Тематический рубрикатор статей

Георесурсы T.25.№1.2023
Стр.
Скачать статью

Микроструктурные преобразования набухающих глинистых минералов

М.Г. Храмченков, Ф.А.Трофимова, Р.М. Усманов, Р.Э. Долгополов

Оригинальная статья

DOI https://doi.org/10.18599/grs.2023.1.11

108-118
rus.

open access

Under a Creative Commons license

Рассмотрена оригинальная модель микроструктурных преобразований при набухании глин, дано термодинамическое и физико-механическое описание особенностей свойств глин в ходе процесса набухания в парах и водных растворах. В основе предлагаемой для объяснения этих свойств модели лежит представление о взаимном перемещении глинистых частиц в агрегатах глинистой породы при набухании с образованием новых пор между глинистыми частицами, образующими кристаллиты и агрегаты. В основу модели положен механизм угилизации избыточной поверхностной энергии глинистых частиц при гидратации с учетом влияния некоторых параметров среды, например, концентрации раствора, через изменение взаимной ориентации глинистых частиц, главным образом, за счет поворотов или сдвигов друг относительно друга, с образованием доступной для дальнейшего смачивания свободной поверхности. В термодинамическом описании такой процесс будет проявляться в изменении энергии поверхностного взаимодействия на смоченных участках частиц при движении во время взаимных сдвигов и поворотов. При этом также изменяется один из важнейших параметров глинистой породы – микропористость. В работе это явление было экспериментально исследовано с использованием методов статической влагоемкости и мессбауэровской (ЯГР) спектроскопии. Предложенная модель позволяет объяснить особенности процесса гидратации глины и сопоставить наблюдаемые экспериментальные данные с теоретическим описанием процесса набухания глины.

 

глинистые минералы, монтмориллонит, набухание, микропористость, функция набухания

