Гольдберг В.М., Скворцов Н.П. Проницаемость и фильтрация в глинах

Подождите немного. Документ загружается.

изменению геостатических давлений с глубиной в пределах первых десят-

ков метров.

Исследуя распределение проницаемости по разрезу, МЛ. Саттаров

установил, что коэффициент фильтрации суглинка на глубине от 3 до 13 м

уменьшается в 9 раз.

В глинах после снятия динамических нагрузок наблюдается явление

необратимых деформаций, проявляющееся в изменении проницаемости

и пористости.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились на установке УИПК-Ш, позволяющей

определять проницаемость горных пород в условиях, приближающихся

к пластовым при давлениях на входе от

0,098

до 29,4 МПа, противодав-

лениях на входе приблизительно до 29,4 МПа, геостатическом давлении от

0,098

до 57,8 МПа и температурах от 20 до 80 °С Остановимся на ряде

вопросов методики. производства и обработки экспериментальных

дан-

ных, связанных со спецификой поставленных задач и обусловленных

особенностями физических и воднофильтрационных свойств глинистых

пород.

Одна из отличительных особенностей процесса фильтрации в глинах

—

длительное изменение проницеемости во времени, прежде чем процесс

выйдет на, стационарный режим [3]. С этими обстоятельствами связаны,

с одной стороны, значительная продолжительность экспериментов, с

другой

—

повышение требования к точности определения фильтрационных

расходов. При проведении экспериментов образцы глинистых пород

предварительно выдерживались в заданном режиме давлений и перепадов

напоров до стабилизации фильтрационных параметров образца. Как пока-

зали исследования, наиболее значительные изменения проницаемости наб-

людаются в течение первых 2—3 сут, когда значения коэффициента прони-

цаемости глин в отдельных случаях уменьшаются на 30-50 % по сравне-

нию с первоначальными. В дальнейшем эти изменения менее значительны

и ими можно пренебречь (коэффициенты проницаемости, определенные

на 5 и 10 сут различаются не более чем на 5

%).

В качестве измерительного

устройства на установке использовался капиллярный расходомер, калиб-

рованный с точностью до

0,0001

см

Исследования производились на образцах цилиндрической формы

диаметром 3 см и высотой от 3 до 5 см. В ходе фильтрационных испыта-

ний образцы подвергались соответствующим давлениям всестороннего

гидрообжима. Для имитации естественных геостатических условий задава-

лись необходимые нагрузки, величина которых определялась с учетом

следующих обстоятельств.

Как известно, в природном залегании горная порода испытывает

воздействие геостатического давления, создаваемого весом вышележа-

щих пород. Давление на глубине Н определяется произведением объем-

ной массы пород на мощность вышезалегающей толщи. Если среднюю

объемную массу принять равной 2,3 г/см

, то геостатическое давление

составит 0,022 Н (Н в метрах). Одновременно на скелет воздействует

и гидростатическое давление, препятствующее сжатию породы под влия-

нием геостатической нагрузки. Величина этого давления определяется

как Р

= 0,0098 Н. Таким образом, результирующее уплотняющее давле-

ние может быть представлено в виде разности этих нагрузок', причем в

качестве геостатического принимается лишь часть этого давления Р

= 0,022 Н - 0,85(0,0098 Н) « 0,014 Н. Данная зависимость и использо-

валась для определения требуемого давления в системе гидрообжима

образца.

Исследования влияния минерализации и состава жидкости на прони-

цаемость глин проводились на естественных каолиновых, монтморилло-

нитовых глинах и глинах смешанного минерального состава, песчано-гли-

нистых смесях с различным содержанием Са- и Na-монтмориллонитовых

глин и искусственных монтмориллонитовых глинах с преобладающим

содержанием в составе поглощенного комплекса катионов Са

* и Na

В качестве фильтрующейся жидкости использовались пресная вода и раст-

воры хлоридных, сульфатных и нитратных солей; концентрация раство-

ров изменялась от 0,1 до 150 г/л; температура комнатнея (20-25 °С).

