Файл: Минералогия глин минералогия глин.pptx

МИНЕРАЛОГИЯ ГЛИН

МИНЕРАЛОГИЯ ГЛИН

• В природе глины встречаются в виде неоднородной смеси мелкоизмельченных минералов:
• Кварц
• Полевой шпат
• Кальцит
• Пирит и т.д.,
• но большую часть коллоидоактивных компонентов глин составляют один или несколько видов глинистых минералов.
• Глинистые минералы имеют кристаллическое строение.

• Анализ глин проводят с помощью рентгенограммы и адсорбционных спектров, а также посредством дифференциального термического анализа.
• Большинство глин по своему строению напоминает слюду. Чешуйки глин состоят из мельчайших кристаллических пластинок, образующих пакет, в котором базальные (основные) поверхности параллельны.
• Отдельная пластинка называется единичным слоем и состоит из элементов: октаэдрических подслоев, образованных атомами алюминия или магния, находящимися в октаэдрической координации с атомами кислорода. Если металл представлен атомами алюминия, эта структура напоминает минерал гиббсит Al2 (ОН)6.
• В этом случае: две из трех возможных позиций в структуре могут быть заполнены атомами этого металла, поэтому такой подслой назван диоктаэдрическим.

• Если металл представлен атомами магния, эта структура идентична минералу бруситу Mg3(OH)6. Все три позиции заполнены атомами этого металла, и подслой называют триоктаэдрическим.
• Подслои связаны между собой общими атомами кислорода.
• В кристаллической решетке слои удерживаются вместе только силами «Вандер-Ваальса» (следует напомнить, что силы «Ван-дер-Ваальса» способствуют притяжению молекул) и побочными связями между расположенными рядом атомами. Поэтому кристаллическая решетка легко расщепляется вдоль базальных поверхностей с образованием мельчайших чешуек, напоминающих слюду.

• Пирофиллит и тальк — это прототипы глинистых минералов группы смектитов, но истинно глинистыми минералами не являются. Они расщепляются (а не разрушаются) на очень тонкие пластинки, которые характерны и для глинистых минералов.
• Кристаллы глинистого минерала несут заряд, возникающий в результате изоморфных замещений одних атомов в их структуре другими иной валентности.
• Например, если один атом Аl3+ замещается одним атомом Mg2+, возникает дефицит заряда. Это создает отрицательный потенциал на поверхности кристалла, который компенсируется адсорбцией катиона. В присутствии воды адсорбированные катионы могут вступать в обменные реакции с катионами других видов, присутствующими в воде, поэтому их называют обменными катионами.

---

• Замещения могут происходить в разных подслоях, причем в реакции обмена могут участвовать самые различные катионы, так что возникают бесчисленные виды группировок и перегруппировок глинистых минералов.
• Степень замещения участвующих в обмене атомов и обменных катионов оказывает большое влияние на свойства буровых растворов в связи с изменением таких характеристик глин, как набухание и диспергируемость. От этого показателя зависят также реологические и фильтрационные свойства буровых растворов.

МЕХАНИЗМЫ ГИДРАТАЦИИ, НАБУХАНИЯ И ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ГЛИН.

• МЕХАНИЗМЫ НАБУХАНИЯ ГЛИН
• Набуханием называют процесс взаимодействия жидкости с твердым веществом, сопровождающийся увеличением его объема и массы.
• В случае глинистых пород увеличение их объема при взаимодействии с водой происходит вследствие положительного расклинивающего воздействия гидратных слоев, образующихся вокруг частиц.
• Взаимодействие воды с сухой глиной начинается со смачивания ее поверхности. Процесс смачивания поверхности частиц протека­ет с выделением тепла и сопровождается уменьшением суммарного объема системы глина – вода.

