc, то из последней формулы и (2.4.6) получим n n0 exp(-G / ), n0 = / V0(0) C ( ). Ясно, что нагрузку G можно выразить через глубину Hz и удельный вес u вышележащих гор ных пород: G = uHz. Тогда n0 имеет физический смысл пористо сти данного типа глин на нулевой глубине (у поверхности), и по следнее соотношение для n примет вид n n0 exp(- Hz ), = u-1, (2.5.1) полностью совпадающий с рекомендуемой ([8], с. 118) зависимо стью пористости глинистых пород от глубины их залегания.

Глинистые породы вообще и монтмориллонитовые глины в особенности обладают крайне низкой проницаемостью, поэтому даже небольшое их присутствие в породе делает ее слабопрони цаемой. Наличие таких пород вносит существенную специфику в моделирование фильтрации подземных флюидов, будь то учет при моделировании геофильтрации субвертикальных перетоков через слабопроницаемый глинистый пропласток (водоупор) или двухфазную фильтрацию в набухающем глиносодержащем кол лекторе [40, 41]. Отсюда понятен интерес к изучению проницае мости монтмориллонитовых, т. е. набухающих глин.

Гл. 5. Фильтрация в глинах Одним из методов такого изучения является математиче ское моделирование. Основной особенностью при моделирова нии проницаемости монтмориллонитовых глин является учет их структурных особенностей. Наши соображения о реалистической структуре монтмориллонитовых глин приведены в [46, 47]. Со гласно им в простейших случаях структуру монтмориллонитовой глины можно представить как укладку не полностью совмещен ных друг с другом листовых плоских частиц, так что при этом образуются щелевидные поры. Будем, опять же для простоты, считать размеры всех частиц одинаковыми. Точное значение рас хода через прямоугольную щель под действием градиента давле p ния p есть Q = xh4 f (x), где h - полувысота щели, x - отно 4µ шение полудлины к полувысоте, f (x) - табулированная функция [46].

Общий расход представляет сумму расходов через N щелей, содержащихся в сечении породы:

p p S0h2 4xh2N p Q = Nxh4 f (x) = f (x) = S0mf (x), 4µ 4µ 4 S0 16µ где m = 4xh2N / S0 - пористость (просветность) породы. Отсюда следует выражение для скорости фильтрации f (x)h2m w = Q / S0 = p 16µ и выражение для коэффициента проницаемости Разд. 2. Теоретические основы физико-химической механики глин… k = f (x)h2m /(16µ) = Am, A = f (x)h2 /(16µ). (2.5.2) Из формулы (2.5.2) легко заметить, что коэффициент проницае мости линейно зависит от пористости, что вполне согласуется с экспериментальными данными по этому вопросу [26].

Однако описанная выше структурная модель монтморилло нитовой глины слишком упрощенно описывает реальный объект и не учитывает фактор агрегированности частиц глины. Для того чтобы учесть его, представим структуру глины как совокупность агрегатов частиц (и N щелей), соединенных между собой по вы шеуказанному принципу, каждый из которых состоит из стольких же микроагрегатов, соединенных аналогично, каждый из которых состоит из стольких же кристаллитов и т. д. [42]. Общий расход при этом Q = N(i x(i)h(4 f (x(i)), (2.5.3) p i) i) 4µ i где индексом i отмечены соответствующие параметры на i-м структурном уровне.

Не уменьшая общности, можем считать сечение породы прямоугольником с размерами L и D, т. е. L D = So. Если принять размеры поперечного сечения агрегатов i-го уровня равными li и di, так что di li =2x(i)h(i), d(i) =2h(i), d(i) - степень вскрытости по верхности агрегатов i-го уровня, то LD LD l1d1 LD N1 =, N2 = =, l1(1+ 1)d1 l1(1+ 1)d1 l2(1+ 2)d2 (1+ 1)(1+ 2) Гл. 5. Фильтрация в глинах LD N3 =.

(1+1)(1+ 2 )(1+3)ld Тогда скорость фильтрации будет равна h(2 f (x(i) h(2 f (x(2) h(2 f (x(3) p i) 2) 3) (2.5.4) w =++ +....

16µ 1+ i (1+ 1)(1+ 2) (1+ 1)(1+ 2)(1+ 3) Очевидно, что пористость, создаваемая частицами первого уровня, m1 = 1/(1+ 1) ;

второго и первого уровней m2 = 1/(1+ 1)(1+ 2), и т. д., так что в случае неагрегированной структуры соотношение (2.5.4) переходит в (2.5.2). Формула (2.5.4) носит фрактальный характер. Покажем это.

Допустим для простоты, что 1 = 2 = K = i = K =.

Пусть также LD / l1d1 = l1d1 / l2d2 = K = lidi / li+1di+1 = K = U. Тогда формулу (2.5.3) можно записать в виде p U U Q = 1) 2) 1+ x(1) f (x(1)h(4 + (1+ )2 x(2) f (x(2) )h(4 +... = 4µ p = (1U x(i) f (x(i))h(4.

i) 4µ + ) i Пусть теперь x = x(1) = x(2)=..., h(1) = D / z, h(2) = h(1) / z,K Тогда ii p xf (x)D Q = x f (x ) = (1U D4 (1+U.

4µ +)i z4i 4µ )i z4i ii Разд. 2. Теоретические основы физико-химической механики глин… Учитывая, что xD2 = S0, запишем для скорости фильтрации i D2 f (x) w = (2.5.5) (1+U.

4µ )i z4i i Таким образом, на n-м шаге имеем nn щелей, а размерность Хаус дорфа-Безиковича [39] при этом lnU Ds =. (2.5.6) ln(1+ ) + 4ln z -n Введем характерный размер на n-м шаге: = [(1+ )z4]. При этом, очевидно, ln n -Ds s n =-, U = en lnU = e-D ln =, ln(1+ ) + 4ln z 1-Ds w = a, lg w = (1- Ds)lg + lg a, т. е. график lg w от lg есть прямая с углом наклона 1 - D.

На практике пористость определяют обычно не для массива в це лом, а на уровне представительного элемента объема (ПЭО). Для ПЭО в большинстве случаев можно считать U z2 (т. е. сечение - квадрат). Тогда 2ln z Ds =. (2.5.7) ln(1+ ) + 4ln z Гл. 5. Фильтрация в глинах Поскольку независимо определяемые из опыта значения равны примерно 0.1 и редко превышают 0.2, то с достаточной точно стью для глин можно считать Ds 1/ 2. Полученный результат оказывается очень интересным с точки зрения массопереноса в средах с фрактальной структурой. Процесс тепломассопереноса в такой среде согласно этим представлениям описывается с помо щью аппарата дробного дифференцирования, причем степень дробной производной оказывается равной фрактальной сораз мерности, т. е. евклидовой размерности минус размерность Хаус дорфа-Безиковича. Очевидно, что степень при учете (2.5.7) для одномерного случая равна 1/2 [39].

Независимо от этих исследований и достаточно давно для так называемых трещиновато-пористых сред [3] было получено, что решение уравнений тепломассопереноса в них описывается дробным интегралом размерности 1/2 [3]. При описании тепло массопереноса в трещиновато-пористой среде обычно предпола гают одновременное действие двух механизмов - конвективного (быстрого) по трещинам и диффузионного (медленного) по сла бопроницаемым пористым блокам. Часто тепломассоперенос глинистых породах описывают в рамках модели трещиновато пористой среды. С этой точки зрения результат (2.5.7) является дополнительным подтверждением валидности фрактального под хода к тепломассопереносу в глинистых порах и в средах со сложной структурой в целом [39]. Легко показать [39], что для предфрактала степени N из (2.5.7) следует формула Арчи (2.2.9).

Разд. 2. Теоретические основы физико-химической механики глин… Полученное соотношение (2.5.7) позволяет перейти к сле дующему этапу решения и найти зависимость проницаемости глины от концентрации фильтрующегося раствора без и при на ложении на глину всестороннего обжатия. В первом случае для пористости cреды m и коэффициента фильтрации К имеем m = mp + mc, m = const, (2.5.8) K = Kp + Kc, (2.5.9) где mp, Kp - соответственно пористость и коэффициент фильтра ции межагрегатных поровых каналов, mc, Кc - пористость и ко эффициент фильтрации глины в составе породы. Из [47] для Kр имеем K = (m - mc ). (2.5.10) p Рассматривая глину как совокупность параллельных друг другу листовых частиц, с помощью (2.1.4), (2.1.6) и (2.4.1) легко получить для mс соотношение, которое мы уже вывели в разделе 2.4 для доли объема, занятой водой между глинистыми частица ми:

m mc =, m0 = const. (2.5.11) C Здесь m0 - относительное содержание глинистых частиц в поро де. Разница с главой 4 второго раздела книги состоит лишь в ис пользовании другой константы в числителе дроби, что на данный Гл. 5. Фильтрация в глинах момент представляется более удобным. Из формулы Чураева– Дерягина [52] имеем H ) Kc 3B ( - th H = 1-, (2.5.12) K0 (H )3 - (H / ch2 H ) + H (1+ k) (B / 2) H th где K0 - коэффициент фильтрации при отсутствии электрокине тических эффектов, B = (1/)( / 4 )2, - вязкость жидко s сти, - удельная электропроводность раствора, s - электриче ский потенциал поверхности глинистых частиц, ch и th – стан дартные обозначения гиперболических косинуса и тангенса соот ветственно, 1/ = (0RT / 8z2F C)1/ 2 - как и прежде, дебаевский радиус экранирования, z - заряд ионов раствора, k = Us /[(H + H0)], s - поверхностная плотность заряда в ад s сорбционном слое, Us - подвижность ионов в адсорбционном слое. Часто полагают Us 0, ks 1. Следовательно, Kc 5A1 + 54C q =, A1 =. (2.5.13) K0 9A1 + 54C Здесь 0 - эквивалентная электропроводность раствора. Исходя из (2.5.11), (2.5.12) и (2.5.13), для коэффициента фильтрации сре ды получим итоговую зависимость (показана на рис. 10 пунктир ной линией). Построенная кривая достаточно хорошо согласуется с экспериментальной зависимостью Р. Э. Дашко [29]. При анали зе полученной зависимости обращает на себя внимание харак- Разд. 2. Теоретические основы физико-химической механики глин… K K 1 0 (m0 / m)2 1 С, моль/л Рис. 10. Зависимость проницаемости глинистых пород от концентрации раствора (без обжатия): 1 - кривая проницаемости межагрегатных пор;

2 - кривая проницаемости глинистой составляющей породы;

3 - кривая суммарной проницаемости породы в целом. Расчеты проводились для m0 = 5%, m = 20% терный «провал» в области низких концентраций. Это говорит о низкой проницаемости глин при фильтрации через них слабоми нерализованных растворов. При росте концентрации раствора проницаемость также растет. Небольшое отличие в этой области концентраций от данных Р. Э. Дашко можно объяснить тем, что в реальных экспериментах в этой области идет обмен катионов об менного комплекса образца глины на катионы фильтрующегося раствора, что приводит к постепенному падению проницаемости в области низких концентраций.

