Química de las Arcillas Fluidos Mexico 2014
Curso ITF´s
Agenda 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
Arcilla – Definición Propiedades Físicas Montmorillonita Il i tas Cloritas Kasolitas Capa Capaci cida dadd de de Int Inter erca camb mbio io Cati Catión ónic icoo Hidratac tación de Arcillas Agregación Dispersión Floculación Des flfloculación
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Arcilla – Definición Propiedades Físicas Montmorillonita Il i tas Cloritas Kasolitas Capa Capaci cida dadd de de Int Inter erca camb mbio io Cati Catión ónic icoo Hidratac tación de Arcillas Agregación Dispersión Floculación Des flfloculación
Arcillas Arcilla es un tér término amplio que se usa comúnmente para describ ribir los sedimentos tos, suelos los o roca rocass comp compue uest stos os de part partíc ícul ulas as mine minera rale less y mate materi riaa orgá orgáni nica ca de gran granos os extr extrem emad adam amen ente te finos. Esta Estass arci arcillllas as son son frec frecue uent ntem emen ente te blan blanda dass y plás plástitica cass cuan cuando do está estánn moja mojada das, s, pero pero se vuel vuelve venn dura durass cuan cuando do está estánn seca secas. s. En la indu indust stri riaa de flu fluido idos de perf perfooraci racióón, ciert iertoos mine inerale raless arcil rcillo loso soss tale taless com como la esme smectit ctitaa, uno de los principales componentes de la bentonita, son usados para proporcionar visco iscosi siddad, estru struct ctuura de gel y con contro trol de fil filtra trado. Las arcillas de la formación se incorporan inevitablemente en el sistema de fluido de perfora foracción y pueden causar varios prob roblemas. Po Porr lo tan tanto, los mine ineral rales arci rcillosos pueden ser benefici ficioosos sos o dañ dañino inos para ara el sist sisteema de flu fluido ido.
Arcillas Las arcillas son silicatos de aluminio hidratado, que desarrollan plasticidad cuando se mojan. Hidratación. Arcillas de formación. Arcillas comerciales. En ambos casos el grado de dispersión o hinchamiento de las arcillas depende del área de su superficie por unidad de peso, por lo tanto, a mayor hidratación mayor dispersión y por lo tanto mayor rendimiento.
Hidratación
Agregación Condición normal de la arcilla antes de ser hidratada. Las partículas están agrupadas cara a cara y pueden ser separadas por agitación mecánica y por hidratación y dispersión.
Dispersión Separación de las partículas como consecuencia de la absorción o entrada de agua. Las caras cargadas de una forma negativa se atraen con los bordes de las cargas positivas.
Floculación Originada por la atracción excesiva de cargas eléctricas. Las partículas se unen cara – arista y/o arista – arista. En el estado floculado se incrementa la asociación cara – borde entre las partículas y la consecuencia de este estado es una elevada viscosidad y un descontrol en la pérdida de agua, que por lo general es alta.
Defloculación Separación de partículas por neutralización de las cargas eléctricas, originada por los lignosulfonatos y lignitos. Las partículas pueden separarse individualmente o en grupos de dos o tres unidades por caras.
Mineralógica de las arcillas Desde el punto mineralógico, las arcillas son silicatos de aluminio de dos, tres y cuatro capas, el sílice tiene estructura tetraédrica y el aluminio octaédrica
Clasificación de las arcillas
Kaolinita
Montmorillonita
Ilita
Clorita
Arcillas comerciales
Arcillas para agua dulce Bentonita sódica Bentonita cálcica
Bentonita sódica La Bentonita es una arcilla de granos finos que contiene un porcentaje mínimo del 85% de montmorillonita. Rendimiento La Bentonita puede ser de alto o bajo rendimiento. La bentonita sódica es de alto rendimiento y la cálcica o sub – bentonita es de bajo rendimiento. Hidratación y dispersión La Bentonita sódica tiene gran capacidad de hidratación y dispersión, : En agua Dulce se hincha considerablemente hasta tal punto que su volumen final, es diez veces su volumen original. En agua Salada su rendimiento es menor, llegando a ocupar un volumen tres veces mayor a su volumen original
Bentonita cálcica La mayoría de las arcillas de formación son sódicas y pueden ser convertidas a cálcicas mediante el agregado de cal. Rendimiento La Bentonita cálcica no absorbe suficiente agua para hidratarse y dispersarse.
Arcillas comerciales
Arcillas para agua salada Atapulgita Sepiolita
Atapulgita Es un producto natural que tiene una estructura en forma de aguja y puede tener hasta 20% de impurezas en la forma de cuarzo, calcita o dolomita Hidratación, Supensión y Viscosidad La atapulgita no se hincha ni dispersa en agua dulce como la bentonita La atapulgita posee únicamente capacidad de suspensión y no es afectada en una forma adversa por la presencia de sales disueltas
Sepiolita Es un tipo de arcilla para agua salada mas resistente a las altas temperaturas que la atapulgita, al igual que la atapulgita no controla filtrado y requiere fuerte agitación mecánica para desarrollar viscosidad.
