CC BY
63
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЛИНИСТЫХ МИНЕРАЛОВ
БЕШТЮБЕНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ 1 2 Калбаев А.М. , Абдикамалова А.Б.
Email: [email protected]
1Калбаев Алишер Максетбаевич - студент, химико-технологический факультет;
2Абдикамалова Азиза Бахтияровна - доктор философии по техническим наукам, ассистент, кафедра органической и неорганической химии, Каракалпакский госуниверситет, г. Нукус, Республика Узбекистан
Аннотация: выполнен химико-минералогический анализ бентонитовой глины Бештюбенского месторождения. В результате обогащения и модифицирования происходит улучшение коллоидно-химических свойств глин, что связана с изменением их минералогического состава. Это может служить основой для повышения эффективности применения глин в производстве глинопорошков, способных при регламентированном их содержании в растворе образовывать суспензии с требуемыми реологическими и фильтрационными показателями. Ключевые слова: малоглинистые буровые растворы, монтмориллонит, обогащение, модифицирование.
THE STUDY OF CLAY MINERALS DEPOSITS BESTYUBINSK
12 Kalbayev A.M. , Abdikamalova A.B.
1Kalbayev Alisher Maksatbek - Student, CHEMICAL TECHNOLOGY FACULTY;
2Abdikamalova Aziza Bakhtiyarovna - Doctor of Philosophy in Technical Sciences, Assistant, DEPARTMENT OF ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY, KARAKALPAK STATE UNIVERSITY, NUKUS, REPUBLIC OF UZBEKISTAN
Abstract: chemical and mineralogical analysis of bentonite clay Bestyubinsk field was performed. It is shown that the result of the enrichment and modification is an improvement of colloidal chemical properties of the clays associated with the change of their mineralogical composition. It can serve as a basis for enhancing the efficiency of using clays in the production of drill mud, capable of forming suspensions with the required rheological and filtration characteristics with regulated content in the solution. Keywords: thin clay drilling fluids, montmorillonite, enrichment, modification.
УДК 541. 182.8/. 84:622.766.46
Повышение качества применяемых буровых промывочных жидкостей и его соответствие геолого-техническим условиям бурения проводки скважины влияет на технико-экономические показатели бурения. Исследовательские работы и практический опыт бурения скважин в сложных горно-геологических условиях показывают, что использования буровых растворов с низким содержанием твердой фазы наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым к буровым технологическим жидкостям. Малое содержание твердой фазы в растворе требует наряду с использованием эффективных химических реагентов-стабилизаторов, совершенствованием технологии приготовления и очистки буровых растворов, а также производства и применения глинопорошков, способных при
регламентированном их содержании образовывать суспензии с требуемыми реологическими и фильтрационными показателями.
Наиболее важные свойства бентонитовых глин, такие как набухаемость, гидрофильность зависят от минералогического и химического составов глин. Наиболее высокими технологическими свойствами обладают щелочные бентониты гидротермального и вулканогенно-осадочного генезиса, так как эти глины обладают высокой степенью адсорбции воды, характеризуется высокой набухаемостью, коллоидальностью и максимально возможной для глин связывающей способностью [1].
Научно-обоснованный выбор глинистых материалов связан с поиском перспективных месторождений природных минералов и изучением процессов их обогащения, механохимической активаций и химического модифицирования.
В качестве объекта исследования были выбраны три образца глин Бештюбенского месторождения, которые взяты сравнительно из разных глубин [2]. Для оценки пригодности глинистых минералов надо иметь набор данных об их составе. Идентификация их состава является одной из наиболее сложных задач. Для полного и точного изучения образцов глин вышеуказанного месторождения провели комплексный подход, включающий рентгенофазовый, химический и дифференциально-термические методы анализа. В результате этих исследований изучены происходящие изменения в химико-минералогическом составе в процессе обогащения и модифицирования. Для оценки качества глинопорошка использовали показатель их набухаемости, суточный отстой и вязкость их суспензий.
