Química de las arcillas DIPLOMADO-1.pdf

Diplomado: Fluidos de Perforación Módulo I: Química de las Arcillas Química de las Arcillas

agruparse para formar láminas estructurales que llamaremos “O”.

¿Qué son las arcillas? Se define como un material natural, terroso, de grano fino el cual desarrolla plasticidad cuando es mezclado con una cierta cantidad limitada de agua. Químicamente están formadas por Silicatos de aluminio hidratados, además de iones como sodio, calcio, hierro y magnesio. Se conviene en tratar como arcillas a cualquier mineral cuyas partículas sean de tamaño menor a 2 micrones

 Fig. 2. Agrupamiento de Tetraedros. “Hojas T”

Existen dos estructuras básicas que luego se combinan (enlazan) para formar las arcillas. Una es la estructura Tetraédrica conformada por Un átomo de Silicio central enlazado a cuatro átomos de Oxígeno. El acomodo espacial de esta molécula es de forma Tetraédrica (como una pirámide) donde los Oxígenos forman los vértices y el Silicio queda en el centro. (Fig. 1).

 Fig. 3. Agrupamiento de Octaedros. “Hojas O”

En la red cristalina de la arcilla, puede ocurrir que cationes divalentes sustituyan en las capas octaédricas al aluminio. Este efecto  produce una carga neta superficial negativa, que es compensada por cationes inter+ + +2 cambiables como K  , Na y Ca , que se adhieren a la superficie basal. Clasificación de las arcillas.

Podemos clasificarlas de acuerdo con varios criterios.

 Fig. 1. Estructuras unidades básicas

La otra estructura básica es una molécula de forma Octaédrica conformada generalmente por un átomo de Aluminio central, Unido a átomos de Oxígeno y/o grupos OH colocados en los seis vértices. vé rtices.

Desde el punto de vista Físico se clasifican según su estructura sea: 



Bilaminar  (formada por dos capas contiguas una Tetraédrica y una Octaédrica) llamada 1:1 ó T:O; Trilaminar  (Estructura básica de tres láminas: 2 Tetraédricas externas aprisionando a una Octaédrica central)

Las estructuras Tetraédrica se agrupan entre sí formando delgadas láminas que denominaremos “T” (Fig. 2). Del mismo modo las estructuras Octaédricas suelen  _________________________ ____________________________________________________  _____________________________________________________ ________________________ Autor: José Luis Villegas. Enero 2.013 1/6

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Estas estructuras básicas (Hojas T:O y T:O:T) se agrupan para formar las diferentes especies de arcillas que conocemos. Carga eléctrica sobre las arcillas

Debido a las sustituciones de “Si”  por otros cationes de menor carga, se obtienen diferentes minerales arcillosos con cargas eléctricas netas sobre su superficie.  Fig. 4.  Formación de estructura Bilaminar. 1:1 (T:O)

Dichas cargas pueden clasificarse como: Superficiales. Son sobre las caras de la arcilla. Son transitorias y su fuerza depende del pH, la salinidad y  presencia de iones surfactantes en el medio. Estructurales. Se deben a la fuerza electrostática de los cationes en el centro de las estructuras. 

T O T  Fig. 5. Formación de estructura Trilaminar 2:1 (T:O:T)

Otra forma de clasificar las arcillas es según su capacidad de adsorción de agua. 



Arcillas hidrofílicas. Los cationes entre las capas son intercambiables, es decir que pueden ser sustituidos por moléculas de agua. Arcillas hidrofóbicas. La unión entre capas es lo suficientemente fuerte de modo que dificulta el intercambio de cationes por agua. Esto se debe a que los cationes superficiales atraen a las capas fuertemente de modo que el intercambio de cationes por moléculas de agua es más difícil.



En las arcillas con estructuras T:O:T, se generan cargas negativas    permanentes sobre su estructura. Las cargas superficiales son las que gobiernan los mecanismos de hidratación de las arcillas. Los minerales de mayor interés para la ingeniería de perforación son: Caolinita, Esmectita o Montmorillonita, Ilita, Sepiolita, Atapulgita y Clorita. La Caolinita. Se halla generalmente entre 5 a 20% en las lutitas y areniscas.

