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

Подождите немного. Документ загружается.

0,в9

,/0~

пкм

-o—7

0,58

P,42

_i_

Z5 50 с,г/л

SO с, г 1л

Рис. 18.' Графики зависимости проницаемости монтмориллонитоаой глины от мине-

рализации фильтрующихся раствора NaCt (7) и дистиллированной воды (2) по отно-

шению к минаралиаации перового раствора

55—60 г/л — в

1,3—2,3

раза. При увеличении же концентрации раствора

от 55—60 до 100—115 г/л коэффициент проницаемости практически не

меняется.

Наибольший рост проницаемости отмечается в Na-монтмориллонито-

вых глинах: при переходе от дистиллированной воды к раствору

СаС1

(с = 55 г/л) величина к

увеличилась в 13 раз, а при переходе от дистил-

лированной воды к раствору NaCI той же концентрации — в 4,2 раза.

В Са-монтмориллоните в тех же условиях проницаемость возросла по

. растворам: NaCI в 2 реза;

СаС1

в 2,7.

На рис. 17, б показано влияние минерализации на проницаемость

естественной каолинитовой глины. Результаты этих экспериментов также

свидетельствуют о том, что с ростом минерализации хлоридных растворов

проницаемость каолинита возрастает. В диапазоне минерализации от 0

до 150 г/л величина к

увеличивается в 2,1—2,7 раза при фильтрации

раствора NaCI и в

1,34—2,3

раза при фильтрации растворов

СаС1

Наибо-

лее значительные изменения коэффициента проницаемости отмечаются

в диапазоне минерализации от 0 до 10 г/л. Так, уже при минерализации

3 г/л к

увеличился почти в 1,5 раза. В области концентраций от 10—30 до

150 г/л изменение проницаемости менее значительно.

В рамках рассматриваемых исследований представляло интерес изу-

чение характера изменения проницаемости глины в зависимости от на-

правленного увеличения или уменьшения изменения минерализации

фильтрующейся жидкости по отношению к минерализации порового раст-

вора. С этой целью из двух монолитов естественных монтмориллонитовых

глин были изготовлены две пары образцов. На каждой паре вначале

определялась проницаемость по жидкости, состав которой близок к сос-

таву порового раствора. Далее через каждый образец фильтровалась или

дистиллированная вода, или раствор NaCI концентрации с = 50 г/л. Мине-

рализация поровой жидкости с

в естественном состоянии равна пример-

но 1 г/л с преобладающим содержанием ионов Na* и СГ. С учетом этого

в качестве аналога поровой жидкости использовался раствор NaCI с мине-

рализацией С[ =с

~1 г/л (рис.18).

Как видно из рис. 18, начальные значения проницаемостей по каждой

паре образцов несколько различаются, что объясняется их микронеодно-

родностью. Видно также, что проницаемость глин по отношению к исход-

ным значениям к

(при с = с

) уменьшается в случае, если поровой

раствор заменяется на дистиллированную воду, и увеличивается, когда

минерализация фильтрующейся жидкости выше поровой (см. рис. 18).

Результаты определения физических свойств глины, выполненные

до начала фильтрационные испытаний и после запусков дистиллированной

воды и раствора NaCI, даны в табл. 10.

Как видно из табл. 10, при фильтрации дистиллированной воды общая

пористость несколько возрастает и уменьшается при запуске растворов

NaCI

{с

= 50 г/л). Поскольку в процессе ведения экспериментов всесто-

роннее давление обжима поддерживалось постоянным, уменьшение порис-

тости монтмориллонита, очевидно, связано с доуплотнением породы.

Таблица

1 О

Физические свойства моитмовиллонитовых глин

Номер

опыта

До испытаний

B,%

40,8

36,0

г/см

1,49

1,73

л,

61,8

54,1

После запуска Н^О

Щ.%

62,87

г/см

1,57

137

л,

65,2

56,5

После запуска раствора

NaCI (с =50 г/л)

We.%

56,3

г/см

1.4S

2,05

п.%

Таким образом, рассмотренные результаты однозначно свидетельству-

ют о влиянии хлоридных растворов на проницаемость глин: с ростом

концентрации растворов NaCI и CaClj коэффициент проницаемости воз-

растает.

С ростом концентрации сульфатного раствора (см. рис. 17) проница-

емость или остается постоянной — в опытах с монтмориллонитовой

гли-

ной,

или даже несколько снижается — в опытах с каолиновой глиной.

