当前位置：文档之家 › 第二章讲义粘土矿物和粘

第二章讲义粘土矿物和粘

  • 格式：ppt
  • 大小：1.07 MB
  • 文档页数：77

下载文档原格式

  / 77

合集下载

第二讲粘土矿物学及钻井液胶体化学

第二讲粘土矿物学及钻井液胶体化学


1. 高岭石(Kaolinite)
① 化学式是 Al4[Si4O10][OH]8(2Al2O3·4SiO2·4H2O ）.
② 晶体构造是由一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八 面体晶片组成,两层间由共同的氧原子联结在一起 组成晶层，故称为1:1型粘土矿物。
③ 粘土矿物颗粒是由上述晶层在垂直方向上一层一 层重叠，而在平面上延伸而形成的。其相邻两晶
Figure 2-5. Atom arrangement（原子排列图） in the unit cell（单元晶胞） of a 3-layer mineral-pyrophyllite（叶蜡石）
注：The oxygen network is exposed on both basal surfaces（基面）
Test 2
1. Cutting 2. Foam 3. Kelly 4. Annulus 5. Filter cake 6. Water-based Drilling
Fluid 7. Emulsion 8. Fresh water 9. Shale shaker 10. Gellant
Answers
1. Drilling Fluid (Mud) 2. Viscosity 3. Marsh funnel 4. Gel strength 5. Bentonite 6. Hydrate 7. Free water 8. Water loss 9. Yielded 10. Makeup water
1. 钻井液（泥浆） 2. 粘度 3. 马氏漏斗 4. 凝胶强度 5. 膨润土 6. 水化 7. 自由水 8. 失水 9. 造浆 10. 配浆水
between juxtaposed atoms.
2. Consequently, the lattice cleaves（劈裂） readily along the basal surfaces, forming tiny mica-like flakes.
第二章黏性土物理化学性质资料

第二章黏性土物理化学性质资料


三种主要 黏土矿物的 结晶构造：
2:1的三 层晶格结 构
Si Si Al Al Si Si
钾离子
Si Si Al Al Si Si
高岭石 蒙脱石 伊利石
• 是云母在碱性介质中风化的产物。 • 与蒙脱石相似，由两层硅片夹一层铝
片所形成的三层结构，但晶层之间有 钾离子连结。
• 主要特征：连结强度弱于高岭石而高 于蒙脱石，其特征也介于两者之间。
强结合水 弱结合水 自由水
• 排列致密，密度在1.2~2.4g/cm3
• 冰点处于零下几十度
• 完全不能移动，具有固体的特性，
不能传递静水压力
• 具有很大的黏滞性、弹性和抗剪强度
• 温度略高于100°C时可蒸发
- 弱结合水：（扩散层）
• 受电场引力作用，为黏滞水膜
• 密度在1.0~1.7g/cm3
d
小 800m2/g
大 小 小 大
第三节 黏土颗粒的胶体化学性质
原因：黏土矿物的带电特性
黏土的电泳和电渗现象 (列依斯, 1807)
研究表明： 黏土颗粒的表面有电荷，
净电荷通常为负电荷。
电泳：在电场作用下，带有负 电荷的黏土颗粒向阳极移动 的电动现象
电渗：在电场作用下，水分子 及水化阳离子向阴极移动的 电动现象
价离子；同价离子中，半径小的交换能力小于半径 大的。常见离子交换能力顺序如下：
F e 3 A l 3 H 3 B a 2 C a 2 M g 2 K L i N a
扩散层水膜厚度对黏性土的工程性质有直接的影响，所以 在工程实践中可利用这一机理来改良土质，增加土的稳定性。
+
-
黏土粒
玻璃筒
水位 升高
黏土膏 黏土颗粒
土壤学课件第2章粘粒矿物

