粘土水化
粘土岩水化膨胀因素试验研究
粘土岩水化膨胀因素试验研究摘要：在石油天然气钻井、基础工程钻掘及其他遇到泥岩、页岩、粘土等地层钻进时，常常会造成井壁失稳、井眼缩径、坍塌和储层损害等，通常我们把这些现象和膨胀联系起来，而在含粘土矿物较高的软弱岩层中，受到不同程度破坏的现象更为突出。
粘土水化膨胀的评价方法主要是吸水量法和膨胀量法，本文以膨胀量法为主，在模擬地层温度和压力的环境下，对粘土岩水化膨胀的因素进行了试验。
试验表明，在一定条件下，升高温度，增大粘土岩的水化膨胀速度，最终的膨胀量却是相同的；随着压力的增大，膨胀量会趋于变小。
关键词：粘土岩；水化膨胀；温度；压力1 室内试验研究1.1主要设备和材料自由膨胀率试验仪、岩石粉碎仪、电子天平和温度计，其中试验仪需要满足零到一百八十摄氏度的控温范围标准，并且控温灵敏度是正负一摄氏度。
电热烘箱的控温范围要求在零到三百摄氏度之间，电子天平的精度是0.0000。
原材料选用的是粘土岩及地层水。
1.2实验步骤在进行实验的过程中，需要按照相关标准操作，首先就要将粘土岩打磨到100目以内，或采用尺寸为0.15mm标准的孔筛进行筛料，再将打磨烘干好的粘土岩粉末置于天平上，称取8g的粉末作为实验用料，并采用压力机进行五分钟的0.01pa加压，最后再将它放到膨胀试验仪中，加入地层水，并测定4h 的线性膨胀率。
2 水化膨胀影响因素实验2.1与温度关系的实验在进行温度对水化膨胀影响实验的过程中，需要在常压的环境下设定不同的温度条件，并随着时间变化进行观察，最终得出试验数据和结论。
在实验中将温度设置为从20到100摄氏度依次递增的范围内，并模拟出地层水的环境，将实验材料放置其中随着时间推移观察变化，从图示可以看出，温度条件下粘土岩水化分散膨胀率的变化是极其显著的，尤其是在实验初始阶段的1h之内，随着时间的增加而变化的，温度愈高膨胀率越明显，在整个实验的过程中是一直呈现上升状态的，其中位于2h的实验阶段趋于平衡，之后随着实验时间的延长，变化的速度逐渐减慢并趋于相同。
储层的敏感性特征及开发过程中的变化
储层的敏感性特征及开发过程中的变化摘要：由于储层岩石和流体的性质，储层往往存在多种敏感性，即速敏、水敏、盐敏、酸敏、碱敏、应力敏感性和温度敏感性等七种敏感性。
不同的敏感性产生的条件和产生的影响都有各自的特点。
本文主要从三个部分研究分析了储层的敏感性特征。
即：粘土矿物的敏感性；储层敏感性特征；储层敏感性在开发过程中的变化。
通过这三个方面的研究，希望能给生产实际提供理论依据，进而指导合理的生产。
关键词：粘土矿物；储层；敏感性1．粘土矿物的敏感性特征随着对储层研究进一步加深，除了进行常规的空隙结构和空隙度、渗透率、饱和度等的研究外，还必须对储层岩心进行敏感性分析，以确定储层与入井工作液接触时，可能产生的潜在危险和对储层可能造成伤害的程度。
由于各种敏感性多来至于砂岩中粘土矿物，因此它们的矿物组成、含量、分布以及在空隙中的产出状态等将直接影响储层的各种敏感性。
1.1 粘土含量在粒度分析中粒径小于5um者皆称为粘土，其含量即为粘土总含量。
当粘土矿物含量在1%~5%时，则是较好的油气层，粘土矿物超过10%的一般为较差的油气层[1]。
1.2 粘土矿物类型粘土矿物的类型较多，常见的有蒙皂石、高岭石、绿泥石、伊利石以及它们的混层粘土[2]。
粘土矿物的类型和含量与物源、沉积环境和成岩作用阶段有关。
不同类型的粘土矿物对流体的敏感性不同，因此要分别测定不同储集层出现的粘土矿物类型，以及各类粘土矿物的相对含量。
目前多彩采用X射线衍射法分析粘土矿物。
常见粘土矿物及其敏感性如表1所示。
1.3 粘土矿物的产状粘土矿物的产状对储层内油气运动影响较大，其产状一般分为散状（充填式）、薄层状（衬底状）和搭桥状[1]。
在三种粘土矿物类型中，以分散式储渗条件最好；薄层式次之；搭桥式由于孔喉变窄变小，其储渗条件最差。
除此之外，还有高岭石叠片状，伊/蒙混层的絮凝状等，而且集中粘土矿物的产状类型也不是单一出现的，有时是以某种类型为主，与其它几种类型共存。
泥浆材料检测与应用：粘土的水化作用
➢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
ห้องสมุดไป่ตู้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。
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 影响粘土水化的因素
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。
泥浆工艺原理复习资料
《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。
水泥的组成以及水化过程
水泥的组成以及水化过程水泥是一种重要的建材，广泛应用于建筑、道路、桥梁等工程领域。
