油田应用化学第二章--粘土矿物.ppt

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第二章粘土矿物,上一内容,下一内容,回主目录,返回,油田应用化学-第二章,

（1）粘土主要由粘土矿物（含水的铝硅酸盐）组成。

粘土,粘土与钻井的关系,

（1）粘土为钻井液的重要组成成分之一。

（2）在水中有分散性、带电性、离子交换以及水化性。

（2）钻井过程中井眼的稳定性与地层粘土含量和类型密切相关。

（3）油气层粘土含量和类型与钻井过程中油气层损害密切相关。

上一内容,下一内容,回主目录,返回,前言,第一节粘土矿物的晶体构造,上一内容,下一内容,回主目录,返回,一、粘土矿物的两种基本构造单元基本构造单元单元片基本结构层粘土矿物,1、硅氧四面体与硅氧四面体晶片,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。

硅氧四面体晶片：

指硅氧四面体网络。

硅氧四面体晶片由多个硅氧四面体通过共用底氧原子连接而成。

2、铝氧八面体与铝氧八面体晶片,铝氧八面体：

六个顶点为氧或氢氧原子团，铝、铁或镁原子居于八面体中央。

上一内容,下一内容,回主目录,返回,第一节粘土矿物的晶体构造,铝氧八面体晶片：

多个铝氧八面体通过共用的O或OH连接而成的Al-O八面体网络,3、晶片的结合（基本结构层）,上一内容,下一内容,回主目录,返回,第一节粘土矿物的晶体构造,晶层：

四面体晶片与八面体晶片以适当的方式结合，构成晶层,

（1）1：

1型晶层：

由一个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体晶片构成（5层原子面）。

（2）2：

1型晶层：

由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体晶片构成（7层原子面）。

4.由基本结构层重复堆叠引申的几个概念

（1）层间域：

相邻基本结构层之间的空间。

（2）粘土矿物的单位构造：

基本结构层加上层间域。

（3）层间物：

存在于层间域中的物质。

若层间物为水则称为层间水；若为阳离子，则称为层间阳离子。

1、基本概念,上一内容,下一内容,回主目录,返回,二、几种常见粘土矿物的晶体构造,

（1）晶格取代：

在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外阳离子所置换，产生过剩电荷的现象。

Si-O四面体：

Al3+取代Si4+,Al-O八面体：

Mg2+、Fe2+取代Al3+,粘土带,负,电荷,例1：

蒙脱石在不发生晶格取代时，其理想结构式为：

Al4Si8O20（OH）4.nH2O,蒙脱石的实际结构式为：

（1/2Ca,Na）x（MgxAl4-x）（Si8O20）（OH）4.nH2O,例2：

伊利石在不发生晶格取代时，其理想结构式为：

Al4（Si8O20）（OH）4,伊利石的实际结构式为：

（K）xAl4（Si8-xAlx）O20（OH）20,

（2）阳离子交换容量（CationExchangeCapacity）CEC,定义：

分散介质pH=7时，1000g粘土所能交换下来的阳离子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）。

CEC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、吸附等性质密切相关。

（3）造浆率：

一吨干粘土所能配制粘度（表观粘度）为15mPa.s钻井液的体积数，m3/T。

造浆率,粘土的水化分散能力,2、几种常见粘土矿物的晶体构造,

（1）高岭石,高岭石晶体结构示意图,铝氧八面体片,硅氧四面体片,高岭石特点,Si-O,Al-O,OH,O,A、1：

1型粘土矿物,B、几乎不存在晶格取代，负电量少,C、晶层间引力以氢键为主，引力强，晶层间距C=7.2,问题：

高岭石属非膨胀型粘土矿物，为什么？

高岭石上下相临的层面，一面为OH面，另一面为O面，而O与OH很容易形成氢键，层间引力较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层。

D、CEC低（30-150mmol/kg）在三种常见的粘土矿物中，高岭石的EC最低。

原因在于高岭石几乎不存在晶格取代，所以带负电荷很少，周围吸附的阳离子数目少，可发生交换的阳离子数目就更少了，所以CEC小。

、造浆率低高岭石晶层间以氢键为主，引力较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层间，水化作用仅限于外表面，故水化分散能力差，造浆率低。

蒙脱石,蒙脱石晶体结构示意图,硅氧四面体片,铝氧八面体片,硅氧四面体片,蒙脱石特点,A、2：

1型粘土矿物,B、存在晶格取代，取代位置主要在Al-O八面体中，即Al3+被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，产生的负电荷由等量的Na+或Ca2+来平衡，分别被称为钠蒙脱石和钙蒙脱石。

C、晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距C=9.6-40，属膨胀型粘土矿物，为什么？

蒙脱石上下相临的层面皆为O面，晶层间引力以分子间力为主，层间引力较弱，水分子易进入晶层。

蒙脱石由于晶格取代产生较多的负电荷，在它周围必然会吸附等电量的阳离子，水化阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石膨胀。

D、CEC大（800-1500mmol/kg）,、造浆率高,蒙脱石晶层间引力以分子间力为主，层间引力较弱，水分子易进入晶层，引起蒙脱石水化膨胀。

蒙脱石负电荷多，吸附阳离子数量多，水化阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石水化膨胀。

因为蒙脱石具有很强的水化膨胀能力，造浆率高，所以它是钻井泥浆的主要配浆材料。

膨润土的主要成分是蒙脱土，一级膨润土主要为钠蒙脱土（钠土）；二级为钙蒙脱土（钙土）,原因在于蒙脱石存在晶格取代，所以带负电荷较多，周围吸附的阳离子数目较多，可发生交换的阳离子数目多，所以CEC大。

