Зависимость пластической прочности образца глины от влажности к2

Показатели опытов	Время набухания
	0,25	0,50	1,0	3,0	24,0	120,0	192,0	300,0
Влажность К, см3/г	0,174	0,222	0,273	0,340	0,418	0,484	0,648	0,700
Пластическая прочность fi, МПа	0,3806	0,1830	0,1016	0,0409	0,0285	0,0196	0,0168	0,0140
Расчетное значение fi, МПа	0,3806	0,1832	0,0985	0,0510	0,0275	0,0177	0,0074	0,0058

Рис. 10.5. Зависимость пластической КПа дашгильской

глины от количества жидкости набухания К₂

Таким образом, для повышения прочности глины следует снижать ее влажность. Понизить влажность глины можно путем снижения гидрофильности частиц за счет нейтрализации их поверхности катионоактивными электролитами.

Однако судя по рис.10.5. существенно повысить прочность глины за счет дегидратации можно лишь при влажности К₂=0,2 см³/г и меньше, чего как мы видели достичь не возможно даже при большом горном давлении (см.9.2).

Значительное повышение прочности глины достигается за счет «сшивания» глинистых частиц катионами электролитов. В результате действия электростатических (кулоновских) сил, которые действуют на значительно большем расстоянии, чем межмолекулярные.

Прочность связей катионов с глинистыми частицами зависит от их заряда (валентности), гидрофильности и активности анионов (рис.10.6).

Рис. 10.6. Зависимость пластической прочности натриевых бентонитов в растворах нещелоччых электролитов от их концентрации: 1 - в растворе NaCI; 2 - в растворе KCI; 3 - в растворе СаС1₂ (кальциевых бентонитов); 4 - в растворе СаSО₄; 5 - в растворе ВаСl₂; 6 - в растворе KАl(SO₄)₂

Повышать прочность глины могут не только катионы, но и родственные глине (по химическому составу) анионы SiO^-, AlOН^-. Прочность глины в таких растворах даже при высокой влажности глины с увеличением концентрации электролита быстро возрастает .

Все рассмотренные выше процессы увлажнения и упрочнения глин не учитывают влияния растворов электролитов на их диспергирование, которое существенно влияет на все процессы.

В необсаженной скважине глинистые породы непосредственно контактируют с циркулирующим буровым раствором и подвергаются его механическому воздействию. При высокой объемной энергии буровых растворов (в частности, растворов электролитов) возможно не только проникновение раствора в поры горной породы, но и диффундирование глинистых частиц в раствор, что приводит к диспергированию и разупрочнению глины.

Рис.10.7. Зависимость влажности образцов бентонита, выдержанных в растворах полимеров, от их концентрации: 1-в растворе крахмала. 2-в растворе КМЦ-600, 3-в растворе гипана.

Для определения влияния концентрации раствора различных электролитов на интенсивность диспергирования и разупрочнения глины были проведены экспериментальные исследования.

В качестве исследуемых пород использовалась глина, приготовленная из черногорского глинопорошка. Образцы глины выдерживались в течение двух суток в растворах соляной, серной кислот и электролитов-солей: NaCI, KCl, MgCl₂, CaCl₂, CuS0₄, AlNH₄(SO₄)₂, Al₂(SO₄)₃ различной концентрации. Результаты исследований показали, что все образцы в растворах электролитов различной концентрации (за исключением растворов HCl, NaCl, KCl) диспергировали и размокали уже в первые же сутки. В концентрированных растворах NaCl образцы в первые сутки несколько повышали свою прочность, но затем с увеличением времени выдержки наблюдалось понижение прочности до и ниже первоначальной.

Образцы глины, помещенные в одно- и двухпроцентные растворы жидкого стекла, потрескались в первый же час, а в 5%-м растворе, несмотря на достаточно прочную корочку образцы потрескались и развалились через четверо суток. Такое явление можно объяснить следующими причинами. Силикат - ионы вследствие их активного взаимодействия с глиной проникают в образец на небольшую глубину, предотвращают поступление очередных порций SiO₃^-, и упрочнение глины происходит только на поверхности образца. Но жидкое стекло весьма гидрофильно и пропускает через себя воду, образец набухает и упрочненный поверхностный слой растрескивается. Этим можно объяснить и осыпание глинистых стенок скважин при промывке силикатными растворами.

Подобным образом вели образцы глины в растворе бишофита (MgCl₂ и MgO) в связи с высокой гидрофильностью катионов Mg²⁺.

Образцы глины в растворах NaCl и KCl несколько повышали свою прочность видимо, в основном за счет частичной дегидратации глинистых частиц по всему объему образцов. Гидрофильность К⁺ и Na⁺ весьма низка, катионы подвижны и под воздействием отрицательно заряженных глинистых частиц они легко проникают в горную породу на значительную глубину (о чем свидетельствуют экспериментальные данные, см. раздел 10.1). Однако, под воздействием электролитов раствора происходило диспергирование образцов глины все увеличивающееся с течением времени, которое в конечном счете и привело к разрушению образцов.

Для предотвращения разрушения образцов глины, следовательно, одновременно с введением электролитов, ингибиторов набухания и сшивающих агентов в раствор следует вводить и ингибиторы диспергирования, функцию которых могут хорошо выполнять полимеры.