1概论、粘土胶体化学
关于胶体化学的几个基本概念
一、概述1．关于胶体化学的几个基本概念(1）相和相界面相是指那些物质的物理性质和化学性质都完全相同的均匀部分。
体系中有两个或两个以上的相，称为多相体。
相与相之间的接触面称为相接面。
(2) 分散相与分散介质在多相分散体系中，被分散的物质叫做分散相。
包围分散相的另一相，称为分散介质。
例如，水基钻井液中，粘土颗粒分散在水中，粘土为分散相，水为分散介质。
(3)分散度和比表面分散度是某一分散程度的量度，通常用分散相颗粒平均直径或长度的倒数来表示。
如果用D表示分散度，用a表示颗粒的平均直径或长度，则分散度可表示为D＝1／a。
比表面是物质分散度的另一种量度，其数值等于全部分散相颗粒的总面积与总质量(或总体积)之比。
如果用S代表总表面积，用V表示总体积，用m表示总质量，则比表面可表示为：＝S／V (m-1) (2-2)S比或 S＝S／m (m-1／kg) (2-3)比物质的颗粒愈小，分散度愈高，比表面愈大，界面能与界面性质就会发生惊人的变化。
所有颗粒分散体系的共性是具有极大的比表(界)面。
按分散度不同，可将分散体系分为细分散体系与粗分散体系。
胶体实际上是细分散体系，其分散相的比表面≥104 m2／kg，其颗粒长度在1 nm～1 μm 之间。
悬浮体则属于粗分散体系，其比表面大致不超过104m2／kg分散相的颗粒直径在1～40／μm之间。
钻井液是复杂的胶体分散体系。
水基钻井液基本上是溶胶和悬浮体的混合物，本书中统称为胶体分散体系。
(4)吸附作用物质在两相界面上自动浓集(界面浓度大于内部浓度)的现象，称为吸附。
被吸附的物质称为吸附质，吸附吸附质的物质称为吸附剂。
按吸附的作用力性质不同，可将吸附分为物理吸附和化学吸附两类。
仅由范德华引力引起的吸附，是物理吸附。
这类吸附一般无选择性，吸附热较小，容易脱附。
若吸附质与吸附剂之间的作用力为化学键力，这类吸附叫化学吸附。
化学吸附具有选择性，吸附热较大，不易脱附。
2．沉降与沉降平衡钻井液中的粘土粒子，在重力场的作用下会沉降。
《粘土胶体化学》课件
硅氧四面体：由一个硅原子和4个氧原子组成，硅位于正四面体中心(见图1-1)。由多个硅氧四面体在a、b两方向上有序排列组成四面体片。四面体片有如下特点 共有三个层面：两层氧原子和一层硅原子，上下两层氧原子均形成六角环(空心)； 在a、b两方向上无限延续。
图1-1 硅氧四面体
第一章 粘土胶体化学基础 （4学时）
第一节 胶体的概念和特征
第二节 常见粘土矿物及性质
第一节 胶体的概念和特征
油田化学研究的体系和过程十分复杂，绝大多数体系属于或涉及胶体分散体系。如原油其实是油和水的乳状液，可归为胶体，而油藏则是巨大而复杂的高度分散体系。原油开发涉及的钻井液、完井液、调剖堵水液、酸化液、压裂液及提高采收率的驱替液等等油田化学的工作液无不与胶体体系有关。
第一章 粘土胶体化学基础
2）具有高度分散性
胶体体系中，分散相颗粒分散得很细，即分散相的分散（程）度很高。
3）具有聚结不稳定性
胶体都是高度分散的多相体系，具有非常大的总表面积，相应地具有很高的总表面自由能，是热力学不稳定体系，体系表面自由能有自发减小的倾向，胶体体系中分散得很细的分散相微粒就有自动聚结（自动降低分散度）以缩小总表面积的趋势，这就是胶体的聚结不稳定性。
第一章 粘土胶体化学基础
进入二十一世纪，时代在前进，科技在进步，胶体化学也得到较大的发展，现代胶体化学的分支领域或主要研究内容列于表1-3。
第一章 粘土胶体化学基础
表1-3 现ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ胶体科学的研究内容
颗粒相互作用力理论
单分散、单一形状颗粒的形成 纳米颗粒的有序排列
纳米材料
分散体系
