Bentonit – co to jest, jakie ma właściwości i do czego służy? Zastosowanie bentonitu w wiertnictwie

Spis treści

Bentonit to naturalny surowiec o wyjątkowej zdolności wiązania wody, pęcznienia i tworzenia lepkich zawiesin. Można zetknąć się z nim między innymi podczas wykonywania przewiertu sterowanego, wiercenia studni lub przygotowywania otworów pod sondy gruntowe pompy ciepła – jako składnikiem płuczki albo materiału uszczelniającego.

W artykule wyjaśniamy, czym jest bentonit, jakie są jego rodzaje oraz właściwości. Opisujemy również jego zastosowanie w pracach wiertniczych i nie tylko. Zapraszamy do czytania!

Czym jest bentonit?

Bentonit to naturalna ilasta skała osadowa pochodzenia wulkanicznego, którego głównym składnikiem są minerały z grupy smektytów – przede wszystkim montmorylonit. Najczęściej powstaje w wyniku stopniowego przeobrażenia popiołów i innych materiałów pochodzenia wulkanicznego. Oprócz smektytów może zawierać także domieszki kwarcu, skaleni, kalcytu oraz innych minerałów – z tego właśnie powodu bentonit nie jest jedną, ściśle określoną substancją chemiczną, lecz skałą o składzie i parametrach zależnych od miejsca wydobycia oraz sposobu przetworzenia.

Z tego też powodu bentonitu nie należy jednak traktować jako jednego uniwersalnego produktu. Materiał do przygotowania płuczki wiertniczej, bentonit uszczelniający do studni, bentonit wykorzystywany w przemyśle spożywczym lub kosmetycznym różnią się się składem, czystością, stopniem rozdrobnienia, sposobem obróbki i wymaganymi atestami. Każdy produkt oparty o bentonit musi więc być ściśle dobrany do konkretnego zastosowania.

Jakie są rodzaje bentonitu?

Podstawowy podział bentonitów wynika z rodzaju jonów dominujących w strukturze minerałów smektytowych – najczęściej wyróżnia się bentonit sodowy i wapniowy. W zastosowaniach technicznych spotyka się również bentonit aktywowany, czyli materiał poddany obróbce, która zmienia lub wzmacnia jego wybrane właściwości.

Podział ten nie powinien być jednak mylony z postacią produktu, gdyż bentonit sodowy lub wapniowy może występować między innymi jako proszek, granulat, pellet, formowany wałeczek albo składnik gotowej mieszanki.

Właściwości bentonitu

Najbardziej charakterystyczną cechą bentonitu jest jego reakcja na kontakt z wodą. Cząsteczki wody przedostają się pomiędzy warstwy minerałów ilastych, co prowadzi do uwodnienia materiału i zwiększenia jego objętości. Odpowiednio rozdrobniony bentonit może utworzyć z wodą lepką zawiesinę, plastyczną masę albo żel i nie rozpuszcza się przy tym tak jak sól lub cukier – jego bardzo drobne cząstki pozostają rozproszone w cieczy i nadają jej określone właściwości.

Pozostałe właściwości bentonitu to:

• właściwości uszczelniające – uwodniony i właściwie zagęszczony bentonit może utworzyć plastyczną warstwę o bardzo małej przepuszczalności dla wody,
• duża lepkość – nawet stosunkowo niewielki dodatek właściwego bentonitu może wyraźnie zmienić parametry zawiesiny wodnej,
• plastyczność – nawodniony materiał łatwo dopasowuje się do kształtu szczeliny, otworu lub przestrzeni wokół rury,
• zdolność utrzymywania cząstek stałych w zawiesinie – właściwość ta pomaga transportować rozdrobniony grunt i skałę podczas robót wiertniczych,
• właściwości smarne – płuczka wiertnicza z dodatkiem bentonitu ogranicza tarcie pomiędzy narzędziem i dołem oraz ścianą otworu,
• właściwości sorpcyjne – bentonit zatrzymuje wiele substancji na powierzchni swoich cząstek,
• zdolność wymiany jonowej – minerały obecne w bentonicie mogą wymieniać część jonów ze swoim otoczeniem, co wpływa na zachowanie materiału i pozwala modyfikować jego właściwości,
• tiksotropia – odpowiednio przygotowana zawiesina staje się bardziej płynna podczas mieszania lub pompowania, natomiast po ustaniu ruchu ponownie uzyskuje bardziej żelową strukturę.