Модифицированные разности монтмориллонита получены путем соот-

ветствующей обработки монтмориллонитов растворами хлористого нат-

рия и кальция с последующей отмывкой глинистых суспензий от енионов

СГ, центрифугировением и уплотнением в специальных прессформах.

При конечном удельном давлении примерно в 3,2 МПа образцы были

выдержаны в течение нескольких лет. В ходе испытаний на установке

УИПК-1М давление гидрообжима образцов Са- и Na-монтмориллонита

соответствовало конечному удельному давлению. Природные образцы

подвергались обжиму, соответствующему давлению, испытываемому

этими образцами в естественных условиях. На каждой ступени минерали-

зации образцы выдерживались в течение 3—5 сут до полной стабилизации

фильтрационных расходов, после чего определялась проницаемость пород.

Для изучения причин и механизма изменчивости фильтрационных

свойств глинистых пород возникла необходимость в проведении ряда

дополнительных физико-химических исследований. В первую очередь,

это относится к изучению условий взаимодействия системы растворенные

катионы — катионы поглощенного комплекса. С этой целью на искусст-

венных образцах Са- и Na-монтмориллонитовых глин в специальном

эксперименте, а в дальнейшем и на всех образцах, до и после испытаний

определялись состав и содержание обменных катионов. В эксперимен-

тах по изучению изменения проницаемости естественных монтмориллони-

товых глин в зависимости от направления изменения минерализации

фильтрующейся жидкости (по отношению к минерализации порового

раствора) изучались также возможные изменения их физических свойств.

Исследовения влияния .температуры на проницаемость глин проводи-

лись на естественных каолиновых, монтмориллонитовых и слюдистых

глинах и их разностях с использованием дистиллированной воды и раст-

воров солей NaCI, CaCI

и Na

различной концентрации. Эксперимен-

тальные работы на каолиновых глинах осуществлялись в трех диапазонах

температур: 20—25 (комнатная), 50—60 и 80—90 С, на монтмориллонито-

вых и слюдистых глинах было увеличено число промежуточных точек в

области температур 40—70 °С. Перед повышением температур образцы

выдерживались в установке при заданном давлении гидрообжима в тече-

ние 5—7 сут. Для исключения влияния температурного гистерезиса образ-

цы вначале подвергались многократным нагревам и охлаждениям. За

исходные значения проницаемости (при комнатной температ/ре) прини-

мались их постоянные значения, не изменяющиеся после очередного цикла

нагрев — охлаждение. При последующем нагревании на каждой темпера-

турной точке образец выдерживался в течение 1 сут. Температурный ре-

жим регулировался электротермическим методом (взамен термостатиро-

вания,

предусмотренного на УИПК-Ш в заводском исполнении), позволя-

ющим значительно сократить время стабилизации температуры на каждой

ступени до 2—3 ч и увеличить верхний диапазон изменения температур

до 100 °С и выше.

В рамках настоящих исследований при обработке экспериментальных

данных потребовалось определение вязкости растворов солей NaCI,CaCI

и Na

в условиях изменяющихся температур и минерализации. Пос-

кольку в опубликованной литературе отсутствуют достаточно детальные

справочные данные о значениях вязкости растворов при различных темпе-

ратурах (в экспериментальных исследованиях, кроме того, возникла

необходимость определения этого параметра при конкретных соотноше-

ниях минерализации и темперетур), величина динамической вязкости

определялась расчетом по методике Л.Л. Эзрохи с использованием данных

В.П. Морозова.

Исследования влияния геостатического давления на проницаемость

глин проводились как в режиме однонаправленных, возрастающих нагру-

зок, так и в режиме многократно меняющихся давлений по схеме: наг-

рузка

—

разгрузка

—

нагрузка

—

и т. д. Диапазон изменения давлений вы-

бирался с таким расчетом, что максимальные значения гидрообжима

образца Р

не превышали геостатических давлений, испытываемых поро-

дой в условиях ее естественного залегания. Этим обеспечивалась необхо-

димая сохранность образцов от. разрушения. Минимальные значения Р

обеспечивали достаточно плотный боковой обжим образца, исключаю-

щий возможность пристеночной фильтрации в кернодержателе установки.

