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第二章粘土矿物和粘土胶体化学基础

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泥浆工艺原理复习资料 (自动保存的)

泥浆工艺原理复习资料 (自动保存的)

《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。

《粘土胶体化学》课件

《粘土胶体化学》课件
1）硅氧四面体及四面体片
硅氧四面体：由一个硅原子和4个氧原子组成，硅位于正四面体中心(见图1-1)。由多个硅氧四面体在a、b两方向上有序排列组成四面体片。四面体片有如下特点 共有三个层面：两层氧原子和一层硅原子，上下两层氧原子均形成六角环(空心)； 在a、b两方向上无限延续。
图1-1 硅氧四面体
第一章 粘土胶体化学基础 （4学时）
第一节 胶体的概念和特征
第二节 常见粘土矿物及性质
第一节 胶体的概念和特征
油田化学研究的体系和过程十分复杂，绝大多数体系属于或涉及胶体分散体系。如原油其实是油和水的乳状液，可归为胶体，而油藏则是巨大而复杂的高度分散体系。原油开发涉及的钻井液、完井液、调剖堵水液、酸化液、压裂液及提高采收率的驱替液等等油田化学的工作液无不与胶体体系有关。
第一章 粘土胶体化学基础
2）具有高度分散性
胶体体系中，分散相颗粒分散得很细，即分散相的分散（程）度很高。
3）具有聚结不稳定性
胶体都是高度分散的多相体系，具有非常大的总表面积，相应地具有很高的总表面自由能，是热力学不稳定体系，体系表面自由能有自发减小的倾向，胶体体系中分散得很细的分散相微粒就有自动聚结（自动降低分散度）以缩小总表面积的趋势，这就是胶体的聚结不稳定性。
第一章 粘土胶体化学基础
进入二十一世纪，时代在前进，科技在进步，胶体化学也得到较大的发展，现代胶体化学的分支领域或主要研究内容列于表1-3。
第一章 粘土胶体化学基础
表1-3 现ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ胶体科学的研究内容
颗粒相互作用力理论
单分散、单一形状颗粒的形成 纳米颗粒的有序排列
纳米材料
分散体系
气溶胶理论 成核理论，DLVO与 HVO稳定理论 高聚物溶液理论 胶束理论 光吸收与光散射理论 理论与现象流变学

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 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
晶格取代作用可以发生在八面体中典型的是mg晶胞平均负电荷比蒙脱石高产生的负电荷主要由k伊利石石油工程学院石油工程学院182013818伊利石负电荷主要产生在四面体晶片离晶层表与晶层的负电荷之间的静电引力比氢键强水不易进入晶层间
第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础
本章要求重点掌握内容：

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2012-6-9
石油工程学院
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(5)海泡石族（层链状结构）
海泡石族矿物俗称抗盐粘土，属链状构造的含水 铝镁硅酸盐。包括：海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石(又 名山软木)。海泡石族矿物是含水的铝镁硅酸盐，晶体 构造常为纤维状，海泡石族矿物特点是硅氧四面体所
组成的六角环都依上下相反的方向对列，并且相互间
Al O-…... H+
粘土晶体的端面上吸附了OH-、SiO3
机阴离子聚电解质等。
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2-等无机阴离子或吸附有
OHSiO3 2-
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3. 正电荷 —— 表面电荷 来源：粘土端面上带正电荷的原因多数人认为是由于裸露在边 缘上的铝氧八面体在酸性条件下从介质中解离出OH-，如下式所 示：当PH<8时, 特点: 受环境PH值影响 。 粘土的负电荷一般多于正电荷，粘土一般带负电。 Al —O — H → Al+ + OH-
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特点 晶格取代 主要在八面体中：Mg2+ Al3+ 晶层上下面为氧原子，分子间力连接，连接力弱， 水分子易进入引起晶格膨胀；晶格取代、带有较多负 电荷，能吸附等电量阳离子。水化阳离子进入晶层， 层间距增加。蒙脱石是膨胀型粘土矿物，增加了胶体 活性 补偿阳离子：Na+、Ca2+ 阳离子交换容量高：70-130 mmol/100克土 水化能力强。

