钻井泥浆基础知识Word格式.docx
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（2）蒙脱石族代表性矿物为蒙脱石，其他矿物包括绿脱石、拜来石、皂石等，含蒙脱石矿物为主的粘土称为膨润土或蒙脱土。
（3）水云母族代表性矿物为伊利石（伊利水云母），其他矿物包括绢云母、水白云母等，含伊利石矿物为主的粘土称为伊利土或水云母土。
（4）海泡石族代表性矿物为海泡石，其他矿物包括凹凸棒石、坡缕缟石等，相应的粘土分别称为海泡石粘土、凹凸棒粘土和坡缕缟石粘土。
典型粘土矿物的化学组成含量表
表11-1
粘土矿物
各种化学成分的含量（%）
名称
产地
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
Na2O
K2O
H2O
高岭石
江西浮梁高岭
45.58
37.22
-
0.46
0.07
0.45
1.70
13.39
江苏苏州阳山
47.00
38.04
0.51
0.16
0.22
13.53
蒙脱石
膨润土
辽宁黑山
68.74
20.00
0.70
2.93
2.17
0.20
6.80
浙江临安
71.29
14.17
1.75
1.62
2.22
1.92
1.78
4.24
美国怀俄明
55.44
20.14
3.67
0.50
2.49
2.76
0.60
14.70
山东滩县
71.34
15.14
1.97
2.43
3.42
0.31
0.43
5.06
新疆夏子街
63.70
16.43
5.45
0.28
2.24
2.57
1.94
5.57
伊利石
水云母
52.22
25.91
4.59
2.84
0.17
6.09
7.14
湖南澧县
64.21
20.13
2.12
0.26
0.52
8.27
凹凸棒石
美国乔治亚
53.64
8.76
3.36
2.02
9.05
0.75
江苏盱眙
55.35
8.43
0.15
9.73
0.18
1.85
17.14
海泡石
江西乐平
61.30
0.57
0.73
29.70
0.19
7.10
南澳大利亚
52.43
7.05
15.08
19.93
从上表中可以大致看出4类粘土矿物在化学组分上的特点和差别：
高岭石的三氧化铝（Al2O3）含量较高，蒙脱石的二氧化硅（SiO2）含量较高，伊利石的钾离子含量较高，而海泡石族的H2O含量较高。
另外，三氧化二铁（Fe2O3）、氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）等的含量也各有不同。
依据化学成分的含量，可以初步确定粘土的种类。
为什么4类粘土矿物在化学组分上有明显差别？
不同粘土矿物在造浆性能上的差别又怎样？
这就需要从粘土矿物本身的构造特点出发，进行深入分析。
第三单元粘土矿物的构造特点分析
一个粘土颗粒是由许多层粘土矿物晶胞（片）堆叠形成，而粘土矿物晶胞又是由晶胞的最小构造单元组成。
不同种类的粘土矿物，它们的最小构造单元都是一样的。
但是，基本构造单元之间的连接方式和晶胞结合形式不同，因而形成不同粘土矿物各自的特点。
粘土矿物的基本构造单位是硅氧四面体和铝氧八面体。
硅氧四面体的结构如图11-1所示，每个四面体的中心是一个硅原子，它与四个氧原子以相等的距离相连，四个氧原子分别在四面体的四个顶角上。
从单独的四面体看，4个氧还有4个剩余的负电荷，因此各个氧还能和另一个邻近的硅离子相结合。
依此，四面体在平面上相互连接，形成四面体层。
铝氧八面体的结构如图11-2所示，每个八面体的中心是一个铝原子，它与三个氧原子和三个氢氧原子以等距离相连。
三个氧原子和三个氢氧原子分别在八面体的六个顶角上。
由于还有剩余电荷，氧原子还能和另一个临近的铝离子相结合。
依此，八面体在平面上相互联结，形成八面体层。
硅氧四面体层和铝氧八面体层是不同粘土矿物所共同具有的基本晶层。
但是，这两种基本晶层在不同粘土矿物中的结合方式是不同的，因而主要导致了不同粘土矿物在造浆等性能上的差异。
还有一个影响粘土矿物造浆等性能的重要因素是同晶置换，它是指在晶格构架不变的情况下，四面体中的硅（+4）被低价离子铝（+3）或铁（+3）置换，八面体中的铝（+3）被低价离子镁（+2）等置换。
同晶置换导致粘土颗粒带负电，而粘土颗粒的负电性是影响其性能的重要因素。
一般情况下，同晶置换是粘土原生条件所决定的，不同粘土矿物的同晶置换程度有着明显的差异。
图11-1硅氧四面体及其晶层示意图
a-硅氧四面体；
b-硅氧四面体六角环片状结构的平面投影
图11-2铝氧八面体及其晶层示意
１．高岭石的结构特点
高岭石的化学式是Al4[Si4O10][OH]8,晶体构造是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成，两层间由共同的氧原子联结在一起组成晶胞，如图11-3所示。
图11-3高岭石的结构特点
高岭石矿物，即高岭石粘土颗粒是由上述晶胞在C轴方向上一层一层重叠，而在A轴和B轴方向上延伸而形成的。
由于晶胞是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成，故称为1:
1型粘土矿物。
其相邻两晶胞底面的距离为7.2?
