Влияние кальциевоалюмосиликатных полимерполисолевых растворов на пластическую прочность глины.
Рис10.16 Влияние кальциевосиликатных полимерполисолевых растворов на пластическую прочность неуплотненной глины; 1-в растворе 1; 2-в растворе 2; 3-в растворе 3; 4-в растворе 4;
Проведенные исследования подтверждают теоретические выводы: наиболее эффективны полимерполисолевые растворы, содержащие равновесные концентрации солей трехвалентных металлов и жидкого стекла (по 1%) при повышенной концентрации ингибиторов гидратации (KCl, CaCl2).
Как и следовало ожидать наиболее эффективной равновесной концентрацией Al2(SO4)3*18H2O для исследуемой глины является концентрация равная 1%.
Если предположить, что при введении одновалентного сульфата алюминия Al2(SO4)3*18H2O, жидкого стекла Na2SiO3*9H2O и 7% KCl происходит их взаимодействие с образованием алюмосиликата типа иллита (при наличии достаточного количества калия наиболее вероятно образование минералов группы иллита) KАl2(AlSiO3)O10((OH)2H2O), в котором содержится алюминия 24,2%, кремния 26,4%. В соли алюминия Al2(SO4)3*18H2O содержится 11,8%, Al3+ в жидком стекле 10,6% кремния, то есть для получения иллита на 1% Al2(SO4)3*18H2O необходимо примерно 1,2% жидкого стекла.
Проведенные исследования показывают близкие к расчетным значения равновесных концентраций вводимых солей.
При введении солей кальция до 3% устойчивая прочность глины еще больше возрастает.
При больших значениях сульфата алюминия и жидкого стекла (по 2%) процесс становится обратимым. При меньших значениях жидкого стекла пластическая устойчивая прочность глин снижается.
Глава11
ПРОМЫВОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ ДЛЯ БУРЕНИЯ МИКРОТРЕЩИНОВАТЫХ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД.
Микротрещиноватые глинистые породы.
Осложнения при бурении
К твердым глинистым породам относят сцементированные (аргиллит) или метаморфизированные (глинистый сланец) глинистые породы.
Прочность глинистых пород зависит от толщины пленки воды между глинистыми частицами. При уплотнении глины с уменьшением толщины пленки прочность быстро возрастает, порода становится твердой. При дальнейшем уплотнении глины на поздних стадиях диагенеза осадка появляются цементационные связи и соответствующее им сцепление упрочнения. Рост сцепления происходит по мере отложения цементирующего вещества на контактах минеральных зерен. Еще на ранних стадиях диагенеза проявляется клеящая способность коллоидальных пленок кремнекислоты. В результате обезвоживания эти пленки становятся все более и более жесткими и, в конечном счете, приобретают цементационный характер (Н.Я. Денисов, П.А. Ребиндер).
С усилением цементационных связей глинистая порода теряет свойства высокодисперсных систем и постепенно превращается в твердую (скальную) горную породу (аргиллит).
При погружении глинистых пород на глубину в результате высокого давления и температуры глины обезвоживаются, уплотняются, изменяют минеральный состав, возрастает прочность породы. Такие метаморфизованные глинистые породы носят название глинистых сланцев.
Как сцементированные, так и метаморфизованные глинистые породы теряют свойства высокодисперсных систем, слабо адсорбируют воду, не набухают, не размягчаются, ведут себя, как и все скальные породы.
В результате тектонических подвижек в земной коре, вследствие относительно невысокой прочности и жестких связей между минеральными зернами, многие аргиллиты (особенно на больших глубинах) пронизываются системой микротрещин. Образец (керн) такой породы, извлеченный из скважины и погруженный в воду, разваливается на отдельные куски и кусочки.
Разложение горной породы в воде на отдельные кусочки различных размеров (от пылевидных до крупных кусков) в инженерной геологии носит название размокания. Оно характерно для грубообломочных глинистых пород с малым числом пластичности, а также перемятых и дробленых скальных глинистых пород с наличием микротрещиноватости и зеркалами скольжения.
Процесс размокания аналогичен процессу диспергирования. Молекулы воды всасываются трещинами породы, толщина пленок воды между отдельными кусочками возрастает, а прочность связей между ними понижается. В процессе бурения в результате обнажения породы, насыщения трещин водой, ослабления связей между частицами, под воздействием горного давления происходит выдавливание и обрушение их в скважину;
При высоком горном давлении и большом диаметре скважины часто наблюдаются "выстрелы" кусков в скважину. Такие аргиллиты называют "стреляющими".
Обрушения и осыпания стенок скважин также приводят к тяжелым последствиям: заклиниванию, прихвату и обрыву бурового снаряда, завалу скважины, кавернообразованию. Каверны в свою очередь приводят к ряду нежелательных явлений: изгибу бурильной колонны, знакопеременным нагрузкам бурильных труб, их поломкам.
Шлам, который накапливается в кавернах, является потенциальным источником прихвата бурового снаряда.