Właściwości bentonitu wynikają przede wszystkim z warstwowej budowy minerałów smektytowych oraz bardzo małych rozmiarów ich cząstek. Duża powierzchnia właściwa pozwala materiałowi skutecznie wiązać wodę i inne substancje. To właśnie dlatego bentonit znajduje zastosowanie w tak wielu dziedzinach – od wiertnictwa i budownictwa po produkcję sorbentów, ceramiki czy żwirków dla zwierząt.

W jakiej postaci występuje bentonit?

Postać bentonitu zależy przede wszystkim od jego przeznaczenia. Po wydobyciu surowiec może zostać rozdrobniony, wysuszony, przesiany, oczyszczony lub poddany aktywacji. Następnie formuje się go w sposób, który ułatwia przygotowanie płuczki, wykonanie uszczelnienia albo zastosowanie w konkretnej gałęzi przemysłu.

Najczęściej spotykane postacie bentonitu to:

• proszek lub drobna mączka – używane przede wszystkim do przygotowywania płuczek wiertniczych, zaczynów i innych mieszanek z wodą,
• granulat – stosowany między innymi do uszczelniania gruntu, przestrzeni pierścieniowych i trudno dostępnych szczelin,
• grudki, pellety lub formowane wałeczki – przeznaczone do umieszczania bentonitu na określonej głębokości, na przykład w przestrzeni wokół rur studziennych,
• zawiesina wodna – płynna mieszanina bentonitu i wody, która może pełnić funkcję płuczki wiertniczej albo zaczynu uszczelniającego,
• gotowa mieszanka wieloskładnikowa – produkt zawierający bentonit oraz dodatki, które nadają mu wymaganą lepkość, wytrzymałość, szczelność lub przewodność cieplną,
• mata bentonitowa – materiał hydroizolacyjny z warstwą bentonitu umieszczoną pomiędzy geowłókninami.

Gdzie wykorzystuje się bentonit?

Bentonit wykorzystuje się w wielu gałęziach przemysłu jako materiał wiążący, uszczelniający, smarny i sorpcyjny. Szczególnie duże znaczenie ma w wiertnictwie, ponieważ po połączeniu z wodą pomaga uzyskać płuczkę o lepkości potrzebnej do transportowania urobku i stabilizowania otworu.

Bentonit stosuje się między innymi:

• w przewiertach w skale, przewiertach HDD i innych technologiach bezwykopowych,
• podczas wykonywania odwiertów pionowych,
• przy odwiertach studni głębinowych i budowie studni,
• w odwiertach pod sondy gruntowych pomp ciepła,
• do uszczelniania otworów, gruntu i przestrzeni wokół rur,
• w hydroizolacjach budowlanych,
• w odlewnictwie i przemyśle ceramicznym,
• przy produkcji sorbentów i żwirków dla zwierząt,
• do klarowania i oczyszczania wybranych cieczy,
• w produkcji niektórych wyrobów rolniczych, paszowych i kosmetycznych.

Produkty przeznaczone do tych zastosowań zazwyczaj znacznie różnią się parametrami, dlatego np. bentonit przeznaczony do przygotowania płuczki wiertniczej nie nadaje się do produkcji kosmetyków, a granulat uszczelniający przestrzeń wokół rury studziennej nie powinien automatycznie zastępować materiału przeznaczonego do wypełnienia odwiertu pod sondę gruntową.

Czym jest płuczka bentonitowa?

Płuczka bentonitowa to odpowiednio przygotowana zawiesina wody i bentonitu, do której w razie potrzeby dodaje się polimery oraz inne środki poprawiające jej właściwości. Nie jest to bynajmniej zwykła mieszanina gliny z wodą. Jej skład i sposób przygotowania wpływają bezpośrednio na przebieg prac.

Dobrze przygotowana płuczka swobodnie przepływa przez układ wiertniczy i jednocześnie zachowuje zdolność transportowania urobku – pomaga w tym tiksotropia bentonitu która sprawia, że podczas mieszania i pompowania zawiesina staje się bardziej płynna, natomiast po zatrzymaniu obiegu uzyskuje konsystencję bardziej zbliżoną do żelu.

Dzięki tej właściwości cząstki odspojonego gruntu lub skały nie opadają od razu na dno otworu. Ma to znaczenie między innymi podczas przerw potrzebnych do dołożenia kolejnej żerdzi wiertniczej.

Zastosowanie bentonitu w przewiertach sterowanych

Podczas wykonywania przewiertów sterowanych bentonit wykorzystuje się przede wszystkim jako składnik płuczki wiertniczej. Płuczka uczestniczy w kolejnych etapach realizacji – od wykonania otworu pilotażowego przez jego rozwiercanie aż po wciągnięcie właściwego rurociągu.

