tema vii-estructura y química de las arcillas (2015-1)

8/17/2019 Tema VII-Estructura y química de las arcillas (2015-1)

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Ing. Adaís Marval Mayo 2015

TEMA VII

ESTRUCTURA Y QUÍMICA DELAS ARCILLAS


CONTENIDO Objetivos de aprendizaje.

Introducción.

Características de los sistemas coloidales.

Arcillas.

Mineralogía de las arcillas.

Algunos grupos de arcilla mineral.


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SISTEMAS COLOIDALESSistemas coloidales o coloides:

Son mezclas que contienen partículas de tamaño muy pequeños, loscuales no pueden observarse a simple vista, pero son más grandesque el tamaño de una molécula en sí.

Las partículas son más grandes que las moléculas que forman lassoluciones.

Se componen de dos fases una dispersa (soluto) y otra continua(solvente).

Ejemplos:

a.- Pequeños sólidos dispersos en un líquido Suspensión de arcillas en agua u otro líquido.


SISTEMAS COLOIDALESSistemas coloidales o coloides (cont…):Ejemplos:

b.- Pequeñas gotas de un líquido inmiscible en otro líquido.

Emulsión de aceite en agua.

c.- Pequeñas partículas sólidas dispersas en un gas.

Humo de los autos o quema de hidrocarburos.

Sistemas coloidales acuosos las partículas de sólidos son tan pequeñasque estas se mantendrán en suspensión por un tiempo indefinido

(movimiento Browniano).

Las pequeñas partículas sólidas controlan las propiedades reológicas delfluido mediante un fenómeno de superficie.


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SISTEMAS COLOIDALESSistemas coloidales o coloides (cont…):

Dentro de los sistemas coloidales se tienen:

Arcillas minerales.

Polímeros orgánicos.

(Almidón, poliacrilamiday carboxicelulosas)


ARCILLAS MINERALESSon silicatos de aluminio hidratado [Al2O3.2SiO2.H2O], que desarrollanplasticidad cuando se mezclan con agua.

Físicamente se consideran un coloide, de partículas extremadamentepequeñas con una superficie lisa.

El diámetro de las partículas es menor o igual a 2 m (0.002 nm).


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ARCILLAS MINERALESMineralogía de las arcillas:

Estructuralmente se componen de pequeñas hojuelas de plaquetasdelgadas de cristal, normalmente apiladas, por el lado de la caraplana, unas con otras.

Una sola plaqueta, constituida por dos o tres hojas se le llama“capa”.

Las hojas pueden ser de forma:

Octaédrica.

Tetraédrica.

Varias capas (apilamiento) conforman una red cristalina.



Constituidas por átomos de aluminio (Al) o magnesio (Mg) en unacombinaciónoctaédrica con átomos de oxígeno:

a.- Hoja Octaédrica:

Átomo de aluminio (Al) o magnesio (Mg).

Átomos de oxígeno (O).


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Constituidaspor moléculas tetraédricas de óxido de silicio:

b.- Hoja Tetraédrica:

Átomo de Silicio (Si).

Átomos de oxígeno (O).


ARCILLAS MINERALESMineralogía de las arcillas:Combinación de las hojas para formar una capa:

Disposición de los átomospara conformar una capa por dos hojas tetraédricas y unaoctaédrica.

CAPA


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Hoja tetraédricaHoja octaédrica

Hoja tetraédrica

Capa

Espaciamiento basal

Superficie basal

Intercambiocatiónico yagua pura

Bordedel

cristal

a b

c

átomos de oxígeno


ARCILLAS MINERALESAlgunos grupos de arcillas minerales:Existen muchos grupos de arcillas minerales, entre los más conocidosse tienen los siguientes:

Esmectita.

Ilita.

Caolinita.

Clorita.

Capas mezcladas.

Atapulgita.

Sepiolita.


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ARCILLAS MINERALESAlgunos grupos de arcillas minerales:

Grupo de la esmectita:

Se encuentra conformada por capas compuestas de dos hojastetraédricas y una oct aédrica.

Poseen una red expandible, haciendo mayor su actividad coloidal.

Son muy sensibles a la hidratación por agua.

Dentro de este grupo se encuentran los siguientes tipos:

Pirofilita.

Talco.

Vermiculita. Sauconita.

Saponita.

Nontronita.

Montmorillonita.


ARCILLAS MINERALESAlgunos grupos de arcillas minerales:Grupo de la esmectita:

La Montmorillonita:

Arcilla muy utilizada en la preparación de los fluidos de perforación

Componente activo de las formaciones arcillosas jóvenes. Causaproblemas de atascamiento de la tubería (debido a la hidratación[hinchamiento] de las mismas), aumento de peso y viscosidad en elfluido de perforación.

