georesГеоресурсыGeoresources1608-50431608-5078Georesursy LLC10.18599/grs.2023.1.11geores-89Research ArticleГЕОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ И ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯGEOLOGICAL, GEOCHEMICAL AND GEOPHYSICAL RESEARCHМикроструктурные преобразования набухающих глинистых минераловMicrostructural transformations of swelling clay mineralsХрамченковМ. Г.KhramchenkovM. G.

Максим Георгиевич Храмченков – доктор физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой Института геологии и нефтегазовых технологий

420008, Казань, ул. Кремлевская, д. 18

Maksim G. Khramchenkov – Dr. Sci. (Physics and Mathematics), Professor, Head of Department Institute of Geology and Oil and Gas Technologies

18, Kremlevskaya str., Kazan, 420008

mkhramch@gmail.comТрофимоваФ. А.TrofimovaF. A.

Фарида Ассадулловна Трофимова – кандидат гел.-мин. наук, заведующий лабораторией физико-химических испытаний

420097, Казань, ул. Зинина, д. 4

Farida A. Trofimova – Cand. Sci. (Geology and Mineralogy), Head of the Laboratory of Physical and Chemical Tests

4, Zinina str., Kazan, 420097

УсмановР. М.UsmanovR. M.

Рустем Маратович Усманов – ассистент Института геологии и нефтегазовых технологий

420008, Казань, ул. Кремлевская, д. 18

Rustem M. Usmanov – Research Assistant, Institute of Geology and Oil and Gas Technologies

18, Kremlevskaya str., Kazan, 420008

ДолгополовР. Э.DolgopolovR. E.

Роман Эдуардович Долгополов – аспирант Института геологии и нефтегазовых технологий

420008, Казань, ул. Кремлевская, д. 18

Roman E. Dolgopolov – Postgraduate Student, Institute of Geology and Oil and Gas Technologies

18, Kremlevskaya str., Kazan, 420008

Казанский федеральный университетРоссияKazan Federal UniversityRussian FederationАО «ЦНИИгеолнеруд»РоссияCNIIgeolnerud JSCRussian Federation202313042024251108118Copyright © Храмченков М.Г., Трофимова Ф.А., Усманов Р.М., Долгополов Р.Э., 20242024Храмченков М.Г., Трофимова Ф.А., Усманов Р.М., Долгополов Р.Э.Khramchenkov M.G., Trofimova F.A., Usmanov R.M., Dolgopolov R.E.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.geors.ru/jour/article/view/89

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.

An original model of microstructural transformations during clay swelling is considered, a thermodynamic and physical-mechanical description of the properties of clays during the process of swelling in vapors and aqueous solutions is given. The model proposed to explain these properties is based on the concept of mutual displacement of clay particles in clay rock aggregates during swelling with the formation of new pores between clay particles forming crystallites and aggregates. The model is based on the mechanism of utilization of the excess surface energy of clay particles during hydration, taking into account the influence of certain environmental parameters, for example, the concentration of the solution, through a change in the mutual orientation of clay particles, mainly due to rotations or shifts relative to each other, with the formation of an area available for further wetting free surface. In the thermodynamic description, such a process will manifest itself in a change in the surface interaction energy on the wetted areas of the particles when moving during mutual shifts and rotations. At the same time, one of the most important parameters of clay rock, microporosity, also changes. In this work, this phenomenon was experimentally studied using the methods of static moisture capacity and Mössbauer (NGR) spectroscopy. The proposed model makes it possible to explain the features of the clay hydration process and to compare the observed experimental data with the theoretical description of the clay swelling process.

