粘土矿物的水化机理ppt课件
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粘土水化分散与泥浆体系稳定原理
粘土水化分散与泥浆体系稳定原理一、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 A，而交换性阳离子为Ca2+的钙蒙脱石，水化时晶胞间距只有17 A。
第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础
晶格取代作用可以发生在八面体中典型的是mg晶胞平均负电荷比蒙脱石高产生的负电荷主要由k伊利石石油工程学院石油工程学院182013818伊利石负电荷主要产生在四面体晶片离晶层表与晶层的负电荷之间的静电引力比氢键强水不易进入晶层间
第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础
本章要求重点掌握内容：
23
2012-6-9
石油工程学院
24
(5)海泡石族（层链状结构）
海泡石族矿物俗称抗盐粘土，属链状构造的含水 铝镁硅酸盐。包括：海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石(又 名山软木)。海泡石族矿物是含水的铝镁硅酸盐，晶体 构造常为纤维状，海泡石族矿物特点是硅氧四面体所
组成的六角环都依上下相反的方向对列，并且相互间
Al O-…... H+
粘土晶体的端面上吸附了OH-、SiO3
机阴离子聚电解质等。
2012-6-9
2-等无机阴离子或吸附有
OHSiO3 2-
石油工程学院
30
3. 正电荷 —— 表面电荷 来源：粘土端面上带正电荷的原因多数人认为是由于裸露在边 缘上的铝氧八面体在酸性条件下从介质中解离出OH-，如下式所 示：当PH<8时, 特点: 受环境PH值影响 。 粘土的负电荷一般多于正电荷，粘土一般带负电。 Al —O — H → Al+ + OH-
2012-6-9
石油工程学院
13
特点 晶格取代 主要在八面体中：Mg2+ Al3+ 晶层上下面为氧原子，分子间力连接，连接力弱， 水分子易进入引起晶格膨胀；晶格取代、带有较多负 电荷，能吸附等电量阳离子。水化阳离子进入晶层， 层间距增加。蒙脱石是膨胀型粘土矿物，增加了胶体 活性 补偿阳离子：Na+、Ca2+ 阳离子交换容量高：70-130 mmol/100克土 水化能力强。
第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础
本章要求重点掌握内容：
23
2012-6-9
石油工程学院
24
(5)海泡石族（层链状结构）
海泡石族矿物俗称抗盐粘土，属链状构造的含水 铝镁硅酸盐。包括：海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石(又 名山软木)。海泡石族矿物是含水的铝镁硅酸盐，晶体 构造常为纤维状，海泡石族矿物特点是硅氧四面体所
组成的六角环都依上下相反的方向对列，并且相互间
Al O-…... H+
粘土晶体的端面上吸附了OH-、SiO3
机阴离子聚电解质等。
2012-6-9
2-等无机阴离子或吸附有
OHSiO3 2-
石油工程学院
30
3. 正电荷 —— 表面电荷 来源：粘土端面上带正电荷的原因多数人认为是由于裸露在边 缘上的铝氧八面体在酸性条件下从介质中解离出OH-，如下式所 示：当PH<8时, 特点: 受环境PH值影响 。 粘土的负电荷一般多于正电荷，粘土一般带负电。 Al —O — H → Al+ + OH-
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石油工程学院
13
特点 晶格取代 主要在八面体中：Mg2+ Al3+ 晶层上下面为氧原子，分子间力连接，连接力弱， 水分子易进入引起晶格膨胀；晶格取代、带有较多负 电荷，能吸附等电量阳离子。水化阳离子进入晶层， 层间距增加。蒙脱石是膨胀型粘土矿物，增加了胶体 活性 补偿阳离子：Na+、Ca2+ 阳离子交换容量高：70-130 mmol/100克土 水化能力强。
粘土水化
粘 吸 结 彩 定ｔ分析 土 附合
“ ／
结合水类型 界限 水合机制 ’
、 ／
征。
９ ． 本文独创性地将等温吸附法、烘干法和高温等温脱附法有机地统一起来， 建 立了定量研究自 然粘土岩、自 然粘土岩在液相水或无机盐 Ｋ １ Ｃ 溶液中水合程 度、 水合状态的简易评价方法， 为评价粘土水合程度和控制粘土水合的化学方 法开辟了一条新的途径。 － 丫 －
关键词
水 状 丫实 研 合 态 验 究
面结合水定ｔ研究的总体框架的 羞础上， 从该方向 长远研究的最基本的问 题入 手， 以实毅研究为主要途径， 寻求建立粘土表面结合水定盆公走的实验研究方 法， 粘土结合水类型、 给出 存在界限， 完整描述粘土水合机制和水合状态， 初 步得出粘土表面吸附结合水的 物理化学性质， 并从应用角 度出发， 研究自 然粘 土岩、自 然粘土岩在液相水或无机盐％ １ Ｃ溶液中的水合视度、 水合状态， 为最 终粘土对水的吸附 理论莫定基础，为合理利用和控制水合枯士物理化学性质、 力学性质以满足涉及粘土矿物相关领域的 应用技术提供理论依据。 本文的主要研究工作分三部分． 第一部分是建立粘土表面结合水定量测定 的实验研究方法。 第二部分是粘土表面结合水定量测定的实验研究， 这部分是 本文研究工作的重点， 内容包括： 粘土表面结合水定ｆ表征； 粘土表面吸附结 合水类型确定； 粘土表面吸附结合水存在界限划分：粘土水合机制完整描述； 粘土表面吸附结合水物理化学性质的初步认识。 第三部分是粘土岩水合状态的