气溶胶理论 成核理论，DLVO与 HVO稳定理论 高聚物溶液理论 胶束理论 光吸收与光散射理论 理论与现象流变学
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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(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。
钻井液工艺技术考点
钻井液工艺技术考点绪论：钻井液定义、组成、分类；基本公用。
第一章：粘土矿物水化膨胀性的好坏，粘土的稳定性、连接方式。
第二章：定义；塑性粘度，动切力，表观粘度，静切力，剪切稀释性。
简述；钻井液流变性与钻井作业的关系第三章：钻井液的虑失和润滑性；定义：滤失，滤失量，滤失范围及合理的滤失量；测量API滤失量指标第四章：水基钻井液：1、细分散钻井液优缺点及使用2、盐水钻井液优缺点及使用3、MMH正电胶钻井液特点4、高温对粘土、处理剂、黏土及处理剂的影响5、聚合物的特点第五章：油基钻井液：组成，滤失量低的原因，活度平衡第六章：振动筛、旋流器工作特点第七章：井壁不稳的机理、井壁失稳的对策、堵漏剂、漏失的原因、堵漏方法。
绪论1、定义：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。
钻井液俗称钻井泥浆或泥浆。
2、钻井液的组成：钻井液是由分散介质，分散相和化学处理剂组成的分散体。
3、钻井液的分类：1）、按密度分非加重钻井液和加重钻井液。
2）、按其与粘土水化作用强度分非抑制性钻井液和抑制性钻井液。
3）、按其固相含量的多少分低固相含量和无固相含量。
4）、根据分散介质不同：水基钻井液、油基钻井液、气体性钻井液和合成基井液。
4、钻井液的基本功用1）、携带和悬浮岩屑2）、稳定井壁3）、平衡地层压力和岩石侧压力4）、冷却和润滑作用5）、传递水功率6）、获取地下信息第一章、粘土胶体化学基础一、粘土矿物水化膨胀的强弱1、高岭石：为非膨胀性粘土矿物，其水化性能差，造浆性能不好，最不容易发生水化膨胀。
2、蒙皂石：是膨胀型粘土矿物，其晶层表面包括内外表面都可以进行水化及阳离子交换，蒙皂石具有很大的比表面。
最容易发生水化膨胀。
3、伊利石：不易水化膨胀4、绿泥石：非膨胀性粘土矿物，不易发生水化膨胀。
5、海泡石族：膨胀型粘土矿物，具有较好的热稳定性，适用于配制深井钻井液，具有良好的抗盐稳定性。
6、混合晶层粘土矿物：最常见的为伊利石和蒙皂石混合层，简称依蒙混层，是膨胀型粘土矿物。
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
粘土化学基础2.28
吸力
溶胶粒子间的吸力本质上是范德 华引力，是胶体粒子中所有分子引力 的综合，与距离间的3次方成反比。因 此在离开颗粒表面100nm甚至更远距 离Байду номын сангаас起作用。
斥力
胶粒间的排斥力来源于两方面： 静电斥力和溶剂化膜（水化膜）斥力 静电斥力：扩散双电层引起。布朗运动会造成 胶体粒子沿着滑动面错开，使胶体带电。于是胶粒 间产生～。
Stern层：即为吸附溶剂化层。
滑动面：吸附溶剂化层与 外层错开的界面称为～。
电位的分类
ζ 电位：从吸附溶剂化层界面（滑动面）到均匀液相内的
电位称为电动电位（ζ 电位： ）。
电位
取决于固体表面的电荷与吸附溶剂化层内反离子
电荷之差。
Φ 电位：从固体表面到均匀液相内部的电位，称为热力学电位。
取决于固体表面所带的总电荷。
2、布朗运动
悬浮在液体或气体中的固体小颗粒，由 于受到液体（或气体）分子无规则的撞击 不平衡，固体小颗粒做的无规则运动叫布 朗运动。 它是微观分子热运动造成的宏观现象.
