книги из ГПНТБ / Воронкевич, С. Д. Газовая силикатизация песчаных пород

В этих точках наблюдался наибольший выход водно-раство­

ность геля кремниевой кислоты. Известно, что кремнезем на­ чинает интенсивно деполимеризоваться при достижении зна­ чений pH выше 10,5— 11,0. Наличие щелочного карбоната с высоким значением pH (11,6) в растворах обусловливает большую подвижность кремниевой кислоты при воздействии воды, а вследствие этого некоторую потерю прочности при обводнении закрепленного массива. Переход гидроокиси нат­ рия в кислую углекислую соль натрия, бикарбонат натрия, pH раствора которого 8,31, определяет стабильность геля кремниевой кислоты в водной среде.

Подвижность кремниевой кислоты в закрепленном грунте имеет важное практическое значение, так как она определяет долговечность эффекта закрепления. В связи с этим были проведены лабораторные исследования по подвижности ком­ понентов, входящих в состав геля на четырех разновидностях песков:

ный, преимущественно кварцевый песок (fglQnm) с Лф = = 5,97 м/сут.

Опыты проводились с учетом следующих реально возмож­ ных условий обводнения закрепленного массива:

1. Сильного обводнения периферийных участков закреп­ ленного массива при быстром притоке и оттоке фильтрую­ щихся грунтовых вод.

2 . Постепенного проникновения воды во внутренние зоны закрепленного массива (при замедленной фильтрации грунто­

случая устанавливалось количественным определением их в воде, в которой был помещен образец закрепленного грунта. Образец грунта заливался определенным объемом воды. Ежедневно вода сливалась, а образец заливался новой пор­ цией воды. В слитой воде производился количественный учет

61

искомых компонентов. При имитации второго случая обра­ зец помещался в стакан с дистиллированной водой (250 мл). Через определенные промежутки времени из стакана отби­

объему предыдущей. Полная смена воды в этом случае не

грунт а

сутки. Со временем концентрация карбонатов и бикарбонатов натрия убывает и тем медленнее, чем меньше коэффициент фильтрации закрепленного грунта. Максимальному содержа­ нию Ыа20 в воде соответствует наибольшее количество под­ вижной водно-растворимой кремниевой кислоты. Из закреп­ ленных образцов песков с исходным /Сф, равным 5,97 и

62

1 1 , 7 3 м/сут, выщелачивание карбонатов и бикарбонатов происходит быстрее. Максимальная концентрация Na20 устанавливается уже через сутки после помещения в водную среду. Наибольшая подвижность кремнекислоты наблюдается для закрепленного песка (fglQndm) с коэффициентом фильт­ рации до закрепления, равным 11,73 м/сут.

При полной замене воды для всех образцов кривая выще­ лачивания кремниевой кислоты в общем повторяет кривую изменения концентрации Na20 . Максимальному содержанию- в пробе Na20 отвечают наибольшие количества подвижной кремнекислоты. С уменьшением концентрации щелочных компонентов в водной среде подвижность кремниевой кислоты резко уменьшается. На 28-е сутки количество легкоподвижиой кремнекислоты составляет 0,009—0,024 г на 100 г грунта (рис. 5,о). Минимальное количество легкоподвижной S i0 2 на- 28-е сутки обнаружено в водной среде закрепленного карбо­ натного песка (0,009 г на 100 г грунта), причем такая кон­ центрация установилась на 15-е сутки. Суммарные количест­ ва извлекаемой из грунта кремнекислоты составляют значи­ тельно большие величины при полной смене воды, нежели при замедленном подтоке ее новых порций. Количество выщела­

укрепленного раствором силиката натрия 1,27 г/см2, извле­

ного песка — 0,147 г. Из песков, закрепленных методом га­ зовой силикатизации, в водную среду переходят значительноменьшие количества кремниевой кислоты, чем из образцов,, укрепленных с помощью силикатно-кремнефтористой рецеп­ туры. По данным Т. Т. Абрамовой, количество выщелачивае­ мой кремниевой кислоты из образцов, закрепленных силикат- но-кремнефтористым золем, в 5— 15 раз больше, чем из об­ разцов, закрепленных газовой силикатизацией.