钻井液工艺技术考点

钻井液工艺技术考点

钻井液工艺技术考点绪论：钻井液定义、组成、分类；基本公用。

第一章：粘土矿物水化膨胀性的好坏，粘土的稳定性、连接方式。

第二章：定义；塑性粘度，动切力，表观粘度，静切力，剪切稀释性。

简述；钻井液流变性与钻井作业的关系第三章：钻井液的虑失和润滑性；定义：滤失，滤失量，滤失范围及合理的滤失量；测量API滤失量指标第四章：水基钻井液：1、细分散钻井液优缺点及使用2、盐水钻井液优缺点及使用3、MMH正电胶钻井液特点4、高温对粘土、处理剂、黏土及处理剂的影响5、聚合物的特点第五章：油基钻井液：组成，滤失量低的原因，活度平衡第六章：振动筛、旋流器工作特点第七章：井壁不稳的机理、井壁失稳的对策、堵漏剂、漏失的原因、堵漏方法。

绪论1、定义：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。

钻井液俗称钻井泥浆或泥浆。

2、钻井液的组成：钻井液是由分散介质，分散相和化学处理剂组成的分散体。

3、钻井液的分类：1）、按密度分非加重钻井液和加重钻井液。

2）、按其与粘土水化作用强度分非抑制性钻井液和抑制性钻井液。

3）、按其固相含量的多少分低固相含量和无固相含量。

4）、根据分散介质不同：水基钻井液、油基钻井液、气体性钻井液和合成基井液。

4、钻井液的基本功用1）、携带和悬浮岩屑2）、稳定井壁3）、平衡地层压力和岩石侧压力4）、冷却和润滑作用5）、传递水功率6）、获取地下信息第一章、粘土胶体化学基础一、粘土矿物水化膨胀的强弱1、高岭石：为非膨胀性粘土矿物，其水化性能差，造浆性能不好，最不容易发生水化膨胀。

2、蒙皂石：是膨胀型粘土矿物，其晶层表面包括内外表面都可以进行水化及阳离子交换，蒙皂石具有很大的比表面。

最容易发生水化膨胀。

3、伊利石：不易水化膨胀4、绿泥石：非膨胀性粘土矿物，不易发生水化膨胀。

5、海泡石族：膨胀型粘土矿物，具有较好的热稳定性，适用于配制深井钻井液，具有良好的抗盐稳定性。

6、混合晶层粘土矿物：最常见的为伊利石和蒙皂石混合层，简称依蒙混层，是膨胀型粘土矿物。

第二章粘性土的物理化学性质

第二章粘性土的物理化学性质

2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 ZH2.粘性土的物理化学性质 ZH2.粘性土的物理化学性质 §2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 三种主要 三种主要 粘土矿物的 结晶构造： 结晶构造：
1:1的两 的两 层晶格 结构 高岭 石微粒
Al Al Si Si
• 晶层间通过氢键联结，联结力强，晶 晶层间通过氢键联结，联结力强， 格不能自由活动， 格不能自由活动，水难以进入晶格间 高岭石 蒙脱石 伊利石 • 能组叠很多晶层，多达百个以上，成 能组叠很多晶层，多达百个以上， 为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-4µm， 为一个颗粒。颗粒长宽约 µ ， 厚约0.05-5µm。 厚约 µ 。 • 主要特征：颗粒较粗，亲水能力差, 主要特征：颗粒较粗，亲水能力差 不容易吸水膨胀和失水收缩。 不容易吸水膨胀和失水收缩。
2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 ZH2.粘性土的物理化学性质 ZH2.粘性土的物理化学性质 §2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 三种主要 三种主要 粘土矿物的 结晶构造： 结晶构造：
2:1的三 的三 层晶格 结构SiSi来自Al Al Si Si
高岭石 蒙脱石 伊利石
• 晶层间是 2-对O2-的连结，联结力很 晶层间是O 的连结， 水很容易进入晶层之间。 弱，水很容易进入晶层之间。 • 每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒 每一颗粒能组叠的晶层数较少。 大小约为0.1-1µm ，厚约 厚约0.001-0.01µm。 大小约为 µ µ 。 • 主要特征：颗粒细微，亲水能力强,具 主要特征：颗粒细微，亲水能力强 具 有显著的吸水膨胀、 有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性。
ZH2.粘性土的物理化学性质 ZH2.粘性土的物理化学性质 §2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 2.2粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土矿物结构单元