Гл. 5. Фильтрация в глинах В случае действия всестороннего обжатия ( 3MПa [7]) имеем Ф = Р - Р 3МПa (H ). При этом q Ф H =, b = ;

(2.5.14) 2RT b2 + 2bC mq mq ;

(2.5.15) mc =, Kp = m b2 + 2bC b2 + 2bC Kc / K0 1. (2.5.16) Итоговая зависимость коэффициента фильтрации среды от концентрации раствора приведена на рис. 11. Полученная кривая хорошо согласуется с экспериментальными данными В. М. Голь дберга и Н. П. Скворцова [8]. Обращает на себя внимание сле дующий факт. Вид зависимости проницаемости глинистой поро ды от концентрации раствора сохраняется (проницаемость растет с ростом концентрации раствора), отличаясь от предыдущего случая лишь поведением при малых концентрациях раствора.

На третьем этапе рассмотрим массоперенос в глинах при r V.

фильтрации со скоростью Описание процесса будем прово дить в приближении локального доннановского равновесия без учета эффективной диффузии. В случае ненабухающих глин име ем:

Разд. 2. Теоретические основы физико-химической механики глин… K - K K 0. 0. 0 1 2 3 C, моль/л Рис. 11. Зависимость проницаемости глинистых пород от концентрации раствора в условиях всестороннего обжатия C1 r C1 C2 r C mp +VC1 + mc = 0, mp +VC2 + mc = 0, t t t t (2.5.17) C1 = e + e2 + C2, C2 = -e + e2 + C2.

Здесь e = q / H, mp, mc, H – const, C1 = C2 = C, - оператор градиента. Из (2.5.17) следует r C mp + VC + mc ( e2 + C )= 0. (2.5.18) t t По физическому смыслу полученное уравнение является уравне нием нелинейной сорбции в процессе переноса примеси в ходе фильтрации раствора.

Гл. 5. Фильтрация в глинах Для набухающих глинистых пород система уравнений массопереноса для условий m = mp + mc = const, K = (m - mc), mc = m0 / C, H = 1/ C примет вид r (mC1) + div(C1V ) + (mcC1) = 0, p t t r (mC2) + div(C2V ) + (mC2) = 0, pc t t q q2 q q C1 = + + C2, C2 = - + + C2, H H H H C1 = C2 = C, (2.5.19) rr V =-Kp, divV = 0.

Из (2.5.19) следует r m0 m C m - + + VC = 0. (2.5.20) t 2 C 2 q2 + C В одномерном случае и для ненабухающих, и для набухающих глин приходим к задаче типа C C + F (C) = 0. (25.21) t x Эта задача хорошо изучена в подземной гидромеханике [3], ее решение имеет вид Разд. 2. Теоретические основы физико-химической механики глин… x(C, t) = x(C,0) + F (C)t, (2.5.22) причем в нашем случае всегда F < 0, что соответствует распаду фронта. Таким образом, при фильтрации растворов через глини стые породы более низкие концентрации двигаются быстрее бо лее высоких (так называемый распадающийся фронт). Это явле ние действительно наблюдается на практике [29].

Остановимся подробнее на адсорбционном эффекте (2.5.17) и (2.5.19). Для (2.5.17), т. е. для ненабухающих глин, имеем для адсорбционной емкости Сs:

mc Cs = (C1 + C2 ) = m0 e2 + C. (2.5.23) Для набухающих глин из (2.5.19) имеем mc Cs = (C1 + C2 ) = m0 q2 + C. (2.5.24) Из (2.5.23) следует, что с ростом С в случае ненабухающих глин сорбционная изотерма ведет себя как изотерма Генри с коэффи циентом m0, т. е. аналогично обычной слабопроницаемой порис той среде.

Иное поведение следует из (2.5.24). При больших С сорбци онная емкость Cs m0 C, таким образом, наблюдаем «схлопы вание» сорбционной емкости набухающих глин с ростом концен трации. Поведение в обоих случаях показано на рис. 12.

Гл. 5. Фильтрация в глинах Cs, мг-экв/г m 2 0 1 2 3 4 5 C, моль/л Рис. 12. Зависимость адсорбционной емкости глин от концентрации раствора (q = 1 мг-экв/г) В заключение остановимся на одной интересной особенно сти уравнений (2.4.1) и следующих из них условий (2.4.5), запи санных для многокомпонентных химически активных смесей.

Легко показать, что условия равновесия вида (2.4.1) и (2.4.5) совместимы с условиями химического равновесия для проте кающих реакций, и, таким образом, состав равновесного раствора в глине определяется из химически равновесного состава раство ра в транспортных порах через условия доннановского равнове сия. Другими словами, в приближении локального равновесия системы вида (2.5.17) и (2.5.19) могут быть записаны и для мно гокомпонентного химически активного раствора с учетом усло Разд. 2. Теоретические основы физико-химической механики глин… вий химического равновесия для протекающих реакций. Покажем это подробнее.

Рассмотрим массоперенос в бипористой среде в случае, ко гда одна из сред или обе среды обменно активны. Примером та ких сред в первую очередь являются глинистые породы, в кото рых фильтрация протекает по трещинам, где раствор взаимодей ствует с поровым раствором глинистых агрегатов и блоков. Выше уже говорилось, что глины характеризуются обменной емкостью, сформированной катионами - компенсаторами избыточного электрического заряда (обычно отрицательного) элементарных глинистых частиц или адсорбированных энергетическими цен трами поверхности частиц. Предполагая аддитивность вклада электрического поля в химический потенциал i-го компонента раствора, вместо (2.1.6) придем к системе уравнений (индексом с помечены катионы, а - анионы, zi и zj - соответствующие ва лентности):

zi j zi j Ciz C = Ciz C. (2.5.25) (c) j(a) (c) j(a) Уравнения (2.5.25) являются следствием исключения из уравне ний (2.4.1) для электрохимического потенциала µi = µi0 + RT ln Ci + ezi, где µi0 - стандартный химический по тенциал, R - универсальная газовая постоянная, T - температура (°К), - потенциал электрического поля. По своему виду они совпадают с общими условиями доннановского равновесия [3].

Гл. 5. Фильтрация в глинах Замыкает систему уравнений (2.5.25) условие электрической ней тральности системы «глина - поровый раствор» eF Ci(c) - C = qS, (2.5.26) zi z j j(c) i j где F - число Фарадея, q - удельная обменная емкость глины (измеряется в кулонах на квадратный метр), S - удельная по верхность глины. При отсутствия набухания система (2.5.25) - (2.5.26) может быть разрешена, и мы также приходим к гомоген ному описанию процесса.

Существенным здесь оказывается следующий факт. Можно показать, что уравнения (2.5.25) совместимы с условием равнове сия по химическим реакциям, протекающим в обеих средах. В качестве примера рассмотрим две реакции - растворения и ком плексообразования.

Реакцию растворения рассмотрим на примере растворения кальцита CaCO3 Ca2+ + CO3-, (2.5.27) характеризующегося условием равновесия CCa CCO = 10-8,3. (2.5.28) 2+ 2 Заметим, что условие (2.5.27) в этом случае запишется в виде CCa CCO = CCa CCO. (2.5.29) 2+ 2- 2+ 2 Разд. 2. Теоретические основы физико-химической механики глин… Из (2.5.28) и (2.5.29) следует, что равновесия по реакции (2.5.27) в одной из пористых сред (обычно плохо проницаемой) приводит к равновесию и в другой (сообщающейся) среде.

Рассмотрим теперь реакцию комплексообразования Na+ + SO2- NaSO4. (2.5.30) Уравнение равновесия для этой реакции имеет вид C0 CNaCSO = 10-0,6, (2.5.31) 2-) ( где C0 - концентрация комплекса NaSO4. Условия (2.5.25) в этом случае примут вид CNa CSO = CNa CSO, (2.5.32) + 2- + 2 CNa C0 = CNa C0. (2.5.33) ++ Очевидно, что одновременное выполнение условий (2.5.31), (2.5.32) и (2.5.33) означает, что равновесие по реакции (2.5.30) в одной среде приводит к равновесию по этой реакции в другой.

Аналогично можно показать, что условия (2.5.25) совмес тимы с любой химической реакцией, как гетерогенной, так и го могенной. Таким образом, процесс массопереноса в глинистых породах можно рассматривать в рамках гомогенной схемы, учи тывая для определения потока ji в уравнениях (1.1.6) - (1.1.12) соотношения (2.5.25) - (2.5.26), позволяющие в рамках гипотезы о локальном равновесии связать концентрации хорошо- и плохо проницаемых сред.

РАЗДЕЛ 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, СВЯЗАННЫХ С ОБРАТНОЙ ТРАНСФОРМАЦИЕЙ И ДИСПЕРГАЦИЕЙ ГЛИНИСТЫХ МИНЕРАЛОВ ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАТНОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ГЛИНИСТЫХ МИНЕРАЛОВ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АРГИЛЛИТОВ В этой и следующей главах пойдет речь о процессах, свя занных с переходом глинистых минералов одного типа в другой (трансформацией минералов), а также о последствиях такой трансформации для подземной гидрогеомеханики. Физическая сущность процессов при этом состоит в перестройке как кристал лохимической структуры минерала, так и полей (главным обра зом электрических), эту структуру формирующих. Подробный расчет таких полей является необычайно сложной задачей и здесь не проводится. Мы пошли по пути построения макромоделей яв лений, протекающих при обратной трансформации глинистых минералов, что конечно же является только первым шагом в изу чении этого класса явлений.

