粘土矿物的水化机理学习教案

1、会计学1第一页，共35页。却润滑钻具的基本钻进需要(xyo)，并且来源广泛，成本较低，配制使用方便，所以成为应用最广泛的钻井液。+第1页/共35页第二页，共35页。粘粘土土(zhn t)粘土粘土与钻与钻井井(zun (zun jn)jn)的关的关系系（1）粘土）粘土(zhn t)作为钻井液的重要组成成分，配浆原材料作为钻井液的重要组成成分，配浆原材料。（2）涉及钻井过程中）涉及钻井过程中井眼的稳定性井眼的稳定性，粘土是泥页岩的主要组成部分，粘土是泥页岩的主要组成部分，75%地层为泥页岩，地层为泥页岩，90%的井壁不稳定发生在泥页岩。的井壁不稳定发生在泥页岩。（3）油气层的保护，油气层的保护，粘

2、土矿物膨胀、钻井液配浆粘土堵塞。粘土矿物膨胀、钻井液配浆粘土堵塞。（2 2）：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为主的（：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为主的（50%）沉积物。）沉积物。 （3 3）（俗称：泥页岩）：粘土矿物经沉积、固结成岩作用后成为（俗称：泥页岩）：粘土矿物经沉积、固结成岩作用后成为粘土岩。粘土岩。 （1 1）：细分散的（：细分散的（2m）含水的）含水的铝硅酸盐类矿物铝硅酸盐类矿物的总称，的总称，可进一步分为晶质（具有晶体结构的）和非晶质，自然界中所见到可进一步分为晶质（具有晶体结构的）和非晶质，自然界中所见到的粘土矿物绝大多数是晶质的。的粘土矿物绝大多数是晶质的。 前言前言第2

3、页/共35页第三页，共35页。第3页/共35页第四页，共35页。 硅氧四面体：有一个硅原子与四个氧原子，硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点，硅原子与各氧原子之间的距离相等(xingdng)，其结构见右图。顶氧顶氧 底氧底氧 任务一：粘土矿物的晶体结构任务一：粘土矿物的晶体结构第4页/共35页第五页，共35页。硅氧面体晶片：指硅氧四面硅氧面体晶片：指硅氧四面体网络。硅氧四面体网络由体网络。硅氧四面体网络由硅氧四面体通过硅氧四面体通过(tnggu)相临的氧原子连接而成，其相临的氧原子连接而成，其立体结构见右图。立体结构见右图。一、粘土矿物的两种基本构造一、粘土矿物的两种基本构造(guzo)

4、(guzo)单元单元任务一：粘土矿物的晶体结构任务一：粘土矿物的晶体结构第5页/共35页第六页，共35页。 铝氧八面体：六个顶点(dngdin)为氢氧原子团，铝、铁或镁原子居于八面体中央(如右图所示)。氢氧氢氧任务一：粘土矿物的晶体结构任务一：粘土矿物的晶体结构第6页/共35页第七页，共35页。铝氧八面体晶片：多个铝铝氧八面体晶片：多个铝氧八面体通过共用氧八面体通过共用(n yn)的的OH连接而成的连接而成的Al-O八面体网络。八面体网络。一、粘土矿物的两种基本构造一、粘土矿物的两种基本构造(guzo)(guzo)单元单元任务一：粘土矿物的晶体结构任务一：粘土矿物的晶体结构第7页/共35页第八

5、页，共35页。 高岭石高岭石晶体结构示意图晶体结构示意图二、几种二、几种(j (j zh zhn n) )常见粘土矿物的晶体构造常见粘土矿物的晶体构造任务一：粘土矿物的晶体结构任务一：粘土矿物的晶体结构第8页/共35页第九页，共35页。蒙脱石蒙脱石晶体结构示意图晶体结构示意图二、几种常见二、几种常见(chn(chn jin) jin)粘土矿物的晶体构造粘土矿物的晶体构造任务一：粘土矿物的晶体结构任务一：粘土矿物的晶体结构第9页/共35页第十页，共35页。 伊利石伊利石晶体结构示意图晶体结构示意图二、几种二、几种(j (j zh zhn n) )常见粘土矿物的晶体构造常见粘土矿物的晶体构造任务一

6、：粘土矿物的晶体结构任务一：粘土矿物的晶体结构第10页/共35页第十一页，共35页。二、几种二、几种(j (j zh zhn n) )常见粘土矿物的晶体构造常见粘土矿物的晶体构造任务一：粘土矿物的晶体结构任务一：粘土矿物的晶体结构第11页/共35页第十二页，共35页。 一般情况下，随着地层深度一般情况下，随着地层深度(shnd)(shnd)的增加，伊利石含量的增加，伊利石含量增加蒙脱石含量减少，因此，下部地层缩径现象少，以剥落掉增加蒙脱石含量减少，因此，下部地层缩径现象少，以剥落掉块、坍塌为主。块、坍塌为主。二、几种二、几种(j (j zh zhn n) )常见粘土矿物的晶体构造常见粘土矿物的

7、晶体构造任务一：粘土矿物的晶体结构任务一：粘土矿物的晶体结构第12页/共35页第十三页，共35页。灰色灰色(hus)(hus)和和棕色泥岩棕色泥岩灰黑色泥岩灰黑色泥岩(n yn)(n yn)砂岩砂岩(sh(sh ynyn) )任务一：粘土矿物的晶体结构任务一：粘土矿物的晶体结构第13页/共35页第十四页，共35页。粘土带电性验证：电泳粘土带电性验证：电泳(din yn)(din yn)实验（粘土在水中移向正极，实验（粘土在水中移向正极，带负电荷）带负电荷） 一、带电一、带电(di (di din)din)性性任务一：带电性第14页/共35页第十五页，共35页。电荷电荷(dinh)来源来源值等的