摘
要
粘土矿物因具有水合活性 （ 活化） 中心而吸附结合水，结合水是控制形成 粘性 稠度、 塑性、 分散膨胀、 收缩等物理化学性质及强度、 变形等力学性质 的重要因素之一， 强烈地牵制着涉及粘土矿物行业的发展。 定里测定粘土表面 结合水和弄清粘土水合机制， 是合理有效地预测粘土矿物与水结合后所出 现的 物理一化学过程、 控制和利用水合粘土特殊物理化学性质、 力学性质的基础理 论研究。它涉及粘土矿物学、 水化学、 表面化学、 土质学、 土力学、 土壤学等 诸多方面， 属于多学科交叉的基础理论研究． 长期以 人们在粘土表面结合 来， 水定ｔ研究方面进行了 一些可贵的 探索， 取得了一定成果。 但是， 外的 国内 研 究大多 集中 在粘土表面总含水量的确定， 界面物理化学含义不明 且研究方 确， 法单一， 对粘土结合水存在形式、 界限划分及其相对应的结合水ｔ和水合状态、 尤其是在水中 枯土表面结合水定 且研究尚 未涉及。 而一定含水ｔ的 粘土结合水 类型、 存在界限、 水合状态决定了 粘土的 水合效应和性质。 所有这些与工业、 农业、建筑业等领域的 应用技术有更为密切的 关系，因而更具研究意义。 〕 尹
粘土的水化膨胀作用
盐水泥浆和钙处理泥浆对孔壁的抑制作用就是依据这个原理
特点：
这是短距离范围内的粘土与水的相互作用
这个作用进行到粘土层间有四个水分子层的厚度，其厚度约为10Ǻ（1nm）
在粘土的层面上，此时作用的力有层间分子的范德华引力、层面带负电和层间阳离子之间的静电引力、水分子与层面的吸附能量（水化能），其中以水化能最大
水化膨胀力可达2000～4000大气压
②渗透水化（Osmotic Hydration）——扩散双电层理论（粘土胶体化学最重要的理论之一）
力B：黏土单元晶层—层间阳离子—黏土单元晶层之间的静电力
A<B——黏土只发生晶格膨胀（如钙土）；A>B——黏土发生渗透膨胀，形成扩散双电层（如钠土）
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增加，因离子水化与粘土水化争夺水分子，使粘土直连吸附水分子的能力降低
其次阳离子数目增多，挤压扩散层，使粘土的水化膜减薄。总起来是使粘土的水化膨胀作用减弱
粘土的水化膨胀作用
1、定义
水化膨胀：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
2、粘土矿物的水份
粘土矿物的水分按其存在的状态可以分为结晶水、吸附水和自由水三种类型。
①结晶水
存在方式：这种水是粘土矿物晶体构造的一部分
运动方式：只有温度高于300度以上时，结晶受到破坏，这部分水来释放出来
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（2:1），晶体结构与蒙脱石矿物相同，但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，晶格置换现象少
水不易进入层间，粘土不易水化膨胀
特点：
这是短距离范围内的粘土与水的相互作用
这个作用进行到粘土层间有四个水分子层的厚度，其厚度约为10Ǻ（1nm）
在粘土的层面上，此时作用的力有层间分子的范德华引力、层面带负电和层间阳离子之间的静电引力、水分子与层面的吸附能量（水化能），其中以水化能最大
水化膨胀力可达2000～4000大气压
②渗透水化（Osmotic Hydration）——扩散双电层理论（粘土胶体化学最重要的理论之一）
力B：黏土单元晶层—层间阳离子—黏土单元晶层之间的静电力
A<B——黏土只发生晶格膨胀（如钙土）；A>B——黏土发生渗透膨胀，形成扩散双电层（如钠土）
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增加，因离子水化与粘土水化争夺水分子，使粘土直连吸附水分子的能力降低
其次阳离子数目增多，挤压扩散层，使粘土的水化膜减薄。总起来是使粘土的水化膨胀作用减弱
粘土的水化膨胀作用
1、定义
水化膨胀：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
2、粘土矿物的水份
粘土矿物的水分按其存在的状态可以分为结晶水、吸附水和自由水三种类型。
①结晶水
存在方式：这种水是粘土矿物晶体构造的一部分
运动方式：只有温度高于300度以上时，结晶受到破坏，这部分水来释放出来
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（2:1），晶体结构与蒙脱石矿物相同，但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，晶格置换现象少
水不易进入层间，粘土不易水化膨胀
粘土水化分散与泥浆体系稳定原理
粘土水化分散与泥浆体系稳定原理一、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 A，而交换性阳离子为Ca2+的钙蒙脱石，水化时晶胞间距只有17 A。
1粘土矿物PPT课件
特点：电荷量不受pH值、介质的影响！
2、可变（负）电荷 粘土所带电荷的数量随介质的pH值改变而改变。
原因： （1）铝氧八面体中＞Al-OH是两性的，在碱性介质中电出
H+，使粘土带负电荷； 在酸性介质中则电离出OH-，使粘土带正电荷。 一般情况下钻井液呈碱性，所以粘土带负电荷。
（2）粘土晶层在外力作用下发生断裂，则在断裂的边缘处 可能带负电，可能带正电荷。
第一章 粘土矿物
• 粘土在钻井工艺中起着极其重要的作用，粘土的种 类和数量直接影响钻井液的性能、井眼的稳定性以 及油气层的保护。