В глубоких скважинах, вскрывающих осадочные толщи, иногда реализуются негативные явления, связанные с пластами глинистых пород. Так, например, освоение продуктивных кынов ских отложениях девона, имеющих широкое площадное распро странение на Ромашкинском месторождении нефти (Республика Татарстан), осложняется проявлением специфичных аварийных Разд. 3. Трансформация глинистых минералов… ситуаций в нагнетательных скважинах. Особенно характерно это для Сармановской площади, где заводнение коллекторов гори зонта Д0 привело за последние 15 лет к ликвидации или переве дению на другие горизонты свыше четырех десятков скважин из действующего фонда, что часто приводило и к отрицательным экологическим последствиям. В публикации Г. А. Кринари и со авторов [19], посвященной анализу причин подобных аварий, указаны следующие основные особенности их проявления: вы давливание породы на забой через перфорационные отверстия и прихват подземного оборудования, чаще всего насосно компрессорных труб;

смятие эксплуатационной колонны, иногда с разрывным смещением - срезанием, которые возникают не сразу, а спустя несколько лет (обычно 4 - 6) после начала нагне тания слабоминерализованной воды, - в процессе бурения ава рийные интервалы активно не проявляются. Аварии происходят, как правило, вблизи интервала перфорации;

- породы, выдавлен ные через перфорацию на забой, представлены как глинистыми, так и алевролитовыми разностями.

Приведенные данные, как и рассмотренный ниже экспери ментальный материал, плохо согласуются с широко распростра нённой концепцией, по которой все подобные явления, включая и прихват инструмента в процессе бурения, объясняются эффектом набухания глинистой составляющей пород при смене гидрохи мического режима пласта [12, 40]. В [19] была предложена другая концепция, согласно которой причина разрушения связывается с Гл. 1. Трансформация и реология глинистых минералов… изменением реологических свойств аргиллитов: закачка в пласт пресной воды ведет к понижению концентрации порового рас твора глины, последняя теряет свои пластичные свойства (в част ности, это ведет к снижению предельного градиента сдвига) и пе редает часть горного давления на эксплуатационную колонну [19]. Однако количественные оценки, выполненные на базе этой модели, позволяют говорить для колонны о нагрузках, не превы шающих горного давления. Как показывают многочисленные по левые данные [19], этих давлений явно не достаточно, чтобы привести к столь серьезным последствиям. В настоящем разделе дана более строгая физическая аргументация указанной концеп ции, рассматрены области её возможного применения и предло жены модель процесса, позволяющая объяснить характерные особенности протекания наблюдаемых явлений.

Ниже приводятся экспериментальные данные, полученные Г. А. Кринари [20]. Делается это для того, чтобы пояснить физи ческую сущность тех процессов, которые будут объектом изуче ния и моделирования в третьей главе. Объектом исследований послужил керновый материал и образцы пород, выдавленных на забои скважин в аварийных ситуациях. Специфика задачи потре бовала применения специальных методов рентгеновской дифрак тометрии, соответствующей аппаратуры и компьютерной систе мы обработки экспериментальных данных, созданных ранее на кафедре минералогии Казанского государственного университета [7]. Все съёмки проводилась на ориентированных препаратах из Разд. 3. Трансформация глинистых минералов… фракции менее 2,5 мкм, выделенной по стандартной методике.

Дифрактограммы базальных отражений регистрировались в ли нейной шкале обратных межплоскостных расстояний в интервале от 0,02 до 0,42 1/, с шагом 0,008 1/. Съемка осуществлялась в режиме многократного накопления спектра, что позволило на дежно идентифицировать кристаллические фазы с концентраци ей, не превышающей 0,1%.

Для установления политипии слоистых силикатов исполь зовался метод сканирования обратного пространства текстур. Ос новная идея метода базируется на том, что способность глини стых частиц образовывать текстуры не подавляется, а макси мально используется. В аксиальной текстуре узлы обратной ре шетки общего положения представляют собой сегменты, кото рым в плоском сечении, задаваемом геометрией рентгеновского гониомера, соответствуют дуги, локализованные вдоль прямых, параллельных оси текстуры - кристаллографической оси С*. Со вокупность узлов, принадлежащих одной прямой, относится к определенной кристаллографической зоне, а расстояние в обрат ном пространстве от оси текстуры до этой прямой есть координа та зоны Вhk [20], имеющая размерность 1/.

Наибольший практический интерес представляли зоны 11L - 02L и 13L-20L. В процессе съемки осуществлялось сканирова ние с постоянным шагом обратного пространства объекта вдоль определенного направления «X», параллельного оси С* и прохо дящего через область локализации узлов требуемой зоны. Вы Гл. 1. Трансформация и реология глинистых минералов… бранные из практических соображений значения Вhk составляли:

0,2225 1/ для зоны 11L-02L и 0,3720 1/ для зоны 13L-20L, шаг сканирования - 0,001 1/. Величина межплоскостного расстояния d (в ), соответствующая дифракционному максимуму с абсцис сой «X» в зоне с координатой «B», определялась соотношением d = 1: ( B2 + X )1/ 2.

Проведёнными ранее рядом авторов исследованиями было установлено, что глинистые минералы аргиллитов кыновского горизонта Татарстана представлены в основном слюдой (гидро слюдой) и каолинитом, в меньшей степени хлоритом и смеша нослойными фазами типа слюда-смектит и слюда-хлорит. Гене тическая природа этих минералов специально не рассматрива лась, поскольку такой состав достаточно типичен для многих от ложений, находящихся на стадии мезо-катагенеза. Характерно, во всяком случае для всех изученных образцов с мест аварий, что концентрация единственной способной к набуханию смектитовой (монтмориллонитовой) компоненты в смешанослойных фазах мала, не превышает 5 - 10% глинистой составляющей породы.

Таким образом, сомнительно, чтобы эффект набухания мог вы звать значительные по последствиям разрушения пород или обо рудования.

Разд. 3. Трансформация глинистых минералов… Рис. 13. Наложение пронормированных спектров базальных рефлексов воздушно-сухого и насыщенного этиленгликолем образца пелитовой фракции аргиллита с места аварии в скважине 12130 Сармановской площади. Отражения: М – слюда;

K – каолинит;

Ch – хлорит;

Q – кварц;

смешанослойные фазы: M/S – слюда-смектит;

M/Ch – слюда хлорит Рис. 13 иллюстрирует приведённые к одному вертикально му масштабу дифракционные картины базальных отражений пе литовой фракции воздушно-сухого и насыщенного этиленглико лем образца с места аварии в скважине 12130 Сармановской площади. Зачернённые области отражают вклад в дифракцию разбухающих пакетов. Сопоставление с теоретическими дифрак тограммами, рассчитанными по известной методике [20], показы вают, что иллит–монтмориллонитовая неупорядоченно смеша нослойная система составляет примерно 70% объёма глинистой Гл. 1. Трансформация и реология глинистых минералов… фракции и содержит не более 10% лабильных межслоевых про межутков.

Однако в процессе более детального изучения разреза нам удалось выявить в толще кыновских аргиллитов прослои зелено вато-серых, пластичных, легко размокающих в воде пород, глав ным минералом которых является слабо измененный смектит, что иллюстрирует рис. 14. Причина появления монтмориллонитовой глины на несвойственной ей глубине (свыше 1600 м) установлена по диагностируемым на уровне малых концентраций индикатор ным минералам камуфлированной пирокластики [20]. Это крайне неустойчивые в обычном осадочном процессе аллотигенные ам фиболы и пироксены, а также клиноптилолит и анальцим, кото рые часто являются, как и монтмориллонит, типичным продук том раскристаллизации и преобразования вулканического стекла.

Можно с полной уверенностью утверждать, что в опреде ленные моменты кыновского времени в бассейн поступало зна чительное количество вулканического пепла, преобразовавшего ся в монтмориллонит, который местами сохранился в слабо из мененном виде за счет «консервации» в создаваемых им самим непроницаемых участках разреза. Но аварийных ситуаций, анало гичных вышеописанным, в них никогда не возникало, хотя спо собность к набуханию таких глин значительно выше. Камуфли рованная пирокластика обычно фиксируется и в породах, изъя тых из колонн аварийных скважин (рис. 15), что позволяет рас- Разд. 3. Трансформация глинистых минералов… Рис. 14. Наложение пронормированных спектров базальных рефлексов воздушно-сухого и насыщенного этиленгликолем образца пелитовой фракции пластичной глины из керна скважин 22245 Сармановской площади. Отражения: M – слюда;

Ch – хлорит;

Q – кварц;

M/S – сме шанослойная фаза слюда-смектит;

Se – смектит-этиленгликоль (за штриховано);

Sv – смектит воздушно-сухой сматривать н некоторую часть их слюдистой составляющей как продукт эпигенетического преобразования «пеплового» монтмо риллонита. Подтверждением этому служат дифракционные кар тины небазальных отражений. На рис. 16 приведён представлен ный в двух вертикальных масштабах дифракционный спектр ска нирования зоны 11L - 02L образца, дифрактограмму базальных отражений 00L которого иллюстрирует рис. 13. В начале зоны наблюдается интенсивный широкий максимум с d = 4,5, - так называемая полоса двумерной дифракции 11 - 02, создаваемая Гл. 1. Трансформация и реология глинистых минералов… Рис. 15. Представленный в двух вертикальных масштабах дифракцион ный спектр пелитовой фракции аргиллита с места аварии в скважине 11797 Сармановской площади. Высокочувствительная съемка. Отраже ния: Ch – хлорит;

M – слюда;

K – каолинит;

G – амфибол;

P – пироксен;

A – анальцим;

Cl – клиноптилонит;

H – галлуазит;

Gt – гетит;

F - FeOOH всеми присутствующими слоистыми фазами, обладающими тур бостратической, лишенной трёхмерного порядка кристалличе ской структурой.

