Исследование глин Крантауского месторождения

На сегодняшний день принадлежащие к числу важнейших неметаллических полезных ископаемых бентониты широко используются в различных отраслях промышленности. Глины представляют собой водные алюмосиликаты и их наиболее важные коллоидно-химические и технологические свойства зависят от минералогического и химического составов [6].

Добыча и производство бентонитовых глин в Каракалпакстане в настоящее время значительно отстаёт от потребностей промышленности. Развитие базы высококачественного бентонитового сырья и разработка технологий подготовки природного сырья с учетом области применения готовой продукций, особенностей их химико-минералогического состава, коллоидно-химических свойств является важной научной и практической задачей.

Качество глин месторождений Каракалпакстана по разведанным промышленным категориям сравнительно невысоко. Большинство месторождений представлены щелочноземельными бентонитами с примесью различных веществ. Однако проблема получения бентонитов с заданными свойствами может быть решена при использовании физико-химических методов обогащения и модифицирования.

Крантауское месторождение бентонитов по объему запасов является одним из крупнейших расположенных в центральных районах Республики Каракалпакстан. Утвержденные запасы бентонита 5 млн. т. Бентонит данного месторождения вследствие недостаточной изученности их физико-химических свойств, пока не нашел широкого применения. В этой связи исследование бентонита Крантауского месторождения, получение на его основе бентопорошков для различных целей, в том числе разработка способов приготовления глинистых буровых растворов являются актуальной задачей.

Основной целью данной работы является определение закономерностей модифицирования бентонита Крантауского месторождения и разработка практических основ производства бентопорошка для буровых растворов.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить комплекс исследований химико-минералогического состава и физико-химических свойств бентонита и исследовать закономерности изменение состава и свойств бентонита в процессе модифицирования.

Крантауское месторождение глин расположено на правом берегу реки Амударья, в Нукусском районе. Глины бентонитовые верхнего горизонта (К1) серого цвета, плотные, комковатые. Глины нижнего горизонта (К2) имеют мощность свыше 20 м и по сравнению с глинами верхнего горизонта более обогащены органическим углеродом. В составе бентонита (табл. 1) присутствуют оксиды кремния, алюминия, железа, титана, щелочных и щелочноземельных металлов.

Удаление крупнозернистых включений при обогащении, приводит к перераспределению массовой доли компонентов в составе глины. За счет удаления кварца, количество оксида кремния снижается в составе К1 и К2 до 61,4 и 56,4 %, соответственно, а содержание оксидов алюминия, натрия, кальция и магния увеличивается, что вызывает возрастание обменной ёмкости глин (табл. 2). Отмечается увеличение содержания монтмориллонита [1; 3].

В результате комплексного исследования качественного минерального состава бентонита рентгендифракционными методами [2] и термогравиметрии обнаружилось, что основным минералом бентонита является монтмориллонит. Минералогический состав глины К1 представлен кальциевой формой монтмориллонита, о чем свидетельствуют рентгеновские дифрактограммы, содержащие линии, характерные для последних (1,63; 0,450; 0,4493; 0,2424; 0,1740; 0,169; 0,1512 нм). Кроме того, дифрактограмма содержит еще ряд линий, характерных для иллита (1,0281; 0,4493; 0,2978; 0,1659; 0,1512 нм), каолинита (0,714; 0,4493; 0,258; 0,1512 нм), кальцита (0,3037; 0,213; 0,2019; 0,1915; 0,1862; 0,1619 нм), кварца (0,334; 0,1820; 0,1546 нм), гидрослюды (0,2838; 0,2527; 0,2018; 0,1959; 0,148 нм), полевого шпата (0,5953; 0,3236; 0,2607; 0,1915; 0,1740 нм). Интенсивность этих линий сравнительна низкая. В межпакетных позициях монтмориллонит преимущественно содержит катионы кальция и магния.

Образец глины К2 содержит в основном натриевый монтмориллонит (1,5450; 1,2923; 0,4484; 0,2592; 0,2489; 0,1767; 1,502 нм). Линии, характерные для монтмориллонита, весьма интенсивны, так как он в данном случае является основным породообразующим минералом. Кроме линий монтмориллонита, существуют также линии, характерные для иллита (1,0091; 0,4484; 0,3795; 0,3236; 0,2971; 0,1639; 0,1502 нм), каолинита (0,7161; 0,4484; 0,2.592; 0,1502 нм), гидрослюды (0,4566; 0,3607; 0,2592; 0,1767; 0,1559 нм), полевого шпата (0,3236; 0,2330; 0,1731). О том, что в глине К2 монтмориллонит представлен натриевой формой, свидетельствует рефлекс d₀₀₁ = 1,236 нм.

Таблица 1.

Химический состав природных, обогащенных и модифицированных бентонитовых глин

На дифференциально-термических кривых бентонита обнаруживается ряд термических эффектов. При температурах 90‑110 °С наблюдается интенсивный эндотермический эффект, обусловленный выделением адсорбционной и межслоевой молекулярной воды. Наличие дополнительного эффекта при температурах с максимумом 500‑520 °С вызвано удалением структурной воды.

Таблица 2.

Состав ионообменного комплекса природных и модифицированных бентонитовых глин

Ионообменный комплекс бентонита представлен ионами натрия, калия, кальция и магния (табл. 2). Суммарное содержание катионов в ионообменном комплексе бентонита К1 и К2 составляет 19,2 и 23,2 ммоль/100 г. Ввиду преобладания катионов кальция и магния в составе К1, ионообменный комплекс бентонита относится к щелочноземельному, а К2 наоборот к щелочному типу.

Кислотная обработка приводит к частичному разрушению глинистых минералов. Количество оксида кремния увеличивается до 67,1 и 65,2 % для К1 и К2, соответственно. В ходе замещения обменных ионов металлов на ионы водорода и переход ионов алюминия из структурных позиций в обменные способствует приобретению поверхности бентонито-вых глин кислых свойств.

Дисперсность глин играет важную роль при приготовлении буровых растворов [4; 5]. Частицы глин коллоидных размеров, ввиду высокой их активности, оказывают большое влияние на реологические свойства и седиментационную устойчивость буровых растворов. Величина набухания является фактором, определяющим выход бурового раствора и считается одним из критериев выбора того или иного глинистого сырья для приготовления тиксотропных буровых растворов. Результаты исследований, иллюстрирующие влияние модификатора на дисперсность и набухания бентонитовых глин и на технологические свойства приготовленных на их основе буровых растворов, представлены в табл. 3.

Таблица 3.

Реологические и фильтрационные свойства 10 %-суспензий, приготовленных с использованием модифицированных глин

Так, удаление крупнозернистых включений и обработка кальцинированной содой заметным образом увеличивают дисперсность, коллоидальность и набухаемость бентонита.

Таким образом, проведенные исследования химико-минералогического состава и физико-химических свойств природных и модифицированных форм бентонитовых глин Крантауского месторождения показали, что, используя методы обогащения и модифицирования, можно получать набор глинопорошков с заданными свойствами. Полученный в лабораторных условиях экспериментальный материал позволяет авторам рекомендовать глинопорошки к производственным испытаниям в качестве основы глинистых буровых растворов для сооружения скважин на объектах ООО «Устюртское управление разведочного бурения» на долью которых приходятся основные количества буровых работ на полезное ископаемое