粘土矿物的晶体构造与性质
第七章 粘土岩
• 三、有机物质
• 粘土岩中常有数量不等的有机物质，而有机质的 丰度以岩石中剩余有机碳含量、氨基酸的总量以 及氨基酸总量/剩余有机碳的比值作为衡量标准。 剩余有机碳含量、氨基酸含量高，氨基酸总量/剩 余有机碳的比值低，则有机质丰度高，此类粘土 岩为良好的生油岩。这类粘土岩常呈深灰、灰黑、 黑色，多形成于受限制的安静低能还原环境，如 泻湖、海湾、海湖深水盆地。同时，这种环境也 利于硫化铁的生成，故硫化铁矿物（如黄铁矿） 常与富有机质的暗色粘土岩共生。
集合体呈六方柱状的全自形高岭石
扫描电镜
• 2.埃洛石（多水高岭石）族 • 有埃洛石和变埃洛石两种主要矿物。
• 埃洛石又称多水高岭石、四水高岭石、叙 永石，Al4[Si4O10](OH)8 ·4H2O；变埃洛石 又称变多水高岭石、二水高岭石、变叙永 石，含有2.2~2.3 H2O。
• 埃洛石的晶体结构为1:1型。层间域有 一层水分子，故层间水较多。10埃埃 洛石多呈白色致密块状集合体，断口 细腻，微具油脂光泽或瓷状光泽。风 干后呈现不规则尖角状裂纹。相对密 度2.1~2.6，硬度1.0~2.6，遇酸较易溶 解。
K＜1Al2[（Al，Si）Si3O10]（OH）2·nH2O 。 晶体结构属2:1型。 • 偏光显微镜下，伊利石呈鳞片状、羽毛状 集合体。无色，低~中正突起，干涉色可达 二级顶部，近乎平行消光，正延性。
• 透射电镜下，伊利石呈不规则鳞片状晶体 或边界圆滑的片状。
• 扫描电镜下，伊利石集合体呈层片状排列 或弯曲片状。
• 凹凸棒石为青灰至灰白色，土状，具粘性和可塑 性，浸泡不易分散；可形成具工业规模的矿床。 （坡缕石为白色纤维状，无粘性和可塑性。结晶 程度较好）。
• 偏光镜下，凹凸棒石呈黄褐色、浅绿色纤维状或 鳞片状集合体，干涉色达一级黄，常与蒙脱石共 生，不易区分。
钻井液处理剂类型与功用1121
防塌/抑制剂 降粘剂 提粘/流型调节剂 润滑剂 堵漏剂 其他
三、加重材料
（一）固体加重剂
名称 重晶石 石灰石 铁矿粉 钛铁矿粉 方铅矿
分子式
BaSO4 CaCO3 Fe2O3 TiO2. Fe2O3 PbS
密度g/cm3 4.2-4.6 2.7-2.9 4.9-5.3 4.5-5.1 7.4-7.7
三、加重材料
BZ-W3
加量(W/V水) 10%
密度(g/cm3) 1.072
加量(W/V水) 160%
密度(g/cm3) 1.635
20%
1.123
170%
1.653
30%
1.195
180%
1.675
40%
1.240
190%
1.689
50%
1.306
200%
1.701
加
60%
1.342
210%
1.713
BZ-W2
加量(W/V水) 10%
20%
30%
40%
50%
加
60%
量
70%
和
80%
密
90%
度
100%
的
110%
关 系
120% 130%
140%
150%
密度(g/cm3) 1.06 1.12 1.16 1.23 1.26 1.33 1.35 1.37 1.40 1.43 1.45 1.47 1.50 1.53 1.55
2.几种常见粘土矿物的晶体构造
（2）高岭石（1:1型）： 一层四面体片和一层八面体 片组成，所有硅氧四面体的 尖顶都朝向八面体，通过共 用氧原子连接成晶层。晶层 间连接紧密，阳离子交换容 量低，水化分散性膨胀性差， 矿物稳定行强，C轴间距 =7.2埃。
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：
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。
粘土矿物1
（2）非膨胀性
在伊利石晶层之间 吸附有钾离子。它受到 相邻两晶层负电荷的吸 附，因而对相邻两晶层 产生了很强的键联效果， 连接力很强，使晶层不 易膨胀。
（3）电荷数量较大
同晶替代较普遍， 主要发生在硅片中， 但部分电荷被K＋离子 所中和，阳离子交换 量介于高岭石与蒙脱 石之间。
（4）胶体特性
3、水化云母组
又叫2：1型非 膨胀性矿物或伊利 组矿物。
水化云母组具有以下特征：
（1）2：1型晶层结构
