Набухание и диспергирование

Катионный обмен

Прежде чем говорить о механизмах набухания глины, нужно уяснить химизм глин. Предпосылкой для глубокого понимания состава и поведения глин является инженерное образование. К счастью, для большинства работников буровой отрасли глубокое понимание не требуется, хотя определенные знания нужны. Чем больше мы понимаем, тем лучше. Автор отсылает заинтересованных читателей к работе Gray et al.¹ и к отраслевым руководствам по буровым растворам, которые помогут хорошо узнать минеральный состав и химические аспекты работы с буровыми растворами.

Кристаллы глинистых минералов несут поверхностные заряды, компенсируемые адсорбцией обменных катионов. Катион - это положительно заряженный ион. Он притягивается к отрицательному заряду на поверхности кристалла глинистого минерала и удерживается на поверхности кристалла, как магнит на холодильнике. Адсорбированные катионы изменяют физические свойства глины. Специфические свойства глины зависят от типа адсорбированного иона.

Обменным катионом называют ион, который может быть заменен другими ионами в присутствии воды. То волшебство, которое демонстрируют инженеры по буровым растворам, обрабатывая набухающие глины, основано на обмене ионов, содержащихся в глине, на ионы, помогающие удерживать вместе пластинчатые глинистые частицы. Это возможно потому, что один ион может заменить другой, если его валентность выше. Способность ионов адсорбироваться обычно соответствует следующему лиотропному ряду:

Н⁺ > Ва⁺⁺ > Sr⁺⁺ > Са⁺⁺ > Cs⁺ > Rb⁺ > К⁺ > Na⁺ > Li⁺

Как можно видеть, водород Н⁺ адсорбируется очень легко. Это объясняет сильное влияние показателя рН на основные реакции обмена.

Следует отметить, что монтмориллонит обладает более высокой селективностью по отношению к ионам калия (К⁺), чем к ионам кальция (Са⁺⁺) и натрия (Na⁺). Это обусловлено " негидратируемым" размером катиона. Ион К⁺ имеет как раз такой размер, какой нужен для встраивания в гексагональную " дырку" в кристаллической решетке (атомной структуре) монтмориллонита. Другие ионы имеют меньший размер в свободном состоянии, но при гидратации они фактически становятся больше ионов калия.

Механизмы набухания

Есть два механизма набухания глин - кристаллизационное (адсорбционное) набухание и осмотическое набухание. Поверхностная гидратация или кристаллизационное набухание - адсорбция слоев молекул воды на поверхности глинистых частиц и в межслоевом пространстве кристаллической решетки глинистых минералов. Этот процесс называют кристаллизационным набуханием, вероятно, потому что вода настолько прочно удерживается на поверхности водородными связями, что становится квазикристаллической. Эта вода принимает такую же гексагональную координацию, которая характерна для гидроксидов в атомной структуре глины. Вода так прочно связана, что имеет более высокую вязкость и примерно на 3 % меньший объем, чем свободная вода у поверхности кристалла.

На поверхности смектитов адсорбируется несколько слоев молекул. Водород в воде первого слоя связывается с кислородом в глине. Водород связывается так прочно, что полярность молекул воды сильно возрастает (рис. 8-67). Атомы кислорода, содержащиеся в первом слое воды, притягивают атомы водорода из других молекул воды, таким образом к первому слою воды притягивается второй слой. Притягиваются также третий и четвертый слой воды. Четвертый слой связан не так прочно, как третий, второй или первый слой. Первый слой связан так прочно, что для выдавливания этой воды из глины требуется давление 80 тыс. фунт/дюйм². Для удаления второго слоя требуется уже 40 тыс. фунт/дюйм², для удаления третьего слоя - 20 тыс. фунт/дюйм², и для удаления четвертого слоя - всего лишь 10 тыс. фунт/дюйм². В процессе адсорбции эти слои кристаллической воды создают гидратационные напряжения, равные указанным значениям давления.¹

Положительный заряд в полярной молекуле воды притягивается к отрицательному заряду на поверхности глинистой породы. Вода связывается с глиной, и ее полярность возрастает. К слою воды, связанному с поверхностью глинистой породы, присоединяются дополнительные слои молекул воды. Вода " прилипает" к поверхности глинистой породы, приобретая квазикристаллическую структуру, и ее очень трудно удалить.

В межслоевое пространство глинистых минералов могут втянуться только четыре слоя воды, поэтому большого набухания не происходит. Однако гидратационные напряжения будут очень высоки.

Рис. 8-67 Кристаллизационное набухание

В результате кристаллизационного набухания объем смектитовых глин может увеличиться вдвое. Кристаллизационное набухание характерно также для филлитовых и других глин, но в меньшей степени. Вода не проникает между слоями жесткой кристаллической решетки иллита и каолинита. Тем не менее, вода адсорбируется на краях и вызывает некоторое гидратационное напряжение.