ESTABILIDAD Y ESFUERZO CEDENTE DE DISPERSIONES DE ARCILLAS PARA LODOS DE PERFORACIÓN EN SOLUCIONES ELECTROLÍTICAS

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE CIENCIAS

POSTGRADO INTERDISCIPLINACIANIO DE QU{IMICA APLICADA

ESTABILIDAD Y ESFUERZO CEDENTE DE DISPERSIONES  DE ARCILLAS PARA LODOS DE PERFORACIÓN EN SOLUCIONES ELECTROLÍTICAS

SEMINARIO I

POR:

ING. WERNER ZAMBRANO

MÉRIDA, JULIO 2007

RESUMEN

El objetivo del presente seminario, es dar una breve revisión de las propiedades coloidales de arcilla, y describir el trabajo realizado hasta el presente en el área de hinchabilidad y estudio de la doble capa, para determinación de estabilidad y cálculo de esfuerzo cedente, dentro de las propiedades reológicas de una suspensión de arcilla. El estudio, se enfoca en la monmorillonita, una arcilla del grupo de “Esméctitas”, el cual, es el componente principal de las bentonitas. El hecho de hacer el estudio sobre la monmorillonita, estriba en su alta capacidad para hincharse, lo cual confiere propiedades especiales a las suspensiones de arcillas que las contienen. Además, se han realizado investigaciones significativas, en diferentes campos de aplicabilidad, una de ellas es en fluidos de perforación, en donde la interacción entre placas de arcillas y la respuesta reológica en presencia de electrolitos bajo condiciones diferentes de temperatura y presión son de relevancia considerable. Para comprender las interacciones, que ocurren con la superficie y alguna respuesta reológica, en las suspensiones resultantes, se hace necesario comprender la estructura de los minerales de arcilla, las interacciones entre las partículas de arcilla en medio acuoso, y el comportamiento de hinchamiento de las arcillas, los cuales son presentados en el siguiente informe. Por último, se muestra la teoría que da soporte a los futuros cálculos de determinación de propiedades, y  los objetivos e hipótesis correspondientes al trabajo de investigación a desarrollar.

I. INTRODUCCIÓN

        Los minerales de arcillas, son materiales ampliamente utilizados para la formulación de diversos productos en la industria como: cerámicos, cementos, lodos de perforación, pinturas, papeles entre otros [1]. Además, se encuentran entre los principales constituyentes de las rocas sedimentarias, así, cerca de la mitad de estos minerales de arcilla de las rocas sedimentarias, están constituidos por: ilitas, monmorillonitas, kaolinitas, bertieritas, atapulgitas y sepiolitas, en dicho orden decreciente; y por ende, conforman parte de la tierra y del material removido durante las perforaciones de la industria petrolera, que bajo circunstancias especiales generan una diversidad de problemas [2].

Entre las características más importantes de los minerales de arcillas en los sistemas anteriormente mencionados, destaca su capacidad de dispersión, esto es, el grado de separación entre sus partículas, las cuales en condiciones propias y adecuadas pueden proveer estabilidad y uniformidad a un sistema determinado. De ésta manera, las propiedades finales obtenidas, pueden ser deseables en algunos casos e inconvenientes en otros [1].

Otro hecho también importante en las dispersiones de arcillas, es su capacidad de generar agregados, esto puede conseguirse por cambios en las condiciones de temperatura, presión y concentración de electrolitos, modificando así las propiedades del fluido. La variación de los parámetros anteriormente mencionados, y otros, son la razón de muchas investigaciones en los sistemas arcilla – agua, en donde se intenta establecer las causas que los producen y determinar las condiciones más óptimas que favorezcan un proceso determinado.

En el presente estudio, se intenta dar un aporte a la compresión de la estabilidad de ciertas dispersiones arcilla – agua en medio electrolítico, al variar la concentración de estos últimos, presión y temperatura; que en algunos casos, corresponden a condiciones muy parecidas de trabajo de un fluido de perforación a cierta profundidad de hoyo. La investigación se lleva a cabo desde un punto de vista microscópico y teórico, a través del empleo de un modelo sencillo denominado “Modelo Primitivo Restringido”. La estructura de la arcilla empleada para el estudio, corresponde a la de la monmorillonita, en cuyo caso es el principal material que se encuentra en las bentonitas y, son ampliamente utilizadas en la industria para múltiples propósitos.

Los estudios sobre el modelo primitivo, pueden conllevar a resultados sorprendentemente aproximados con los estudios experimentales, de manera tal que se puede ahorrar tiempo y dinero en la predicción de propiedades y comportamientos; claro está, bajo ciertas limitantes. Propiedades de importancia tales como: hinchabilidad o expansibilidad de arcillas, no sólo pueden definir o dar una noción sobre las propiedades reológicas de un fluido de perforación, sino también, pueden definir las características de un material arcilloso empleado para depósito de desechos tóxicos y/o nucleares [3].

