钻井液完井液化学ppt课件

1、钻井液完井液化学钻井液完井液化学 第一章、第一章、 钻井液概论钻井液概论 本章要求掌握：本章要求掌握： 钻井液、完井液概念。钻井液、完井液概念。 钻井液、完井液的组成和类型。钻井液、完井液的组成和类型。 钻井液、完井液的主要作用。钻井液、完井液的主要作用。 钻井液根本性能参数。钻井液根本性能参数。 钻井液技术开展简史钻井液技术开展简史 第一节、第一节、 钻井液、完井液的定义钻井液、完井液的定义 狭义钻井液狭义钻井液粘土以小颗粒形状粘土以小颗粒形状(2um)分散在水中所分散在水中所 构成的溶胶构成的溶胶 悬浮体。悬浮体。(泥浆泥浆 mud) 广义广义 钻钻 井井 液液 凡钻进中一切有助于从井眼产

2、生和凡钻进中一切有助于从井眼产生和 去除钻屑的流体液、气、液去除钻屑的流体液、气、液+气。气。 (drilling fluid) 广义完井液广义完井液 一切与产层接触的流体各种盐水、一切与产层接触的流体各种盐水、 聚合物溶液、钻井液、泡沫等。聚合物溶液、钻井液、泡沫等。 狭义完井液狭义完井液 钻开油气层的钻井液钻开液。钻开油气层的钻井液钻开液。 (completion fluid)第二节、第二节、 钻井液的组成、类型及性能钻井液的组成、类型及性能1. 钻井液的组成钻井液的组成 主要由水、粘土和添加剂组成的体系主要由水、粘土和添加剂组成的体系 分散介质分散介质+分散相分散相+化学处置剂化学处置剂

3、 延续相延续相+不延续相不延续相 液相液相+固相固相+化学处置剂化学处置剂 分散相与分散介质分散相与分散介质分分 散散 相相 在多相分散体系中，被分散的物在多相分散体系中，被分散的物质。质。 (不延续不延续, 可以粒子或液滴可以粒子或液滴)分散介质分散介质 分散相所在的延续介质。分散相所在的延续介质。分散体系分散体系一种或多种分散相分散在分散介质一种或多种分散相分散在分散介质中所形中所形 成成 的体系的体系.例如：钻井液中，粘土颗粒分散在水中例如：钻井液中，粘土颗粒分散在水中: 粘土为分散相；粘土为分散相； 水为分散介质。水为分散介质。 组分举例组分举例某种水基钻井液组分为：某种水基钻井液组分

4、为：水水 + 膨润土膨润土 + 处置剂处置剂 100ml 5g 1g用组分表示的配方为：用组分表示的配方为：5%膨润土浆膨润土浆+1%处置剂处置剂配方表示的特点：配方表示的特点： 用用W/V百分数表示组分。百分数表示组分。 不思索处置剂的体积。不思索处置剂的体积。钻井液的组成例如钻井液的组成例如2. 钻井液的分类钻井液的分类 分类方法多分类方法多通常根据分散介质分为四大类：通常根据分散介质分为四大类： 水基钻井液水基钻井液Water-Base Drilling Fluids 油基钻井液油基钻井液Oil-Base Drilling Fluids 气态钻井液气态钻井液Gas-Base Drilli

5、ng Fluids 合成基钻井液合成基钻井液(Synthetic-Base Drilling Fluids)%10:)/(%4)(:)(/120:)/()/%(1:)(/120%;1:367222OilWaterOilVVSFAPAMLmgCaCaCLVWNaCLLmgCaNaCL混油低固相石灰石膏钙处理海水饱和盐水淡水水基浆固%.90:%.6010:)/(OilWaterOW一般油基油包水油基普通分类普通分类API和和IADC分类法分类法 不分散钻井液根本不不分散钻井液根本不含处置剂的天然泥浆含处置剂的天然泥浆-non-dispersed drilling fluids 分散型钻井液分散型钻

6、井液- dispersed drilling fluids 聚合物钻井液聚合物钻井液-polymer drilling fluids 低固相钻井液低固相钻井液-low solids drilling fluids 饱和盐水泥浆饱和盐水泥浆-saturated saltwater drilling fluids 钙处置钻井液钙处置钻井液-calcium-treated drilling fluids 修井液，完井液修井液，完井液-workover ,completion fluids 油基钻井液油基钻井液-oil-based drilling fluids 气体类钻井液气体类钻井液-gas ty

7、ped drilling fluids石油钻井工程标委会钻井液分委会石油钻井工程标委会钻井液分委会综合分类法综合分类法 不分散聚合物钻井液用不分散聚合物钻井液用大中小分子聚合物处置的大中小分子聚合物处置的低固相泥浆低固相泥浆 钾基钻井液钾基钻井液 , K+ 1800mg/L 分散钻井液分散钻井液 盐水钻井液盐水钻井液 饱和盐水泥浆饱和盐水泥浆 钙处置钻井液钙处置钻井液 修井液，完井液修井液，完井液 油基钻井液油基钻井液 气体类钻井流体气体类钻井流体钻井液的分类 按能否运用加重资料分为: 非加重泥浆 加重泥浆(密度高于1.25g/cm3) 按钻井液的抑制性强弱分为: 分散泥浆 抑制性泥浆 按粘土