土壤学课件第2章粘粒矿物


化学结构式
[SiO4] 4-
第五节 粘粒矿物
二、层状硅酸盐粘土矿物
1、基本结构特征
硅氧四面体片底层有 六角形网眼要记住！ 哇噻，网眼半径1.32 埃。谁会被陷进去？
许多硅四面体可以共用 氧原子形成一层。氧原 子排列成为中间有空的 六角形，称为硅氧四面 体片，简称硅片。
第五节 粘粒矿物
二、层状硅酸盐粘土矿物
子交换量为10－40 Cmoles(+) kg-1。 ➢ 颗粒较小，其可塑性、粘结性、粘着性和吸
湿性居中
土壤的绿泥石大部分是由母质遗留下来，但也可能由层状 硅酸盐矿物转变而来。沉积物和河流冲积物中含较多的绿 泥石。
小结
单位晶层 1：1型 2：1型 2：1型 2：1：1型
矿物类型 1：1型粘土矿物
2：1型膨胀性矿物 2:1型非膨胀性矿物 2：1：1型粘土矿物
第五节 粘粒矿物
一、粘粒矿物概念
分布在粘粒部分的矿物
硅酸盐：最重要的造岩矿物，自然界中，占已知矿物种类的1/3，占岩 石圈量的80-90%，绝大多数都以硅酸盐为主要矿物成分，由岩石风化 成为土壤，土壤亦含大量硅酸盐—土壤的骨骼。在硅酸盐中，其结构可 以看成是氧离子组成骨架，阳离子填充于氧离子空隙中,阳离子的大小很 重要.
第五节 粘粒矿物
三、非硅酸盐粘粒矿物－氧化物类
4、常见氧化物
（一）氧化铁
赤铁矿、针铁矿、褐铁矿、磁铁矿、陵铁矿、兰铁矿
土壤中常见的氧化铁矿物是赤铁矿和针铁矿
针铁矿 （a-FeOOH):黄色或棕色，呈针状，在温带、亚热带与热带的土壤中大量存
赤铁矿 （a-
）：红色，呈六角板状，少量赤铁矿的存在也会使土壤看起来呈
在2：1单位晶层的基 础上多了1个八面体 片水镁片或水铝片， 这样2：1：1型单位 晶层由两个硅片、1 个铝片和1个镁片 （或铝片）构成。
土力学-第二章-粘性土的物理化学性质ppt课件

土力学-第二章-粘性土的物理化学性质ppt课件

颗粒越细，破键越多，所以比表面越大， 表面能就越大。
精选编辑ppt
33
同晶置换作用
硅氧四面体中的硅原子常为铝或其它低 价的阳离子置换；氢氧化铝八面体中的 铝原子又常为铁、镁离子所置换，置换 后引起电荷的不平衡，在颗粒表面产生 了过剩的未饱和负电荷，使粘土颗粒表 面带负电。
精选编辑ppt
34
水化解离作用
22
高岭石
由一个四面体片与一个八面体片重复堆叠而成。 称为1:1型结构单位层，也称为二层结构型。
高岭石
精选编辑ppt
（氢键联结）
高岭石 23
蒙脱石
由两个四面体晶片中间夹一个八面体晶片堆叠而成。 称为2:1型结构单位层，亦称为三层结构型。
蒙脱石
精选编辑ppt
蒙脱石 24
伊利石
伊利石的晶格构造与蒙脱石相似，同属2:1型结构 单位层，但在四面体片之间六角形网格眼中央嵌有 一个钾离子。
精选编辑ppt
29
伊利石的的物理性质
伊利石矿物在单位层面之间嵌有带正电荷的钾 离子，单位层之间的联结强度介于高岭石和蒙 脱石之间，其膨胀性及压缩性也介于高岭石和 蒙脱石之间。
精选编辑ppt
30
第三节 粘土颗粒的胶体化学性质
精选编辑ppt
31
粘 土 颗 粒 的 粒 径 非 常 微 小 （ 小 于 0.005mm），在介质中具有明显的胶体 化学特性（如具有吸附能力），这起源
精选编辑ppt
11
总结
不同元素的原子通过化学反应构成一种 新的物质分子，异性原子之间的联结力 称为离子键。
两个同性原子形成同一元素分子的联结 力称为共价键。
通过自由电子将原子或离子联结成金属 晶格的联结力为金属键。
粘土矿物和粘土胶体化学基础