Химический анализ тонких фракций глины выполнялся по ГОСТ 2642-81, согласно которому определяют весовые проценты SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, MnO, CaO, Na2O, K2O и P2O5. Исследование минералогического состава глины проводилось методом рентгенофазового анализа (РФА) с помощью рентгеновского порошкового дифрактометра XRD-6100 (Shimadzu, Japan). Гранулометрический состав глины определялся методом седиментационного анализа по ГОСТ 21216.2-81, который основывается на различных скоростях оседания частиц разных размеров под воздействием гравитационных сил в растворе. Набухание глин исследовалось с помощью прибора ПКН-2, условная вязкость и фильтрационные показатели их суспензий определялись на приборах ВБР-2М и ВМ-6, соответственно.
Глины нижнего горизонта этого месторождения (Б1) зеленовато-серые, жирные на ощупь и плотные при высыхании. Глины верхнего горизонта (Б2) зеленого цвета, визуально представляют собой крепкую, с раковинистым изломом осадочную породу с небольшими неравномерными включениями известняка алевролитовой размерности. В южной и восточной частях месторождения мощность слоя глин уменьшается, пласт размыт и обнажаются нижележащие песчаники. Глины указанной площади (Б3) зеленого цвета, жирные, плотные ожелезненные. Здесь выявлены глины гидрослюдисто-каолинит-монтмориллонитового типа. Бентонитовые и бентонитоподобные глины этого месторождения обязаны своим происхождением в основном вулканогенно-осадочному и частично гипергенному генезису [3].
Известно, что в состав глин входят различные количества неглинистых минералов. Поэтому, перед изучением химико-минералогического состава производили сушку на воздухе и освобождали от заметных примесей и включений. Рентгеновские исследования образцов глин сделаны в воздушно-сухом состоянии, после насыщения глицерином и при нагревании до 6000С.
Как показали результаты рентгеновских исследований, в составе Б1 и Б2 каолинит присутствует в виде незначительной примеси, только в Б3 достигает 11 %. В этих образцах каолинит определен базальными рефлексами при межплоскостных расстояниях d001=0,714, d002=0,355-0,357 нм, исчезающими после нагревания образцов при температуре 550-6000С из-за разрушения кристаллической решетки каолинита. Наличие гидрослюды доказывает базальные рефлексы при межплоскостных
расстояниях ^02=0,98-0,99; ^04=0,49 нм, не изменяющиеся положения после насыщения глицерином, а также после нагревания до 600сС.
По данным РФ А минералогический состав Б1 представлен щелочным монтмориллонитом, характеризующийся рефлексом, зарегистрированных на дифрактограммах при межплоскостном расстоянии, равном ^01=1,25 нм. После насыщения образцов глицерином рефлекс (001) смещается до 1,77 нм. В условиях полной дегидратации минерала (после прокаливания при 6000) рефлекс (001) снижается до 0,96-0,98 нм. Полученные дифрактограммы характеризуются серией базальных отражений, типичных для известных монтмориллонит содержащих глин [5]. Следовательно, монтмориллонит является основным породообразующим минералом
По содержанию глинозема глины следует относить к типу полукислых. В результате анализа солянокислой вытяжки глин установлено, что содержание Я203 образце Б1 и Б2 достигает 9 %. Важно отметить, повышенное содержание Я203, вероятно, связано с наличием в составе глин свободного глинозема, минералов из группы цеолитов и гидроксидов железа. После пересчета количественного содержания оксидов на глинистые и неглинистые минералы обнаружено, что эти образцы отличаются от глин других месторождений Узбекистана малым содержанием кальцита и доломита. Результаты химического анализа образцов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Химический состав глин Бештюбенского месторождения, их обогащенной и модифицированной формы, % на сухое вещество
Содержание, % на сухое вещество
Глина О 53 О н + О О ^ СаО М§О О я г О О о? О О О СЛ п.п.п
исходная 58,31 16,69 4,91 2,02 1,19 5,52 3,25 0,11 0,42 0,59 7,4
обогащенная 54,07 17,38 3,16 1,96 1,46 6,81 4,02 0,08 0,34 0,51 10,21
исходная 63,45 18,75 2,92 3,45 1,18 1,65 0,75 0,21 0,56 0,74 6,9
обогащенная 59,24 19,78 3,12 3,95 1,72 2,03 0,34 0,18 0,54 0,26 8,9
модифици рованная* 58,46 19,68 3,16 1,93 1,18 3,03 0,42 0,22 0,58 0,31 11,08
исходная 63,27 18,45 3,64 2,48 1,59 - - 0,39 0,64 0,78 9,4
обогащенная 61,28 19,21 3,52 2,78 1,76 - - 0,26 0,54 0,62 10,03
модифици рованная** 58,08 19,83 3,48 1,93 1,58 3,21 - 0,29 0,72 0,54 10,34
* глина модифицирована кальцинированной содой в количестве 3,5 % от массы сухой глины. ** глина модифицирована кальцинированной содой в количестве 4,5 % от массы сухой глины.