На каждой ступени давлений образец выдерживался в течение не менее

5-10 сут.

При постановке экспериментов по изучению влияния минерализации

и температуры на проницаемость глинистых пород наряду с проведе-

нием специальных физико-химических исследований (исследование

изменений состава поглощающего комплекса), параллельно для кальцие-

вых и натриевых модификаций монтмориллонита и отдельных образцов

естественной монтмориллонитовой глины определялись их текстурные

показатели (с использованием рентгеновского дифрактометрического

метода). Испытания проводились на опытной партии образцов, аналогич-

ных применяемым в экспериментах, и в соответствующих эксперимен-

тальным режимах температур и минерализации. Каждый из образцов

подвергался определенному виду фильтрационных испытаний при задан-

ных температуре или минерализации, после чего выполнялись рентгенс-

структурные анализы показателей их текстуры. Исследование возможных

текстурных изменений глин осуществлялось путем сравнительной оценки

опытного (испытанного) образца с контрольным (не подвергшимся ис-

пытанию) . Рентгеноструктурный анализ применялся также для определе-

ния минерального состава глин. Изучалось влияние минерализации'и сос-

тава фильтрующейся жидкости, а также состава катионов поглощенного

комплекса на проницаемость каолиновых и монтмориллонитовых (ес-

тественных и искусственных) глин. Использовалось три вида растворов

—

NaCI,

CaCl

и Na

S04- Исследуамые естественные глины характеризуются

примерно равным содержанием каолинита и монтмориллонита и незначи-

тельными примесями гидрослюды.

ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛИЗАЦИИ

СОСТАВА ФИЛЬТРУЮЩЕЙСЯ ЖИДКОСТИ

Задача исследований заключалась в определении влияния хлоридных,

сульфатных и нитратных растворов на проницаемость глин. Для решения

этих задач использовались различные по минеральному составу естествен-

ные глины и образцы искусственно приготовленных глинистых паст одно-

го минерального состава с разными катионами

(табл.

8).

Результаты экспериментов на глинах интерпретировались по следую-

щим признакам: влияние минерализации растворов и состава растворов

обменных катионов на проницаемость глин.

Механизм изменения проницаемости глин

при

фильтрации

вод

различных минерализации

составов

Прежде чем перейти к анализу результатов экспериментальных иссле-

дований влияния подземных вод разных .составов и минерализации на

проницаемость глинистых пород, необходимо представить вебе тот про-

цесс, который вызывает изменение проницаемости глин.

Для объяснения возможного механизма этого процесса, воспользуем-

ся изложенными в гл. 2 представлениями о структуре и Свойствах связан-

ной воды в глинистых породах.

Преимущественное значение в иеменении проницаемости Глин имеет

слой рыхлосвязанной воды (или диффузный слой). Образование диффуз-

ного слоя в значительной степени обусловлено гидратацией глинистых

частиц у их поверхности в результате процесса поверхностной диссоциации

глинистых минералов в водной среде [23].

Сущность процесса поверхностной диссоциации глинистых минералов

в общих чертах заключается в следующем. Под влиянием полярных

молекул воды поглощенные катионы, наименее прочно связанные с

глинистой частицей, переходят в водную среду и вместе с присоединен-

ными молекулами воды располагаются ориентированным образом на не-

котором расстоянии от поверхности глинистых частиц. Эти катионы в

совокупности с присоединенными молекулами воды представляют диф-

фузный слой глинистых мицелл, заполняющий большую (или всю) часть

порового пространства глин. Процесс поверхностной диссоциации глинис-

тых минералов тесно переплетается с осмотическим процессом передвиже-

ния воды из внешней среды к базальным поверхностям глинистых частиц,

вокруг которых и формируется гидратно-ионный диффузный слой.

