4. Компоненты буровых растворов. ТВердая фаза буровых рстворов. Химия глин.

4.1. Структурные особенности водных алюмосиликатов

Если для промывки скважины применяют суспензии, то их ос­новные коллоидно-химические и технологические свойства опре­деляются в значительной степени составом дисперсной (твердой) фазы. В качестве твердой фазы таких промывочных жидкостей мо­гут быть как минеральные, так и синтетические органические, не­органические, а также органо-минеральные соединения. Из мине­ральных веществ для приготовления промывочных жидкостей ис­пользуются такие, которые можно легко получить в высокодисперс­ном виде. Это прежде всего различные глинистые породы, реже мел, асбест и др.

В качестве синтетических соединений для приготовления про­мывочных жидкостей могут применяться слаборастворимые ввод­ных растворах неорганические и органические соли и комплексы, получаемые, как правило, непосредственно в дисперсионной среде путем создания в ней соответствующих условий. Такими соедине­ниями, например, могут быть некоторые гидроксиды, сульфаты, силикаты, органические комплексы поливалентных металлов и др.

Кроме перечисленных веществ, являющихся активной частью твердой фазы, дисперс­ной фазой могут быть выбуренные частицы (шлам) и различные технологические компоненты, например утяжеляющие (барит, ге­матит, мел и т. д.).

В качестве промывочных жидкостей наибольшее применение имеют суспензии, в которых активной твердой фазой являются вы­сокодисперсные разности глин.

Глины представляют собой тонкообломочные смеси минералов (в основном кристаллического строения), образовавшиеся в ре­зультате физико-химического выветривания горных пород.

Основ­ную их часть составляют глинистые минералы, представляющие высокодисперсные и относительно стабильные минеральные соеди­нения группы водных алюмосиликатов слоистого или слоисто-ленточного строения, преимущественно образовавшихся в процессе физико-химического выветривания горных пород. Их высокая дис­персность, характеризующаяся коллоидными и близкими к ним размерами частиц, обусловлена спецификой свойств базальных поверхностей микрокристаллов этих частиц.

Основу слоистого строения глинистых минералов составляют кремнекислородные тетраэдрические и алюмогидроксидные октаэдрические сетки, неограниченно развитые в плоскости. Тетраэд­рические сетки состоят из тетраэдров, связанных между собой че­рез вершины своих оснований. Четыре вершины тетраэдра [SiO₄]^4- заняты анионами О^2-, а в центре его находится более мелкий катион. Расстояния Si-О в тетраэдрах меняются в зави­симости от структурного типа силиката в пределах (1,55-1,72) • 10^-8 см. В слоистых силикатах средние расстояния Si-О в пределах одного тетраэдра равны 1,62 • 10^-8 см. Центральная пози­ция в тетраэдрах иногда частично изоморфно замещается на А1³⁺. При этом в слоистом силикате расстояние А1-О уже составляет в среднем 1,77 • 10^-8 см. Сопоставление этих расстояний с суммой ковалентных радиусов Si и О, а также А1 и О свидетельствует о преимущественно ковалентном характере связей в тетраэдрах.

В такой непрерывной трехмерной структуре выделить отдель­ную молекулу не удается - валентные связи каждого иона разде­ляются между окружающими ионами. Число окружающих ионов является координационным числом данного иона, и оно тем боль­ше, чем меньше различие в размерах ионов (табл. 3.1).

Таблица 3.1 Различные типы координации ионов

Избыток отрицательных зарядов в тетраэдрическом оксианионе [SiO₄]^4- или октаэдрической ячейке [АlO₄]^5- может быть нейтра­лизован присоединением каких-либо катионов или соединением не­скольких тетраэдров. Соединение тетраэдров осуществляется через мостиковые ионы кислорода O^м. В слоистых силикатах в каждом тетраэдре три иона кислорода, через которые образуется кремнекислородный слой, - мостиковые и только один ион кислорода, че­рез который этот слой соединяется с октаэдрическими катионами - немостиковый (О^нм). Такой слой соответствует формуле [Si₂O₃^мО₆^нм].

Амфибольные ленты - двойные цепочки - имеют также один немостиковый и три мостиковых иона кислорода. В случае 6-членного (из 6 тетраэдров) звена они соответствуют формуле [Si₄O₅^мО₆^нм].

Октаэдрические сетки образуют октаэдры, сочлененные боко­выми ребрами. В центре октаэдра [А1(О, ОН)₆] располагается ка­тион А1³⁺, очень часто изоморфно замещаемый Fe³⁺, Cr³⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Li⁺ и др. Вершины октаэдра заняты кислородом или гидроксид-ионами.

Если в октаэдрическом слое ионами А1³⁺ или Fe³⁺ заняты не все центры октаэдров, а лишь 2/3 всех возможных заме­щений, то этот слой имеет диоктаэдрическое строение. Соединение октаэдров в нем происходит через два гидроксид-иона, причем каждый из них оказывается связанным с двумя ионами алюминия. Если же вместо ионов А1³⁺ в октаэдрических слоях будут находиться ионы Mg²⁺ (или Fe²⁺), то они благодаря меньшему заряду способны занять все возможные центры в октаэдрах и слой будет иметь триоктаэдрическое строение.

Центры многогранников, как в тетраэдрических, так и в октаэдрических слоях располагаются гексагонально, причем гексаго­нальные ячейки обеих слоев соизмеримы между собой.

Слои, соединяясь между собой в различных сочетаниях, образуют кристал­лические решетки глинистых минералов. Иными словами, кристал­лическая решетка глинистых минералов образуется сочетанием кремнекислородных и кислород-гидроксид-алюминиевых слоев (см. табл. 3.2).

В глинистых минералах соотношение между этими слоями, образующими пакеты, обозначают цифрами 1:1, 2:1, 2:2. При соединении тетраэдрического и октаэдрического слоев ионы О^2- тетраэдрического слоя, расположенные на вершинах те­траэдров, становятся общими для обоих слоев, т. е. служат «мости­ками» между ионами Si⁴⁺ одного слоя и ионами А1³⁺ другого слоя. Такая структура наиболее устойчива, так как число положительных зарядов Si⁴⁺ и А1³⁺ в этой структуре равно числу отрицательных зарядов О^2- и ОН^-