• 粘土主要由粘土矿物（含水的硅铝酸盐）组成，呈 颗粒状，其颗粒大多数小于2μm。它在水中具有、 分散性、带电性、离子交换性。这些性能对于处理 与配制钻井液都具有重要作用，是主要的配浆用原 料。
Si-O晶片 Al-O晶片 Si-O晶片
氧原子
可交换阳离子 nH2O结晶水
蒙脱石的晶体结构（2﹕1层型）
•单元晶层面与面堆积在一起形成晶体 •一个单元晶层到相邻的单元晶层之间的垂直距离称
为晶层间距
•层间物：层间水、层间阳离子 •晶层与晶层之间主要靠分子间力堆积在一起
(四）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。
1.27
1.43
1.45
水合阳离子
半径（埃） 3.3
1.6
1.0
0.7
-
0.4 7.0 5.2 4.7 2.0
-
（3）H+水化半径小。H+与水形成H3O+，它们在粘土中表面 的吸附特别强。这也是泥浆性能的研究中格外重视pH值的重 要原因。 （4）不同粘土矿物的影响 阳离子的离子吸附能力由小到大交换顺序： 高岭石 Li+＜Na+NH 4+＜H+ K+＜Mg2+＜Ca2+
2、可变（负）电荷 粘土所带电荷的数量随介质的pH值改变而改变。
原因： （1）铝氧八面体中＞Al-OH是两性的，在碱性介质中电出
H+，使粘土带负电荷； 在酸性介质中则电离出OH-，使粘土带正电荷。 一般情况下钻井液呈碱性，所以粘土带负电荷。
（2）粘土晶层在外力作用下发生断裂，则在断裂的边缘处 可能带负电，可能带正电荷。
第一章 粘土矿物
• 粘土在钻井工艺中起着极其重要的作用，粘土的种 类和数量直接影响钻井液的性能、井眼的稳定性以 及油气层的保护。
• 粘土主要由粘土矿物（含水的硅铝酸盐）组成，呈 颗粒状，其颗粒大多数小于2μm。它在水中具有、 分散性、带电性、离子交换性。这些性能对于处理 与配制钻井液都具有重要作用，是主要的配浆用原 料。
Si-O晶片 Al-O晶片 Si-O晶片
氧原子
可交换阳离子 nH2O结晶水
蒙脱石的晶体结构（2﹕1层型）
•单元晶层面与面堆积在一起形成晶体 •一个单元晶层到相邻的单元晶层之间的垂直距离称
为晶层间距
•层间物：层间水、层间阳离子 •晶层与晶层之间主要靠分子间力堆积在一起
(四）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。
1.27
1.43
1.45
水合阳离子
半径（埃） 3.3
1.6
1.0
0.7
-
0.4 7.0 5.2 4.7 2.0
-
（3）H+水化半径小。H+与水形成H3O+，它们在粘土中表面 的吸附特别强。这也是泥浆性能的研究中格外重视pH值的重 要原因。 （4）不同粘土矿物的影响 阳离子的离子吸附能力由小到大交换顺序： 高岭石 Li+＜Na+NH 4+＜H+ K+＜Mg2+＜Ca2+
粘土矿物的水化机理ppt课件
(1)永久电荷 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所取代 （置换），但晶体结构不变的现象。 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，一般情况下粘土带负电。 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，因此层面电 荷密度不同，水化难易程度不同。
2
前言
（1）粘土矿物：细分散的（≤2μm）含水的铝硅酸盐类矿物的总称，
可进一步分为晶质（具有晶体结构的）和非晶质，自然界中所见到的粘
粘
土矿物绝大多数是晶质的。
土
（2）粘土：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为主的（≥50%）沉积物。
（3）粘土岩（俗称：泥页岩）：粘土矿物经沉积、固结成岩作用后成 为粘土岩。
一粘土矿物的两种基本构造单元高岭石高岭石晶体结构示意图二几种常见粘土矿物的晶体构造蒙脱石晶体结构示意图二几种常见粘土矿物的晶体构造伊利石伊利石晶体结构示意图二几种常见粘土矿物的晶体构造二几种常见粘土矿物的晶体构造一般情况下随着地层深度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块坍塌为主
10
任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造 （3）伊利石 伊利石晶体结构示意图
11
任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造
12
任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造 一般情况下，随着地层深度的增加，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，以剥落掉块、坍塌为主。
粘土矿物
PPT 资料收集：封远飞
资料汇总：李宽 技术顾问：乔兴生
1
粘土矿物在钻井液中的价值
+
钻井泥浆是由粘土、水（或油）和少量处理剂混合形成，具有可调控的粘性、 比重和降失水等性能，在大多情况下能够满足悬排钻碴、稳定井壁、防止漏失、 冷却润滑钻具的基本钻进需要，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。
剩的负电荷，因此，一般情况下粘土带负电。 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，因此层面电 荷密度不同，水化难易程度不同。
2
前言
