Здатність диспергуватися у воді на дрібнесенькі частинки.

Водні суспензії глин, що утворюють тиксотропні структури, є най­більш поширеними та універсальними типами бурового розчину.

Типи глин і глинопорошків. За хімічним складом глинисті мінерали належать до водних алю­мосилікатів, алюмомагнійсилікатів або силікатів.

До складу глин входять близько 40 алюмосилікатів. Найважливішими і широко розповсюдже­ними групами мінералів є монтморилонітова, каолінітова, гідрослюдиста та палигорскітова, які відрізняються одна від одної хімічним складом та структурою кристалічної решітки.

До монтморилонітових мінералів належать монтморилоніт, сапоніт, нонтроніт, вермикуліт;

• до каолінітових — каолін, накрит, галуазит, дикіт, енделіт, апоксит;

• до гідрослюдистих — іліт, гідромусковіт;

• до палигорскітових — секіоліт, атапульгіт, палигорскіт.

В глинистих матеріалах обмінними катіонами являються Са²⁺, Мg²⁺, K⁺, Na⁺, H⁺, NH⁴⁺.

В природних глинах основні обмінні катіони натрій або кальцій і глина отримує назву відповідно натрієвою або кальцієвою. Як правило глини в природі змішані, але вплив одного з катіонів є більший.

Можливе теж штучне перетворення натрієвих глин в кальцієві і навпаки за рахунок обміну катіонів. Наприклад, перехід кальцієвої глини в натрієву здійснюється за допомогою кальцинованої соди.

У глинистих мінералах обмінними є катіони Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, H⁺, NH+. У природних глинах морського походження обмінні катіони, в основному, представлені натрієм і калієм. Такі глини називаються натрієвими. Вони мають підвищені колоїдно-хімічні властивості. У порів­нянні з глинами річкового походження в обмінному комплексі таких переважають іони кальцію і магнію. В Україні використовують бентонітові, суббентонітові, палигорскітові та каолініт-гідрослюдисті глини.

Бентоніти складаються, в основному, з мінералів монтморилонітової групи.

При змочуванні таких глин (водою або іншою полярною рідиною) відбувається значне зростання об'єму глини (набухання) та диспергування її до елементарних частинок.

Частинки бентонітової глини мають лускату пластинчасту будову, їх лінійні розміри перебу­вають у межах 0,01—0,4 мкм та приблизно в 10—100 разів більші від їх товщини. Питома поверх­ня 1 г бентоніту дуже велика. Здатність до набухання є зворотною. Найбільш доцільно використовувати бентоніти з високою ємністю обміну з переважним вмістом Na⁺. Такі бентоніти утворюють суспензії з необхідними структурно-реологічними властивостями при відносно малій концентрації твер­дої фази.

Палигорскіт(атапульгіт) — це водний алюмосилікат магнію, що має стрічково-шарувату структуру. Кристалічна структура палигорскіту нагадує структуру амфіболу і утворює цеолітоподібні канали розміром 0,64—0,37 нм. Обмінна ємність палигорскіту є невисокою (20...30-10^-3 моль на 100 г глини), що пояснюється труднощами обміну іонів, міцно зв'язаних з елементами структури в середині цеолітоподібних каналів, на частку яких припадає значна частина поверхні мінералу. Частинки палигорскіту мають голчасту форму довжиною 1,1—0,6, шириною 0,015— 0,035 та товщиною 0,005—0,015 мкм. Взаємодія між частинками обумовлена механічним зчеп­ленням голчастих частинок. У зв'язку з цим при виробництві порошків треба намагатися зберегти голчасту форму частинок.

Гідрослюди (гідромусковіт або іліт) мають структуру, подібну до структури монтморилоніту. Різниця полягає лише в більшій кількості ізоморфних заміщень. В іліті, наприклад, два іони Аl³⁺ в октаедрах можуть заміщуватися двома іонами Mg²⁺. Дефіцит заряду, локалізований в кремне­кисневому шарі поблизу поверхні елементарних пакетів, компенсується необмінними катіонами К⁺, розташованими в гексагональних вічках міжпакетного простору. Більша фіксованість пакетів зумовлює неможливість появи між ними полярних рідин, а це означає відсутність набухання. Обмінними є лише катіони, розташовані на краях. Гідрослюдисті мінерали переважають в багатьох мінеральних глинах, що застосовуються як місцеві матеріали для бурових розчинів.

Каолінітимають кристалічну двошарову (1:1) решітку без зарядів на поверхні. Каолініт важко диспер­гується, має малу обмінну ємність та погано набухає, оскільки катіони і вода не можуть проник­нути в міжпакетний простір. Частинки каолініту є шестикутними, мають вигляд дещо витягнутих пластинок, їх максимальний поперечний розмір дорівнює 0,3—0,4, товщина 0,05—2 мкм.

У природі широко розповсюджені глини змішаних типів, наприклад, гідрослюди з монт­морилонітом та каолінітом. Колоїдно-хімічна активність таких глин (обмінна ємність, набухання тощо) залежить від вмісту в них монтморилоніту.

Основним показником якості (сортності) таких глин є вихід розчину, тобто утворення кубічних метрів глинистої суспензії із заданою в'язкістю та вмістом піску, отриманої з 1 т глини.

