Образование колец Лизеганга в каменной соли с наночастицами

В.П. Малюков

ОБРАЗОВАНИЕ КОЛЕЦ ЛИЗЕГАНГА В КАМЕННОЙ СОЛИ С НАНОЧАСТИЦАМИ

Проанализировано образование колец Лизеганга в каменной соли с ноночастицами. Рассмотрены образования наночастиц при подземном растворении каменной соли: содержащий глинистые частицы; значительное содержание газа; при инфильтрации флюидов в приконтурную зону подземной выработки - емкости. Ключевые слова: наночастицы, инфильтрация флюидов, прикон-турная зона, подземная выработка - емкость, горизонтальная скважина, горизонтальная выработка, кольца Лизеганга, самоорганизация.

УДК 544.022.544: 661.833.321

В последнее время интенсивно развиваются исследования в области наноявлений и нанотехнологий, которые распространяются на горную и нефтегазовую отрасль [1, 2, 3]. В работе рассматривается особенности образования минеральных наночастиц и их структур при подземном расстворении каменной соли, в том числе в процессе строительства подземных выработок — емкостей для резервирования углеводородов.

Подземное растворение каменной соли относится к процессам разрушения геоматериалов. Процесс сопровождается растворением кристаллов каменной соли, разрушением различных породных включений и образований. В каменной соли могут находиться рассеянные нерастворимые включения (частицы), пропластки и пласты, а также газ.

При подземном растворении каменной соли необходимо учитывать «нано»-минералогию, в том числе ультрадисперсную составляющую-глинистые материалы, которые по разному реагируют на взаимодействие с флюидами. Глинистые материалы, содержащие наночастицы, относятся к естественным нанораз-мерным образованиям. Глинистые включения при подземном растворении каменной соли являются источником наночастиц. К классификации источников ультрадисперсных частиц при освоении недр [1], возможно следует добавить разрушение горной породы при воздействии различных флюидов (например, при подземном растворении каменной соли).

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 10. С. 242-248. © 2016. В.П. Малюков.

Глинистые материалы являются тонкодисперсной составляющей пород. Комплекс глинистых минералов может включать частицы разных размеров, в том числе наночастицы [3].

Увеличение объема глинистых пород при взаимодействие с водой происходит вследствие положительного расклинивающего воздействия гидратных слоев, образовавшихся вокруг частиц при смачивании и пропитки из-за возникающих капиллярных давлений и диффузионных процессов. Монтмориллонит известен как минерал, обладающий разбухающей решеткой, иллит и хлорит набухают в меньшей степени, а каолинит является в этом отношении инертным [4].

Установлено, что изменение приемистости нагнетательных скважин при заводнении нефтяных пластов связано как с изменением минерального состава закачиваемой воды, так и с наличием в закачиваемой воде частиц от 1 нм до 1 мкм. Минерализация и наночастицы в закачиваемой воде влияют на процессы взаимодействия с различными составляющими пород, при использовании в различных технологиях разработки месторождений полезных ископаемых (в том числе и образования наноча-стиц из породного материала). Важным направлением развития нанотехнологий при разработке нефтяного пласта связано с управляемым и регулируемым движением в нем ультрадисперсных наносистем, которое включает закачку наноносителей и наноочистку закачиваемых агентов [3].

В процессе строительства подземных выработок-емкостей для хранения углеводородов происходит разрушение газонасыщенной каменной соли при подземном расстворении, которое сопровождается образованием субмикронных и наноча-стиц.

В каменной соли значительное количество газа может находиться в породном цементе между кристаллами соли (Лейков-ское месторождение) или в самих кристаллах. В кристаллах каменной соли могут находиться микропоры, заполненные газом. В процессе подземного растворения каменной соли, при приближении поверхности массоотдачи к пространству, заполненному газом, происходит отрыв частиц породы, прикрывающей пространство, заполненное газом, от растворителя. При выделении газа из частиц породы, прикрывающей «газовое пространство», образуется два класса частиц: небольшие осколки материала (при выделении газа из кристалла образуются пластинки каменной соли) и мелкие частицы, образовавшиеся вследствие развития микротрещин. При бурении скважин на месторожде-

ниях каменной соли со значительным содержанием газа происходили выбросы газа.