（1）粘土矿物：细分散的（≤2μm）含水的铝硅酸盐类矿物的总称，
可进一步分为晶质（具有晶体结构的）和非晶质，自然界中所见到的粘
粘
土矿物绝大多数是晶质的。
土
（2）粘土：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为主的（≥50%）沉积物。
（3）粘土岩（俗称：泥页岩）：粘土矿物经沉积、固结成岩作用后成 为粘土岩。
一粘土矿物的两种基本构造单元高岭石高岭石晶体结构示意图二几种常见粘土矿物的晶体构造蒙脱石晶体结构示意图二几种常见粘土矿物的晶体构造伊利石伊利石晶体结构示意图二几种常见粘土矿物的晶体构造二几种常见粘土矿物的晶体构造一般情况下随着地层深度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块坍塌为主
10
任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造 （3）伊利石 伊利石晶体结构示意图
11
任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造
12
任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造 一般情况下，随着地层深度的增加，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，以剥落掉块、坍塌为主。
粘土矿物
PPT 资料收集：封远飞
资料汇总：李宽 技术顾问：乔兴生
1
粘土矿物在钻井液中的价值
+
钻井泥浆是由粘土、水（或油）和少量处理剂混合形成，具有可调控的粘性、 比重和降失水等性能，在大多情况下能够满足悬排钻碴、稳定井壁、防止漏失、 冷却润滑钻具的基本钻进需要，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。
《粘土矿物》PPT课件
电泳实验粘土在水中移向正极带负电荷编辑课件ppt23一电荷产生原因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
油田应用化学-----第二章
第二章 粘土矿物
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
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。
编辑课件ppt
12
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。
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
编辑课件ppt
25
（2）矿物边缘断键产生的羟基
高岭石的颗粒大小与阳离子交换容量的关系
颗粒大小/ μm 0.05~0.1 0.1~0.25 0.5~1 2~4 5~10 10~20
CEC/ mmol·kg-1 95
54
（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
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10
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
编辑课件ppt
共用氧原 子连接
11
②高岭石特点
油田应用化学-----第二章
第二章 粘土矿物
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
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。
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12
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。
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
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25
（2）矿物边缘断键产生的羟基
高岭石的颗粒大小与阳离子交换容量的关系
颗粒大小/ μm 0.05~0.1 0.1~0.25 0.5~1 2~4 5~10 10~20
CEC/ mmol·kg-1 95
54
（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
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10
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
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共用氧原 子连接
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②高岭石特点
泥浆材料检测与应用：粘土的水化作用
粘土水化膨胀受表面水化力、渗透水化力和毛细管作用制约。
项目二 粘土胶体化学基础
任务 03 粘土颗粒遇水的作用
知识点 2 影响粘土水化பைடு நூலகம்因素
粘土的阳离子交换容量及吸附的阳离子种类对粘土的胶 体活性影响很大。
蒙皂石的阳离子交换容量大，膨胀性也大，在低浓度下 就能形成稠的悬浮体，特别是钠蒙皂石，水化膨胀性更厉害； 而高岭石的阳离子交换容量很低，惰性比较强