Первоначально такое влияние сульфата натрия на проницаемость глины

объяснялось спецификой взаимодействия сульфат-иона с глиной. Однако

последующие многочисленные эксперименты, выполненные и по другим

сульфатным растворам (о чем будет сказано ниже), не подтвердили это-

го.

Хотя подчеркнем, что влияние растворов солей на проницаемость

глин,

несомненно, определяется не только катионным составом фильтра-

та,

но и его анионными компонентами.

Влияние состава растворов

Исследования проводились на естественных каолинит-монтморилло-

нитовых глинах, отобранных с глубин примерно от 400 до 700 м на одном

из полигонов подземного захоронения. В целом имеют близкий полими-

неральный состав с высоким (иногда до 50 %) содержанием неглинистых

фракций.

В экспериментах имитировались геостатические нагрузки,

соответствующие условиям

залегания

образцов в естественных условиях;

температура поддерживалась в пределах 20 °

С.

В исходном состоянии

(до фильтрационных испытаний) производился анализ состава поглощен-

ных катионов глины, аналогичные определения выполнялись в конце

каждого эксперимента (после запуска соответствующих растворов со-'

лей).

В качестве фильтрующейся жидкости использовались: пресная вода

(пластовая жидкость минерализации 0,5 г/л) и хлоридные, сульфатные и

нитратные растворы минерализации 15 г/л. Интервалу минерализации

.0,5—15 г/л, согласно предыдущим исследованиям, соответствует область

,W ^мкм

,10~

ш*

12 ZO 28 t,cym

В 16 Z4 32

401,

суп,

Рис 19. Графики зависимости k

= fit) и *„ = f(c) при фильтрации хлоридиых

растворов.

Растворы:

а -

NaCI;

б- KCI/ в -

СзС1

;

г -

FeCI

,W *мкм

ЦЗ

0,2

0,1

к„,10

мнн

fc-i

О 15

I I U

*.-"

д 8 IB Z4

t,cym

с, г/л О

г,

г/л

£,сут

28 361,

сут

Рис. 20. Графики зависимости k„ = f U) и *„ = Не) при фильтрации сульфатных

растворов

Растворы:

—

; в - l<2S0

; в - 2nS0

; г - MnS0

; д - NiS0

максимального изменения коэффициента проницаемости, чем и обус-

ловлен выбор максимального значения с = 15 г/л. Через каждый образец

вначале фильтровалась пресная вода, затем соответствующий раствор со-

ли.

Продолжительность каждого отдельного эксперимента составляла

от 24 до 41 сут и определялась временем стабилизации фильтрационных

расходов. Время стабилизации в общем случае составляло не менее 15—

20 сут. Результаты выполненных экспериментов- представлены на рис. 19,

20,

21 и в табл. 11. На всех рисунках для каждого образца приводятся 2

вида графиков: собственно графики зависимости k

= f (с) и временные

,10~

Q3\-

0,2

0,1

—I

С,й/Л

III

,1lT

MKM

*-/ l

6 гц зг

°>*

k„,10 *мкм

с,е/л

г—

' Л

с,

г/л

го

t, cym

Рис. 21. Графики зависимости *„ = f{t) и *„

—

f[c) при фильтрации нитратных

растворов

Растворы:».- NaN0

; в- KN0

; e

Со(1\Ю

)

графики зависимости к

= f (г), отражающие кинетику процесса измене-

ния коэффициента проницаемости глины во времени. Участок I графиков

г"

(г) соответствует времени фильтрации через образец пресной воды

(1 этап), II - фильтрации соответствующего раствора электролита

(2 этап). В качестве исходных величин к

для построения графиков

= f (с) принимались конечные значения проницаемости первого и

второго этапов.

Как видно из рис.

19,20,21,

в большинстве экспериментов при фильт-

рации пресной воды наблюдается тенденция к понижению коэффициента

проницаемости глины во времени. После замены пресной воды на соот-

ветствующий раствор электролита проницаемость возрастает. При этом

в одних случаях после запуска раствора коэффициент проницаемости воз-

растает и в дальнейшем не изменяется, т. е. процесс фильтрации сравни-

тельно быстро стабилизируется, а в других случаях тенденция к росту

проницеемости сохраняется, и можно ожидать, что результирующий

эффект влияния раствора на величину к

окажется более значительным.