Данные термического анализа полностью соответствуют результатам РФА. В термограммах Б1 и Б2 имеются три последовательно ослабевающие эндотермические эффекты. Первый (100-160сС) самый интенсивный, глубокий, связан с выделением адсорбированной воды, характерный для монтмориллонита. Следует отметить, что различие в расположении второго эндотермического эффекта у этих образцов, скорее всего, связан с количеством монтмориллонита в них и присутствием примесей органических веществ [6]. Кривые для Б1 свидетельствуют о высокой гидрофильности. Термические кривые Б3 свидетельствуют о его существенном
полиминеральном составе (гидрослюды, монтмориллонит, смешаннослойные образования), поэтому пределы эндо- и экзоэффектов в нем близки.
Одним из направлений улучшения качества глин является использование эффективных методов их обогащения и модифицирования. Для очистки и обогащения глин использовали методы, представленные в работе [7]. Лабораторные испытания показали, что в результате обогащения происходят заметные изменения в химико-минералогическом составе глин, что сказывается на их свойствах. Так, после обогащения степень набухания глин увеличилась для Б1 от 0,534 см3/г до 1,374 см3/г. Приготовленная суспензия, с условной вязкостью 25 с, содержит всего 4-4,5 % твердой фазы, что соответствует выходу бурового раствора 21 -24 м3 из одной тонны глины. Использование обогащенной глины позволяет получить кинетически и агрегативно устойчивые коллоидные системы. Увеличение твердой фазы до 7-8 % приводит к резкому увеличению вязкости и получению высокоструктурированных глинистых суспензий.
Вышеуказанные данные о свойствах суспензий доказывают возможность приготовления глинопорошков высокого качества на основе Б1 без дополнительной обработки модификаторами.
Набухающая способность Б2 и Б3 без обогащения составляет всего 0,127 и 0,098 см3/г, соответственно. В результате обогащения их набухающая способность увеличивается в несколько раз. Но эти обогащенные формы глин не способны образовывать кинетически и агрегативно устойчивые суспензии. Суспензия, приготовленная из обогащенной формы Б2, содержит не менее 15 % твердой фазы, что соответствует выходу бурового раствора 6 м3 из одной тонны глины. При этом суточный отстой суспензии, т. е. количество свободной воды составляет 25-30 %. Еще более неудовлетворительные технологические свойства проявляет буровой раствор, приготовленный на основе Б3, при этом выход раствора составляет 3-3,5 м3 (таблица 2).