Jej parametry muszą być dostosowane do rodzaju gruntu lub skały, długości i średnicy przewiertu oraz zastosowanych narzędzi. Nie istnieje jedna uniwersalna receptura odpowiednia dla każdej realizacji.

Jaką rolę pełni płuczka bentonitowa w przewiertach sterowanych?

Płuczka jest podawana przez przewód wiertniczy w kierunku głowicy albo rozwiertaka, a następnie przepływa przez otwór i transportuje odspojony materiał ku powierzchni. Pomaga w ten sposób oczyszczać trasę przewiertu i ogranicza gromadzenie się urobku wokół narzędzi.

Najważniejsze zadania płuczki podczas wykonywania przewiertu

Do najważniejszych zadań płuczki bentonitowej należą:

• transportowanie urobku w kierunku powierzchni,
• utrzymywanie cząstek gruntu i skały w zawiesinie,
• oczyszczanie otworu podczas wiercenia i rozwiercania,
• chłodzenie i smarowanie głowicy oraz rozwiertaka,
• wspieranie stabilności ścian otworu,
• ograniczanie przenikania wody do przepuszczalnego gruntu,
• zmniejszanie tarcia i oporów pracy narzędzi,
• ułatwianie rozwiercania otworu,
• ograniczanie siły potrzebnej do wciągnięcia rurociągu.

Bentonit przy wykonywaniu studni głębinowych

Bentonit może być wykorzystywany zarówno podczas wiercenia, jak i na późniejszych etapach budowy studni głębinowej. Trzeba jednak rozróżnić te zastosowania: płuczka umożliwia wykonanie i utrzymanie otworu, natomiast bentonit uszczelniający ma pozostać w określonym miejscu jako element gotowej konstrukcji studni.

Płuczka bentonitowa podczas wiercenia studni

Płuczkę bentonitową stosuje się przede wszystkim w obrotowych metodach wiercenia z obiegiem płuczki. Podobnie jak w przypadku przewiertów sterowanych, płuczka jest pompowana w rejon narzędzia znajdującego się na dnie otworu, a następnie wraca ku powierzchni wraz z odspojonym materiałem. Dzięki temu pomaga wynosić urobek, chłodzi i smaruje narzędzie oraz wspiera ściany otworu w warstwach podatnych na osypywanie. Zdolność zawiesiny bentonitowej do utrzymywania cząstek stałych w roztworze ogranicza również ponowne opadanie materiału na dno.

Płuczka bentonitowa ma szczególne znaczenie podczas wiercenia studni w luźnych piaskach, żwirach i innych niestabilnych utworach, gdyż tworzona przez nią cienka warstwa filtracyjna ogranicza przenikanie wody do gruntu i pomaga zachować kształt otworu do czasu zamontowania rur.

Płuczka bentonitowa nie jest jednak używana podczas każdego odwiertu studziennego, gdyż dobór technologii zależy w dużej mierze od budowy geologicznej gruntu, głębokości i konstrukcji planowanej studni – niektóre otwory wykonujemy się z użyciem sprężonego powietrza, rur osłonowych lub innych rodzajów płuczek.

Zastosowanie bentonitu w budowie studni głębinowej

Po zamontowaniu rur studziennych pomiędzy ich zewnętrzną powierzchnią a ścianą otworu pozostaje przestrzeń pierścieniowa, którą trzeba odpowiednio wypełnić, gdyż sposób jej zagospodarowania wpływa na szczelność, bezpieczeństwo i prawidłowe działanie studni.

Tutaj również bentonit znajduje zastosowanie – najczęściej w formie kompaktonitu, czyli odpowiednio formowanego materiału uszczelniającego, którego podstawowym składnikiem jest bentonit o dużej zdolności pęcznienia. Najczęściej występuje w postaci sprasowanych granulek, grudek, pelletów lub niewielkich wałeczków. Nie jest zatem osobnym rodzajem minerału, takim jak bentonit sodowy lub wapniowy, lecz odpowiednio przygotowanym produktem bentonitowym. granulatu, pelletów, wałeczków.

Kompaktonit po kontakcie z wodą pęcznieje i tworzy plastyczną warstwę o niewielkiej przepuszczalności, która bardzo dobrze uszczelnia wolną przestrzeń między ścianami otworu a rurami studziennymi.

