WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
УДК 622.24 ВОДА, ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЛИНЫ И ПОРОД ЕЕ СОДЕРЖАЩИХ ШАРАФУТДИНОВ З.З., sharafutdinov@gtp-jsc.ru ОАО «ГИПРОТРУБОПРОВОД» Одним из необходимых условий строительства скважин является обеспечение устойчивости ствола скважины и предупреждение поглощения и гидроразрыва горных пород, грунтов в процессе бурения. Для этого осуществляют прочностные расчеты состояния ствола скважины. Они имеют цель определить допустимые давления в процессе бурения и прогнозировать возможные осложнения, связанные с изменением давления. Исходя из этого расчетам состояния ствола скважины для предупреждения осыпей, обвалов, пластического деформирования ствола скважины, а также определению давления раскрытия поглощения уделяется чрезвычайно большое внимание [1].

Однако все эти расчеты в ряде случаев требуют эмпирического корректирования.

Это во многом предопределено теоретическими представлениями, описывающими состояние горных пород в скважине, использующееся при рассмотрении прочностного состояния стенок скважины. Основной моделью, рассматривающей прочностное состояние горной породы, является модель, в которой рассматривается некоторое твердое тело с зернистой или дырочной структурой. Зернистая модель характерна для обломочных, несцементированных горных пород с точечным контактом обломков. Согласно модели о дырчатой структуре не структурные элементы породы являются флюидом, насыщающим породу. Данные представления зачастую распространяют и на описание поведения различных видов глин, дополнительного привлекая к ним также и представления о поровом давлении, действующем в глинах с увеличением глубины их залегания.

Однако такой теоретический подход требует уточнения ряда положений. На наш взгляд, данные уточнения будут касаться поведения воды в составе глины, глиносодержащих пород. Это обусловлено следующим. Глина и ее частицы являются чрезвычайно гидрофильными веществами. Глина всегда насыщена водою, но количество воды и ее состояние зависят от термодинамических условий нахождения воды в составе глины. Частицы глины не создают отдельных кристаллизационных контактов между собою, как, например, кристаллы карбоната кальция в известняках, а свою взаимосвязь осуществляют через воду. Поэтому теоретические представления, описывающие состояние глины и аналитический материал, используемый для расчета прочностного состояния стенок скважи_ © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru ны, требуют уточнения. В связи с этим более детально рассмотрим структуру глины и возможное состояния воды в ней.

Глина. На наш взгляд [2], глина представляет собой переплетение двух независимых объёмных сеток, состоящих из полимеризованных гидратов глинозема и кремнезема.

Элементы одной сетки заполняют пустоты другой и, наоборот. Сопрягающиеся сетки взаимно упрочняются за счёт компенсации дисперсионных сил. Элементы одной сетки связаны с другой дисперсионными силами. Атомы алюминия и кремния химически связываются только с атомами кислорода, которые одной химической связью соединены с атомом кремния или алюминия, а тремя гибридизированными ковалентно – водородными связями соединены с соседними по сетке атомами кислорода. Величина элементарных частиц глины и их строение определяется соотношением алюминия и кремния в материнской магматической породе: если больше кремния, то глинозема не хватает для заполнения полостей всего кремнезема, поэтому частицы глины будут мелкими и окруженными слоем гидратированного силикагеля. Такие частицы при осаждении дают монтмориллонитовые глины.

С увеличением отношения алюминия к кремнию в материнской породе размер элементарной частицы глины будет возрастать, а свойства глины будут меняться дискретно в направлении от монтмориллонита к каолиниту. Если больше алюмогеля, то периферия будет состоять из алюмогеля и при осаждении получаются бокситы. Недостаток гидрата окиси алюминия может компенсироваться гидратами других металлов: железа, кальция, магния и т.д. На содержание связываемой глиной воды большое влияние оказывают соотношения SiO2:Al2O3 и примеси окислов других элементов.

Основные свойства глины зависят от свойств геля кремнезема. Физические свойства водного кремнезема во многом зависят от количественного соотношения между кремнеземом и водою. Водный кремнезем состава SiO2·300H2O – легкоподвижная жидкость, при соотношении SiO2·10H2O – это уже ломкое вещество, а SiO2·6H2O – твердое тело, легко измельчающееся в порошок.

