粘土的水化膨胀机理

《泥浆工艺原理》复习资料第一章——钻井液概论1.钻井液：指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。

钻井液功用：（1）携带和悬浮岩屑（2）稳定井壁和平衡地层压力（3）冷却和润滑钻头、钻具（4）传递水动力。

2.密度（1）低密度活性固相（粘土）：2.2g cm-3 2.3g cm-3（2）低密度惰性固相（钻屑）：2.5 g cm-3 2.7 g cm-3(平均：=2.6g cm-3)（3）钻井液密度低密度：g cm-3中高密度：1.8 g cm-3 2.5g cm-3高密度：2.5g cm-3 3.0 g cm-3超高密度： 3.0 g cm-3（4）加重材料API重晶石：=4.2 g cm-3石灰石粉：2.7g cm-3 2.9 g cm-3铁矿粉：4.9 g cm-3 5.3 g cm-3钛铁矿粉：4.5 g cm-3 5.1 g cm-3方铅矿：7.4 g cm-37.7 g cm-3（5）无机处理剂纯碱：2.5 g cm-3烧碱:2.0—2.2 g cm-33.钻井液密度作用（1）稳定井壁，防井塌。

（2）实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机械钻速。

（3）平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地层流体污染。

（4）钻开油气层，合理选择钻井液密度，减少钻井液对产层的伤害。

4.实际应用中，大多数钻井液pH控制在8—11之间，维持一个较弱的碱性环境。

酚酞变色点：pH=8.3左右；甲基橙变色点：pH=4.3左右。

常温下：10%Na2CO3(aq) pH=11.1；Ca(OH)2(饱和aq) pH=12.1 ；10%NaOH(aq) pH=12.9；5. 钻井液组成①分散介质+分散相+化学处理剂②连续相+不连续相③液相+固相+化学处理剂6.钻井液含砂量：钻井液中不能通过200目筛的砂粒体积占钻井液体积的百分数。

一般砂含.【即粒径74的砂粒占钻井液总体积的百分数】第二章——粘土矿物和粘土胶体化学基础1.相：物质物理化学性质完全相同的均匀部分。

中国石油大学（北京）远程教育学院《油田化学》复习题一、名词解释。

1、晶格取代：晶格中发生离子取代而晶体结构不变称为晶格取代。

2、稠化时间：水与水泥混合后稠度达到100Bc所需的时间。

3、体积波及系数：驱油剂波及到的油层体积与整个油层体积之比。

4、注水调剖：为了发挥中、低渗透层的作用，提高注入水的波及系数，调整注水油层的吸水剖面。

5、人工井壁：对于已出砂地层，在砂层的亏空处，做一个由固结的颗粒物质所组成的有足够渗透率的防砂屏障。

6、双液法：就是向油层注入由隔离液隔开两种可相互发生反应液体，分别作第一、第二反应液。

当将这两种液体向油层内部推至一定距离，隔离液将变薄不起作用两种液体就可发生反应，产生堵塞主要发生在高渗透层。

7、聚合物：由一种或几种低分子化合物聚合而成的产物。

8、表面活性剂HLB值：表面活性剂的亲水能力与亲油能力的平衡关系。

9、渗透水化：粘土层间阳离子浓度大于溶液中阳离子浓度，水向粘土晶层间渗透引起层间距增大。

或者电解质浓度差引起的水化。

10、临界胶束浓度：表面活性剂形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。

11、单体：合成高分子的原料称单体。

12、乳状液：一种液体以细小液滴分散在另外一种互不相溶的液体中所形成的分散体系，称为乳状液。

13、缩聚反应：有许多相同或不同的低分子化合为高分子但同时有新的低分子析出的过程。

14、水泥浆减阻剂：减阻剂又称分散剂，紊流引观粘度，有利于水泥在低压低速进入紊流状态，提高注水泥质量和驱替效率。

15、铝氧八面体：是由一个铝与六个氧（或羟基）配位而成。

16、晶层：由于单元晶格的大小相近似，四面体片和八面体片很容易沿C轴迭合而成为同一的结构层，这样的结构层称为单元结构层，简称晶层。

17、聚合度：生成聚合物的单体单元数。

18、表面活性剂：少量存在就能降低水的表面张力的物质。

19、单液法：指向油层注入一种液体，这种液体所带的物质或随后变成的物质可封堵高渗透层或大孔道称为单液法。

中国石油大学油层物理实验报告实验日期： 2013.11.01 成绩：班级：石工 学号： 姓名： 教师：付帅师 同组者：实验五 页岩膨胀性及粒度组成分析实验一 实验目的1. 掌握泥页岩膨胀机理；2．了解高温高压泥页岩膨胀仪的工作原理及仪器结构； 3．掌握泥页岩膨胀率测定及计算方法。