Исследования по подвижности кремниевой кислоты пока­ зали, что она зависит от концентрации в растворе карбонатов и бикарбонатов натрия, обусловливающих щелочность геля. Большая растворимость щелочных компонентов геля и бы­ стрый переход их в водную среду из закрепленного грунта в фильтрующийся поток уменьшают выщелачиваемое™ кремниевой кислоты из закрепленного грунта. При значитель­ ной скорости поступления воды в "периферийную часть за­ крепленного массива суммарное количество выщелачиваемой кремниевой кислоты в начальный период несколько выше, чем при замедленной фильтрации во внутренние зоны мас­ сива. При замедленном подтоке фильтрующейся воды во внутренние зоны закрепленного грунта со временем устанав­ ливается известное равновесие между концентрацией угле­ кислых щелочей в растворе и легкоподвижной кремнекисло-

63

ты. Содержание растворенных щелочных компонентов и крем­ ниевой кислоты внутри этого массива устанавливается более высоким, чем в его периферийной зоне. Однако суммарное выщелачивание легкоподвижной кремнекислоты будет мень­ шим, чем в периферийной зоне. Некоторая подвижность крем­ ниевой кислоты в условиях растворения и концентрации щелочного компонента не может не оказать влияния на проч­ ность закрепления грунтов в условиях полного водонасыщения или наличия грунтового потока. Для всех образцов закрепленных грунтов при водонасыщенин закономерно неко­ торое снижение прочности по сравнению с образцами, хра­ нившимися в воздушно-влажной среде с 97— 100%-ной отно­ сительной влажностью (табл. 19).

Это обусловлено частичным растворением геля кремниевой кислоты в воде, тем более, что закрепленные по способу газо­ вой силикатизации грунты обладают остаточной водопрони­ цаемостью. Фильтрация воды через средне-, мелкозернистый

растворенная кремнекислота. Суммарное содержание карбо­ натов и бикарбонатов в фильтрате составляет 4,65 г. Образцы после фильтрации воды характеризовались большой стабиль­ ностью в воде и более высокими показателями прочности, чем образцы, в которых щелочные компоненты сохранялись. Вынос фильтрующимися водами щелочных компонентов уменьшает подвижность кремниевой кислоты, в результате чего прочность закрепления стабилизируется.

Предложенные в настоящее время разновидности силика­ тизации грунтов наряду с достоинствами имеют довольно существенные недостатки как принципиального, так и техноло­ гического характера. К их числу следует прежде всего отне­ сти: неоднородность закрепления при двухрастворной сили­ катизации, высокая скорость гелеобразования при использо­ вании кремнефтористоводородной кислоты в качестве отвер­ дителя, невозможность или ограниченность использования названных способов для закрепления песчаных пород с ко­ эффициентом фильтрации менее 5— 6 м/сут. Многочисленные рецептуры однорастворной силикатизации при всей техноло­ гичности находят весьма ограниченное применение из-за сла­ бого и неустойчивого геля, который образуется как результат основной реакции. Очевидно, что среди причин такого поло­ жения не последнее место занимает слабая разработанность принципиальных основ искусственной цементации пород кремнеземом, базирующихся как на анализе природных аналогов этого процесса, так и на учете литологических, хи­ мических и физико-химических факторов, определяющих кон­ кретные формы (способы) закрепления пород.

-64

ГЛАВА III

ВЛИЯНИЕ ЛИТОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПЕСЧАНЫХ ПОРОД НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ ГАЗОВОЙ СИЛИКАТИЗАЦИИ

ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ. МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНОГО ИНЪЕКЦИОННОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ

Многочисленные исследования различных авторов в об­ ласти инъекционного химического закрепления пород отчет­ ливо показывают, что конечный результат любого способа закрепления определяется литологическими особенностями пород. Эти особенности контролируют как физические усло­ вия инъекционного процесса, а следовательно, технологию нагнетания, так и характер и интенсивность процессов фор­ мирования искусственного цемента через физико-химическую активность пород.

Теоретические и экспериментальные исследования, а так­ же накопленный производственный опыт показывают, что среди многочисленных признаков, характеризующих литоло­ гию песчаных пород, наибольшее влияние на эффективность химического инъекционного закрепления оказывают: грануло­ метрический состав, минеральный и химический состав аутигенных пленок и строение песчаных толщ. Эти особенности определяют такие важные с точки зрения инъекционного закрепления пород показатели, как проницаемость, физико­ химическую активность и анизотропию свойств песчаных пород.

Исследование влияния литологических факторов на эф­ фективность действия газовой силикатизации проводилось в лабораторных и полевых условиях.

Лабораторные испытания обычно состояли из трех после­ довательных этапов:

1)определения коэффициента фильтрации исходного грунта;

2)пробного закрепления грунта путем инъецирования силиката натрия и пропускания углекислого газа;

3)испытания закрепленного грунта на водопроницаемость

ипрочность.