Содержание воды в глине зависит от условий ее образования. С течением времени временем содержание воды в глине уменьшается, вначале за счёт седиментационного уплотнения, коагуляции, затем – синерезиса геля кремнезема и глинозема. Прочность водородной связи в составе геля зависит от степени его обводнения. Вначале по мере дегидратации водородные связи упрочняются, при этом они становятся короче и жёстче. Процесс дегидратации геля завершается равновесием между дисперсионными и водородными связями. При обычных условиях полная дегидратация обычно не достигается. Для этого нужна либо высокая температура, либо высокое давление, а лучше то и другое вместе. Дегидрата_ © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru ция глины идёт необратимо – из спеченной керамики гидратацией гель не получается. Уплотнившийся за счёт синерезиса гель обратно не пептизирует. По мере дегидратации сетка атомов геля сжимается, упрочняется и становится жёстче. По мере дегидратации геля форма атомов кремния и кислорода стремится к правильному тетраэдру, линия “О—Н---О” - к прямой, угол “Н-О -Н”, “Si-O-H”, “O-Si-O” - к 109 0. При этом связи атома кислорода гибридизируются, объёмная сетка геля становится крепче и жёстче.

Самопроизвольная дегидратация силикагеля при обычных условиях (среда в воде, близкая к нейтральной, температура и давление, близкие к стандартным) осуществляется за счёт синерезиса и заканчивается достижением равновесия между дисперсионными и водородными связями. На воздухе дегидратация геля продолжается до удаления всей физически связанной воды, но эта дегидратация геля обратима. С повышением температуры и давления гель можно полностью дегидратировать до кремнезёма. В природе кремнезём находится в аморфном состоянии и в нескольких кристаллических модификациях. Удаление химически связанной воды происходит необратимо. Гель кремнезема независимо от степени дегидратации является изотропным.

Поэтому с течением времени глина может в значительной степени изменять свои состав и свойства, а глинистые минералы, слагающие глину, имеют много различных модификаций. Однако намного более сложными и многообразными является поведение и изменение структуры воды в глинах. Поэтому более подробно рассмотрим особенности воды.

Вода. В зависимости от термодинамических условий нахождения воды и сил, действующих на нее, она может находиться в различных состояниях. Вода способна проявлять свойства всех четырех крайних типов веществ: атомных, молекулярных, ионных, металлических. С изменением условий ее существования, изменяются и соотношение между этими свойствами с выдвижением тех или других на передний план:

A.. Между молекулами воды, как и между любыми частицами, действует дисA.

A персионная сила. Но, если бы действовала она одна, то вода имела бы плотность кг\м3 и вела бы себя подобно другим веществам, близким к ней по молекулярной массе:

метану, этану, кислороду, азоту, окиси углерода, аргону и др. Свойствами молекулярного вещества облают отдельные молекулы воды (пар).

B.. Атомы кислорода и водорода сильно различаются по электроотрицательноB.

B сти (3.5 и 2.1), поэтому химическая связь между ними полярна. В результате этого между молекулами воды действуют электростатические силы.

_ © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru C.. С увеличением диэлектрической проницаемости среды полярность химичеC.

C ских связей возрастает. При растворении солей в воде диэлектрическая проницаемость ее повышается, что ведет к увеличению степени электролитической диссоциации (2H2O=H3O+ + OH-). Электролитическая диссоциация придает воде свойства ионных веществ.

D.. Молекула воды может дать четыре водородные связи. Поскольку водородD.

D ные связи химические, то при полной их реализации вода полимеризуется (лед). Наличие водородных связей придают воде свойства атомного вещества.

E.. В жидкой воде имеется некоторое количество свободных протонов (H2O=H+ E.

E + OH-), являющихся положительными элементарными электрическими зарядами. Концентрация их возрастает при подкислении воды, с увеличением полярности связи «ОН», с повышением давления. Электропроводность кислот и щелочей показывает, что положение протонов в воде не фиксировано – они могут свободно мигрировать в объеме. Наличие свободных элементарных электрических зарядов придает веществу металлические свойства. У чистой жидкой воды в обычных условиях ионные и металлические свойства выражены слабо, но в некоторых растворах и экстремальных условиях, например в случае повышения давления более 200 МПа проявление их становится преобладающим.

