Лекції ХТБР ГБ, БГБ-08-л-7

7. Колоїдно-хімічні властивості глин

7.1. Набухання глин

Набуханням називають процес взаємодії рідини з твердою речовиною, що супроводжується збільшенням його обсягу та маси. У разі глинистих порід збільшення їх обсягу при взаємодії з водою відбувається внаслідок позитивного впливу, що розклинює гідратних шарів, що утворюються навколо частинок.

Взаємодія води із сухою глиною починається зі змочування її поверхні. Процес змочування поверхні частинок протікає із тепла і супроводжується зменшенням сумарного обсягу системи глина - вода, т. е. контракцією. Контракція відбувається внаслідок збільшення густини адсорбованої води, молекули якої впорядковані силовим полем поверхні. У міру потовщення шару адсорбованої води її властивості наближаються до властивостей вільної води і контракція системи зникає.

При змочуванні сухої породи поверхня поділу між водою та повітрям у порах викривляється. Існуючий у викривленій поверхні надлишок вільної енергії призводить до виникнення капілярного тискуΔР, що зростає зі збільшенням поверхневого натягуσна межі вода - повітря та зі зменшенням радіусу кривизни поверхні натягуR(ΔР=2σ/R).

Капілярний тиск забезпечує підживлення водою порових та тріщинних каналів у глині. Вода, проникаючи по порах усередину породи, змочує поверхні нових частинок, утворює навколо них гідратні шари.

Внаслідок поверхневої дисоціації глинистих частинок, а також розчинення солей, що нерідко перебувають у породі між поровою водою (міцно-, рихлозв'язаною та вільною), а також водою, що взаємодіє з глиною, виникають градієнти концентрацій, які вводять у процес гідратаціїосмотичні сили Зміни хімічної обстановки в системі глина-вода сприяють також дифузійні перетікання води та іонів, особливо при достатніх розмірах порових каналів.

Гідратні оболонки, що розвиваються навколо глинистих частинок, надають на них розклинювальну дію. Гідратовані частинки, розсуваючись, збільшують об'єм системи, глина набухає (рис. 7.1 а). При цьому послаблюється зчеплення між частинками глини, її міцність зменшується та порода розмокає.

Мал. 7.1 Схематичне зображення набухання глинистих мінералів

з нерухомою (а) та розсувною (б) кристалічною решітками

Якщо глиняна порода складається з мінералів з розсувними кристалічними гратами (монтморилоніт, вермікуліт), то відбувається гідратація міжпакетного простору, що обумовлює внутрішньокристалічне набухання (рис. 4.1, б). Так як у цих мінералів вклад сумарної площі основ пакетів у значення питомої поверхні переважає (до 80%), вони набухають набагато краще мінералів з жорсткими кристалічними гратами. Для оцінки набухає здатність глин користуються показниками вологості, ступеня та тиску набухання.

Вологість набуханняwвизначається з відношення різниці мас набряклоїGHі вихідноїGoпроб глини до маси вихідної проби

Ступінь набуханнярпредставляє відношення різниці обсягів набряклоїVuі вихідноїVoпроб глини до обсягу вихідної проби

Тиск набуханняРн- це тиск, що чиниться на стінки жорсткої судини, пробою глини, що взаємодіє з проникаючою через спеціальні отвори в стінці водою. При взаємодії сухої глини з водою тиск набухання складається з сумарного тиску, що розклинює Рраск,осмотичного тиску Росм та капілярного тискуΔР.

Капілярний тиск має значення підживлення сухої породи водою і практично не впливає на напругу в глині. Основний внесок у тиск набухання вносить сумарний тиск, що розклинює, являє собою відношення зусилля, обумовленого дією розклинюючого тискуРкпо площі контактів Sк частинок в глині, до площі поверхніSжорсткого судини, куди поміщена порода:

Набухання глинистих порід дуже впливає на стійкість стінок свердловин при бурінні і на якість розтину продуктивних пластів.