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)。

《钻井液工艺学(修订版)》(鄢捷年)第二章粘土胶体化学基础


（1）K+离晶层表面近，相邻晶层与K+产生较强的静电引力，使 晶层间拉的较近；
（2）K+有特殊尺寸，刚好嵌入相邻晶层间硅氧四面体形成的空 穴中，增加了层间的结合力；
（3）K+被固定不参加交换，同时本身水化较弱。
伊利石对油层的潜在影响：
• 多是搭桥式，有很多的微细孔隙，产生强的吸水区，外 来液体侵入后易造成含水饱和度增加，使油的相对渗透率 下降；
✓ （3）晶片的结合－晶层 ✓ 1. 1：1型晶层
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物
2.1.2常见粘土矿物的结构 1.粘土矿物的两种基本构造单元
✓ （3）晶片的结合－晶层 ✓ 2. 2：1型晶层
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物
2.1.2常见粘土矿物的结构 2.高岭石的晶体构造：
2.1.2常见粘土矿物的结构 5.绿泥石对储层的影响
✓ 富含铁，具有酸敏性。 ✓ 酸化时被溶解，并释放铁离子。当酸耗尽时，会形成氢氧化
铁沉淀造成酸化失败。一般酸化后产量反而下降，在很大程 度上原因就在于此。
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.2 粘土矿物的性质
2.2.1带电性 1.电泳现象
✓ 将均匀的粘土水溶液放进容器中，插入正负电极，通直流电。 ✓ 现象：粘土颗粒向正极方向移动，最后正极周围聚集了很多
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物
2.1.2常见粘土矿物的结构 1.粘土矿物的两种基本构造单元
✓ （1）硅氧四面体 ✓ 硅氧四面体片
硅氧四面体片
D=0.28nm
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物
2.1.2常见粘土矿物的结构 1.粘土矿物的两种基本构造单元

土力学-第二章-粘性土的物理化学性质.


或次键、低能键。
所谓分子键就是指分子与分子之间的联
结力。
分子间键力的影响范围比离子键力大得
多，约为0.3～10μm，但其键能则比离子 键能小得多，约为2.1～21J/kmol。
分子键的形成与影响因素
由于分子的正电荷与负
电荷的分布不对称形成 极性分子，在极性分子 间相反电荷的偶极端相 互接近时相互吸引就产 生分子键。 分子键的产生是与分子 的定向作用、诱导作用 和分散作用有关。
氧联结，其键力很弱，易为具有氢键的强极化 水分子楔入所分开。
高 岭 石
（氢键联结）
高岭石
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
蒙脱石
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。
伊 利 石
伊利石
三种粘土矿物物理性质的比较
氧八面体） 4个铝—氢氧八面体组成一个铝片，每个氢氧离子都被相邻两个 铝离子所共有。
粘土矿物的结晶结构
粘土矿物根据四面体片（硅片）与八面 体片（铝片）的不同组合堆叠形式，形 成了三种主要的粘土矿物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。
以及它们之间的联结力。 键 力
粘性土的各种工程性质（可塑性、压缩性、强度
等）主要受组成粘性土的粘土矿物的结晶结构特 征以及矿物颗粒与周围介质的相互作用所制约。
第一节 键力的基本概念
所谓键力是指组成粘土矿物的原子与原子
之间或分子与分子之间的一种联结力。
键力的类型：
化学键 分子键 氢键