8、的聚集形状分为 细分散泥浆 粗分散泥浆 不分散泥浆钻井液循环道路钻井液循环道路泥浆池泥浆池泵泵高压管汇高压管汇水龙带水龙带方钻杆方钻杆钻杆钻杆钻铤钻铤钻头钻头环空环空井口及井口及振动筛振动筛固控设备固控设备3. 钻井液的主要功能钻井液的主要功能携带、悬浮岩屑及加重资料控制压力构成泥饼破岩、清岩维护油气层传送水功率冷却光滑钻头钻井液的主要作用钻井液的主要作用坚持清洁；控制压力；冷却光滑；防止垮塌；防止损害；取准资料；传送功率；4、钻井液的性能、钻井液的性能 钻井液的密度钻井液的密度(Density) 钻井液的流变性钻井液的流变性(Rheological Properties) 钻井液的失水造壁性

9、钻井液的失水造壁性(Filtration Properties) 钻井液的含砂量钻井液的含砂量(Sand content of DF) 钻井液的钻井液的pH值值 钻井液的固相含量和油、水含量钻井液的固相含量和油、水含量 钻井液膨润土含量钻井液膨润土含量(MBT) 钻井液的光滑性钻井液的光滑性(Lubricity) 钻井液的抑制性钻井液的抑制性 钻井液滤液的化学性质碱度、硬度、钻井液滤液的化学性质碱度、硬度、Cl-含量、含量、.钻井液密度钻井液密度 平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地层流体的污染；层流体的污染； 平衡地层压力，坚持井壁稳定，防止井塌；

10、平衡地层压力，坚持井壁稳定，防止井塌； 实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机械钻速；械钻速； 合理选择翻开油气层的钻井液密度，减少钻井合理选择翻开油气层的钻井液密度，减少钻井液对液对 产层的损伤。产层的损伤。 用比重秤测定。用比重秤测定。钻井液的含砂量钻井液的含砂量定义定义:钻井液中不能经过钻井液中不能经过200目筛的固相的体目筛的固相的体积占钻井液体积的百分数。普通要求小于积占钻井液体积的百分数。普通要求小于0.5。含砂量过高带来的危害：含砂量过高带来的危害：钻井液密度升高，降低机械钻速；钻井液密度升高，降低机械钻速；泥饼中含砂量升高，泥饼浸透率增

11、大，失水泥饼中含砂量升高，泥饼浸透率增大，失水增大；增大；泥饼外表摩擦系数添加；泥饼外表摩擦系数添加；钻头、钻柱、泵等机械设备磨损严重。钻头、钻柱、泵等机械设备磨损严重。钻井液的钻井液的pH值值由于钻井液中运用的化学处置剂在碱性条件由于钻井液中运用的化学处置剂在碱性条件下才干溶解，而酸性环境对钻井设备上的橡下才干溶解，而酸性环境对钻井设备上的橡胶部件有严重的腐蚀作用，所以，绝大多数胶部件有严重的腐蚀作用，所以，绝大多数钻井液体系的钻井液体系的PH值都控制在值都控制在7以上。以上。不分散型钻井液体系：不分散型钻井液体系：PH=7.58.5分散型钻井液体系：分散型钻井液体系：PH10钙处置钻井液体

12、系钙处置钻井液体系:PH11钻井液膨润土含量钻井液膨润土含量MBT钻井液中活性粘土的数量。钻井液中活性粘土的数量。水基钻井液都有一个适宜的膨润土含量，水基钻井液都有一个适宜的膨润土含量，MBT过高，钻井液的粘度、切力增大，泥饼过高，钻井液的粘度、切力增大，泥饼增厚，容易呵斥井下事故。增厚，容易呵斥井下事故。 MBT过小，钻井液的粘度、切力急剧下降，过小，钻井液的粘度、切力急剧下降，失水增大。失水增大。钻井液不应具有的性能钻井液不应具有的性能 损伤钻井人员，损害或污染环境损伤钻井人员，损害或污染环境 对所设计的地层评价有不利的性能对所设计的地层评价有不利的性能 对产层产生损伤对产层产生损伤 对钻

13、井设备和管材呵斥较大腐蚀对钻井设备和管材呵斥较大腐蚀 Detrimental to the operators and environment. Detrimental to the formation evaluation . Cause any formation damage. Cause any corrosion of the drilling equipment and subsurface tubulars. 优质钻井液的规范优质钻井液的规范 有利于平安、快速、优质、低耗钻井；有利于平安、快速、优质、低耗钻井； 有利于取全、取准各项工程、地质资料；有利于取全、取准各项工程、地质资

14、料； 有利于发现、维护油气层。有利于发现、维护油气层。钻井液任务的根本义务钻井液任务的根本义务 根据所钻井类型、地层特性、孔隙及破裂压力、井温、根据所钻井类型、地层特性、孔隙及破裂压力、井温、测井及环保要求正确选择钻井液类型；测井及环保要求正确选择钻井液类型； 自始至终维护、坚持良好的钻井液性能；自始至终维护、坚持良好的钻井液性能； 预防、处置各种井下复杂情况和事故；预防、处置各种井下复杂情况和事故； 保证平安顺利钻井前提下，尽能够降低钻井液本钱。保证平安顺利钻井前提下，尽能够降低钻井液本钱。 根据地质及钻井工程需求研讨新型钻井液处置剂及体根据地质及钻井工程需求研讨新型钻井液处置剂及体系。系。

15、第三节、第三节、 钻井液工艺技术的开展钻井液工艺技术的开展1 初步开展时期初步开展时期 自然造浆阶段自然造浆阶段 1888 1928年年主要处理问题：主要处理问题： 携带钻屑携带钻屑 控制地层压力控制地层压力典型技术：典型技术： 水水+ +钻屑钻屑+ +地面土地面土 运用重晶石、铁矿粉运用重晶石、铁矿粉19201920年以后年以后) )2. 快速开展时期快速开展时期 细分散泥浆阶段细分散泥浆阶段 1928 1948年年主要处理问题：主要处理问题：泥浆性能的稳定泥浆性能的稳定井壁稳定井壁稳定典型技术：典型技术： 一些泥浆性能测试仪器研制出来一些泥浆性能测试仪器研制出来 运用膨润土、单宁、烧碱、褐