Всі глинисті мінерали адсорбують різну кількість води і більшою мірою монтморилоніт за рахунок слабких зв'язків і набухання кристалічних ґрат. Адсорбція води всередині обмінного шару викликає ефективне набухання глинистої структури, оскільки молекули води відтісняють шари до тих пір, поки в просторі, що містить один шар атомів натрію або кальцію, не виявиться чотири і більше молекул води. Для натрієвого монтморилоніту ця відстань (між базальними поверхнями) може збільшуватися до 800% після гідратації, для кальцієвого бентоніту всього на 34%. Окремі пластини глини також адсорбують воду на своїх зовнішніх поверхнях, де вона утримується електростатичним тяжінням атомних зв'язків, що розпалися (кристалічне набухання). Відомо також осмотичне набухання, де концентрація катіонів між шарами частинок більша за їх концентрацію в основній масі розчину. Тому вода втягується в міжшарове місце через різниці в концентрації електроліту, розсуває шари з набуханням останніх. Осмотичне набухання, порівняно з кристалічним, призводить до великого збільшення загального обсягу. Наприклад,натрієвий монтморилоніт при кристалічному набуханні адсорбує близько 0,5 г води на 1 г сухої глини, і його об'єм подвоюється, а при осмотичному набуханні він адсорбує близько 10 г води на 1 г сухої глини, тобто. його обсяг зростає у 20 разів. Каолінітові глини гідратуються і набухають у воді погано, тому суспензії їх нестійкі. Гідролюдисті та палигорскітові глини займають проміжне положення. Гідратація та набухання глин залежать також від співвідношення вільної та зв'язаної води, її мінералізації, лужності та температури. Встановлено, що чим більше зв'язаної води, тим менше набухають глини, при цьому зв'язана вода втрачає здатність, що розчиняє. Вода, що містить різні мінеральні солі, різко знижує гідрофільність глин та кількість зв'язаної води. При підвищеній температурі кількість зв'язаної води зменшується в 1,5 рази, а набухання зростає в кілька разів. Збільшення кількості зв'язаної води, зниження набухання та підвищення міцності глин можна досягти шляхом спеціальних добавок деяких електролітів. Слід врахувати, що гранична гідратація глини настає при її вологості близько 20%, включаючи адсорбційно зв'язану воду, але ця вода не є дисперсійним середовищем.

7.2. Колоїдальність глин.

Колоїдність глин визначається частинками, розміри яких змінюються від найменших видимих лише під мікроскопом, до молекулярного рівня (глиниста суспензія). Більшість природних глин мають розміри частинок менше 0,01 мм, при цьому чим більше колоїдних фракцій і менше розміри глинистих частинок, тим краще властивості бурових розчинів. Частки глини завдяки малому розміру утримуються у зваженому стані нескінченно довго внаслідок броунівського руху води. При цьому швидкість осадження та в'язкістьзалежать від поверхневих явищ (питомої поверхні та поверхневої активності), що відбуваються за рахунок електростатичної неврівноваженості молекул у поверхневому шарі частинок. Колоїдна активність залежить від питомої поверхні, що змінюється в залежності від форми частинок та їхньої поверхневої енергії. Колоїдні частки зазвичай становлять невелику частку у твердій фазі, але мають великий вплив на властивості бурового розчину через свою високу активність. Колоїдність є основною характеристикою, що визначає вихід розчину з 1 тонни глини при в'язкості суспензії 25±1с, приблизно оцінюється за даними табл. 7.1

Щільність суспензії, кг/м3

Вихід глинистого розчину, м3/т

Де В – величина адсорбції

7.3. Сполучна здатність. Гідрофільність глин.

Це здатність глини зв'язувати на своїй активній поверхні деяку кількість води, переводячи її у зв'язаний стан. Глини зв'язують воду з допомогою великої питомої поверхні, як у самих частинках, і базальних шаром міжпакетного простору і наявності заряду лежить на поверхні.

Що більше ненасичених Al – OH, SiO – O та інших., то більше вписувалося заряд і тим більше води може зв'язатися глиною.

За величиною та природою енергії зв'язку Ребіндер П.А., розрізняє 4 форми зв'язку води з дисперсними матеріалами:

1. Хімічно пов'язана вода;

2. Абсорбційно-пов'язана вода;

3. Капілярно зв'язана вода;

4. Вільна вода, механічно захоплена дисперсійною структурою та заповнює поровий простір.

Кількість зв'язаної води, віднесене до одиниці маси глини, характеризує розміри ефективної питомої поверхні та гідрофільність глини. Зі збільшенням питомої поверхні глини кількість зв'язаної води зростає.

Процес змочування протікає екзотермічно.

Теплота гідратації для:

Каолініту - 0,2 -2,5 кал/г

Монтіорилоніту – 20-25 кал/г

Існують різні способи визначення зв'язаної води. Найбільш надійний щодо гідрофільності глинистих мінералів - метод теплоти змочування, що залежить від величини зміни поверхневої енергії і буває тим більше, чим значніша різниця між вільними поверхневими енергіями дисперсійного середовища і дисперсної фази в момент їх взаємодії. По теплоті змочування можна розрахувати ефективну питому поверхню глин.

Для поліпшення змочування водою застосовують змочувачі-розчинники та поверхнево-активні речовини.Молекулизмочувачів мають дифільну будову. Адсорбуючись на поверхні води, вони орієнтуються вуглеводневими ланцюгами назовні, внаслідок чого на поверхні створюється як би плівка вуглеводню. Цим пояснюється зниженняповерхневого натягу та підвищення змочуючої здатності до значень, що відповідають поверхневому натягу органічних неполярних рідин.