粘土矿物和粘土胶体化学基础

粘土矿物和粘土胶体化学基础第一节粘土矿物的晶体构造与性质粘土作为钻井液的重要组成成分，其晶体构造与性质对钻井液性能有十分重要的影响。

钻井过程中井眼的稳定性、油气层的保护均与地层中粘土矿物类型和特性密切相关。

粘土主要是由粘土矿物(含水的铝硅酸盐)组成的。

某些粘土除粘土矿物外，还含有不定量的非粘土矿物，如石英、长石等。

许多粘土还含有非晶质的胶体矿物，如蛋白石、氢氧化铁、氢氧化铝等。

有人把任何细粒的、天然的、土状的物料都叫做粘土，这种提法并不确切。

大多数粘土颗粒的粒径小于2μm，它们在水中有分散性、带电性，离子交换以及水化性，这些性能都是在处理与配制钻井液时需要考虑的因素。

一、粘土矿物的分类和化学组成1．粘土矿物的分类粘土矿物的分类方法很多，现根据其单元晶层构造的特征进行分类，见表2-1。

表2-1的资料说明，粘土矿物按两种晶片的配合比例可分为1：1型(一层硅氧四面体晶片与一层铝氧八面体晶片相结合构成单元晶层)、2：1型(两层硅氧四面体晶片中间夹一层铝氧八面体晶片构成单元晶层)、2：2型(硅氧四面体晶片与铝(镁)氧八面体晶片交替排列的四层晶片构成单元晶层)以及层链状结构(硅氧四面体组成的六角环依上下相反方向对列)等几类。

*以前称为蒙脱石族，1975年国际粘土研究会命名委员会决定采用蒙皂石族来代替蒙脱石族的称呼。

2．粘土矿物的化学组成粘土中常见的粘土矿物有三种：高岭石、蒙脱石(也叫微晶高岭石、胶岭石等)，伊利石(也称水云母)。

它们的化学组成见表2-2。

从表2-2可以看出，不同类型的粘土矿物其化学成分是不同的。

如高岭石，其氧化铝含量较高，氧化硅含量较低；而蒙脱石的氧化铝含量较低，氧化硅含量较高；伊利石的特点是含有较多的氧化钾。

上述各类粘土矿物化学成分的特点是用化学分析方法鉴别粘土矿物类型的依据。

二、几种主要粘土矿物的晶体构造 1．粘土矿物的两种基本构造单元 (1)硅氧四面体与硅氧四面体晶片硅氧四面体中有一个硅原子与四个氧原子，硅原子在四面体的中心，氧原子(或氢氧原子团)在四面体的顶点，硅原子与各氧原子之间的距离相等(见图2-1a)。

第第二章 粘性土的物理学性质-PPT精品文档

第第二章 粘性土的物理学性质-PPT精品文档

验证：列依斯试验
粘土粒
+ 水位 升高
玻璃筒
2.工程运用
粘土膏
（1）电渗排水：基坑降水、稳 定滑坡、软基处理
（2）电化学加固
玻璃皿
工程实例

佛山市一环工程
一、设计参数 （一）采用Φ22钢筋作为阳 极，Φ48δ2.0钢花管作为阴 极，电极深 10m, 以穿透软土 层为准、进入硬土层 0.2m 为 准。电极间距2m~3m，阴极（ 阳极）间距4m。如图： 二.结论 1.电渗时地下水位普遍下降1.5~2.5m，路基中间下降较多。 2.电渗1个月时，电渗区的沉降与1m厚的填土产生的沉降相当。 3.电渗40后（电渗能量不足设计能量的1/3）软土抗剪强度比初始强度 提高1/3~1/2倍，靠近阳极强度增长较多
二.粘性土的结构性与灵敏度
1.结构性
示意图
分散结构
• 形成环境 淡水中沉积 表面力、胶结力 （粒间斥力占优势) 面与面
凝聚结构
海水中沉积
表面力、胶结力 （斥力减小引力增加)
• 粒间作用力
• 排列形式
边、角与面 边、角与边
• 性质
密度较大， 各向异性
具有较大孔隙，结构 不稳定，各向同性
2.灵敏度
qu St q0
3
置换
Al
3
或其他低价阳离子
置换
Mg2 , Fe2
3.水化离解作用
4.选择性吸附
颗粒只吸附与其本身晶格中离子成分相同或相近的离子
二.双电层的概念
结合水：受颗粒表面电场作用力吸引 而包围在颗粒四周，不传递静水压力， 不能任意流动的水
粘土 颗粒
阳离子
水分子
强结合水
弱结合水
- 弱结合水： • 受电场引力作用，为粘滞水膜 • 外力作用下可以移动 • 不因重力而流动，有粘滞性
第二章 第四节 粘土矿物自生与转化