晶层结构与蒙脱石相似， 同样是由两层硅片夹一层 铝片组成，硅片和铝片的 比例为2：1，故又称2：1 型非膨胀性矿物。
伊利石是其代表。分子 式为： K2（Al·Fe·Mg）4 （SiAl）8O20（OH） 4·nH2O。
晶层类型
两种晶片的配合比例不 同，而构成： 1：1型晶层 2：1型晶层 2：1：1型晶层
（1）1：1型单位晶层
由一个硅片和一个铝片构成。 硅片顶端的活性氧与铝片底层 的活性氧通过共用的方式形成单位 晶层。这样1：1型层状铝硅酸盐的 单位晶层有两个不同的层面，一个 是由具有六角形空穴的氧原子层面， 一个是由氢氧构成的层面。
2、单位晶片
从化学上来看，四面体 为 （ SiO4）4－， 八 面 体 为 （AlO6）9－，它们都不是化 合物，在它们形成硅酸盐粘 土矿物之前，四面体和八面 体分别各自聚合。
（1）四面体片（简称硅片）
在水平方向上四面体通过共 用底部氧的方式在平面两维方向上 无限延伸，排列成近似六边形蜂窝 状的四面体片（简称硅片）。
粘土矿物的分类
粘土矿物根据结晶学特征分 为三类：
一、层状硅酸盐粘土矿物， 二、纤维状硅酸盐粘土矿物， 三、非硅酸盐粘土矿物（非 晶质粘土矿物）。
三种主要黏土矿物高岭石、水云母、蒙脱石的性质。
1、试比拟三种主要黏土矿物〔高岭石、水云母、蒙脱石〕的性质。
(１) 高岭石〔１：１型铝硅酸盐矿物〕由一个硅氧片和一个水铝片，通过共用硅氧顶端的氧原子连接起来的片状晶格构造。
每个晶层的一面是OH离子组〔水铝片上的〕，另一面是O离子〔硅氧片上的〕，因而叠加时晶层间可形成氢键，使各晶层之间严密相连从而形成大颗粒，晶粒多呈六角形片状。
其分子构造外形特征为ＯＨＯＨＯＨ.......ＯＨ顶层─────────────底层─────────────ＯＯＯ........Ｏ许多晶片相互重叠形成高岭矿物特点：晶层与晶层间距离稳定，连接严密，部空隙小，电荷量少，单位个体小，分散度低。
多出现于酸性土壤。
如高岭石类。
高岭石的性质特点：晶格的水铝片和硅氧片很少发生同晶替代，因此无永久性电荷。
但水铝片上的--ＯＨ在一定条件下解离出氢离子，使高岭石带负电。
晶片与晶片之间形成氢键而结合结实，水分子及其他离子难以进入层间，并且形成较大的颗粒。
因此其吸湿性、粘结性和可塑性较弱，富含高岭石的土壤保肥性差。
〔2〕蒙脱石类〔２：１型铝硅酸盐矿物〕由两片硅氧片和一片水铝片结合成的一个晶片〔层〕单元，再相互叠加而成的。
每个晶层的两面均由O离子组〔硅氧片上的〕，因而叠加时晶层间不能形成氢键，而是通过“氧桥〞联结，这种联结力弱，晶层易碎裂，其晶粒比高岭石小。
特点：胀缩性大，吸湿性强，易在两边硅氧片中以Al3+代Si4+，有时可在硅铝片中，一般以Mg2+代Al3+→带负电→吸附负离子。
如蒙脱石，这类矿物多出现于北方土壤。
如东北、华北的栗钙土、黑钙土和褐土等。
〔３〕水云母类〔２：１型粘土矿物〕构造与蒙脱石相类似，只是同晶替代产生的负电荷主要被钾离子中和,而少量被钙镁离子中和.特点：a、永久性电荷数量少于蒙脱石。
b、层与层之间由钾离子中和，使得各层相互严密结合。
形成的颗粒相比照蒙脱石粗而比高岭石细。
其粘结性、可塑、胀缩性居中。
c、钾离子被固定在硅氧片的六角形网孔中，当晶层破裂时，可将被固定的钾重新释放出来，供植物利用。
第二章粘性土的物理化学性质
2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 ZH2.粘性土的物理化学性质 ZH2.粘性土的物理化学性质 §2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 三种主要 三种主要 粘土矿物的 结晶构造： 结晶构造：
1:1的两 的两 层晶格 结构 高岭 石微粒
Al Al Si Si
• 晶层间通过氢键联结，联结力强，晶 晶层间通过氢键联结，联结力强， 格不能自由活动， 格不能自由活动，水难以进入晶格间 高岭石 蒙脱石 伊利石 • 能组叠很多晶层，多达百个以上，成 能组叠很多晶层，多达百个以上， 为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-4µm， 为一个颗粒。颗粒长宽约 µ ， 厚约0.05-5µm。 厚约 µ 。 • 主要特征：颗粒较粗，亲水能力差, 主要特征：颗粒较粗，亲水能力差 不容易吸水膨胀和失水收缩。 不容易吸水膨胀和失水收缩。