В этой связи следует отметить следующее. Во-первых, с точки зрения

корректности постановки эксперимента для получения истинных значе-

ний параметра к

важно установить момент выхода процесса на стацио-

нарный режим фильтрации — достижения не изменяющихся во времени

значений коэффициента проницаемости. И, во-вторых, что представляет

Таблица 11

Результаты исследования влияния состава жидкости

на проницаемость глин

Фильтрующий

раствор

Номер

опыта

. 10~

мкм

при

с=0 с =15 г/л

1к

*п'*п

Хлоридныв

растворы

NaCI

KCI

СаОг

Fe«j

0,072

0,14

0,17

0,11

0,049

0,061

0,026

0,018

0,084

0,16

0,24

0,16

0,094

0,098

0,26

0,27

1,31

1.14

1,41

1,45

1,92

1,61

10,4

16,0

(1,23)

(1,43)

(1,77)

(12,7)

Сульфатные

распоры

N«

ZnS0

MnS0

NiSQ

0,072

0.06

0,082

0.067

0.13

1.24

1.21

0,41

0,27

4,40

0,17

0,19

0,25

0.21

0,24

1,72

2,06

0VM

0,36

6,32

2,37

3,17

3,05

3,12

1,85

1,39

1,70

1,07

1,33

1.44

(2,76)

(3,08)

(1,62)

(1.38)

(1,38)

Нитратные растворы

NaN0

0,063

0,091

0,25

0.23

3,97

2,53

(3,25)

Продолжение таол. ii

Фильтрующий

раствор

KN0

Co(N0

)

Номер

опыта

и*

.Ю~

с=0

0,058

0,11

0,089

0,059

6 2

мкм при

= 15 г/п

0,23

0,29

0,13

0,079

3,97

2,63

1,46

1,34

*п'"

п'

(3,30)

<1,40) .

Примечание. В скобках даны средние значения относительной проницаемости.

интерес с позиций изучения кинетики взаимодействия фильтрующего

раствора (его .компонентов) с глиной, физические процессы, протекаю-

щие в глинах и обусловливающие изменение их фильтрационных свойств,

могут быть относительно длительными по времени.

Изменение проницаемости глин в процессе длительной фильтрации

отмечалось в работах Н.Ф. Бондаренко, В.М. Павилонского, Г.М. Бере-

зкиной и др. В исследованиях В.М. Павилонского, в частности, отмеча-

лись случаи, когда при смене пресной воды на раствор коэффициент

фильтрации уплотненных глин изменялся на протяжении 125-490 сут.

Изменение коэффициента фильтрации автором связывается с определен-

ными физическими, химическими и физико-химическими процессами,

протекающими в грунте - изменение состава обменных катионов, раст-

ворение и удаление с фильтратом компонентов грунта, образование новых

соединений, химическая и механическая кольматация и пр. Динамика

и величина изменений к

определяются типом фильтрующейся жидкости.

Причем в отношении влияния на проницаемость глин разные процессы

могут иметь и различную направленность. Так, в результате ионно-обмен-

ных реакций после запуска раствора при замене двухвалентных катионов

(например, Са

и Мд

) на одновалентные (например, Na

) возрастает

гидрофильность глин - их способность связывать и удерживать воду.

Вследствие этого будет происходить дополнительное набухание грунта,

снижение размеров пор и, как следствие, уменьшение проницаемости.

В этом случае возможно дополнительное диспергирование глинистых

фракций,

распад отдельных агрегатов и кольматация порового пространг

ства глин. В случае же вымыва глинистых фракций их проницаемость

должна возрастать.

Г.М. Березкиной явление изменения проницаемости во времени рас-

сматривалось в связи с оценкой влияния структурно-текстурных показа-

телей глины на ее фильтрационные свойства. Было отмечено, что при

длительных фильтрационных испытаниях проницаемость глинистых пород

может значительно уменьшиться. Однако сколько-нибудь значительных

изменений в структуре и текстуре глин под влиянием временного фактора

не наблюдалось.

Представленные на рис. 19, 20, 21 результаты исследований влияния

состава (и минерализации) жидкости показывают, что по всем видам

фильтрующихся растворов проницаемость глин выше, чем по пресной

воде.

Хлоридные

растворы.