16、煤运用膨润土、单宁、烧碱、褐煤3. 高速开展阶段高速开展阶段 粗分散泥浆阶段粗分散泥浆阶段 1948 1965年年主要处理问题：主要处理问题： 石膏、盐污染石膏、盐污染 温度影响温度影响典型技术：典型技术： 各种盐水、钙处置泥浆各种盐水、钙处置泥浆 油基泥浆油基泥浆 处置剂种类处置剂种类1616大类大类4. 4. 科学开展时期科学开展时期 聚合物不分散低固相钻聚合物不分散低固相钻井液阶段井液阶段 1965 1965年年 如今如今主要处理问题：主要处理问题： 快速钻井快速钻井 维护油气层维护油气层典型技术：典型技术： 不分散低固相钻井液不分散低固相钻井液 气体钻井气体钻井 维护油气层的完井液维护

17、油气层的完井液 合成基钻井液合成基钻井液 抗高温钻井液抗高温钻井液国内钻井液技术开展特点国内钻井液技术开展特点 同样阅历了这些阶段，但滞后一定时间同样阅历了这些阶段，但滞后一定时间; 水基体系的研讨运用比油基体系多水基体系的研讨运用比油基体系多; 深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液实际较成深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液实际较成熟；熟； 胜利研制了一些钻井液处置剂，如胜利研制了一些钻井液处置剂，如FA367, XY27, SMP, 80A51等；等； 胜利运用了一些钻井液体系，如三磺体系，两性离子聚胜利运用了一些钻井液体系，如三磺体系，两性离子聚合物体系，聚磺体系等；合物体系，聚

18、磺体系等； 研制了大量钻井液性能评价仪器；研制了大量钻井液性能评价仪器； 钻井液工艺技术日益提高：预防和减少了各种井下复杂，钻井液工艺技术日益提高：预防和减少了各种井下复杂，保证了常规井及各种特殊井的完成。保证了常规井及各种特殊井的完成。 计算机运用及固控技术相对滞后。计算机运用及固控技术相对滞后。预测钻井液技术开展方向预测钻井液技术开展方向 钻井液强化稳定井壁技术钻井液强化稳定井壁技术 复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻井复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻井液技术液技术 新型钻井液体系及其处置剂的研制与运用新型钻井液体系及其处置剂的研制与运用 废弃钻井液的处置技术废弃钻井液的处置技术

19、 维护油气层的钻井液技术维护油气层的钻井液技术 低密度钻井液完井液体系及技术低密度钻井液完井液体系及技术 恶性漏失的防治技术恶性漏失的防治技术 国内钻井液技术与国外对比 优势: 钻井液体系及处置剂多 差距: 钻井用土质量差 固控技术不成熟、不注重 钻井液体系及运用不规范 根底实际研讨及运用不多课程内容包括课程内容包括 三大根底：三大根底： 粘土胶化粘土胶化 流变学流变学 处置剂化学处置剂化学 三大体系：三大体系： 水基水基 油基油基 气体类气体类 两大工艺：两大工艺： 固控技术固控技术 复杂情况预防及处置复杂情况预防及处置 两大技艺：两大技艺： 钻井液、完井液配制钻井液、完井液配制 钻井液、完

20、井液性能钻井液、完井液性能测试测试课程特点及要求课程特点及要求 涉及领域宽，属运用学科。涉及领域宽，属运用学科。 要求掌握根本概念、根本原理、根本计要求掌握根本概念、根本原理、根本计算、根本实验技艺；算、根本实验技艺； 了解钻井液完井液体系及运用工艺、开了解钻井液完井液体系及运用工艺、开展方向和动态。展方向和动态。主要参考书刊主要参考书刊 李健鹰编著李健鹰编著, 泥浆胶体化学泥浆胶体化学 H.范范.奥尔芬奥尔芬, 粘土胶体化学导论粘土胶体化学导论 (译本译本) G.R.格雷格雷, 钻井液的组成与性能钻井液的组成与性能 (译本译本) 鄢捷年，钻井液工艺学，鄢捷年，钻井液工艺学， 张绍槐等编著张绍

21、槐等编著, 维护储集层技术维护储集层技术 张孝华等编著张孝华等编著, 现代泥浆实验技术现代泥浆实验技术 期刊期刊: 钻井液与完井液、钻井液与完井液、 油田化学、石油钻采油田化学、石油钻采工艺、石油学报、石油钻探技术、石油学院学工艺、石油学报、石油钻探技术、石油学院学报等报等习题：习题：1、9、10 第二章、第二章、 粘土胶体化学根底粘土胶体化学根底 本章要求重点掌握内容：本章要求重点掌握内容： 1. 几种粘土矿物的晶体构造及其特点。几种粘土矿物的晶体构造及其特点。 2. 粘土水化机理。粘土水化机理。 3. 分散双电层实际和电解质对电动电势的影响。分散双电层实际和电解质对电动电势的影响。 4.