（3）伊利石,伊利石晶体结构示意图,伊利石特点,A、2：

1型粘土矿物,B、存在晶格取代，取代位置主要在Si-O四面体中，且取代数目比蒙脱石多，产生的负电荷由等量的K+来平衡。

C、晶层间引力以静电力为主，引力强，晶层间距C=10，属非膨胀型粘土矿物。

为什么？

由于伊利石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，与吸附的K+产生很强的静电力，层间引力较强，水分子不易进入晶层.,K+的大小刚好嵌入硅氧四面体片构成的六方网格内切圆空穴中，周围有12个氧与它配伍，起到连接作用，水分子不易进入晶层；,D、CEC介于高岭石与蒙脱石之间（200-400mmol/kg）,伊利石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+来平衡，由于伊利石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，故与K+产生很强的静电力，K+不易交换下来。

K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，起到连接作用，周围有12个氧与它配伍，因此，K+连接通常非常牢固，不易交换下来。

、造浆率低,（4）绿泥石,绿泥石晶体结构示意图2：

1型+水镁石片（八面体片）非膨胀型粘土，为什么？

晶层间存在氢键；水镁石片中镁为铝取代，带正电，与绿泥石晶层产生静电引力。

水镁石片,上一内容,下一内容,回主目录,返回,第二节粘土的带电性,前言,粘土带电性：

指粘土矿物在与水接触时的带电符号和带电量,粘土带电性验证：

电泳实验（粘土在水中移向正极，带负电荷）,一、电荷产生原因（3个原因）,1、可交换阳离子的解离,粘土在自然界形成时发生晶格取代作用产生负电荷，为了达到电平衡必然从周围环境吸附等量的可交换阳离子。

可交换阳离子以扩散的方式排列在粘土矿物的表面，形成扩散双电层，使粘土带负电。

（1）粘土表面负电荷的静电作用（使其靠近粘土表面）,

（2）热运动（使其从粘土矿物表面解离下来）,上一内容,下一内容,回主目录,返回,扩散双电层模型：

上一内容,下一内容,回主目录,返回,粘土表面吸附的带相反电荷的正离子（即反离子）与水接触时，在静电吸引和热运动两种效应的作用下，只有一部分紧密地排在固体表面附近，相距约一、二个离子厚度称为紧密层；,另一部分离子按一定的浓度梯度扩散到溶液中，称为扩散层。

双电层由紧密层和扩散层构成。

移动的切动面为AB面。

当颗粒运动时，吸附层随颗粒一起运动，与扩散层分开。

负电性大小：

粘土在水中带负电原因：

例如：

在体系中加入无机盐可降低负电性，因为无机盐可压缩扩散双电层，使更多的反离子进入吸附层。

取决于颗粒表面电荷与吸附层内反离子电荷差，但其大小可以人为改变。

2、表面羟基与H+与OH-的反应表面羟基来源（2种）：

（1）矿物表面本身含有羟基,

（2）矿物边缘断键产生的羟基,3、吸附,在酸性环境中：

羟基与H+反应，粘土带正电性。

在碱性或中性条件下：

羟基与OH-反应，粘土带负电性。

吸附负电性离子（OH-、SiO32-）：

使粘土负电性增加,吸附正电性离子：

使粘土负电性减少,表面羟基与H+与OH-的反应,二、粘土矿物带电量,粘土带电量通常用CEC表示，CEC越大，说明粘土所带负电荷越多，三种常见粘土矿物的CEC大致如下。

思考题：

为什么伊利石单位晶胞所带负电荷比蒙脱石多，而CEC却比蒙脱石小？

一、定义：

粘土吸水后体积增大的性质。

膨胀性是衡量粘土亲水性的指标，亲水性越强，吸水量越大，水化膨胀越厉害。

粘土矿物可分为膨胀型粘土和非膨胀型粘土矿物。

思考题:

蒙脱石、高岭石、伊利石、绿泥石各属于什么类型？

为什么？

上一内容,下一内容,回主目录,返回,第三节粘土的水化膨胀性,二、水化膨胀机理,各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的程度不同而已。

蒙脱石水化膨胀过程,蒙脱石水化膨胀过程,上一内容,下一内容,回主目录,返回,第四节粘土的吸附性及凝聚性,一、粘土的吸附性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（钻井液处理剂）吸附剂：

吸附吸附质的物质（粘土）,物理吸附：

范德华引力引起，一般无选择性，吸附热较小，容易脱附,2、吸附分类,化学吸附：

化学键力引起，具有选择性，吸附热较大，不易脱附。

例：

阴离子和非离子处理剂在粘土上的吸附,例：

阳离子处理剂在粘土上的吸附,上一内容,下一内容,回主目录,返回,二、粘土的凝聚性1、定义：

在一定条件下，粘土矿物颗粒在水中发生联结的性质。

2、粘土颗粒间作用力,静电斥力（扩散双电层）,水化膜斥力（水分子在粒子周围定向排列）,斥力,引力：

范德华引力,3、粘土的联结方式,第四节粘土的吸附性及凝聚性,