影响胶体稳定性的因素
3、介质粘度
固体颗粒的沉降符合Stokes定律 ：
聚结稳定性
静电稳定理论（DLVO理论） ：
其要点：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 结；反之，当斥力大于吸力时，粒子碰撞 后又分开，保持其分散状态。
胶体化学的基本概念
1、吸附作用（Absorption）
吸附：物质在两相界面上自动浓集的现象称为吸附。 分类：化学吸附和物理吸附
2、沉降与沉降平衡（Subsidence or Settlement）
在重力场的作用下，钻井液中的粘土粒子必会沉降，
无机材料科学基础-4-4-粘土—水系统胶体化学
质称为可塑性。
2、产生原因： 粘土颗粒间作用力 （1）吸力：范德华力、局部边－面静电引力、 毛细管力，作用范围 2nm。 （2）斥力：静电斥力（粘土颗粒间的ζ-电位）， 作用范围 20nm。 吸力和斥力平衡
3、影响因素：
（1）含水量的影响：
（2）电解质的影响：吸附阳离子的种类 （3）粘土矿物组成的影响： （4）颗粒大小和形状的影响： （5）泥料处理工艺的影响：
3）棚架结构（边－边分散）
2、泥浆的稀释与增稠
胶溶（稀释）：泥浆粘度显著降低，粘土 在水中充分分散。
絮凝（增稠）：泥浆中粘土颗粒相互聚集， 粘度升高。 泥浆胶溶的条件：
1）介质呈碱性；
2）必须有R＋交换粘土原来吸附离子 ；
3）阴离子的作用：形成络合物、聚合阴离子。
（三）泥浆的触变性与膨胀性
1、触变性
离子半径
不同的阳离子所饱和的粘土的电动电位
（3）影响电动电位的因素：
阳离子的电价、阳离子的浓度、粘土的矿物组成、电 解质阴离子的作用、粘土胶粒形状和大小、表面光滑程度 等。 （A）吸附阳离子对 -电位的影响
（B）电解质的浓度对 -电位的影响
（C）粘土内有机质对 -电位的影响
（C）粘土内有机质对 -电位的影响
（2）粘土表面负电荷在粘土表面附近存在一个静电场， 使极性水分子定向排列；
（3）粘土表面吸附着水化阳离子。
水在粘土周围随着距离增大结合力的减弱而分成 牢固结合水、疏松结合水和自由水。 粘土与这三种水结合的状态与数量将会影响粘土水系统的工艺性能。
影响粘土结合水量的因素有粘土矿物组成、粘土
分散度、粘土吸附阳离子种类等。
这一层不随粘土质点移动，而向负极移动。
c、电动电位：吸附层与扩散层相对移动时两者 之间的电位差（ -电位）
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。
《钻井液工艺学(修订版)》(鄢捷年)第二章粘土胶体化学基础
（1）K+离晶层表面近，相邻晶层与K+产生较强的静电引力，使 晶层间拉的较近；
（2）K+有特殊尺寸，刚好嵌入相邻晶层间硅氧四面体形成的空 穴中，增加了层间的结合力；
（3）K+被固定不参加交换，同时本身水化较弱。
伊利石对油层的潜在影响：
• 多是搭桥式，有很多的微细孔隙，产生强的吸水区，外 来液体侵入后易造成含水饱和度增加，使油的相对渗透率 下降；
✓ （3）晶片的结合－晶层 ✓ 1. 1：1型晶层
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物
2.1.2常见粘土矿物的结构 1.粘土矿物的两种基本构造单元
✓ （3）晶片的结合－晶层 ✓ 2. 2：1型晶层
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物
2.1.2常见粘土矿物的结构 2.高岭石的晶体构造：
2.1.2常见粘土矿物的结构 5.绿泥石对储层的影响
✓ 富含铁，具有酸敏性。 ✓ 酸化时被溶解，并释放铁离子。当酸耗尽时，会形成氢氧化
铁沉淀造成酸化失败。一般酸化后产量反而下降，在很大程 度上原因就在于此。
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.2 粘土矿物的性质
2.2.1带电性 1.电泳现象
✓ 将均匀的粘土水溶液放进容器中，插入正负电极，通直流电。 ✓ 现象：粘土颗粒向正极方向移动，最后正极周围聚集了很多
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物
2.1.2常见粘土矿物的结构 1.粘土矿物的两种基本构造单元
✓ （1）硅氧四面体 ✓ 硅氧四面体片
硅氧四面体片
D=0.28nm
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物
2.1.2常见粘土矿物的结构 1.粘土矿物的两种基本构造单元
钻井液技术
狭义胶体：胶体大小（三维中任一维尺寸在1100nm之间）的微粒分散在另一种连续介质中所 形成的分散体系。
广义胶体：包括粗分散体系（悬浮体、乳状液、 泡沫）；溶胶；高分子真溶液；缔合胶体。
学习本章的意义:
Keep the newly drilled wellbore open untill steel casing can be cemented in the hole.
Cool and lubricate the rotating drillstring and bit.
