QUIMICA DE LAS ARCILLAS

CONTENIDOS1. DEFINICION2. ESTRUCTURA FUNDAMENTAL DE

LAS ARCILLAS3. CLASIFICACION DE LAS ARCILLAS4. PROPIEDADES DE LA ARCILLA5. GRUPOS MINERALES ARCILLOSOS6. ARCILLA EN LOS FLUIDOS DE

PERFORACION

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1. DEFINICION:Las arcillas son aquellas sustancias terrosas formadas principalmente por silicatos alumínicos con materia coloidal y trozos de fragmentos de rocas, que generalmente se hacen plásticas cuando están húmedas y pétreas por la acción del fuego. Está compuesta principalmente por sílice, alúmina y agua; conteniendo también otras substancias como fragmentos de rocas, de óxidos hidratados de hierro, álcalis y materiales coloidales.

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2. ESTRUCTURA FUNDAMENTAL DE LAS ARCILLAS:La mayoría de las arcillas tiene una estructura semejante a las micas, es decir se hallan formadas por laminas de cristales dispuestos cara a cara como un mazo de barajas, una placa individual se halla compuesta por átomos dispuestos de una forma lateral u octaedral, estos paquetes pueden presentar diferentes configuraciones.Cristal, es la porción homogénea de materia con una estructura atómica ordenada, definida y con forma externa limitada con superficies planas y uniformes simétricamente dispuestas. Su estructura puede ser tetraedral u octaedral.

2.1. Estructura tetraedral: la unión de varios tetraedros nos genera hojas que se extienden a lo largo y a lo ancho, dando origen a las estructuras laminares. Veamos de cerca qué ocurre al unir los vértices para formar anillos tipo 6T (seis tetraedros), como se muestra en la figura. Las puntas de los tetraedros se encuentran a la misma altura, formando un plano, de igual manera ocurre con los átomos de silicio situados en el centro de los tetraedros y con los de oxígeno situado en las bases. La articulación de esos tres planos nos conduce pues a la formación de una hoja tetraédrica (tipo T).

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2.2. Estructura octaedral: el oxigeno o los hidroxilos forman dos hileras compactas coordinadas con un centro que puede ser hierro, aluminio o magnesio. Esta queda ilustrada en la siguiente figura:

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3. CLACIFICACION DE LAS ARCILLAS:Si bien el tamaño coloidal de las partículas hace que todas las arcillas sean activas en los lodos de base agua y el grado de actividad varia de una a otra por consiguiente varia el efecto viscosifivante.

Los minerales de mayor interés para el Ing. De fluidos de perforación son: kaolin, mica, llita, montmorillonita, sepiolita, atapulgita, clorita entre otros. Las características de estos minerales se hallan identificados en la siguiente tabla:

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PROPIEDADES KAOLIN MICA MONTMORRILLONITA ATAPULGITA CLORITA

TIPO DE

ESTRUCTURA

1:1 2:1 2:1 2:1 2:1

ESTRUCTURA

CRISTALINA

HOJA HOJA HOJA HOJA HOJA

FORMA DE

PARTICULA

PLATO PLATO ESCAMA AGUA PLATO

TAMAÑO

(MICRONES)

5-0.5 5-0.5 2-0.1 1-0.1 5-0.1

CAP INTER

CATIONICO

3-15 10-40 80-150 15-25 10-40

MEQ

VISCOSIDAD BAJA BAJA ALTA ALTA ALTA

EFECTOS DE SAL FLOCULA FLOCULA FLOCULA FLOCULA FLOCULA

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4. PROPIEDADES DE LA ARCILLA:

4.1. Plasticidad: Mediante la adición de una cierta cantidad de agua, la arcilla puede adquirir la forma que uno desee. Esto puede ser debido a la figura del grano (cuanto más pequeña y aplanada), la atracción química entre las partículas, la materia carbonosa así como una cantidad adecuada de materia orgánica.4.2. Merma: Debido a la evaporación del agua contenida en la pasta se produce un encogimiento o merma durante el secado.

4.3.Refractividad: Todas las arcillas son refractarias, es decir resisten los aumentos de temperatura sin sufrir variaciones, aunque cada tipo de arcilla tiene una temperatura de cocción. 4.4.Porosidad: El grado de porosidad varía según el tipo de arcilla. Esta depende de la consistencia más o menos compacta que adopta el cuerpo cerámico después de la cocción. Las arcillas que cuecen a baja temperatura tienen un índice más elevado de absorción puesto que son más porosas.4.5.Color: Las arcillas presentan coloraciones diversas después de la cocción debido a la presencia en ellas de óxido de hierro, carbonato cálcico.

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5. GRUPO DE MINERALES ARCILLOSOS:por regla general las arcillas se dividen en dos grupos aquellas que se hidratan denominándose hidrofilicas y aquellas que no se

5.1. KAOLIN: se hallas compuesto de una sola hoja tetraédrica combinada con otra hoja dioctaedrica de aluminio. Las dos hojas se hallan unidas de tal manera que los hidróxidos en la

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VSIE - Bolivia 2004 13

5.2. ILITA: Pertenece al grupo de las micas. Las características importantes de las ilitas es la sustitución isomería en la hoja tetraedral, donde el sílice es reemplazado por aluminio o hierro, siendo de esta manera compensada la deficiencia de carga por el ion potasio.