第二章 第四节 粘土矿物自生与转化


2、高岭石
高岭石族粘土矿物包括高岭石，地开石和珍珠陶土3种矿物。高岭石 族矿物的晶体结构以高岭石为代表。高岭石由一层Si—O四面体和一层Al— （O—H）八面体组成。
3、蒙皂石 现代的用法趋向于建立1个蒙皂石族（Semetite）来代替过去的蒙脱
石族。 蒙皂石又分为蒙脱石（在八面体层中Mg代替Al）和贝得石（在四面
孔隙衬层
孔隙衬层或 孔隙充填 孔隙衬层或 孔隙充填 孔隙衬层
孔隙衬层
孔隙衬层
2-10
2-10 4-150 ， 通 常 4-20 8-40
0.1-10
2-12
2-12
特殊特征
锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？） 锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？） 锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？）
颗粒之间搭 桥 颗粒之间搭 桥 颗粒之间搭 桥
410、蒙皂石与高岭石 （霍6井，1647.02m，大磨拐河组，SEM）
371、粒间大孔隙，颗粒表面贴附蒙皂石 （贝16井, 1334.70m，兴安岭群,SEM）
394、粒间充填伊利石 （乌20井，2073.67m，南屯组，SEM）
395、伊利石贴附颗粒与充填孔隙 （乌20井，2077.09m，南屯组，SEM）
体层中Al代替Si）两个亚组。 蒙脱石有两个四面体层夹1个八面体层组成。
3、伊利石 伊利石并不是一种具体矿物。这个术语表示一组具有云母
构造的粘土矿物，过去称之为水云母。
二、如何区别自生与碎屑粘土矿物
1、识别手段 A 扫描电镜 B 电子探针 C 偏光显微镜 D x射线衍射分析（结晶度，伊利石） E 透射电子显微镜
H2O，Na+，Ca2+
蒙皂石
火山玻璃
＋H2O；—Na+，Ca2+，K+
第二章粘土矿物和粘土胶体化学基础

第二章粘土矿物和粘土胶体化学基础

b. 离子半径 离子半径越大离子水化半径越小，离 子的吸附性越强交换能力越大，通常离子的交换 能力由弱到强的排列顺序为：
Li+<Na+<K+(NH4+)<Mg2+<Ca2+<Ba2+<Al3+<Fe3+<H+
c. 离子浓度 离子浓度越大交换能力越强
四、粘土的凝聚性
（1）概念：粘土矿物（颗粒）在水分散体系状态下，通 过不同的联结方式产生絮凝或聚结（集）的现象。
膨胀性是衡量粘土亲水性的指标，亲水性越强，吸水量越 大，水化膨胀越厉害。 二、水化膨胀机理
各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的 程度不同而已。粘 土水化膨胀受三种力制约：表面水化 力、渗透水化力和毛细管作用。
二、 粘土的水化膨胀性
(1)表面水化 ①定义：由粘土晶体表面直接吸附水分子和通过所吸附的 可交换性阳离子间接吸附水分子而导致的水化。 ②表面水化机理 直接水化：粘土表面上的H+和OH-通过氢键吸附水分子 间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子 (2) 渗透水化
D、CEC 大介于高岭石与蒙脱石之间（200-400mmol/kg)
☞蒙脱石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+来平衡，由于 蒙脱石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层 表面近，故与K+产生很强的静电力， K+不易交换下来。
☞ K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴 中，起到连接作用，周围有12个氧与它配伍，因此， K+连 接通常非常牢固，不易交换下来。
2 粘土矿物带电量
CEC：pH值等于7的水溶液中1kg粘土中可被交换 出来的阳离子电荷总数。
第二章粘土矿物和粘

第二章粘土矿物和粘

从上式可以看出，降低体系表面能有两条途径：一条 是缩小表面积；另一条是减小比表面能σ。前者引起一系 列的毛细管现象和胶态体系的聚结不稳定性，后者引起吸 附作用。
钻井液是粘土—水的胶质悬浮体系，分散在水中的粘 土细粒具有巨大的表面积，因此，它们亦有聚结以及吸附 作用，且都是自发地进行的，以使体系的表面积减小。
淋洗完成后，将滤液蒸干并进行焙烧，此时各种醋酸 盐均分解为无机化合物。反应式如下：
残渣用盐酸处理后，即可测定钙、镁等离子含量； 醋 酸铵淋洗以后的粘土，用乙醇洗去过剩的醋酸铵，再向粘 土中加浓NaOH溶液，NH4+又被Na+交换出来，生成氢氧化铵。 因而，经过直接蒸煮后，得到NH4OH，用标准酸吸收，再经 过滴定，便可换算为每100g土的交换性阳离子的毫粘摩尔 数，即粘土的阳离子交换容量。
粘土的水化作用
粘土矿物的水分：结晶水、吸附水、自由水、
结晶水：为粘土矿物的一部分，与粘土矿物之 间以化学键相连，温度较高（300℃） 才能释放出来。
吸附水：与粘土矿物之间的作用力为分子间以 及静电引力，即水化膜形式存在，也 叫束缚水。
自由水：存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中，不 受粘土约束，可以自由运动
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
粘土阳离子交换容量的测定：测定粘土阳离子 交换容量的方法很多，经典的方法是醋酸铵淋 洗法。其基本原理如下：
淋洗剂为醋酸铵NH4Ac，NH+可交换出粘土中的 Ca2+和Mg2+等阳离子，其作用可用图2—11表示。
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
钻土的正电荷与负电荷的代数和即为粘土品体的净 电荷数。由于粘土的负电荷一般多于正电荷，因此，粘 土一般都带负电荷。
第二章粘土矿物课件PPT