Далее фиксируется совокупность отражений 02L – 11L слюды политипа 2М1, явно принадлежащая аллотигенному мус ковиту. Кроме того, вполне надёжно выделяются рефлексы 021, 11-2, 112, 023 низко-температурного 1М политипа с интенсивно стью несколько меньшей, чем отражения мусковита. Отметим, Разд. 3. Трансформация глинистых минералов… Рис. 16. Дифракционный спектр сканирования зоны 11L – 02L текстуры образца пелитовой фракции аргиллита с места аварии в скважине Сармановской площади. Рефлексы слюд: политипа 2M1 (мусковита) и 1M – символы подчеркнуты;

Q – кварц что дифракционные максимумы этого типа могут создаваться только минералами с вполне упорядоченной трёхмерной структурой - их гасит любая межслоевая неупорядоченность, включая и регулярные дефекты, эквивалентные взаимным сме щениям слоёв на ± b/3 [20].

На рис. 17, нижний спектр, приведён фрагмент дифракци онной картины сканирования зоны 13L - 20L того же образца.

Рефлексы этой зоны мало чувствительны к регулярным дефек там, и общая относительная интенсивность дифракции от 1М по литипа здесь существенно выше, чем от мусковита. Следователь но, общая доля привнесённой и устойчивой к техногенным воз- Гл. 1. Трансформация и реология глинистых минералов… Рис. 17. Сравнение дифракционных спектров сканирования зоны 13L – 20L текстуры образцов пелитовой фракции: аргиллита с места аварии в скважине 12130 (нижний спектр) и пластичной глины из керна скважин 22245 Сармановской площади (верхний спектр). Рефлексы слюд: поли типа 2М1 (мусковита) и 1М-1MD – символы подчеркнуты. Q – кварц;

K – каолинит;

C – кальцит действиям кристаллической фазы в слюдистой компоненте кол лектора относительно невелика. Преобладают новообразованные, характеризующиеся высокой степенью структурной гетерогенно сти фазы, что указывает на неполную завершенность эпигенети ческих процессов. Одна из них имеет вполне совершенную трёх мерную структуру, отвечающую политипу 1М, и даёт небазаль ные отражения всех зон. Другая также не обладает случайными дефектами, но содержит регулярные межслоевые трансляции.

Вторичную природу этих фаз подтверждает верхний спектр на Разд. 3. Трансформация глинистых минералов… рис. 17, зарегистрированный при тех же режимах от уже назван ного образца монтмориллонитовой глины (рис. 14), который поч ти не содержит отражений однослойного политипа. Очевидно, что именно эти фазы формируют тонкие, порядка нескольких де сятков слоёв, но протяженные в плоскости базиса пластины, раз делённые между собой смешанослойными образованиями с тур бостратической, унаследованной от исходного смектита структу рой, содержащей гидратированные межслоевые промежуки [20].

Теперь перейдем к обсуждению физических следствий из вышеизложенных экспериментальных данных. Итак, закачка в подстилающий проницаемый пласт слабо минерализованных по верхностных и технических вод создаёт условия для начала «об ратного» преобразования слюдяных пакетов в смектитовые, от носящиеся очевидно прежде всего к смешанослойным фазам. Ин тенсивность и полнота подобной трансформации задаётся, поми мо параметров внешней среды, рядом кристаллохимических фак торов. Во-первых, наличием в структуре катиона Fe2+, окисление которого снижает слоевой заряд, облегчая удаление межслоевого калия [20]. Во-вторых, реальной структурой самого «исходного» смектита, определяющейся его генетической природой. В частно сти, слюды, возникшие по монтмориллониту, сформированному при перекристаллизации вулканического пепла, легче приобре тают лабильные межслоевые промежутки, поскольку характер распределения катионов и вакансий по октаэдрическим позициям их силикатных слоёв, в отличие от структурно-совершенных Гл. 1. Трансформация и реология глинистых минералов… слюд, в значительной мере статистичен. В-третьих, сила меж слоевых связей слюд с турбостратической структурой (политип 1MD) меньше, чем у трёхмерно упорядоченных политипов, по этому именно с них в гетерогенных слюдистых фазах должно на чинаться формирование смектитовых пакетов.

Все три указанных фактора имеют место в рассматриваемом объекте. Процесс окисления железа поступающим с поверхност ными водами свободным кислородом фиксируется появлением в одной из аварийных зон очень редкого в природе и поэтому явно техногенного акаганеита - -FeOOH, что иллюстрирует рис. 15.

Первоисточником железа могло быть не только разложение вул канического стекла основного состава, но и диоктаэдритизация триоктаэдрических слюд. Избыток в системе железа проявился и в кристаллохимическом облике новообразованной 1М слюды (рис. 17): судя по соотношению интенсивностей рефлекса 13-3, частично перекрываемого отражением 135 мусковита, и рефлекса 13-2, её диоктаэдрические сетки содержат существенную изо морфную примесь Fe2+, что подтверждается и данными ЯГР спектроскопии. Таким образом, механизм явления может быть представлен следующей схемой. Поверхностная гидрокарбонат но-кальциевая вода с минерализацией порядка 50 мг/ литр при закачке через перфорационные отверстия в проницаемый песча ник (в данном случае - продуктивный пласт Д0) проникает за счет затрубной циркуляциии в пласт перекрывающего аргиллита мощностью порядка 8 - 12 метров (рис. 18).

Разд. 3. Трансформация глинистых минералов… Рис. 18. Схема возникновения аварий за счет проникновения в аргиллит пресных поверхностных вод из проницаемого пласта путем диффузии, затрубной циркуляции и фильтрации при наличии процесса минераль ных преобразований Диффузия в гидратированные межслоевые промежутки смешанослойных фаз создаёт условия для ионного обмена по схеме K+ Ca2+ и формирования некоторой новой площади меж слоевых промежутков смектитового типа, что стимулируется частичным окислением октаэдрического Fe2+. В связи с тем, что диффузия вдоль поверхности напластования аргиллита идёт зна чительно быстрее, чем по вертикали, в толще перекрывающего аргиллита, прилегающего к эксплуатационной колонне, начина ется формирование плоскопараллельных слоев. Эти слои состоят из текстурированных частиц 1М слюды, разделенных соответст Гл. 1. Трансформация и реология глинистых минералов… венно смектитовым промежутками. Поскольку смектит формиру ется в объеме, первоначально занятом слюдой, имеющей мень шие значения межслоевого расстояния, то это означает, что вновь сформированные смектитовые слои находятся в условиях значи тельной деформации, что вызывает возникновение напряжений, нормальных к поверхности этих слоев. С механической точки зрения речь идет о слое горных пород, ослабленном плоской кольцевой трещиной, к берегам которой приложена нормальная нагрузка заданной интенсивности. Согласно задаче о трещине конечной длины [1], напряжения в концах трещины стремятся к бесконечности как KI r-1/ 2 при r 0, а коэффициент интенсив -1/ ности KI при множителе r удается точно вычислить [1]. Та ким образом, в окрестности конца трещины создаются условия разрушения горной породы и, как следствие, эксплуатационной колонны. Ниже приведена простейшая, но позволяющая произ водить оценочные расчёты модель, реализующая такие представления.

Покажем теперь, что рассмотренный выше механизм обес печивает условия, необходимые для разрушения эксплуатацион ной колонны. Ситуацию, когда новообразованный смектит нахо дится в объеме, первоначально занятым слюдой, и, следователь но, испытывает значительную деформацию, будем моделировать случаем упругого пространства, ослабленного плоской кольцевой трещиной. К берегам трещины при a r b (a – радиус скважи ны, b – глубина зоны трансформации) приложена нормальная Разд. 3. Трансформация глинистых минералов… равномерно распределенная нагрузка интенсивности q. Введем, (r) следуя [1], функцию, характеризующую вертикальные пе ремещения точек берегов трещины.

Очевидно, что для глубины зоны трансформации можно принять b - a Dt, (3.1.1) где D – коэффициент диффузии (примерно 10-9 м2/с, t – время процесса (порядка 4 – 6 лет).

Принципиальным для рассматриваемой модели оказывается тот факт, что новообразованные смектитовые слои могут упи раться прямо в ствол эксплуатационной колонны, поскольку ка налы, по которым проходит затрубная циркуляция, покрывают не всю поверхность колонны. В силу этого в момент, предшест вующий разрушению, можно принять для функции (r) :

(a) = (b) = 0. (3.1.2) Такая задача решалась в [1] (с. 99). Для наших целей важна оцен ка значения коэффициента интенсивности нормальных напряже ний KI при r =a. Из [1] имеем 2q b C 1+ K = - ln ;

(3.1.3) Ia 1- 2q b C 1+ 1- ln KIb = ;

(3.1.4) 1 - Гл. 1. Трансформация и реология глинистых минералов… 1 2arccos + 1- ln[(1+ )(1- )-1] C = ;

(3.1.5) 3 5 arccos + (0,3634 + 0,1715 + 0,1117 ) 1- = ab-1. (3.1.6) Проведем численную оценку. Примем a =0,1 м. Тогда из (3.1.1) имеем b 0,5 м. Оценим теперь значение q. Приняв, со гласно [4], что значение d001 = 10 для слюды и d001 = 14 для монтмориллонита, получим, что относительная деформация 0,286. Здесь – относительная доля смешаннослойных мине ралов (70%) в глинистой составляющей (15%) породы, так что 0,1. Тогда по закону Гука q = E = 0,157103 Мпа. (3.1.7) Здесь согласно [12, 15] принято E=0,55104 МПа. Теперь можно воспользоваться формулами (3.1.3) – (3.1.6). После подстановки в них соответствующих значений получим KIa 0,175103 МПам1/2 = 175 МПам1/2.

Полученное оценочное значение KI при r = a приближенно совпадает или даже превосходит критическое значение KIa (т. н.