2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 ZH2.粘性土的物理化学性质 ZH2.粘性土的物理化学性质 §2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 三种主要 三种主要 粘土矿物的 结晶构造： 结晶构造：
2:1的三 的三 层晶格 结构SiSi来自Al Al Si Si
高岭石 蒙脱石 伊利石
• 晶层间是 2-对O2-的连结，联结力很 晶层间是O 的连结， 水很容易进入晶层之间。 弱，水很容易进入晶层之间。 • 每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒 每一颗粒能组叠的晶层数较少。 大小约为0.1-1µm ，厚约 厚约0.001-0.01µm。 大小约为 µ µ 。 • 主要特征：颗粒细微，亲水能力强,具 主要特征：颗粒细微，亲水能力强 具 有显著的吸水膨胀、 有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性。
ZH2.粘性土的物理化学性质 ZH2.粘性土的物理化学性质 §2.2粘土矿物颗粒的结晶结构 2.2粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土矿物结构单元
黏土矿物形状
黏土矿物形状
黏土矿物是一种常见的矿石，具有多种形状和结构。
它们通常是由细小的颗粒组成的，这些颗粒可以互相黏合在一起形成块状或颗粒状的结构。
在自然界中，黏土矿物可以以不同的形状存在。
有些黏土矿物呈片状，如膨润土。
膨润土是一种吸水性很强的黏土矿物，在水中会膨胀成片状结构。
这种片状结构使得膨润土可以吸附和储存大量的水分，使其成为土壤改良和涂料工业中重要的原料。
另一种常见的黏土矿物形状是颗粒状。
黏土矿物的颗粒可以是微小的粉末状，也可以是较大的颗粒状。
这些颗粒状的黏土矿物通常具有良好的吸附性能，可以吸附并储存有机物和无机物。
除了片状和颗粒状之外，黏土矿物还可以形成纤维状结构。
这种纤维状结构通常是由微细的纤维组成的，这些纤维可以互相交织在一起形成稳定的结构。
纤维状的黏土矿物常用于制造纺织品和过滤材料，因为它们具有良好的强度和过滤性能。
总的来说，黏土矿物具有多种形状和结构，这些形状和结构决定了它们的性质和用途。
通过对黏土矿物形状的研究和了解，我们可以更好地利用它们的特性，满足人类的需求。
无论是片状的膨润土，颗粒状的吸附剂，还是纤维状的过滤材料，黏土矿物都在各个领域发挥着重要的作用。
这些矿物的形状和结构不仅为我们提供了丰富
的资源，也为人类创造了更好的生活环境。
第二章 第四节 粘土矿物自生与转化
+
C
14）分散的孔隙充填
X
C
15）裂隙充填
+
R
16）缺乏早期成岩结核
+
C
17）覆盖较早阶段形成的成岩组分
+
C
18）纹理横向突然终结
+
R
19）单个板片放射状排列
O
C
20）medial suture
O
R
21)在颗粒接触处附近的搭桥
+
C
X-不可靠；O-通常可靠；+-非常可靠；R-罕见；C-常见；U-ubiquitous；？-未知
硅氧四面体由一个硅和四个氧组成。硅位于四面体的中心，氧位于 四面体的角顶，每个四面体以底部二个角顶的氧原子与相邻四面体所共用、 在二维平面内构成具有六角网格的硅氧四面体层，每个四面体顶端剩下一 个带自由电荷的活性氧，并位于四团体层的同一侧。
铝氧八面体主要是由铝与氧和氢氧离子的八面体配位构成的，即 铝位于八面体中心．氧或氢氧离子位于八团体角顶(上下各三个)，当它们 连接成片时，便形成了八团体层。
323、孔隙中共生绿泥石与次生石英 （霍3井，2028.94m，布达特群，SEM）
324、颗粒表面共生绿泥石与次生石英 （霍3井，2028.94m，布达特群，SEM）
A绿泥石
三、自生粘土矿物的形成机理
表 3—8 砂岩成岩过程中粘土矿物的成岩反应（Pttijohn，1982）
形成的粘土矿物
先驱矿物
