03 第二章 粘土矿物-36页PPT

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第一节 粘土矿物的晶体构造
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。
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 ①高岭石晶体结构示意图
铝氧八 面体片
硅氧四 面体片
共用氧原 子连接
②高岭石特点
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=7.2Å
问题：高岭石属非膨胀型粘土矿物，为什么？
Si-O
高岭石上下相临的层面，一面为OH面， O
D、CEC 大（800-1500 mmol/kg)
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。
Ｅ、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）
（3）伊利石
①伊利石晶体结构示意图
源自文库
②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-
Si-O
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。
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（Cation Exchange Capacity) CEC
Al-O
另一面为O面，而O与OH很容易形成 OH
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（30-150 mmol/kg) 在三种常见的粘土矿物中，高岭石的ＣEC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。
Al-O
Si-O
K+
C、晶层间引力以静电力为主，引力 强，晶层间距C=10Å，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；
3、晶片的结合(基本结构层) 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）。 层面上是OH
层面是O
Al-O晶片 Si-O晶片
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（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）。
前言
（1）粘土主要由粘土矿物(含水的铝硅酸盐)组成。
粘土
（2） 在水中有分散性 、带电性、离子交换以及水化性。
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）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。
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Ｅ、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。
⑵蒙脱石 ①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
②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。
1、基本概念
（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
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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
C、晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距 C=9.6Å- 40Å，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。
氧原子
氧原子
Si-O晶片 Al-O晶片
Si-O晶片
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。
二、几种常见粘土矿物的晶体构造
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第一节 粘土矿物的晶体构造
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。
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
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第一节 粘土矿物的晶体构造