вязкость разрушения) для наиболее прочных марок стали (сталь для сосудов высокого давления – KIa=209 МПам1/2;

высокопроч ная легированная сталь – KIa = 98 МПам1/2;

мартенситно старею щая сталь – KIa = 76 МПам1/2;

среднеуглеродистая сталь – KIa = 54 МПам1/2 [15]). Ясно, что значение KIa, подсчитанное по Разд. 3. Трансформация глинистых минералов… уравнениям (3.1.1) – (3.1.7), дает, скорее всего, максимально воз можное значение, и поправки на пластичность материала породы и колонны, а также на значение коэффициента диффузии в меж частичном пространстве приведут к меньшим значениям KI. Но, тем не менее, полученное значение KIa позволяет говорить о су щественном риске аварии по истечению определенного проме жутка времени, согласующегося с реально наблюдаемым эффек том.

Для сравнения оценим максимальное значение давления на бухания, когда в пласт попадает слабоминерализованный раствор (примем концентрацию примеси в таком растворе нулевой). Со гласно [13] при этом имеем PSW = RTA/ H, (3.1.8) где R – универсальная газовая постоянная, T – температура в °K, А – плотность поверхностного заряда частиц, Н – базальное меж плоскостное расстояние монтмориллонита, принимаемое равным 15,4 A для двухвалентных катионов в обменном комплексе и 12, A – для одновалентных. Приняв А = 10-6 моль/м2, что соответст вует значению обменной ёмкости 1,2 мг.экв/г [21], Н=1,5 нм, по лучим из (3.1.8) Psw = 1,7 МПа, или примерно 17 атм. Как видно из полученного результата, это значение намного меньше значе ния для вычисленного q, поэтому набуханием глины как альтер нативным механизмом возникновения аварий можно пренебречь.

Отметим, что расчёт проводился для случая, когда порода пред Гл. 1. Трансформация и реология глинистых минералов… ставлена нормально разбухающим монтмориллонитом. Для кы новских аргиллитов, как следует из экспериментальных данных, это давление равно 0,12 атм.

Как следует из приведённых расчётных данных, величина нагрузок на скважинное оборудование, создаваемых имеющим минералогическую природу изменением реологических парамет ров пласта, может быть вполне достаточной для его механическо го разрушения. Возникновение аварийных ситуаций, очевидно, может стимулироваться и рядом иных обстоятельств, не завися щих от параметров самого процесса формирования гидратиро ванных прослоев. Полнота и скорость образования реакционной зоны несомненно должны возрастать при наличии затрубной циркуляции закачиваемых вод. Особенно опасно, если циркуля ция воды возникла с одной стороны колонны: тогда давление на ствол будет однонаправленным, срезающим.

Таким образом, снижение вероятности возникновения по добных аварийных ситуаций может обеспечиваться, в свете всего вышесказанного, рядом вполне очевидных мероприятий, к сожа лению, не всегда просто реализуемых с экономической и техни ческой точек зрения.

Во-первых, это формирование оптимального состава зака чиваемых вод, что осуществимо путём смешивания поверхност ных и технических вод с добавлением необходимого количества растворимых солей калия. Следует подчеркнуть, что важным здесь является не только концентрация катионов, но и знак Eh – Разд. 3. Трансформация глинистых минералов… необходимо сводить к минимуму поступления в пласт свободно го кислорода. При использовании технических вод, содержащих сероводород, это условие может выполняться автоматически.

Во-вторых, необходимо предпринимать все меры к предот вращению даже небольшой затрубной циркуляции в аварийно опасных интервалах. И, наконец, не следует, по возможности, располагать нагнетательные скважины в зонах тектонических на рушений.

Хотя давление, создаваемое эффектом набухания глин, не может приводить к механической деформации подземного обо рудования, его иногда вполне достаточно для возникновения ос ложнений в процессе бурения, особенно при наличии бентонитов пирокластической природы. Так, например, прихваты бурового инструмента часто наблюдались в интервале несолевых прослоев (представлены пластичными глинами, предположительно туфо генными) нижней соленосной толщи Припятского прогиба (Ни кулинская площадь, скважины №№ 1 – 6, ряд скважин Осташко вичского месторождения). Аналогичные явления описаны в ряде работ по Азербайджану и ряду других мест.

Рассмотренный механизм увеличения давления на эксплуа тационную колонну в катагенетически изменённых глинистых породах не обязательно должен иметь техногенную природу.

Скорее всего он вносит определённый вклад и в ещё одно крайне негативное по возможным последствиям явление – образование зон аномально высоких пластовых давлений. По существующим Гл. 1. Трансформация и реология глинистых минералов… представлениям оно связывается с катагенетическим удалением межслоевой воды в гидродинамически изолированную систему.

Не ставя под сомнение справедливость такой трактовки, можно добавить, что и в данном случае могло происходить формирова ние в перекрывающих аргиллитах структур, состоящих из жест ких пластин, разделённых гидратированными промежутками и, как следствие, создание дополнительного гидростатического дав ления за счёт действия рассмотренного выше механизма на воду гидродинамически изолированной системы.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИСПЕРГАЦИИ ГЛИНИСТЫХ МИНЕРАЛОВ В ЗАГЛИНИЗИРОВАННЫХ ПЛАСТАХ–КОЛЛЕКТОРАХ В результате многолетнего опыта разработки крупнейших месторождений нефти в Татарстане и других регионах был обна ружен ряд явлений, трудно объяснимых в рамках традиционных концепций нефтедобычи. Закачка в пласт пресной воды из по верхностных бассейнов часто приводит к снижению скорости фильтрации как в призабойных зонах нагнетательных скважин, так и в пределах всего терригенного коллектора, особенно при его повышенной глинистости. В продуктивной девонской толще Татарстана этот процесс часто приобретает катастрофические масштабы. Установлено, что снижение плотности пластовых вод до 1,09 г/см3 обычно приводит к тому, что нефтенасыщенный песчаник или алевролит с содержанием глинистой компоненты более 5% практически перестает участвовать в эксплуатации [40].

Аналогичные по своим последствиям, хотя и меньшие по мас штабам явления фиксируются на некоторых площадях Западной Сибири.

Исследования, связанные с оценкой характера и масштабов явлений, сопровождающих снижение минерализации пластовых вод в пределах площадей и залежей на территории Татарстана в связи с закачкой в пласт пресных поверхностных вод, были нача Заключение ты в 1982 году и продолжались все последующие годы. При этом главной причиной снижения фильтрующих свойств нефтяного коллектора первоначально считался эффект набухания глинисто го цемента пород, сопровождающего смену гидрохимического режима пласта. Однако проницаемые породы, залегающие на глубинах более 1,7 км, обычно не содержат способного к набуха нию монтмориллонита (основной набухающий компонент глин) как самостоятельной фазы. Это противоречие стимулировало по иск иных причин и механизмов негативных эффектов, сопровож дающих техногенное изменение гидрохимического режима про дуктивных пластов.

В работе [61] доказано, что основным эффектом здесь явля ется преобразование одних глинистых минералов в другие, со провождающее смену гидрохимического режима пласта при за качке пресных поверхностных вод. Основным методом исследо вания была рентгеновская дифрактометрия ориентированных препаратов, получаемых путем осаждения минеральных частиц из водной суспензии на поверхность стеклянной пластинки. Ви зуализация результатов техногенного преобразования минераль ного состава пород осуществлялась с помощью сканирующего электронного микроскопа HSM-2 «Hitachi». Проводились также обычные кристаллооптические исследования пород в прозрачных шлифах [61]. Особое внимание уделялось в ходе экспериментов образцам пород из скважин, дублирующих нагнетательные, и скважин, уплотняющих эксплуатационную сетку на площадях с Заключение высокой степенью обводнения нефтяных залежей. Главной целью экспериментов было обнаружение вновь образованных глини стых минералов, что и было реализовано при исследованиях об разцов из скважин-дублеров, а также доказательство подвижно сти фундаментальных частиц новообразованной слюды, проде монстрированное путем анализа осадка из отстойников установок по первичной подготовке нефти. Там эти частицы были обнару жены наряду с традиционным составом минералов осадка. Ха рактерной чертой процесса является его неоднородность по раз резу пласта. Исследуемый эффект должен приводить к выносу частиц слюды из центральной зоны пласта и возникновению не однородности фильтрационных свойств первично однородного пласта. Это и было получено при анализе образцов пород. Более детальное описание проводившихся экспериментальных исследо ваний приведено в [61].

Итак, было доказано, что закачка в пласт слабоминерализо ванных поверхностных вод приводит к образованию из иллита вторичного смектита (набухающей составляющей глины). Про мысловые последствия образования в коллекторе смектитовых (набухающих) фаз нельзя сводить к простому увеличению спо собности глин к набуханию. Ниже это подтверждается расчетами.

Обратная трансформация иллита представляет собой протекаю щий во времени и объеме коллектора процесс, непосредственно зависящий от режимов нефтедобычи. Поскольку кристаллическое Заключение строение слюд гетерогенно, формирование смектитовых пакетов не может проходить одновременно и равномерно во всем их объ еме. В результате формируется система, состоящая из слабо свя занных между собой двумерно протяженных слюдяных пластин– фундаментальных частиц, которые разделены между собой об ластями со смектитоподобной структурой. Внедрение молекул воды во вновь формируемые лабильные межслоевые промежутки смектита создает интенсивные механические напряжения (см.

глава 1 третьего раздела). Все это уменьшает связь фундамен тальных частиц с твердым скелетом породы. В итоге продукты реакции могут мобилизоваться потоком флюида, образуя под вижную суспензию.

Кристаллохимической особенностью слюд, в отличие от иных минералов, формирующих скелет породы, является наличие высокого отрицательного заряда, распределенного по всему объ ему силикатного слоя. В гомогенной структуре он компенсирует ся катионами K+. Этот заряд создает на поверхности слюдяных частиц отрицательный потенциал, равный в предельном случае, при отсутствии компенсаторов, 4,25*10-4 e/нм2 (где e - заряд электрона). Для монтмориллонита его величина обычно не пре вышает 0,8*10-4 e/нм2. Если смектиты компенсируют свой избы точный заряд любыми гидратированными катионами раствора, что собственно и происходит при формировании лабильных меж слоевых промежутков, то для слюд локальная компенсация слое вого заряда возможна только антистоксовскими катионами (K+, Заключение Rb+, Cs+), не имеющими гидратных оболочек. В геологическом масштабе времени при контакте с пластовыми водами поверхно сти слюдяных частиц практически полностью нейтрализованы процессами хемосорбции. Но при появлении в коллекторе техно генных фаз, имеющих слюдоподобную структуру, их поверх ность должна в значительной степени сохранять свой высокий отрицательный потенциал, если нагнетаемая в пласт вода пресная и не содержит антистоксовских катионов.