  • Адам Н.К. (1947). Физика и химия поверхностей. Москва–Ленинград: ОГИЗ Госиздат технико-теоретической литературы, 283 с.
  • Злочевская Р.И., Королев В.А. (1988). Электроповерхностные явления в глинистых породах. Москва: Изд-во МГУ, 177 с.
  • Кринари Г.А., Храмченков М.Г. (2005). Низкотемпературная илитизация смектита как биокосный процесс. Доклады РАН, 403(5), с. 664–669.
  • Кринари Г.А., Храмченков М.Г (2008). Трехмерная структура вторичных слюд осадочных пород: особенности и механизм формирования. Доклады РАН, 423(4), с. 524–529. https://doi.org/10.1134/S1028334X08090249
  • Кринари Г.А., Храмченков М.Г. (2011). Обратная трансформация вторичных слюд осадочных пород: механизмы и приложения. Доклады РАН, 436(5), с. 674–679. https://doi.org/10.1134/S1028334X11020164
  • Кринари Г.А., Храмченков М.Г., Рахматулина Ю.Ш. (2013). Механизмы обратной трансформации вторичных слюд по изменениям структуры иллит-смектит. Доклады РАН, 452(4), с. 431–437. https://doi.org/10.1134/S1028334X13100036
  • Кринари Г.А., Храмченков М.Г. Рахматулина Ю.Ш. (2014). Изменения структур смешанослойных фаз иллит-смектит в процессах обводнения терригенных коллекторов нефти. Геология и геофизика, 55(7), с. 1153–1167. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2014.06.010
  • Кройт Г.Р. (1933). Коллоиды. Ленинград: Госхимтехиздат.
  • Кульчицкий Л.И., Усьяров О.Г. (1981). Физико-химические основы формирования свойств глинистых пород. М: Недра, 178 с.
  • Мироненко В.А., Румынин В.Г. (1998). Проблемы гидрогеоэкологии. М: Изд-во Моск. Гос. Горного ун-та, 611 с.
  • Овчаренко Ф.Д. (1961). Гидрофильность глин и глинистых минералов. Киев: Изд-во АН УССР, 292 с.
  • Осипов В.И., Бабак В.Г. (1987). Природа и механизм набухания глин. Инженерная геология, 5, с. 18–28.
  • Осипов В.И., Соколов В.Н. (2013). Глины и их свойства. Москва, ГЕОС, 576 с.
  • Осипов В.И., Соколов В.Н, Румянцева Н.А. (1989). Микроструктура глинистых пород. Москва: Недра, 211 с.
  • Снежкин Б.А., Лапицкий С.А. (2021). Оценка свойств набухающих глинистых грунтов. Москва: Директ-Медиа, 416 с.
  • Сорочан Е.А. (1989). Строительство сооружений на набухающих грунтах. Москва: Стройиздат, 157 с.
  • Храмченков М.Г. (2003). Элементы физико-химической механики природных пористых сред. Казань: Изд-во Казанского математического общества, 178 с.
  • Храмченков М.Г., Эйриш М.В., Корнильцев Ю.А. (1995). Изучение структурных изменений и термодинамическая модель фильтрационных свойств глинистых пород. Геоэкология, 5, с. 65–73.
  • Храмченков М.Г. (2000). Математическое моделирование фильтрационных и емкостных свойств глинистых пород. Геоэкология, 4, с. 401–405.
  • Храмченков М.Г., Храмченков Э.М., Петруха В.В. (2014). Оценка скорости набухания глинистых пород. Нефтяное хозяйство, 10, с. 54–56.
  • Храмченков М.Г., Храмченков Э.М., Петруха В.В. (2015). Особенности набухания глинистых пород в растворах электролитов. Нефтяное хозяйство, 9, с. 62–63.
  • Эйриш М.В. (1964). О природе сорбционного состояния катионов и воды в монтмориллоните. Коллоидный журнал, 26(5), с. 633–639.
  • Эйриш М.В. (1960). Две фракции сорбированных катионов в бентонитовых глинах. Изв. ВУЗ СССР. Химия и хим. технология, 3(6), с. 1022–1023.
  • Эйриш М.В. (1976). Изучение кристаллической структуры органо-монтмориллонитовых комплексов с применением методов электронной микроскопии и микродифракции. Литология и полезные ископаемые, 4, с. 144–153.
  •  Эйриш М.В., Бацко Р.С., Двореченская А.А., Иванова А.А., Пшеничная Н.Ф., Солдатова Н.С. (1975). Адсорбционный люминисцентный анализ глинистых минералов с применением органических красителей. Изв. АН КазССР, сер. Геологическая, 4, с. 82–88.
  • Эйриш М.В., Эйриш З.Н., Беззубов В.М., Евдокимова Н.В., Пермяков Е.Н. (1980). Кристаллохимические и структурные особенности монтмориллонита и их влияние на свойства бентонитовых глин. Бентониты (отдельные оттиски). М: Наука, с. 117–125.
  • Япаскурт О.В. (2016). Литология. М: Инфра, 259 с.
  • Adamson A.W. (1976). Physical chemistry of surfaces. New York: Wiley, 698 pp.
  • Carlson M.R. (2003). Practical Reservoir Simulation. PennWell, 516 p.
  • Dormieux L., Lemarchand, E. and Coussy O. (2003). Macroscopic and Micromechanical Approaches to the Modelling of the Osmotic Swelling in Clays. Transport in Porous Media, 50, pp. 75–91. https://doi.org/10.1023/A:1020679928927
  • Eirish M.V., and Tret’yakova L.I. (1970). The role of sorptive layers in the formation and change of the crystal structure of montmorillonite. Clay Minerals, 8, pp. 255–266. https://doi.org/10.1180/claymin.1970.008.3.03
  • Foley N.K. (1999). Environmental Characteristics of Clays and Clay Mineral Deposits. https://doi.org/10.3133/70220359
  • Galiullina N.E., Khramchekov M.G., Usmanov R.M. (2021). Mathematical Modeling of Unsaturated Filtration in Swelling Soils Using the Capillary-Rise Problem as an Example. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 94(6), pp. 1519–1525. https://doi.org/10.1007/s10891-021-02432-4
  • Grim R.E. (1953). Clay mineralogy. New York: McGraw-Hill, 384 pp. https://doi.org/10.1097/00010694-195310000-00009
  • Khramchenkov M.G. (2008). Fan-shaped model of clays swelling process. Thermo-Hydromechanical and Chemical Coupling in Geomaterials and Applications. France, Lille, Polytech-Lille, pp. 297–304. https://doi.org/10.1002/9781118623565.ch29
  • Khramchenkov M.G., Usmanov R.M. (2017). Modeling of rheological and electro-chemical properties of hydrated clays. Epitőanyag – Journal of Silicate Based and Composite Materials, 69(3), pp. 110–113. https://doi.org/10.14382/epitoanyag-jsbcm.2017.19
  • Khramchenkov M.G., Khramchenkov E.M., Usmanov M.R. (2019). Non-linear equations of mechanics of swelling and metamorphic processes. Lobachevskii Journal of Mathematics, 40(12), pp. 2077–2083. https://doi.org/10.1134/S1995080219120072
  • Krinari G.A., Khramchenkov M.G. (2018). Interstratified illite-smectite phases: formation mechanisms and practical applications. Russian Geol. and Geoph., 59(9), pp. 1120–1128. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2018.08.006
  • Mitchell J.K. (1976). Fundamentals of Soil Behavior. New York: John Wiley & Sons, Inc.
  • Nikolaevskiy NV. (1996). Geomechanics and fluid dynamics. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.
  • Norrish K., Raussel-Colom I.A. (1957). Low-augle X-ray diffraction studies of the swelling of montmorillonite and vermiculite. An. Tenth Nat. Conf. on Clays and Clay Minerals, pp. 123–149. https://doi.org/10.1346/CCMN.1961.0100112
  • Norrish K. (1954). Swelling of montmorillonite. Disc. Faraday Soc., 18, pp. 120–134. https://doi.org/10.1039/df9541800120
  • Tuller M., Or, D. (2003). Hydraulic functions for swelling soils: pore scale consideration. Journal of Hydrology, 272, pp. 50–71. https://doi.org/10.1016/S0022-1694(02)00254-8
  • Wells A.F. (2012). Structural inorganic chemistry. Oxford University Press, 1416 p.
  •  