。
另外，其晶体构造单位中电荷是平衡的。
高岭石重叠的晶胞之间是氢氧层与氧层相对，形成结合力较强的氢键，因而晶胞间联结紧密，不易分散。
故高岭石粘土颗粒一般多为许多晶胞的集合体，与下面分析的蒙脱石相比颗粒较粗，小于2μm的颗粒含量仅占10～40%。
高岭石矿物晶体结构比较稳定，即晶格内部几乎不存在同晶置换现象，仅有表层OH－的电离和晶体侧面断键才造成少量的电荷不平衡，因而其负电性较小。
由于负电性很小，致使这种粘土矿物吸附阳离子的能力低，所以水化等"
活性"
效果差。
由上可知，高岭石矿物由于晶胞间连接紧密，可交换的阳离子少，故水分子不易进入晶胞之间，因而不易膨胀水化，造浆率低，每吨粘土造浆量低于3m3。
同时因可交换的阳离子量少，粘土接受处理的能力差，不易改性或用化学处理剂调节泥浆性能。
因此，高岭石不是好的造浆粘土。
从钻井的井壁稳定性看，如果钻进遇到高岭石类粘土或富含高岭石的泥质岩层时，一般井壁不易膨胀而缩径，但易产生剥落掉块。
２．蒙脱石的结构特点
蒙脱石化学式是（Al1.67Mg0.33）[Si4O10][OH]2·
nH2O。
其晶体构造是由两层硅氧四面体中间夹有一层铝氧八面体组成一个晶胞，四面体和八面体由共用的氧原子联结（图11-4）。
同样，在C方向重叠，沿A、B方向延伸。
形成蒙脱石粘土颗粒。
由于蒙脱石矿物晶胞是由两层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成，故称为2:
其晶胞底面距为9.6?
，吸水后可达21.4?
图4-4蒙脱石的结构特点
（图中右侧数值是叶蜡石结构中电荷的数值，不是蒙脱石的数值）
蒙脱石矿物晶体构造的特点之一是，重叠的晶胞之间是氧层与氧层相对，其间的作用力是弱的分子间力。
因而晶胞间联结不紧密，易分散微小颗粒，甚至可以分离至一个晶胞的厚度，一般小于1μm的颗粒达50%以上。
从形状上看，晶胞片的长度往往为其厚度的几十倍，是薄片状的颗粒。
蒙脱石矿物晶体构造的另一特点是同晶置换现象很多，即铝氧八面体中的铝被镁、铁、锌等所置换，置换量可达20～35%。
硅氧四面体中的硅也可被铝所置换，置换量较小，一般小于5%。
因此，蒙脱石晶胞带较多的负电荷，其阳离子交换容量大，可达80～150meq/ml。
由上可以分析出，蒙脱石粘土由于晶胞间联系不紧密，可交换的阳离子数目多，故水分子易进入晶胞之间，粘土易水化膨胀，分散性好，造浆率高，每吨粘土可达12-16m3左右。
同时，因可以吸引较多的阳离子，故"
大，接受处理的能力强，易改性或用化学处理剂调节泥浆性能，是优质的造浆粘土矿物。
从钻井的井壁稳定性看，如果钻进中遇到蒙脱石类粘土或富含蒙脱石的泥质岩层时，易产生膨胀缩径甚至孔壁流散等孔内复杂情况。
３．伊利石的结构特点
伊利石又称伊利水云母，其化学式是K<
1（Al,Fe,Mg）2[（Si,Al）4O10][OH]2·
伊利石的结构总体上与蒙脱石相似，即也是由两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体组成晶胞，故也是2:
不同之处是伊利石两晶胞之间存在较多的钾离子（K+）图。
因而使其性能与蒙脱石有较大差别。
伊利石晶胞之间钾离子的直径为2.66?
