9.2.2. Фильтрация воды в горные породы.
Насыщение глинистых горных пород водой происходит не только за счет поверхностной энергии частиц, но и за счет отфильтровывания воды из раствора в поры и трещины пород под давлением столба жидкости в скважине. С увеличением давления жидкости будет увеличиваться скорость насыщения.
При фильтрации воды в трещинах и капиллярах возникает сопротивление ее движению в результате трения молекул, возникающего под влиянием электрического поля частиц и межмолекулярного взаимодействия.
В стационарной жидкости ранее было установлено, что прочность структуры столбика воды с увеличением диаметра капилляра d будет снижаться в соответствии с формулой
, (9.10)
При циркуляции жидкости в трещинах и порах подвижность молекул (их перемещение друг относительно друга) возрастает, что приводит к снижению их взаимодействия, снижению прочности структуры воды.
Давление, необходимое для циркуляции жидкости в капиллярах при ламинарном режиме,
,
(9.11)
Скорость течения жидкости по капилляру
(9.12)
т.е. скорость фильтрации жидкости прямо пропорциональна корню квадратному из перепада давления и обратно пропорциональна корню квадратному из времени фильтрации.
Практически длина капилляра в горной породе за счет извилистости пути движения жидкости будет больше в = 1-1,5 раз. Суммарный удельный поток через пористое тело равен общему потоку через все капилляры, приходящиеся на единицу площади сечения тела, или через их общее сечение. Обычно общее сечение капилляров принимают равным пористости тела. Тогда, учитывая коэффициент извилистости, получим:
,
(9.13)
Расход воды, фильтрующейся через некоторое сечение горной породы, будет с течением времени понижаться:
, (9.14)
Средний диаметр капилляров получают экспериментальным путем.
9.2.3. Разупрочнение уплотненных глин.
Оценку влияния гидратации на разупрочнение уплотнённых глин в условиях, приближенных к скважинным, провели В. Л. Михеев, М.М, Липкес, В.И. Козлов И Л.Г. Данилова на стенде УИГС-600М [7]. Объектами исследования служили образцы саригюхского бентонита, биклянского суббетонита и дружковской гидрослюдистой глины. Образцы цилиндрической формы, плотностью до 2230 кг/м3 размером 30х30 мм прессовались под давлением 37-75 МПа и затем помещались в камеру высокого давления, где нагружались всесторонним давлением (боковым, вертикальным) 20 МПа, а с внутренней полости образца-цилиндра создавалось гидростатическое противодавление растворов электролитов различной концентрации. С течением времени под воздействием растворов происходило увлажнение образца, его разупрочнение, пластические деформации и релаксация напряжений. Релаксация напряжений записывалась на лентах потенциометров ЭПП-09-МЗ. Полученные результаты обрабатывались.
Результаты влажности и коэффициента разупрочнения заносились в таблицы, а затем по ним строились графики изменения влажности и коэффициента разупрочнения во времени. На рис.9.1. показано изменение влажности и разупрочнения уплотненной биклянской глины под воздействием воды.
Р
ис.9.1.Изменение
влажности иразупрочнения уплотненной
биклянской глины при взаимодействии с
водой: 1 - влажность глины W,%;
2 - коэффициент разупрочнения К.
Разупрочнение глины определялось по коэффициенту, представляющему собой отношение текущего изменения прочности в породе i к первоначальной прочности о:
, (9.15)
Обработка и анализ полученных кривых позволили авторам сделать вывод, что коэффициент разупрочнения обратно пропорционален влажности образца:
, (9.16)
где Wо- исходная влажность, Wi - текущая влажность.
Подставляя значения К из формулы (9.15) в формулу (9.16) получим
, (9.17)
т.е. прочность уплотненной глины при всестороннем сжатии понижается обратно пропорционально ее влажности.