Глава 20. Бурение глинистых пород

20. 1. Глины и глиносодержащие горные породы

Глина - полиминеральная, полидисперсная горная по­рода, представляющая комплекс минеральных частиц, различно-го состава и различных фракций, связанных между собой плен­ками воды.

Наиболее активным элементом горной породы, определяющим ее основные свойства, являются глинистые частицы размером не более 2мкм

(2-0,5 мкм - крупно-, 0,5-0,2 - средне-,менее 0,2 мкм - тонкозернистые), продукты механического и химического выветривания скальных пород магматического, метаморфического и осадочного происхождения (в том числе глинистых пород - аргиллитов, сланцев).

По составу глинистые частицы могут быть представлены различными минералами, но преобладающими (способными диспергировать до коллоидной фракции глинистых частиц) являются слоистые силикаты, в минералогии обобщенные под названием минералы глин.

Кристалличность минералов глин варьирует от хорошо кристаллизованных до аморфных веществ.

Основными группами минералов глин являются следую щие: группа каолинита - серпентина (каолинит, галлуазит, зардин, хризотил-асбест); группа иллита (в группу входит илли - совокупность тонкодисперсных слюд и глауконита); групп хлоритов, группа палыгорскита - сепиолита и группа монтморв лонита (монтморилонит, сапонин, вермикулит).

Наиболее активным глинистым минералом является монтморилонит. Как известно, кристаллическая решетка монтморилонита представляет собой пакет из двух слоев кремнекислород ных тетраэдров, связанных между собой гидраргиллитовым слс ем. Пакеты между собой связаны обменными катионами: Na, К Са, Mg, межмолекулярными силами и молекулами воды. Количество обменных катионов зависит от заряда на базальной поверхности пакетов.

Плотность заряда зависит от количества замещений ионов Al^{3 +} на ионы Mg ²⁺ в гидроаргиллитовом слое. В среднем из каждых шести ионов Al^{3 +} один ион замещен ионом Mg²⁺ . В этом случае емкость обменных катионов составляет 92 мг-экв/100 г Экспериментальные данные показывают, что обменная емкость катионов для монтморилонита может быть в пределах80-120 мг-экв/100г.

Количество молекул воды зависит от влажности глин.

Связи между пакетами монтморилонитов, имеющих в каче стве обменных катионов только одновалентные катионы (напри мер Na⁺ ), очень слабы, при помещении глин в воду количеств воды между пакетами возрастает и частицы диспергируют на лее мелкие. Помимо межпакетного пространства молекулы адсорбируются и по наружной поверхности частицы. За счет гид ратации глинистых частиц натриевый монтморилонит сущест-венно увеличивается в объеме (набухает).

При наличии ионов Са²⁺ связи между пакетами оказывают­ся более сильными. Кальциевые монтморилониты поэтому труднее диспергируют в воде и слабо набухают.

Вследствие слабых связей слои в структуре монтморилони-тов по-разному развернуты относительно друг друга, т.е. упоря-доченное наложение слоев отсутствует.

Иллиты - тонкодисперсные слюды (мусковит и биотит) с плоской окристаллизованностью, как правило, встречаются в ложной смеси с другими минералами глин. Чаще всего они яв-лияются слюдо-монтморилонитами.

Структура слюды (мусковита) аналогична структуре мон-тморилонита, но, в отличие от нее, каждый четвертый ион крем­ния в слое кремнекислородных тетраэдров замещен ионом алю­миния, в результате чего заряд на поверхности частиц возрастает, появляются химические (более прочные) связи между межпакетными катионами и пакетами. Вследствие наличия более прочных связей чистые иллиты в воде весьма трудно размокают (диспер­гируют) и не набухают. Частичное набухание иллитов возможно только при наличии в нем монтморилонита (до 12%).

Каолиниты экзогенного происхождения чаще всего имеют слабо выраженные кристаллы вследствие беспорядочного сме­щения слоев. Каолиниты гидротермального происхождения имеют более или менее совершенную гексогональную форму кристаллов.

Кристаллическая решетка каолинита имеет только два слоя слой кремнекислородных тетраэдров и гидраргиллитовый слой. в контакте пакетов каолинита между атомами кислорода слоя кремнекислородных тетраэдров и ионами гидроксильной группы гидроаргиллитового слоя возникают прочные водородные связи, в связи с чем каолинитовые глины (каолины) слабо диспергиру­ют в воде и не набухают. Емкость обменных катионов 9-15 мг-экв/100 г. Палыгорскит - волокнистый минерал и имеет ленточную структуру с двумя слоями кремнекислородных тетраэдров и бруситовым слоем внутри. Ленты чередуются с каналами, содержащими воду и обменные катионы. Емкость обменных катионов 10-40 мг-экв/100 г.

Хлориты, как и другие минералы глин, благодаря смеще­нию слоев структурно разупорядочены. Структура хлорита представляет собой два слоя кремнекислородных тетраэдров с бруситовым слоем внутри. Часть ионов кремния слоя кремнекислород­ных тетраэдров замещена ионами алюминия, а ионы магния бруситового слоя - ионами железа Fe ²⁺. Пакеты хлорита прочно свя­заны ионами Са^{2 +}, поэтому хлорит в воде трудно размокает и не набухает.

Наряду с глинистой фракцией глинистые породы содержат пылеватую (размер частиц 0,002-0,05 мм), песчаную (размер частиц 0,05-2 мкм) и грубообломочную (размер частиц более 2мм) фракции. Эти фракции чаще всего представлены кварцем, поле­вым шпатом и другими прочными, трудно диспергируемыми ми­нералами.

В сответствии с содержанием глинистой фракции глини­стые породы подразделяют на глины, суглинки, супеси. При на­личии в глине до 25% карбонатов горную породу называют мергелистой глиной.

Содержание в глинистых породах глинистой фракции с ог­ромной удельной поверхностью и огромной поверхностной энер­гией обуславливает особый тип связей между частицами через пленки воды, удерживаемые электромолекулярными силами при­тяжения. У поверхности частиц эти силы достигают тысяч МПа [16]. С удалением от частицы силы быстро убывают обратно пропорционально расстоянию в седьмой степени. Толщина и прочность пленок воды зависят от состава минеральных частиц, их гидрофильности. Прочность глины зависит от количества во­ды (толщины пленок между частицами). С уменьшением толщи­ны пленок межмолекулярные силы частиц возрастают и порода становится твердой, не пластичной.

В инженерной геологии глинистые породы делят на твер­дые глинистые породы (глинистые сланцы, аргиллиты, мергели) и глины.

По объемной массе Н.Г. Аветисян разделил глинистые по­роды на три группы: 1-я - с ⁼ (2,1 - 2,2) 10 кг/м , 2-я - с = (2,2 - 2,5) 10³ кг/м³ и 3-я-с = (2,5-2,55) 10³ кг/м³.

В первой группе глина содержит все виды воды, свобод ную и связанную, во второй - связанную воду и в третьей - толь ко прочное вязанную воду (поры не крупнее 10 нм).

В дальнейшем будем придерживаться классификации глин по В.Д. Ломтадзе (ей соответствует классификация Н.Г. Аветисяна): уплотненная, среднеуплотненная и малоуплотненная глины.

Уплотненные глины достаточно прочны, но в процессе бурения требуют мероприятий по профилактике набухания и диспергирования.

Средне- и малоуплотненные глины непрочны и неустойчивы, требуют при бурении скважин их упрочнения. Эти глины будем называть неуплотненными глинами.