，与硅氧四面体六角环的空穴内径相当，故钾离子进入空穴后不易出来，它的嵌合作用使上下两层晶胞联结得很紧，水分子也难以进入其中。
因此这种粘土不易分散。
伊利石晶格内部也有同晶置换现象，如硅氧四面体中有1/6的硅（Si）可被铝（Al）置换，使晶胞呈现负电性，因而有一定的离子交换能力。
但它吸附钾离子后，由于钾离子不易电离出去，使其失去"
，交换能力降低。
上述结构特点的制约，使伊利石的造浆能力低，且难以改性和用化学处理剂调节泥浆性能。
在钻进中钻到伊利石粘土或富含伊利石的泥质岩层时，不易膨胀缩径，但有剥落掉块的可能。
４．海泡石的结构特点
海泡石族粘土矿物的化学式是：
Mg8[Si12O30][OH]4（OH2）4·
8H2O，为含水镁铝硅酸盐。
它也是2:
1型粘土矿物，但颗粒的片状程度没有蒙脱石那么明显，而是呈棒状，从微观结构看属于双链状构造。
在常规条件下，海泡石的造浆性能不如蒙脱石，但由于具有特殊的结构构造，使其在高温下体现出良好的稳定性。
首先，在海泡石中，硅氧四面体所组成的六角环都依上下相反的方向对列，而相互间被其他的八面体所连接，因而晶体构造中有一系列的晶道，具有极大的内部表面，水分子可以进入内部孔道；
其次，海泡石中的镁离子含量高，而镁离子又能束缚众多的结晶水。
因此，由于水的散热效应等，使海泡石具有较高的热稳定性，能耐260℃以上的高温，因而适于配制深井和地热井泥浆。
另外，由于特殊构造，海泡石粘土具有良好的抗盐性，它在淡水和饱和盐水中的水化膨胀情况几乎一样。
因此是配制盐水泥浆或对付盐类地层泥浆的好材料。
为了更直观地比较4种粘土矿物的特点，特列表如下：
四种粘土矿物的性能比较表
表11-2
矿物名称
化学成分
晶胞结构类型
晶层排列
晶胞间引力
晶胞间距
阳离子交换容量
比重
造浆性能
Al4[Si4O10][OH]8
1:
1
OH层与O层相对
有氢键引力强
7.2
3~5
2.58~
2.67
不易分散
（Al1.67Mg0.33）[Si4O10]
[OH]2·
nH2O
2:
O层与O层相对
分子间力弱
9.6~21.4
80~150
2.35~
2.74
易分散造浆率高
K<
1（Al,Fe,Mg）2
[（Si,Al）4O10][OH]2·
OH层与O层相对，层间有K+
引力较强
10.0
10~40
2.65~
2.69
Mg8[Si12O30][OH]4（OH2）4
·
8H2O
双链状
结构
12.9
20~30
耐高温
抗盐
综合表中的结果，蒙脱石是最好的泥浆配制材料；
海泡石族在常温等一般条件下造浆性能比蒙脱石差，但在耐高温、抗盐侵方面具有较好稳定性；
高岭石与伊利石的造浆性能差。
第四单元造浆粘土的选用与质量评价
粘土在工业和民用上有许多用途，如铸造中的造砂型、冶金中的团矿等都需要一定质量的粘土。
钻井泥浆是粘土在水中的分散体系，从钻井工程的工艺要求出发，需要采用较为优质的膨润土造浆，即需要选用以含蒙脱石为主的钠膨润土为造浆材料。
国内外富含蒙脱石的大型优质膨润土矿有不少，如我国的新疆夏子街、山东高阳、辽宁黑山、浙江余杭，美国的怀俄明以及南澳大利亚等地都有高纯度的大型膨润土矿床。
泥浆公司和粘土粉生产厂家从这些地方采取粘土矿原料，做适当的加工，形成造浆粘土的正规产品。
自然界中的粘土广泛存在。
许多情况下，钻进现场及其附近就有或多或少含蒙脱石的粘土。
如果钻井对泥浆性能要求不是很高，完全可以就地取土配制泥浆，并通过添加处理剂来改善泥浆性能。
当然，一些蒙脱石含量很少或杂质很多的劣质土是不可取的，因为这些土难以造浆。