При инфильтрации жидкости или газа в приконтурную зону подземной выработки-емкости, созданной при растворении каменной соли через скважину, образуется структура разрушения. Высокодисперсные частицы могут образоваться при развитии трещин отрыва. При отрывном разрушении породы, которое проявляется в развитии трещин отрыва, может происходить образование свободных субмикронных и наночастиц в вершинах трещин. В вершинах трещин имеет место концентрация энергии, что ведет к разрыву межмолекулярных связей. При развитии трещин частицы породы оказываются на поверхности трещин и имеют возможность оторваться от поверхности [1]. Электронографии поверхности крупных частиц, образующихся в процессе разрушения горной породы, подтверждают наличие на ней наночастиц [1].

Проведены лабораторные исследования эффекта образования колец Лизеганга, связывающего процессы образования наночастиц и формирования из них плотных периодических осадков [5].

Физико-химическое явление выпадения периодических осадков, впоследствии получившее название «кольца Лизеганга» сопровождает многие процессы, происходящие в коллоидных системах. Впервые эффект образования колец был описан в литературе Кейром (Keir, 1790 г.) и Рунге (Runge, 1826 г.). Это явление широко распространено в природе. Оно сразу привлекло внимание многих исследователей в силу своего значения не только для физической химии, но и для смежных наук — геологии (проблема образования минералов), биологии (биоминерализация). Большой вклад в исследование этого эффекта внес немецкий химик Р.Э. Лизеганг. Явление образования колец Лизеганга может быть охарактеризовано как физико-химический процесс периодического осаждения каких-либо соединений при диффузии в гелях. Образование колец Лизеганга характеризуется наличием физико-химических периодических процессов, происходящих на микроуровне. Отмечается, принципиальная значимость периодических процессов с участием наночастиц в формировании колец Лизеганга. Процессы, сходные по типу с образованием колец Лизеганга, наблюдается в разнообразных системах.

На месторождении каменной соли Ходжа-Мумын проведено крупномасштабное моделирование сооружения резервуара

Рис. 1. Форма горизонтальной выработки модели 2Г

горизонтального типа и впервые получено закуполение кровли подземной выработки-емкости. Подача растворителя осуществлялась с изменением точки ввода растворителя в процессе сооружения выработки-емкости.

Моделирование показало, что разработанная технологическая схема позволяет достичь равномерного растворения соли по длине выработки, получить выработку оптимальной формы [7].

Для обеспечения равномерного развития выработки по всей длине сооружение велось ступенями. В результате анализа отработанной технологии получены аналитические зависимости и разработана методика расчета технологических параметров сооружения горизонтальных выработок, определены размеры и формы выработок, полученных в результате крупномасштабного моделирования процесса сооружения горизонтальных выработок.

Проведено вскрытие отработанных крупномасштабных моделей (рис. 1). На поверхности каменной соли обнаружены сферические глинистые образования одинакового размера, расположенные на равном расстоянии одно от другого.

На Волгоградском месторождении каменной соли в верхней VII ритмопачке мощностью 63—69 м ступенями построен горизонтальный подземный резервуар. Схема строительства тоннельного подземного резервуара представлена на рис. 2 (в работе [8] подземный резервуар на горизонтальной ветви горизонтальной скважины называют тоннельным).

Наночастицы в диапазоне малых значений могут вести себя как молекулы газа, перемещаясь по закону молекулярной диффузии и обретая повышенную способность к коагуляции, то есть проявляется адгезионное (когезионное) взаимодействие частиц [1].

За последние два десятилетия наряду с традиционным подходом к получению молекулярно-упорядоченных пленок Ленг-мюра-Блоджетт сформировалось новое направление, связан-

ЗТ 1РЭ

Длина участа, м

Рис. 2. Схема строительства тоннельного подземного резервуара

ное с самоорганизацией монослоев Ленгмюра, индуцированной движущей твердой подложкой [6].

К природным фрактальным (самоподобным) объектам относятся самоорганизующиеся сферические глинистые образования одинаковых размеров, расположенные в каменной соли на равном расстоянии друг от друга (месторождение Ход-жа-Мумын). Масштабно инвариантные объекты существуют в природе, например, снежинки. Сферические глинистые образования это «снежинки» в каменной соли.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чантурия В. А., Трубецкой К. Н., Викторов С. Д., Бунин И. Ж. На-ночастицы процессов разрушения и вскрытия геоматериалов. — М., 2006. - 216 с.

2. Хавкин А. А. Нанотехнологии добычи нефти и газа. — М.: Компания спутник, 2008. — 150 с.

3. Муслимов Р. Х. Нанотехнологии в геологии и повышении эффективности освоения залежей с трудноизвлекаемыми и остаточными запасами нефти // Нефтяное хозяйство. — 2009. — № 1. — С. 38—41.