二 实验原理随着测试液与粘土矿物接触时间的增加，粘土膨胀，高度增加，由容栅传感器感应出的试样轴向的位移信号，通过计算机系统将膨胀量随时间的关系曲线记录下来，显示在屏幕上。

当粘土矿物的膨胀量基本稳定时，最大的膨胀量与粘土样品的初始高度之比为最大膨胀率。

泥页岩膨胀率计算公式：%1000⨯-=h h h E t 其中：E —膨胀率，%；h t —粘土样品在t 时刻的高度，mm ；h 0—粘土样品的初始高度，mm 。

三仪器结构图8-1 高温高压泥页岩膨胀仪原理图1.压力表；2.放气手柄；3.销钉；4.连通阀杆；5.放气螺钉；6.输入三通阀；7.容栅传感器；8.导杆；9.温度传感器；10.主测杯；11.粘土样品；12.岩样模；13.加热套；14.温控仪；15.注液阀；16.注液杯图8-2 主测杯结构示意图1.容栅传感器；2.传感器支架；3.输入三通阀；4.放气螺钉；5.平衡支架；6.密封螺钉；7.滑动杆；8.测杆；9.主测杯；10.紧固螺钉；11.岩样模；12.托垫；13.止钉；14.杯下盖；15.Φ51×3.1密封圈；16.测盘；17.滑块；18.表杆；19.传感器座主要试验仪器：主要试验仪器：氮气瓶(氮气压力大于5Mpa)、管汇、高温高压泥页岩膨胀仪、数据控制及显示系统等。

各仪器的主要指标：各仪器的主要指标：气源压力为5Mpa；工作温度≤120℃；工作压力为3.5Mpa；测试量程为15mm；试样模内径为25mm；测量分辨率为0.001mm。

四．实验步骤1. 打开高温高压页岩膨胀仪的电源开关，设置加热温度为80℃。

2.将制备好的压样(同岩样模一起)从主测杯底部装入主测杯内，同时应在主测杯底部放置密封圈，禁锢主测杯下的6个固定螺钉。

1、什么是DLVO理论？其要点是什么？p50-51答：该理论是由四位科学家提出的关于静电稳定理论，是目前对胶体稳定性，以及电解质对胶体稳定性的影响解释比较完善的理论。

根据这一理论，溶胶粒子之间存在两种相反的作用力：吸力与斥力。

如果胶体颗粒在布朗运动中相互碰撞，吸力大于斥力，溶胶就聚积；反之，当斥力大于吸力时，粒子碰撞后又分开了，保持其分散状态。

2、常见粘土矿物有哪些？他们的晶体构造各有什么特点？p27-35答：粘土中常见的粘土矿物有三种：高岭石、蒙脱石、伊利石。

（1）高岭石单元晶层构造特征是1：1型（硅氧四面体：铝氧八面体），单元晶层一面为OH层，另一面为O层，而OH键具有强的极性，晶层与晶层之间容易形成氢键。

因而晶层之间连接紧密，故高岭石的分散度低且性能比较稳定，为非膨胀型粘土矿物，几乎无晶格取代现象。

（2）蒙脱石单元晶层构造特征是2：1型，它由于晶格取代作用而带电荷，晶层上下面皆为氧原子，各晶层之间以分子间力连接，连接力弱，水分子易进入晶层之间，引起晶格膨胀，为膨胀型粘土矿物。

由于晶格取代作用，蒙脱石带有较多的负电荷，于是吸附等电量的阳离子。

（3）伊利石单元晶层构造特征是2：1型，晶格取代作用多发生在四面体中，铝原子取代四面体的硅，它的晶格不易膨胀，水不易进入晶层之间，由于它的负电荷主要产生在四面体晶片，离晶层表面近，K+与晶层的负电荷之间的静电引力比氢键强，水也不易进入晶层间，另外K+的大小刚好嵌入相邻的晶层间的氧原子网格形成的空穴中，起到连接作用，通常非常牢固。