22、胶体体系的根本概念。胶体体系的根本概念。 5. 聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响要素。聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响要素。 学习本章的意义学习本章的意义 粘土是配浆的根底资料粘土是配浆的根底资料 泥浆是粘土泥浆是粘土 水的溶胶水的溶胶 悬浮体悬浮体 地层造浆、井壁稳定、储层维护等均与地层粘地层造浆、井壁稳定、储层维护等均与地层粘土矿物有关。土矿物有关。 所以，必需学习粘土矿物及胶体化学根本知识。所以，必需学习粘土矿物及胶体化学根本知识。几个概念几个概念 粘土胶体化学：在普通胶体化学规律指点下，专门研粘土胶体化学：在普通胶体化学规律指点下，专门研讨粘土胶体的生成、破坏和物理化学性质的科学。

23、讨粘土胶体的生成、破坏和物理化学性质的科学。 狭义胶体：胶体大小三维中任一维尺寸在狭义胶体：胶体大小三维中任一维尺寸在1-100nm之之间的微粒分散在另一种延续介质中所构成的分散体间的微粒分散在另一种延续介质中所构成的分散体系。系。 具有丁达耳景象、分散慢、不渗析具有丁达耳景象、分散慢、不渗析 广义胶体：包括粗分散体系悬浮体、乳状液、泡广义胶体：包括粗分散体系悬浮体、乳状液、泡沫；溶胶；高分子真溶液；缔合胶体。沫；溶胶；高分子真溶液；缔合胶体。胶体概念的沿革胶体概念的沿革 1864年年Graham的半透膜实验：的半透膜实验： 将一块羊皮纸将一块羊皮纸(一种半透膜一种半透膜)缚在一个玻璃筒下端，

24、筒内缚在一个玻璃筒下端，筒内装着要研讨的水溶液，并把筒浸于水中，经过一段时装着要研讨的水溶液，并把筒浸于水中，经过一段时间后，测定水中溶质的浓度，求得溶质透过羊皮纸的间后，测定水中溶质的浓度，求得溶质透过羊皮纸的分散速度。实验发现：分散速度。实验发现： 有些物质如无机盐、白糖等，分散快，能很快透过羊有些物质如无机盐、白糖等，分散快，能很快透过羊皮纸。另一类物质如明胶、丹宁、蛋白质、氢氧化铝皮纸。另一类物质如明胶、丹宁、蛋白质、氢氧化铝等，分散速度缓慢，而且极难甚至不能透过羊皮纸。等，分散速度缓慢，而且极难甚至不能透过羊皮纸。 当溶剂蒸发时，前一类者物质易成晶体析出，后一类当溶剂蒸发时，前一类者

25、物质易成晶体析出，后一类物质那么不成晶体，而成粘稠的胶状物质。物质那么不成晶体，而成粘稠的胶状物质。 胶质胶质 胶体胶体Colloid +溶剂溶剂 蛋白质蛋白质 明胶明胶 氢氧化铝氢氧化铝 溶胶溶胶sol溶液溶液solution 凝晶质晶体凝晶质晶体Crystalloid+溶剂溶剂 食盐食盐 白糖白糖 胶体(Graham): 一种特殊的物质,其特点是分散慢,不渗析,蒸干后呈粘稠的形状 随着科学的开展，经过多次实验证明，发现这样的分随着科学的开展，经过多次实验证明，发现这样的分类并不适宜，由于任何物质既可制成晶体也可制成胶类并不适宜，由于任何物质既可制成晶体也可制成胶体形状。例如典型的结晶物质体

26、形状。例如典型的结晶物质NaCl在水中构成真溶液，在水中构成真溶液，却可在酒精中制成胶体形状。另一方面，许多表现胶却可在酒精中制成胶体形状。另一方面，许多表现胶体性质的物质在适当的条件下也可制成晶体。体性质的物质在适当的条件下也可制成晶体。 维依马林维依马林(俄俄 1905) 胶体、晶体是物质的两种存在形状。胶体、晶体是物质的两种存在形状。 在胶体形状下在胶体形状下,物质是以大颗粒的方式分散于溶剂中物质是以大颗粒的方式分散于溶剂中,大大颗粒由许多原子或分子组成颗粒由许多原子或分子组成胶体的概念 物质以某种分散程度分散在介质中物质以某种分散程度分散在介质中所构成的分散体系。所构成的分散体系。 颗

27、粒能经过滤纸颗粒能经过滤纸 不渗析不渗析(不能经过半不能经过半透膜透膜) 分散很慢分散很慢 超显微镜下可见超显微镜下可见几个根本概念几个根本概念1. 相和相界面相和相界面 相相 任何物理化学性质都完全一样的均匀部任何物理化学性质都完全一样的均匀部分称为一个相。分称为一个相。 假设体系中有两个或两个以上假设体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。的相，称为多相体系。相界面相界面 相与相之间的宏观物理界面。相与相之间的宏观物理界面。 在相互接触的两相中：在相互接触的两相中： 假设一相为气体，相界面称为外表。假设一相为气体，相界面称为外表。 假设是液假设是液/固分界面，称为界面。固分界面，称为界面

28、。分散度和比外表分散度和比外表分散度分散度 分散相的分散程度。分散相的分散程度。 含含 外形，级配，粒度中值等概外形，级配，粒度中值等概念念比外表比外表 单位体积分量物质的总外单位体积分量物质的总外表积。表积。比外表比外表 = S/V S/W,普通用普通用cm-1,cm2/g示之。示之。分散相分散相分散介质分散介质名称名称例例液液气气气液溶胶气液溶胶雾雾固固气气气固溶胶气固溶胶灰尘、烟灰尘、烟气气液液泡沫泡沫泡沫泡沫液液液液乳状液乳状液牛奶、牛奶、O/W、W/O固固液液溶胶、悬浮体溶胶、悬浮体泥浆泥浆气气固固固态泡沫固态泡沫面包面包液液固固固态乳状液固态乳状液珍珠珍珠固固固固固体悬浮体固体悬浮

