Группы глинистых минералов

Смектитовые глины набухают при контакте с водой. Связь между слоями глинистых частиц, имеющих кристаллическую структуру, у них слабее, чем у глин всех других типов. Вода может легко проникать между слоями и раздвигать их. Когда слои расходятся, говорят что глина набухает. Отдельные глинистые частицы могут расходиться настолько, что связь между ними исчезает. Расхождение до такой степени называется диспергированием (рис. 8-3).

Натриевый монтмориллонит является часто встречающимся и проблемным членом группы смектитов. Чаще его называют бентонит. До полного диспергирования бентонит может набухать с увеличением объема до 20 раз.¹ Бентонит и другие смектиты часто залегают около поверхности в молодых, недавно отложившихся пластах глин. Обычно смектиты образуют мягкие пористые глинистые породы, которые легко разбуривать, но которые набухают и уменьшают диаметр скважины. В интервалах смектитов происходит также увеличение диаметра ствола из-за диспергирования с последующим обрушением породы в скважину.

Вода может легко проникать между слоями и бентонитовых глин и раздвигать их. Со временем глина диспергируется.

Рис. 8-3 Диспергирование

Структура иллита схожа со структурой монтмориллонита, но он не имеет раздвигающейся кристаллической решетки. Это означает, что вода не может проникнуть в межслоевое пространство его кристаллов. Под воздействием высокой температуры и давления вышележащих пород монтмориллонит претерпевает физические и химические изменения и превращается в иллит в процессе, называемом диагенез. В Мексиканском Заливе эти превращения происходят на глубине 10 -14 тыс. футов. Иллит производит более твердые и более хрупкие глинистые породы, и скорость проходки в этих породах ниже. Неустойчивость глинистых пород, содержащих иллит, обычно приводит к увеличению диаметра ствола.

Каолинитовые и хлоритовые глины также не набухают сильно при контакте с водой. Хлоритовые глины могут набухать сильнее, чем каолинитовые или иллитовые, но не так сильно, как смектитовые.

Механизм набухания глин будет рассмотрен в разделе, посвященном напряжениям, обусловленным химическими факторами.

Минералогический состав глин влияет на физико-химические свойства глинистых пород. Кроме того, на эти свойства влияют следующие факторы:

• Возраст и степень уплотнения

• Количество плоскостей напластования, их ориентация и прочность породы в направлении, параллельном плоскостям напластования.

• Проницаемость

• Переслаивание и включения солей и песков

• Поровый флюид и поровое давление

• Величина тектонических и напряжений и горного давления, действующих на глинистые породы

Эти свойства определяют различные типы глинистых пород. Некоторые являются мягкими и пластичными, некоторые твердыми и хрупкими, некоторые молодыми, а некоторые древними, некоторые легко расщепляются по плоскостям напластования, некоторые нет. Эти различные глинистые породы имеют разную прочность и разрушаются по-разному. На прежде чем разбираться в типах и причинах обрушения породы нужно подробнее ознакомиться с понятием прочности горной породы.

Механика горных пород

Д ля того чтобы определить прочность породы, нужно провести лабораторные испытания, подвергая образцы породы сжатию в гидравлическим прессе (рис. 8-4). Сжимающее усилие постепенно повышают до разрушения образца. Напряжение, действующее в породе в момент разрушения, называется пределом прочности породы при одноосном сжатии.

В процессе сжатия образца очень тщательно измеряют штангенциркулем или с помощью датчиков деформаций его длину и диаметр. Результаты измерений показывают, что при сжатии длина образца уменьшается, а диаметр увеличивается. Это объясняется там, что образец стремится сохранить свой первоначальный объем. Изменение длины под нагрузкой называется продольной деформацией, а изменение диаметра под нагрузкой называется поперечной деформацией.

Отношение поперечной деформации к продольной выражается через коэффициент Пуассона, который будет рассмотрен позже.