Определение Кф и пробное закрепление образцов грунта производятся в металлической колонне, состоящей из свин­ чивающихся отрезков трубы высотой 250 мм и диаметром

52 мм (рис. 7). На конец колонны, через который произво­ дится подача воды и инъецируемых растворов, с помощью винтовой нарезки подсоединяется крышка с ниппелем для подсоединения колонны к герметически закрывающемуся бачку или баллону с углекислым газом. На другой конец (выходящий) колонны навинчивается крышка с металличе­ ской сеткой с диаметром отверстий 0,5— 1,0 мм. Перед запол­ нением песком отрезки колонны парафинируются по внут­ ренней поверхности.

Рис. 7. Схема лабораторного опыта

Определение коэффициента фильтрации исходного грунта производится при постоянном давлении (около 2 атм) путем измерения объема профильтровавшейся жидкости через вы­ ходящий конец колонны.

Пробное закрепление грунта: из данных пористости песка и емкости трубы рассчитывается объем раствора, необходи­ мого для закрепления песка в колонне. В инъекционный бачок заливается раствор силиката натрия, бачок герметиче­ ски закрывается и подсоединяется колонна с песком. Инъек­ цию следует производить при минимально разрешающем давлении. Это достигается постепенным подъемом давления (по 0,5 атм через 5 мин) и наблюдением за выходящим ко­ нусом колонны (с сеткой). Подача давления прекращается

через вакуум-шланг и редуктор. В нее пропускается углекис­ лый газ под давлением до 4 атм в течение 2—5 мин до мо­ мента коагуляции жидкого стекла на выходящем конце ко­ лонны.

Испытание закрепленного грунта на водопроницаемость и прочность производится сразу после закрепления. Колонна

68

подсоединяется к бачку с водой. Испытания проводятся так же. как при определении Кф. Затем закрепленный образец извлекается из колонны, для чего колонна развинчивается на отрезки. Отрезки слегка прогреваются газовой горелкой (для расплавления парафина). Затем трубу осторожно приводят в наклонное положение и образец, поддерживая рукой, извле­ кают. Поверхность очищают от парафина. Закрепленный об­ разец распиливают на отрезки, по высоте равные диаметру, и испытывают на прочность в условиях одноосного сжатия.

ВЛИЯНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА

Влияние дисперсности песчаных пород, определяющей их удельную поверхность, на прочность закрепления общеизвест­ но. При закреплении песков химическими веществами на по­ верхности минеральных частиц в зоне контакта минеральной

закрепления песков, в составе которых преобладают различ­ ные фракции, определяющее значение имеют фракции тонко­

закреплении пылеватых супесей с содержанием крупной пы: ли (фракции размером 0,05—0,01 мм) от 17,30 до 27,96%. Наименьшие значения прочности (5—7 кг/см2) наблюдаются в песках с невысоким содержанием тонкого песка фракции 0,10—0,05 мм. В средне-, мелкозернистом песке (fglQudm ), в составе которого содержание частиц фракции 1—0,5 мм бо­ лее 24%, прочность не превышает 5—7 кг/см2.

Уменьшение содержания в песках фракции крупнее 0,25 мм обусловливает повышение прочности закрепления. Тонко-,

69

мелкозернистый песок, в содержании которого фракция 0,10—0,05 мм составляет 41,85%, но почти полностью отсут­ ствуют частицы крупнее 0,25 мм, после закрепления имел прочность порядка 12— 17 кг/см2.

Влияние размера частиц пород на прочность закрепления отчетливо прослеживается при закреплении фракций «чис­ тых» минералов (табл. 20). В этом случае исключается влия­ ние других факторов, как, например, наличие частиц иного

0,10—0,05 мм кварца, микроклина, кальцита и роговой об­

минералов выше у фракций размером 0,10—0,05 мм. Проч­ ность после закрепления фракции минералов размером 0,10—0,05 примерно в 1,5—2 раза выше прочности фракции 0,25—0,10 тех же минералов. Уменьшение размера частиц сопровождается возрастанием контактов между частицами, что приводит к увеличению общей площади взаимодействия цемента и минералов и упрочнению.

Влияние глинистых частиц на процесс закрепления спе­ циально не изучалось. Однако тонко-, мелкозернистая супесь (fglQiidm) с содержанием частиц <1 мк, равным 2,18%, после ее закрепления имела прочность 9—-10 кг/см2. Мелко­ зернистый песок (fglQiii), в составе которого преобладают

70