29、体合金合金分散体系分类按聚集形状分散体系分类按聚集形状分散体系分类按分散相大小分分散体系分类按分散相大小分物质微粒的长、宽、高三维中恣意一维的尺寸或至少在一个方向在1100nm之间，并分散在另外一种延续介质中所构成的分散体系胶体按分散相与分散介质的亲合程度分： 憎液胶体：分散相那么不能在介质中自动分散憎液胶体：分散相那么不能在介质中自动分散构成，必需用其它方法并参与稳定剂，即使如构成，必需用其它方法并参与稳定剂，即使如此，构成的溶胶也不稳定，或迟或早总会自动此，构成的溶胶也不稳定，或迟或早总会自动析出。析出。 这两类胶体的这种区别表示分散相与分散介质这两类胶体的这种区别表示分散相与分散介质之间

30、的亲合才干不同。之间的亲合才干不同。 亲液胶体：分散相可以在介质中自动分散，构亲液胶体：分散相可以在介质中自动分散，构成的胶体溶液长期稳定，例如明胶成的胶体溶液长期稳定，例如明胶水体系：水体系： 亲液胶体 憎液胶体 分散相自动分散 分散相不能自动分散(外界作功) 长期稳定 不能长期稳定 可逆胶体 不可逆胶体 是有机胶体(高分子溶液) 是无机胶体 亲液胶体是热力学稳定的单相体系; 憎液胶体是热力学不稳定的多相体系.胶体分散体系憎液溶胶的根本性质胶体分散体系憎液溶胶的根本性质 多相性多相性 高度分散性高度分散性 比外表积大比外表积大 聚结不稳定性聚结不稳定性 易聚结合并易聚结合并 憎液胶体中分散得

31、很细的分散相微憎液胶体中分散得很细的分散相微粒有自动聚结自动降低分散度减少粒有自动聚结自动降低分散度减少总外表积的趋势，这就是胶体的聚结不总外表积的趋势，这就是胶体的聚结不稳定性。稳定性。聚结不稳定表示图第一节、第一节、 主要粘土矿物的晶体构造和特点主要粘土矿物的晶体构造和特点 粘粘 土：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状土：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物质。物质。 特性：细粒，粘性，高温成型性，可塑成型性特性：细粒，粘性，高温成型性，可塑成型性 矿物组成：粘土矿物蒙脱石等矿物组成：粘土矿物蒙脱石等+ 非粘土矿物石英、长非粘土矿物石英、长石等石等+ 胶体矿物蛋

32、白石等。胶体矿物蛋白石等。 化学组成化学组成: Si O Al OH，少量的，少量的 Fe Na Ca Mg 等等 粘土矿物：含水的细分散的层状及链状构造硅酸盐矿物的及含水的粘土矿物：含水的细分散的层状及链状构造硅酸盐矿物的及含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。非晶质硅酸盐矿物的总称。 特点：具有相对固定的化学组成和确定的内部构造特点：具有相对固定的化学组成和确定的内部构造 内部内部格子构造格子构造-晶格。晶格。 一、粘土矿物的两种根本构造单元一、粘土矿物的两种根本构造单元1.硅氧四面体与硅氧四面体片硅氧四面体与硅氧四面体片 硅氧四面体硅氧四面体(silica tetrahedron) 由一个硅原子

33、和四个等距由一个硅原子和四个等距的氧原子组成的正四面体。的氧原子组成的正四面体。硅原子在四面体的中心，氧硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点。原子在四面体的顶点。图中：图中： 基底氧：四面体底面三个基底氧：四面体底面三个氧原子。氧原子。 顶端氧：四面体顶点一个顶端氧：四面体顶点一个氧原子。氧原子。 OO间隔：间隔：2.61埃。埃。 SiO间隔：间隔：1.61埃。埃。 硅原子硅原子 氧原子氧原子 硅氧四面体片硅氧四面体片 单个四面体与假设干个相邻四单个四面体与假设干个相邻四面体经过底面氧相连，构成平面体经过底面氧相连，构成平面延续的四面体晶格。面延续的四面体晶格。四面体片特点：四面体片特点

34、： 由由SiO4彼此衔接而成的彼此衔接而成的Si4O10的无限反复的六方网格。的无限反复的六方网格。 一切基底氧陈列在同一个平面一切基底氧陈列在同一个平面上。上。 一切顶端氧在另一个平面上。一切顶端氧在另一个平面上。平面投影构成三层。平面投影构成三层。是六角对称的六角环半径是六角对称的六角环半径1.33A，空心，空心 四面体片在粘土中不能独立存四面体片在粘土中不能独立存在。在。 硅原子硅原子 氧原子氧原子Si4O10 最小反复单元分子最小反复单元分子式式四面体片立体模型硅氧四面体与硅氧四面体与硅氧四面体片硅氧四面体片2. 铝氧八面体与铝氧八面体片铝氧八面体与铝氧八面体片 铝氧铝氧Al O(OH

35、)八面八面体体(alumina octahedron) 铝原子处于正八面体中铝原子处于正八面体中心，六个氧原子或氢氧原心，六个氧原子或氢氧原子处于八面体顶点。子处于八面体顶点。图中：图中： OO间隔间隔=2.60埃。埃。 OHOH间隔间隔=2.94埃。埃。 铝原子铝原子 氢氧原子氢氧原子 铝氧氢氧八面体片铝氧氢氧八面体片 单个八面体与相邻的八单个八面体与相邻的八面体经过共用氢氧衔接起面体经过共用氢氧衔接起来，顶端和底端氧原子那来，顶端和底端氧原子那么构成两个平行的平面么构成两个平行的平面每个八面体同相邻的六每个八面体同相邻的六个其它八面体经过共用氧个其它八面体经过共用氧氢氧衔接。氢氧衔接。 氢