На основе полученных экспериментальных данных можно построить физическую модель и оценить роль каждого из воз можных техногенных процессов, снижающих нефтедобычу из продуктивных пластов девона.

Во-первых, следует определить масштабы изменения поро вого пространства коллекторов вследствие разбухания их глини стой составляющей. Термодинамика монтмориллонитовой гли ны, или глины, содержащей пакеты смектитового типа, находя щейся в контакте с раствором электролита, определяется усло виями равновесия частиц глины (2.1.4), (2.1.5), (2.1.11) – (2.1.15).

Эти уравнения с учетом соотношения (2.5.8) помогают найти вид зависимости пористости от концентрации раствора в глине.

Расчеты, проведенные согласно полученным формулам, показали незначительное (менее 1%) снижение пористости за счет набухания дополнительной смектитовой составляющей пла ста Д0 - Д1. Такие значения не могут объяснить существенные изменения характера фильтрации в пласте. Серьезным фактором Заключение набухание глинистого цемента может быть для некоторых место рождений Западной Сибири, например, продуктивного пласта А11+2 Нижневартовского свода (Западная Сибирь): общая глини стость 25%, концентрация в ней иллит-смектитовых фаз - 30% при содержании смектитовой составляющей 60 - 80%.

Расчёты дали значение m = 7 - 9%, что достаточно близко к характерным величинам 8 - 15%, полученным из анализа про мысловых данных [1]. Результаты расчетов графически представ лены на рис. 19. Из рисунка видно, что для содержания глини стой составляющей в нашем случае изменения пористости и свя занное с этим изменение проницаемости заглинизированных нефтяных пластов–коллекторов - не существенно и, следова тельно, не может являться причиной существенного эффекта в масштабах пласта. Таким образом, проведенный оценочный рас чет заставляет искать другую причину снижения проницаемости.

m(%) 0,4 3 2 0,2 Заключение 0 0,1 0,5 1 C/C Рис. 19. Изменение относительной пористости m коллектора за счет снижения минерализации пластовой воды в ходе закачки: 1) при 8%-м содержании смектита в породе (правый вертикальный масштаб);

2) при 0.8%-м и 3) при 0.5%-м содержании смектита в породе (левый верти кальный масштаб). Пунктиром отмечена величина фактического сни жения пористости по данным [45] m, % Совершенно другой механизм действует, на наш взгляд, в выше обсуждаемой ситуации. Фундаментальные частицы 1М слюды перемещаются потоком, пока каждая из них не зафикси руется в какой-то точке порового пространства за счёт его гео метрической неоднородности. Некоторая их часть, как мы уже знаем, доходит и до эксплуатационных скважин. Тем не менее, в определённом объёме коллектора образуется дополнительная по верхность твёрдой фазы, несущая высокий отрицательный потен циал, не успевающий компенсироваться процессами адсорбции в опреснённых пластовых водах. При фильтрации в такой пористой среде возникает потенциал течения, вызывающий встречный, тормозящий фильтрацию электроосмотический поток. Скорость фильтрации с поправкой на электроосмос описывается уравнени ем [10, 51] 2 KP V =-. (3.2.1) 1 - 2 K0v0rc2m Заключение Здесь К - проницаемость, P - градиент давления, 0 - диэлек трическая постоянная - вязкость, К0 - удельная электропро водность жидкости, v0 - молярный объем воды, rc - средний ра диус пор, m - пористость, 1 - потенциал поверхности, связан ный с поверхностной плотностью заряда соотношением 1 1 RT = ;

=. (3.2.2) 4 8z2 F C Здесь R - универсальная газовая постоянная, T - температура, F - число Фарадея, С - концентрация раствора.

Удельную электропроводность K0 и концентрацию раство ра С можно считать, в первом приближении, функционально свя занными между собой через эквивалентную электропроводность 0 по формуле Аррениуса K0 = 0C. (3.2.3) Тогда уравнения (3.2.1) и (3.2.2) приведутся к виду KP RT V = (1- a / C2), где a =, (3.2.4) F z20ьrc2m и можно рассчитать относительное снижение проницаемости K/Kc, где Kc - проницаемость при данной концентрации С, К - исходная проницаемость, от степени опреснения пластовых вод C/Cmax, где за Cmax принимается та критическая концентрация, Заключение для которой при данных параметрах фильтрация полностью пре кращается. Очевидно, что условием этого является равенство а / C2 = 1. (3.2.5) Более осторожные оценки [2, 3] позволяют говорить по крайней мере о 50%–м снижении фильтрации в этом случае. Для оценки величины эффекта примем разумные для девонских пес чаников значения параметров: объёмная глинистость - 5%, со держание в глинистой фракции, включая смешанослойные фазы, слюдяной компоненты политипа 1М - 30%, из которой 2/3 ока зались мобилизованными потоком в виде пластин размером 5 200 нм и заблокированными в поровом пространстве коллек тора. Пористость породы 20%, удельная поверхность 105 м-1. На чальная солёность пластовых вод принималась соответствующей удельной проводимости 7 ом-1 м-1. Результаты расчётов, выпол ненных при указанных параметрах и табличных значениях кон стант, приведены на рис. 20.

Заключение Рис. 20. Снижение относительной проницаемости коллектора, вызы ваемого электрокинетическим эффектом, от относительной концентра ции. Кривая 1 – для плотности поверхностного заряда 0.02 к/м2. Кривая 2 – для плотности поверхностного заряда 0.05 к/м Истинные значения поверхностного заряда слюды нам не известны и вряд ли могут быть корректно определены экспери ментально в реальных условиях заводняемого пласта. Поэтому в расчётах использованы два граничных значения: 0.05 к/м2 и 0.02 к/м2, первое из которых примерно соответствует теоретиче ской величине заряда слюдяного слоя, а второе несколько мень ше его половины. Очевидно, более реальным является второе значение, поскольку диспергация слюдяных блоков должна про исходить прежде всего по межслоевым промежуткам смектито Заключение вого типа, несущим половинный заряд. Нельзя полностью ис ключать и частичную компенсацию поверхностного заряда ди польными моментами молекул Н2О и гидратированными катио нами.

Для оценки реальности принятой величины при тех же за даваемых параметрах был произведён расчёт значения поверхно стного потенциала, необходимого для полного прекращения фильтрации. Как указывалось, это наблюдается, когда степень разбавления пластовых вод достигает плотности 1,09 г/см3. Ис пользовались равенства (3.2.4) и (3.2.5). Расчёты дают значение = 0.04 к/м2, которое попадает в принятый интервал. Совершенно очевидно, что тот же эффект может быть получен и при величина 0.02 к/м2, если увеличить общую глинистость до 10%, либо удво ить содержание диспергируемой слюды. И то, и другое вполне реальны для продуктивных горизонтов, практически перестав ших участвовать в эксплуатации.

Ниже приведены математическая модель и результаты чис ленных расчетов по предложенной выше физической модели процесса. Разработаны алгоритм и программа расчета 2D-неста ционарной двухфазной фильтрации с учетом возникновения в пласте вторичной гидродинамической неоднородности. В основу алгоритма были положены следующие положения.

1) Диспергация свободных частиц слюды лимитируется рав новесной концентрацией ce, при которой раствор в пла стовых условиях будет «насыщенным» (равновесным при Заключение данной минерализации раствора), и дальнейшая дисперга ция происходить не будет. Физически этот процесс стано вится эквивалентным растворению. Значение ce рассчи тывается из значения H при известной концентрации рас твора по формуле (2.1.8). Скорость диспергации, кроме особо оговоренных ситуаций, будет предполагаться бес конечно большой, так что «насыщение раствора» будет происходить мгновенно. Это предположение введено по тому, что неизвестны реальные значения управляющих кинетических констант для процесса диспергации глини стых слюдяных частиц. Надежные данные существуют только по значениям равновесных концентраций обра зующейся суспензии и по зависимостям этих концентра ций от минерализации раствора водной фазы. Это обстоя тельство и было учтено при разработке алгоритма.

2) Примесь в пластовых условиях становится активной и создает так называемый анизатропный фактор сопротив ления течению за счет обратного электроосмотического потока. При этом величина сопротивления значительна в направлении напластования и практически отсутствует в поперечном направлении.

3) Связанная и предельная водонасыщенности не зависят от концентрации суспензии.

Заключение 4) Концентрация суспензии не столь велика, чтобы учиты вать изменение объема воды при диспергации и высвобо ждении частиц слюды.

5) Процесс диспергации не приводит к сколько-нибудь за метному изменению абсолютной проницаемости и порис тости скелета.

Запишем теперь дифференциальные уравнения, описываю щие процесс двухфазной трехкомпонентной фильтрации:

rr r rs L(V ) = divV = 0, V =- grad p, L( fV ) =-m, (3.2.6) t r sc L(cfV ) = -m + b.

t ** Здесь = k[kw /(rµw) + ko / µo], k – абсолютная проницаемость, * * kw, ko – относительные проницаемости воды и нефти соответст венно, µw, µ0 – вязкости воды и нефти соответственно, r = 1+ µc – фактор сопротивления (тензорная величина, при этом * * * µx, µy µz ), f = kw[kw + (µw / µo)rko ]-1 – доля воды в потоке (за висит от водонасыщенности, и за счет фактора сопротивления является тензорной величиной). Для b имеем s s b = qm, t0 t t, > 0, t t t r s s b = qm(s - s(t )) + L((c - c ) fVd, b = qm, t0 t t, > 0, t t t Заключение s b = 0, 0, t где t0, t, t определяются из условий на переднем или заднем фронтах концентрации, а именно, t0 - момент подхода воды к рассматриваемой точке, t - момент достижения концентрацией предельного значения ce в рассматриваемой точке, т. е. момент времени, когда c(t ) = ce и c(t - ) ce ;

t - момент начала про хождения заднего фронта примеси в данной точке, определяемо го из условий c(t ) ce, c(t - ) = ce.