4. Исмаков Р. А., Петров Н.А., Конесев Г.В. Управление свойствами технологических жидкостей для вскрытия продуктивных пластов: учебное пособие. — Уфа: РИЦ УГНТУ, 2015. — 153 с.

5. Кузьмин В. И., Гадзаов А. Ф., Тытик Д. Л., Высоцкий В,В., Бу-сев С. А., Ревина А. А. Кинетика образования наночастиц как основа моделирования механизма формирования колец Лизеганга в гелях // Коллоидный журнал. — 2014. — т. 76. — № 4. — С. 477—485.

6. Малюков В. П. Формообразование горизонтальных подземных резервуаров в каменной соли // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2002. — № 8. — С. 186—187.

7. Хлопцов В. Г. Подземные хранилища природного газа в отложениях каменной соли // Газовая промышленность. — 2015. — № 9. — С. 28— 31. ЕШЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРE

Малюков Валерий Павлович — кандидат технических наук, доцент, Российский университет дружбы народов, e-mail: v.malyukov@mail.ru.

UDC 544.022.544: 661.833.321

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 10, pp. 242-248. V.P. Malyukov

LIESEGANG PHENOMENON

IN MINERAL SALTS WITH NANOPARTICLES

It analyzed the formation of Liesegang phenomen in mineral salts with nanoparticles. In the article discusses the formation of nanoparticles in the solution mining of mineral salt:

containing clay particles; significant gas content, when the infiltration of fluids in the marginal zone of the underground extraction capacity.

Key words: nanoparticles, percolation fluids, border zone, zone of the underground extraction capacity, horizontal hole, crut, Liesegang phenomen, self-organizing.

AUTHOR

Malyukov V.P., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Peoples' Friendship University of Russia, 113093, Moscow, Russia, e-mail: v.malyukov@mail.ru.

REFERENCES

1. Chanturiya V. A., Trubetskoy K. N., Viktorov S. D., Bunin I. Zh. Nanochastitsy prot-sessov razrusheniya i vskrytiya geomaterialov (Destructure process of nanoparticles and development geomaterials), Moscow, 2006, 216 p.

2. Khavkin A. A. Nanotekhnologii dobychi nefti igaza (Nanotechnologies in oil and gas recovery), Moscow, Kompaniya sputnik, 2008, 150 p.

3. Muslimov R. Kh. Neftyanoe khozyaystvo. 2009, no 1, pp. 38—41.

4. Ismakov R. A., Petrov N. A., Konesev G. V. Upravlenie svoystvami tekhnologicheskikh zhidkostey dlya vskrytiya produktivnykh plastov: uchebnoe posobie (Management property techno-luquids for drilling in: Educational aid), Ufa, RITs UGNTU, 2015, 153 p.

5. Kuz'min V. I., Gadzaov A. F., Tytik D. L., Vysotskiy V,V., Busev S. A., Revina A. A. Kolloidnyy zhurnal. 2014. t. 76, no 4, pp. 477-485.

6. Malyukov VP. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2002, no 8, pp. 186-187.

7. Khloptsov V. G. Gazovayapromyshlennost'. 2015, no 9, pp. 28-31.

| ГОМЕОСТАТИКА ПРОТИВ СХОЛАСТИКИ

ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОЕКТА

Гомеостатическое моделирование ситуаций позволяет оценить уровень разрешимости возникающих задач. Такой аспект был нами использован в исследованиях на Алмалыкском ГМК, но его развитию помешало прекращение финансирования работ, а для оценки успеха нужны были исследования экономистов с расчетами затрат, а иногда и жертв на восстановление равновесия социально-экономических систем. Такие работы выполнены не были.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Гомеостазис (гомеостатическое моделирование) объясним на примере действия Ваньки-встаньки. Он охватывает все сферы человеческой деятельности, но с разным уровнем сложности. Существует в медицине (повышение температуры тела как реакция на действия вирусов), кораблевождении (повышение устойчивости и остойчивости кораблей при отклонении от курса следования и крена судна), сельском хозяйстве (расселение хищников как защита от вредителей). Таких простейших примеров можно привести тысячи. Естественно было продолжить изучение таких моделей, перейдя к более сложным социально-экономическим системам. Задача состояла в том, чтобы исследовать возможности гомеостазиса для регулирования случающихся отклонений систем (территориальных, производственных, семейных, геополитических).

Продолжение на с. 258