第三章 粘土知识与配浆!!!

第三章粘土知识与配浆

第一节粘土矿物的分类及主要性质

一、粘土矿物的分类及主要特点

粘土矿物按结构不同，可分为高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、海泡石族和混合晶层粘土矿物。

1、高岭石

表面呈电中性，层间结构紧密，性能较稳定，不易分散。为非膨胀型粘土矿物。水化能力差，造浆性能不好，一般不作配浆土使用。

2、蒙脱石

层间结构，表面带负电，为膨胀型粘土矿物。根据交换性阳离子的不同，可分为钠蒙脱石、钙蒙脱石、镁蒙脱石和铵蒙脱石（简称为钠土、钙土、镁土和铵土）等。

3、伊利石

也称水云母，是最丰富的粘土矿物，存在于所有的沉积年代中，在古生代沉积物中占优势。表面带负电，非膨胀型粘土矿物。水化作用仅限于粘土矿物表面。

4、绿泥石

通常绿泥石无层间水，而某些降解的绿泥石中有某种层间水和晶格膨胀，在古生代沉积物中含量丰富。

5、海泡石族

俗称抗盐粘土，包括海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石（又名山软木）。纤维状结构，具有较大的内表面，水分子可以进入内部孔道，在淡水和盐水中均易水化膨胀，热稳定性好。

6、混合晶层粘土矿物

混合晶层粘土矿物比单一粘土矿物更易分散、易膨胀，特别是其中有一种成分有膨胀性时，更是如此。

二、粘土矿物的主要性质

1、粘土的吸附作用

吸附作用是粘土的主要性质之一。什么是吸附作用呢？吸附作用是指一种物质吸附于另一种物质的过程。被吸附的物质为吸附质，可以吸附其它物质的物质称为吸附剂。如粘土吸附了聚丙烯酰胺分子，则聚丙烯酰胺分子为吸附质，粘土为吸附剂。吸附现象在钻井液中是无时无刻不存在的。

（1）物理吸附

其吸附作用是由于分子间范德华引力产生的，吸附以后吸附剂不生变化，这种作用称

为物理吸附。物理吸附与物质的分散度有关，分散度超高，吸附现象就越明显、越激烈。

（2）化学吸附――离子交换吸附

粘土颗粒表面吸附的离子与周围介质中的离子之间所发生的当量交换作用，使粘土的性质发生了改变，这种吸附作用就叫化学吸附，也称为离子交换吸附。这种交换吸附反应是是可逆的。粘土颗粒表面的离子可以象水溶液中的离子一样，继续发生交换。离子交换反应可以在水溶液中发生，也可以发生在非水溶液中。

粘土矿物离子交换的能力，以每克或每100克粘土矿物所吸附的可交换离子的毫摩尔数来衡量，称为离子交换容量（CEC）。由于粘土矿物的性质在很大程度上依赖于它所吸附的交换性阳离子，因此有关阳离子的交换反应最为普遍和重要。

影响阳离子交换反应的因素有很多，与粘土矿物种类和颗粒的大小、阳离子大小、浓度、价数及其在晶体构造中的位置、阴离子的性质和浓度、介质的pH值和温度等有关。

通常高岭石的反应最快，蒙脱石和凹凸棒石较慢，伊利石最慢。

温度升高可使交换反应速度稍微加快，但加热会使交换容量降低。高岭石、伊利石的阳离子交换容量随颗粒变细而增加石；颗粒的大小对蒙脱石的阳离子交换容量影响不大，研磨可使蒙脱石颗粒变细，阳离子交换容量稍有增加，但长时间的研磨容易引起晶格破坏，交换容量反而降低。

吸附态的阳离子可以部分电离，电离率大的离子交换性强，一般二价离子比一价离子的电离率小，交换能力差。

阳离子交换反应符合质量作用定律，增加代换离子的浓度，可使交换反应顺利进行；pH 值升高，阳离子交换能力增大。常见的阳离子交换顺序为：Li+

2、吸附水的性质

粘土矿物的表面能吸附水，它吸附的阳离子也多以水合阳离子的形式存在。水的吸附与粘土矿物的性质、可交换阳离子的类型与温度等因素有关。

在粘土颗粒表面，水分子呈现出高度的定向排列，其有序的程度是由里向外递减。水在粘土矿物上吸附时会放出吸附热。

3、粘土矿物的水化膨胀性质

不同的粘土矿物具有不同的膨胀性。根据粘土在水化条件下的膨胀性，可将它们大致分为膨胀型粘土和非膨胀型粘土。高岭石在水化时，只有少许膨胀或不膨胀，属于非膨胀型粘土；钠蒙脱石则相反，在水中的膨胀体积可达干土体积的许多倍，钙蒙脱石和镁蒙脱石具有中等的膨胀性，属于膨胀型粘土。伊利石较为复杂，有些不具有膨胀性，有些则具有膨胀性，

中原油田复杂层中所含的伊利石就具有一定的膨胀性。

4、粘土矿物受热后的性质

粘土矿物中的水分，按其存在状态可分为结晶水、吸附水和自由水三种类型。

结晶水：是粘土结晶构造中的水。一般温度升高到300℃以上时，这部分水才能被释放出来。

吸附水：在分子间力和静电引力作用下，具有极性的水分子定向排列在粘土颗粒表面，在粘土颗粒周围形成一层水化膜。这部分水随着粘土颗粒一起运动，所以也称束缚水。加热在200℃左右基本上能够去除。

自由水：这部分水存在于粘土的孔隙或通道中，不受粘土的束缚，在重力作用下可以在粘土颗粒间自由运动。将粘土风干或稍微加热即可除去。

高岭石在400－600℃时失去结晶水，结构被破坏；伊利石在100－200℃失去吸附水，550－650℃失去结晶水，850－950℃继续失去结晶水，晶格被破坏；蒙脱石在100－300℃失去吸附水，在550－750℃失去结晶水，900－1000℃晶格被破坏。

5、粘土矿物与有机化合物间的反应

粘土矿物能够吸附某些有机化合物和高分子化合物。有机化合物与粘土矿物的结合方式很多，但归纳起来不外乎静电引力和范德华力两种。

（1）静电引力

①阳离子键合

一般粘土矿物的表面带有负电荷，通过吸附有机阳离子以中和其电性，这些阳离子是可以交换的。反应如下式：

RNH3+＋M+-粘土RNH3+- 粘土＋M＋

RNH3+是有机阳离子，伯胺、仲胺、叔胺对粘土的亲合力依次增加。有机阳离子吸附在粘土颗粒带负电的表面上，取代了原来存在于粘土表面的无机阳离子，这种反应是定量进行的。胺基牢牢地吸附在粘土表面上，碳氢链也附在粘土表面上。交换吸附完成后，粘土复合体表面基本为碳氢链所覆盖，发生润湿反转，粘土由亲水变为亲油，粘土悬浮体破坏，复合体沉淀；继续加入季铵盐，粘土重新胶溶，其电位变为正的，钻井液体系转变由负电为正电钻井液体系，这时粘土的亲油性降低。

有机阳离子的吸附通常不受粘土阳离子交换容量的限制，有机阳离子可以在粘土表面成层吸附，交换吸附后，还可以发生物理吸附。

②阴离子键合

粘土颗粒表面一般是排斥阴离子的，但粘土颗粒边缘断键处可能带正电，因此能够吸附