36、氧原子氢氧原子 铝原子铝原子 Al4(OH)12 最小反复单位分子最小反复单位分子式式铝氧八面体与铝氧八面体与铝氧八面体片铝氧八面体片八面体片立体模型八面体片特点 许多八面体经过共用氧原子(同一平面上的)而联接 在a b两方向上无限延伸 三个层面 六角对称( 六角环半径1.33, 实心,六角环中心被OH原子团所占据)八面体片系 二-八面体片：在八面体片中，平均每三个八面体的中心只需二个被中心离子如铝离子Al3+占据 又称为铝氧片 三水铝矿片 三-八面体片：在八面体片中，平均每三个八面体的中心被三个被中心离子如镁离子Mg2+占据 又称镁氧片 水镁石片粘土矿物的晶层 四面体片和八面体片的对称性类似

37、,六角环大小相等, 它们共用顶角氧而构成粘土矿物的晶层 晶层在c轴上的堆迭构成层状粘土矿物 晶层:在c轴上能反复再现的最小单位.晶片的结合晶片的结合 晶层：晶层： 四面体片和八面体片沿四面体片和八面体片沿C轴按一定轴按一定顺序相互重合，经过共用氧原子衔接顺序相互重合，经过共用氧原子衔接构成电中性的一致构造层。构成电中性的一致构造层。 晶体晶体 许多单位晶层在许多单位晶层在C轴方向上按一定轴方向上按一定间隔反复重合而成。间隔反复重合而成。 单位晶胞单位晶胞 能代表晶体性质的单位层内最小物能代表晶体性质的单位层内最小物质组合。常以质组合。常以a、b轴范围表示其大小。轴范围表示其大小。C轴间距：轴间

38、距：某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的间隔。某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的间隔。两种原型粘土矿物根本类型两种原型粘土矿物根本类型1：1型高岭石型高岭石 2：1型叶腊石型叶腊石CaC间间距距b几个概念几个概念 晶格取代：在晶体构造坚持不变的条件下，高价中心晶格取代：在晶体构造坚持不变的条件下，高价中心离子被低价正离子取代的景象。结果是正电荷亏损，离子被低价正离子取代的景象。结果是正电荷亏损，粘土带负电。又叫同晶置换。粘土带负电。又叫同晶置换。 补偿阳离子：被吸附来补偿正电荷亏损的阳离子。如补偿阳离子：被吸附来补偿正电荷亏损的阳离子。如K+,Na+,Ca 2+,Mg 2+等。等。 可交换阳离子：在

39、有水存在时，可与溶液中其它阳离可交换阳离子：在有水存在时，可与溶液中其它阳离子发生交换的那部分补偿阳离子。子发生交换的那部分补偿阳离子。 阳离子交换容量阳离子交换容量CEC：分散介质的：分散介质的PH=7时，从粘时，从粘土上所能交换下来的阳离子总量。以土上所能交换下来的阳离子总量。以meq/100g(毫克当毫克当量量/100克示之。克示之。二、几种粘土矿物的晶体构造和特性二、几种粘土矿物的晶体构造和特性1. 高岭石高岭石Kaolinite) 晶体构造晶体构造 1：1型型 单位晶层由一层四面体片和一单位晶层由一层四面体片和一层八面体片组成，一切硅氧四面体层八面体片组成，一切硅氧四面体的尖顶都朝向

40、八面体，经过共用氧的尖顶都朝向八面体，经过共用氧原子衔接成晶层。假设干个晶层在原子衔接成晶层。假设干个晶层在C轴方向上层层重叠，而在轴方向上层层重叠，而在a、b轴轴方向上延续延伸。方向上延续延伸。晶胞分子式：晶胞分子式：Al4Si4O10(OH)8特点特点A 晶层间衔接严密晶层一面为晶层间衔接严密晶层一面为“O层，一面为层，一面为“OH层，易构层，易构成氢键。成氢键。B 阳离子交换容量低：阳离子交换容量低：3-5 毫克当量毫克当量/100克土克土C 水化分散性膨胀性差，矿物较水化分散性膨胀性差，矿物较稳定。稳定。 D C轴间距轴间距=7.2埃。埃。 -6+12-10+16-12-=06OH4A

41、l4O+2OH4Si6O氧氢氧铝硅叶腊石叶腊石是是2:1型型八面体为二八面体八面体为二八面体电中性电中性单胞面积单胞面积:5.15X8.9A2C轴间距轴间距 9.2A晶层结合力晶层结合力:范德化引力范德化引力叶腊石是叶腊石是2:1型粘土矿物的原型矿物型粘土矿物的原型矿物,没没有任何变异有任何变异叶腊石中的八面体片为二八面体，假设叶腊石中的八面体片为二八面体，假设换成三八面体，便成了另一种矿物换成三八面体，便成了另一种矿物滑石，滑石，叶腊石和滑石不能叫作粘土矿物叶腊石和滑石不能叫作粘土矿物2. 蒙脱石蒙脱石Montmorillonite)晶体构造晶体构造 2：1型型 两层四面体片中间夹一层八面体

42、两层四面体片中间夹一层八面体片。每个四面体尖顶均指向中央片。每个四面体尖顶均指向中央的八面体，经过共用的氧衔接成的八面体，经过共用的氧衔接成晶层。假设干个晶层按一定间隔晶层。假设干个晶层按一定间隔在在C轴方向上重叠构成晶体。轴方向上重叠构成晶体。 晶胞分子式：晶胞分子式：Al4Si8O20(OH)4特点特点 晶格取代晶格取代 主要在八面体中：主要在八面体中： Mg 2+、Fe 2+ Al3+ 单位层之间由分子间力衔接单位层之间由分子间力衔接 补偿阳离子：补偿阳离子：Na+、Ca2+ 阳离子交换容量高：阳离子交换容量高： 70130 毫克当量毫克当量/100克土克土 水化才干强。水化才干强。 C

