Файл: Воронкевич, С. Д. Газовая силикатизация песчаных пород.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 29.10.2024

Просмотров: 72

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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

чиваемой S i0

2

зависит

от карбонатное™ песка. Так, при

полной замене

водной

среды из некарбонатного грунта,,

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

кался суммарно

0 , 2 0 1

г S i0

2

на

1 0 0

г грунта, а из карбонат­

 

 

 

 

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

песок,

~ 3

закрепленный

раствором

силиката натрия удельным

весом

 

1,19 г/см

с остаточной

фильтрацией, равной

5,3-10

3

 

в

фильтрате отсутствует

м/сут, показала, что

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

05

та

X

X

ч

раствором

времени (сутки) при хранении

в воде

 

прочности во времени образцов, закрепленных силиката натрия удельным весом 1,19 г/см3

Прочность образцов (кг/см2) во

^ф» в среде с 100%-ной относительной

м/сут влажностью

Изменение

 

Содер

СаСОэ,

 

 

*

 

 

 

жанне

 

 

 

 

Название грунта

о

t—

h»

ІП

о

о

О

 

 

 

i n

N-"

N -

N-

1

I

I

1

1

1

1

1

1

1

1

I

1

1

•d*

ІП

о

О

 

 

 

 

i n

ІП

i n

 

 

 

CD

N

N-

 

 

CD

N

I

I

-cf

ІП

1

1

1

1

1

i n

i n

1

\

- г

1

1

 

i n

-d*

1

■d*

i n

 

 

CO

 

 

 

CD

N .

N .

N .

щ

CO

I"—

1

1

1

1

1

1

 

i n

i n

•чГ

 

•**

•d<

i n

CD

CD

N -

i n

 

c n

N -

1

N*

ІП

I

1

1

1

1

1

1

ІП

1

 

-d*

1

i n

i n

ш

1

 

1П

 

 

CD

 

 

 

 

 

i n

 

 

 

 

CD

СЛ

CD

CD

i n

CO

N

1

I

I

 

 

1

1

1

1

1

i n

 

л

1

i n

i n

іП

 

 

i n

i n

N -

1 i n

n -

1 i n

N- 1

in

N.

1

in

N-

1

i n

N -

1 i n

N

CO

N

—

fr-

О)

X

c L 'p '

я - о

и

Ol

IQ —1

« O '

и

х

I S

о

ё

я

 

Ч t s 0J ~

ж

- fr-

S “

■5 о

о ®

Н

i n

 

1

1

CD

ТГ

cr>

CO

1

I

CD

CD

c o

CO

1

1

i n

CO

CD

i n

CO

1

 

i n

1

 

CD

CD

00

1

1

i n

CD

CD

05

1

1

1

1

i n

N -

N -

CO

0 5

О

i n

i n

CO

fr­

CO

ei

 

3

Д ____

6

Юca P

та

c

(V

_

я

E

 

 

О

-*

 

Д

=sS-oe-

g o >

3

 

о

___

 

g

i

“

ö

—

о .-—-

Пч X

(1)

 

Я

£

 

M

 

О

О

n

«

я

О

Я

C

*

g

-=

8

<У

с

- 2

£

 

fr-

g

5

о

2

 

ю

2

cd

E

°

Оч

-п

о

 

о

 

н

 

H

 

CD

i n

CD

1 i n

CD

1 i n

CD 1 i n

СГ5

1 i n

CO

i 1

i n

on i n

0 0

a to

»X

я

нта

X

о

\о

CLта С5

я£

с

X С?