En esta primera entrega, se presenta algunas nociones básicas del sistema en estudio, dispersiones arcilla – agua, presentado en el siguiente capítulo, los trabajos previos al presente se revizan en los antecedentes bibliográficos, capítulo II, y la teoría y el modelo a emplear se explican a profundidad en el capítulo III;por último, los objetivos e hipótesis del trabajo a realizar se presentan en el capítulo IV .

I.1. ARCILLAS Y MINERALOGÍA

En el presente trabajo, se emplea como material de estudio “Monmorillonita”, una clase de arcilla perteneciente al grupo de los “Filosilicatos” que forma parte de los Silicatos cristalinos. Ésta clase de arcilla, es de frecuente investigación debido a su característica principal de “hinchamiento”. Así, las propiedades en dispersiones agua – arcilla, se encuentran fuertemente influenciadas por éste fenómeno, y por lo tanto, su uso y comercio a nivel industrial dependerán en gran medida de ésta propiedad.

Aunque la monmorillonita como material principal, no se encuentra puro, puede conseguirse en la naturaleza en minerales como “La Bentonita”, el cual puede contener una porción variable de monmorillonita que abarca desde un 46% hasta un 80% [3], o más. Por lo tanto, la bentonita ha sido el suplidor principal a nivel industrial de monmorillonita; comercializándose alrededor de 10 millones de toneladas por año para diversos usos [4].

Con el fin de justificar el modelo a emplear para el estudio de propiedades de esta clase de arcilla, se hace necesario realizar una breve descripción de su estructura, a diferencia de la realizada en la literatura [5, 6, 7], puesto que algunas propiedades de estas arcillas son consecuencia de sus características estructurales.

ESTRUCTURA

La “Monmorillonita”, por lo general, se incluye dentro de las “Esméctitas” que son “filosilicatos” del tipo 2:1, esto significa que las esméctitas, tienen estructuras organizadas laminares. Desde el punto de vista de la química estructural, estos materiales son una clase de polímeros, es decir, compuestos o mezcla de compuestos formados por  enlaces de unidades moleculares repetidas.

Los filosilicatos, grupo al que pertenece la monmorillonita, consisten de unidades estructurales basada en el apilamiento de planos de iones oxígeno e hidroxilos, este apilamiento puede darse por conformación de grupos tetraédricos (SiO)44-, los cuales comparten entre sí tres de sus cuatro oxígenos con otros vecinos formando capas, de extensión infinita y fórmula (Si2O5)=, que constituyen la unidad fundamental de los filosilicatos, ver Fig I.1. Muchas veces por sustitución isomórfica; esto es, la capacidad que un ión tiene para reemplazar a otro en la estructura sin alterar la forma del cristal; los tetraedros pueden ser de Aluminio (AlO4) en cuyo caso el silicio tetraédrico puede estar sustituido por Al3+ o de hierro por reemplazo por Fe3+. Es importante considerar la disposición de los tetraedros, estos se ubican de tal forma que generan una especie de trampa hexagonal o, más precisamente, pseudo hexagonal.

Otras de las unidades estructurales, que conforman los filosilicatos, son las hojas octaédricas Fig.I.2, expresadas como [pic 1][pic 2], en donde Mm+ comprende un catión metálico y seis aniones Xb- . En algunos casos cationes más comunes de esta unidad estructural como Al3+ o Mg2+, pueden estar sustituidos por Fe2+ o Fe3+ y más raramente por Li, Cr, Mn, Ni, Cu o Zn.

[pic 3]

Figura I.1. Diagrama representativo de la hoja tetraédrica en un filosilicato

[pic 4]

Figura I.2. Diagrama representativo de la hoja octaédrica en un filosilicato

Para el caso específico de la monmorillonita, su estructura se basa en la conformación de una hoja de tetraedros unida a una hoja de octaedros, y esta a su vez con otra lámina tetraédrica para dar lugar a la estructura T:O:T, mejor conocida como 2:1, es decir, 2 hojas Tetraédricas y 1 hoja Octaédrica. La formación de esta estructura se puede visualizar en la Fig. I.3. El plano de unión, entre capas tetraédrica y octaédrica, está formado por los oxígenos de los tetraedros que se encontraban sin compartir con otros tetraedros (oxígenos apicales), y por grupos (OH)-, de forma que, en este plano quede un (OH)- en el centro de cada hexágono formado por 6 oxígenos apicales. El resto de los (OH)-, son reemplazados por los oxígenos de los tetraedros. Sin embargo, las fuerzas que unen las diferentes unidades estructurales son más débiles, que las existentes entre los iones de una misma lámina, por ese motivo los filosilicatos tienen una clara dirección de exfoliación, paralela a las láminas.

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