Особое влияние на строение и свойства воды оказывают водородные связи. Образованию водородных связей помогают электростатические силы, а мешают дисперсионные силы и тепловое движение. Образование водородной связи начинается с электростатического взаимодействия. Электростатическая связь при приближении молекул возникает мгновенно и не требует при этом от них жесткой взаимной ориентации. Водородная связь, как химическая образуется во времени, требует предварительной активации и жесткой взаимной ориентации связываемых ею частиц. Если бы в воде полностью реализовались все водородные связи, то она, во-первых, затвердела бы, во – вторых увеличилась в объеме (разрыхлилась). Дисперсионные силы и тепловое движение этому случится, не позволяют. Жидкая вода плотнее твердой. Это означает, что дисперсионные силы и тепловое движение не дают полностью реализоваться водородным связям. Дисперсионные силы в воде реализуются за счет ослабления и искривления водородных связей, а также заполнения пустот свободными молекулами воды. Компромисс между дисперсионными и водородными связями разрешается за счет того, что часть воды полностью реализует водородные связи и становится полимерной, а часть ее в молекулярном виде является наполнителем полимерной воды.

_ © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru У полимерной части воды реализованы водородные и дисперсионные связи, у мономерной воды – только дисперсионные. Поэтому энергия полимерной воды ниже мономерной, и молекулы из полостей стремятся перейти в сетку, что и происходит при удобном случае. Однако при этом уменьшается степень заполнения полостей, а дисперсионные силы переводят эквивалентное количество воды из полимерного состояния в мономерное. В результате этой борьбы непрерывно происходит полимеризация и деполимеризация, что обуславливает ее текучесть, диффузию, электропроводность и все остальные свойства. Нагревание смещает это равновесие в пользу деполимеризации.

В случае образования водою соединений включений (газовые гидраты и т.п), взаимодействия с атомами Si, Al, Fe, Сr и т.д. имеет место гидратная полимеризация [2]. Гидратный полимер возникает в результате возрастания у воды полярности валентных связей.

По мере увеличения полярности химических связей в воде поделенные электронные пары приближаются к атомам кислорода, а по мере увеличения прочности водородных связей неподеленные электронные пары удаляются от атома кислорода. Когда состояние всех четырех электронных пар атома кислорода выравниваются, происходит sp3 гибридизация их орбиталей. При этом свойства водородных и валентных связей становятся одинаковыми, а между ними образуется прочная гидратную связь (O-2 – H+1 – O-2). Благодаря этому, в воде образуется прочная жесткая тетраэдрическая сетка из ионов кислорода, каждый из которых связан с четырьмя соседними гидратными связями. В результате вода превращается в жесткое твердое тело. Такое затвердевание воды мы называем гидратной полимеризацией.

Гидратный полимер похож на атомное тело, т.к. его элементарными частицами являются атомы, скрепленные прочными и жесткими химическими связями; похож на ионное тело, т.к. атомы ионизированы и связаны электростатическими силами; похож на металлическое тело, т.к. протон является элементарной электрической частицей. Поэтому гидратная полимеризация – это нечто среднее между атомной, ионной и металлической полимеризациями. Простейшим и наименее прочным гидратным полимером является обычный лед.

Из этого следует и еще один вывод о том, что гидратный полимер в зависимости от термодинамических условий его существования способен проявлять свойства всех перечисленных выше полимеров.

Данные представления позволяют уточнить представления о структуре воды в глине.

Структура воды в глине. Вода в составе глины присутствует в следующих видах. Оболочка глины, состоящая из гидратированного силикагеля, заполнена мономерами воды или катионами металлов (катионно-обменный комплекс). Примерный вид по_ © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru добного факта приведен на рис. 1. В последующем слое находится гидратная вода, сформированная на основе донорно-акцепторного взаимодействия воды с гидратированной силикагелевой оболочкой глины. Следующей формой состояния воды, является присутствие ее в виде оболочки из молекул воды, скрепленной водородными связями и названа нами гелевой. Образование гелевой оболочки обусловлено квантуемостью связей гидратного полимера. Сетки гидратной и гелевой воды наполнены мономерами 2 для повышения своей устойчивости, но их прочность падает с отдалением от гидратного слоя воды.

В системе глина – вода всегда существует равновесие между различными формами воды, т.е. мономерами, гелевой и гидратной водой. Механическое воздействие на влажную глину, изменение термодинамических условий ее нахождения, обработка химическими реагентами перераспределяют между собою содержание и свойства гидратной и гелевой воды [3]. Поэтому, по влажностному состоянию, принципиально можно выделить два случая, описывающих состояние глины. Первым будет являться случай насыщенность глины водою, вплоть до наличия у нее гелевой воды, а вторым будет являться случай пониженного содержания воды в глине, т.е. когда у нее присутствует только гидратная вода.

В зависимости от этого должно меняться и описание поведения глины и ее физикомеханических свойств под действием нагрузок, приложенных к ней.

Pages:     || 2 |



© 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.