Глинистые минералы как дисперсная фаза буровых растворов Выполнил: Дамирчаллы Кенан Факультет: ГНПФ Группа: Баку-2018

Наиболее широко используемым типом промывочных жидкостей являются глинистые суспензии, т.е. дисперсные системы, состоящие из жидкой дисперсионной среды - воды и твердой дисперсной фазы - глины. Глина - это связная несцементированная осадочная порода, состоящая из глинистых минералов. Главными признаками глин являются высокодисперсное состояние, характеризующееся коллоидными и близкими к ним размерами частиц, гидрофильность (активное взаимодействие с водой), способность к адсорбции, ионному обмену, набуханию и проявлению упруго-вязко-пластичных и тиксотропных свойств в концентрированных и разбавленных суспензиях.

Глинистые минералы по химическому составу представляют собой водные (содержащие кристаллизационную воду) алюмосиликаты. Суммарное содержание глинозема (Al 2 O 3 ), кремнезема (SiO 2 ) и воды достигает в глинах 75 – 90 %. Остальное приходится на долю других элементов периодической системы, среди которых явно преобладают Na+, K+, Ca 2+, Mg 2+ и Fe 2+.

На основании различий в химическом составе, строении кристаллической решетки и свойствах глинистые минералы объединяют в четыре основные группы, получившие название по ведущему минералу: - группа монтмориллонита (монтмориллонит, бейделлит, сапонит, гекторит, соконит, нонтронит и др.); - группа гидрослюды (гидромусковит, гидробиотит); - группа каолинита (каолинит, диккит, накрыт, галлуазит); - группа палыгорскита.

Монтмориллонит – это основной глинистый минерал в группе бентонитов или «пресноводных гелей» и наиболее распространенный минерал в группе минералов, называемых смектитами. Состоит из октаэдрического алюмокислородного слоя, заключенного между тетраэдрическими кремнекислородными слоями, вершины которых повернуты к внутреннему слою. Верхние и нижние плоскости элементарных пакетов монтмориллонита покрыты атомами кислорода, поэтому связь между пакетами слабая (действуют лишь ван-дер-ваальсовые или межмолекулярные силы).

Рисунок Схема кристаллической решетки монтмориллонита Si OH Al 3+ Mg 2+ Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+ H 2 O АКО пакет 0, 92 … 14 н м

Кристаллическая решетка гидрослюды подобна монтмориллониту, но имеет большее число изоморфных замещений (рисунок 3.5).Так, у гидромусковита октаэдрические позиции в основном заполнены Al 3+, а у гидробиотита могут быть замещены Fe 2+ или Mg 2+. Кроме того, у того и другого минералов в тетраэдрическом слое до 1/6 всех атомов Si 4+ изоморфно замещены Al 3+, возникающий при этом отрицательный заряд компенсируется катионами К +, входящими в межпакетное пространство гидрослюд. Близкое расположение заряда, который локализован в тетраэдрическом слое, к поверхности пакета приводит к прочному ионному взаимодействию смежных пакетов с катионами К + и молекулы воды уже не могут проникать в межпакетное пространство. Для гидрослюд обменными являются лишь катионы, расположенные на механически разорванных ребрах (гранях) кристаллической решетки, в связи с чем обменная емкость (емкость поглощения) гидрослюд составляет всего 10·10 -3 … 40·10 -3 моль/100 г.

Si 4+ Al 3+ OH Al 3+ Mg 2+, Fe 2+ АКО пакет К+К+ Рисунок Схема кристаллической решетки гидрослюды

Каолинит имеет двухслойную кристаллическую решетку без зарядов на базальных поверхностях, что объясняется отсутствием изоморфных замещений (рисунок 3.6). В алюмокислородном слое значительная часть атомов кислорода замещена группами ОН -. Атомы кислорода и гидроксил ионы смежных соприкасающихся пакетов находятся друг против друга и по всей площади довольно прочно связаны водородной связью типа О – Н, которая препятствует внутрикристаллическому разбуханию решетки.

О OH Al пакет Si Рисунок Схема кристаллической решетки каолинита

За рубежом – аттапульгит (населенный пункт Аттапульгус, штат Джорджия, где в 1935 г. впервые были отобраны для исследований пробы этой глины). Как отмечалось ранее, кристаллическую решетку палыгорскита тоже можно считать трехслойной. Однако кремнекислородные тетраэдры в наружных слоях расположены необычно: в слое чередуются тетраэдры, обращенные вершинами внутрь к среднему октаэдрическому слою, и наружу.Благодаря такому расположению структурных элементов кристаллы палыгорскита имеют не пластинчатую, а игольчатую форму. Когда палыгорскит помещают в воду, он не набухает, как бентонит, и его приходится диспергировать энергичным перемешиванием. Обменная емкость палыгорскита невысока 20·10 -3 …30·10 -3 моль / 100 г, что обусловлено достаточно прочной связью ионов с элементами структуры.

Глина - это связная несцементированная осадочная порода, состоящая из глинистых минералов. Масса природной глины держится в куске (комке) за счет сил сцепления (притяжения), действующих между элементарными пакетами глины. Между элементарными пакетами монтмориллонита связь слабая, поскольку базальные поверхности покрыты атомами кислорода и между ними действуют лишь ван-дер-ваальсовы силы; пакеты гидрослюды фиксируются между собой катионами К +, входящими в межпакетное пространство, а пакеты каолинита связаны между собой довольно прочной водородной связью типа О – Н.