Величина q учитывает долю диспергирующих частиц в со ставе твердой фазы. Константами, характеризующими процесс в этом алгоритме, являются µ, q, ce. Полученная нелинейная систе ма интегро-дифференциальных уравнений может быть решена численными методами. Отметим важные моменты численного решения. Прежде всего укажем характерные особенности иско мой функции c, которые накладывают отпечаток численного ме тода вычисления c.

Поле с образуется за счет правой части уравнения диспер гации, т. е. и начальное значение концентрации примеси равно нулю, и закачка воды идет без примеси. Отсюда проистекает специфика образования переднего фронта концентрации приме си и, как следствие, использование критерия Куранта для оцен ки допустимого шага вычисления по времени. Здесь передний Заключение фронт концентрации определяется потоком воды. Более того, через некоторое время или на некотором расстоянии передний фронт может иметь скачок от нуля до предельного значения ce.

Задний фронт может быть двух типов: фронт движется по об ласти, имеющей еще «нерастворимую» примесь, или по облас ти, уже не имеющей «нерастворимой» примеси в порах, занятых водой. Формально на заднем фронте c не обращается в нуль, т. к. концентрация стремится к нулю асимптотически, как s стремится к s*. Еще одна существенная особенность обусловле на существованием предельного значения концентрации ce. Это не только усложняет вид функции b, но и алгоритм вычисления концентрации. В то же время анизатропный фактор сопротивле ния оказывает значительное влияние на процесс фильтрации и распределение водонасыщенности в пласте, но не приводит к заметному усложнению алгоритма решения задачи.

В «нерастворенном» виде компонента может быть двух видов: с одной стороны, там, где нет воды, количество компо нента определяется величиной (1- s)q. С другой стороны, из-за существования предельной концентрации суспензии свободных частиц слюды в порах, где есть раствор с этой концентрацией, часть компонента не переходит в раствор. Обозначим эту часть через a. Таким образом, общее количество «нерастворенной» (т. е. трансформированной и оставшейся после диспергации в порах с равновесным значением концентрации суспензии слю Заключение ды) Q = a + (1- s)q. Этот фактор также существенно влияет на алгоритм вычисления c.

Система (3.2.6) аппроксимируется полностью консерва тивной разностной схемой. При этом уравнение суммарного по тока, из которого определяется давление, неявное относительно давления, а значения водонасыщенности и концентрации сус пензии берутся с предыдущего слоя. Из балансового уравнения сохранения воды водонасыщенность определяется по явной схеме. В этом уравнении функцию f (s) в полуузлах определяем с учетом направления потока по схеме, основанной на дробно линейной аппроксимации и учитывающей анизотропию фактора сопротивления.

Из уравнения сохранения количества примеси концентра ция суспензии определяется по явной схеме. При этом в потоко вых членах в полуузлах концентрация определяется с учетом направления потоков по схеме «уголок». Если принять обозна чение L(cfV ) для потока примеси через границу элементарной ячейки, то алгоритм вычисления концентрации для произволь ной ячейки примет вид r, r2 = r1+ a + (st+ - st)q, r1 = stct + L(cfV ) r =.

m st+ Если r ce, то ct+ = r, at+ = 0. Если r < ce, то ct+ = ce, at+ = r2 - cest+. Здесь st, st+, ct, ct+ суть значения водонасыщенности и концентрации примеси в суспензии в мо Заключение менты времени t и t + соответственно, - шаг по времени.

Очевидно, что здесь одновременно с концентрацией определя ется количество сорбированной компоненты второго рода a.

Это необходимо для контроля вычислений по балансовым соот ношениям.

Рис. 21. Прорыв воды по зоне вторичной гидродинамической неодно родности, возникшей в результате диспергации и последующего пере носа частиц слюды по пласту. Более темный цвет отвечает более высо кой нефтенасыщенности. Скважина перфорирована в центральной час ти.

На рис. 21 приведена картина, сложившаяся в результате реализации построенной модели. Хорошо виден прорыв воды по центральной (промытой) зоне пласта, причем его возникно вение имеет техногенный характер, т. е. первоначально пласт был однородным.

Заключение Таким образом, в результате проведенных исследований ус тановлено, что причины снижения фильтрующей способности заглинизированных нефтяных пластов-коллекторов имеют мине ралогическую, а не гидродинамическую природу. Показано, что набухание глинистого цемента в наших условиях не играет су щественной роли в снижении проницаемости при смене гидро химического режима пласта в ходе разработки. Определяющими оказались процессы преобразования структуры глинистых мине ралов. Они ведут к диспергации агрегатов и сегрегации смекти товых и слюдяных компонент, которые увлекаются потоком флюида. В отличие от монтмориллонита, который быстро коагу лирует в наиболее мелких порах коллектора вблизи нагнетатель ных скважин, ухудшая их приёмистость, частицы вторичных слюд могут перемещаться в пласте на значительные расстояния.

Механически фиксируясь на неоднородностях поровых каналов, они способны создавать за счёт не успевающего компенсировать ся высокого заряда поверхности обратный электроосмотический поток, тормозящий фильтрацию вплоть до полного её прекраще ния. Расчеты, выполненные на основе разработанной математи ческой модели, привели к картине процесса, наблюдаемой в про мысловых условиях.

Заключение ЗАКЛЮЧЕНИЕ Завершая изложение материала, прежде всего отметим, что выбор задач, которые были рассмотрены в книге, не случаен. Он с точки зрения автора должен подчеркнуть главную цель работы – развитие с единых позиций методов физико-химической меха ники природных пористых сред (см. Введение).

При решении подобных задач исследователь с необходимо стью вынужден привлекать теоретические концепции и методы из теории тепломассопереноса, химической термодинамики, хи мической кинетики, теории поверхностных явлений. Объедине ние этих теорий и методов с конкретной целью – решения задач физико-химической механики пористых сред - порождает целый ряд вопросов общего характера. Их исследование и составляет главную цель работы. Именно поэтому в книге меньше, чем обычно принято, уделено внимания решению и последующему детальному математическому анализу конкретных краевых задач.

Главное внимание уделено построению физически корректных моделей массообмена и макрокинетики химических реакций в природных пористых средах, а также обоснованных с позиций механики насыщенных пористых сред и теории поверхностных сил математических моделей физико-механических свойств и процессов переноса в глинистых породах.

В результате на основе объединения основных теоретиче ских положений и методов физико-химической гидродинамики Заключение растворов электролитов, химической кинетики, химической тер модинамики и теории массопереноса в пористых средах удалось построить математические модели массообмена и макрокинетики химических реакций при фильтрации растворов, исследовать на конкретных примерах возможности этих моделей (растворение карбонатов и метасоматические процессы), а также изучить влияние кинетики химических реакций на параметры подземного массопереноса. Далее, на основе объединения методов механики насыщенных пористых сред и теории поверхностных сил удалось разработать математическую модель физико-механических свойств и процессов переноса в глинах и глинистых горных по родах и на ее основе с единых позиций описать реологию глин, диффузию в глинах, фильтрационные и буферно-емкостные свойства глинистых пород.

В заключительной части книги на базе методов теории электрокинетических явлений в пористых средах, механики раз рушения и теории двухфазной фильтрации описаны физические и математические модели явлений, связанных с протеканием про цессов трансформации глинистых минералов в заглинизирован ных нефтяных пластах-коллекторах и перекрывающих их глини стых толщах.

Таковы основные результаты, изложенные здесь. Следует сказать несколько слов о перспективах их дальнейшего развития.

Большой интерес вызывает исследование на базе предложенной математической модели массообмена и макрокинетики химиче Заключение ских реакций в пористых средах детальных сценариев процессов рудообразования, в частности, гидротермального рудообразова ния, в связи с решением задач геологии месторождений полезных ископаемых. Огромные перспективы, по мнению автора, откры ваются в решении конкретных задач, связанных с необходимо стью учета свойств и процессов, протекающих в глинистых по родах. Это и задачи об усадках дневной поверхности при откач ках на водозаборах за счет усадки водонасыщенных глинистых толщ, и задачи о массопереносе и свойствах защитных глинистых дамб, задачи о прогнозе возникновения проницаемых «окон» в глинистых водоупорах при подземном захоронении загрязнений и задачи технологии глин в строительстве и других областях ин дустрии. Большой интерес для нефтяной промышленности вызы вает дальнейшее исследование процессов, вызванных трансфор мацией глинистых минералов за счет техногенного изменения гидрохимии нефтяного пласта.

ЛИТЕРАТУРА 1. Александров В. М., Сметанин Б. И., Соболь Б. В. Тонкие кон центраторы напряжений в упругих телах. – М.: Физматлит, 1993. – 224 с.

2. Бакланов И. В. Деформирование и разрушение природ ных массивов. – М.: Недра, 1988. – 271 с.

3. Баренблатт Г. И., Ентов В. М., Рыжик В. М. Движение жидко стей и газов в природных пластах. - М.: Недра, 1984. - 211с.

4. Ван Кампен Н. Г. Стохастические процессы в физике и хи мии. – М.: Высшая школа, 1990. – 376 с.

5. Веригин Н. Н., Шержуков Б. С. Диффузия и массообмен при фильтрации жидкостей в пористых средах // В кн.: Развитие исследований по теории фильтрации в СССР. - М.: Наука, 1966. – С. 237 – 313.

6. Гарелс Р. М., Крайст У. Л. Растворы, минералы, равновесия. - М.: Мир, 1968. - 367 с.

7. Голубев В. С. Динамика геохимических процессов. - М.: Не дра, 1981. - 208 с.

8. Гольдберг В. М., Скворцов Н. П. Проницаемость и фильтра ция в глинах. – М.: Недра, 1986. – 160 с.

9. Гуггенгейм Э. А. Современная термодинамика. – М., Л.: Гос химиздат, 1941. – 188 с.

10. Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. Поверхностные си лы. – М.: Наука, 1987. – 398 с.

Литература 11. Дривер Д. Геохимия природных вод. - М.: Мир, 1985. – 440 с.

12. Желтов Ю. П. Деформации горных пород. – М.: Недра, 1986.

– 198 c.