Если поместить образец в цилиндр, чтобы ограничить увеличение его диаметра, то добиться уменьшения его длины будет труднее (рис. 8-4). Кроме того, для разрушения образца потребуется большее сжимающее усилие. Это объясняется тем, что порода становится прочнее при воздействии на нее ограничивающей силы. Нагрузка, требуемая для разрушения породы при действии ограничивающей силы, соответствует кажущейся прочности породы. Увеличение ограничивающей силы приводит к увеличению кажущейся прочности породы. Иногда, говоря об ограничивающей силе, используют термин "боковое давление" (рис. 8-5).

С увеличением бокового давления порода становится также менее упругой и более пластичной. При очень большом боковом давлении деформация становится более вероятной, чем разрушение.

При увеличении бокового давления порода становится прочнее и пластичнее.

Чем обусловлена прочность горных пород?

Какие физические характеристики обеспечивают сопротивление деформации и разрушению?

Получить ответы на эти вопросы можно посмотрев в микроскоп (рис. 8-6). Для того чтобы образец разрушился или изменил форму, отдельные зерна породы должны переместиться относительно друг друга. Одна часть образца движется в одном направлении, а другая - в противоположном. Трение и присутствие цемента в пространстве между отдельными зернами препятствуют этому движению, придавая прочность породе.

Прочность породы определяется величиной трения и степенью цементации межзернового пространства.

На трение влияет нагрузка от веса вышележащих пород, а также форма и ориентация зерен.

Возраст породы влияет как на степень цементации, так и на форму и ориентацию зерен.

Прочность горных пород обусловлена, главным образом, трением между зернами. На трение влияют несколько факторов, в том числе:

• Размер и форма зерен

• Ориентация зерен

• Сжимающие нагрузки, действующие на зерна

• Количество смазывающей жидкости в поровом пространстве

Цемент образуется из минералов, осаждающихся из воды, протекающей через пласт. Можно заметить похожий на породу материал, образующийся на дне электрического чайника. Он сходен с осадками, которые выпадают из раствора в пласте. Эти осадки цементируют зерна, в результате чего увеличивается прочность породы.

Роль трения и цемента можно проиллюстрировать на примере песка на пляже (рис. 8-7). Когда песок сухой, то при высыпании он образует конус, похожий на вулкан или пирамиду. Песок не растекается тонким слоем, поскольку этому препятствует трение между отдельными зернами. Трение между зернами обеспечивает прочность песка, достаточную для образования конуса и сохранения параметра, называемого углом естественного откоса.

Если песок влажный, он достаточно прочен, чтобы из него можно было строить замки. Вертикальные стенки из влажного песка будут стоять, не разрушаясь. Вода, обладающая когезивными и адгезивными свойствами, действует как цемент, удерживающий зерна вместе. Кроме того, вода способствует более плотной упаковке песчаных зерен, в результате чего возрастает трение между зернами. Влажный песок является более прочным строительным материалом, чем сухой.

Однако если песок полностью насыщен водой, он становится непрочным и растекается тонким слоем. Это объясняется тем, что вода действует как смазочный материал. Без заметного трения песок не обладает прочностью.

Относительную прочность песочного конуса можно определить по углу откоса. Трение между зернами обеспечивает прочность песка, достаточную для образования конуса. Зерна влажного песка расположены ближе друг к другу, благодаря чему возрастает внутреннее трение и песок приобретает прочность, достаточную для строительства неразрушающихся вертикальных стенок. Чрезмерно количество воды в насыщенном песке приводит к разъединению зерен, причем вода смазывает их. Поскольку трение между зернами очень мало, песок растекается тонким слоем.

Рис. 8-7 Аналогии прочности горных пород

Представим себе рытье колодца на пляже. В сухом песке стенки колодца будут располагаться под тем же углом, что и откосы холма сухого песка. Во влажном песке стенки колодца будут вертикальными. Когда же колодец дойдет до зеркала воды, дальше рыть будет невозможно - песок стекает на дно колодца.

Вернемся к нашему образцу в лаборатории. Когда к нему приложено боковое давление, внутреннее трение между зернами возрастает. Поэтому прочность породы увеличивается при действии бокового давления.