MY钻井液

粘土以小颗粒状态(<2μ)分散在水中所形成的溶胶-悬浮 体。(mud)
• 广义钻井液:
一切有助于从井眼中产生和清除钻屑的流体。(drilling fluid)
• API定义:
用于钻井的具有各种各样功用以满足钻井工作需要的循 环流体
MENU
1.概述
• 钻井液工作流程
泥浆池 泥
浆
泥浆泵 净
化
高压管线
设 备
MENU
1.概述
• 钻井液的类型-API & IADC分类
• 钙处理钻井液(Calcium treated drilling fluids)
• 定义：体系中同时含有一定浓度的Ca2+ 和分散剂。 • 特点
• 抗盐、钙污染的能力强 • 抑制粘土的水化分散作用，控制页岩坍塌和井径扩大，减
少对油气层的损害
钻井液技术
Drilling Fluid
郭昭学
石油工程学院 油气井工程研究所 Tel：83032458
钻井液技术
• 1.概论 • 2.粘土矿物和粘土胶体化学基础 • 3.钻井液的工艺性能
• 钻井液的流变性 • 钻井液的滤失和造壁性 • 钻井液的其它性能
• 4.钻井液处理剂及原材料 • 5.钻井液体系 • 6.复杂情况处理
• 定义：以各种聚合物的钾（或铵、钙）盐和KCl为
主处理剂的防塌钻井液体系
• 特点
• 在各种无机盐中，以KCl抑制粘土水化的效果最好。聚
合物处理剂的存在使该钻井液体系具有聚合物钻井液的 各种优良特性。
• 在钻遇泥页岩地层时，具有理想的防塌效果。
MENU
1.概述
• 钻井液的类型-API & IADC分类
• 盐水钻井液(saltwater drilling fluid)
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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。
粘土带电量通常用CEC表示， CEC越大，说明粘土所 带负电荷越多，三种常见粘土矿物的CEC大致如下。
矿物名称
高岭石 蒙脱石 伊利石
C.E.C
30-150 700-1300 200-400
思考题：为什么伊利石单位晶胞所带负电荷比蒙脱石多，而C.E.C却 比蒙脱石小？
粘土颗粒的联结：絮凝和聚结（集） （2）粘土颗粒联结方式
E F