3、什么叫粘土的阳离子交换容量？其大小与水化性能有何关系？与钻井液性能、井壁稳定又有何关系？答：粘土的阳离子交换容量是指在分散介质的PH值为7的条件下，粘土所能交换下来的阳离子总量，包括交换性盐基和交换性氢。

粘土矿物的阳离子交换容量越大，这种粘土矿物的水化作用就越强。

例如蒙脱石阳离子交换容量最大，水化能力最强，属于膨胀性粘土矿物，适合作为配浆材料，当钻遇含蒙脱石含量高的地层时水化的地层土易造成钻井液粘切升高，固相含量上升；而高岭石阳离子交换容量比较小为非膨胀型粘土矿物，水化能力差，造浆能力差，在钻井过程中易剥落掉快，注意井壁稳定；伊利石阳离子交换容量介于前面两者之间，其水化程度不如蒙脱石，在含有伊利石的地层钻进时也易剥落掉快需采用抑制粘土分散的钻井液体系。

粘土水化分散与泥浆体系稳定原理一、土的水化分散粘土的水化是指粘土颗粒吸附水分子，粘土颗粒表面形成水化膜，粘土晶格层面间的距离增大，产生膨胀以至分散的过程。

粘土水化的结果即形成泥浆。

粘土的水化效果对粘土的造浆性能和土质地层孔壁的稳定有重大影响。

（一）粘土水化的原因粘土颗粒与水或含电解质、有机处理剂的水溶液接触时，粘土便产生水化膨胀，引起粘土水化膨胀的原因有：1. 粘土表面直接吸附水分子粘土颗粒与水接触时，由于以下原因而直接吸附水分子：（1）粘土颗粒表面有表面能，依热力学原理粘土颗粒必然要吸附水分子和有机处理剂分子到自己的表面上来，以最大限度地降低其自由表面能；（2）粘土颗粒因晶格置换等而带负电荷，水是极性分子，在静电引力的作用下，水分子会定向地浓集在粘土颗粒表面；（3）粘土晶格中有氧及氢氧层，均可以与水分子形成氢键而吸附水分子。