иX tb о41 я

оя оо ч О) си С

S

i n Tj-

о

i n

о

i n

о

i n

CD i n

о

ю

CD

N*

fr­ ei

S

C u öl

ОX

нистыйхорошо отс

НЫЙ[ литориновый

с - й

LejiKo;

тиро

s

 

il )t

m

ІѴ О 1

сок

CD

 

1

 

*d"

 

1

 

i n

 

N

 

1

 

i n

 

fr-

 

1

 

i n

 

N-

 

1

 

i n

 

N

 

I

 

1

 

i n

 

CD

 

to

 

fr-

 

05

 

X

 

5£

 

X

 

о

 

s

 

литор

l i t )

нистый

Q 1V r n

£ Я

H и

X V

X r-

o u

H

“T i n

05

CO

0 5

1 CD

05

1 CD

0 5

1 CO

05

I l

CD

CD n T

О

CS

 

01

О

X

a

 

H

 

o

3

о

о

3

a

2

c l

о

X g CP

.= 'Ч —

5 s

E

>

a. a

s

X m —

01

тиро

СОК

о

я

 

 

о

и

5 зак. 256

65

Наиболее сопоставимым природным аналогом силикати­ зации грунтов можно считать эпигенетическое окремпение пород. Характер окремнения определяется природой цирку­ лирующих растворов и типом основных реакций, вызываю­ щих аккумуляцию различных видов кремнезема. Широко распространенной причиной перехода кремнезема из подвиж­ ных в инертные формы в зоне гипергенеза является кислый геохимический барьер, возникающий при растворении в поровых водах углекислого газа (при растворении 0,054 г С 0 2 в 1 л воды pH снижается до величины 4,74). В данной рабо­ те проблема геохимических основ искусственной цементации пород кремнеземом сформулирована в виде общей постанов­ ки, развитие которой следует вести по пути дальнейшего углубления анализа условий и факторов миграции и аккуму­ ляции кремнезема в конкретных обстановках зоны гипер­ генеза.

Идеальные условия для поликонденсацни кремнекислоты из силикатных растворов и для создания благоприятной геохимической среды существования кремнеземистого цемен­ та возникают, когда нейтрализация щелочного компонента идет по типу бикарбонизации со значениями pH около 8,5. Однако при газовой силикатизации песчаных пород, как пра­ вило, по разным причинам наблюдаются отклонения от идеальных условий. Это обусловлено прежде всего высокой щелочностью используемых для закрепления растворов сили­ ката натрия. В связи с этим при взаимодействии с углекис­ лым газом образуется не только полимер кремнекислоты, но и заметное количество карбонатов и бикарбонатов натрия. Неоднородность распределения этих солей в толще закреп­ ленного грунта определяет изменчивость значений pH от 8,5 до 10,5. Ограниченность поступления углекислого газа в от­ дельные точки массива или высокое содержание свободной щелочи в исходном растворе приводит в ряде случаев к не­ полной карбонизации гидроокиси натрия и повышению зна­ чений pH до 10,9 в этих точках.

Исследованиями установлено, что предельным значениям водородного показателя, выше которого можно ожидать про­ явления подвижности кремнекислоты, следует считать вели­ чину, равную 10,2. Однако даже в местах с более высокой щелочностью искусственного цемента его растворимость в во­ де значительно ниже, чем при закреплении силикатом натрия с кремнефтористоводородной кислотой в качестве отвер­ дителя.

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

5*

67

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

при появлении раствора, профильтровавшего через

колонну

с песком.

газом

Колонна подсоединяется к баллону с углекислым

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

части

пород

 

и вяжу­

 

 

щего

протекают

про­

 

 

цессы, во многом опре­

 

 

деляющие

 

прочность

 

 

закрепления,

 

синере-

 

 

зис

геля,

а

следова­

 

 

тельно, прочность

и во­

 

 

допроницаемость

 

по­

 

 

род

после

закрепле­

 

 

ния.

 

 

 

грануло­

 

 

Влияние

 

 

 

метрического

 

состава

 

 

на прочность

 

закреп­

Рис. 8. Зависимость прочности на одно­

ления

газовой

силика­

тизацией

изучалось

на

осное сжатие

от содержания частиц

флювиогляциальных

и

 

0,1—0,01 мм

гляциальных

 

песках

 

составов различной сте­

кварцевого и карбонатно-кварцевого

пени

дисперсности.

Как

показало сопоставление прочности

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

го песка (0,10—0,05 мм)

и крупной пыли

(0,05—0,01

мм)

(рис. 8). Максимальные

значения прочности

получены

при

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

Смотрите также файлы