为什么蒙皂石能够转变成伊利石？ 晶体结构上式相似：二者都由两个四面体层和一个八面体层组成 层间充填差别：蒙皂石层间充填的是水分子
伊利石层间充填的是钾离子 蒙皂石转变成伊利石的首要条件是：在钾离子存在的条件下脱去水层， 其反应式如下：
第二章 第四节 粘土矿物自生与转化
2、高岭石
高岭石族粘土矿物包括高岭石，地开石和珍珠陶土3种矿物。高岭石 族矿物的晶体结构以高岭石为代表。高岭石由一层Si—O四面体和一层Al— （O—H）八面体组成。
3、蒙皂石 现代的用法趋向于建立1个蒙皂石族（Semetite）来代替过去的蒙脱
石族。 蒙皂石又分为蒙脱石（在八面体层中Mg代替Al）和贝得石（在四面
孔隙衬层
孔隙衬层或 孔隙充填 孔隙衬层或 孔隙充填 孔隙衬层
孔隙衬层
孔隙衬层
2-10
2-10 4-150 ， 通 常 4-20 8-40
0.1-10
2-12
2-12
特殊特征
锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？） 锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？） 锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？）
颗粒之间搭 桥 颗粒之间搭 桥 颗粒之间搭 桥
410、蒙皂石与高岭石 （霍6井，1647.02m，大磨拐河组，SEM）
371、粒间大孔隙，颗粒表面贴附蒙皂石 （贝16井, 1334.70m，兴安岭群,SEM）
394、粒间充填伊利石 （乌20井，2073.67m，南屯组，SEM）
395、伊利石贴附颗粒与充填孔隙 （乌20井，2077.09m，南屯组，SEM）
体层中Al代替Si）两个亚组。 蒙脱石有两个四面体层夹1个八面体层组成。
3、伊利石 伊利石并不是一种具体矿物。这个术语表示一组具有云母
构造的粘土矿物，过去称之为水云母。
二、如何区别自生与碎屑粘土矿物
1、识别手段 A 扫描电镜 B 电子探针 C 偏光显微镜 D x射线衍射分析（结晶度，伊利石） E 透射电子显微镜
H2O，Na+，Ca2+
蒙皂石
火山玻璃
＋H2O；—Na+，Ca2+，K+
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。
矿物岩石学
粘土矿物特征及其鉴定一、层状粘土矿物的分类、特征以及代表性矿物有哪些？（至少列举三种）层状硅酸盐粘土矿物的种类很多，根据其构造特点和性质，可以归纳为4个类组，主要有：高岭组，蒙蛭组，水化云母组和绿泥石组矿物。
1.高岭组又叫1：1型矿物，是硅酸盐粘土矿物中结构最简单的一类。
包括高岭石，珍珠陶土，迪恺石和埃洛石等。
高岭组的特点（1）1：1型的晶层结构晶层由一层硅片和一层铝片重叠而成，硅片和铝片的比例为1：1.（2）非膨胀性相邻的晶层的层面不同，分别是硅面和铝面两个层面之间产生了较强的连接力，晶层的距离不变，不易膨胀。
（3）电荷数量少晶层内部硅片和铝片中没有或极少同晶替代现象（4）胶体特性较弱颗粒总表面积相对较小。
可塑性、粘结性、黏着性和吸湿性都较弱。
2.蒙蛭组又叫2：1型膨胀性矿物，包括蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。
蒙蛭组的特点（1）2：1型的晶层结构晶层由二层硅片夹一层铝片构成，硅片和铝片的比例为2：1，故又称2：1型膨胀性矿物。
（2）胀缩性大该组矿物晶层的顶层和底层两个基面都有Si－O面所构成，所以当两个晶层相互重叠时，晶层相互间只能形成很小的分子引力。
晶层间的结合力很弱，故晶层的间距因水分的进入而扩张，因失水而收缩，蒙脱石晶层间距变化在0.96～2.14nm之间，具有很大的膨胀性。
（3）电荷数量大同晶替代现象普遍，蒙脱石主要发生在铝片中，一般以Mg2＋代Al3＋，而蛭石的同晶替代主要发生在硅片中。
（4）胶体特性突出蒙脱石颗粒细微，颗粒的总表面积大。
其可塑性、粘结性、黏着性和吸湿性都特别显著蛭石的颗粒比蒙脱石大，其表面积比蒙脱石小。
3.水化云母组又叫2：1型非膨胀性矿物或伊利组矿物。
伊利石是其代表。