2. 粘土吸附的阳离子的水化粘土表面的扩散双电层中，紧密地束缚着许多阳离子，由于这些阳离子的水化而使粘土颗粒四周带来厚的水化膜。

这是粘土颗粒通过吸附阳离子而间接地吸附水分子而水化。

（二）影响粘土水化的因素1. 粘土矿物本身的特性粘土矿物因其晶格构造不同，水化膨胀能力也有很大差别。

蒙脱石粘土矿物，其晶胞两面都是氧层，层间联结是较弱的分子间力，水分子易沿着硅氧层面进入晶层间，使层间距离增大，引起粘土的体积膨胀。

伊利石粘土矿物其晶体结构与蒙脱石矿物相同，但因层间有水化能力小的K+存在，K+镶嵌在粘土硅氧层的六角空穴中，把两硅氧层锁紧，故水不易进入层间，粘土不易水化膨胀。

高岭石粘土矿物，因层间易形成氢键，晶胞间联结紧密，水分子不易进入，故膨胀性小。

同时伊利石晶格置换现象少，高岭石几乎无晶格置换现象，阳离子交换容量低，也使粘土的水化膨胀差。

2. 交换性阳离子的种类粘土吸附的交换性阳离子不同，形成的水化膜厚度也不相同，即粘土水化膨胀程度也有差别。

例如交换性阳离子为Na+的钠蒙脱石，水化时晶胞间距可达40 A，而交换性阳离子为Ca2+的钙蒙脱石，水化时晶胞间距只有17 A。

超轻粘土和水反应的原理
超轻粘土与水反应的原理可以概括为以下几点:
1. 超轻粘土的组成
超轻粘土主要由粘土矿物和硅藻土组成,含有大量微观孔洞。

2. 吸水膨胀原理
超轻粘土中的粘土矿物层状结构允许水分子进入层间,水分子楔入使层面分离膨胀。

硅藻土也可吸附水分子。

3. Effect of ion hydration
粘土矿物层面带负电荷,吸附的水分子可水合离子,水合效应使層间距離擴大,產生膨脹。

4. 聚合效应
水分子聚集在粘土矿物表面,通过聚合效应剥离并推开层面,产生额外的膨胀力。

5. 胶体效应
水分子可使粘土胶体颗粒水化、软化、润滑,胶体变软后层间更易被水分子进入,持续膨胀。

6. 巨視孔隙蓄水
超轻粘土大孔隙可直接存储水分,吸水后体积明显增大。

7. 毛细作用提升
膨胀打开更多微细毛细孔,毛细作用可使更多水分子被吸附。

8. 水分子键合作用
水分子与粘土矿物表面发生氢键结合,需要更大力脱附,促进吸水稳定。

9. 质量增加与体积增大
超轻粘土吸水后质量明显增加,并且呈现出显著的体积增大效应。

超轻粘土对水的吸收主要利用其多孔及大表面积的微观结构,通过各种相互配合的物理化学作用实现吸水、膨胀和稳定含水。

这是超轻粘土重要功能之一。

粘土表面水化机理哎呀，粘土表面水化机理这个话题，听起来就挺学术的，不过别担心，咱们用大白话聊聊这个事儿。

首先，得说粘土这玩意儿，你肯定见过，就是那种湿了能捏成各种形状，干了又硬邦邦的土。

粘土里面有很多小颗粒，这些小颗粒表面有一层特殊的结构，咱们就叫它“表面”吧。

这个表面啊，跟水特别亲，就像磁铁吸铁屑一样，水分子特别喜欢粘在粘土颗粒的表面。

咱们来聊聊这个水化机理，其实就是水分子怎么跟粘土颗粒表面“勾搭”上的。

想象一下，你手里拿着一块粘土，然后把它泡在水里。

一开始，水分子们就像一群好奇的小朋友，围着粘土颗粒转悠。

粘土颗粒表面有一些特殊的化学结构，这些结构就像小钩子一样，能勾住水分子。

水分子们被这些小钩子勾住后，就开始在粘土颗粒表面排排站。

这个过程，咱们就叫它“水化”。

水分子们排排站后，粘土颗粒表面就形成了一层水膜。

这层水膜可不简单，它能让粘土颗粒之间的距离变远，这样粘土就能变得更软，更易于塑形。

但是，这层水膜也不是一直都存在的。

当粘土干了，水分子们就会慢慢离开粘土颗粒表面，粘土就又变硬了。

这个过程，咱们就叫它“脱水”。

脱水后，粘土颗粒之间的距离变近，粘土就又硬邦邦的了。

说到这儿，你可能想问，这个水化机理有啥用呢？其实，这个机理在很多领域都有应用。

比如在建筑行业，了解粘土的水化机理，就能更好地控制混凝土的强度和耐久性。

在农业领域，了解这个机理，就能更好地管理土壤的水分，提高作物的产量。

总之，粘土表面水化机理虽然听起来挺复杂的，但其实就跟咱们日常生活中的一些小事差不多。

就像你用湿手捏泥巴，泥巴会变软，干了又会变硬一样。

这个机理，其实就是粘土和水之间的一场“爱情故事”，水分子和粘土颗粒之间的“勾搭”和“分手”，让粘土有了不同的状态和用途。

好了，这个话题就聊到这儿吧。

