Механоактивационные методы в области производства эффективных бентопорошков для бурения

Минерально-сырьевая база бентонитов в России представлена, в основном, низко- и среднекачественными щелочноземельными бентонитами и бентонитоподобными глинами. При этом ежегодная потребность страны в бентонитах, особенно в высококачественных, составляет 650 тысяч тонн, а производство бентопорошка для бурения, в том числе активированного, — 150 тысяч тонн. В связи с этим весьма актуальной является проблема создания современных технологий переработки низкокачественных бентонитов с целью получения на их основе продукции с оптимизированными технико-экономическими показателями. Физико-химические свойства бентонитов, прежде всего, адсорбционные и катионообменные, напрямую зависят от содержания основного породообразующего компонента монтмориллонита и его структурных особенностей. Как известно, процесс активации монтмориллонита можно производить различными методами. Наиболее широко распространены 3 метода: «мокрый», «сухой» и активация в суспензии. При «мокрой» активации готовят пасту из бентонита, воды и заданного количества соды, высушивают смесь и затем ее измельчают. При этом получают активированный бентонит и осадок из нерастворимых и слаборастворимых солей типа СаСО3 и МgCO3. «Сухую» активацию осуществляют путем механического перемешивания соды с бентонитом в определенной пропорции. Активация в этом случае происходит за счет естественной влажности самого бентонита.

Метод активации в суспензии заключается в роспуске глины в шаровой мельнице с водой и содой. Для активации использовался раствор соды. Активация осуществлялась по следующей реакции: Na, Са, Mg —бентонит + Na2CO3 (раствор) = Na-бентонит + Са,Mg (раствор). Количество Са и Mg, перешедшего в раствор, определялось химическим путем. При 2% концентрации содой замещается примерно 75 % от суммы обменных катионов. В результате проведенных опытов установлено, что при низкой концентрации соды (0,1 %) замещение происходит не полностью. Переизбыток соды в растворе (концентрация 2-5 %) отрицательно влияет на процесс замещения катионов кальция натриевыми. Осадок из нерастворимых солей СаСО3 и остатки свободной соды в готовом бентопорошке негативно сказываются на процессе приготовления и эксплуатации бурового раствора при строительстве скважин. Бентонит, прошедший механоактивацию с 1% концентрации соды, показал практически полное замещение катионов и отсутствие нерастворимых солей СаСО3 и следов свободной соды.

Кристаллическая структура монтмориллонита (ММ) представляет взаимосвязь трех составляющих элементов матрицы — силикатного слоя с избыточным отрицательным зарядом, положительно заряженных компенсаторов этого заряда — внеслоевых (обменных) катионов и молекулярносвязанной воды, выполняющей функцию нейтрализатора (-) и (+) зарядов. На основе механизма воздействия давления сдвига разработан способ получения эффективных глинопорошков для буровых растворов с добавками и без них. Для обеспечения оптимальной влажности смеси во время активации, карбонат натрия вводят в форме водного раствора в глину, что облегчает и ускоряет активное их взаимодействие и изменение свойств глинистых частиц: ионы Na+ замещают обменные ионы Са2+. После помещения такой глины в водный раствор глинистые частицы переходят в высокодисперсное состояние с максимально активной поверхностью для связывания воды, что влечет за собой набухание глинистых частиц и рост вязкости глинистого раствора.

При меньшей влажности глины и особенно использовании воздушно-сухих образцов при измельчении почти не идет обмен Са2+ на Na+. Их взаимодействие происходит только после помещения глинопорошка в воду, но механически поглощенные соли в этих условиях слабо взаимодействуют с глинистыми частицами; выход бурового раствора в несколько раз ниже, чем у глинопорошков подвергнутых механоактивации при более высокой влажности. На примере глины Саригюхского месторождения показана зависимость выхода бурового раствора от влажности, при которой производится механохимическая активация.