Как видно из табл. 11, минимальный эффект

увеличения коэффициента проницаемости отмечается при фильтрации

раствора NaCI

—

проницаемость изменяется в среднем в 1,23

раза;

по раст-

ворам KCI — в 1,45 раза, CaCI

— в 1,75 раза. Очень резкое увеличение

проницаемости наблюдается при фильтрации раствора FeCl

—

в 12,5 раза.

По степени влияния на интенсивность роста коэффициента проницаемости

(при одинаковой минерализации) рассматриваемые хлоридные соли рас-

полагаются в ряд: FeCI

> CaCI

> КС) > NaCI (I). Принимая во внимание

одинаковый енионный состав растворов данных солей, катионные состав-

ляющие этого ряда могут быть записаны в следующей последовательнос-

ти:

> Ca

J+

> К* > Na* (II). Представленный ряд находится в соответ-

ствии с аналогичным рядом активности катионов по энергии их погло-

щения (адсорбция) глинами, который в более расширенном вида был

приведен а гл. 1.

Остановимся более подробно на данной последовательности. В указан»

ном ряду располагаются катионы с различными валентностью и ионными

радиусами. Как известно, с ростом заряда увеличивается сила электро-

статического притяжения к противоположно (отрицательно) заряженной

поверхности частиц, что повышает энергию поглощения катиона или же,

наоборот, снижает энергию выхода. Катионы с большей валентностью

(зарядом) более интенсивно поглощаются глинами, чем катионы с мень-

шей валентностью (за исключением водорода) / а прочность связи с

гли-

нистой частицей катионов одной и той же валентности тем больше, чем

больше их етомный номер. Прочность связи зависит и от степени гидра-

тации,

которая в пределах одной валентности уменьшается с увеличением

радиуса катиона. Уменьшение же степени гидратации равносильно повыше-

нию заряда и увеличению элетростатической силы притяжения ионов к

поверхности глинистых частиц. Следовательно, среди катионов одной

валентности наибольшей энергией поглощения обладают ионы с большим

радиусом и меньшей степенью гидратации.

С ростом валентности катионов в глинах возрастает содержание проч-

носвязанной воды и, наоборот, уменьшается содержание рыхлосвязанной

воды (сокращается толщина диффузного слоя).

Учитывая сказанное и предполагая, что именно с процессом разруше-

ния диффузного слоя воды у поверхности глинистых частиц связана

феноменология явления изменения проницаемости глин, можно выска-

зать предположение о соответствии экспериментальных данных теорети-

ческим представлением о влиянии катионов различной валентности на

масштабы роста коэффициента к

В рассматриваемых экспериментах с хлоридными растворами отмеча-

ется резкое увеличение (более чем на порядок) проницаемости глины при

фильтрации раствора FeCI

•

Более высокие значения к

по раствору FeCI

по сравнению с величинами к

по другим растворам подтверждают влия-

ние валентности катиона на содержание связанной воды, хотя возможно,

что столь значительный прирост коэффициента проницаемости в какой-то

степени объясняется и низкими начальными значениями проницаемости

образцов при с = 0. Абсолютные значения к

при фильтрации пресной во-

ды здесь в несколько раз ниже, чем при фильтрации растворов NaCI, KCI

иСаС1

Сульфатные

растворы.

При фильтрации сульфатных растворов мак-

симальный эффект увеличения проницаемости отмечается пд растворам

хлористого натрия и калин (см. табл. 11, рис. 20). Прирост проницае-

мости для Na

и K

соответственно составил 2,76 и 3,08. Видно

также*, что в отличие от хлоридных растворов здесь не устанавливается

закономерности аналогичной ряду (I). В рассматриваемых опытах исполь-

зовались сульфатные растворы одновалентных щелочных и двухвалент-

ных цветных металлов. Предполагалось, что при фильтрации растворов

2nS0

MnS0

и NiS0

изменение проницаемости будет более значитель-

ным,

чем при фильтрации растворов NaS0

и K2SO4. Однако, как пока-

зали исследования, при фильтрации растворов двухвалентных металлов

эффект изменения проницаемости оказался минимальным: к

возрастает

лишь в Ь38 и 1,62 раза, т. е. гораздо меньше, чем по растворам однова-

лентных металлов, что соответствует изменению проницаемости при

фильтрации хлоридных растворов (NaCI, KCI, CaCI

). При сравнительном

анализе результатов предыдущей серии экспериментов с настоящими об-

ращают

на

себя внимание неодинаковые масштабы увеличения к

по хло-

ридным и сульфатным-'растворам одинакового катионного состава. Так,

при фильтрации растворов NaCI и KCI коэффициент проницаемости воз-

растает в 1,25 и 1,43 раза, а при фильтрации растворов Na

и K

проницаемость увеличилась соответственно в 2,76 и 3,08 раза.