глинистые минералымонтмориллонитнабуханиемикропористостьфункция набуханияclay mineralsmontmorilloniteswellingmicroporosityswelling functionРабота была выполнена при поддержке НИИСИ РАН, проект 0580-2021-0016. а также за счет средств субсидии, выделенной Казанскому университету для выполнения государственного задания в сфере научной деятельности (проект № 075-00216-20-05 от 04.06.2020 (часть II, раздел I)).The work was partially funded by the Joint Supercomputer Center of the Russian Academy of Sciences, Branch of Federal State Institution Scientific Research Institute for System Analysis of the Russian Academy of Sciences. Also, this work was supported by the subsidy allocated to Kazan Federal University for the state assignment in the sphere of scientific activities (project no. 0671-2020-0048 of State Assignment no. 075-00216-20-05 of 04.06.2020 (Part II, Section I)).ReferencesАдам Н.К. (1947). Физика и химия поверхностей. Москва– Ленинград: ОГИЗ Госиздат технико-теоретической литературы, 283 с.Adam N.K. (1947). Physics and chemistry of surfaces. Moscow–Leningrad: OGIZ Gosizdat tekhniko-teoreticheskoy literatury, 283 p. (In Russ.)Злочевская Р.И., Королев В.А. (1988). Электроповерхностные явления в глинистых породах. Москва: Изд-во МГУ, 177 с.Adamson A.W. (1976). Physical chemistry of surfaces. New York: Wiley, 698 pp.Кринари Г.А., Храмченков М.Г. (2005). Низкотемпературная илитизация смектита как биокосный процесс. Доклады РАН, 403(5), с. 664–669.Carlson M.R. (2003). Practical Reservoir Simulation. PennWell, 516 p.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/S1028334X08090249Dormieux 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:1020679928927Кринари 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/S1028334X11020164Eirish M.V. (1964). On the nature of the sorption state of cations and water in montmorillonite. Kolloidnyy zhurnal, 26(5), pp. 633–639. (In Russ.)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/S1028334X13100036Eirish M.V. (1960). Two fractions of sorbed cations in bentonite clays. Izv. VUZ SSSR. Khimiya i khim. tekhnologiya, 3(6), pp. 1022–1023. (In Russ.)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.2014.06.010Eirish M.V. (1976). Study of the crystal structure of organomontmorillonite complexes using electron microscopy and microdiffraction methods. Litologiya i poleznye iskopaemye, 4, pp. 144–153. (In Russ.)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.Eirish M.V., Batsko R.S., Dvorechenskaya A.A., Ivanova A.A., Pshenichnaya N.F., Soldatova N.S. (1975). Luminescent adsorption analysis of clay minerals using organic dyes. Izv. AN KazSSR, ser. Geologicheskaya, 4, p. 82–88. (In Russ.)Мироненко В.А., Румынин В.Г. (1998). Проблемы гидрогеоэкологии. М: Изд-во Моск. Гос. Горного ун-та, 611 с.Eirish M.V., Eirish Z.N., Bezzubov V.M., Evdokimova N.V., Permyakov E.N. (1980). Crystal-chemical and structural features of montmorillonite and their influence on the properties of bentonite clays. Bentonites (separate impressions). Moscow: Nauka, pp. 117–125. (In Russ.)Овчаренко Ф.Д. (1961). Гидрофильность глин и глинистых минералов. Киев: Изд-во АН УССР, 292 с.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.1970.008.3.03Осипов В.И., Бабак В.Г. (1987). Природа и механизм набухания глин. Инженерная геология, 5, с. 18–28.Foley N.K. (1999). Environmental Characteristics of Clays and Clay Mineral Deposits. https://doi.org/10.3133/70220359Осипов В.И., Соколов В.Н. (2013). Глины и их свойства. Москва, ГЕОС, 576 с.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/s10891-021-02432-4Осипов В.И., Соколов В.Н, Румянцева Н.А. (1989). Микроструктура глинистых пород. Москва: Недра, 211 с.Grim R.E. (1953). Clay mineralogy. New York: McGraw-Hill, 384 pp. https://doi.org/10.1097/00010694-195310000-00009Снежкин Б.А., Лапицкий С.А. (2021). Оценка свойств набухающих глинистых грунтов. Москва: Директ-Медиа, 416 с.Khramchenkov M.G. (2003). Elements of physical and chemical mechanics of natural porous media. Kazan: Izd-vo Kazanskogo matematicheskogo obshchestva, 178 p. (In Russ.)Сорочан Е.А. (1989). Строительство сооружений на набухающих грунтах. Москва: Стройиздат, 157 с.Khramchenkov M.G., Eirish M.V., Korniltsev Yu.A. (1995). Study of structural changes and thermodynamic model of filtration properties of clayey rocks. Geoekologiya, 5, pp. 65–73.(In Russ.)Храмченков М.Г. (2003). Элементы физико-химической механики природных пористых сред. Казань: Изд-во Казанского математического общества, 178 с.Khramchenkov M.G. (2000). Mathematical modeling of filtration and reservoir properties of clayey rocks. Geoekologiya, 4, pp. 401–405. (In Russ.)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.Khramchenkov M.G., Khramchenkov E.M., Petruha V.V. (2014). Estimation of the rate of swelling of clay rocks. Neftyanoe khozyaystvo = Oil industry, 10, pp. 54–56. (In Russ.)Храмченков М.Г. (2000). Математическое моделирование фильтрационных и емкостных свойств глинистых пород. Геоэкология, 4, с. 401–405.Khramchenkov M.G., Khramchenkov E.M., Petruha V.V. (2015). Peculiarities of swelling of clay rocks in electrolyte solutions. Neftyanoe khozyaystvo = Oil industry, 9, pp. 62–63. (In Russ.)Храмченков М.Г., Храмченков Э.М., Петруха В.В. (2014). Оценка скорости набухания глинистых пород. Нефтяное хозяйство, 10, с. 54–56.