Es del tipo T:O. Una hoja de tetraedros Si-O unida a una hoja de octaedros Al-O-OH.  No es hinchable ya que sus capas están unidas  por enlaces de Hidrógeno por lo que el agua no puede entrar entre sus capas. Tienen una CIC (Capacidad de Intercambio Catiónico o CEC) bajísima de 5 a 15 meq/100 gr.  Fig 6. Clasificación según afinidad al agua

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Diplomado: Fluidos de Perforación Módulo I: Química de las Arcillas hasta separar (Dispersión)

completamente

las

capas

Según el contenido de agua, la Esmectita varía su tamaño desde 9,6°A (el material anhidro) hasta 21,4°A (material saturado de agua). Todas las láminas están disponibles  para la hidratación y el inter-cambio catiónico.

 Fig. 7. Estructura básica de la Caolinita

Es por ello que son ideales para dar viscosidad a los fluidos a base de agua (conocidas como Bentonita, Bentonita API, etc.)

Esmectita ó Montmorillonita.

Son arcillas con estructura T:O:T

 Fig. 9. Montmorillonita sódica se hincha (hidrata) más que la cálcica

 Fig. 8. Estructura básica de la Esmectita

La presencia de iones Férricos, Magnesio, entre otros; les confiere una elevada CIC (80 a 150 meq/100 ml) y además una capacidad de adsorción de agua enorme. El agua de baja concentración salina y otras moléculas polares, incluyendo orgánicas, pueden expandir la Esmectita,

La Ilita. Es también una arcilla del tipo T:O:T, pero algunos iones “Si” han sido sustituidos por “Al”, lo que produce cargas negativas que son contrarrestadas por la introducción de iones “K” entre láminas.

Dado el pequeño radio iónico del potasio, el espacio inter láminas es tan reducido que impide la entrada de las moléculas de agua o especies hidrolizantes, por lo que NO son hinchables (No se hidratan) y presentan bajos valores de CIC (10 a 40 meq/100 ml).

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 Fig. 10. Estructura básica de Ilita. Potasio interlaminar en sustitución de Al.

 No son hinchables pero sí quebradizas. Debe tenerse cuidado con el ión potasio ya que concentraciones moderadas pueden deshidratarla y hacerla quebradiza  produciendo inestabilidad del hoyo. Arcillas Interestratificadas. Son aquellas en las que los cristales individuales están compuestos por capas de unidades básicas de dos o más tipos, como es el caso de la ilita-esmectita, cuya composición va a estar determinada por la proporción de cada uno de los tipos de estructura.

Estas arcillas pueden expandirse de acuerdo a su contenido de Esmectita. Puede que haya partículas discretas de estos minerales sin orientación preferente, constituyendo una simple mezcla o bien que haya una inter-estratificación de capas de diferentes minerales explicados anteriormente. Este tipo de arcillas pueden causar un daño considerable a la permeabilidad de la formación, debido a su migración.

 Arcillas de Capas Mixtas  A- Prop. De la CLORITA B- Prop. D e la MONTMORILLONITA C- Prop. De la ILITA

Fig. 11. Interestratificaciones

Hemos venido mencionando la CIC o Capacidad de Intercambio Catiónico, pero ¿de qué se trata? La CIC es una prueba físico-química que se realiza a las arcillas para cuantificar la cantidad de cationes que puede intercambiar. También conocida como Ensayo del Azul de Metileno (MBT siglas del inglés Metylene Blue Test) debido a que se realiza haciendo intercambiar cationes de la arcilla con el compuesto Azul de Metileno. Debido a la diversidad de minerales arcillosos que se pueden hallar y a las diferencias en sus comportamientos respecto de la hidratación y la dispersión, es conveniente cuando se  perfora una zona poco conocida, que se tomen muestras de las arcillas y se sometan a ensayos de laboratorio para determinar cuál es el mejor fluido para minimizar problemas al  perforarlas. De estos ensayos destacaremos los siguientes: Ensayos de MBT    (o CEC, CIC). (Párrafos arriba)

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Diplomado: Fluidos de Perforación Módulo I: Química de las Arcillas Las arcillas en los fluidos de perforación.

Dado que la principal función del fluido es el acarreo de los ripios (cortes), éstos deben tener viscosidades elevadas que peritan mantener a los cortes en suspensión hasta colocarlos fuera del hoyo.

 Fig. 12. CIC promedio de diferentes tipos de arcilla

Difracción de rayos X . Es un tipo de ensayo especializado que nos informa sobre los tipos de arcilla (se basa en la detección de las estructuras básicas) y hasta no indica en términos de % de cada componente arcilloso. M icroscopía electróni ca    de barrido (SRM) o de transmisión (TEM). Son vistas ampliadas miles de veces de los minerales mediante el uso del microscopio electrónico. Se logra determinar las estructuras por la tendencia de las aglomeraciones. Ensayos de hinchamiento lineal  . Los anteriores (Difracción de rayos X y Microscopía) son pruebas para caracterizar la estructura de las arcillas. Utilizan equipos muy sofisticados y costosos que no están al alcance de la mayoría de nuestros laboratorios salvo aquellos grandes dedicados a la investigación. La prueba de hinchamiento lineal es más  bien comparativa pues consiste en preparar  píldoras de la arcilla a evaluar y ponerlas en contacto con diferentes fluidos, así; monitoreando el hinchamiento de la arcilla en un tiempo dado, podemos establecer el mejor fluido (o aditivo) que garantice un mínimo de hinchamiento en el tiempo.

