1、第二節(jié)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)第第2節(jié)節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)主要掌握的內(nèi)容：主要掌握的內(nèi)容：v粘土礦物的晶體構(gòu)造與性質(zhì)粘土礦物的晶體構(gòu)造與性質(zhì) 典型粘土礦物的化學(xué)組成典型粘土礦物的化學(xué)組成 典型粘土結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介典型粘土結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 粘土的界面吸附作用粘土的界面吸附作用v粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ) 膠體化學(xué)的基本概念膠體化學(xué)的基本概念 粘土顆粒（片體）的雙電層理論粘土顆粒（片體）的雙電層理論v粘土的水化作用粘土的水化作用 作用機(jī)理作用機(jī)理 影響因素影響因素v 顆粒直徑在顆粒直徑在1nm1nm1m1m范圍內(nèi)均屬膠體顆粒，含有范圍內(nèi)均屬膠體顆粒，含有膠體顆粒的體膠體顆粒的

2、體系稱為膠體體系或膠體分散體系系稱為膠體體系或膠體分散體系；v 膠體體系膠體體系的重要特點(diǎn)之一是的重要特點(diǎn)之一是具有很大的表面積具有很大的表面積；v 由于大多數(shù)鉆井液是由于大多數(shù)鉆井液是粘土粘土- -水的膠體懸浮水的膠體懸浮體系，因而體系，因而膠體懸浮體膠體懸浮體系的性能系的性能直接影響到直接影響到鉆井液的工藝性能鉆井液的工藝性能，進(jìn)而，進(jìn)而影響到鉆井工程影響到鉆井工程的安全；的安全；v 學(xué)習(xí)鉆井液中常用粘土礦物和粘土膠體化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于學(xué)習(xí)鉆井液中常用粘土礦物和粘土膠體化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于理解和掌握理解和掌握鉆井液體系的穩(wěn)定性原理、化學(xué)處理劑的作用原理鉆井液體系的穩(wěn)定性原理、化學(xué)處理劑的

3、作用原理和鉆井液工藝性能的維護(hù)控制原理和鉆井液工藝性能的維護(hù)控制原理具有重要意義。具有重要意義。v1 1）水基鉆井液的組分）水基鉆井液的組分(Components)(Components)水水(Water)(Water)粘土粘土( (膨潤(rùn)土膨潤(rùn)土)(Clay)(Clay)處理劑處理劑(Drilling Fluid Additives)(Drilling Fluid Additives) 2 2）膨潤(rùn)土的特性與作用）膨潤(rùn)土的特性與作用 形狀和尺寸形狀和尺寸( (片狀、小于片狀、小于2-52-5微米微米) )表面電荷與水化性能表面電荷與水化性能在鉆井液中的狀態(tài)（分散、絮凝、聚結(jié)）在鉆井液中的狀態(tài)（

4、分散、絮凝、聚結(jié)）在鉆井液中的作用（懸浮能力）在鉆井液中的作用（懸浮能力）v2 2）膨潤(rùn)土的的特性與作用）膨潤(rùn)土的的特性與作用粘土粘土(Clay): (Clay): 小于小于2-52-5微米，具有塑性的礦物原料。微米，具有塑性的礦物原料。 粘土礦物粘土礦物: : 構(gòu)成粘土的主體礦物。大都具有晶體本性，構(gòu)成粘土的主體礦物。大都具有晶體本性，其化學(xué)成份是含水（鎂）硅酸鹽。其化學(xué)成份是含水（鎂）硅酸鹽。 粘土礦物的結(jié)構(gòu)：粘土礦物的結(jié)構(gòu)：層狀（二層、三層、混層）；鏈狀層狀（二層、三層、混層）；鏈狀（纖維狀）。（纖維狀）。膨潤(rùn)土膨潤(rùn)土(Bentonite)(Bentonite)：主要成分為蒙脫石的粘土礦

5、物。主要成分為蒙脫石的粘土礦物。蒙脫石蒙脫石(Montmorillonite)(Montmorillonite)：三層三層(2:1)(2:1)型粘土礦物，型粘土礦物，因只有范氏力層間引力弱，表面吸附能力強(qiáng)，易水化因只有范氏力層間引力弱，表面吸附能力強(qiáng)，易水化膨脹和分散。膨脹和分散。 L11顆粒平均直徑分散度WSVS比表面積 粘粘 土：主要由粘土礦物和少量非粘土礦物組成的細(xì)粒粘滯土狀土：主要由粘土礦物和少量非粘土礦物組成的細(xì)粒粘滯土狀物質(zhì)。物質(zhì)。 特性：細(xì)粒，粘性，高溫成型性，可塑成型性特性：細(xì)粒，粘性，高溫成型性，可塑成型性 礦物組成：粘土礦物（蒙脫石等）礦物組成：粘土礦物（蒙脫石等）+ 非粘