5.3. MONTMORILLONITA: Este es el mineral que constituye a la bentonita, es un componente activo de formaciones más jóvenes y tienden a hidratarse cuando es perforado.el mecanismo de absorción de agua o hidratación es acompañado por el hinchamiento y el aumento del volumen mineral de las arcillas, esto puede ocurrir por dos mecanismos

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5.3.1. HINCHAMIENTO CRISTALINO:Conocido también como hidratación de superficie, resulta de la absorción de capas mono nucleares de agua en la superficie basal de los cristales el agua es atraída y retenido por el hidrogeno y queda unido a los átomos de oxígenos; la fuerza de atracción disminuya a medida que se aleja de la superficie.

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5.3.2. HINCHAMIENTO OSMOTICO: Esto ocurre debido a que la concentración de los cationes entre las lamina de minerales es más elevada que la del agua, el agua es atraída entre las laminas incrementando al espaciamiento. Este fenómeno es osmótico e involucra un aumento de volúmenes

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5.4. CLORITAS:

Se hallan estructuralmente relacionadas a las de la clase compuestas por tres laminas debido al remplazo de iones de Mg por Al, las laminas poseen una carga neta positiva. La capacidad de intercambio catatónico de este mineral es muy bajo, se hallan asociadas a sedimentaciones más viejos y los kaolines y smectitas son remplazadas por cloritas y ilitas.

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5.5. SEPIOLITA Y ATAPULGITA:Ambos minerales tienen estructuras similares y son utilizados en lodos salados. las estructura de los minerales es diferente a los anteriores en una cadena tridimensional que no se hidrata como las arcillas laminares debido a su estructura los cristales poseen un aspecto de agujas, típicamente de 0.01 un micrón de longitud.

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6. ARCILLAS EN LOS FLUIDOS DE PERFORACION:El uso de las arcillas desempeñan un papel muy importante en los fluidos de perforación base agua, agregándose en forma intencional para controlar la viscosidad, propiedades reológicas y características del filtrado del fluido. Estas propiedades son modificados mediante el uso de aditivos químicos, como ser yeso, sales en solución y cemento. Los principales estados de asociación de las partículas de arcilla en los fluidos de perforación son: Agregación, Dispersión, Floculación, Defloculación e Inhibición.

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6.2. AGREGACION:Los minerales de arcilla como ya se analizó se disponen en de láminas como mazos de barajas; estas laminas puedes ser separadas con agitación mecánica, hidratación y dispersión de la laminas, aumentando en área superficial expuesta incrementando la viscosidad del sistema.

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6.2. ESTADO DISPERSO:

Es resultado de la subdivisión de las láminas del mineral mediante la aplicación de una fuerza mecánica, como se indico el área superficial va a incrementar de una manera considerable, constituyendo esto un estado disperso.En condiciones estáticas se congregan en grupos, desarrollando lo que se conoce como fuerza de gel. Las caras cargadas de una forma negativa se atraen con los bordes de carga positiva.

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6.3. ESTADO FLOCULADO: Se puede describir como floculado cuando se desarrollan fuerzas netas de atracción entre las partículas de arcillas. Mediante las fuerzas de atracción así creadas las partículas se asocian formando una estructura suelta, tanto una arcilla agregada o dispersa puede ser floculada o defloculada. La consecuencia o el resultado de este fenómeno es una viscosidad elevada y una pérdida del control de filtrado. Los mecanismos más comunes por el cual se produce la floculación se puede citar: alta concentración de sales, cationes polivalentes, condiciones de PH, alta temperatura, etc.

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6.4. ALTA SALINIDAD:

El límite máximo de una arcilla bentonita para que logre la hidratación adecuada es no mayor del 2 % de cloruro de sodio. En el transcurso de una operación esto ocurre con mucha frecuencia al ser expuesto un fluido de perforación a formaciones con sal o domos de sales decir es un fenómeno muy frecuente cuando durante la perforación se atraviesa formaciones con sal o domos de sal.

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6.5 CATIONES POLIVALENTES:En calcio es el ion contaminante más frecuente encontrado en el transcurso de una operación de perforación, aunque magnesio y aluminio también deben tomarse en cuenta aunque no muy frecuente. El calcio proviene de formaciones con yeso o anhidrita o de perforar cemento después de una operación de cementación o baja de cañería.

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6.6 CONDICIONES DE PH.Las cargas de los bordes de las láminas de arcilla son dependientes del PH del medio. Un PH menor que 7 incrementa la asociación cara borde.6.7 ALTA TEMPERATURA:En condiciones pozos de alta temperatura el agua adsorbida a las partículas de arcilla tiende a disociarse, permitiendo una agrupación más cercana de las partículas se arcilla produciendo un estado floculado.

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6.8 ESTADO DE FLOCULADO:Para mantener un sistema en un estado de floculado se deben eliminar las fuerzas de atracción entre las partículas de arcilla, esto se logra mediante diferentes mecanismos: minimizando la concentración de los electrolitos (utilizando productos químicos soda ash), control del PH (manteniendo en condiciones alcalinas, soda caustica) y por últimos utilizando de floculantes o dispersantes como polímeros de carga negativa neutralizando los bordes positivos de las arcillas.  26