E，边 E，边
- 面边絮凝（反之散凝）
F F，面 - 面 聚结（反之分散）
（3）粘土颗粒在水分散体系中的存在状态 粘土颗粒的存在状态决定了粘土悬浮体系的流
变性和滤失造壁性。
试验：淡水泥浆盐 侵后，失水增大， 产生絮凝，粘土颗 粒逐渐增大，进一 步增加钙离子浓度， 最终破坏粘土颗粒 的网架结构，形成 水土分离的现象。
问：为什么伊利石也属非膨胀型粘土矿物？ ☞由于伊利石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负
电荷离晶层表面近，与吸附的K+产生很强的静电力，层 间引力较强，水分子不易进入晶层。
☞ 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，周 围有12个氧与它配伍，起到连接 作用，水分子不易进入晶层。
造浆率
粘土的水化分散能力
2、几种常见粘土矿物的晶体构造
（1）高岭石 ①高岭石晶体结构示意图
②高岭石特点
A、1：1型粘土矿物 B、几乎不存在晶格取代，负电量少 C、晶层间引力以氢键为主，引力强，晶层间距C=7.2Å
问题：为什么高岭石属非膨胀性粘土矿物？
Si-O
高岭石上下相临的层面，一面为OH面， O
粘土 与钻 井的 关系
（1）粘土作为钻井液的重要组成成分，配浆原材料。 （ 2）钻井过程中井眼的稳定性，泥页岩的主要组成部分， 75% 地 层为泥页岩，90%的井壁不稳定发生在泥页岩。 （3）油气层的保护，粘土矿物膨胀与钻井液配浆粘土堵塞。
第钻一井节液工粘艺土原矿理物电的子教晶案体构造第
一、粘土矿物的两种基本构造单元
铝氧八面体：六个 顶点为氢氧原子团， 铝、铁或镁原子居 于八面体中央(如右 图所示)。
氧或羟基
铝氧八面体晶片：
多个铝氧八面体通过 共用的OH连接而成 的AL-O八面体网络
3、晶片的结合
晶层：四面体晶片与八面体晶片以适当的方式结合，构成晶层 。
（1）1：1型晶层：由一个硅氧四面体晶片与一个铝 氧八面体 晶片构成。
第二章 粘土矿物和 粘土胶体化学基础
（1）粘土矿物：细分散的（≤2um）含水的铝硅酸盐类矿物的总称 分为晶质（具有晶体结构的）和非晶质，自然界中所见到的粘土矿
粘 物绝大多数是晶质的。 土 （2）粘土：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为主的（≥50%）沉积物。
（3）粘土岩（泥页岩）：粘土矿物经沉积、固结成岩作用后成为粘土岩。
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
蒙脱石的实际结构式为： (1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)4.nH2O
例2：伊利石在不发生晶格取代时，其理想结构式为： Al4（Si8O20）（OH）4
然会吸附等电量的阳离子，水化阳离子给粘土带来厚的水化
膜，使蒙脱石膨胀。
D、CEC 大（700-1300 mmol/kg) 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 CEC大。 Ｅ、造浆率高
◆蒙脱石晶层间引力以分子间力为主，层间引力较弱， 水分子易进入晶层，引起蒙脱石水化膨胀。
Al-O
另一面为O面，而O与OH很容易形成 OH
氢键，层间引力较强，晶层间连接紧密，
水分子不易进入晶层。
D、CEC低（30-150 mmol/kg) 在三种常见的粘土矿物中，高岭石的ＣEC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CEC小。
三、 粘土的吸附性
1、 吸附：物质在两相界面上自动浓集(界面浓度大于内部 浓度）的现象。
吸附质：被吸附的物质（钻井液处理剂） 吸附剂：吸附吸附质的物质（粘土）
2、吸附分类：
物理吸附：范德华引力引起，一般无选择性， 吸附热较小，容易脱附。 例：阴离子和非离子处理剂在粘土上的吸附
化学吸附：化学键力引起，具有选择性，吸附热较大，不易脱附。 例：阳离子处理剂在粘土上的吸附
◆蒙脱石负电荷多，吸附阳离子数量，水化阳离子给粘 土带来厚的水化膜，使蒙脱石水化膨胀。
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。
（3）伊利石 ①伊利石晶体结构示意图
Si-O
Al-O
Si-O
K+
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四面体中，且取代 数目比蒙脱石多，产生的负电荷由等量的K+来平衡。 C、晶层间引力以静电力为主，引力强，晶层间距C=10Å，
层面是O
层面上是OH
Al-O晶片 Si-O晶片
（2）2：1型晶层：由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体 晶片构成。
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。
影响因素：粘土类型；分散程度；CEC；pH值等
常见粘土矿物带电性区别
矿物名称 高岭石 蒙脱石 伊利石
带电原因 （主）
电荷分布
解离
边缘
晶格取代
AL-O八面 体
晶格取代
SI-O四面 体
C.E.C mmol/kg 30-150
700-1300
20、定义 水化：粘土矿物表面容易吸附较多水分子的特性。 膨胀：粘土吸水后体积增大的性质。
3、离子交换吸附特点及影响因素
（1）离子交换吸附
粘土矿物表面上离子（通常为补偿性阳离子）与溶液中同号
离子间的交换作用。
如自然界中的膨润土（即蒙脱土）绝大多数为钙蒙脱土，可
转化为钠蒙脱土，
Ca2+土+Na2CO3 （2）特点
2Na+土+CaCO3
同号、等电量、可逆
（3）影响因素
a. 离子价数 离子价数越大越容易发生离子交换
伊利石的实际结构式为： (K)xAl4(Si8-xAlx)O20(OH)20
（2）阳离子交换容量（CEC)
定义：分散介质pH=7时，1kg粘土所能交换下来的阳离子 的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）。
CEC可用来表示粘土在水中带电的多少，它与粘土的 水化分散、吸附等性质密切相关。
（3）造浆率：一吨干粘土所能配制粘度（表观粘度）为 15mPa.s钻井液的体积数，m3/T。
Ｅ、造浆率低 高岭石晶层间以氢键为主，引力较强，晶层间连接
紧密，水分子不易进入晶层间，水化作用仅限于外表 面，故水化分散能力差，造浆率低。
⑵蒙脱石 ①蒙脱石晶体结构示意图
Si-O Al-O Si-O Si-O Al-O Si-O
②蒙脱石特点
A、2：1型粘土矿物 B、存在晶格取代，取代位置主要在AL-O八面体中，即AL3+
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
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。