粘土的水化膨胀作用和粘土胶体化学..
泥浆工艺原理复习资料 (自动保存的)
《泥浆工艺原理》复习资料第一章——钻井液概论1.钻井液：指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。
钻井液功用：（1）携带和悬浮岩屑（2）稳定井壁和平衡地层压力（3）冷却和润滑钻头、钻具（4）传递水动力。
2.密度（1）低密度活性固相（粘土）：2.2g cm-3 2.3g cm-3（2）低密度惰性固相（钻屑）：2.5 g cm-3 2.7 g cm-3(平均：=2.6g cm-3)（3）钻井液密度低密度：g cm-3中高密度：1.8 g cm-3 2.5g cm-3高密度：2.5g cm-3 3.0 g cm-3超高密度： 3.0 g cm-3（4）加重材料API重晶石：=4.2 g cm-3石灰石粉：2.7g cm-3 2.9 g cm-3铁矿粉：4.9 g cm-3 5.3 g cm-3钛铁矿粉：4.5 g cm-3 5.1 g cm-3方铅矿：7.4 g cm-37.7 g cm-3（5）无机处理剂纯碱：2.5 g cm-3烧碱:2.0—2.2 g cm-33.钻井液密度作用（1）稳定井壁，防井塌。
（2）实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机械钻速。
（3）平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地层流体污染。
（4）钻开油气层，合理选择钻井液密度，减少钻井液对产层的伤害。
4.实际应用中，大多数钻井液pH控制在8—11之间，维持一个较弱的碱性环境。
酚酞变色点：pH=8.3左右；甲基橙变色点：pH=4.3左右。
常温下：10%Na2CO3(aq) pH=11.1；Ca(OH)2(饱和aq) pH=12.1 ；10%NaOH(aq) pH=12.9；5. 钻井液组成①分散介质+分散相+化学处理剂②连续相+不连续相③液相+固相+化学处理剂6.钻井液含砂量：钻井液中不能通过200目筛的砂粒体积占钻井液体积的百分数。
一般砂含. 【即粒径74的砂粒占钻井液总体积的百分数】第二章——粘土矿物和粘土胶体化学基础1.相：物质物理化学性质完全相同的均匀部分。
第八章胶体化学(粘土——水系统)
第八章胶体化学( 粘土——水系统)教学要求：1. 明确胶体的概念及胶粒的粒径范围。
明确憎液溶胶的主要特征。
2. 明确胶体的光学性质（丁达尔效应）、动力性质（布朗运动、扩散、沉降）。
3. 熟悉溶胶的电学性质（电泳、电渗），理解胶粒带电的原因。
4. 明确扩散双电层理论，能根据胶体制备条件写出胶团的结构式。
5. 掌握憎液溶胶的稳定和聚沉的原因，了解电解质及其他因素对溶胶稳定性的影响。
6. 清楚聚沉值、聚沉能力、价数规则的含义，能判断电解质聚沉能力的大小。
7. 了解粘土胶体结构的带电原因，及影响其阴、阳离子交换能力大小的因素。
8. 明确影响粘土泥浆流动性、稳定性、触变性、可塑性的因素。
教学重点难点：1．明确胶体分散系统的分类、性质及稳定因素，熟悉胶体的基本理论。
2．重点掌握粘土-水系统的胶体的特性，明确其带电原因、电学性质、胶团结构。
明确粘土-水系统的其胶体性质（流动性、稳定性、触变性、可塑性）。
胶体化学部分省略粘土——水系统1粘土的荷电性（1）负电荷：①粘土晶格内离子的同晶置换，硅氧四面体中Si4+被Al3+所转换，或铝氧八面体中三价的铝被二价镁、铁所置换。
蒙脱石：2：1型，二八面，层间水，高岭石：1：1型，二八体，无层间水高岭石中破键,少量同晶置换，③吸附在表面的腐殖质离解而产生。
（2）两性电荷①高岭石在酸性或中性及弱碱性条件下，带正电荷。
②高岭石在强碱性条件下，OH基中H解离，使得边面带负电荷。
2 粘土的离子吸附与交换粘土由于同晶置换，破键和吸附腐殖质的离解使得粘土带负电。
（1）吸附：介质中的阳离子。
H+饱和是纯粘土；Na+饱和是Na粘土；自然界中大量存在是Ca2+。
离子被吸附的难易程度取决于离子的电价及水化半径，电价升高，易被吸附，同价阳离子+>K+>Na+>Li+水化半径越小，越被吸附。
其顺序 H+>Al3+>Ba2+Sr2+>Ca2+>Mg2+NH4（2）离子交换：由于各种阳离子的被吸附能力不同，因而已被吸附在粘土颗粒上的阳离子，就可能被吸附能力更强的离子所置换。
