第一章 粘土矿物

第一篇钻井化学 含粘土矿物 钻井液化学和水泥浆化学 第一章粘土矿物 第一节粘土矿物的基本构造第二节粘土矿物第三节粘土矿物的性质 第一节粘土矿物的基本构造 一 基本构造单元及基本构造单元片有两种基本结构单元1 硅氧四面体和硅氧四面体晶片 以Si原子为中心 4个O原子对称 等距分布在四个顶点上组成硅氧四面体 四面体片 四面体同向联结 组成四面体片 四面体片在X和Y轴上无限伸展 如图2 1 俯视四面体片 则是由若干个中空的六角形组成 六角形直径为2 8 2 铝氧八面体和铝氧八面体片 以Al原子为中心 6个O原子团分布在6个顶点上组成铝氧八面体 八面体片 八面体侧向联结组成八面体片 八面体片在X和Y轴上无限伸展 如图2 2 说明 四面体顶端是以O原子为主 八面体片顶端是以OH原子团为主 二 基本结构层 单位晶层 1 1 1层型基本结构层即一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片构成 硅氧四面体片的顶氧构成铝氧八面体片的一部分 取代铝氧八面体片的部分羟基 即四面体片顶端 尖端 指向八面体片 2 2 1层型基本结构层 两个硅氧四面体片夹着一个铝氧八面体片构成 两侧硅氧四面体片的顶氧构成铝氧八面体片的一部分 取代铝氧八面体片的部分羟基 即四面体片顶端 尖端 指向八面体片 三 由基本结构层重复堆积引伸出的概念 层状粘土矿物 由上述两种基本结构层重复堆积而成 层间域 相邻基本构造层之间的空间 粘土矿物的单位构造 基本构造层 层间域 层间物 存在于层间域中的物质 第二节粘土矿物 一 高岭石 1 组成 1 1型粘土矿物即由一层4面体和一层8面体组成 在片状结构中 一面为OH层 另一面为O层 层间引力 氢键 范德华力 故晶胞之间联结紧密 晶格底面距为7 2 1 10 3cm 无晶格取代现象发生 注 氢键可看作是一种比较强的分子间作用力 引入几个概念 晶格取代 晶胞中的部分阳离子被较低价阳离子取代 使骨架不变而晶体带负电的现象 补偿阳离子 为了维持晶体的电中性 而吸附的反核离子 可交换性阳离子 在溶液中 能被其它阳离子交换的补偿阳离子 阳离子交换容量 PH 7时 粘土所能交换吸附的阳离子总量 膨胀型粘土矿物 吸水后 发生膨胀 分散的粘土矿物 只发生膨胀 而不分散的粘土矿物称非膨胀型粘土矿物 造浆率 每吨膨润土 造出表观粘度为15mpa s的泥浆方数 2 特点 阳离子交换容量小 水分子不易进入层间 3 结论 非膨胀型粘土矿物 水化性能差 造浆率低 不是配浆的好材料 二 蒙脱石 1 组成 2 1型粘土矿物即由两层4面体夹一层8面体 晶格取代发生 4面体中的Si4 被Al3 取代 8面体中的Al3 被Fe2 Mg2 Zn2 阳离子取代 且8面体晶格取代数量多于4面体 补偿阳离子 Na Ca2 层间引力 静电力 范德华力 2 特点 阳离子交换容量大 水分子易进入层间 3 结论 膨胀型粘土矿物 水化分散性能强 造浆率高 是配浆的基本材料 三 伊利石 1 组成 与蒙脱石相似 为2 1型粘土矿物 底面间距10 0 2 区别 晶格取代更多发生在4面体中 距晶胞表面较近 其总量是蒙脱石的1 1 5倍 补偿阳离子为K K 嵌入晶胞间相邻氧层的孔穴中 六角形环有效直径为2 8 K 直径2 66 3 层间引力 静电力 范德华力 K 镶嵌作用4 特点 阳离子交换容量较小 水分子不易进入层间 5 结论 非膨胀型粘土矿物 水化分散性差 几种晶型粘土矿物比较 第三节粘土矿物的性质 一 带电性电泳试验 粘土颗粒向阳极运动 试验结论 带负电荷 电荷种类 永久性负电荷 可变性负电荷 正电荷 1 永久负电荷定义 由自身结构导致电荷产生的 由晶格取代引起的 产生原因 晶格取代数量的多少 决定了永久性负电荷数量的多少 表面电荷 永久负电荷主要分布在晶层表面上 又称之为表面电荷 2 可变负电荷定义 电荷的数量随外界环境变化而变化 产生原因 PH值 介质的PH变化 使OH 吸附或使H 解离 吸附带有负电荷的物质 带有负电荷的有机 无机处理剂 3 正电荷产生原因 PH 9 PH 9 碱性环境Al 作定势离子 使端面带正电荷 机械断键引起的 结论 粘土颗粒所带电荷 永久负电荷 可变负电荷 可变正电荷 当负电荷总量 