第二章粘土矿物课件PPT


钾离子直径（0.266nm）与硅氧四面体片中的六方网格结 构内切圆直径（0.288nm）相近，使它易进入六方网格结构中 而不易释出，所以晶层结合紧密，水不易进入其中。伊利石层 间距比较稳定，一般为1.0nm。
矿物 名称
晶型
晶 nm层间距-1/10 层间引力
阳/m离mo子l·(交10换0g容粘量土)
-1
2、2:1层型基本结构层 由两个硅氧四面体片夹着一个铝氧八面体片结合而成。
七层原子面：一层铝面，两层硅面和四层氧（或羟基）面。典型矿物：蒙脱石
2021/3/10
6
2021/3/10
7
引伸概念
粘土矿物分别由上述两种基本结构层堆叠而成。 层间域：当两个基本结构层重复堆叠时，相邻基本结构层 之间的空间； 粘土矿物的单位构造：基本结构层加上层间域； 层间物：存在于层间域中的物质；若层间物为水时，则称 为层间水，若层间域中有阳离子，则称为层间阳离子。
分子间力（不存在氢键）
膨胀型粘土矿物
大量的晶格取代
大量可交换阳离子
蒙脱土的晶格取代主要发生在铝氧八面体片中，由铁或镁取代铝氧八面体中 的铝。硅氧四面体中的硅很少被取代。晶格取代后，在晶体表面可结合各种可交 换阳离子。
可交换阳离子为钠
钠蒙脱石
可交换阳离子为钙
钙蒙脱石
2021/3/10
11
2021/3/10
高岭 1:1 7.2
氢键力，引力强 3~15
石
2021/3/10蒙石脱 2:1 9.6~40.0
分子间力，引力 70~130 弱
14
20~40
2021/3/10
15
四、绿泥石（Chlorite）
基本结构层是由一层类似伊利石2:1层型的结构片与一层水 镁石片组成。与其他2:1层型的粘土矿物相比，不同之处在于它 的层间域为水镁石片所充填。水镁石片为八面体片，片中的镁 为铝取代，使它带正电性，可代替可交换阳离子补偿2:1层型结 构中由于铝取代硅后产生的不平衡电价。
第二章粘土矿物和粘土胶体化学基础ppt课件

第二章粘土矿物和粘土胶体化学基础ppt课件


氧原子
氧原子
Si-O晶片 Al-O晶片 Si-O晶片
二、几种常见粘土矿物的晶体构造
1、基本概念
（1）晶格取代：在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外 阳离子所置换，而晶体结构不变现象。
Si-O四面体：Al3+取代Si4+ Al-O八面体： Mg2+、Fe2+取代Al3+
粘土带 负 电荷
例1：蒙脱石在不发生晶格取代时，其理想结构式为： Al4Si8O2(OH)4.nH2O
﹥Al-O- + H2O
（3）吸附
分类
物理吸附，氢键，分子 力等 化学吸附，化学键力 离子交换吸附，离子交 换
吸附负电性离子（OH-、SiO32-）：使粘土负电性增加 吸附正电性离子（NW-1）：使粘土负电性降低
2 粘土矿物带电量
CEC：pH值等于7的水溶液中1kg粘土中可被交换 出来的阳离子电荷总数。
膨胀量：单位质量粘 土的膨胀体积。
另外一种表示方法水 化应力，即体积保持不 变时，泥页岩水化所产 生的应力效应。
传感器 123
（5）粘土矿物水化膨胀的影响因素 a. 粘土的带电量，增加，膨胀性增大。 b. 粘土矿物种类，蒙脱石>伊利石>高岭石。 c. 粘土矿物补偿（可交换）阳离子种类有关，如钙土（Ca2+） 晶层间距最大可达1.7nm，而钠土（Na+）晶层间距可达4nm。 d. 溶液中的离子浓度，离子浓度增加，严重压缩双电层。 e. 温度、湿度等条件有关。
5.分散度和比表面
分散度D：分散程度的量度，通常用分散相颗粒平均直径 或长度a的倒数来表示。 D=1／a
比表面S比：分散度的另一种量度，其数值等于全部分 散相颗粒 的总面积S与总质量m(或总体积v)之比