概论——钻井液不应具有
气体：用高速气体或天然气清除钻屑
概论——钻井液的组成
概论——钻井液技术发展概况
发展
水基钻井液
清水 分散钻井液 抑制性钻井液 不分散聚合物钻 井液
油基钻井液
原油 柴油为连续相钻井液 油包水乳化钻井液
预测
钻井液强化井壁技术 复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻井液技术 新型钻井液体系及其处理剂的研制与应用 废弃钻井液的处理技术 保护油气层的钻井液技术
晶层间靠微弱的分子间力连接，连接不紧密，水分 子容易进入两个晶层之间发生膨胀（全脱水时晶格 间距为9.6A，吸水后可达21.4A），水化分散性能 较好（造浆能力强），是配制泥浆的优质材料。
粘土矿物的晶格构造和特点
伊利石
伊利石的晶体构造和 蒙脱石相类似，不同 之点在于伊利石中硅 氧四面体中有较多的 硅被铝取代，因取代 所缺的正电荷由处在 相邻两个硅氧层之间 的K+补偿，因K+存在 于晶层之间并进入相 邻氧原子网格形成的 孔穴中，使各晶胞间 拉得较紧，水分不易 进入层间，因此它是 不易膨胀的粘土矿物 。
MY钻井液
• 广义钻井液:
一切有助于从井眼中产生和清除钻屑的流体。(drilling fluid)
• API定义:
用于钻井的具有各种各样功用以满足钻井工作需要的循 环流体
MENU
1.概述
• 钻井液工作流程
泥浆池 泥
浆
泥浆泵 净
化
高压管线
设 备
MENU
1.概述
• 钻井液的类型-API & IADC分类
• 钙处理钻井液(Calcium treated drilling fluids)
• 定义：体系中同时含有一定浓度的Ca2+ 和分散剂。 • 特点
• 抗盐、钙污染的能力强 • 抑制粘土的水化分散作用，控制页岩坍塌和井径扩大，减
少对油气层的损害
钻井液技术
Drilling Fluid
郭昭学
石油工程学院 油气井工程研究所 Tel：83032458
钻井液技术
• 1.概论 • 2.粘土矿物和粘土胶体化学基础 • 3.钻井液的工艺性能
• 钻井液的流变性 • 钻井液的滤失和造壁性 • 钻井液的其它性能
• 4.钻井液处理剂及原材料 • 5.钻井液体系 • 6.复杂情况处理
• 定义：以各种聚合物的钾（或铵、钙）盐和KCl为
主处理剂的防塌钻井液体系
• 特点
• 在各种无机盐中，以KCl抑制粘土水化的效果最好。聚
合物处理剂的存在使该钻井液体系具有聚合物钻井液的 各种优良特性。
• 在钻遇泥页岩地层时，具有理想的防塌效果。
MENU
1.概述
• 钻井液的类型-API & IADC分类
• 盐水钻井液(saltwater drilling fluid)
粘土的主要化学成分
粘土的主要化学成分黏土的主要成分是什么？黏土的主要成分是二氧化硅,还有氧化镁、碳酸钙和三氧化二铝。
它们的熔点都不很高,在大约900℃条件下,它们之间会部分进行化学反应,生成硅酸钙和硅酸铝,并融合在一起形成坚硬的陶。
粘土是什么东西1.粘土是粘性土，含砂粒少，水不易通过，可塑性好。
2.一般来说，粘土是硅酸盐矿物在地球表面风化后形成的。
一般是原地风化。
那些颗粒较大，成分接近原石的，称为原生粘土或原生粘土。
这种粘土主要由二氧化硅和氧化铝组成，白色，耐火，是制备瓷土的主要原料。
粘土的化学成分有哪些常见粘土的主要化学成分为sio2, al2o3， fe2o3, na2o,k2o,mgo,cao等，还有其他微量杂质。
粘土的主要化学成分 4铝硅酸盐的主要成分是氧化铝和二氧化硅。
粘土是一种粘性土，沙粒很少，由于水不容易通过，所以可塑性很好。
一般粘土是硅酸盐矿物在地球表面风化后形成的。
一般是原地风化。
那些颗粒较大，成分接近原石的，称为原生粘土或原生粘土。
这种粘土主要由二氧化硅和氧化铝组成，白色，耐火，是制备瓷土的主要原料。
形成原因：粘土一般是硅酸盐矿物在地球表面风化后形成的。
