Існує велика кількість глинистих мінералів, однак ті з них, які цікавлять нас з точки зору використання в бурових розчинів, можна розділити на три групи.
Мінерали першої групи - аттапульгит або сепіоліт - складаються із зерен голчастої форми і не розбухають у воді. Вважається, що реологічні властивості глинистого розчину залежать від форми зерен. Природна дрібнозернистість і игольчатая форми обумовлюють і своєрідну «щетиноподібними» структуру суспензії, що володіє високою колоїдної стабільністю навіть при підвищеній концентрації електролітів. Завдяки своїй формі і стійкості до розбухання, такі глини зовсім не придатні для контролю фільтрації. Тому аттапульгит головним чином використовується як загусник в розчинах на основі солоної води, а сепіоліт часто застосовують як додатковий загусник в геотермальних і високотемпературних свердловинах. Ці глини рідко (якщо взагалі) присутні в пластовій породі. Компанія MI SWACO реалізує аттапульгит під торговою маркою Salt Gel *, а сепіоліт під маркою DuroGel *.
Друга група - пластинчасті неразбухающіе (або незначно розбухають) глини: Ілліт, хлорит і каолініт (див. Нижче). Третя група - пластинчасті інтенсивно розбухають глини монтморіллоніти. Друга і третя група глинистих мінералів зустрічається в пластових породах (перераховано в порядку убування): (1) Ілліт, (2) хлорит, (3) монтмориллонит і (4) каолинит. Так як дані глини залягають в разбуріваемих пластах, вони в тій чи іншій мірі диспергують в буровому розчині. Монтморилоніт, що залягає в глинистих пластах, є зазвичай кальцієвих монтморилонітом (так як він знаходиться в хімічному рівновазі з пластовими водами, як правило, багатими кальцієм). Для збільшення в'язкості і зниження водовіддачі в буровий розчин зазвичай додають натрієвий монтмориллонит (вайомінгскій бентоніт, MI Gel і MI Gel Supreme). Фільтраційно-реологічнівластивості бурового розчину зазвичай залежать від концентрації в ньому того чи іншого виду глини. Так як монтморилоніт спеціально додається в буровий розчин для регулювання його параметрів, інші види глин можуть вважатися забруднюючими домішками - вони не так ефективні, як промислово готуються глини.
Залягає в природних умовах глина має шарувату структуру, товщина кожного шару - близько 10 ангстрем (Å). Це означає, що в кожному міліметрі товщини глини знаходяться близько мільйона шарів. Кожен шар глини - дуже гнучкий, тонкий і має величезну площу поверхні. Окрему частку глини можна уявити собі як аркуш паперу або целофану. Сумарна площа поверхні одного грама натрієвого монтмориллонита становить 8 073 кв. футів (750 м2)! Глина шарами адсорбує воду і розбухає так інтенсивно, що слабшають сили, які стримують окремі шари, і ті відокремлюються одна від одної. Таке відділення шарів відомо як дисперсія. При відділенні зростає число окремих частинок, отже, збільшується і площа поверхні, що призводить до збільшення щільності суспензії. На Рис. 1 показана фотографія частинок бентоніту під мікроскопом. Зверніть увагу, що вона нагадує колоду карт, складених «віялом». Видно кілька перекривають один одного пластинчастих частинок. Саме ця характерна форма частинок і служить причиною так званого «ефекту черепиці», найбільш важливого механізму контролю фільтрації.
Глини зазвичай бувають двох типів: двошарові (каолін) і тришарові (монтморилоніт, хлорит або Ілліт). Кожна частка глини складається з пачки декількох паралельних шарів. Окремий шар - це комбінація тетраедральних (чотиригранних) пластинок з оксиду кремнію і октаедральних (восьмигранних) пластинок з оксиду алюмінію або оксиду магнію. Тришарові глини складаються з шарів, складених двома тетраедральнимі пластинками по обидва боки октаедральной; такі шари нагадують бутерброд (див. Рис. 2). Двошарові глини складаються з шарів, складених тільки однієї тетраедральной і однієї октаедральной пластинками.
Електричний заряд глини може бути нейтральним або негативним. Наприклад, пірофілліт [Al2Si4O10 - (OH) 2] - електрично нейтральна глина (вона показана на Рис. 3), ця глина схожа за своєю будовою на негативно заряджений монтмориллонит.
Монтморилонітові глини (тришарові глини)
Якщо в кристалічній решітці замінити всього один атом магнію (Mg2 +) на атом алюмінію (Al3 +), з'явиться один додатковий електрон, а електричний заряд стане негативним (див. Рис. 4).
Сумарний негативний заряд компенсується адсорбцией катіонів (позитивно заряджених іонів) на зовнішньої і внутрішньої поверхні пачки шарів.