第2章第1节土壤理化性质及生态效应环境土壤学讲义


第一节 土壤物质组成及其生态功能
气 相：土壤空气
土壤
液 相：土壤水分 矿物质（95%）
固 相 有机质（5%） 生物体
一、土壤矿物质
土壤矿物质是土壤的主要物质组成成 分，占到土壤固相部分总重量的95%左右， 矿物质的大小、组成比例、矿物质的结构 特征和土壤的矿物组成等对土壤一系列性 质起着决定性作用。
Silicon (Si) and oxygen (O) are the two most abundant elements in the earth’s crust -29 percent and 47 percent, respectively. These two elements, along with lesser amounts of others, combine in different ways to form a huge array of minerals. 土壤矿物元素组成主要是：氧 、硅、铝、铁，其它元素的量相对 比较少。
面体片（硅片）和八面体片（铝片）
硅片用 n (Si4O10)4-表示
铝片用 n (Al4O12)12-表示
Share 1 oxygen
Share 2 oxygens
单位晶层
由于硅片和铝片都带有负电荷，不稳定，必须
通过重叠化合才能形成稳定的化合物；
硅片、铝片以不同方式进行堆叠，形成层状铝
硅酸盐的单位晶层；
第二章 土壤理化性质及 其生态环境效应
• O层：半分解或未分解的有机残体组成，主要是植物
残体（枯落物层)； • A层：受生物气候或人类活动影响形成的有机质积累 和物质淋溶表层。有机质含量高，颜色较暗黑；（腐 殖质层） • E层：是硅酸盐粘粒、铁铝等物质明显淋失的漂白淋 溶层 ；（淋溶层 ） • B层：硅酸盐粘粒、氧化铁、氧化铝、碳酸盐、其他 盐类和腐殖质等物质聚积的层 ；（沉淀层） • C层：与土壤发育有密切关系的岩石风化物层；（母

粘土矿物PPT课件

第33页/共55页
粘土矿物
②伊利石特点
A、2：1型粘土矿物
B、存在晶格取代，取代位置主要在
Si-O
Al-O
Si-O四面体中，且取代数目比蒙脱石
K+
Si-O
多，产生的负电荷由等量的K+来平衡。
Si-O
Al-O
C、晶层间引力以静电力为主，引力
Si-O
强，晶层间距C=10Å，属非膨胀型粘
土矿物。
第34页/共55页
第5页/共55页
第一篇 钻井化学
第一章 粘土矿物
第6页/共55页
粘土
水/油
钻井液
处理剂
第7页/共55页
本章要点
• 基本概念：晶格取代、阳离子交换容量CEC等 • 粘土矿物的基本构造单元和基本结构层 • 常见粘土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石）的特点
及其特性解释 • 粘土矿物的基本特性及其机理
第8页/共55页
粘土矿物
D、C.E.C 大（700-1300 mmol/1kg 土)原因在于蒙脱石存在晶格取代，所以带负电荷较多，
周围吸附的阳离子数目较多，可发生交换的阳离子数目 多，所以大。 Ｅ、造浆率高
因为蒙脱石具有很强的水化膨胀能力，造浆率高， 所以它是钻井泥浆的主要配浆材料。
第32页/共55页
粘土矿物
（3）伊利石 ①伊利石晶体结构示意图
性粘土矿物？
OH
第26页/共55页
粘土矿物
D、低（30-150 mmol/kg土) 在三种常见的粘土矿物中，高岭石的Ｃ最低。原
因在于高岭石几乎不存在晶格取代，所以带负电荷很 少，周围吸附的阳离子数目少，可发生交换的阳离子 数目就更少了，所以小。 Ｅ、造浆率低