如果钻井通过的地层本身就富含造浆粘土，那么就可以利用"
地层造浆"
，即先用一定量的清水作为钻井液，清水在井内自动水化分散被钻头破碎下来的粘土形成泥浆，直接循环使用。
无论是就地取土、地层造浆还是购买正规粘土粉产品，都存在判别粘土是否适于造浆或检验粘土造浆质量的问题。
对此，应该采用科学的鉴定和评价。
（一）粘土矿物的鉴定
粘土矿物的鉴定是确定粘土矿物的种类，检查其是否属于以蒙脱石为主的膨润土。
由于粘土矿物的粒级一般在几微米以下，因此鉴定的方法主要有两大类型：
（1）矿物鉴定方法：
差热分析和失重分析法、X衍射法、红外光谱法、化学分析法、电子扫描显微镜法；
（2）物化性能测定法：
吸兰量试验、膨胀试验、胶质价试验、pH值试验、阳离子交换容量测定。
这些方法属于化学分析和仪器分析范围，它们的工作原理和操作规范可参阅相关专业书籍。
以差热分析方法为例。
粘土矿物在加热时会失去水分，质量减轻。
一般粘土矿物中含有三种水：
自由水、吸附水和晶格水（粘土矿物结晶构造中的一部分水，一般温度升高到300℃以上才能失去）。
通过对粘土矿物加热时所发生变化的分析，不仅能够说明因脱水和结晶构造所引起的吸热反应的特征，还能指示温度升高时因形成新的物象所引起的放热反应。
差热分析的结果以热效应对炉温的连续曲线的形式绘出。
曲线中的波谷表示吸热反应，波峰则表是放热反应。
曲线离基线的偏差反映试样温度与炉温之差，是热效应强度的量度。
几种粘土矿物的差热曲线如图11－5所示。
图11-5三种粘土矿物的差热曲线
高岭石在400～500℃开始失去结晶水，表现强烈、尖锐的吸热谷，这时，高岭石结构破坏形成非结晶质的偏高岭石。
950～1050℃时有一放热峰，这是由于偏高岭石重结晶所产生的。
伊利石在100～200℃吸附水逸出，呈宽缓的吸热谷。
550～650℃排出结晶水呈现较宽的吸热谷。
850～950℃继续排出结晶水，晶格破坏，有一较弱的吸热线。
900～1000℃有一明显的放热峰。
蒙脱石友三个特征吸热谷和一个放热峰；
第一吸热谷在100～300℃指尖，是逸出吸附水的反应，因相对湿度和层间可交换性阳离子不同，可表现为单股、双谷或三谷。
550～750℃为第二吸热谷，是排出结晶水的反应，平缓且宽。
900～1000℃出现第三吸热谷，晶体结构破坏，紧接者出现一个放热峰，表是矿物重结晶形成尖晶石和石英等。
（二）造浆粘土的评价
综合国内外对膨润土的研究成果，评价造浆膨润土优劣的测试项目包括：
（1）蒙脱石含量；
（2）胶质价和膨胀倍数；
（3）阳离子交换容量、盐基总量和盐基分量；
（4）可溶性盐含量；
（5）造浆率；
（6）流变特性和失水特性。
对造浆粘土的评价方法之一是按照造浆性能要求确定粘土的造浆率。
所谓造浆率是指：
配得表观粘度为15×
10-3Pa·
s的泥浆时，每吨粘土造浆的立方数，计量单位为m3/t。
它直接表示泥浆造浆效率的高低，
以此评价泥浆的宏观性能。
造浆率的具体测定规范是：
在定量的蒸馏水中加入定量的膨润土粉，经搅拌后密封静止24小时，使之充分预水化，然后搅拌，用直读式旋转粘度计测600转时的读数，当读数为30即对应表观粘度15╳10-3Pa·
s时，依加土量计算造浆率：
（11-1）
式中：
B--造浆率，m3/t；
Vw--水的体积，ml；
Ws--土的重量，g；
Ms--土的比重，g/cm3。
显然，一次性定量配出的被测泥浆不可能正好为ηA=15╳10-3Pa·
s，因此应该预估水、土加量范围，配制2～3种不同水、土比的泥浆，分别测定它们的ηA值，然后用两点或三点连线法插值或顺延出造浆率值。