一般就地风化，称为原生粘土或颗粒较大，成分与以前的石头相似的原生粘土。
这种粘土主要由二氧化硅和氧化铝组成，颜色为白色，耐火。
它是制备瓷土的主要原料。
而粘土继续风化变年轻，然后靠流水和风迁移，在下游形成厚厚的一层粘土，称为次生粘土或次生粘土。
这种粘土污染大，含金属氧化物多，颜色深，耐火性低。
由于其良好的粘性和可塑性，是制备粘土的主要原料。
高岭土是以高岭石亚族矿物为主要成分的软质黏土。
主要由高岭石矿物组成。
自然界中，组成高岭土的矿物有黏土矿物和非黏土矿物两类。
颜色为白色，最高白度大于95%,硬度为1~4。
以上内容参考：百度百科-黏土成分黏土成分是什么？黏土的成分主要是硅酸盐矿物。
粘土是一种粘性土，沙粒很少，由于水不容易通过，所以可塑性很好。
一般粘土是硅酸盐矿物在地球表面风化后形成的。
粘土胶体化学基础—粘土颗粒遇水的作用
3、有机膨润土 有机膨润土是用季铵盐类阳离子表面活性剂与膨润土
进行离子交换反应制得。
带电膨润土与十二烷基三甲基溴化铵阳离子形成静电 吸附，带有较长烃链的活性剂分子被牢固吸附在黏土表 面，使黏土表面带有一层亲油层，由亲水变为亲油（润 湿反转），可以在油中分散。
项目二 粘土胶体化学基础
任务 03 粘土颗粒遇水的作用
用的加重材料必须磨得很细。
二、影响动力稳定性的因素
➢ 布朗运动（起重要作用）。颗粒半径越小，布朗 运动越剧烈，动力稳定性越好。当颗粒直径大于 约5μm时，就没有布朗运动了。
二、影响动力稳定性的因素
➢ 介质粘度。在液体介质中，固体颗粒下沉的速度 与介质粘度成反比，提高介质粘度可以提高动力 稳定性。 钻井液要求有适当的粘度，这是其重要原因之一。
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三、影响聚结稳定性的因素
感胶离子序：同价离子聚沉能力的次序。水化离子半径越小， 越易靠近胶体颗粒，聚沉能力越强。与水化离子半径从小到 大的次序大致相同，水化离子半径越小，越容易靠近胶体颗 粒，聚沉能力越强。
三、影响聚结稳定性的因素
同号离子：与胶粒所带电荷相同的离子。对胶体有稳定作用， 可降低反离子的聚沉能力。 相互聚沉：将两种带相反电荷的胶体相互混合，发生聚沉的 现象。一般说来，它们对胶体有一定稳定作用，可以降低反 离子的聚沉能力；若将两种带相反电荷的胶体相互混合，则 发生聚沉，这种现象叫做相互聚沉。
另外，水化膜中的水和体系中的自由水相比，有较高 的粘度，从而增加了胶体颗粒间的机械阻力。
三、影响聚结稳定性的因素
2.电解质对聚结稳定性的影响 外界因素很难改变吸引力的大小，改变分散介质中电解
质的浓度与价态则可显著影响胶粒之间的斥力。电解质浓度 ↗，则胶体颗粒电动电位↘，斥力↘。
泥浆材料检测与应用：粘土矿物的晶体构造
高岭石特点：为非膨胀型黏土矿物，水化性能 差，造浆性能不好。(钻井过程中，含高岭石的泥页 岩地层易发生剥蚀掉块，需重视)
晶格取代现象是指在晶体结构中某些原子或离子被其它化 合价不同的原子或离子取代而晶体骨架保持不变的作用。
石等
水云母族
伊利石、海绿石等
2:2
绿泥石族
各种绿泥石等
层链状结构
海泡石族
海泡石、凹凸棒石、 坡缕缟石等
2、黏土矿物的化学组成
黏土矿物名称
化学组成
SiO2:Al2O3
高岭石
2Al2O3 .4SiO2 .4H2O
2:1
蒙皂石
（Al2Mg3)(Si4O10)(OH)2.nH2O
4:1
伊利石
(K,Na,Ca)m(Al,Mg)3(Si,Al)8O20(OH) 4.nH2O
多还含有非晶质的胶体矿物。多数黏土颗粒的 粒径小于2μｍ，在水中有分散性、带电性、 离子交换性、水化性。（影响钻井液的配制、性
能及其维护、调整）
1、黏土矿物的分类（按单元晶结构特征分）
单元晶层构造特征 黏土矿物族
黏土矿物
1:1
高岭石族
高岭石、地开石、 珍珠陶土等
埃洛族
埃洛石等
2:1
蒙皂石族
蒙皂石、拜来石、 囊脱石、皂石、蛭
任务一 粘土矿物的晶体构造