La forma más usual, económica y práctica es utilizar arcillas apropiadas. Por ejemplo en los fluidos a base de agua se suele emplear la Bentonita (Esmectita o Montmorillonita sódica) que se hincha apropiadamente con el agua y da excelente viscosidad. Comercialmente se consiguen diferentes variedades de esmectitas que, dependiendo de los iones inter láminas suelen tener hinchamientos relativamente mayores/menores unas que otras. Esto es denominado Rendimiento de la arcilla. Las bentonitas sódicas denominadas grado de  perforación (API) suelen tener rendimientos muy buenos. Cuando la calidad de la bentonita es inferior y se requiere de aumentar su rendimiento, se suele tratar (bien a la bentonita o al lodo) con  productos para mejorar. Algunas veces basta con tratar la bentonita (por ejemplo si es cálcica o magnésica) con  NaHCO3 (bicarbonato de sodio) o NaOH. Otras veces se utilizan polímeros que se enlazan con las partículas de bentonita y establecen ciertas estructuras flexibles que logran incrementar la viscosidad. En ocasiones el bajo rendimiento de una  bentonita puede deberse a alta salinidad o dureza del agua de preparación, con lo que deben hacerse tratamientos del agua  previamente para disminuir el ion pernicioso en el medio.

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Producto de las condiciones físico químicas del medio (pH/Alcalinidad, Salinidad, Dureza) y el tipo de arcilla, estas  pueden adoptar distintos “estados” en el fluido de perforación: Estados de las Arcillas DESFLOCULACIÓN

NaHCO3

FLOCULACIÓN

NaCl ó Cemento

 AGREGACIÓN H2O DISPERSIÓN

 Fig. 13. Estados posibles de las arcillas en el fluido.

Agregación. Es lo contrario de dispersión e indica la asociación de plaquetas individuales de arcilla cara  –   cara para formar una pila o columna. Es debida a la fuerte atracción entre las láminas de arcilla. Usualmente la agregación disminuye la viscosidad y la resistencia de gel, a la vez que la aumenta la pérdida por filtración. Se debe tomar en cuenta, que la orientación “cara –   cara” de las partículas de arcilla no los devuelve a su densidad original y su forma compacta. Se pueden dispersar estos agregados sometiéndolos a corte mecánico y/o tratamiento químico con lignosulfonatos  por ejemplo. Dispersión. Ocurre cuando la fuerza de atracción entre las capas de arcilla se debilita bien por la introducción de iones dispersantes (adelgazantes) o el agua.

Los adelgazantes cargados negativamente son atraídos a los sitios de carga positiva en las arcillas. Como resultado hay una reversión de carga en los bordes. Las partículas de arcilla ahora se mantienen suspendidas debido a los efectos repulsivos de los iones alrededor de las partículas. Floculación. Las partículas de arcilla suspendidas en agua llevan cargas positivas y negativas de superficie. En soluciones alcalinas, las cargas positivas predominan en los bordes de las partículas de arcilla, mientas las cargas negativas predominan en las caras. Esta distribución de las cargas permite que se desarrolle una estructura reversible de gel “cara –   borde”, este fenómeno se conoce con el nombre de floculación. Los agentes adelgazantes minimizan desarrollo de este tipo de estructura.

el

Con una concentración baja de partículas de arcilla, la floculación puede resultar en una  pérdida de propiedades coloidales. Entonces, la arcilla puede asentarse dejando el agua sin sólidos en suspensión. Por otra parte, en una alta concentración de arcilla dispersa, la floculación podría resultar en una excesiva gelatinización, cuando se atrapa el agua libre en su estructura. En cualquiera de los casos mencionados la floculación resultaría en tasas de filtración mayores por la red abierta que existe en la estructura de gel. Desfloculación. Es la acción mediante la cual se debilitan las asociaciones “Borde-Borde” y “Borde-Cara”. Esta acción mejora o restaura las propiedades coloidales de la suspensión de arcilla, y en el proceso, reduce el asentamiento, la gelatinización y la filtración.

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