（1）黏土水化膨胀作用的机理 黏土矿物的水分按其存在的状态可以分为结晶水、
吸附水和自由水。
➢结晶水——黏土矿物构造的一部分，高于300℃结晶被破坏 才能释放出来；
➢吸附水——具有极性的水分子被吸附到带电黏土颗粒表面， 在黏土周围形成水化膜，这部分水随黏土颗粒一起运动，也 称为束缚水；
➢自由水——存在于黏土颗粒孔道中，不受黏土束缚，可以 自由运动。
➢扩散层
带电粘土颗粒周围分布着电荷数相等、溶剂化的反离子, 受粘土表面负电荷的吸引靠近粘土颗粒表面。由于反离子的 热运动，又有扩散到液相内的能力。固体表面上紧密地连接 着的部分反离子，就构成了吸附层,其余反离子带着其溶剂 化壳，扩散地分布到液相中，形成了扩散层。
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项目二 粘土胶体化学基础
任务三：
粘土颗粒遇水的作用
二、粘土的水化作用
粘土的水化作用
知识点 01 粘土水化膨胀作用的机理 知识点 02 影响粘土水化的因素
项目二 粘土胶体化学基础
任务 03 粘土颗粒遇水的作用
知识点 1 粘土水化膨胀作用的机理
二、黏土的水化分散性
黏土的水化作用是指黏土颗粒吸附水 分子形成水化膜，使晶格层面间的距离增 大发生膨胀的作用。
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粘土 与钻 井的 关系
（1）粘土作为钻井液的重要组成成分，配浆原材料。 （2）涉及钻井过程中井眼的稳定性，粘土是泥页岩的主要组成部分， 75%地层为泥页岩，90%的井壁不稳定发生在泥页岩。 （3）油气层的保护，粘土矿物膨胀、钻井液配浆粘土堵塞。
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本次课讲授内容
任务一：1.粘土矿物的晶体结构；
2.带电性；
粘土矿物
PPT 资料收集：封远飞
资料汇总：李宽 技术顾问：乔兴生
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粘土矿物在钻井液中的价值
+
钻井泥浆是由粘土、水（或油）和少量处理剂混合形成，具有可调控的粘性、 比重和降失水等性能，在大多情况下能够满足悬排钻碴、稳定井壁、防止漏失、 冷却润滑钻具的基本钻进需要，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。
氢氧
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任务一：粘土矿物的晶体结构 一、粘土矿物的两种基本构造单元 铝氧八面体晶片：多个铝氧八面 体通过共用的OH连接而成的Al-O 八面体网络。
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任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造 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
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任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造 （2）蒙脱石 蒙脱石晶体结构示意图
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任务一：粘土矿物的晶体结构
灰色和棕色泥岩 砂岩
灰黑色泥岩
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任务一：带电性 一、带电性 ☞定义：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）
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任务一：带电性
2. 电荷产生原因
电荷来 永久电荷（晶 构格 造取 电代 荷） 源 表面电荷（受 可粘 变土 电表 荷面 ） p化 H 值学 等变 的化 影
3.阳离子交换量；
任务二：粘土矿物的水化机理
1.蒙脱石
2.高岭石
异同点
3.伊利石
任务三：DLVO原理
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任务一：粘土矿物的晶体结构
一、粘土矿物的两种基本构造单元 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，其结构见右图。
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任务一：带电性
（2）表面羟基与H+与OH-的反应（可变电荷） 在酸性环境中：羟基与H+反应，粘土带正电性。
﹥Al-OH + H+
﹥Al+ + H2O
在碱性或中性条件下：羟基与OH-反应，粘土带负电性。
Байду номын сангаас
﹥Al-OH + OH-
﹥Al-O- + H2O
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任务一：带电性
（3）吸附
物理吸附，氢键，分力子等 分类 化学吸附，化学键力
离子交换吸附，离子换交
吸附负电性离子（OH-、SiO32-）：使粘土负电性增加 吸附正电性离子（NW-1）：使粘土负电性减少