水化云母组的特点（1）2：1型晶层结构晶层结构与蒙脱石相似，同样是由两层硅片夹一层铝片组成，硅片和铝片的比例为2：1，故又称2：1型非膨胀性矿物。
（2）非膨胀性在伊利石晶层之间吸附有钾离子。
它受到相邻两晶层负电荷的吸附，因而对相邻两晶层产生了很强的键联效果，连接力很强，使晶层不易膨胀。
土壤粘土矿物名词解释
土壤粘土矿物名词解释一、引言土壤粘土矿物是土壤中非常重要的组成部分，它们在土壤形成、土壤肥力、土壤质地和土壤环境等方面发挥着重要作用。
本文将对土壤粘土矿物的定义、分类、成因与分布以及与土壤性质的关系进行详细阐述，以期对这一领域有更深入的理解。
二、土壤粘土矿物的定义土壤粘土矿物是指土壤中那些晶体结构细小、粒径通常在0.005-0.01微米之间、并以结晶或无定形态存在的粘土矿物。
它们是由多种含水铝硅酸盐构成的矿物族，这些矿物可以独立存在，也可以相互之间或者与其它矿物形成复杂的共生关系。
三、土壤粘土矿物的分类根据晶体结构和化学成分，土壤粘土矿物可以分为两大类：一类是含水铝硅酸盐矿物，包括高岭石类、蒙脱石类和水云母类；另一类是含水镁硅酸盐矿物，包括蛭石和绿泥石。
这些矿物在土壤中广泛分布，对土壤的理化性质和肥力状况产生重要影响。
四、土壤粘土矿物的成因与分布土壤粘土矿物的形成是一个非常复杂的过程，涉及到多种地质作用和化学反应。
在成土过程中，原生矿物经过风化作用和成土作用逐渐分解，形成了各种粘土矿物。
这些粘土矿物在土壤中的分布状况取决于气候、地形、母质等多种因素。
同时，人类活动也对土壤粘土矿物的分布和组成产生影响，例如耕作、施肥和灌溉等农业措施。
五、土壤粘土矿物与土壤性质的关系土壤粘土矿物对土壤的性质和肥力状况产生重要影响。
首先，粘土矿物可以影响土壤的物理性质，如土壤质地、保水能力和通气性等。
例如，高岭石类矿物具有较高的阳离子交换能力，可以吸附更多的营养元素，从而提高土壤的肥力水平。
其次，粘土矿物可以影响土壤的化学性质，如酸碱反应和阳离子交换等。
例如，蒙脱石类矿物具有较高的阳离子交换能力，可以影响土壤中阳离子的移动和吸附，进而影响土壤的酸碱反应。
此外，不同种类的粘土矿物对土壤的肥力状况和生产能力也会产生不同的影响。
例如，水云母类矿物能够促进作物根系的发育和养分吸收，而蛭石则具有较强的保温能力，有助于提高作物的抗寒能力。
第二章粘土矿物和粘
钻井液是粘土—水的胶质悬浮体系，分散在水中的粘 土细粒具有巨大的表面积，因此，它们亦有聚结以及吸附 作用，且都是自发地进行的，以使体系的表面积减小。
淋洗完成后，将滤液蒸干并进行焙烧，此时各种醋酸 盐均分解为无机化合物。反应式如下：
残渣用盐酸处理后，即可测定钙、镁等离子含量； 醋 酸铵淋洗以后的粘土，用乙醇洗去过剩的醋酸铵，再向粘 土中加浓NaOH溶液，NH4+又被Na+交换出来，生成氢氧化铵。 因而，经过直接蒸煮后，得到NH4OH，用标准酸吸收，再经 过滴定，便可换算为每100g土的交换性阳离子的毫粘摩尔 数，即粘土的阳离子交换容量。
粘土的水化作用
粘土矿物的水分：结晶水、吸附水、自由水、
结晶水：为粘土矿物的一部分，与粘土矿物之 间以化学键相连，温度较高（300℃） 才能释放出来。
吸附水：与粘土矿物之间的作用力为分子间以 及静电引力，即水化膜形式存在，也 叫束缚水。
自由水：存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中，不 受粘土约束，可以自由运动
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
粘土阳离子交换容量的测定：测定粘土阳离子 交换容量的方法很多，经典的方法是醋酸铵淋 洗法。其基本原理如下：
淋洗剂为醋酸铵NH4Ac，NH+可交换出粘土中的 Ca2+和Mg2+等阳离子，其作用可用图2—11表示。
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
钻土的正电荷与负电荷的代数和即为粘土品体的净 电荷数。由于粘土的负电荷一般多于正电荷，因此，粘 土一般都带负电荷。
第二章粘土矿物
正电荷
当粘土介质的pH值小于9时，粘土晶体端面上带正电荷。兹逊 （P.A.Thiessen）用电子显微镜照相观察到高岭石边角吸附了负电性的金 溶胶，由此证明了粘土端面上带有正电荷。
