粘土性质及在钻井液中的应用-白璐

1、油田化学论文 论文题目 ： 粘土性质及在钻井液中的应用 学 院 ： 石油工程学院 班 级 ： 石油工程（卓越）1209班 作者姓名 ： 学 号 ： 粘土性质及在钻井液中的应用粘土是配制钻井液的重要原材料，它的主体矿物为粘土矿物。粘土矿物的结构和基本特性与钻井液的性能及其控制与调整密切相关；粘土在钻井液中有悬浮、增粘作用，对井壁稳定、油层保护有重要影响。粘土是一种或多种呈疏松或胶状致密的水铝硅酸盐矿物，是多种微细矿物和杂质的混合物。自然界中的粘土是多种含水铝硅酸盐矿物的混合物，外观多为土状或致密块状，呈白、黄、红、黑、灰等多种颜色，颗粒细微，大多数均不大于2m，晶体呈片状、管状、球状以及六角鳞片

2、状等。粘土的主体是由各类粘土的矿物组成，通常还含有杂质矿物，如未风化的岩石碎屑、石英砂、长石、云母、方解石、黄铁矿、有机物杂质等。自然界的粘土是由富含如长石、伟晶花岗岩等铝硅酸盐矿物的岩石经过长期地质年代的风化、水解、热液蚀变等作用而形成的。1、粘土矿物类型粘土矿物 (clay minerals)是粘土和粘土岩中晶体一般小于2微米，主要是含水的铝、铁和镁的层状结构硅酸盐矿物。有的在其成分中还有某些碱金属或碱土金属存在。粘土矿物包括高岭石族矿物、蒙皂石、蛭石、粘土级云母、伊利石、海绿石、绿泥石和膨胀绿泥石以及有关的混层结构矿物，此外还包括具过渡性的层链状结构的坡缕石（凹凸棒石）和海泡石以及非晶质

3、的水铝英石。除水铝英石外均属层状或层链状结构硅酸盐，因此粘土矿物可按层状结构硅酸盐矿物的分类来划分。粘土矿物按成因可分为他生粘土矿物和自生粘土矿物两类，他生粘土矿物主要是来自沉积物源区的陆源矿物，矿物成分与母源区岩石类型关系密切；自生粘土矿物为储层在特定成岩阶段化学反应析出的矿物，如自生绿泥石、自生高岭石等。不同成因粘土矿物通常具有不同的矿物组合、产状、晶形和分布规律等特征。粘土矿物的粒度细小，其大小和形态需用电子显微镜才能测定。多数粘土矿物如伊利石等呈鳞片状，结晶良好的高岭石则呈完整的假六方片状。少数粘土矿物呈管状（埃洛石）或纤维状（坡缕石和海泡石）。2、粘土组成粘土的组成包含化学组成、矿物

4、组成和颗粒组成等三个方面。（1）、化学组成由于粘土是由含水铝硅酸盐矿物组成的混合物，故粘土的主要化学成分为SiO2、Al2O3和H2O，同时还含有碱金属氧化物（K2O、Na2O）、碱土金属氧化物（CaO、MgO）、着色氧化物（Fe2O3、TiO2）以及烧失成分（机械结合水、化合水、有机质、碳酸盐、硫酸盐等）。根据粘土的化学组成可以初步判断和估计粘土的一些性能。如粘土中Al2O3含量较高，杂质含量较少时，原料耐火度较高且难以烧结；当粘土中SiO2较多时，说明该粘土中游离石英较多，砂性重，成型时可塑性较差；若粘土中K2O和Na2O总量大于2%时，烧结温度较低；当Fe2O3含量大于0.8%时，制品白

5、度降低，呈灰白色、黄色，甚至暗红色。（2）、矿物组成天然粘土通常并不是单一矿物，而是由多种矿物的混合物，只是其中一种是主要矿物。根据主要粘土矿物的不同，可将天然粘土分为高岭石类、蒙脱石类和伊利石类三种。高岭石是一种常见的粘土矿物，其主要成分是高岭石（Al2O32SiO22H2O），其中Al2O3 39.5%、SiO2 46.54%和H2O 13.96%，结构式为Al4 Si4O10(OH)8。高岭石是高岭土原料中的主要矿物成分。当高岭土中的高岭石矿物含量高，杂质较少，耐火度也较高，烧成后颜色较白，高温时莫来石发育较好，机械强度、热稳定性、化学稳定性均较好。但因其吸附能力弱，分散度较小，故其可塑