Prawidłowo wykonane uszczelnienie studni głębinowej może:

• ograniczyć spływ wód powierzchniowych wzdłuż zewnętrznej ściany rury,
• utrudnić przedostawanie się zanieczyszczeń w głąb studni,
• odizolować od siebie różne poziomy wodonośne,
• oddzielić obsypkę filtracyjną od pozostałej części otworu,
• ustabilizować kolumnę rur i wspierać trwałość konstrukcji.

Bentonitem nie wypełnia się automatycznie całej przestrzeni wokół rur – w rejonie części filtrowej zazwyczaj wykonuje się obsypkę filtracyjną z odpowiednio dobranego materiału. Zadaniem takiej obsypki jest umożliwienie dopływu wody, podparcie filtra i ograniczenie przedostawania się drobnych cząstek gruntu do studni.

Do studni przeznaczonych do poboru wody dla ludzi należy stosować produkty odpowiednie do kontaktu z wodą pitną i posiadające wymaganą dokumentację higieniczną. Sam naturalny charakter bentonitu nie oznacza jeszcze, że każdy zawierający go produkt może być bezpiecznie wykorzystany w konstrukcji ujęcia.

Jakie są inne zastosowania bentonitu poza wiertnictwem?

Bentonit znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Decydują o tym przede wszystkim jego właściwości wiążące, pęczniejące, sorpcyjne i uszczelniające. Konkretne produkty różnią się jednak składem, czystością i sposobem przetworzenia, dlatego nie można stosować ich zamiennie.

Poza wiertnictwem bentonit wykorzystuje się między innymi w następujących obszarach:

• hydroizolacje budowlane – bentonit w postaci granulatu, pasty lub mat służy do zabezpieczania fundamentów, tuneli, zbiorników i innych konstrukcji narażonych na kontakt z wodą,
• geotechnika i budownictwo ziemne – bentonit często jest składnikiem przesłon przeciwfiltracyjnych, barier uszczelniających, ścian szczelinowych oraz zabezpieczeń składowisk,
• odlewnictwo – pełni funkcję spoiwa w masach formierskich i pomaga utrzymać nadany im kształt,
• produkcja żwirków dla zwierząt – wiąże wilgoć, ułatwia zbrylanie i ogranicza rozprzestrzenianie nieprzyjemnych zapachów,
• produkcja sorbentów – pomaga pochłaniać i zatrzymywać wybrane ciecze oraz substancje,
• przemysł spożywczy – odpowiednio oczyszczone odmiany stosuje się między innymi do klarowania wina, soków i niektórych olejów,
• ceramika – niewielki dodatek bentonitu poprawia plastyczność masy,
• rolnictwo i ogrodnictwo – bentonit poprawia zdolność lekkich gleb do zatrzymywania wody lub stanowi nośnik innych składników (np. nawozów sztucznych),
• produkcja pasz – wybrane, dopuszczone produkty wykorzystuje się jako dodatki technologiczne i substancje wiążące,
• kosmetyka – oczyszczony bentonit stanowi składnik maseczek, past i preparatów o właściwościach absorbujących,
• przemysł papierniczy, chemiczny i farbiarski – stosuje się go jako dodatek poprawiający lepkość, stabilność lub właściwości gotowego produktu.

Bentonit w wiertnictwie – podsumowanie

Bentonit to naturalny surowiec ilasty o wszechstronnym zastosowaniu, który po połączeniu z wodą może pęcznieć, tworzyć lepką zawiesinę i uzyskiwać dobre właściwości uszczelniające. W zależności od rodzaju, postaci i sposobu przygotowania pełni wiele różnych funkcji.

W przewiertach sterowanych stanowi częsty składnik płuczki, która transportuje urobek, chłodzi narzędzia, wspiera stabilność otworu i ogranicza tarcie podczas instalowania rurociągu. Przy wykonywaniu studni może zostać wykorzystany zarówno na etapie wiercenia, jak i później – do uszczelnienia wybranych części przestrzeni pierścieniowej.

W odwiertach pod sondy gruntowe bentonit może być składnikiem płuczki oraz specjalistycznej masy wypełniającej. W tym drugim zastosowaniu liczy się nie tylko szczelność, lecz także przewodność cieplna, trwałość i brak skurczu prowadzącego do powstawania pustek.

Nie istnieje zatem jeden bentonit odpowiedni do wszystkich prac. Rodzaj produktu, skład płuczki i sposób wykonania uszczelnienia muszą odpowiadać technologii wiercenia, budowie geologicznej oraz przeznaczeniu otworu. Właściwy dobór materiałów wpływa zarówno na przebieg robót, jak i na późniejszą trwałość wykonanej instalacji.

Najczęściej zadawane pytania o bentonit

Spodobała Ci się treść? Oceń nas!