原因
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-1
H+ Al—O—H
Al+ + OH-
净电荷 粘土正电荷数与负电荷数的代数和，由于粘土负电 荷远大于正电荷数，故粘土带负电。
为永久负电荷。不同粘土矿物晶格取代的情况不同。粘土的永久负电荷大部分分 布在粘土晶层的层面上。
蒙脱石的永久负电荷主要来源于铝氧八面体中的一部分铝离子被镁、铁等二价离
子取代，仅有少部分电荷是由于硅氧四面体中Si被Al取代所造成，一般不超过15%。 蒙脱石每个晶胞有0.25～0.6个永久负电荷。
伊利石与蒙脱石不同，它的永久负电荷主要来源于硅氧四面体中的硅被铝取代， 大约有六分之一的硅被铝取代，单位晶胞中约有0.6～1个永久负电荷。但中和负电荷 的阳离子是钾离子，部分钾离子落到晶层间相对应的六角环中，在水中不易电离， 相对说来，伊利石带电量就减少了。
根据粘土的电荷产生的原因不同，可分为永久负电荷、 可变负电荷及正电荷三种。
永久负电荷
产生的 原因
由于粘土发生晶格取代所产生的剩余的负电荷。
例如：
硅氧四面体：Si4+被Al3+取代。 铝氧八面体：Al3+被Fe2+、Mg2+等取代。 这种负电荷的数量取决于晶格中晶格取代的多少，而不受pH的影响，因此，称
第二节 粘土—水界面的吸附作用 基本概念
界面：两不同相之间的接触面，例：气—液界面，油—水界面，粘土—水界面 相：指体系中物理性质和化学性质完全相同的均匀部分。 吸附：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。 吸附量：单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的量。 吸附分类：
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。
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）
土力学 第二章 粘性土的物理化学性质
内容提要
本章主要讨论决定粘性土的宏观物理化学性 质的微观结构特征。主要包括：
键力的基本概念
粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土颗粒的胶体化学性质
粘性土工程性质的利用和改良
粘性土特有的性质及成因
粘性土随着含水量的不同会呈现不同的 物理状态。
这种性质主要取决于粘粒粒组的含量与 粘粒的矿物成分。
电渗排水和电化学加固
电泳与电渗
在电场作用下，带有负电荷的粘土颗粒
向阳极移动，这种电动现象称为电泳。
水分子及水化阳离子向阴极移动，这种
电动现象称为电渗。
电渗排水和电化学加固
电渗排水
在渗透系数小于 10-6cm/s 的饱和软粘土地
层中开挖基坑或进行其它地下工程活动， 可以采用电渗排水的方法降低地下水位。
两个同性原子形成同一元素分子的联结
力称为共价键。
通过自由电子将原子或离子联结成金属
晶格的联结力为金属键。
总
结
离子键、共价键和金属键都属于主键。 主键的影响范围最小，约为 0.1~0.2μm ，
而其联结能最大，相当于 8.4 ～ 84J/kmol 。
分子键
分子键又称范德华（Van Der Waals）键
粘性土的各种工程性质（可塑性、压缩性、强度
等）主要受组成粘性土的粘土矿物的结晶结构特 征以及矿物颗粒与周围介质的相互作用所制约。
第一节 键力的基本概念
所谓键力是指组成粘土矿物的原子与原子
之间或分子与分子之间的一种联结力。
键力的类型：
化学键 分子键 氢键
化学键
原子与原子之间的联结称为化学键，也称
粘土颗粒在沉积过程中，除受重力作用外，
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
三.造浆粘土的选用
钻井泥浆是粘土在水中的分散体系，从钻井工程 的工艺要求出发，需要采用较为优质的膨润土造 浆，即需要选用以含蒙脱石为主的钠膨润土为造 浆材料。 国内外富含蒙脱石的大型优质膨润土矿有不少， 如我国的新疆夏子街、山东高阳、辽宁黑山、浙 江余杭，美国的怀俄明以及南澳大利亚等地都有 高纯度的大型膨润土矿床。泥浆公司和粘土粉生 产厂家从这些地方采取粘土矿原料，做适当的加 工，形成造浆粘土的正规产品。