6、性和结合性较差。蒙脱石又称微晶高岭石或胶岭石，是一种常见的粘土矿物。以蒙脱石为主要矿物的粘土称为膨润土。呈白色或灰白色，有时因含杂质而呈黄色、浅红色、蓝绿色等。比密度为2.2-2.9，硬度1-2。属于单斜晶系晶体，其理论化学通式Al2O34SiO2nH2O（n通常大于2），晶体结构式为Al4(Si8O20)(OH)4nH2O。蒙脱石易于粉碎，颗粒细小，可塑性较强，遇水体积膨胀，干燥收缩率较大，干燥强度高，但含杂质较多，收缩较大，故烧成温度较低。在陶瓷生产中其用量一般控制在5%以下，否则，产品易出现变形、开裂等质量缺陷。伊利石类矿物又称水云母类矿物，是由云母水解成高岭石的中间产物。伊利石属于单斜

7、晶系，晶体呈厚薄不等的鳞片状，有时有劈裂、折断痕迹，也有呈板条状。纯的伊利石多呈白色，含杂质时呈黄、绿、褐等色，比密度为2.6-2.9，硬度1-2。伊利石类粘土一般可塑性较差，干燥强度低，干燥和烧成收缩均较小，烧结温度低，烧结范围窄。（3）、颗粒组成粘土的颗粒组成是指粘土中含有不同大小颗粒的百分比含量。粘土中的粘土矿物颗粒较细，粒径在2m以下。当然，粘土种类不同，颗粒大小亦有区别，蒙脱石、伊利石类粘土的颗粒比高岭石类粘土细小一些。 由于颗粒粒径的差异，在工艺上亦有不同。细颗粒粘土矿物，其表面积大，表面能较高，因此，粘土中的细粒矿物较多时，可塑性较强，干燥收缩大，干燥强度高，易于烧结成致密的坯体

8、，有利于提高坯体的机械强度、白度、半透明度以及釉面光洁度和平整度。3、粘土矿物性质晶体结构与晶体化学特点决定了它们的如下一些性质。离子交换性。具有吸着某些阳离子和阴离子并保持于交换状态的特性。一般交换性阳离子是Ca2+、Mg2+、H+、K+、NH4+、Na+，常见的交换性阴离子是SO42-、CI-、PO43-、NO3-。产生阳离子交换性的原因是破键和晶格内类质同象置换引起的不饱和电荷需要通过吸附阳离子而取得平衡。阴离子交换则是晶格外露羟基离子的交代作用。粘土-水系统特点。粘土矿物中的水以吸附水、层间水和结构水的形式存在。结构水只有在高温下结构破坏时才失去，但是吸附水、层间水以及海泡石结构孔洞中

9、的沸石水都是低温水，经低温（100150）加热后就可脱出，同时象蒙皂石族矿物失水后还可以复水，这是一个重要的特点。粘土矿物与水的作用所产生的膨胀性、分散和凝聚性、粘性、触变性和可塑性等特点在工业上得到广泛应用。粘土矿物与有机质的反应特点。有些粘土矿物与有机质反应形成有机复合体，改善了它的性能，扩大了应用范围，还可作为分析鉴定矿物的依据。此外，粘土矿物晶格内离子置换和层间水变化常影响光学性质的变化。蒙皂石族矿物中的铁、镁离子置换八面体中的铝，或者层间水分子的失去，都使折光率与双折射率增大。4、粘土矿物成因粘土矿物的形成方式有三种：与风化作用有关。风化原岩的种类和介质条件如水、气候、地貌、植被和时

10、间等因素决定了矿物种和保存与否。热液和温泉水作用于围岩，可以形成粘土矿物的蚀变富集带。由沉积作用、成岩作用生成粘土矿物。5、粘土在钻井液中的应用钠基膨润土及钙基膨润土, 是配制水基钻井液的基础原材料。其主要矿物成分是蒙脱石。一般要求1t土可配制0.0 1 5 P a S 粘度的钻井液16 m3 。钠基膨润土的造浆率较高, 而钙基膨润土则需要经过改造处理才能使用。目前, 我国把水基钻井液所用的土分为三个等级: 一级为符合A PI 标准的钠基膨润土, 二级为改性土, 经过改性符合OCMA(Oll Company MaetrilsAssiait on ) 标准要求, 三级为较次的配浆土; 抗盐粘土, 包括海泡石和坡缕石。这种土的特点是抗盐且耐温, 在盐水甚至饱和盐水中也能配出具有相当粘切的钻井液, 要求造浆率达到12 一16 m 3 /t, 常用来钻盐层。海泡石钻井液具有较高的耐热特性, 热稳定性好。故常用来打地热井或超深井。其缺点是滤失量大, 必须配合滤失量降低剂才能使用; 有机膨润土, 是由钠基膨润土或抗盐粘土以阳离子型表面活性剂覆盖, 使其改变表面性质( 由亲水变为亲油) 制成的。它