43、间距随层间阳离子类型及含水量间距随层间阳离子类型及含水量而变而变9.6-21.4埃埃).3. 伊利石伊利石illite) 晶体构造晶体构造 2：1型型+K+ 晶体构造与蒙托石的晶体构造晶体构造与蒙托石的晶体构造类似。类似。区别：区别：A 晶格取代比蒙脱石多，且主要晶格取代比蒙脱石多，且主要发生在四面体片中。发生在四面体片中。B 补偿阳离子主要为补偿阳离子主要为K+。C 单位晶胞电荷数比蒙脱石的高单位晶胞电荷数比蒙脱石的高11.5倍。倍。 特点特点A 单位晶胞电荷数高：单位晶胞电荷数高：0.61.8。B 单位层之间由分子间力和单位层之间由分子间力和K+和强的静电引力衔接。和强的静电引力衔接。C

44、阳离子交换容量低：阳离子交换容量低：CEC=1040 meq/100g土土D 水化才干弱。水化才干弱。E C间距间距10埃。埃。氧氢氧铝硅K+10 埃绿泥石绿泥石(chorite)构造：两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片构成构造：两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片构成单位层，单位层间夹一层水镁石片。单位层，单位层间夹一层水镁石片。 2：1：1型。型。特性：特性： (1)晶格取代多，但晶格取代多，但CEC值低值低 (2)层间衔接严密层间衔接严密,C间距间距14A (3)水化才干差，颗粒粗，属于劣土，多呈绿色。水化才干差，颗粒粗，属于劣土，多呈绿色。绿泥石的晶体构造绿泥石的晶体构造 绿泥石绿泥石

45、晶层构造属于2:1:1型 绿泥石的构造单位层由一层2:1型云母层和一层水镁石片组成 云母层带负电，水镁石片带正电，二种片体靠静电引力结合在一同，并维持电中性。 在堆积岩中，绿泥石常与蒙石，蛭石等粘土矿物共存，构成间层矿物。间层粘土间层粘土(mixed layer clay) 构造：由两种或两种以上粘土单位层相间堆叠构造：由两种或两种以上粘土单位层相间堆叠而成。而成。 分类：规那么间层和不规那么间层。分类：规那么间层和不规那么间层。 常见：伊常见：伊/蒙间层和绿蒙间层和绿/蒙间层。蒙间层。 特性：介于组分之间，取之于间层比，分散性特性：介于组分之间，取之于间层比，分散性强。强。海泡石、凹凸棒石海

46、泡石、凹凸棒石 构造：层链状构造：层链状 纤维状粘土纤维状粘土 笼统比喻：藕笼统比喻：藕特性：特性：1水化分散差，但机械剪水化分散差，但机械剪切可配浆切可配浆2抗温性好抗温性好3抗盐性好，称为抗盐土抗盐性好，称为抗盐土坡缕石晶体构造表示图坡缕石晶体构造表示图 课课 程程 小小 结结C轴间距轴间距层间阳离子层间阳离子第二节、粘土的电性和离子交换吸附第二节、粘土的电性和离子交换吸附一、粘土晶体的电荷及其来源一、粘土晶体的电荷及其来源1. 永久负电荷永久负电荷 构造电荷构造电荷来源：晶格取代产生过剩负电荷。来源：晶格取代产生过剩负电荷。 如：如：四面体：四面体：Al3+ Si4+；八面体：；八面体：

47、Mg2+ Ai3+。特点：特点： 永久负电荷主要受晶格取代影响，不受永久负电荷主要受晶格取代影响，不受PH影响。影响。 蒙脱石的永久负电荷：主要来源于铝氧八面体，少部蒙脱石的永久负电荷：主要来源于铝氧八面体，少部分来源于硅氧四面体。分来源于硅氧四面体。 伊利石的永久负电荷：主要来源于硅氧四面体，少部伊利石的永久负电荷：主要来源于硅氧四面体，少部分来源于铝氧八面体。分来源于铝氧八面体。 高岭石几乎无永久负电荷。高岭石几乎无永久负电荷。 永久负电荷大小排序：永久负电荷大小排序： 伊利石伊利石蒙脱石蒙脱石高岭石。高岭石。 永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。2 .

48、 可变负电荷可变负电荷 外表电荷外表电荷来源：来源： 晶体端面的晶体端面的Al OH键，键， 例如：在碱性条件：例如：在碱性条件： 外表吸附外表吸附OH-、SiO3 2-等无机阴离子，或有机阴离子等无机阴离子，或有机阴离子聚电解质。聚电解质。Al O-. H+OH-SiO3 2-3. 正电荷正电荷 外表电荷外表电荷来源：当来源：当PH7.3时时, Al O H -Al+OH-特点特点: 受环境受环境PH值影响值影响 。 正电荷正电荷 3000C，释放出结晶水。，释放出结晶水。2. 吸附水束缚水吸附水束缚水定义：由于分子间力和静电引力吸附极性水分子而在粘定义：由于分子间力和静电引力吸附极性水分子

49、而在粘土外表上构成的一层水化膜。土外表上构成的一层水化膜。特点：温度特点：温度1100C，释放出吸附水。包括：薄膜水、毛，释放出吸附水。包括：薄膜水、毛细管水、胶体水。细管水、胶体水。3. 自在水自在水定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的可自在运动的水。定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的可自在运动的水。二、粘土的水化和水化膨胀二、粘土的水化和水化膨胀1.粘土水化粘土水化粘土遇水产生体积膨胀以致分散成更小颗粒的景象粘土遇水产生体积膨胀以致分散成更小颗粒的景象含义：水化膨胀含义：水化膨胀体积增大体积增大 水化分散水化分散-颗粒更小颗粒更小粘土收缩粘土收缩 在高温作用下，粘土矿物吸附的水分子逐在高温作用下