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+ + OH-
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
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
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C.E.C大。
Ｅ、造浆率高
☞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。
（3）伊利石
①伊利石晶体结构示意图
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-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。 C、晶层间引力以静电力为主，引力 强，属非膨胀型粘土矿物。为什么？
⑵蒙脱石
①蒙脱石晶体结构示意图
Si-O Al-O Si-O Si-O Al-O Si-O
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。 C、晶层间引力以分子间力为主，引力弱，属膨胀型粘土矿
（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。 层面上是OH Al-O晶片 Si-O晶片 层面是O
上一内容
下一内容
回主目录
返回
（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。
氧原子 Si-O晶片 Al-O晶片 Si-O晶片 氧原子
（3）层间域/层间距c
K+
Si-O Al-O
Si-O
D、C.E.C 大介于高岭石与蒙脱石之间 ☞伊利石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+来平衡，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，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。 Ｅ、造浆率低
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)。
氢氧
上一内容
下一内容
回主目录
返回
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。
3、晶片的结合
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
（二）造浆粘土的评价
蒙脱石含量； 胶质价和膨胀倍数； 阳离子交换容量、盐基总量和盐基分量；
可溶性盐含量；
造浆率；
流变特性和失水特性。
第二节 粘土的性质 一、带电性
前言
☞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）
二、几种常见粘土矿物的晶体构造
1、基本概念
（1）晶格取代作用：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。
Si-O四面体：Al3+取代Si4+ 粘土带 负 电荷 Al-O八面体： Mg2+、Fe2+取代Al3+
上一内容
下一内容
回主目录
返回
例1：蒙脱石在不发生晶格取代时，其理想结构式为：
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
顶氧
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。
底氧
上一内容
下一内容
回主目录
返回
硅氧四面体晶片： 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。
自然界中的粘土广泛存在。许多情况下，钻井 现场及其附近就有或多或少含蒙脱石的粘土。 如果钻井对泥浆性能要求不是很高，完全可以 就地取土配制泥浆，并通过添加处理剂来改善 泥浆性能。当然，一些蒙脱石含量很少或杂质 很多的劣质土是不可取的，因为这些土难以造 浆。 如果钻井通过的地层本身就富含造浆粘土，那 么就可以利用“地层造浆”，即先用一定量的 清水作为钻井液，清水在井内自动水化分散被 钻头破碎下来的粘土形成泥浆，直接循环使用 。
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
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 问题：高岭石属非膨胀性粘土矿物，为什么？
☞ 高岭石上下相临的层面，一面为 OH
面，另一面为 O 面，而 O 与 OH 很容易
形成氢键，层间引力较强，晶层间连接 紧密，水分子不易进入晶层。
粘土的性质
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 所见到的粘土矿物绝大多数是晶质的。 （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。
O OH
Si-O Al-O
D、C.E.C低 ☞ 在三种常见的粘土矿物中，高岭石的Ｃ .E.C 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C.E.C小。 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。
氧或氢氧群所连接，铝或镁位居八面体的中央，同时，构造中 还保留了一系列的晶道，具有极大的内部表面，水分子可以进 入内部孔道。 实验证明，海泡石和凹凸棒石不仅抗盐性好，抗温性亦比 膨润土好。目前钻井中使用的海水钻井液、盐水（饱和盐水） 钻井液一般使用海泡石配浆，而抗高温钻井液则一般使用凹凸 棒石作为配浆粘土，性能要比普通造浆土好得多。
上一内容
下一内容
回主目录
返回
电荷产生原因
晶格取代 永久电荷（构造电荷） 电荷来源 受粘土表面化学变化和 pH值等的影响 表面电荷（可变电荷）1 Nhomakorabea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。
Al4Si8O2(OH)4.nH2O
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（C.E.C, cation exchange capacity)
粘 土
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）钻井过程中井眼的稳定性，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，粘土矿物膨胀与钻井液配浆粘土堵塞。
上一内容
下一内容
回主目录
返回
第一节 粘土矿物的晶体构造
分类
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
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。
（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
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。
灰色和棕色泥岩
砂岩
灰黑色泥岩
海泡石族
海泡石俗称抗盐土，属链状构造的含水铝镁硅酸盐矿物， 主要包括：海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石等。 它的晶体构造多为纤维状，其特点是：硅氧四面体所组成 的六角环都依上下相反方向对列，并且相互间被其它的八面体
物。 ◆ ☞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。
D、C.E.C 大（70-130 mmol/100g土)
☞ 原因在于蒙脱石存在晶格取代，所以带负电荷较多，