El intercambio catiónico la sustitución sería:

Hoja octaédrica: Ión aluminio (Al+2) por magnesio (Mg+2), sodio(Na+), calcio (Ca+2) o hierro (Fe+3)

Hoja tetraédrica: Ión silicio (Si+4) por aluminio (Al+2).


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ARCILLAS MINERALESAlgunos grupos de arcillas minerales:

Grupo de la esmectita:

La Montmorillonita:

Cuando el ión aluminio (Al+2) es sustituido por el ión sodio (Na+) ocalcio (Ca+2) se obtiene la Bentonita.

Para el caso del ión sodio (Na+) el espaciamiento entre las capases mayor en comparación con el obtenido en una sustitución por elión calcio (Ca+2), esto ocasiona una mayor capacidad dehidratación debido al desbalance de las cargas en la superficie.


ARCILLAS MINERALESAlgunos grupos de arcillas minerales:Grupo de la esmectita:

La Montmorillonita:

Proceso de hidratación de la Bentonita sódica o cálcica.

Bentonita Sódica

Bentonita Cálcica


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ARCILLAS MINERALES

Posicionamiento de las moléculas de agua entre el espaciamientobasal de la red cristalina y/o sobre la superficie de las capas.

Hidratación:

Se encuentra influenciado principalmente por la capacidad de intercambiocatiónico y el área de superficie por unidad de peso de arcilla seca.

Todas las arcillas minerales adsorben agua, pero hay algunas queadsorben un volumen mayor que otras, debido a la expansión de suespaciamientobasal.

Moléculas de H2OCapa


ARCILLAS MINERALESMecanismos de hidratación de las arcillas minerales:Hasta ahora se han descubierto dos mecanismos de hidratación delas arcillas, que son la cristalina y osmótica.

Hidratación cristalina (hidratación de superficie):Adsorción de capas mono-moleculares de agua sobre lassuperficies basales del cristal (superficies externas e internas entreel espaciamiento basal).

Hidratación osmótica:

Retención de las moléculas de agua debido a una diferencia en la

concentración de cationes sobre las capas de la arcilla y loscontenidos en el agua.

La concentración de cationes sobre las capas es mayor que la contenidaen el agua, en consecuencia las moléculas de agua resultarán atrapadasentre y sobre las mismas.


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ARCILLAS MINERALESAsociación de las partículas de arcilla:

Condición normal de una arcilla seca:

Si se añade agua o cualquier otro líquido, la arcilla se hidratará orealizará un intercambio catiónico, pudiendo ocurrir una dispersión ofloculación de esta, dependiendo del tipo y cantidad de cationes que seencuentren presentes en el medio líquido.


ARCILLAS MINERALESAsociación de las partículas de arcilla:Dispersión:

Separación de las partículas de arcilla, mediante el proceso dehidratación cristalina y medios mecánicos, en presencia de unvolumen mayor de agua pura en comparación al volumen de arcillaseca presente .


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Floculación:

Unión de muchos cristales de arcilla debido a un desbalance decarga en la superficie de las capas que la componen (atracciónexcesiva de las cargas eléctricas), el cual es causado por lapresencia de un electrolito fuerte en la solución.


ARCILLAS MINERALESAsociación de las partículas de arcilla:Floculación:

Ejemplo: Floculación de la bentonita en presencia del ión Ca+2.


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Floculación: Una de la consecuencias principales de la floculación de la arcilla es el

aumento de la viscosidad del fluido de perforación y una alta pérdidade agua presente en este.

Para los fluidos de perforación base agua cualquier presencia de cationescomo Ca+2 o Mg+2 (presentes en el agua común o de formación) puedeocasionar:

Aumento de viscosidad.

Atascamiento de la tubería.

Disminución de la ROP.


ARCILLAS MINERALESRESUMEN: Las arcillas se encuentran conformadas por la unión de muchos cristales

muy pequeños (≤ 2 µm).

Poseen la capacidad de intercambiar iones y variar su composiciónquímica interna.

Pueden alojar iones o moléculasen el interior de su espacio interlaminar.

Presentan una gran carga electrostática en su superficie laminar, por loque su actividad química, en dicha superficie, es considerablementealta.

Los cambios físicos de su estructura laminar son reversibles (por ejemplo

el hinchamientose puede revertir).

Son la principal causa del cambio de las propiedades reológicas en elfluido de perforación.

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