Критерием диссоциации глинистых минералов является ективность А

или активная концентрация обменных катионов в воде в конкретных

условиях системы глина

—

вода

—

ионы. Степень поверхностной диссоци-

ации а глинистых минералов показывает отношение активности обмен-

ных катионов к общему их количеству на поверхности глинистых минера-

лов,

т. е. к емкости обмена Е. Следовательно, А

—

аЕ. Чем больше катио-

нов перешло в водную среду, т. е. чем больше их концентрация в воде,

тем значительнее диффузный слой и тем меньше проницаемость глин.

Количество катионов, перешедших в водную среду, зависит от: общего

их количества, поглощенного глинистой частицей (или от емкости погло-

щения,

или, что то же, от емкости обмена Е глины); способности (степени

диссоциации) перехода поглощенных катионов в водную фазу. Очевид-

но,

чем больше емкость обмена и чем больше степень диссоциации, тем

большее количество катионов перейдет в водную среду и тем мощнее

будет диффузный слой.

Емкость обмена (или емкость поглощения) зависит от минерально-

го типа глин; наибольшей емкостью обмена характеризуются монтморил-

лонитовые глины, наименьшей — каолинитовые; гидрослюдистые глины

занимают промежуточное положение.

Степень диссоциеции а, как уже отмечалось выше, определяется харак-

тером катионов; по убыванию а получим ряд: Na > К > Мд > Са. Отсю-

да,

наиболее мощный диффузный слой, а следовательно, наименьшую

проницаемость можно ожидать у монтмориллонитовых глин, содержащих

катионы натрия. И, наоборот, относительно слабо развитый диффузный

слой и поэтому более высокую проницаемость следует ожидать у каоли-

нитовых глин, в особенности содержащих катионы кальция. Все это поз-

воляет увязывать фильтрационные свойства глин с их емкостью обмена.

Кроме того, на переход катионов в водную фазу и развитие диффузно-

го слоя влияют концентрация и состав фильтрующегося раствора. Если

фильтрующаяся вода пресная, то диссоциация глинистых частиц и переход

катионов в водную среду будут максимальными, а, следовательно, мак-

симальным будет и развитие слоя рыхлосвязанной воды (диффузного

слоя) и поэтому проницаемость окажется минимальной. И, наоборот,

если фильтрующаяся жидкость

—

концентрированный раствор, то и дис-

социация, и диффузный слой будут минимальными, а проницаемость —

максимальной. На рис. 16 показана зависимость толщины тонкого

при-

стенного слоя раствора в капилляре от концентрации раствора электро-

лита. Таким образом, ожидается минимальная проницаемость глин по

пресным водам и ее увеличение с ростом концентрации раствора.

На интенсивность развития гидратно-ионных оболочек (диффузный

слой,

рыхлосвязанная вода) глинистых частиц сильно влияет состав пог-

лощенного комплекса и его изменение в процессе катионного обмена

•

в.

Л, СМ

Фил

ьтрующаяся

жидкость (ее

кон-

центрация, г/л)

Номер

опыта

Страти-

графичес-

кий ин-

декс

Интервал

отбора,

Порода

Место отбора

монолита

(номер

скважины)

0,098

3,14

со

ни

О.

5-10

Искусственные уплот-

ненные пласты

Na-монтморилло-

нит

Сэ-монтморилло-

нит

п. Огланлы

0,098

2,60

со

со со

Пресная

«ода

и раст-

вор

NaCI

(3-150)

Пресная воде и раст-

вор Cad

(3-150)

Пресная вода и

раст-

вор

(3-150)

СО

Ю 00

1 А

140-150

Глина

каолиновая

примесью

гидроспюды

монтмориллонита

г.Киев

(221,234)

0,098

2,84

СО

Раствор NaCI и дис-

тиллированная

вода

Растворы

NaCI

(1, 50)

«-

см

о.

200-201

Глина

монтморилло-

нитовая

•

(диатомит

о-

вая)

г. Шадринск

0,196

0,245

СО 00 (О (О (О (О

00 00,00,00,00,00,

О*

(О (О (О (О

см см

Раствор

NaCI

и дис-

тиллированная вода

Растворы NaCI

(1,50)

'Пресная вода и раст-

вор

(15)

Пресная вода

Раствор

KNo

(15)

т- CMJJM

СО rt

О.