在配制钻井液过程中，原材料的用量比较大， 其选择不当会对钻井液性能造成很不好的影响， 同时也会造成不必要的浪费。
钻井液原材料是指组成钻井液的基本组分， 如黏土、水、油、加重材料等。一、黏土 源自土主要是由黏土矿物（含水的铝硅酸盐）
粘性土的物理化学性质
粘性土的物理化学性质
2.2 黏土矿物颗粒的结晶结构
黏土矿物的结晶结构主要是由两个基本结构单元组成， 即：硅氧四面体和氢氧化铝八面体（也称三水铝石八面体）。
粘性土的物理化学性质
根据不同结晶格架，可形成很多种类的黏土矿物，硅氧四 面体和氢氧化铝八面体这两种基本单元以不同的比例组合，就 形成了不同类型的黏土矿物。土中常见的黏土矿物有高岭石、 伊利石、蒙脱石三大类。
3）离子交换
粘性土的物理化学性质
2.4 黏性土工程性质的利用和改良
2.4.1 电渗排水和电化学加固
在电场作用下，带有负电荷的黏土颗粒向阳极移动，这种
电动现象称为电泳；而水分子及水化阳离子向阴极移动，这种 电动现象称为电渗。
粘性土的物理化学性质
1）电渗排水
在渗透系数小于10-6cm/s的饱和软粘土地层中开挖基坑或 其它地下工程活动中，可以采用电渗排水的方法降低地下水位
23黏土颗粒的胶体化学性质?1边缘破键电荷的不平衡?2同晶替代?3水化解离作用?4选择性吸附231黏土颗粒表面带电的成因232双电层与扩散层的概念黏粒本身所带的电荷层称决定电位离子层向外首先是固定层其次为扩散层固定层与扩散层统称为反离子层
第二章 粘性土的物理化学性质
粘性土的物理化学性质
2.1 键力的基本概念
粘性土的物理化学性质
2.4.2 利用离子交换改良黏土的工程性质 当粘土中粘土颗粒主要由强亲水性的蒙脱石和伊利石所组
成时，这类土具有吸水膨胀和失水收缩的特性，称为膨胀土。
膨胀土在我国分布很广泛，主要是在广西、云南、贵州、 湖北、河北、河南、四川、安徽、陕西等地。呈区域性岛状分 布。国外主要在美国的中西部、非洲和南亚地区。 膨胀土病害对工程的危害十分严重。吸水后土的体积膨胀，
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（二）聚结稳定性及影响因素
1．聚结稳定性 ——分散相颗粒能克服自动聚结变大所 具有的稳定性。 2．影响聚结稳定性的因素 （1）阻碍粘土聚结的因素 Ⅰ.双电层斥力 Ⅱ.水化膜弹性变形斥力
Ⅰ.颗粒间的引力—各原子间的范德华力总和 Ⅱ.电解质的聚结作用 从上面分析可看出 引力：范德华力 斥力：双电层斥力，水化膜弹性斥力 引力>斥力 颗粒聚结 引力<斥力 颗粒分散具有聚结稳定性。 电解质加入后，使颗粒的水化膜变薄， ξ电位降 低，既双电层斥力和水化膜斥力减少，从而使引力大 于斥力，粘土颗粒发生聚结
平表面双电层
负电性
端面双电层
正或负电性
ξ电势
双电层
较高
较厚
较底
较薄
四、粘土—水悬浮体的稳定性和聚结
（一）沉降稳定性及影响因素 1．沉降稳定性 ——分散相颗粒能克服重力的作用，所具有 的稳定性。 2．影响沉降稳定性的因素 根据斯托克斯定律进行分析分散相离子所受的净 重力 4 4 3 r g r 3 0 g 3 3
4、恶性漏失的防治； 5、井壁稳定性； （1）体系抑制性 （2）体系封堵能力 6、漏、喷、塌同时存在的产层的泥浆技 术与油层保护……； 7、保护环境的泥浆体系
粘土胶体化学基础
常见粘土矿物的晶格构造特点 粘土的水化作用 粘土—水界面双电层 粘土—水悬浮体的稳定性
问题与思考：
4.高岭石
(1)构造 ①由一层硅氧四面体片和一层铝氧八面体片组 成单位晶胞。 ②晶格中几乎没有晶格取代现象。
(2)特点 ①晶层一面为氧层，一面为氢氧层，层间 形成氢键，层间联结力强。 ②不易吸水膨胀 故含有高岭石多的黄土，配出的泥浆造 浆率低。
5.矿物类型
1∶1型 2∶1型 层状结构 间层型 纤维状 高岭石 蒙脱石、伊利石 伊-蒙混层 凹凸棒石 海泡石
(2)铝氧八面体 处于中心的铝原子与两层堆叠的6个氧 或氢氧原子相连构成八面体。每个八面体 两面上的氧或氢氧在相邻的八面体共同构 成八面体片。
2.蒙脱石
(1)晶体构造 ① 由2层Si－O四面体片夹一层Al－O 八面体片组成 单位晶胞，由单位晶胞重叠构成粘土矿物。
②晶格中存在品格取代
晶格取代：粘土矿物在沉积环境中，晶格中的高价阳 离子被低价阳离子所取代的现象。 如 Ae+3→Si+4 Mg+2→Ae+3 取代后正电荷亏损，使晶格带负电，此电荷由层间补 偿阳离子的补偿，使晶格保持电中性。 补偿阳离子---带负电的晶层表面为维持电中性所吸 附的阳离子。 蒙脱石的补偿阳离子的主要是Ca+2和Mg+2
1.为什么要用优质搬土配钻井液？
2.为什么配浆时泥浆中加纯碱？
这些问题都需要用粘土胶体化学基础知
识来解释, 粘土胶体化学知识可指导钻井液
的配制和维护处理工作。
§1—3 常见粘土矿物的晶格构造与性质
一、几种主要粘土矿物的晶体构造
1．粘土矿物的基本结构单位。 (1)硅氧四面体 处于中心的硅原子与四个氧原子或氢氧原 子以等距离相连构成四面体。每个四面体中的 三个氧原子与相邻的三个四面体共用构成四面 体片。
(2)粘土颗粒表面间接吸附水分子水化，由于 粘土带负电，表面紧密地排列着一层阳离子，这 层反离子的水化给粘土表面带来水化膜。 粘土的水化以间接水化为主，那么阳离子的水 化越好，粘土的水化膜越厚。 2．渗透水化 粘土层间离子浓度大于钻井液中离子浓度。
3.影响粘土水化的因素
(1)粘土的本性。 ①晶层间的联结力 ②带电量 (2)补偿阳离子性质 例：钙蒙脱石吸水膨胀后，底面间距为17A0； 钠蒙脱石吸水膨胀后，底面间距为41A0
(2)特点
①晶层上下皆为氧层，各晶层间以分子间力联接，连 接力弱。 ②易吸水膨胀，分散。 由于蒙脱石易吸水膨胀，分散，取出的浆造浆率高， 含蒙脱石80%以上的纯净土，称为搬土。是配制泥浆的 优质材料，但钻含蒙脱石发的泥浆岩地层，易出现泥 浆增稠。缩径，卡钻，泥包等复杂情况。 造浆率（Ｙ）--每吨土配出粘度为15mpa· s的泥浆方 数。
钻井液
王勇
目
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章
录
概论、粘土胶体化学基础 钻井液流变性 钻井液失水造壁性、处理剂 常用钻井液性能维护及处理 复杂情况下的钻井液工艺及 油层保护
§1—1钻井液的功用、类型及组成
一、钻井液的功用
一、平衡地层流体压力 二、悬浮、携带岩屑 三、稳定井壁 四、冷却和润滑钻头、钻具 五、清洁井底，利用水力功率帮助钻头破碎岩石 六、防止各种污染 七、保护油气层 七、录取岩性，油气水显示等地层资料
原因：
离 子 离子半径 水化半径 带电量 Na+ 0.93 7.90 -Ca2+ 1.06 10.00 Na+的2倍
因而使用钙蒙脱石配浆时，要加入NaCO3 NaCO3 Ca土 Na土 (3)水溶性性质
(4)温度和时间
§1—4 粘土胶体化学基础
一、分散体系及其种类 1.分散体系
一种物质或几种物质分散在另一种物质中所 形成的体系。 （1）分散相 —— 被分散的物质。 （2）分散介质 ——分散相颗粒所在的连续介质。
二、 钻井液的类型
根据钻井液中分散介质不同，钻井液分成四种 基本类型: 1、水基钻井液 2、油基钻井液 3、合成基钻井液
4、气体钻井液
1、水基钻井液（Water based）
（1）淡水钻井液（细分散体系） NaCl < 1% Ca2+ <120 mg/L （2）粗分散体系 钙处理钻井液 盐水钻井液 饱和盐水钻井液、海水钻井液 （3）不分散体系(聚合物钻井液)
3、油基钻井液(Oil based Drilling Flaids)
（1）普通油基钻井液 （2）油包水乳化钻井液 3、合成钻井液 4、气体钻井液 泡沫、空气、天然气等。 各种类型的钻井液各有其特长和适用范围，选择 时需要根据所在井的地质特点和钻井工艺要求选择合 适的钻井液类型。
三、泥浆的组成
水 粘土 化学处理剂 惰性物质 加重剂 Βιβλιοθήκη 屑总表面积 比表面积 体积
6L2 6 对于正比表面积：比表面积 3 L L 以上可以看出颗粒越小，比表面积越大，分散度越 高，既高度分散体系具有巨大表面积。
分散度与比表面积举例： 例：1cm 方块细分表面积变化
S=6 cm2
S=8 cm2
S=12
cm2
当分为边长为0.01微米时，总表面积可达6 千平方米 。
三、粘土的水化作用
1.水化作用的意义 粘土颗粒表面吸附水分子，使其表面形成水 化膜，晶层间距增大，产生膨胀至分散作用。
(二)粘土水化膨胀作用机理
1．表面水化
水分子是向排列于晶层表面，达四个水分子层。表 面水化有两种方式: (1)粘土表面直接吸附水分子而水化（称直接水化） 原因：① 降低表面能而产生吸附水分子到粘土表面。 ② 粘土带负电，而水分子是极性分子。水分子 受静电引力作用定向排列在粘土表面。 ③ 粘土晶格里的氢或氢氧层通过氢键吸附水分 子。
下沉的阻力： 匀速下沉
F 6ru 下沉速度
4 3 r g ( 0 ) 6ru 3
2 r 2 ( 0 ) u g 9
（斯托克斯定律）
1．颗粒尺寸 2．分散相和分散介质的密度差 3．分散介质粘度 颗粒尺寸是关键，要保证重晶石不下沉应具有一定 细度胶体粒子尺寸小，具有沉降稳定，但胶体粒子具 有聚结不稳定性，当胶体粒子聚结交成大颗粒时就失 去了沉降稳定性，因此二者互相影响的，要维持粘土 颗粒的沉降稳定性，必须保证聚结稳定性。
(二)双电层电位
1.ξ电势-----胶体电荷所产生的电势
粘土总电荷 E总=E吸+E扩
ξ电势∝E扩=E总-E吸
2.电解质对ξ电势的影响
(1)电解质挤压双电层 ——电解质加入后，使双电层变薄，ξ电势下降的 现象。 (2)原因 电解质加入后，溶液中反离子浓度增大，由于反离子 的扩散作用和粘土颗粒的静电引力作用，导致反离子进 入吸附层的机会增多，使双电层变薄，胶粒电荷减少， ξ电位降低。随着电解质浓度增加，ξ电势逐渐下降， 当电解质浓度增大到一定值时，ξ电势为零：ξ电势为 零的状态称为等电态，等电状时，胶粒不带电，粘土颗 粒静电斥力消失，这时粘土颗粒易发生聚结。
1. 扩散双电层的形成 (1) 作用在反离子上的力。 ①扩散力------受极性水分子的影响和自身的热 运动向水中扩散的力。 ②吸引力------带电粘土颗粒表面对反离子的静 电引力。 粘土颗粒表面吸附的反离子在两种相反作用力的 作用结果。使反离子扩散地分布在界面周围。构成扩 散双电层。
(2)扩散双电层定义
3.粘土平表面和端面的双电层区别
平表面带负电，而端面不同，在外力作用下，粘土晶层发 生断裂，晶格中的Al—O八面体和Si--O四面体的键断裂，Al 原子露在端面，在酸性介质中端面带正电。 Al—OH，在碱性介质里端面带负电，如Al--O—H，所形 成的双电层与平面不同。 双电层类型 比较项目 带电性
2.分散体系分类
按分散颗粒尺寸的大小可以分为三类如下表
类 别 颗粒大小
大于0.1微米
0.1微米～1毫微米 小于1毫微米
粗分散体系（悬浮体）
胶体分散体系（溶胶） 分子或离子分散体系（溶胶）
三、胶体分散体系的基础性质
1.多相性：不只有一相。 ２.高度分散性：分散相分散很细，或者说分散 强度高，分散度常用“比表面积”来量度。
带电表面及反离子构成的电层，它们电荷 相反，电量相等。 例：固体表面带十七个负电荷，在液相 中就有十七个过剩的正电荷。 正电荷以固体表面到过剩电 荷为零处由多而少地分布， 固面上紧密地连结着部分水 分子和部分反离子组成内层， 称为吸附溶剂化层，
吸附层：与周面紧密连接着的一层反离子和部分 水分子构成的内层。 扩散层：反离子成扩散的分布在液相内构成的外 层。 滑动面：吸附层与扩散层的分界面。 当离子移动时，界面上的吸附层随着一起移动， 所以固体粒子与吸附层是一整体，称为胶粒。 胶粒：固体离子和吸附层