Всі глини за колоїдними властивостями поділяються на три групи:

► висококолоїдні бентонітові глини— саригюський (1 сорт) і черкаський (1 сорт) бентоніти (ці глини створюють добре структуровані суспензії при концентрації 3—4% за об'ємом, що відповідає виходу розчину понад 10 м³/т);

► глини середньої колоїдності— оглаплинський, черкаський (2 сорт), саригюський (2, З сорти) бентоніти (забезпечують вихід розчину 4—10 м³/т);

► низькоколоїдні глини— дружківська, куганацька, нафтоабадська, биклянська (вихід розчину менше 4 м³/т). Вони характеризуються високим вмістом твердої фази в суспензії (14—22% об'ємних) і високою густиною (1220—1350 кг/м³).

Технічні вимоги до глин для приготування глинопорошків і бурових розчинів регламентуються ТУ 39-044—74 (таблиця 6.1).

Таблиця 6.1 − Показники якості глин для приготування глинопорошків і бурових розчинів

Примітка. Сировина для отримання палигорскітового порошку має відповідати вимогам 1-го сорту.

Для прискорення приготування бурових розчинів глини використовують у вигляді порошків.

Глинопорошокявляє собою висушену та подрібнену природну (або з домішками хімічних реагентів) глину. Звичайно застосовують глинопорошки з бентонітових, палигорскітових і гідрослюдяних глин.

Під час помелу глин є можливість покращання якості глинопорошків шляхом їх обробки різними хімічними реагентами (кальцинованою содою, метасом, поверхнево-активними речовинами та ін.).

Ефект модифікації виражається в підвищенні в'язкості глинистої суспензії за рахунок дис­пергування глини, збільшення об'єму зв'язаної води і в'язкості дисперсійного середовища та підсилення гелеутворення.

Наприклад, така обробка дозволяє підвищувати вихід розчину з бентоніту з 10 до 18—20 м³/т і вище.

Основний показник якості (гатунку) глин – вихід розчину, тобто кількість глинистої суспензії з заданою в’язкістю УВ = 25 с, що одержується з 1 т глини (таблиця 6.2.).

Таблиця 6.2 − Показники якості глинопорошків

Згідно ТУ39-01-08-658-81 глинопорошки розділяють на такі види :

ПБ– порошок бентонітовий, групи Б, В, Г,Д і Н

ПБМ– порошок бентоніовий модифікований, групи А, Б, В і Г

ПКГ – порошок каолін-гідрослюдистий, групи Д і Н

ПП– порошок палегорскітовий, групи В, Г, Д і Н.

Глинопорошки мають ряд переваг перед сирою грудковою глиною:

► диспергування дрібних частинок відбувається швидше і повніше, ніж великих, у зв'язку з чим приготування бурового розчину з глинопорошку вимагає менше часу і отриманий розчин має вищу якість;

►транспортування глинопорошків, особливо на великі відстані, обходиться дешевше;

►застосування глинопорошків дозволяє механізувати і автоматизувати процес приготування розчину.

Технологічно і економічно вигідніше використовувати бентонітові глинопорошки, які дають більш високий вихід розчину, ніж із такої самої кількості сирої глини, оскільки вони дозволяють полегшити та прискорити приготування бурового розчину, знизити витрати на транспортування, приготування та регулювання властивостей розчину і отримати розчини високої якості з малим вмістом твердої фази.

Область застосування палигорскітового порошку зумовлена його здатністю добре диспер­гуватися як у прісній, так і в мінералізованій (до насичення) воді. Для палигорскітового порошку характерна сповільнена пептизація. Форсування її механічним шляхом призводить до пошкоджен­ня волокон. Тому доцільнішою є попередня гідратація палигорскіту в чані з наступним диспергу­ванням у воді шляхом попереднього перемішування.

Дисперсійне середовище розчинів.

За складом дисперсійного середовища бурові розчини поділяються на два класи:

► розчини на водній основі, дисперсійним середовищем яких є вода(прісна або морська)і розсоли солей;

► розчини на вуглеводневій основі, дисперсійним середовищем яких є нафта або нафтопро­дукти(головним чином дизельне пальне).

Вода (прісна, морська). Вода є дуже реакційноздатною сполукою через наявність в її мо­лекулі двох неподільних пар електронів. Вона розчиняє багато органічних та неорганічних речовин. З неорганічних сполук у воді розчиняється більшість солей, кислот, основ, а їх розчини стають електролітами. Гази, як правило, теж добре розчиняються у воді, якщо вони вступають з водою у взаємодію (NH₃, СО₂,НСІ, SО₂ тощо). З органічних речовин у воді розчиняються ті, в молеку­лах яких є полярні групи.

При розчиненні речовин вода приєднується до молекули речовини або до іонів, тобто відбувається гідратація. Остання може супроводжуватися значними тепловими ефектами. Іони гідратуються тим сильніше, чим більшим є їх заряд і чим меншим — їх радіус. При виділенні речовини з розчину вода, зв'язана у гідратах, залишається в їх складі як кристалізаційна.

Природні води характеризуються:

• сухим залишком — умовним показником, що визначає вміст (у мг/л) розчинених і колоїд­них домішок, які залишаються після випаровування;

• наявністю домішок, які легко окислюються, в мг/л О₂, витраченого на окислення в стан­дартних умовах;

• загальним вмістом (сумарною концентрацією) розчинених у воді мінеральних солей;