8、影响受粘土表面化学变化和表面电荷（可变电荷）晶格取代永久电荷（构造电荷）pH(1)(1)永久永久(yngji)(yngji)电荷电荷 u晶格取代晶格取代：粘土矿物晶体结构中一部分阳离子被另外一部分阳离子：粘土矿物晶体结构中一部分阳离子被另外一部分阳离子所取代（置换），但晶体结构不变的现象。所取代（置换），但晶体结构不变的现象。u由于晶格取代是低价阳离子取代了高价阳离子，产生了过由于晶格取代是低价阳离子取代了高价阳离子，产生了过 剩的负电荷，因此，一般情况下剩的负电荷，因此，一般情况下粘土带负电粘土带负电。 u 伊利石与蒙脱石相比虽晶层结构相同但由于晶格取代位置不同，伊利石与蒙脱石相比虽晶层结构

9、相同但由于晶格取代位置不同，因此层面电荷密度不同，水化难易程度不同。因此层面电荷密度不同，水化难易程度不同。 任务一：带电性第15页/共35页第十六页，共35页。在酸性环境中：羟基与在酸性环境中：羟基与H+反应反应(fnyng)，粘土带，粘土带正电性。正电性。Al-OH + H+ Al+ + H2O在碱性或中性条件在碱性或中性条件(tiojin)下：羟基与下：羟基与OH-反应，粘土反应，粘土带负电性。带负电性。Al-OH + OH- Al-O- + H2O任务一：带电性第16页/共35页第十七页，共35页。（3）吸附）吸附(xf)吸附负电性离子（吸附负电性离子（OH-、SiO32-）：使粘土）

10、：使粘土(zhn t)负电性增加负电性增加吸附正电性离子吸附正电性离子(lz)（NW-1）：使粘土负电性减少）：使粘土负电性减少分类分类换离子交换吸附，离子交化学吸附，化学键力力等物理吸附，氢键，分子 任务一：带电性第17页/共35页第十八页，共35页。CEC：pH值等于值等于(dngy)7的水溶液中的水溶液中100g粘土中可被粘土中可被交换出来的阳离子电荷总数。交换出来的阳离子电荷总数。粘土带电量通常用粘土带电量通常用CEC表示，表示，CEC越大，说明粘土所带负越大，说明粘土所带负电荷越多，三种常见粘土矿物的电荷越多，三种常见粘土矿物的CEC大致如下。大致如下。任务一：带电性矿物名称矿物名称

11、CEC高岭石高岭石3-15蒙脱石蒙脱石70-150伊利石伊利石20-40思考题：为什么伊利石单位思考题：为什么伊利石单位(dnwi)晶胞所带负电荷比蒙晶胞所带负电荷比蒙脱石多，而脱石多，而CEC却比蒙脱石小？却比蒙脱石小？第18页/共35页第十九页，共35页。定义：分散介质定义：分散介质pH=7时，时，100g粘土所能交换下来粘土所能交换下来(xi li)的阳离子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）的阳离子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）。C.E.C可用来表示粘土在水中带电性的多少，它与粘土的水可用来表示粘土在水中带电性的多少，它与粘土的水化分散化分散(fnsn)、吸附等性质密切相关。

12、、吸附等性质密切相关。任务一：阳离子交换量第19页/共35页第二十页，共35页。第20页/共35页第二十一页，共35页。第21页/共35页第二十二页，共35页。粘土高岭石伊利石蒙脱石第22页/共35页第二十三页，共35页。就成为“水化粘土”了。与干燥粘土相比，水化粘土具有胶体性质，包括膨胀性、流变性、动电性、分散或絮凝性等。第23页/共35页第二十四页，共35页。第24页/共35页第二十五页，共35页。脱色除毒、净化石油、核废料处理、污水处理；利用脱色除毒、净化石油、核废料处理、污水处理；利用其粘结性可作铸造型砂粘结剂等；利用其分散悬浮性其粘结性可作铸造型砂粘结剂等；利用其分散悬浮性用于钻井泥

13、浆。蒙脱石在医药、畜类（猪，兔）养殖用于钻井泥浆。蒙脱石在医药、畜类（猪，兔）养殖中应用广泛。中应用广泛。第25页/共35页第二十六页，共35页。配料、核工业的污染净化和环境保护配料、核工业的污染净化和环境保护(hunjng boh)。其中微量元素可制作航。其中微量元素可制作航天飞机的外层涂料。特别是在造纸、化妆天飞机的外层涂料。特别是在造纸、化妆品，陶瓷三大行业中，伊利石有着极大的品，陶瓷三大行业中，伊利石有着极大的应用价值。应用价值。第26页/共35页第二十七页，共35页。第27页/共35页第二十八页，共35页。第28页/共35页第二十九页，共35页。第29页/共35页第三十页，共35页。的长程范德华吸力，它们的相互作用决的长程范德华吸力，它们的相互作用决定了胶体的稳定性。定了胶体的稳定性。该理论认为：分散体系颗粒该理论认为：分散体系颗粒(kl)之间之间的总位能的总位能VTD为其斥力位能为其斥力位能(静电排斥静电排斥作用势能作用势能)VER吸力位能吸力位能(长程范德华作用势能长程范德华作用势能)VWA之之和，即：和，即： VTD= VER+