Нитратные

растворы.

Данные эксперименты выявили аналогичный

с предыдущим случаем характер изменения проницаемости: максималь-

ное изменение величины к

отмечается для растворов солей одновалент-

ных щелочных металлов (NaN0

и KN0

)

—

3,25 и 3,30 раза и в меньшей

степени для

раствора соли двухвалентного катиона Со (N0

)

2 —

в 1,4 раза.

Таким образом, проницаемость глинистых пород существенно зависит

от минерализации и состава фильтрующейся жидкости: под влиянием

концентрированных хлоридных растворов проницаемость значительно

возрастает по сравнению с проницаемостью той же породы для пресной

воды.

В зависимости от минерального типа глин, минерализации и состава

фильтрующейся жидкости и поглощенных катионов коэффициент прони-

цаемости глин возрастает в несколько раз или даже на порядок и более.

Увеличение проницаемости глин обусловлено сложными процессами

физико-химического взаимодействия фильтрующейся жидкости с поро-

дой.

В условиях длительной фильтрации изменение проницаемости сущест-

венно зависит от фактора времени.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Исследования проводились на естественных каолиновых, монтморил-

лонитовых и слюдистых глинах, алевролите и глинистом песчанике;

в качестве фильтрующейся жидкости применялись дистиллированная

вода, хлоридные и сульфатные растворы различной концентрации. В про-

цессе ведения экспериментов геостатическая нагрузка на образцы и пе-

репад напоров жидкости поддерживались постоянными. Температурный

режим изменялся в пределах от 20 до 90 °С.

В первой серии экспериментов на каолиновых и монтмориллонито-

вых глинах из каждого монолита было изготовлено по несколько одина-

ковых образцов, на одних из которых исследования проводились с ис-

пользованием дистиллированной воды, на других — с использованием

соответствующего раствора электролите (табл. 12). В опыте 22 на слю-

дистой глине использовалась только дистиллированная вода, а на алевро-

лите и глинистом песчанике - раствор NaCI концентрации с

—

29 г/л (ана-

лог пластовой жидкости). Эксперименты выполнялись по схеме возраста-

ющих температурных нагрузок от минимальных комнатных температур

до 80-90® С.

Во второй серии экспериментов изучалось гистерезисное явление

проницаемости. В ходе этих исследований образцы подвергались периоди-

чески меняющимся нагревам и охлаждениям. Опыты на одних образцах

были доведены до получения постоянных, не изменяющихся после очеред-

ного цикла нагрева

—

охлаждения значений коэффициента проницаемости,

на других завершены по окончании первого цикла нагрева - охлаждение.

В случае, когда конечная температура либо превышала, либо не дово-

дилась до 80 °С, значения к

определялись графически. По всем образцам

при фильтрации как дистиллированной воды, так и растворов отмечался

рост проницаемости с увеличением температуры (рис. 22). Влияние

температуры на рост проницаемости сказывается примерно одинаково

как по дистиллированной воде, так и по растворам солей (имеется в виду

одинаковый темп прироста проницаемости от начальной до конечной

точки).

Ранее было отмечено, что с ростом концентрации хлоридных раство-

ров проницаемость глинистых пород возрастает в несколько раз и даже

на порядок. Можно было предполагать, что под совместным воздействием

минерализации и температуры рост проницаемости будет значительно

большим, чем под влиянием только температуры. Иначе говоря, при

фильтрации хлоридного раствора с увеличением температуры рост про-

ницеемости предполагался значительно большим, чем при фильтрации

дистиллированной воды в том же интервале температур. Оказалось, од-

нако,

что темп прироста проницаемости с увеличением температуры

при-

мерно одинаков как по дистиллированной воде, так и по растворам.

Правда, только по этому показателю недостаточно судить об эффектив-

ности совместного воздействия температуры и минерализации на прони-

цаемость глин. Из рис. 22 видно, что при одинаковом темпе прироста

проницаемости все кривые проницаемости по хлоридным растворам