Сжимаемость и уплотнение глинистых минералов

17.06.2018
Термин «сжатие» (compression) характеризует уменьшение коэффициента пористости при возрастании вертикального давления. Коэффициент пористости е определяется как отношение общего объема пор к объему твердого каркаса глинистого грунта. Обычно в опытах по уплотнению применяются образцы керна с ненарушенной структурой. Кроме того, часто испытывают смеси глины с водой в виде шликера при верхнем пределе пластичности. На фиг. 5-20 представлена типичная схема компрессионного прибора. В этом приборе глина помещается в латунное кольцо между двумя пористыми прокладками из камня, а давление передается через верхнюю прокладку. Поэтому образец глины сжимается по вертикали и не расползается в горизонтальном направлении; такие условия преобладают и в слое глины во время осадконакопления. Хотя опыт протекает довольно долго, каменные прокладки, удерживая воду, предотвращают усыхание глины в результате испарения. Как только начинает прилагаться давление, глина сразу же уплотняется, а отжимаемая поровая вода вытекает через пористые прокладки. Установлено, что скорость уплотнения уменьшается во времени после приложения некоторого давления и для стандартного образца толщиной 2 см равновесие для большей части глин достигается примерно через 24 час. Считают, что в таком случае глина находится в равновесии с некоторым определенным количеством воды или коэффициентом пористости при данном давлении р. После этого давление увеличивают на некоторую величину; через 24 час глина снова достигает равновесного состояния и приобретает новый коэффициент пористости. Прилагая к образцу различные нагрузки, устанавливают характер изменения коэффициента пористости в зависимости от давления.


Если какая-нибудь осадочная порода подвергается на некоторое время сжатию при давлении р, то неизменно уменьшается ее сжимаемость при давлениях меньше р. Нормально уплотненные осадочные породы — это породы, которые никогда раньше не претерпевали снижения давления, например в результате размыва вышележащей толщи пород. Переуплотненные осадочные породы — это породы, подвергавшиеся ранее большему давлению, чем в современных условиях залегания.

Зависимость между давлением и коэффициентом пористости удобно иллюстрировать компрессионными кривыми на диаграмме, где по одной оси откладываются коэффициенты пористости е, а по другой — давление р в логарифмическом (фиг. 5-21) или арифметическом масштабе. Для каждой осадочной породы кривая е — lgp сначала проходит параллельно оси абсцисс, а при несколько больших давлениях приобретает наклонное положение и в этом случае удовлетворяет следующему уравнению:

где Cc — показатель сжимаемости, а С — постоянная. Показатель сжимаемости Cc соответствует уменьшению коэффициента пористости при десятикратном увеличении нагрузки р. Показатель Cc колеблется примерно от 0,15 для чистых песчанистых глин до 1 и более для высококоллоидальных глин. Согласно Скемптону, показатель сжимаемости возрастает по мере увеличения верхнего предела пластичности (Wf) примерно в соответствии со следующим эмпирическим уравнением:

Скемптон показал, что существует прямая зависимость между увеличением показателя сжимаемости и возрастанием содержания глинистой фракции в осадочных породах (фиг. 5-22). Как будет показано в дальнейшем, эта зависимость несколько видоизменяется, отчасти вследствие различий в минеральном составе глинистых фракций.

Если компрессионные опыты проводятся на образце глины с низкой чувствительностью и ненарушенной текстурой, то компрессионная кривая E—lgp имеет вид кривой Si на фиг. 5-21; кривая е—lgp для той же, но перемешанной глины s подобна первой, за исключением того, что у первой наклонный прямолинейный участок расположен круче, что указывает на больший показатель сжимаемости. Для образцов с ненарушенной структурой показатели Cc превышают таковые вымешанных образцов не больше чем на 30%.

Если опыты по уплотнению проводятся на очень чувствительной глине, то компрессионная кривая е—lgp обычно имеет такой вид, как кривая si на фиг. 5-21. Поскольку показатель консистенции таких глин значительно больше 1, то горизонтальный участок компрессионной кривой располагается выше подобного участка кривой для перемешанных пород. При некотором данном давлении, при котором структура образца нарушается, эта кривая резко падает вниз.