希望这个大白话的解释，能让你对粘土表面水化机理有个更直观的理解。

下次再看到粘土，你可能会想到，这不仅仅是一块土，还是一场水分子和粘土颗粒之间的“爱情故事”呢。

粘土矿物的水化机理摘要粘土矿物作为一种重要的地球材料，具有广泛的应用价值。

其水化机理是研究粘土矿物水化过程中非常重要的一环，对于理解粘土矿物的性质和行为具有重要意义。

本文将深入探讨粘土矿物的水化机理，并通过Markdown文本格式详细介绍。

粘土矿物的概述粘土矿物是一类由层状结构组成的细颗粒矿物，主要由硅酸盐矿物组成。

其结构由两个硅酸盐层夹杂着一个或多个层状阳离子（通常是氢离子、镁离子或铝离子）而构成。

粘土矿物具有较大的比表面积和较强的吸附性能，因此在土壤科学、地质学和材料科学等领域具有广泛的应用。

粘土矿物的水化过程粘土矿物的水化是指粘土矿物与水或水溶液接触后发生的结构和性质的变化过程。

水化过程中，水分子会进入粘土矿物的层间隙，与层状阳离子发生相互作用，并引发粘土矿物结构的变化。

粘土矿物的水化过程可分为两个阶段：吸附水和结合水。

吸附水吸附水是指从粘土矿物表面吸附到层状阳离子表面的水分子。

这些水分子与粘土矿物表面形成氢键，并且与层状阳离子之间的距离较远。

吸附水的存在使得粘土矿物具有一定的吸附性能，可以吸附和释放溶液中的离子和分子。

结合水结合水是指从吸附水中挤压出来的水分子，它们与粘土矿物中的层状阳离子形成氢键，并且与层状阳离子之间的距离较近。

结合水的存在导致粘土矿物的层间距离增加，从而使得粘土矿物的体积膨胀。

结合水的含量和性质决定了粘土矿物的性质和行为。

水化反应水化是通过粘土矿物的吸附水和结合水与其他溶液中的离子和分子发生反应而进行的。

这些反应可以引发粘土矿物结构的变化，如层间阳离子的置换、粘土矿物层间的离子交换等。

水化反应还可以导致粘土矿物中部分晶体结构的解理和变形。

粘土矿物的水化机理粘土矿物的水化机理主要包括两个方面：吸附机理和结合机理。

吸附机理粘土矿物的吸附机理涉及到水分子与粘土矿物表面相互作用的过程。

水分子与粘土矿物表面的氢键作用一般分为两类，即吸附到氧上的吸附水和吸附到铝或镁上的吸附水。

吸附到氧上的吸附水与层状阳离子之间的相互作用较弱，容易释放。

为了更加深入地揭示粘土水化、分散、造浆的本质，掌握泥浆性能调节的基本胶体化学原理，引入扩散双电层理论对粘土-水界面的行为机理进行分析。

（一）双电层成因与结构由于粘土颗粒在碱性水溶液中带负电荷（在端部则多数带正电荷），必然要吸附与粘土颗粒带电符号相反的离子--阳离子到粘土颗粒表面附近（界面上的浓集），形成粘土颗粒表面的一层负电荷与反离子的正电荷相对应的电层，以保持电的中性（平衡）。

粘土颗粒吸附阳离子使阳离子在粘土颗粒表面浓集的同时，由于分子热运动和浓度差，又引起阳离子脱离界面的扩散运动，粘土颗粒对阳离子的吸附及阳离子的扩散运动两者共同作用的结果，在粘土颗粒与水的界面周围阳离子呈扩散状态分布，即形成扩散双电层。

更值得指出的现象是，这种扩散层本质性地分成两部分-吸附层与扩散层，其结构如图11-6所示。

1. 吸附层吸附层是指靠近粘土颗粒表面较近的一薄层水化阳离子，其厚度一般只有几个Ǻ。

这一薄层水化阳离子，由于与粘土颗粒表面距离近，阳离子的密度大，静电吸引力强，被吸附的阳离子与粘土颗粒一起运动难以分离。

2. 扩散层扩散层是吸附层外围起直到溶液浓度均匀处为止（离子浓度差为零）由水化阳离子及阴离子组成的较厚的离子层。

这部分阳离子由于本身的热运动，自吸附层外围开始向浓度较低处扩散，因而与粘土颗粒表面的距离较远，静电引力逐渐减弱（呈二次方关系减弱），在给泥浆体系接入直流电源时，这层水化离子能与粘土颗粒一起向图11-6 粘土表面的扩散双电层电源正极运动而相反向电源负极运动。

扩散层中阳离子分布是不均匀的，靠近吸附层多，而远离吸附层则逐渐减少，扩散层的厚度，依阳离子的种类和浓度的不同，约为10～00Ǻ。

3. 滑动面它是吸附层和扩散层之间的一个滑动面。

这是由于吸附层中的阳离子与粘土颗粒一起运动，而扩散层中的阳离子则有一滞后现象而呈现的滑动面。

4. 热力电位E它是粘土颗粒表面与水溶液中离子浓度均匀处之间的电位差。

热力电位的高低，取决于粘土颗粒所带的负电量。