50、，粘土矿物吸附的水分子逐渐蒸发，其体积由大变小的过程。渐蒸发，其体积由大变小的过程。2. 引起粘土矿物水化的缘由引起粘土矿物水化的缘由直接吸引水分子产生水化直接吸引水分子产生水化 土粒带负电，土粒带负电，水分子极化、定向、浓集于土粒外表；水分子极化、定向、浓集于土粒外表；水与粘土外表的氧和氢氧构成氢键。水与粘土外表的氧和氢氧构成氢键。 间接吸引水分子产生水化间接吸引水分子产生水化 吸附阳离子吸附阳离子的水化给粘土颗粒带来水化膜。的水化给粘土颗粒带来水化膜。吸水膨胀性 当干粘土与水接触时，粘土体积会比原来添加，假设体积添加显著，那么称之膨胀性粘土，反之那么称为非膨胀性粘土。 蒙脱石是一种典型的膨

51、胀性粘土矿物，这是它的晶格取代适中所致。 钠蒙脱石的水化膨胀比钙蒙脱石强。 粘土的吸水膨胀性，其本质就是粘土的晶层与晶层的间距变大，从而发生层间膨胀。 膨胀性粘土就是指能发生层间膨胀的粘土 非膨胀性粘土那么是不能发生层间膨胀的粘土。3 水化膨胀机理:外表水化：粘土外表吸满两层水分子颗粒间的短程作用浸透水化：粘土外表吸满两层水分子后的水化作用颗粒间的长程作用 外表水化 浸透水化 吸水层数 两层以内 两层以外的水水的性质 强结合水 固态水 弱结合水 浸透水 密度1.3g/cm3动力 外表的水化能 双电层斥力膨胀压力 20004000atm 几十0.1atm膨胀体积 100% 几倍膨胀压：防止粘土遇

52、水发生膨胀所需求的压力膨胀性粘土:水化作用能在颗粒的内外外表发生非膨胀性粘土:水化作用只能在颗粒的外外表发生浸透水化膨胀与双电层斥力浸透水化膨胀与双电层斥力 普通, 粘土外表是曾经外表水化的浸透水化是能人为控制和调理的影响水化的要素:粘土矿物本性和种类蒙脱石：晶层结合力 范氏引力，弱，能在晶层间发生水化伊利石：晶层结合力 范氏引力+强的静电引力+K嵌力，强，不能在晶层间发生水化高岭石：晶层结合力 范氏引力氢键力，强，不能在晶层间发生水化颗粒大小介质环境(含盐量和pH)粘土水化的影响要素粘土水化的影响要素 粘土晶体部位不同，水化强度也不同粘土晶体部位不同，水化强度也不同 层面上水化膜厚，端面上薄

53、。层面上水化膜厚，端面上薄。 粘土矿物不同，水化作用的强弱不同粘土矿物不同，水化作用的强弱不同 蒙脱石、间层粘土、伊利石、高岭石蒙脱石、间层粘土、伊利石、高岭石 泥浆中可溶性盐类及泥浆处置剂的影响泥浆中可溶性盐类及泥浆处置剂的影响 可溶性盐类，减低可溶性盐类，减低电位电位 有机处置剂的亲水基团，被粘土吸附后构成较有机处置剂的亲水基团，被粘土吸附后构成较大的水化膜。大的水化膜。 不同的交换性阳离子对粘土水化的影响不同的交换性阳离子对粘土水化的影响Ca2+ max17A, Na+ max 40A钠蒙脱石水化表示图钠蒙脱石水化表示图钙蒙脱石水化表示图钙蒙脱石水化表示图水化分散性蒙脱石粘土吸水膨胀后，

54、晶层C轴距增大，晶层间的范德华引力显著减少，在有大量水存在时，晶片较易分散在水中，固而蒙脱石具有较强的水化分散性，尤其是钠蒙脱石，它在水中甚至有相当大的一部分可以分散到单位层的厚度。第四节第四节 粘土粘土-水界面的分散双电层实际水界面的分散双电层实际(the electric-double layer at clay-water interface)一、电动景象一、电动景象莱斯实验莱斯实验 实验中察看到两个景象：实验中察看到两个景象：1 粘土颗粒经过细砂层向阳极挪动，并粘土颗粒经过细砂层向阳极挪动，并堆积起来。堆积起来。2水经过粘土团块的毛细管向阴极流动。水经过粘土团块的毛细管向阴极流动。 总

55、结这两种实验景象，得到两个概念：总结这两种实验景象，得到两个概念： 电泳：在电场作用下，分散相微粒在介电泳：在电场作用下，分散相微粒在介质中向某一电极挪动的景象。质中向某一电极挪动的景象。 电渗：在电场作用下，液体对固定的带电渗：在电场作用下，液体对固定的带电荷的固体外表作相对运动的景象。电荷的固体外表作相对运动的景象。显然，电泳和电渗都是外加直流电场于胶显然，电泳和电渗都是外加直流电场于胶体体系引起的运动景象。体体系引起的运动景象。土粒土粒水水电电泳泳电电渗渗+-二、粘土二、粘土-水界面的分散双电层实际水界面的分散双电层实际(the electric-double layer at clay-water interface)分散双电层的构成与构造分散双电层的构成与构造胶体颗粒带电，在其周围分布着胶体颗粒带电，在其周围分布着电荷数相等的反离子，在固电荷数相等的反离子，在固液界面构成双电层。液界面构成双电层。双电层中的反离子，一方面遭到双电层中的反离子，一方面遭到固面电荷的吸引，不能远离固面