第二章 第四节 粘土矿物自生与转化


层间域： 在粘土矿物的晶体结构中，两个相邻的结构单元层之间的
空隙称为层间域。
层间域可以是空的，也可以有水分子或阳离子物质充填。 一个结构单元层加上和它祁邻的一个层间域组合向成的层状体 称为“单位构造层”，其厚度用d表示，不同粘土矿物因晶体结构 类型及层间物质不同，其d的数值亦不同，它们是粘土矿物鉴别 的重要数据。
410、蒙皂石与高岭石 （霍6井，1647.02m，大磨拐河组，SEM）
371、粒间大孔隙，颗粒表面贴附蒙皂石 （贝16井, 1334.70m，兴安岭群,SEM）
394、粒间充填伊利石 （乌20井，2073.67m，南屯组，SEM）
395、伊利石贴附颗粒与充填孔隙 （乌20井，2077.09m，南屯组，SEM）
1600～2700m I＋C＋K＋S/I 2700～3000 C＋I＋K 3000～3500 I＋C＋S/I
砂级岩石中的粘土矿物
埋深（m）
粘土矿物组合
600～820
S＋K＋I＋C
820～950
K＋I＋S/I＋S
950～1080
随着埋藏深度的增加，蒙脱石将转化成伊利石 Weaver（1959）早就提出，在埋深超过3048m处，蒙脱石变成蒙脱石— 伊利石混合粘土，同时随着埋深进一步增加，伊利石所占的比例增大。 Hower等（1976）在研究美国墨西哥湾地区渐新世—中新世页岩时， 发现该页岩的化学成分和矿物成分具有如下一些变化规律： （1）在2000～3000m的埋深范围内，蒙脱石——伊利石混合粘土中有不 足20％增加到80％，在此深度之下，伊利石层的含量保持不变。 （2）在上述埋深范围内，方解石含量从大约20％减少到零，钾长石含 量亦减少到零。 （3）页岩的总化学成分变化不大，但随方解石含量降低，CaO含量明显 减少。 （4）随埋深增加，绿泥石含量也有所增加。 （5）粒度<2μ 的部分（主要由伊利石－蒙脱石混合组成），K2O和Al2O3 大量增加，SiO2含量减少。
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

几种主要粘土矿物的晶体构造
伊利石的单元晶层构造：也称为水云母。
伊利石也称为水云母，其 晶体构造和蒙脱石类似，主要 区别在于晶格取代作用多发生 在四面体中，铝原子取代四面 体的硅。晶格取代作用也可以 发生在八面体中，典型的是 Mg2+和Fe2+取代Al3+，其晶胞平 均负电荷比蒙脱石高，产生的 负电荷主要由K+来平衡。
从上式可以看出，降低体系表面能有两条途径：一条 是缩小表面积；另一条是减小比表面能σ。前者引起一系 列的毛细管现象和胶态体系的聚结不稳定性，后者引起吸 附作用。
钻井液是粘土—水的胶质悬浮体系，分散在水中的粘 土细粒具有巨大的表面积，因此，它们亦有聚结以及吸附 作用，且都是自发地进行的，以使体系的表面积减小。
粘土矿物的晶体构造与性质
粘土作为钻井液的重要组成成分，其晶体构造 与性质对钻井酸性能有十分重要的影响。钻井过程 中井眼的稳定性、油气层的保护均与地层中粘土矿 物类型和特性密切相关。
粘 土 矿 物：含水的铝硅酸盐 粘土组成 非粘土矿物：石英、长石
胶 体 矿 物：氢氧化铁、蛋白石、 氢氧化铝等
粘土矿物颗粒直径较小，在水中具有一定的分 散性、带电性、水化性，可发生离子交换。
被吸附的阳离子以钠离子为主的蒙脱石(称为钠 蒙脱石)，其膨胀压很大，晶体可以分散为细小的颗 粒，甚至可以变为单个的单元晶层。
若被吸附的阳离子以钙离子为主的蒙脱石（称 为钙蒙脱石），由于钙离子所带电荷较多，晶层之 间的作用力较强，矿物晶体膨胀性能较差。
当然，可通过离子交换使得不同类型的粘土相 互转化。
胶体分散体系则不然，由多相所组成，在胶体 颗粒和分散介质之间存在物理界面，为多相分散体 系。如泥浆中的粘土胶粒与水之间存在界面，改变 粘土—水界面的性质即可改变泥浆的性能。认识粘 土—水界面的性质对了解泥浆的本质有重要意义。
概述
2. 比表面积特大的分散体系
随着分散相颗粒的分散程度增大，颗粒变小，颗粒的 表面积（相界面积）增加很大，单位体积物质的总表面积 （称比面积）增加很大。
粘土矿物的两种基本构造单元 (1)硅氧四面体与硅氧四面体晶片
粘土矿物的晶体构造与性质
(2)铝氧八面体与铝氧八面体晶片
粘土矿物的晶体构造与性质
(2)铝氧八面体与铝氧八面体晶片
粘土矿物的晶体构造与性质
(2)铝氧八面体与铝氧八面体晶片
几种主要粘土矿物的晶体构造
高岭石的单元晶层构造： 一层硅氧四面体品片和一层铝氧八面体晶片。
高岭石：其氧化铝含量较高，氧化硅含量较低； 蒙脱石：氧化铝含量较低，氧化硅含量较高； 伊利石：含有较多的氧化钾。
粘土矿物的晶体构造与性质
粘土矿物的两种基本构造单元 (1)硅氧四面体与硅氧四面体晶片
粘土矿物的晶体构造与性质
粘土矿物的两种基本构造单元 (1)硅氧四面体与硅氧四面体晶片