3-5

501,3-

511,4

Глина

монтморилло-

нитовая с примесыо

гидрослюды

Глина

монтморилло-

нит-каолинового

сос-

тава

с примесью

гид-

рослюд и неглинистых

Аэово-Кубанский

артезианский

бас-

сейн

(52)

(99)

CM CM

О О О* О

in in in in

in in in in u> in

rt rt Tt

N N N N N

О* О О О О О

in in in ю

CM ,

0*0 О О

со со со со

Ot^Ctl

CD CO

<o со

со* со*

CO CO CO CO CO

r-*

1С

г-* г-*

r»*

1С

NNOOgg

o>*

*~ *" «- «-

CO CO

0) 0)

in in in in

0) 0)

NNN1-

-» 10 rt pV

CO CM

••*«-*

ПШ1П

o> o> co.cq со

со

d d .-

—

»-* »-*

CI CI

0> «-

CO CC{

—*

CiCi

ЗЬНг38

С £• По. • С ей —

СО

S ff

ИШЬ

г- со

«-

СМ

СЗ * Ю СО

+ _

14"

+ „

«•

со*,

in "*

см

<о

1*11

S сС

ioS

= О »

* с и

* 5 Я

* |й

£88

5 х

5*!i

с о

Ч § • Э I

«?

1£1

I»

и 9

Б ч

-И

1П

§8

X Р.

9 Р

ISfl

а 3

и 9

к а

1!н

5 8 за

О к

при фильтрации жидкости через

гли-

ны.

Обмен происходит между катио-

нами поглощенного комплекса и

катионами раствора, что подтверж-

дается проведенным экспериментом.

Монтмориллонитовые глины с

преобладающим содержанием кати-

онов натрия или кальция обрабаты-

вались растворами NaCI и

СаС1

концентрации 55 и 60 г/л. По окон-

чании обработки по методике Гед-

ройца был выполнен анализ состава и

величины емкости обмена (табл. 9).

Из табл. 9 видно, что при обра-

ботке глины концентрированным

раствором существенно меняется

состав исходной емкости обмена.

При фильтрации растворов через глины можно выделить два вида

взаимодействия раствора с породой с точки зрения влияния этого вза-

имодействия на фильтрационные свойства пород.

0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 н

Рис. 16. График зависимости толщи-

ны h тонкого слоя водного раствора

электролита от его концентрации.

По

Е.М.

Сергееву

Таблица 9

Изменение составе поглощенных катионов в глинах*

Тип глины

Na-монтморилло-

нит

Са-монтморилло-

нит

Состав

катионов

Са

Мд

К*

Сумма кати-

онов

Са

Мд

Na*

К*

Сумма кати-

онов

Емкость поглощения, ммоль/100 г

до обработки

6,40

11,73

>7,0

0,10

Не определя-

лась

67,84

6,4

0,70

0,16

75,10

после обработки

71,04

5,76

0,87

0,12

77,79

7,68

5,12

>7,0

0,10

Не опреде-

лялась

* Na-монтмориллонитовые глины обрабатывались раствором СаС|

концентра-

ции 55 г/л, Са-монтмориллонитовые

—

NaCI концентрации 60 г/л

Первый — когда фильтруются растворы, содержащие те же катионы,

что и поглощенный комплекс. В этих условиях, когда катионный обмен

практически отсутствует и качественный состав поглощенного комплек-

са не меняется, изменение толщины диффузного слоя (толщины гидрат-

но-ионного слоя) будет определяться в основном концентрацией раство-

ра,

вернее различием концентраций фильтрующейся жидкости и порово-

го раствора.

Второй

—

когда фильтруется раствор, не содержащий катионы, входя-

щие в исходный поглощенный комплекс; изменение проницаемости

гли-

ны в этом случае будет носить более сложный характер. С одной стороны,

изменение проницаемости будет определяться видом нового катиона,

поступающего в поглощенный комплекс, с другой - концентрацией

фильтрующегося раствора. Здесь могут быть разные сочетания этого двой-

ного воздействия.