Таблица 2. Структурно-механические и реологические свойства 10 % суспензий образцов глин
Глина Пластическая вязкость, мПа*с Условная вязкость, с (Определена с помощью ВБР-2) Чй и и ё И о "ё и и - с> я и Суточный отстой, % Стабильность, г/см3
Б-1 исходная 10,4 24 30 45 4 0,01
обогащенная 18,8 58 130 >200 0 0
Б-2 исходная 9,1 18 22 28 44 0,1
модифицированная 15,3 38 70 120 1 0
Б-3 исходная 7,1 16 15 16 68 0,22
модифицированная 14,2 32 56 98 1 0
Для получения качественных глинопорошков на основе Б2 и Б3 следует наряду с обогащением комовых глин целесообразно применить к ним методы модификации, которые основываются на ионном обмене. Химическое модифицирование может быть использовано для изменения химических свойств поверхности, прежде всего его гидрофильности и гидрофобности. В результате модифицирование глины, возможно увеличение агрегативной устойчивости, целенаправленные изменения реологических и фильтрационных свойств суспензий. В результате модифицирования наблюдается снижение содержания оксида кремния, вероятно за счет растворения свободного кремнезема в щелочной среде, а количество оксидов алюминия, железа, щелочных
металлов в образцах увеличивается, что доказано в результате химического анализа (таблица 1). Модификация привела к увеличению степени дисперсности и повышению гидратации частиц, о чем свидетельствует уменьшение степени водоотдачи суспензий. Из данных таблицы 2 видно, что модификация улучшает кинетическую устойчивость и реологические свойства системы, в результате увеличивается выход раствора.
В результате установлен наиболее благоприятный режим модифицирования с использованием кальцинированной соды в количестве 3,5-4 % от массы сухой глины. В результате замещения щелочноземельных металлов в ионообменном комплексе на ионы натрия, содержание последних возрастает в несколько раз, что приводит к увеличению ионообменной емкости до 48,2 и 32.4 ммоль/100 г соответственно для Б2 и Б3.
Разработанная технология предполагает модифицирование путем введения соды в водную суспензию глины в процессе обогащения. Технология обеспечивает получение порошка заданного гранулометрического состава. Технология включает последовательные стадии: подготовки (резка, измельчение), размола в шаровых мельницах мокрого помола с получением водной суспензии концентрацией 30 % и модифицирования - введения карбоната натрия, хранения в емкости с постоянным перемешиванием, фильтрации - отделения крупнозернистых частиц, сушки с получением гранулированного порошка.
Технология обеспечивает химическое модифицирование и одновременное обогащение глинопорошка, повышения качества готовой продукции. В результате обогащения и модифицирования происходят изменение свойств бентонитовых глин, что связано в первую очередь изменением их минералогического состава.
Таким образом, проведенные исследования химико-минералогического состава и физико-химических свойств природных и модифицированных форм бентонитовых глин Бештюбенского месторождения показали, что, используя методы обогащения и модифицирования, можно получать набор глинопорошков с заданными свойствами.
Список литературы /References
1. Осипов В.И., Соколов В.Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств. // М.: ГЕОС, 2013.
2. Калбаев А.М., Абдикамалова А.Б. Исследование глин Крантауского, Бештюбенского и Ходжакульского месторождений // Вопросы науки и образования. Изд. Научные публикации, 2018, С. 8-13.
3. Курбаниязов К.К., ЗакировМ.З. Бентониты Каракалпакии. // Ташкент: Фан, 1979.
4. Тарасевич Ю.И., Овчаренко Ф.Д. Адсорбция на глинистых минералах. // Киев. Наукова думка, 1975.
5. Белоусов П.Е., Бочарникова Ю.И., Боева Н.М. Аналитические методы диагностики минерального состава бентонитовых глин. // Вестник РУДН, 2015, № 4, с 94-101.
6. Белоусов П.Е. Геологическое строение, минеральный состав и генезис Тихменевского месторождения бентонита: Автореф. дис. канд. гео. мин. наук. М., 2013.
7. Абдикамалова А.Б., Хамраев С.С. Химико-минералогический анализ бентонитовых глин Крантауского месторождения и возможности повышения эффективности их применения как сырья для получения глинистых буровых растворов. // Узбекский химический журнал, 2015, №5, с. 32-35.