В природных глинах давление на осадок возрастает по мере увеличения глубины их залегания. Коэффициент пористости изменяется с глубиной залегания по тем же законам, которым подчиняются компрессионные кривые е—lgp, приведенные на фиг. 5-21. Скемптон показал, что и в естественных условиях залегания в осадках имеет место та же самая компрессионная зависимость.

По мере увеличения глубины залегания осадочных пород давление и температура возрастают прямо пропорционально мощности вышележащих пород. Из-за такого увеличения давления и температуры могут происходить изменения химического и минерального состава, а поэтому компрессионные кривые уже не будут отражать истинного поведения пород. Например, Tepцаги отмечал, что в нефтеносном бассейне Уиллингтон в Калифорнии сжимаемость глинистых пород, заключенных между нефтеносными пластами песка, уменьшается довольно резко на глубине около 4 тыс. футов, где эффективное давление вышележащих пород равно примерно 150 кг/см2, а температура составляет около 180° F. Несмотря на это, коэффициент пористости таких пород до глубины 6 тыс. футов уменьшается в соответствии с уравнением (5-1).

Мгновенное приложение давления к слою несвязных осадочных пород (т. е. почти не содержащих глины), сложенных прочными изометрическими частицами, приводит к моментальному сжатию с последующим дополнительным уплотнением, протекающим с затухающей скоростью. Если возрастает давление на водонасыщенный слой глины, то происходит соответствующее постепенное сжатие породы, скорость которого уменьшается. Это сжатие сопровождается понижением содержания воды в глинах и уменьшением скорости удаления избытка воды из глины, которая может быть очень низкой.

Степень уплотнения осадка за данный период времени t можно представить в виде Uc — отношения между уменьшением коэффициента пористости за время t и конечным уменьшением коэффициента пористости за неопределенно длительное время. Ниже приводится выдержка из работы Терцаги, разработавшего теорию уплотнения.

При данной мощности H слоя глины степень уплотнения за время t зависит исключительно от величины коэффициента уплотнения cv:

где k — коэффициент фильтрации глины при давлении от р до р + Aр, mv — коэффициент сжимаемости в тех же пределах давления (уменьшение коэффициента пористости при увеличении давления на 1 a), a уw — вес воды, в г на 1 см3 породы. При увеличении давления р коэффициенты k и mv уменьшаются. Поэтому см почти не зависит от р. Для нормально уплотненных глин cv уменьшается примерно от 10в-2 см2/сек в случае очень тощих глин до 10в-6 см2/сек в случае высококоллоидальных глин. При данном значении cv время, в течение которого достигается определенная степень уплотнения Uc, увеличивается прямо пропорционально квадрату мощности H вышележащих слоев.

Если известно сv, то на основании теории уплотнения можно рассчитать Uс для любого данного времени t. Согласно этой теории, величина Uc со временем должна увеличиваться в определенной зависимости (фиг. 5-23). Эта теория основана на предположении, согласно которому запаздывание уменьшения коэффициента пористости в зависимости от вертикального давления обусловлено только низкой проницаемостью глин. По этой теории наклон кривых, иллюстрирующих зависимость между Uc и логарифмом времени, должен постепенно увеличиваться до тех пор, пока время t не будет удовлетворять примерно следующему уравнению:

когда соответствующая степень уплотнения составляет около 95%. После этого кривая быстро выполаживается и почти не указывает на увеличение степени уплотнения.

Фактически кривые U—lgt по прошествии времени t продолжают круто падать (на фиг. 5-23 эти участки кривых отмечены пунктирной линией). На полулогарифмической диаграмме (фиг. 5-23) этот участок может быть либо прямым, либо слегка выпуклым книзу. Для различных глин эти участки кривых различаются по своему среднему наклону. Для глин с органикой начальный наклон этих участков может почти соответствовать наклону соседнего участка сплошной кривой. Уплотнение, которое иллюстрируется сплошными кривыми для времени t

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: