|
наоборот. Процесс, идущий между ионами активных групп и электролитом, совершается быстро. Однако в большинстве случаев равновесие устанавливается в течение нескольких минут, часов, а иногда и суток. Этим можно объяснить некоторую устойчивость по времени обваливающихся пород при бурении. Таким образом, катионный обмен во многом определяет свойства глинистых минералов. С его помощью можно управлять как свойствами глинистых пород, слагающих стенки скважины, так и физико-химическими процессами при взаимодействии бурового раствора с горными породами. Пластичность. Пластичностью называют способность глинистых пород, в том числе, под действием внешнего давления изменять свою внешнюю форму без разрыва сплошности (без образования трещин) и сохранять эту форму после прекращения давления. Пластичные свойства в основном обуславливаются наличием пленочной воды на глинистых частицах [5] и зависят от минералогического и механического состава, обменного комплекса глин, а также от степени минерализации породы. Пластичность глин обуславливается содержанием коллоидной фракции. Чем больше в глинах тонкодисперсной фракции, тем они более пластичны. Считается, что пластичность истинных щелочных бентонитов выше, чем пластичность щелочноземельных бентонитов [б,и]. На коэффициент пластичности определенное влияние оказывает водонасыщеность породы и глубина ее залегания. Как правило, с глубиной уменьшается водонасыщеность глинистых пород и вероятность пластического течения снижается. Гидрофильность и набухаемость глин. Известно, что под гидрофилыюстыо понимают способность поверхности тела связывать воду молекулярными ван-дер-ваальсовыми силами. Глины относятся к гидрофильным осадочным породам. Обычно о гидрофильности глин судят по количеству связанной воды при ее смачивании, т.е. воды, удерживаемой молекулярными силами. г* * : 15 |
Наряд}' с простым обменом катионами в процессе химической адсорбции возможна химическая адсорбция (хемосорбция) многовалентных металлов глиной. При этом количество этих металлов может намного превышать обменную емкость данной глины. Если в обменном комплексе преобладают одновалентные катионы, то благодаря их высокой гидратации происходит гидрофилизация глинистых частиц. Образование в результате этого гидратной оболочки вокруг глинистых агрегатов способствует пептизации глинистых частиц и увеличивает их суммарную поверхность, что в свою очередь может способствовать разрушению и обваливанию породы. Если же в обменном комплексе преобладают двухвалентные катионы или отрицательно гидратирующие ионы, то уменьшается связь поверхности частиц с водой, т. с. их гидрофилыюсть и дисперсность, а следовательно, сохраняется или даже повышается устойчивость породы на стенках скважины. Следовательно, обменный комплекс глин может оказывать существенное влияние на связь поверхности глинистых частиц с окружающей средой и на устойчивость глинистых пород на стенках скважины. Пластичность. Пластичностью называют способность глинистых пород под действием внешнего давления изменять свою внешнюю форму без разрыва сплошности (без образования трещин) и сохранять эту форму после прекращения давления. Пластичные свойства в основном обуславливаются наличием пленочной воды на глинистых частицах [5J и зависят от минералогического и механического состава, обменного комплекса глин, а также от степени минерализации породы. Пластичность глин обуславливается содержанием коллоидной фракции. Чем больше в глинах содержится тонкодисперсной фракции, тем они более пластичны. Считается, что пластичность истинных щелочных бентонитов выше, чем пластичность щелочноземельных бентонитов [4]. Пластичность обусловлена гидратацией поверхности глинистых частиц, поэтому с увеличением дисперсности твердой фазы увеличивается 13 гидратация и, следовательно, пластичность и устойчивость глинистых пород на стенках скважины. И, наоборот, при меньшем содержании коллоидной фракции в глинах ее пластичность при гидратации значительно снижается и появляется тенденция потери устойчивости и обвала породы в основном за счет ее расслоения. На коэффициент пластичности определенное влияние оказывает водоиасыщеность породы и глубина ее залегания. Как правило, с глубиной уменьшается водоиасыщеность глинистых пород и вероятность пластического течения снижается. Гидрофил ьность и набухасмость глин. Известно, что под гидрофильностью понимают способность поверхности тела связывать воду молекулярными ван-дер-ваальсовыми силами. Глины относятся к гидрофильным осадочным породам. Обычно о гидрофильности глин судят по количеству связанной воды при ее смачивании, т.е. воды, удерживаемой молекулярными силами. Некоторые горные породы, в состав которых входят глинистые компоненты с относительно большим содержанием монтмориллонита, гидрослюд, оксидов калия и натрия, впитывая воду, увеличиваются в объеме т.е. набухают. Увеличение объема зависит от водонасыщености пород, толщины набухающего слоя и коэффициента набухания. Экспериментально установлена величина набухания различных глинистых пород представлена в таблице 1.2 [4]: В зависимости от дисперсности, емкости и химического состава обменного комплекса, глинистые минералы имеют различную степень гидрофильности и набухают различно. Чем больше поливалентных катионов в обменном комплексе глин, тем меньше они набухают. Бентонитовые глины, состоящие в основном из минерала монтмориллонита, являются более гидрофильными, чем 14 каолиновые глины. разрушению. И, наоборот, если в фильтрате в основном содержатся ионы Са2+, то устойчивость глины на стенках скважины будет стабильной. Состояние глинистых пород на стенках скважины также будет зависеть от соотношения степени набухания и величины сил связи и пластичности породы. При значительном набухании и довольно жесткой структуре глинистых пород может быть растрескивание, расслоение и осыпание пород с образованием каверн, а при достаточных силах связи и высоких пластических свойствах при той же набухаемости возможно выпучивание породы и сужение ствола. Большое значение имеет скорость ионообмена. Его движущей силой является диффузия, за счет которой и происходит взаимный процесс перемещения ионов с поверхности породы в окружающую жидкую среду и наоборот. Процесс, идущий между ионами активных групп и электролитом, совершается быстро. Однако в большинстве случаев равновесие устанавливается в течение нескольких минут, часов, а иногда и суток. Этим можно объяснить некоторую устойчивость по времени обваливающихся пород при бурении. Таким образом, катионный обмен во многом определяет свойства глинистых минералов. С его помощью можно управлять как свойствами глинистых пород, слагающих стенки скважины, так и физико-химическими процессами при взаимодействии бурового раствора с горными породами. На основе анализа возможных причин нарушения устойчивости стенок скважины их можно разделить по трем основным группам (Рис. 1.3). При этом была установлена недооценка роли капиллярно-адгезионных взаимодействий в массиве горных пород. 38 |