第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础
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：
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石油工程学院
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(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。
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2-等无机阴离子或吸附有
OHSiO3 2-
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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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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。
5.4 黏土—水系统胶体化学
E
自由水 无定向 r增大、定向程度减小
3、阳离子水化：
粘土颗粒表面的交换性阳离子发生水化
带负电的Clay表面 吸附阳离子 交换性阳离子带电， 因此必然与水分子 发生作用 水化阳离子
Clay
E
r 水分子与粘粒或阳离子的作用
粘土蒙脱石表面 水化示意图
干蒙脱石暴露在水蒸汽 中时，水在晶层间凝结， 引起晶格膨胀，第一层吸 附能很高，以后的水层 吸附能迅速降低。 表面水为多层的，水分子 与粘土表面O以H键相连， 水分子彼此也通过H键连 接为六角环，以后的水层 照此继续，H键强度逐渐 减弱，直至被热运动抵消。
想流体，又称为牛顿型流体。
D 牛顿型
0 合物溶液
F
理想流体的实例 ：水、甘油、低分子量化
阳离子吸附在板面 及棱边上进行
２、粘土的阴离子吸附与交换 由于粘土棱边带两性电荷，
一定条件下可以发生阴离子吸附 及交换
阴离子吸附的特点： (1) 阴离子吸附在棱边上进行 (2) 吸附量随pH增加而降低 (3) 若阴离子形状与粘土棱边结构相适
应则吸附牢固
阴离子吸附顺序：
OH－>CO32－>P2O74－>I－ > >Br－>Cl－>NO3－>F－>SO42－
(B)离子以等当量进行交换 (C)交换和吸附是可逆过程
(Ｄ)交换不影响粘土本身结构
（4）离子交换容量c e c： (Ａ) 定义为pH=7时，100g干黏土所 吸附离子的mg或mmol当量数来表示
由于阳离子交换容量通常代表了粘
土在一定 pH 条件下的净负电荷数，各 种粘土矿物交换容量数值相差巨大；
比如：高岭石：粒度越细，边面越
多，结合水量越大；而蒙脱石、蛭石 的结合水量与粒度关系不大
第二章黏性土物理化学性质资料
三种主要 黏土矿物的 结晶构造：
2:1的三 层晶格结 构
Si Si Al Al Si Si
钾离子
Si Si Al Al Si Si
高岭石 蒙脱石 伊利石
• 是云母在碱性介质中风化的产物。 • 与蒙脱石相似，由两层硅片夹一层铝
片所形成的三层结构，但晶层之间有 钾离子连结。
• 主要特征：连结强度弱于高岭石而高 于蒙脱石，其特征也介于两者之间。
强结合水 弱结合水 自由水
• 排列致密，密度在1.2~2.4g/cm3
• 冰点处于零下几十度
• 完全不能移动，具有固体的特性，
不能传递静水压力
• 具有很大的黏滞性、弹性和抗剪强度
• 温度略高于100°C时可蒸发
- 弱结合水：（扩散层）
• 受电场引力作用，为黏滞水膜
• 密度在1.0~1.7g/cm3
d
小 800m2/g
大 小 小 大
第三节 黏土颗粒的胶体化学性质
原因：黏土矿物的带电特性
黏土的电泳和电渗现象 (列依斯, 1807)
研究表明： 黏土颗粒的表面有电荷，
净电荷通常为负电荷。
电泳：在电场作用下，带有负 电荷的黏土颗粒向阳极移动 的电动现象
电渗：在电场作用下，水分子 及水化阳离子向阴极移动的 电动现象
价离子；同价离子中，半径小的交换能力小于半径 大的。常见离子交换能力顺序如下：
F e 3 A l 3 H 3 B a 2 C a 2 M g 2 K L i N a
扩散层水膜厚度对黏性土的工程性质有直接的影响，所以 在工程实践中可利用这一机理来改良土质，增加土的稳定性。
+
-
黏土粒
玻璃筒
水位 升高
黏土膏 黏土颗粒
《油田化学》名词解释总结及详细答案(word版可编辑修改)
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中国石油大学（北京)《油田化学》名词解释总结1。
相：体系中物理化学性质完全相同的均匀部分。
2。
界面：体系中相与相之间物理化学性质发生突变的交接面。
3.分散度：是某一相分散程度的量度，常用分散相颗粒（或液滴）的平均直径或长度的倒数来表示.4。
比表面：是物质分散程度的另一种量度，基数值等于全部分散相颗粒的总表面积与总质量或体积之比.S比=S/V，或S比=S/m（S代表总表面积，V代表总体积,m代表总质量)5。
表面张力：是引起液体表面收缩的单位长度上的收缩力,单位是牛顿/米，方向是平等于表面，垂直于液面的边缘。
6。
净吸力：液体表面分子受到液相分子的吸引力与气相分子吸引力之差，方向是指向液体内部。
7.接触角：是指通过气液固三相交点作液滴表面的切线与液固界面间的夹角θ。
8.沾湿：液体与固体接触时，将气-液界面与气固界面，转变为液-固界面的过程。
9.浸湿：指导固体浸入液体中，气-固界面转变为液—固界面的过程，而液体表面没有变化。
10.铺展：当液-固界面取代了气-固界面的同时，气-液界面也扩大了同样面积的过程。
11。
附加压力：由于表面张力的存在,而在弯曲液面上产生的附加的压力。
12.吸附作用：当气相或液相分子碰撞到固体表面上时，由于它们之间有相互作用力,使一些分子吸附在固体表面上，这种作用称为吸附作用。
粘土胶体化学
图1-2 铝氧八面体
第一章 粘土胶体化学基础
3）层状粘土矿物的分类
单位晶层：由硅氧四面体片与铝氧八面体片组成的在C轴方向上能重复再现的最小单位，称单位晶层或基本结构层，也称单位晶胞。
四面体片和八面体片对称性相似(都是六角对称的)，六角环大小相等，他们可以共用顶角氧原子而连接起来，组成层状粘土矿物的晶层，晶层在C轴方向上的有序排列就构成层状粘土矿物。
分子与离子分散 体系（溶液）
＜1 nm
颗粒能通过滤纸，扩散很快，能渗析，显微镜和超显微镜下都看不见
表1-1按颗粒大小分类的分散体系
根据分类依据，不同聚集状态分散相的颗粒大小在1～100nm之间，则在不同状态的分散介质中均可形成胶体体系。气-气除外的其它分散体系均可形成胶体体系，如表1-2
第一章 粘土胶体化学基础
第一章 粘土胶体化学基础
2、常见粘土矿物
1）高岭石 高岭石是1:1型的层状粘土矿物，其晶体构造见图1-3。晶层面一层是氧，另一层是氢氧原子团。Å2。
图高岭石晶体结构示意图
第一章 粘土胶体化学基础
C轴间距：晶层中某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离，单位为Å
晶格取代：占据晶格点阵位置的原子或离子被其它原子或离子取代而晶格点阵保持不变的现象。通常指硅氧四面体中的硅、铝氧八面体中的铝被其它原子（通常为低一价的金属原子）取代，如四面体中的Si4+被Al3+取代，八面体中的Al3+被Mg2+取代。
1:1型：一片四面体片和一片八面体片通过共用顶氧形成晶层, 它有五层原子面（一层硅、一层铝、三层氧（或羟基）面）如高岭石。 2:1型：两片四面体片和一片八面体片形成晶层,它有七层原子面，如叶腊石、蒙脱石。 2:1:1型：2:1型的晶层再结合一片水镁石片(三八面体)形成晶层，如绿泥石。
130307第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础(40学时课件)
在碱性或中性条件下：羟基与OH-反应，粘土带负电性。 ﹥Al-OH + OH﹥Al-O- + H2O
3、吸附
分类
力等 物理吸附，氢键，分子 化学吸附，化学键力 离子交换吸附，离子交 换
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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传感器
法水化应力，即体积保持
不变时，泥页岩水化所产 生的应力效应。
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（5）粘土矿物水化膨胀的影响因素
a. 粘土的带电量，增加，膨胀性增大
b. 粘土矿物种类，蒙脱石>伊利石>高岭石
c. 粘土矿物补偿（可交换）阳离子种类有关，如钙土（Ca2+）晶层间距 最大可达1.7nm，而钠土（Na+）晶层间距可达4nm。 d. 溶液中的离子浓度，离子浓度增加，严重压缩双电层 结果：
D、C.E.C 大（70-130 mmol/100g土)
Ｅ、造浆率高（钻井液配浆的主要原材料）
◆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，水化阳离子给粘土带来厚的
水化膜，使蒙脱石水化膨胀。
（3）伊利石 ①伊利石晶体结构示意图
性（化学组成、晶体构造）、分散度（蒙脱石影响较小，
高岭石较大—裸露氢氧根数量）、pH环境（碱性环境增
加CEC）等密切相关。
（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
粘土-水系统胶体化学
3）粘土的阳离子交换序排列： 根据离子的电价及离子水化半径
H+＞Al3+＞Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Mg2+
离子半径变大 水化半径变大
＞ NH4+＞K+＞Na+＞Li+
离子半径变大
水化半径变大
三、粘土胶体的电动性质
• 1、粘土的胶团产生的原因 • （1）粘土颗粒表面上的氧和氢氧基与靠近 表面的水分子通过氢健而键合； • （2）粘土表面负电荷在粘土附近形成一个 静电场，使极性水分子成定向排列； • （3）水化阳离子被粘土表面负电荷吸引。
dx , 上式可写成:
dx
0 f D 0 称为宾汉流动黏度通常 称为表观黏度 当 D , 0
塑性流体：应力超过 一定值后，流体才开始流 动，并随着剪应力的增， 加物料由紊流变为层流， 发生牛顿型流动。如：泥 浆。 假塑性流体：这一 类流体的流动性类似塑性 流体，但没有屈服值。曲 线通过原点并凸向应力轴。 膨胀流动：这一类 型流体的流动曲线是假塑 性流体曲线的相反型。
热力学电位差Ψ
+ + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + ++ + + + + ++ + ++ + + + + +
-
热力学电位
粘土胶体的 ξ电位
ξ电位。
p点
第二章粘土矿物和粘土胶体化学基础
Li+<Na+<K+(NH4+)<Mg2+<Ca2+<Ba2+<Al3+<Fe3+<H+
c. 离子浓度 离子浓度越大交换能力越强
四、粘土的凝聚性
（1）概念：粘土矿物（颗粒）在水分散体系状态下，通 过不同的联结方式产生絮凝或聚结（集）的现象。
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。 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。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。
二、 粘土的水化膨胀性
(1)表面水化 ①定义：由粘土晶体表面直接吸附水分子和通过所吸附的 可交换性阳离子间接吸附水分子而导致的水化。 ②表面水化机理 直接水化：粘土表面上的H+和OH-通过氢键吸附水分子 间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子 (2) 渗透水化
D、CEC 大介于高岭石与蒙脱石之间（200-400mmol/kg)
☞蒙脱石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+来平衡，由于 蒙脱石取代位置主要在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。
2 粘土矿物带电量
CEC：pH值等于7的水溶液中1kg粘土中可被交换 出来的阳离子电荷总数。
钻井液复习题答案
第一章概述1．钻井液的定义钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质2．钻井液的主要应用领域有哪些？地质勘察钻探、石油天然气钻井、地下水等资源钻采、矿山钻掘工程、工程地质勘察、基础工程施工、地质灾害治理3．钻井液的基本功用是哪些？平衡地层压力、水力碎岩、冷却和润滑、携带、悬浮岩屑、形成泥饼、传递孔底信号、保护油气层4．钻井液的主要类型（按密度、分散介质、固相含量）？5．谈谈你对钻井液技术未来发展趋势的看法。
1、体系简单，成本低2、有效解决钻探钻井过程中的复杂技术问题，如井漏、井喷和井塌3、满足环保要求，如钻屑、废弃钻井液的处理4、保护油气层,提高采收率及油气井产量6．钻井液的循环方式有哪些？简要描述。
正循环、反循环、局部反循环7．以正循环为例，描述钻井液循环系统的组成。
泥浆池（箱）—— >泥浆泵——>高压胶管——>水龙头——>主动钻杆——>孔内钻杆——>孔底钻具——>上返环空——>地面循环槽—— >沉淀池、净化系统8．什么是钻井液循环阻力（循环压降）。
钻进过程中在泥浆循环系统中所产生的阻力损失。
9．影响钻井液循环阻力的因素有哪些？1、循环通道的长度，主要取决于钻孔的深度。
钻孔越深，压力损失越大。
2、循环液的流变性。
循环液的粘性越大，压力损失越大。
3、泵量或流速的大小。
泵量或流速越大，压力损失越大。
4、过流断面的截面积。
钻井口径越大（钻杆直径不变），压力损失越小。
第二章粘土胶体化学理论1．为什么说粘土与钻探（井）有十分密切的关系？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。
2．粘土矿物有哪两种基本的构造单元？1、硅氧四面体与硅氧四面体晶片2、铝氧八面体与铝氧八面体晶片3．什么叫“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，而晶体结构不变，产生过剩电荷的现象。
粘土的水化膨胀作用
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
手工粘土化学知识点总结
手工粘土化学知识点总结粘土的成分手工粘土是由多种成分混合而成的，主要包括粘土矿物、水和一些添加剂。
其中，粘土矿物是其主要成分，一般由硅酸盐矿物和氧化铝矿物组成。
这些矿物具有粘结性和吸水性，使得粘土成为一种易塑性的材料。
粘土还需要适量的水来调节其黏度和流动性，以便进行塑造和成型。
除此之外，为了增加粘土的柔韧性和强度，还需要添加一些粘结剂或增塑剂，如聚乙烯醇、石蜡等。
制作工艺制作手工粘土的过程可以分为采矿、粉碎、洗涤、干燥、破碎、研磨、混合、过筛、搅拌、成型等多个步骤。
在这些过程中，需要注意控制加工温度、湿度和混合比例，以保证粘土的质量和成型效果。
化学反应手工粘土在制作和加工过程中会发生一些化学反应，这些反应对最终的成型和性能都有一定的影响。
首先，当粘土和水混合在一起时，会发生一种称为水合作用的化学反应。
在这个过程中，水分子会进入粘土颗粒的间隙，与其表面的离子作用形成一层水合膜，从而使得粘土颗粒之间产生吸引力，增加了粘土的黏性和塑性。
其次，当粘土在干燥过程中失去水分时，会发生一种称为脱水作用的化学反应。
在这个过程中，水分子被蒸发，粘土颗粒之间的吸引力减弱，使得粘土变得硬化、干燥。
此外，除了包括水合作用和脱水作用外，粘土中还有一些物质在干燥和加热过程中可能发生化学变化，例如氧化铁的氧化还原反应、氧化铝的水合反应等。
总结手工粘土的制作和加工过程是一个复杂的化学过程，需要控制多种因素和参数来保证最终产品的质量。
通过了解粘土的成分、制作工艺和化学反应，不仅可以帮助我们更好地理解这种材料，还可以对我们的化学知识有所帮助。
希望本文能对大家有所帮助，谢谢！。
钻井液技术简答题1
1、什么是DLVO理论？其要点是什么？p50-51答：该理论是由四位科学家提出的关于静电稳定理论，是目前对胶体稳定性，以及电解质对胶体稳定性的影响解释比较完善的理论。
根据这一理论，溶胶粒子之间存在两种相反的作用力：吸力与斥力。
如果胶体颗粒在布朗运动中相互碰撞，吸力大于斥力，溶胶就聚积；反之，当斥力大于吸力时，粒子碰撞后又分开了，保持其分散状态。
2、常见粘土矿物有哪些？他们的晶体构造各有什么特点？p27-35答：粘土中常见的粘土矿物有三种：高岭石、蒙脱石、伊利石。
（1）高岭石单元晶层构造特征是1：1型（硅氧四面体：铝氧八面体），单元晶层一面为OH层，另一面为O层，而OH键具有强的极性，晶层与晶层之间容易形成氢键。
因而晶层之间连接紧密，故高岭石的分散度低且性能比较稳定，为非膨胀型粘土矿物，几乎无晶格取代现象。
（2）蒙脱石单元晶层构造特征是2：1型，它由于晶格取代作用而带电荷，晶层上下面皆为氧原子，各晶层之间以分子间力连接，连接力弱，水分子易进入晶层之间，引起晶格膨胀，为膨胀型粘土矿物。
由于晶格取代作用，蒙脱石带有较多的负电荷，于是吸附等电量的阳离子。
（3）伊利石单元晶层构造特征是2：1型，晶格取代作用多发生在四面体中，铝原子取代四面体的硅，它的晶格不易膨胀，水不易进入晶层之间，由于它的负电荷主要产生在四面体晶片，离晶层表面近，K+与晶层的负电荷之间的静电引力比氢键强，水也不易进入晶层间，另外K+的大小刚好嵌入相邻的晶层间的氧原子网格形成的空穴中，起到连接作用，通常非常牢固。
3、什么叫粘土的阳离子交换容量？其大小与水化性能有何关系？与钻井液性能、井壁稳定又有何关系？答：粘土的阳离子交换容量是指在分散介质的PH值为7的条件下，粘土所能交换下来的阳离子总量，包括交换性盐基和交换性氢。
粘土矿物的阳离子交换容量越大，这种粘土矿物的水化作用就越强。
例如蒙脱石阳离子交换容量最大，水化能力最强，属于膨胀性粘土矿物，适合作为配浆材料，当钻遇含蒙脱石含量高的地层时水化的地层土易造成钻井液粘切升高，固相含量上升；而高岭石阳离子交换容量比较小为非膨胀型粘土矿物，水化能力差，造浆能力差，在钻井过程中易剥落掉快，注意井壁稳定；伊利石阳离子交换容量介于前面两者之间，其水化程度不如蒙脱石，在含有伊利石的地层钻进时也易剥落掉快需采用抑制粘土分散的钻井液体系。
粘土胶体化学基础
伊利石的晶格不易膨胀，水分子不易进入晶层间，也不是 配制钻井液的好材料。
粘土矿物的晶格构造和特点
氢氧
铝
二、主要粘土矿物的晶体构造和特点
1.粘土矿物的两种基本构造单元
（3）晶片的结合
四面体片和八面体片沿C轴按一定比例相互重合，通过共用氧原子连接形成电中 性的统一结构层，即晶层。许多单位晶层在C轴方向上按一定距离反复重合而构成 晶体。能代表晶体性质的单位层内最小物质组合叫单位晶胞。常以a、b轴范围表示 其大小。某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离叫C轴间距，如图所示。
—— 硅原子 —— 氧原子
Si~O距离：1.61埃。
二、主要粘土矿物的晶体构造和特点
（1）硅氧四面体与硅氧四面体片
单个四面体与若干个相邻四面体通过底氧相连，构成平面连 续的四面体晶格，此即硅氧四面体片。如图所示。 四面体片所有基底氧排列在同一个平面上，所有顶端氧在另 一个平面上，平面投影形成正六角形的三层空心六角环网格。由 于四面体片含有负电荷，所以，在实际矿物结构中，四面体片在 粘土中不能独立存在，仅能以与阳离子和附加氧离子结合的形式 存在。
2）膨润土的特性与作用 形状和尺寸(片状、小于2-5微米) 表面电荷与水化性能 在钻井液中的状态（分散、絮凝、聚结） 在钻井液中的作用（悬浮能力）
§2）膨润土的的特性与作用
粘土(Clay): 小于2-5微米，具有塑性的矿物原料。 粘土矿物: 构成粘土的主体矿物。大都具有晶体本性， 其化学成份是含水（镁）硅酸盐。 粘土矿物的结构：层状（二层、三层、混层）；链状 （纤维状）。 膨润土 (Bentonite) ：主要成分为蒙脱石的粘土矿物。 蒙脱石(Montmorillonite) ：三层(2:1)型粘土矿物， 因只有范氏力层间引力弱，表面吸附能力强，易水化 膨胀和分散。
钻井液工艺技术复习题及答案
《钻井液工艺技术》复习题适用班级：10钻井—1、2、3、4、5班绪论一、选择题：1．下列不属于钻井液组成的是（）dA、分散介质B、分散相C、各种化学处理剂D、各种有用的物质2．一般钻井液属于（）cA、分子分散系B、胶体分散系C、粗分散体系D、全不是3．钻井液按其中流体介质不同可分为多种，不属于此分类系统的是（）d A、水基钻井液 B、油基钻井液 C、合成基钻井液 D、加重钻井液4．下列不属于气体型钻井流体特点的是（）bA、密度低B、有很强的抑制性和抗盐、钙污染的能力C、钻速快D、能有效防止井漏等复杂情况的发生5．钻井液的功用中不包括（）aA、控制在碱性条件下，使某些化学反应进行得更顺利B、携带和悬浮岩屑C、稳定井壁D、平衡地层压力和岩石侧压力E、传递水动力F、冷却和润滑作用G、获取地下信息6、钻井施工对钻井液性能的要求中不包括（）cA、必须与所钻遇的油气层相配伍B、必须有利于地层测试C、必须是单项体系D、必须对钻井人员和环境不产生伤害和污染7．下列说法错误的是（）aA、为了节省成本，尽可能采用自然造浆B、聚合物不分散钻井液产生于20世纪70年代C、新的钻井技术的不断出现，大大推动了钻井液技术的快速发展。
D、欠平衡钻井液技术是钻井液应用技术的发展方向之一二、判断题1.钻井液由分散介质（连续相）、分散相和化学处理剂组成的分散系。
（）a2.胶体分散系目测是澄清均匀的，但实际是多相不均匀体系。
（）a3.钻井液按固相含量不同可分为：低固相钻井液、基本不含固相钻井液。
（）a2+和分散剂的油基钻井液。
（Ca ）b 4.钙处理钻井液是指含有一定浓度5.气体型钻井流体是以空气或天然气为流体介质或分散有气体的钻井流体。
（）a6.钻井液必须与所钻遇的油气层相配伍，满足保护油气层的要求（）a7.钻井液是“钻井的血液”。
（）a三、填空题*1．钻井液工艺技术是油气钻井工程的重要组成部分。
是实现健康、安全、快速、高效钻井及保护油气层、提高油气产量的重要保证。
钻井液
钻井液1前言钻井液是安全、快速、低成本钻井的前提条件。
它是粘土以小颗粒状分散在水中所溶胶—悬浮体。
粘土颗粒大小不一，多数是悬浮体范围（0.1微米以上），少数在溶胶范围（1-100毫微米），属多级分散体系。
为使钻井液满足钻井工艺的各种要求，需要加入各种化学处理剂，以及加重材料。
1．1钻井液类型为了满足钻井的各种要求，研究和开发了各种类型的钻井液。
常用的钻井液类型有：1．1．1液体类1、水基钻井液水基钻井液以水为分散介质，基本组分是水、粘土和化学剂。
这种钻井液发展最早，使用也最广泛，这类钻井液又分以下几种：（1）淡水钻井液。
含盐量少于1%，含钙量少于120毫克/升；（2）盐水泥浆。
含盐量大于1%，包括盐水泥浆、饱和盐水泥浆及海水泥浆等。
主要用于海上钻井、钻岩盐层和易垮塌的泥岩地层等；（3）钙处理泥浆。
含钙量大于120毫克/升，包括石灰泥浆、石膏泥浆和氯化钙泥浆。
主要特点是防塌性能好，抗可溶盐侵污能力强，性能稳定性好；（4）低固相泥浆。
粘土含量少于7%，不分散低固相泥浆粘土含量少于4%。
主要特点是流变性能好，钻速快，钻井成本低；（5）混油泥浆。
根据需要可在泥浆中加入原油或柴油，使油呈小珠分散的乳化状态。
主要特点是润滑和流动性好，失水低，摩擦系数小。
2、油基泥浆（1）油包水乳化泥浆。
以柴油或原油为分散介质，水及有机坂土或其他亲油粉末作为分散相，加乳化剂等配制而成的。
主要特点是热稳定好，防塌效果好，对油气层损害小，常用于超深井的高温井段，钻易坍塌地层和低压油气层；（2）水包油泥浆。
以水为分散介质，油为分散相，加入其他处理材料配置而成。
特点是对油气层污染小，抗污染能力强，耐高温等。
1．1．2混气液类1、泡沫泥浆。
在一般泥浆中加入泡沫发生剂或充入一定数量的惰性气体及稳定剂，即可配成泡沫泥浆。
主要特点是密度低，可用于低压油气钻井和完井，保护油气层；2、混气泥浆。
在泥浆中混入惰性气体及稳定剂。
其目的是降低泥浆密度，常用于低压钻井，防止油气层污染。
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(1)表面水化 ①定义：由粘土晶体表面直接吸附水分子和 通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分 子而导致的水化。 ②表面水化机理 直接水化：粘土表面上的H+和OH-通过氢键 吸附水分子 间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间 接吸附水分子 。
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。
LG植物胶对泥页岩水化膨胀有较强的抑制作 用，在基浆中加入2％的LG植物胶后，其相对 膨胀率只有19.80％。
5.影响粘土水化的因素
粘土矿物本身的特性 交换性阳离子的种类
水溶液中电解质的浓度
(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（ 2:1 ），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（ 2:1）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ห้องสมุดไป่ตู้（ 1:1）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 Ǻ ，而交换性阳离子为 Ca2+ 的钙蒙脱石
，水化时晶胞间距只有17 Ǻ。