6、土礦物（石英、長(zhǎng)非粘土礦物（石英、長(zhǎng)石等）石等）+ 膠體礦物（蛋白石等）。膠體礦物（蛋白石等）。 化學(xué)組成化學(xué)組成: Si O Al OH，少量的，少量的 Fe Na Ca Mg 等等 粘土礦物：含水的細(xì)分散的層狀及鏈狀構(gòu)造硅酸鹽礦物的及含水的粘土礦物：含水的細(xì)分散的層狀及鏈狀構(gòu)造硅酸鹽礦物的及含水的非晶質(zhì)硅酸鹽礦物的總稱。非晶質(zhì)硅酸鹽礦物的總稱。 特點(diǎn)：具有相對(duì)固定的化學(xué)組成和確定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：具有相對(duì)固定的化學(xué)組成和確定的內(nèi)部結(jié)構(gòu) （內(nèi)部（內(nèi)部格子構(gòu)造格子構(gòu)造-晶格）。晶格）。 一、粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元一、粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元1.硅氧四面體與硅氧四面體片硅氧四面體與硅氧四面體

7、片 硅氧四面體硅氧四面體(silica tetrahedron) 由一個(gè)硅原子和四個(gè)等距的氧原由一個(gè)硅原子和四個(gè)等距的氧原子組成的正四面體。硅原子在四面子組成的正四面體。硅原子在四面體的中心，氧原子在四面體的頂點(diǎn)。體的中心，氧原子在四面體的頂點(diǎn)。圖中：圖中： 基底氧：四面體底面三個(gè)氧原子?；籽酰核拿骟w底面三個(gè)氧原子。 頂端氧：四面體頂點(diǎn)一個(gè)氧原子。頂端氧：四面體頂點(diǎn)一個(gè)氧原子。 OO距離：距離：2.61埃。埃。 SiO距離：距離：1.61埃。埃。 硅原子硅原子 氧原子氧原子 硅氧四面體片硅氧四面體片 單個(gè)四面體與若干個(gè)相鄰四面單個(gè)四面體與若干個(gè)相鄰四面體通過底面氧相連，構(gòu)成平面體通過底面氧相

8、連，構(gòu)成平面連續(xù)的四面體晶格。連續(xù)的四面體晶格。四面體片特點(diǎn)：四面體片特點(diǎn)： 由由SiO4彼此連接而成的彼此連接而成的Si4O10的無限重復(fù)的六方網(wǎng)格。的無限重復(fù)的六方網(wǎng)格。 所有基底氧排列在同一個(gè)平面所有基底氧排列在同一個(gè)平面上。上。 所有頂端氧在另一個(gè)平面上。所有頂端氧在另一個(gè)平面上。 平面投影形成三層。平面投影形成三層。 是六角對(duì)稱的（是六角對(duì)稱的（六角環(huán)半徑1.33A，空心）空心） 四面體片在粘土中不能獨(dú)立存四面體片在粘土中不能獨(dú)立存在。在。 硅原子硅原子 氧原子氧原子Si4O10 最小重復(fù)單元分子式最小重復(fù)單元分子式四面體片立體模型四面體片立體模型硅氧四面體與硅氧四面體與硅氧四面體片

9、硅氧四面體片2. 鋁氧八面體與鋁氧八面體片鋁氧八面體與鋁氧八面體片 鋁氧（鋁氧（Al O(OH)）八面）八面體體(alumina octahedron) 鋁原子處于正八面體中鋁原子處于正八面體中心，六個(gè)氧原子或氫氧原心，六個(gè)氧原子或氫氧原子處于八面體頂點(diǎn)。子處于八面體頂點(diǎn)。圖中：圖中： OO距離距離=2.60埃。埃。 OHOH距離距離=2.94埃。埃。 鋁原子鋁原子 氫氧原子氫氧原子 鋁氧（氫氧）八面體片鋁氧（氫氧）八面體片 單個(gè)八面體與相鄰的八單個(gè)八面體與相鄰的八面體通過共用面體通過共用氫氧原子氫氧原子連連接起來，頂端和底端氧原接起來，頂端和底端氧原子則構(gòu)成兩個(gè)平行的平面子則構(gòu)成兩個(gè)平行的平