13. Злочевская Р. И., Королев В. А. Электроповерхностные явле ния в глинистых породах. – М.: Изд-во МГУ, 1988. –177 с.

14. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. - М.:

Наука, 1964. - 488 с.

15. Керштейн И. М., Клюшников В. Д., Ломакин Е. В., Шестери ков С. А. Основы экспериментальной механики разрушения. – М.: Изд-во МГУ, 1986. – 140 с.

16. Кокотов Ю. А., Пасечник В. А. Равновесие и кинетика ионно го обмена. - Л.: Химия, 1970. - 336 с.

17. Костерин А. В. Основные уравнения и вариационные методы расчета изотермической фильтрации. Дис. … докт. физ.-мат.

наук. – Казань, 1988. – 159 с.

18. Костерин А. В. Модели и задачи механики насыщенных по ристых сред // В кн.: На рубеже веков. НИИ математики и ме ханики Казанского университета. 1998 – 2002. – Казань: Изд во Казан. матем. об-ва, 2003. – С. 310 – 319.

19. Кринари Г. А., Мухаметшин Р. З., Салихов И. М., Сали хов М. М., Храмченков М. Г. Анализ причин ликвидации на гнетательных скважин в НГДУ «Джалильнефть» // В сб.:

Опыт разведки и разработки Ромашкинского и других круп ных месторождений Волго-Камского региона. – Казань: Изд во «Новое Знание», 1998. – С. 192 – 197.

Литература 20. Кринари Г. А., Храмченков М. Г., Мухаметшин Р. З. Причины разрушения стенок скважин в кыновских глинах // Изв. РАН.

Геоэкология. – 2001. – № 4. – С. 357 – 364.

21. Кульчицкий Л. И., Усьяров О. Г. Физико-химические основы формирования свойств глинистых пород. – М.: Недра, 1981. – 178 с.

22. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10 т. – Т. 6. Гидродинамика. – М.: Наука, 1988. – 736 с.

23. Левич В. Г. Физико-химическая гидродинамика. - М.: Изд-во АН СССР, 1952. - 538 с.

24. Левич В. Г., Маркин В. С., Чизмаждев Ю. А. О гидродинами ческом перемешивании в модели пористой среды с застой ными зонами // ДАН СССР. – 1968. – Т. 166. – № 6. – С. 1401– 1404.

25. Ляховский В. А., Мясников В. П. О поведении упругой среды с микронарушениями // Изв. РАН. Физика Земли. – 1984. – № 10. – С. 71 – 75.

26. Магара К. Уплотнение пород и миграция флюидов. – M.: Не дра, 1982. – 283 с.

27. Мелвин-Хьюз Э. А. Физическая химия. - М.: Изд-во иностр.

лит., 1962. - ТТ. 1, 2. – 1148 с.

28. Механика горных пород применительно к проблемам развед ки и добычи нефти. Под ред. В. Мори и Д. Фурменбро. – М.:

Мир, 1994. – 416 с.

Литература 29. Мироненко В. А., Мольский Е. В., Румынин В. Г. Изучение загрязненных подземных вод в горнодобывающих районах. – Л.: Недра, 1988. – 279 с.

30. Николаевский В. Н. Конвективная диффузия в пористых сре дах // ПММ. – 1959. – Т. 23. – № 6. – С. 1042–1050.

31. Николаевский В. Н., Басниев К. С., Горбунов А. Т., Зо тов Г. А. Механика насыщенных пористых сред. – М.: Недра, 1970. – 339 с.

32. Осипов В. И., Соколов В. Н., Румянцева Н. А. Микрострукту ра глинистых пород. – М.: Недра, 1989. – 211 с.

33. Панфилов М. Б., Панфилова И. В. Осредненные модели фильтрационных процессов с неоднородной внутренней структурой. – М.: Наука, 1996. – 383 с.

34. Пудовкин М. А., Чугунов В. А., Саламатин А. Н. Задачи теп лообмена в приложении к теории бурения скважин. – Казань:

Изд-во Казан. ун-та, 1977. – 183 с.

35. Рейнер М. Реология. – М.: Наука, 1965. – 223 с.

36. Решение задач охраны подземных вод на численных моделях/ Г. Н. Гензель, Н. Ф. Карачевцев, П. К. Коносавский и др.;

Под ред. В. А. Мироненко. – М.: Недра, 1992. – 240 с.

37. Семиохин И.А., Страхов Б.В., Осипов А.И. Кинетика химиче ских реакций. - М.: Изд-во МГУ, 1995. - 351 с.

38. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в хими ческой кинетике. - М.: Наука, 1987. - 502 с.

39. Федер Е. Фракталы. – М.: Мир, 1991. – 251 с.

Литература 40. Хавкин А. Я. Гидродинамические основы разработки залежей нефти с низкопроницаемыми коллекторами. Дис. … докт.

техн. наук. – Москва, 1996. – 451 с.

41. Хантуш М. С. Новое в теории перетекания // В кн.: Вопросы гидрогеологических расчетов. – М.: Мир, 1964. – С. 43–60.

42. Храмченков М. Г., Эйриш М. В. Комплексное изучение структурнокристаллохимических особенностей и водоудер живающей способности монтмориллонитовых глин термоди намическая модель их набухания // В сб.: Структура и дина мика молекулярных систем. – Йошкар-Ола, 1996. – Вып. 4. – С. 119–123.

43. Храмченков М. Г., Эйриш М. В., Корнильцев Ю. А. Изучение структурных изменений и термодинамическая модель фильт рационных свойств глинистых пород // Изв. РАН. Геоэколо гия. – 1996. – № 5. – С. 65–73.

44. Храмченков М. Г., Алимов М. М. Моделирование химическо го состава подземных вод при растворении карбонатов // Изв.

РАН. Геоэкология. – 1997. – № 1. – С. 96–112.

45. Храмченков М. Г. Моделирование макрокинетики гетероген ных химических реакций при фильтрации растворов // Изв.

РАН. Геохимия. – 1998. – № 12. – С. 1304–1309.

46. Храмченков М. Г. Математическое моделирование проницае мости монтмориллонитовых глин // В сб.: Структура и дина мика молекулярных систем. Йошкар-Ола – Казань – Москва, 1998. – Т. 2. – С. 13–17.

Литература 47. Храмченков М. Г. Математическое моделирование фильтра ционных и емкостных свойств глинистых пород // Изв. РАН.

Геоэкология. – 2000. – № 4. – С. 401–405.

48. Храмченков М. Г., Якимов Н. Д. Влияние процессов в глинах на гидрогеомеханику околоскважинных зон // В сб.: Совре менные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики, С. Петербург: Изд-во СПбГУ, 2002. – С. 314–321.

49. Цытович Н. А. Механика грунтов.– М.: Высшая Школа, 1983.

– 288 с.

50. Чизмаджев Ю. А., Маркин В. С., Тарасевич М. Р., Чир ков Ю. Г. Макрокинетика процессов в пористых средах (Топ ливные элементы). – М.: Наука, 1971. – 364 с.

51. Чураев Н. В. Физикохимия процессов массопереноса в порис тых телах. – М.: Химия, 1990. – 272 с.

52. Чураев Н. В., Дерягин Б. В. Влияние электрокинетических яв лений и реологических свойств граничных фаз на течение жидкостей в тонких порах и пленках // В сб. «Исследования в области поверхностных сил». – М.: Наука, 1967. – С. 295–303.

53. Эйриш М. В. О природе сорбционного состояния катионов и воды в монтмориллоните // Коллоидный журнал. – 1964. – Т. 26. – № 5. – С. 633–639.

54. Bear J. Dynamics of fluids in porous media. – New York: El sevier, 1972. – 764 p.

55. Bear J., Verruijt A. Modelling ground water flow and pollution. – D. Reidel Publ. Comp., 1987. – 414 p.

Литература 56. Berner R. A., Morse J. W. Dissolution of calcium carbonate in sea water, IV. Theory of calcite dissolution // Amer. J. Sci. – 1974. – V. 247. – No 2. – P. 108–184.

57. Dreybrodt W. Processes in karst systems. Physics, chemistry and geology. – Berlin: Springer Verlag, 1988. – 228 p.

58. Einstein A. Uber die von der molekularkinetischen theorie der warme geforderte bewegung von in ruhenden flussigkeiten sus pendierten teilchen // Ann. Phys. – 1905. – V. 17. – P. 549–560.

59. Friedly J. C., Rubin J., Solute transport with multiple equilibrium – controlled or kinetically – controlled chemical reactions // Water Resour. Res. – 1992. – V. 28. – No 6. – P. 1935–1953.

60. Greenkorn R. A. Phlow phenomena in porous media. – New York – Basel: Marcell Dekker, Inc., 1983. – 540 p.

61. Krinari G. A., Khramchenkov M. G., Muslimov R. Kh. Artificial reverse mica transformation and its role in oil production // Geore sources. – 2000. – V. 2. – P. 30–37.

62. Nielsen A. E. Kinetics of Presipitation. – New York: Macmillan, 1964. – 151 p.

63. Norrish K. Swelling of montmorillonite // Disc. Faraday Soc. – 1954. – V. 18. – P. 120–134.

64. Norrish K., Raussel-Colom I. A. Low-augle X-ray diffraction studies of the swelling of montmorillonite and vermiculite // An.

Tenth Nat. Conf. on Clays and Clay Minerals. – 1957. – P. 123– 149.

Литература 65. Olander D. R. Simulation mass transfer and equilibrium chemical reaction // Amer. Inst. Chem. Eng. J. – 1960. – No 6. – P. 223– 239.

66. Schlogl R., Helfferich F., Comment on the significance of diffu sion potentials in ion exchange kinetics // J. of Chemical Physics.

– 1957. – V. 26. – No 1. – P. 5–7.

Максим Георгиевич Храмченков ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ ПРИРОДНЫХ ПОРИСТЫХ СРЕД Научная монография ISBN 5-900975-45- Издательство Казанского математического общества.

420008, Казань, Университетская, 17.

Отпечатано на ризографе с готовых оригинал-макетов на участке оперативной полиграфии Заказ 03/5. Подписано к печати 16.07.2003. 178 с. Тираж 200 экз.

Pages:     | 1 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.