测定造浆率之前，对被测粘土的加工处理应该按照统一要求进行，使粘土的细度、水分含量、含砂量等指标处于标准范围，以保证造浆率测定的准确性。
应该指出，表观粘度虽然比较重要地反映了泥浆的性能，但是并不能唯一表明泥浆性能，更严格的造浆率指标还应该结合泥浆的失水量、屈服值、塑性粘度等指标来进行评价。
国外造浆用商品膨润土的质量标准，主要是API标准即美国石油协会标准，此外，还有原来的OCMA（石油公司材料协会）标准、日本的JBAS标准和前苏联标准等（见表11-3）。
我国目前采用国际上通用的API标准作为商品膨润土的质量标准。
若将表观粘度与失水量、屈服值、塑性粘度、漏斗粘度等结合起来衡量，能更加符合钻井实际来准确地反映膨润土的本质特征。
粘土造浆率质量标准指标表
表11-3
订制者
质量标准指标
对被测土的技术要求
泥浆达到的性能指标
造浆率（m3/t）
水分含量（%）
200目筛余量（%）
API失水（%）
屈服值（0.478Pa）
漏斗粘度（s）
API标准
<
10
4
13.5
3×
ηp
>
16
OCMA标准
15
2.5
JBAS标准
前苏联标准
6~10
含砂量<
6
25
注：
ηp为泥浆的塑性粘度
第二节粘土水化分散与泥浆体系稳定原理
第一单元土的水化分散
粘土的水化是指粘土颗粒吸附水分子，粘土颗粒表面形成水化膜，粘土晶格层面间的距离增大，产生膨胀以至分散的过程。
粘土水化的结果即形成泥浆。
粘土的水化效果对粘土的造浆性能和土质地层孔壁的稳定有重大影响。
（一）粘土水化的原因
粘土颗粒与水或含电解质、有机处理剂的水溶液接触时，粘土便产生水化膨胀，引起粘土水化膨胀的原因有：
1.粘土表面直接吸附水分子
粘土颗粒与水接触时，由于以下原因而直接吸附水分子：
（1）粘土颗粒表面有表面能，依热力学原理粘土颗粒必然要吸附水分子和有机处理剂分子到自己的表面上来，以最大限度地降低其自由表面能；
（2）粘土颗粒因晶格置换等而带负电荷，水是极性分子，在静电引力的作用下，水分子会定向地浓集在粘土颗粒表面；
（3）粘土晶格中有氧及氢氧层，均可以与水分子形成氢键而吸附水分子。
2.粘土吸附的阳离子的水化
粘土表面的扩散双电层中，紧密地束缚着许多阳离子，由于这些阳离子的水化而使粘土颗粒四周带来厚的水化膜。
这是粘土颗粒通过吸附阳离子而间接地吸附水分子而水化。
（二）影响粘土水化的因素
1.粘土矿物本身的特性
粘土矿物因其晶格构造不同，水化膨胀能力也有很大差别。
蒙脱石粘土矿物，其晶胞两面都是氧层，层间联结是较弱的分子间力，水分子易沿着硅氧层面进入晶层间，使层间距离增大，引起粘土的体积膨胀。
伊利石粘土矿物其晶体结构与蒙脱石矿物相同，但因层间有水化能力小的K+存在，K+镶嵌在粘土硅氧层的六角空穴中，把两硅氧层锁紧，故水不易进入层间，粘土不易水化膨胀。
高岭石粘土矿物，因层间易形成氢键，晶胞间联结紧密，水分子不易进入，故膨胀性小。
同时伊利石晶格置换现象少，高岭石几乎无晶格置换现象，阳离子交换容量低，也使粘土的水化膨胀差。
2.交换性阳离子的种类
粘土吸附的交换性阳离子不同，形成的水化膜厚度也不相同，即粘土水化膨胀程度也有差别。
例如交换性阳离子为Na+的钠蒙脱石，水化时晶胞间距可达40?
，而交换性阳离子为Ca2+的钙蒙脱石，水化时晶胞间距只有17?
3.水溶液中电解质的浓度和有机处理剂含量
水溶液中电解质浓度
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