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任务一：带电性
CEC：pH值等于7的水溶液中100g粘土中可被交换出来的阳离子电荷总数。 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。
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任务二：粘土矿物的水化机理 粘土矿物的水化机理
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任务二：粘土矿物的水化机理 概念：各种粘土只会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的程度不同而已，粘 土水化膨胀受三种力制约：表面水化力，渗透水化力和毛细管作用
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任务二：粘土矿物的水化机理
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任务二：粘土矿物的水化机理
蒙脱石、高岭石、伊利石相同点 共同点：都属于硅铝酸盐，其晶体形状都是层片状的，层与层之间靠-Si-O....Al-O间的
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前言
（1）粘土矿物：细分散的（≤2μm）含水的铝硅酸盐类矿物的总称，
可进一步分为晶质（具有晶体结构的）和非晶质，自然界中所见到的粘
粘
土矿物绝大多数是晶质的。
土
（2）粘土：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为主的（≥50%）沉积物。
（3）粘土岩（俗称：泥页岩）：粘土矿物经沉积、固结成岩作用后成 为粘土岩。
(1)永久电荷 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所取代 （置换），但晶体结构不变的现象。 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，一般情况下粘土带负电。 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，因此层面电 荷密度不同，水化难易程度不同。
氢键或范德华力相连接。在无水（干燥）情况下，层间距离很小（大约1微米左 右），而在有水的情况下，层间会吸附和填充大量的水，层间距离可能增加到2— 3微米，而且在粘土分子的作用下，水分子被解离成H+正离子和OH-负离子，分别 吸附到粘土的晶体平面（一般呈负电性）上和端面（一般呈正电性）上，这时的 粘土就成为“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。
顶氧
底氧
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任务一：粘土矿物的晶体结构 一、粘土矿物的两种基本构造单元
硅氧面体晶片：指硅氧四面体网络。 硅氧四面体网络由硅氧四面体通过 相临的氧原子连接而成，其立体结 构见右图。
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任务一：粘土矿物的晶体结构
一、粘土矿物的两种基本构造单元 2、铝氧八面体与铝氧八面体晶片
铝氧八面体：六个顶点为氢氧 原子团，铝、铁或镁原子居 于八面体中央(如右图所示)。
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任务二：粘土矿物的水化机理
蒙脱石、高岭石、伊利石不相同点 高岭石： Bitmap Bitmap Al4[Si4O10]·(OH)8 晶体属三斜晶系的层状结构硅酸盐矿物。
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任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造 （3）伊利石 伊利石晶体结构示意图
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任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造
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任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造 一般情况下，随着地层深度的增加，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，以剥落掉块、坍塌为主。
矿物名称 高岭石 蒙脱石 伊利石
CEC 3-15 70-150 20-40
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？
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任务一：阳离子交换量 阳离子交换容量（C.E.C, cation exchange capacity)
定义：分散介质pH=7时，100g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）。 C.E.C可用来表示粘土在水中带电性的多少，它与粘土的水化分散、吸附等 性质密切相关。