Катіони, адсорбовані на поверхні шару, можуть обмінюватися з іншими катіонами; такі катіони називають обмінними. Кількість катіонів на одиницю ваги глини називається ємністю катіонного обміну. Катіони можуть володіти як одиничним позитивним зарядом (наприклад, Na +), так і подвійним (Ca2 +, Mg2 +). Відповідно існує натрієвий монтмориллонит, кальцієвий монтмориллонит і / або магнієвий монтморилоніт. Хоча вайомінгскій бентоніт в цілому вважається натрієвих монтморилонітом, обмінні іони кальцію і магнію можуть становити від 35% до 67% сумарної ємності катіонного обміну. Найбільш характерна ознака монтмориллонита - міжшарове розбухання (гідратірованіем) в воді (див. Рис. 5 і 6).
На додаток до заміщення магнію (Mg2 +) алюмінієм (Al3 +) в кристалічній решітці монтмориллонита, можливі й інші заміщення. Тому термін «монтмориллонит» використовується як загальна назва для цілої групи мінеральних структур. Однак останнім часом загальновизнаним стало групове назва «смектит», а термін «монтмориллонит» вживають в основному для опису глин, що містять алюміній. Ця група включає в себе монтморилоніт, Гектор, сапоніт, нонтроніт і деякі інші мінерали.
Иллитом (тришарові глини)
У иллитом та ж основна структура, що і у монтмориллонитов, проте в них не спостерігається міжшарове розбухання. Замість заміщення Mg2 + на Al3 +, як у випадку з монтморилонітом, в иллитом відбувається заміщення Al3 + на Si4 +, сумарний заряд при цьому теж стає негативним. Компенсаційні катіони - це, головним чином, іони калію (К +) (див. Рис. 6). Сумарний негативний заряд в результаті заміщень іонами калію зазвичай в півтора рази більше, ніж у монтмориллонита.
Відстань між шарами - 2,8 Å. Діаметр іона К + - 2,66 Å. Це дозволяє К + проходити між шарами впритул, утворюючи зв'язок, яка запобігає розбухання иллитом в воді. Так як поодинокі шари глини не розбухають і не відокремлюються один від одного в воді, міжшарові іони калію (К +) не доступні для обміну. Обмінними іонами можуть стати тільки іони калію, які містяться на зовнішніх поверхнях.
Серед глинистих мінералів зі структурою 2: 1, під час проходки глин зустрічаються смектит, Ілліт або змішані шари иллитом зі смоктати. Ці глини викликають численні ускладнення, пов'язані з нестійкістю стінок свердловини і погіршенням параметрів бурового розчину. Проблемний характер цих глинистих мінералів пов'язаний зі слабкістю зв'язків міжшарових катіонів і слабким електричним зарядом на поверхні шарів, що і призводить до розбухання і дисперсії при контакті з водою. Зі збільшенням глибини залягання глин, смектит поступово трансформується в змішаний шар з иллитом і смоктати, і, нарешті, в Ілліт і слюду. В результаті глинисті пласти розбухають не так сильно, проте на великих глибинах спостерігається більш інтенсивна дисперсія глин в воді.
Хлорити (тришарові глини)
За своєю структурою хлорити відносяться до групи тришарових глин. У чистому вигляді хлорит не розбухає, однак незначне гідратірованіем може мати місце при зміні складу глини. У хлоритів компенсаційні катіони між шарами, які подібні до верствам монтмориллонита, заміщуються на шар октаедрального гідроксиду магнію, або брусита (див. Рис. 6). Цей шар має сумарний негативний заряд завдяки заміщенню Mg2 + на A13 + в шарі брусита. Хлорит зазвичай знаходять в старих глубокозалегающих морських осадових відкладеннях. При бурінні хлорит не викликає значних ускладнень, якщо тільки він не присутній у великій кількості. Ємність катіонного обміну хлорита варіюється від 10 до 20 мг-екв. / 100 г, головним чином через розрив зв'язків. Міжшарове відстань зазвичай становить 14 Å. Хлорит може входити до складу змішаного шару, поряд з іншими мінералами, наприклад, смоктати. В результаті змішана глина має властивості обох мінералів.
Каолініт (двошарові глини)
Каолініт - неразбухающая глина, шари якої міцно пов'язані один з одним водневими зв'язками. Це і запобігає розбухання, так як вода просто не може потрапити між шарів. Каолініт не має міжшарових катіонів або поверхневого заряду через відсутність або зовсім незначного катіонного заміщення тетраедральних або октаедральних пластин. Однак деякий електричний заряд все ж може утворитися при розриві зв'язків або через наявність домішок. Таким чином, каолініт володіє відносно низькою ємністю катіонного обміну (від 5 до 15 мг-екв. / 100 г). У місцях залягання каолинит зазвичай становить від 5% до 20% осадових порід (глин або пісковиків).
У зведеній Табл.1 перераховані основні характеристики глинистих мінералів, схематичне порівняння структури глин показано на Рис. 6.
Читайте далі Ємність катіонного обміну