负电荷总量 负电性当负电荷总量 负电荷总量 正电性试验数据 优质土带有较多负电荷 二 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 吸附剂 吸附吸附质的物质 吸附分类 物理吸附 化学吸附 2 吸附过程 可逆 动态平衡 注 吸附与解吸附同时存在 平衡时吸附与解吸附速度相等 吸附量 达到动态平衡时 单位体积 重量 吸附剂所吸附的吸附质的数量 3 吸附特性放热反应 温度降低吸附量增加 温度提高吸附量减少 钻井液中的吸附主要体现在土粒与处理剂 化学用剂 之间的吸附性能 钻井液是一种由地面 低温 和井底 高温 时的吸附量不同 钻井液循环过程 高温区 吸附量低 低温区 吸附量高 4 离子交换吸附 属物理吸附 A 定义 一种离子被吸附的同时从吸附剂表面顶替出等当量的带相同电荷的另一种离子的过程 B 特点 同电性离子等电量交换 是动态平衡 速度较慢 C 规律 带负 正 电的吸附剂容易吸附正离子 进行正离子交换 其它条件相同时 离子价态越高 吸附越强 同价正离子 离子半径小 吸附水分子的能力强 水化膜越厚 吸附力弱 反之 相反 常见正离子的吸附强弱顺序 Li Na K NH4 Mg2 Ca2 Ba2 Al3 Fe3 H 其中NH4 H 有较强特性 三 膨胀性1 定义 粘土矿物吸水后体积增大的特性 膨胀性粘土矿物 体积增大 自发颗粒变小 使分散度提高 即先膨胀 后分散 非膨胀性粘土矿物 只发生膨胀 注 各种粘土矿物 或亲水性物质 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 2 粘土矿物膨胀 过程 阶段 机理 晶层膨胀和渗透膨胀 晶层膨胀 粘土晶面表面水化和层间阳离子水化 膨胀能量 水化能 能量高 膨胀距离 短 4个H2O分子层厚 发生膨胀的位置 外表面 层间内表面 膨胀的结果 体积小幅度增加 故也称近距离水化膨胀或表面水化 渗透膨胀 由渗透压和双电层斥力引起的 膨胀能量 渗透压和双电层斥力 能量高 膨胀距离 长 发生膨胀的位置 层间内表面 膨胀的结果 体积大幅度增加直至分散 故也称长距离水化膨胀或渗透水化 1 渗透压的作用 结果 在淡水环境中 H2O在渗透压的作用下 进入离子浓度相对较高的层间 由于层间水合离子被晶层固定或夹持 不能发生扩散 是晶层间距进一步扩大 随着H2O逐渐进入层间 层间离子浓度逐渐降低 渗透压逐步下降 2 扩散双电层斥力的作用 渗透水化导致层间距逐步加大 当层间水合离子不能被晶层固定或夹持时 渗透水化结束 渗透压 0 水合离子自发向浓度低的环境扩散 导致晶层带有过剩的负电荷 即扩散双电层产生 静电斥力引起更进一步膨胀 直至分散 复习 扩散双电层的形成和结构 3 影响水化膨胀的因素 不同的交换性阳离子对粘土水化的影响阳离子水化半径的大小 决定与给粘土表面带来水化膜的厚度不同 高价态的阳离子使水化后的粘土表面的电动电位降低 是影响粘土长距离水化分散的原因 粘土矿物本性对水化的影响晶层间的引力大小 决定于水分子进入层间的难易程度 外来可溶性盐类的影响降低电动电位 降低双电层的厚度 有机处理剂的影响水溶性有机 特别是高分子 处理剂有较多的亲水基团 吸附于粘土离子表面或将粘土颗粒包被起来 减弱或阻止水分子的进入 使粘土粒子的水化性能变弱或不水化 四 凝聚性和稳定性 1 凝聚性 在一定条件下 粘土矿物颗粒在水中发生联接的性质 三种联接方式 面 面 引力远远大于斥力 使粒子体积变大 分散度降低 面 端 引力大于斥力 形成网架结构 端 端 端面水化膜较薄 相对斥力较小 易使其联接 形成网架结构 粘土颗粒在流体中存在的三种方式 合并变大 面 面结合 相互联结 网架结构 分散 颗粒独立存在 这三种存在方式形成的主要原因 取决于粒子之间引力与斥力的平衡关系 即引力 斥力合并变大引力 斥力网架结构引力 斥力分散存在 2 稳定性 聚集稳定性和沉降稳定性 聚集稳定性 定义 分散相颗粒是否容易自动粘结变大 即自动降低分散度 的性质 影响聚结稳定性的因素斥力 双电层斥力 水化膜粘弹性 引力 范德华力 电解质的聚结作用 沉降稳定性 定义 在重力作用下 分散相颗粒是否容易下沉的性质 影响聚结稳定性的因素斯托克斯定律 V 2 9