粘土矿物的晶体构造与性质
几种主要粘土矿物的晶体构造
几种主要粘土矿物的晶体构造
海泡石族的单元晶层构造：
粘土矿物的电性
从电泳现象得到证明，粘土颗粒在水中通常带 有负电荷。粘土的电荷是使粘土具有一系列电化 学性质的基本原因，同时，对粘土的各种性质都 发生影响。
更为重要的是由于晶格取 代、带有较多负电荷，能吸 附等电量阳离子。水化阳离 子进人晶层，致使层间距增 加。所以，蒙脱石是膨胀型 粘土矿物，增加了其胶体活 性。其晶层所有表面，包括 内表面和外表面都可以进行 水化及阳离子交换。
几种主要粘土矿物的晶体构造
蒙脱石膨胀程度在很大程度上取决于交换性阳 离子的种类：
概述
3. 是不稳定的分散体系
因胶体系有巨大表面积引起的。物体表面的分子和内部 分子的处境不同，因而具有不同的能量（见图2-2）。
概述
用σ代表单位面积的表面能（称比表面能），⊿S代表 面积，总面积能=σ⊿S。热力学第二定理，体系表面能有 自发减小的倾向。表面能及其作用原理，在具有巨大界面 的高分散多相体系中具有根本性的意义。
泥浆中粘土颗粒多数在悬浮体范围（0.1~2 微米），少数在溶液范围内（0.1微米~1毫微）， 泥浆是粘土—水的胶质悬浮体系，具有胶体和悬浮 体的性质。
概述
二、 胶体分散体系的基本性质 1.是不均匀分散体系（或称相分散体系） 所谓相，是指物理化学性质均匀的部分，相内
部是不存在物理界面的。均匀分散体系是由一相所 组成的单相体系，如溶液，在溶液里分子与离子和 分散介质之间是不存在物理界面的。
粘土矿物的晶体构造与性质
粘土矿物的化学组成：粘土中常见的粘土矿物有三种：高 岭石、蒙脱石(也叫微晶高岭石、胶岭石等)，伊利石(也称 水云母)。它们的化学组成见下表
矿物名称 高岭石 蒙脱石 伊利石
化学组成 Al4[Si4O10(OH)8 (Al2Mg3)(Si4O10)(OH)2. nH2O （K,Na,Ca2)m(Al,Mg)4(Si,Al)8O20(OH)4.nH2O
几种主要粘土矿物的晶体构造
伊利石的单元晶层构造
伊利石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晶层 间的氧原子网格形成的空穴中，起到连 接作用，周围有12个氧与它配位；因此， K+连接通常非常牢固，是不能交换的。 仅粘土颗粒外表面能发生离子交换，其 水化作用仅限于外表面。水化膨胀时， 其体积增加的程度比蒙脱石小得多。因 此，伊利石晶格不易膨胀。
精品jing
第二章粘土矿物和粘
概述
一．分散体系的种类 在自然界以及工农业生产中，常常遇到一种或几种物质分散在一中物质中
的分散体系。我们称被分散的物质为分散相，分散相颗粒所在的连续介体为分 散介质。例如钻井用的水基泥浆就是粘土、处理剂、有时还有加重剂等分散在 水中的分散体系。分散体系可以分为三类，见表2-1
形成氢键，因而，晶层连 接紧密，晶层间距仅为 7.2×10-1nm，故高岭石分散 度低且性能比较稳定；同时， 几乎无晶格取代现象。故阳 离子交换容量小，水分不易 进人晶层中间，其水化性能 差，造浆性能不好。为非膨 胀类型的粘土矿物。
几种主要粘土矿物的晶体构造
蒙脱石的单元晶层构造：
晶层上下面皆为氧原子， 以分子间力连接，连接力弱， 水分子易进入，引起晶格膨 胀；