Механизм набухания

• Механизм набухания
• Результат взаимодействия глины с водой бурового раствора, проявляющееся в росте влажности, объёма частиц, давления, приводит к распаду структуры глинистых частиц, обобщенно называется понятием "набухание глинистых пород".
• Процесс набухания глинистых пород разделяют на две стадии: адсорбционного (или внутрикристаллического) и макроскопического (или осмотического) набухания.
• Первая стадия набухания глинистых пород связана с поглощением влаги в результате действия адсорбционных сил и заканчивается в основном при влажности, близкой к максимальной гигроскопической. Эта стадия мало влияет на изменение объёма пород в целом, поскольку объём влаги при этом в значительной степени соизмерим с объёмом её пор.
• Вторая стадия набухания глинистых пород обусловлена процессами поглощения влаги вследствие осмотических сил или осмотического давления, возникающего вблизи поверхности глинистых частиц и создаваемого избыточной активной концентрацией отдиссоцированных с поверхности частиц обменных ионов (катионов). Существенное приращение объёма грунта происходит именно на этой макроскопической стадии набухания. Приращение объёма при набухании глинистых пород зависит от сочетания адсорбционных, осмотических и капиллярных сил.

---

• Набухание наиболее выражено в слабосцементированных переуплотненных глинистых породах, содержащих глинистые минералы с эластичной кристаллической решеткой. Все факторы, от которых зависит набухание глин, можно подразделить на четыре типа:
• состав и структура твердой части глинистых пород (гранулометрический состав, минеральный состав, структурно-текстурные особенности, состав обменных катионов, влажность и др.);
• химический состав взаимодействующего с глиной раствора;
• температура, при которой идёт набухание;
• величина давления, под которым находится грунт.
• Состав глинистых пород оказывает влияние на процесс их набухания в зависимости от величины их удельной поверхности, а также от количества и вида обменных ионов, то есть от величин их ионной и поверхностной активности. Глинистые минералы, характеризующиеся высокой сорбционной активностью в отношении молекул воды, играют значительную роль в процессе.

• С уменьшением валентности катиона или радиуса катиона при одинаковой валентности, значительно понижается взаимодействие катиона с поверхностью глинистых частиц, в силу чего величина набухаемости растёт.
• Li+ > Na+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Al3+ > Fe3+ На набухание глинистых пород немалое влияние оказывают структурно-текстурные особенности глинистых пород: тип структуры, структурные связи, плотность, ориентированность и сложность их текстуры.
• При нарушении природных структурных связей, величина набухания в глинистых отложениях увеличивается. Ученые доказали, что глинистые породы имеют деформацию набухания в 1,5 раза в перпендикулярном направлении слоистости больше, чем в параллельном направлении слоистости.

• Кроме вышесказанных факторов, от которых зависит величина набухаемости, причём необходимо учесть влияние температуры и осмотического давления, при которых идёт процесс набухания. Следует из экспериментальных данных ученых, относительная величина набухания глинистых пород изменяется в зависимости от давления по экспоненциальному закону. Характер набухания глинистых пород зависит от температуры. Чем больше нагрета порода, тем выше этот эффект.

• Влияние набухания глинистых отложений на устойчивость ствола скважины
• Взаимодействие водной фазы бурового раствора с разбуриваемыми горными породами является главным фактором влияния на устойчивость стенок скважины при вскрытии глинистым отложениям. В основном потеря устойчивости горной породы на глинистых отложениях связана с разрушением их естественного влажностного равновесия, следовательно вызывает рост дополнительных внутренних напряжений в поровом пространстве.
• Набухание глинистых грунтов может приводить к распаду структуры разбуриваемых горизонтов и обвалам, а так же изменению диаметра ствола скважины, вследствие того, возникает осложнение. Диспергирование набухшей глинистой породы ведёт также к отклонению параметров бурового раствора от заданных значений и снижению эффективности работы породоразрушающего инструмента на забое скважины.
• При вскрытии глинистого сланца горизонтальные напряжения в породе на стенке скважины снимаются и обезвоженный сланец начинает адсорбировать воду из бурового раствора. Если развивающееся при этом давление набухания вызывает увеличение центробежного растягивающего напряжения до уровня, превышающего предел текучести, ствол скважины дестабилизируется. Поэтому, при проектировании скважины и приготовлении бурового раствора нужно учитывать способность возникнуть набухание глинистых пород в ходе бурения.
• Согласно производственным опытам нельзя предупредить нарушение устойчивости стенок скважины и уменьшить уровень набухания глинистых пород в приствольном пространстве путем снижения показателя фильтрации бурового раствора. В связи с обладанием высокой гидрофильностью и способностью к ионному обмену, адсорбции, набуханию, глинистые породы могут впитывать в себя жидкую фазу бурового раствора.

---

---