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.ch29Храмченков М.Г., Храмченков Э.М., Петруха В.В. (2015). Особенности набухания глинистых пород в растворах электролитов. Нефтяное хозяйство, 9, с. 62–63.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.2017.19Эйриш М.В. (1964). О природе сорбционного состояния катионов и воды в монтмориллоните. Коллоидный журнал, 26(5), с. 633–639.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/S1995080219120072Эйриш М.В. (1960). Две фракции сорбированных катионов в бентонитовых глинах. Изв. ВУЗ СССР. Химия и хим. технология, 3(6), с. 1022–1023.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.2018.08.006Эйриш М.В. (1976). Изучение кристаллической структуры органомонтмориллонитовых комплексов с применением методов электронной микроскопии и микродифракции. Литология и полезные ископаемые, 4, с. 144–153.Krinari G.A., Khramchenkov M.G. (2005). Low-temperature ilitization of smectite as a bioinert process. Doklady RAS, 403(5), pp. 664–669. (In Russ.)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.Krinari G.A., Khramchenkov M.G. (2008). Three-dimensional structure of secondary micas of sedimentary rocks: features and mechanism of formation. Doklady RAS, 423(4), pp. 524–529. https://doi.org/10.1134/S1028334X08090249Эйриш 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.Krinari G.A., Khramchenkov M.G. (2011). Reverse transformation of secondary micas of sedimentary rocks: mechanisms and applications. Doklady RAS, 436(5), pp. 674–679. https://doi.org/10.1134/S1028334X11020164Япаскурт О.В. (2016). Литология. М: Инфра, 259 с.Krinari G.A., Khramchenkov M.G., Rakhmatulina Yu.Sh. (2013). Mechanisms of reverse transformation of secondary micas by changes in the structure of illite-smectite. Doklady RAS, 452(4), pp. 431–437. https://doi.org/10.1134/S1028334X13100036Adamson A.W. (1976). Physical chemistry of surfaces. New York: Wiley, 698 pp.Krinari G.A., Khramchenkov M.G. Rakhmatulina Yu.Sh. (2014). Changes in the structures of mixed-layer phases of illite-smectite in the processes of flooding of terrigenous oil reservoirs. Russian Geology and Geophysics, 55(7), pp. 1153–1167. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2014.06.010Carlson M.R. (2003). Practical Reservoir Simulation. PennWell, 516 p.Kroyt G.R. (1933). Colloids. Leningrad: Goshimtekhizdat. (In Russ.) Kulchitsky L.I., Usyarov O.G. (1981). Physical and chemical bases of formation of properties of clay rocks. Moscow: Nedra, 178 p. (In Russ.)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:1020679928927Mironenko V.A., Rumynin V.G. (1998). Problems of hydrogeoecology. Moscow: Izd-vo Mosk. Gos. Gornogo un-ta, 611 p. (In Russ.)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.1970.008.3.03Mitchell J.K. (1976). Fundamentals of Soil Behavior. New York: John Wiley & Sons, Inc.Foley N.K. (1999). Environmental Characteristics of Clays and Clay Mineral Deposits. https://doi.org/10.3133/70220359Nikolaevskiy N.V. (1996). Geomechanics and fluid dynamics. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.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/s10891-021-02432-4Norrish 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.1961.0100112Grim R.E. (1953). Clay mineralogy. New York: McGraw-Hill, 384 pp. https://doi.org/10.1097/00010694-195310000-00009Norrish K. (1954). Swelling of montmorillonite. Disc. Faraday Soc., 18, pp. 120–134. https://doi.org/10.1039/df9541800120Khramchenkov 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.ch29Ovcharenko F.D. (1961). Hydrophilicity of clays and clay minerals. Kiev: Izd-vo AN USSR, 292 p. (In Russ.)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.2017.19Osipov V.I., Babak V.G. (1987). Nature and mechanism of clay swelling. Inzhenernaya geologiya, 5, p. 18–28. (In Russ.)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/S1995080219120072Osipov V.I., Sokolov V.N. (2013). Clays and their properties. Moscow, GEOS, 576 p. (In Russ.)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.2018.08.006Osipov V.I., Sokolov V.N., Rumyantseva N.A. (1989). Microstructure of clay rocks. Moscow: Nedra, 211 p. (In Russ.)Mitchell J.K. (1976). Fundamentals of Soil Behavior. New York: John Wiley & Sons, Inc.Snezhkin B.A., Lapitsky S.A. (2021). Evaluation of the properties of swelling clay soils. Moscow: Direct-Media, 416 p. (In Russ.)Nikolaevskiy NV. (1996). Geomechanics and fluid dynamics. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.Sorochan E.A. (1989). Construction of structures on swelling soils. Moscow: Stroyizdat, 157 p. (In Russ.)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.1961.0100112Tuller 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)00254-8Norrish K. (1954). Swelling of montmorillonite. Disc. Faraday Soc., 18, pp. 120–134. https://doi.org/10.1039/df9541800120Wells A.F. (2012). Structural inorganic chemistry. Oxford University Press, 1416 p.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)00254-8Yapaskurt O.V. (2016). Lithology. Moscow: Infra, 259 p. (In Russ.)Wells A.F. (2012). Structural inorganic chemistry. Oxford University Press, 1416 p.Zlochevskaya R.I., Korolev V.A. (1988). Electro-surface phenomena in clayey rocks. Moscow: Izd-vo MSU, 177 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.