(3). 水溶液中电解质的浓度和有机处理剂含量
(2)渗透水化
当粘土层面间的距离超过10 Ǻ时，表面吸附 能量已经不是主要的了，此后粘土的继续膨 胀是由渗透压力和双电层斥力所引起的。 随着水分子进入粘土晶层间，粘土表面吸附 的阳离子便水化而扩散到水中，形成扩散双 电层，由此，层间的双电层斥力便逐渐起主 导作用而引起粘土层间距进一步扩大。 扩散双电层理论（粘土胶体化学最重要的理 论之一）。
粘土的水化膨胀作用
蔡记华
上次课主要讲授内容
粘土矿物的晶体构造
粘土矿物基本构造单元 常见粘土矿物的晶体构造 造浆粘土的选用
粘土的性质
本次课主要讲授内容
粘土的水化膨胀作用
粘土-水界面的扩散双电层 粘土在水中的分散状态
泥浆的稳定性
一、粘土的水化膨胀作用
1、定义
粘土吸水后体积增大的性质。
其次粘土层间吸附有众多的阳离子，层间的离子浓度远 大于溶液内部的浓度。由于浓度差的存在，粘土层可看 成是一个渗透膜，在渗透压力作用下水分子便继续进入 粘土层间，引起粘土的进一步膨胀。由渗透水化而引起 的膨胀可使粘土层间距达到120Ǻ。 增加溶液的含盐量，由于浓度差减小，粘土膨胀的层间 距便缩小，这也是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀的原理。 粘土水化膨胀达到平衡距离（层间距大约为 120Ǻ ）的 情况下，在剪切力作用下晶胞便分离，粘土分散在水中 ，形成粘土悬浮液。
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。 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。
二、粘土-水界面的扩散双电层 （扩散双电层理论）
为了更加深入地揭示粘土水化、分散、 造浆的本质，掌握泥浆性能调节的基本 胶体化学原理，引入扩散双电层理论对 粘土-水界面的行为机理进行分析。
扩散双电层的形成
滑动面
+
吸附的可交换阳离子解离， 形成扩散双电层，产生负电 性，晶层间相互排斥，间距 增大，表现出膨胀性。
水
膨胀后分散
4.水化膨胀的评价方法
评价方法：吸水量法和膨胀量法 （1）吸水量法 吸水量：总吸水量，单位重量土吸附水的总量（重量或 质量）； 比亲水量：单位表面积吸水量(相当于表面水化膜厚度)
由于分子间引力和静电引力，具有极性的水 分子可以吸附到带电的粘土表面上，在粘土 颗粒周围形成一层水化膜，这部分水可以随 粘土颗粒一起运动，所以也称为束缚水。
（3）自由水
这部分水存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中， 不受粘土的束缚，可以自由的运动。
3、粘土水化膨胀的过程 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。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。
（一）双电层成因与结构
由于粘土颗粒在碱性水溶液中带 负电荷（在端部则多数带正电荷 ），必然要吸附与粘土颗粒带电 符号相反的离子——阳离子到粘 土颗粒表面附近（界面上的浓集 ），形成粘土颗粒表面的一层负 电荷与反离子的正电荷相对应的 电层，以保持电的中性（平衡） 。粘土颗粒吸附阳离子使阳离子 在粘土颗粒表面浓集的同时，由 于分子热运动和浓度差，又引起 阳离子脱离界面的扩散运动，粘 土颗粒对阳离子的吸附及阳离子 的扩散运动两者共同作用的结果 ，在粘土颗粒与水的界面周围阳 离子呈扩散状态分布，即形成扩 散双电层。
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
这种水是粘土矿物晶体构造的一部分，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。 （2）吸附水
泥页岩比亲水量界面物理化学含义示意图
(2)膨胀量法
膨胀量：单位重量粘土的膨胀体积（体积不受 限制），另外一种表示方法水化应力，即体积保 持不变时，泥页岩水化所产生的应力效应
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传感器
膨胀 量测 定仪
实例
采用NP-02型智能型页岩膨胀测试仪，以10％ KCl为基本的参考标准，测量在不同LG植物 胶加量时的页岩的相对膨胀率。