Наибольшей степенью диссоциации и максимальным развитием гидрат-

ных слоев характеризуются глины, в составе поглощенного комплекса

которых преобладают катионы натрия; эти глины должны обладать

минимальной проницаемостью и наибольшим диапазоном ее изменения

под влиянием фильтрующихся растворов разной концентрации.

Наименьшей степенью диссоциации и минимальным развитием гид-

ратных слоев отличаются глины с преобладанием катионов кальция; в

этих глинах предполагается наибольшая проницаемость.

Следовательно, если при фильтрации через глины в результате катион-

ного обмена в составе поглощенного комплекса появятся катионы нат-

рия,

следует ожидать уменьшения проницаемости, а если кальция

—

повы-

шения проницаемости. Поэтому с позиций наибольшего увеличения прони-

цаемости при смене фильтрующейся пресной воды хлоридным раствором

СаС1

следует ожидать в Na-монтмориллонитовой глине. В этой глине

проницаемость по пресной воде будет минимальной вследствие значитель-

ного развития диффузного слоя под влиянием поглощенных катионов

натрия и их интенсивной диссоциации в пресной воде.

При последующей фильтрации раствора

СаС1

произойдет замеще-

ние в поглощенном комплексе катионов натрия на катионы кальция,

степень диссоциации которых во много раз слабее, чем у натрия, и кото-

рые формируют относительно небольшие (по сравнению с катионами

натрия) гидратно-ионные слои. Помимо того, что уменьшение толщины

диффузного слоя произойдет в результате катионного обмена, он будет

также подавляться под влиянием концентрации раствора. Это двойное,

направленное в одну сторону воздействие должно дать наибольшее увели-

чение проницаемости.

Влияние минерализации растворов

Исследования проводились на искусственно приготовленных образцах

монтмориллонитовой глины, на образцах естественной каолиновой глины

юрского возраста, отобранной в районе г. Киева, и образцах естественной

монтмориллонитовой (бентонитовой) глины палеогенового возраста.

,7#"

мкм

10~

кш

F=l/

ЕЭ*

ЕЕЗ-*

Рис 17. Графики зависимости проницаемости Na- и Са-моитмориллонитовой (в)

и каолинитовой [б) глин от мииараяизации и состава фильтрующейся жидкости.

Глины:

—

Na-монтмориллонит, //

—

Са-монтмориллонит; растворы: / —

NaCI,

—

CaCI

,3-Na

отобранной в районе г. Шадринска. В экспериментах с искусственными

глинами использовались два типа монтмориллонита: в одном случае в

составе поглощенного комплекса преобладали катионы Na

, в другом

—

Са

Через образцы фильтровались сначала дистиллированная вода, затем

растворы NaCI, CaCl

и Na

, концентрации которых составляли (г/л) :

10-11,

55-60,115 и 150 (рис.17,а).

Анализ результатов показал, что при фильтрации дистиллированной

воды (где с - 0) абсолютные значения коэффициентов проницаемостей

для обеих разновидностей глин неодинаковы:- величина к

кальцие-

вых глин в среднем в 2,4 раза выше, чем у натриевых. Заметим, что

аналогичная закономерность отмечалась и на песчано-глинистых смесях

(см.

табл. 1). Так, увеличение содержания в песке Na-монтмориллонита

только до 2 % снижало проницаемость песчано-глинистой смеси по сравне-

нию с чистым песком (к

= 20 мкм

) почти в 100 раз, а увеличение со-

держания Са-монтмориллонита в том же песке до 13 % снижало прони-

цаемость только в 40 раз.

На рис. 17, а видно, что с увеличением минерализации растворов

NaCI и CaCI

коэффициент проницаемости глин возрастает. Основной

прирост значений к

наблюдается в области концентраций до 10—30 г/л.

Так, при переходе от дистиллированной воды к хлоридным растворам

концентрации 10 г/л проницаемость в зависимости от типа глины и раст-

вора возрастает в

1,5—6,3

раза, а с увеличением концентрации от 10 до