WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

K Рис. 1. Схематичное изображение частицы глины с катионами металла внутри структурных пустот полимерного гидрата кремнезема Физико-механические свойства глины и ее поведение в стволе скважины. Общеизвестны следующие положения, характеризующие поведение различных веществ под действие внешней нагрузки. Вещества, структурные элементы которого соединены между собой валентными связями, прочны, разрушаются хрупко или хрупко пластично. Пластичность таких веществ обусловлена полярностью химических связей в веществе. Вещества, элементы которых соединены молекулярными связями, являются крайне малопрочными, а устойчивость молекулярных кристаллов небольшая. Настоящие металлы чрезвычайно пластичны, но чем больше у атома металла валентных электронов, _ © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru тем гуще и крепче электронная сетка металла и тем он прочнее. Проявление свойств пластичности у веществ, сложенных элементами между которыми действуют молекулярные или металлические связи, обусловлены отсутствием ориентации дисперсионных и электростатических сил.

Немаловажным фактором, влияющим на поведение связей, является давление. В частности давления играет определяющую роль в формировании агрегатного состояния вещества. Поэтому проанализируем поведение тел, элементы которых скреплены водородными и гидратными связями при воздействии на них внешней нагрузки.

Различные природные и искусственные тела, конгломераты, сложенные на основе водородных (гидратных) связей, в том числе и глина, под действием приложенной к ним нагрузки одновременно обладают и последовательно проявляют свойства атомного и металлического веществ. Это выражается в проявлении ими свойств упругости, пластичности (текучести). Преобладающее проявление этих свойств зависит от содержания воды в составе рассматриваемых веществ. Поэтому можно сделать вывод, что в данных веществах связи, соединяющие структурные элементы твердого тела способны изменять свое поведение и состояние под действием нагрузки. Т.е. поведение водородных связей и гидратных связей зависит от термодинамических условий их существования.

Физико-механические свойства глины определяются содержанием в ней воды. Если глина насыщена водою вплоть до наличия у нее гелевой воды, то с увеличением внешнего давления на нее она проявляет свойства текучести. Это обусловлено поведением гелевой воды. Гелевая вода представляет собой полимерную сетку воды на основе водородных связей, насыщенную своими мономерами. Поэтому при любом воздействии на глину в первую очередь изменениям состава и качественного состояния подвергается именно гелевая вода. При приложении к глине напряжений сопоставимых с ее прочностью происходит разрушение водородных связей вплоть до гидратных. Гидратная оболочка из-за наличия индукционного периода образования связей, в момент действия приложенной нагрузки как бы приобретает гидрофобность и пространственная связь между частицами глины исчезает. Они становятся не ориентированными по отношению друг к другу и слабо взаимодействуют между собой. Поэтому после приложения нагрузки глина проявляет свойства текучести. Однако картина резко изменяется, если в результате тех или иных процессов гелевая вода у глины отсутствует, а частицы глины скреплены гидратными связями.

Гидратный полимер, скрепляющий глину в единое тело похож на атомное вещество, т.к. его элементарными частицами являются атомы, скрепленные прочными и жестки_ © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru ми химическими связями. Он также похож на ионное тело, т.к. атомы ионизированы и связаны электростатическими силами. Он, одновременно, представляет собой и металлическое тело, т.к. протон является элементарной электрической частицей. Таким образом, гидратная связь по своим свойствам является каким то средним промежуточным положением между существующими видами связей и в зависимости от условий ее существования способна в той или иной мере проявлять свойства всех этих веществ. Подобное изменение свойств гидратной связи будет в первую очередь зависеть от качества заполнения внутренней структуры гидратной воды, т.е. от того насколько совпадает размер наполнителя с размером внутренних пустот, а также от вида атома, образовавшего данную связь (Al, Si, Fe, Cr, Ca, Ва и т.п.).

При малых величинах горного давления глина, частицы которой скреплены гидратными связями, ведет себя как тело, обладающее атомным строением. Однако данное положение следует реализовывать с поправкой на их состояние применительно к конкретным термодинамическим условиям. В первую очередь это связано с тем, что с возрастанием горного давления у гидратной связи будут усиливаться металлические свойства.

Проявление металлических свойств у глины будет обусловлено тем, что при внешней нагрузке протон, в структуре гидратной воды, эстафетно меняется своим положением с соседним протоном, т.е. происходит его перескок. Этим и должно объясняться такое свойство тел, скрепленных водородными связями, как ползучесть. Поэтому можно говорить о том, что гидратная связь под действием какой либо внешней нагрузки способна проявлять свойства металлических веществ.

Металлизация гидратной связи, с увеличением давления, происходит плавно, а ее восстановление до исходного, атомного состояния будет осуществляться дискретно, скачком. Поэтому, например, вскрытие в процессе бурения глины, у которой вода в ее составе приобрела металлические свойства, может привести к реализации совершенно новых явлений. Металлизация свойств воды в первую очередь вносит свои поправки в свойства глины через «поровое давление». В процессе бурения с глины снимается влияние горного давления, поэтому у воды происходит восстановление связей из металлического состояния в атомное. В скважине это реализуется в виде резкого усиления осыпания и обвала породы с выносом большого количества шлама в виде твердых частиц игольчатой, стреловидной и чешуйчатой формы. Анализ известных практических данных показывает, что подобные явления наиболее ярко себя проявляют при глубине залегания глины более м. Ориентировочные значения горного давления, в этих условиях, могут составлять величину более 20 МПа.

_ © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru В результате проведенного анализа природы глины, воды, а также их поведения применительно к горно-геологическим условиям строительства скважин можно изложить следующие соображения. Физико-механические свойства глинистых отложений в зависимости от их влажности, термодинамических условий их нахождения способны изменяться в широком диапазоне. Поэтому мероприятия, проводимые для обеспечения устойчивости вскрытых бурением глинистых отложений должны учитывать состояние воды в их объеме, а при расчетах прочностного состояния ствола скважины и ее стенок, кроме проявления горного давления данные расчеты должны учитывать содержание и изменения свойств воды в зависимости от глубины залегания глины.

ЛИТЕРАТУРА 1. Спивак А.И., Попов А.Н. Разрушение горных пород при бурении скважин.

2. Шарафутдинов З.З., Чегодаев Ф.А., Мавлютов М.Р. Гидратная полимеризация и формы ее проявления в горном деле. //Горный вестник, №4, 1998, с.153-154;

3. Управление поведением глинистых отложений при строительстве скважин /Шарафутдинов З.З., Мавлютов М.Р., Чегодаев Ф.А., Мандель А.Я. //Научнотехнические достижения газовой промышленности: Сб. науч. Тр. – Уфа: Изд-во УГНТУ. 2001, С.58-77.

_ © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru

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.