Бентониты и сопутствующие материалы для ГНБ

МИНЕРАЛОГИЯ ГЛИН И ИОННЫЙ ОБМЕН

Из общего объема осадочных пород на долю глинистых приходиться около 70%. Глинистые породы составляют значительную часть разреза бурящихся скважин во многих районах, и они оказывают большое влияние на условия бурения. Глины возникли в результате разложения вулканических пород и пепла и состоят из глинистых минералов, а также минералов обломочного (слюда, кварц, полевые шпаты и др.) и химического (карбонаты, сульфаты) генезиса. Впервые они начали применяться для приготовления глинистых суспензий в 1901 г. (США).

В химическом отношении глины представляют собой водные алюмосиликаты. Наиболее важными их свойствами являются пластичность, набухаемость, гидрофильность и способность диспергироваться в воде, а мельчайшие частицы, которые зависят от минерального состава. Этими свойствами обладают, в первую очередь, глины смектитовой группы, состоящие из минерала монтмориллонита, а также гидрослюд, каолинита и ряда других. Такое сочетание групп минералов встречается в скважинах до глубины, 1000 м. До 2000 м. преобладают аргиллитоподобные глины, состоящие из минералов монтмориллонит-каолинитовых групп, ниже почти обезвоженные аргиллиты и полностью обезвоженные алевролиты. Аргиллиты представляют собой глины, подвергшиеся действию высоких давлений, температур и других факторов катагенеза (стадия жизни породы), имеют низкую пористость и не размокают в воде. Они сложены минералами каолинит-гидрослюдистой группы, которые при дальнейшем воздействии горногеологических условий превращаются в глинистые сланцы. Алевролиты занимают промежуточное положение между тонкозернистыми песчаниками и аргиллитами и характеризуются очень низкой пористостью, а также не размокают в воде.

По минералогическому составу глины делаться на несколько групп, отличающихся друг от друга химическим составом и структурой кристаллической решетки, наиболее важными из которых является монтмориллонит, каолинит, гидрослюда, палыгорскит. К монмориллонитовым минералам относиться также сапонит, нонтронит, вермикулит; к каолинитовым – каолинит, накрит, галлуазит, диккит, аноксит, энделлит; к гидрослюдистым – гидромусковит, иллит; к палыгорскитовым – сепиолит, аттапульгит, палыгорскит.

Монтмориллонит имеет слабые связи между слоями, и его кристаллическая решетка может сильно набухать при проникновении молекул воды между кристаллами. При этом давление набухания настолько велико, что частицы глины разделяются на мелкие агрегаты и даже отдельные единичные слои, увеличиваясь в объеме в 8-14 раз. В связи с этим многократно увеличивается удельная поверхность частиц, что значительно повышает их коллоидную активность.

Каолинит имеет сильную водородную связь между слоями, препятствующую разбуханию кристаллической решетки и проникновению, молекул воды между пакетами. Основная поверхность частиц адсорбирует небольшую часть замещаемых катионов, поэтому такие глины плохо диспергируются в воде.

Иллит относиться к группе гидролюд, для которых характерна сравнительно высокая коллоидность, обменная емкость и гидратация с некоторым увеличением объема, а также хорошие адсорбционные свойства. Они занимают промежуточное положение между монтмориллонитовыми и каолинитовыми минералами.

Палыгорскит состоит на 80-90% из минерала палыгорскита (аналог атапульгит), а также сепиолита, монтмориллонита и др. Палыгорскит отличается от других глин строением минералов, состоящих из пучков игольчатых пластинок, распадающихся при перемешивании в воде на отдельные узкие пластинки. В палыгорските очень мало замещенных катионов, поэтому поверхностный заряд на частицах невелик. Реологические свойства суспензий палыгорскита в большей мере зависят от механического взаимодействия между длинными тонкими пластинками, чем от электростатических сил между ними.