Максим Георгиевич Храмченков – доктор физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой Института геологии и нефтегазовых технологий, Казанский федеральный университет
Россия, 420008, Казань, ул. Кремлевская, д. 18

Фарида Ассадулловна Трофимова – кандидат гел.-мин. наук, заведующий лабораторией физико-химических испытаний, АО «ЦНИИгеолнеруд»
Россия, 420097, Казань, ул. Зинина, д. 4

Рустем Маратович Усманов – ассистент Института геологии и нефтегазовых технологий, Казанский федеральный университет
Россия, 420008, Казань, ул. Кремлевская, д. 18

Роман Эдуардович Долгополов – аспирант Института геологии и нефтегазовых технологий, Казанский федеральный университет
Россия, 420008, Казань, ул. Кремлевская, д. 18

 

Для цитирования:

Храмченков М.Г., Трофимова Ф.А., Усманов Р.М., Долгополов Р.Э. (2023). Микроструктурные преобразования набухающих глинистых минералов. Георесурсы, 25(1), c. 108–118. https://doi.org/10.18599/grs.2023.1.11

For citation:

Khramchenkov M.G., Trofimova F.A., Usmanov R.M., Dolgopolov R.E. (2023). Microstructural transformations of swelling clay minerals. Georesursy = Georesources, 25(1), pp. 108–118. https://doi.org/10.18599/grs.2023.1.11

 

© 2024 Коллектив авторов