10、面（每個(gè)八面體同相鄰的六（每個(gè)八面體同相鄰的六個(gè)其它八面體通過共用氧個(gè)其它八面體通過共用氧（氫氧原子）連接）。（氫氧原子）連接）。 氫氧原子氫氧原子 鋁原子鋁原子 Al4(OH)12 最小重復(fù)單位分子式最小重復(fù)單位分子式鋁氧八面體與鋁氧八面體與鋁氧八面體片鋁氧八面體片八面體片立體模型C間距間距CabCirculation SystemCirculation Systemb鉆井液的組成鉆井液的組成 鉆井液的基本成分由鉆井液的基本成分由分散相分散相+ +分散介質(zhì)分散介質(zhì)+ +化學(xué)處理劑化學(xué)處理劑組成。組成。然氣等）氣體（空氣、氮?dú)狻⑻煊停ㄝp質(zhì)油等）鹽水等）水（淡水、鹽水、飽和分散介質(zhì)水，氣，油礦粉

11、等）加重材料（重晶石，鐵，有機(jī)土，抗鹽土等）膨潤(rùn)土（鈉、鈣膨潤(rùn)土分散相高嶺石結(jié)構(gòu)(1:1)鋁氧八鋁氧八面體片面體片硅氧四硅氧四面體片面體片共用氧原共用氧原子連接子連接蒙脫石晶格結(jié)構(gòu)（2:1）硅氧四硅氧四面體片面體片鋁氧八鋁氧八面體片面體片硅氧四硅氧四面體片面體片電泳電泳電滲電滲l電泳現(xiàn)象表明：膠體粒子是帶電的。電泳現(xiàn)象表明：膠體粒子是帶電的?；瑒?dòng)面從固體表面到從固體表面到過剩正電荷為過剩正電荷為0處的這一層為處的這一層為擴(kuò)散雙電層擴(kuò)散雙電層均勻液相擴(kuò)散層擴(kuò)散層023004DEVKxexp0e/021222/1enZkTK電解質(zhì)對(duì)雙電層的影響電解質(zhì)對(duì)雙電層的影響 （1 1）沉降穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性

12、）沉降穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性n沉降穩(wěn)定性是指在重力作用下分散相顆粒是否容易下沉的性質(zhì)。沉降穩(wěn)定性是指在重力作用下分散相顆粒是否容易下沉的性質(zhì)。 若下沉速度很小，甚至可略而不計(jì)，則稱該體系具有沉降穩(wěn)定性。觀察鉆井液沉降若下沉速度很小，甚至可略而不計(jì)，則稱該體系具有沉降穩(wěn)定性。觀察鉆井液沉降穩(wěn)定性的方法，是將充分?jǐn)嚢韬玫你@井液注滿穩(wěn)定性的方法，是將充分?jǐn)嚢韬玫你@井液注滿250250毫升量簡(jiǎn)，靜置毫升量簡(jiǎn)，靜置2424小時(shí)后，分別量測(cè)上、小時(shí)后，分別量測(cè)上、下部分的鉆井液密度，其上下密度的差值愈小，沉降穩(wěn)定性愈高（一般要求上下密度差不下部分的鉆井液密度，其上下密度的差值愈小，沉降穩(wěn)定性愈高（一般要求上下密度差不超過超過0 0.06g/cm.06g/cm3 3）。）。n聚結(jié)穩(wěn)定性則指分散相顆粒是否容易自動(dòng)粘結(jié)變大（即自動(dòng)降低分散聚結(jié)穩(wěn)定性則指分散相顆粒是否容易自動(dòng)粘結(jié)變大（即自動(dòng)降低分散度）的性質(zhì)。度）的性質(zhì)。 若實(shí)際上不自動(dòng)降低分散度，則稱此體系具有聚結(jié)穩(wěn)定性。鉆井液是稠的粘土溶膠一若實(shí)際上不自動(dòng)降低分散度，則稱此體系具有聚結(jié)穩(wěn)定性。鉆井液是稠的粘土溶膠一懸浮體，其聚結(jié)行為很敏感地反映在屈服懸浮體，其聚結(jié)行為很敏感地反映在屈服值的變化上。此外，由鉆