7. Коллоидно-химические свойства глин

7.1. Набухание глин

Набуханием называют процесс взаимодействия жидкости с твердым веществом, сопровождающийся увеличением его объема и массы. В случае глинистых пород увеличение их объема при взаимодействии с водой происходит вследствие положительного расклинивающего воздействия гидратных слоев, образующихся вокруг частиц.

Взаимодействие воды с сухой глиной начинается со смачивания ее поверхности. Процесс смачивания поверхности частиц протека­ет с выделением тепла и сопровождается уменьшением суммарного объема системы глина - вода, т. е. контракцией. Контракция про­исходит вследствие увеличения плотности адсорбированной воды, молекулы которой упорядочены силовым полем поверхности. По мере утолщения слоя адсорбированной воды ее свойства прибли­жаются к свойствам свободной воды, и контракция системы исче­зает.

При смачивании сухой породы поверхность раздела между во­дой и воздухом в порах искривляется. Существующий у искрив­ленной поверхности избыток свободной энергии приводит к воз­никновению капиллярного давления ΔР, возрастающего с увеличе­нием поверхностного натяжения σ на границе вода - воздух и с уменьшением радиуса кривизны поверхности натяжения R (ΔР=2σ/R).

Капиллярное давление обеспечивает подпитку водой поровых и трещинных каналов в глине. Вода, проникая по порам внутрь породы, смачивает поверхности новых частиц, образует вокруг них гидратные слои.

Вследствие поверхностной диссоциации глинистых частиц, а так­же растворения солей, нередко находящихся в породе между поровой водой (прочно-, рыхлосвязанной и свободной), а также во­дой, взаимодействующей с глиной, возникают градиенты концен­траций, которые вводят в процесс гидратации осмотические силы. Изменению химической обстановки в системе глина-вода способ­ствуют также диффузионные перетоки воды и ионов, особенно при достаточных размерах поровых каналов.

Развивающиеся вокруг глинистых частиц гидратные оболочки оказывают на них расклинивающее воздействие. Гидратированные частицы, раздвигаясь, увеличивают объем системы, глина набухает (рис. 7.1, а). При этом ослабляется сцепление между частица­ми глины, ее прочность уменьшается и порода размокает.

Рис. 7.1 Схематичное изображение набухания глинистых минералов

с неподвижной (а) и раздвижной (б) кристаллической решетками

Если глинистая порода состоит из минералов с раздвижной кристаллической решеткой (монтмориллонит, вермикулит), то происходит гидратация межпакетного пространства, обусловливающая внутрикристаллическое набухание (рис. 4.1, б). Так как у этих минералов вклад суммарной площади оснований пакетов в значение удельной поверхности преобладает (до 80%), они набухают во много раз лучше минералов с жесткой кристаллической решеткой. Для оценки набухающей способности глин пользуются показа­телями влажности, степени и давления набухания.

Влажность набухания w определяется из отношения разности масс набухшей G_H и исходной G_o проб глины к массе исходной пробы

w = (G_H - G_o) / G_o

Степень набухания р представляет отношение разности объемов набухшей V_u и исходной V_o проб глины к объему исходной пробы

р = (V_u - V_o) / V_o

Давление набухания Р_н - это давление, оказываемое на стенки жесткого сосуда, пробой глины, взаимодействующей с проникающей через специальные отверстия в стенке водой. При взаимодей­ствии сухой глины с водой давление набухания складывается из суммарного расклинивающего давления Р_раск, осмотического дав­ления Р_осм и капиллярного давления ΔР.

Р_н = Р_раск ± Р_осм + ΔР

Капиллярное давление имеет значение при подпитке сухой породы водой и практически не оказывает влияние на напряжение в гли­не. Основной вклад в давление набухания вносит суммарное ра­склинивающее давление, представляющее собой отношение уси­лия, обусловленного действием расклинивающего давления Р_к по площади контактов S_к частиц в глине, к площади поверхности S жесткого сосуда, в который помещена порода:

Р_раск = ± Р_к ^. S_к / S

Набухание глинистых пород оказывает большое влияние на устойчивость стенок скважин при бурении и на качество вскрытия продуктивных пластов.

Все глинистые минералы адсорбируют различное количество воды и в большей степени монтмориллонит за счет слабых связей и набухания кристаллической решетки. Адсорбция воды внутри об­менного слоя вызывает эффективное набухание глинистой струк­туры, так как молекулы воды оттесняют слои до тех пор, пока в пространстве, содержащем один слой атомов натрия или кальция, не окажется четыре и более молекул воды. Для натриевого монт­мориллонита это расстояние (между базальными поверхностями) может увеличиваться до 800% после гидратации, для кальциевого бентонита всего на 34%. Отдельные пластины глины также адсор­бируют воду на своих наружных поверхностях, где она удержива­ется электростатическим притяжением распавшихся атомных свя­зей (кристаллическое набухание). Известно также осмотическое набухание, где концентрация катионов между слоями частиц боль­ше их концентрации в основной массе раствора. Поэтому вода втя­гивается в межслоевое пространство ввиду разницы в концентра­ции электролита, раздвигает слои с набуханием последних. Осмо­тическое набухание по сравнению с кристаллическим приводит к большому увеличению общего объема. Например, натриевый мон­тмориллонит при кристаллическом набухании адсорбирует около 0,5 г воды на 1 г сухой глины, и его объем удваивается, а при осмо­тическом набухании он адсорбирует около 10 г воды на 1 г сухой глины, т.е. его объем возрастает в 20 раз. Каолинитовые глины гидратируются и набухают в воде плохо, поэто­му суспензии из них неустойчивы. Гидрослюдистые и палыгорскитовые глины занимают промежуточное положение. Гидратация и набухание глин зависят также от соотношения свободной и свя­занной воды, ее минерализации, щелочности и температуры. Ус­тановлено, что чем больше связанной воды, тем меньше набухают глины, при этом связанная вода теряет растворяющую способность. Вода, содержащая различные минеральные соли, резко снижает гидрофильность глин и количество связанной воды. При повышенной температуре количество связан­ной воды уменьшается в 1,5 раза, а процесс набухания возрастает в несколько раз. Увеличения количества связанной воды, снижения набухаемости и повышения прочности глин можно достигнуть путем специальных добавок некоторых электролитов. Следует учесть, что предельная гидратация глины наступает при ее влаж­ности около 20%, включая адсорбционносвязанную воду, но эта вода не является дисперсионной средой.