Arcillas comerciales
Arcillas para Base Aceite
Entre las arcillas que se utilizan en la preparación y mantenimiento de los fluidos base aceite se encuentra la organofílica. Estas arcillas son capaces de desarrollar buenos geles en sistemas base aceite. Mediante un proceso de intercambio catiónico, Este tipo de arcilla requiere la ayuda de un activador polar para lograr su mayor rendimiento. Precipita al contacto con el agua.
Capacidad de intercambio catiónico Es una medida de la habilidad de una arcilla específica de tomar cationes. Se expresa en miliequivalentes de azul de metileno absorbidos por cada 100 gramos de arcilla seca. Para la montmorillonita el C.E.C. puede variar entre 80 y 100, Para la clorita entre 10 y 40, Para la ilita entre 20 y 40 Para la kaolinita entre 2 y 10, Es obvio que a menor impureza, mayor será la capacidad de intercambio catiónico de la arcilla.
Control de la Hidratación El espesor de la película de agua adsorbida es controlado por el tipo y la cantidad de cationes asociados con la arcilla. Los cationes divalentes como Ca2+ y Mg2+ aumentan la fuerza de atracción entre las laminillas, reduciendo así la cantidad de agua que se puede adsorber. Los cationes monovalentes como Na+ producen una fuerza de atracción más débil, permitiendo que más agua penetre entre las laminillas. Los cationes multivalentes que tienen pequeños diámetros hidratados son los más inhibidores
Control de la Hidratación La adsorción de agua en los minerales arcillosos pueden resultar en un aumento del volumen y/o en la generación de tensiones significativas en las lutitas. Esto provoca deterioro en las propiedades mecánicas de la formación y problemas de inestabilidad de las paredes del pozo. Para retardar y evitar estos problemas, los lodos de perforación se aditivan con productos químicos y polímeros de varias clases. Por ejemplo: Compuestos de Potasio y Calcio se usan para iniciar la reacción de intercambio catiónico. Los cationes mas hidratables originalmente presentes en las arcillas y asociadas al fenomeno de hinchamiento son remplazados por cationes menos Hidratables.
Control de la Hidratación
Control de la Hidratación Los polímeros catiónicos cargados positivamente pueden ser adsorbidos sobres las arcillas cargadas negativamente. Las lutitas contienen grandes cantidades de arcillas minerales, que poseen gran densidad de carga negativa en sus superficies, esto provoca que los polímeros catiónicos puedan adsorberse fácilmente sobre estas. los sitios de adsorción pueden verse afectados de una manera contundente por el tamaño y peso molecular del polímero catiónico. La hidratación de las arcillas puede suprimirse usando polímeros catiónicos de bajo peso molecular
Control de la Hidratación Los polímeros catiónicos de pequeño tamaño molecular y bajo peso molecular pueden penetrar las capas de las arcillas muy fácilmente Como resultado de este mecanismo, una cantidad equivalente de cationes intercambiables de la arcilla y moléculas de agua asociadas con dichos cationes son desorbidos, para mantener un balance de carga o neutralización de cargas Los polímeros catiónicos adsorbidos en la arcilla ya no pueden ser intercambiados con otros cationes simples, debido a su ligado multisegmentado sobre las superficies de las arcillas La ligadura multisegmentante provee un enlace muy fuerte entre las capas y da un efecto de irreversibilidad similar al del potasio cuando reemplaza sodio en las montmorillonitas sódicas inestables
Control de la Hidratación Los polímeros catiónicos de pequeño tamaño molecular y bajo peso molecular pueden penetrar las capas de las arcillas muy fácilmente Como resultado de este mecanismo, una cantidad equivalente de cationes intercambiables de la arcilla y moléculas de agua asociadas con dichos cationes son desorbidos, para mantener un balance de carga o neutralización de cargas Los polímeros catiónicos adsorbidos en la arcilla ya no pueden ser intercambiados con otros cationes simples, debido a su ligado multisegmentado sobre las superficies de las arcillas La ligadura multisegmentante provee un enlace muy fuerte entre las capas y da un efecto de irreversibilidad similar al del potasio cuando reemplaza sodio en las montmorillonitas sódicas inestables
Control de la Hidratación Los polímeros catiónicos de alto peso molecular tienen un tamaño molecular grande y no pueden penetrar las capas de la arcilla tan efectivamente como lo hacen sus homónimos de bajo peso molecular Como resultado, la adsorción se produce primariamente sobre las superficies exteriores de la arcilla y forma un recubrimiento protector
Consecuentemente, la desorción de cationes intercambiables y la reducción de la cec son significativamente menores cuando se comparan los polímeros de alto peso molecular con los de bajo peso
Arcilla hidratada con entorno de agua Na
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Estado de agregación Na Na
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Bentonita dispersa Na
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Floculación borde a cara Na
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Floculación a agregación en NaCl al 5% -
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1% N aC l 1% F l o cNaCl c u l a t e d - Floculado
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5% N aC l 5% NaCl A g gr e Agregado g a te d
Arcillas inhibidas o agregadas en agua de mar +
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