8. Основные физико-химические процессы в буровых растворах.

8.1. Реакции замещения и присоединения на поверхности глин

Основным механизмом управления состоянием дисперсных сред являются процессы обмена, замещения и присоеди­нения на поверхности твердой фазы. Глины, являясь носителями значительной физико-химической активности, интенсивно взаимо­действуют с окружающей средой, образуя большую гамму адсорбционных и хемосорбционных соединений.

Основные формы взаимодействия глин со средой сводятся к об­менным реакциям замещения (ионный обмен), необменным или ча­стично обменным реакциям замещения и реакциям присоединения. В реальных условиях эти реакции зачастую проходят одновременно, взаимно накладываясь.

В первую очередь следует остановиться на реакциях ионного обмена. Для ионного об­мена установлены такие закономерности обычных химических реак­ций, как эквивалентность, обратимость, подчинение закону действия масс. Однако эти реакции протекают лишь на поверхности глинистых частиц и ограничены величиной обменной емкости.

Катионные замещения ведут к существенному изменению глин и глинистых суспензий. Действие каждого катиона индивидуально и зависит от его размеров, гидратации, активности. Тем не менее, существует два основных типа катион-замещенных глин - натриевый и кальциевый. Первый, к которому относятся замещения на щелочные металлы (литий, натрий и др.), характеризуется максимальным набуханием, легкой размокаемостью и пептизацией. Суспензии этих глин высокотиксотропны. Кальци­евый тип, к которому относятся щелочноземельные, водородные и поливалентные замещения, отличается минимальным набуханием и размоканием, низкой коллоидальностью. Суспензии этих глин в большей или меньшей степени коагулированы.

Необходимо различать замещения в тетраэдрических и октаэдри­ческих слоях. Если для первых характерны прочные связи, то у по­следних они более лабильны, так как действуют, например, в монт­мориллоните, изнутри структуры через большие расстояния.

У минералов с жесткой или малоподвижной решеткой большее значение имеют ненасыщенные, оборванные связи в местах излома частиц, возрастающие по мере измельчения. При этом усиливаются некомпенсированность зарядов частиц - и обменная способность. Сравнительно небольшая площадь участков с экспонированным зарядом обусловливает малую адсорбционную способность этих глин.

Наряду с обменными процессами, на поверхности глины проис­ходят и необратимые реакции. К ним относятся замещения гидро­ксилов на фтор, фиксация фосфатов и других анионов, необратимые замещения органических и неорганических катионов и целых групп.

Наряду с этим имеет место фиксация в поверхностных слоях целых соединений. В частности, глины способны к поглощению гидроксида натрия, а также извести, усиливающееся при нагре­вании. В этих условиях известь с компонентами решетки и пылеватыми примесями образует гидросиликаты и гидроалюминаты. связывание извести глиной в известковых буровых растворах происходит и при обычных температурах. Химически связывается глиной и фосфорная кис­лота.

Большое значение имеют прочные, практически необменные, замещения в поглощенном комплексе глин на органические катионы или соединения, обладающие основными свойствами. Таковыми являются различные амины, алкалоиды, белки и основные органи­ческие красители.

Замещения на органические катионы производятся в соответ­ствии с обменной емкостью.

По мере насыщения поверхности органическими катионами, блокирующими активные участки, падают гидрофильность глины и ее обменная способность. Подобный же эффект оказывают образу­ющиеся на поверхности глины сернистые соединения.

Другой вид замещений в обменном комплексе связан с поглоще­ниями основных органических красителей и окраской ими глин и суспензий. В основе их лежат реакции вытеснения обменных не­органических катионов комплексными катионами органических красителей, преимущественно тиазиновых (метиленовый голубой) и бенэидиновых.

Наряду с указанными процессами, глины способны к реакциям присоединения органических радикалов и целых молекул с образованием поверхностных глино-органических комплексов. Это обеспечивается силами водо­родных, ковалентных и координационных связей.

Все они могут быть характеризованы как неорганические полимеры с привитыми органическими группами или полимерными цепями. Такого рода соединения возникают в ре­зультате химической обработки глинистых суспензий.

Большое распространение среди глиноорганических соединений имеют вещества эфирной природы.

Необходимо указать на существование соединений и других типов. Полярные молекулы гликолей, полигликолей и полигликолевых эфиров интенсивно сорбируются в меж­пакетных промежутках монтмориллонита, вытесняя из них воду.