它是由多种化合物组成，主要包括硅酸盐、铝酸盐和铁酸盐。
水泥的主要成分是硅酸盐胶凝材料，它们通过水化反应形成硬化的胶凝体。
本文将详细介绍水泥的组成及水化过程。
水泥的主要成分包括石灰石（CaCO3）和黏土矿物（如粘土、混合土、伊利石等），其中石灰石主要含有钙氧化物（CaO）和二氧化碳（CO2），而黏土矿物主要含有硅酸盐和铝酸盐。
在制造水泥时，通常会从石灰石中煅烧出一种称为石膏（CaSO4·2H2O）的物质，作为添加剂添加到水泥中，以控制水泥的凝结时间。
在水化过程中，水泥的主要成分将与水发生反应，形成胶凝体。
水泥水化反应的主要产物是硅酸盐凝胶和氢氧化钙，它们共同促使胶凝体的形成。
水泥的水化过程可分为以下几个阶段：1.溶解阶段：水泥与水接触后，其中的硬制物（如硅酸盐矿物）溶解于水中。
这一过程会释放出热量，称为水泥的热性质。
2.氢氧化钙形成阶段：硅酸盐矿物溶解后，钙离子（Ca2+）与水中的氢氧根离子（OH-）反应生成氢氧化钙（Ca(OH)2）。
氢氧化钙是水泥水化过程中的副产物之一3.凝胶形成阶段：氢氧化钙与水中的硅酸根离子（SiO3-）反应生成硅酸钙凝胶（CSH），或与铝酸根离子（AlO3-）反应生成铝酸钙凝胶（C-A-H）。
这些凝胶物质使水泥糊状物凝结。
4.晶体形成阶段：水泥水化反应的晚期，硅酸钙凝胶进一步与水中的硅酸根离子和铝酸根离子反应生成二者的混合凝胶。
这些凝胶物质在水泥中形成晶体结构，增强了水泥的硬度和强度。
除了硅酸钙凝胶和铝酸钙凝胶，水泥的水化产物还包括氢氧化铝（Al(OH)3）和硫酸钙（CaSO4·2H2O）等副产物。
然而，这些副产物对于水泥的强度和稳定性来说并不重要。
粘土-水界面的扩散双电层
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。
（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。
更值得指出的现象是，这种扩散层本质性地分成两部分-吸附层与扩散层，其结构如图11-6所示。
1. 吸附层吸附层是指靠近粘土颗粒表面较近的一薄层水化阳离子，其厚度一般只有几个Ǻ。
这一薄层水化阳离子，由于与粘土颗粒表面距离近，阳离子的密度大，静电吸引力强，被吸附的阳离子与粘土颗粒一起运动难以分离。
2. 扩散层扩散层是吸附层外围起直到溶液浓度均匀处为止（离子浓度差为零）由水化阳离子及阴离子组成的较厚的离子层。
这部分阳离子由于本身的热运动，自吸附层外围开始向浓度较低处扩散，因而与粘土颗粒表面的距离较远，静电引力逐渐减弱（呈二次方关系减弱），在给泥浆体系接入直流电源时，这层水化离子能与粘土颗粒一起向图11-6 粘土表面的扩散双电层电源正极运动而相反向电源负极运动。
扩散层中阳离子分布是不均匀的，靠近吸附层多，而远离吸附层则逐渐减少，扩散层的厚度，依阳离子的种类和浓度的不同，约为10～00Ǻ。
3. 滑动面它是吸附层和扩散层之间的一个滑动面。
这是由于吸附层中的阳离子与粘土颗粒一起运动，而扩散层中的阳离子则有一滞后现象而呈现的滑动面。
4. 热力电位E它是粘土颗粒表面与水溶液中离子浓度均匀处之间的电位差。
热力电位的高低，取决于粘土颗粒所带的负电量。
中国石油大学奥鹏期末复习题答案
中国石油大学（北京）远程教育学院《油田化学》复习题一、名词解释。
1、晶格取代：晶格中发生离子取代而晶体结构不变称为晶格取代。
2、稠化时间：水与水泥混合后稠度达到100Bc所需的时间。
3、体积波及系数：驱油剂波及到的油层体积与整个油层体积之比。
4、注水调剖：为了发挥中、低渗透层的作用，提高注入水的波及系数，调整注水油层的吸水剖面。
5、人工井壁：对于已出砂地层，在砂层的亏空处，做一个由固结的颗粒物质所组成的有足够渗透率的防砂屏障。
6、双液法：就是向油层注入由隔离液隔开两种可相互发生反应液体，分别作第一、第二反应液。
当将这两种液体向油层内部推至一定距离，隔离液将变薄不起作用两种液体就可发生反应，产生堵塞主要发生在高渗透层。
7、聚合物：由一种或几种低分子化合物聚合而成的产物。
8、表面活性剂HLB值：表面活性剂的亲水能力与亲油能力的平衡关系。
9、渗透水化：粘土层间阳离子浓度大于溶液中阳离子浓度，水向粘土晶层间渗透引起层间距增大。
或者电解质浓度差引起的水化。
10、临界胶束浓度：表面活性剂形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。
11、单体：合成高分子的原料称单体。
12、乳状液：一种液体以细小液滴分散在另外一种互不相溶的液体中所形成的分散体系，称为乳状液。
13、缩聚反应：有许多相同或不同的低分子化合为高分子但同时有新的低分子析出的过程。
14、水泥浆减阻剂：减阻剂又称分散剂，紊流引观粘度，有利于水泥在低压低速进入紊流状态，提高注水泥质量和驱替效率。
15、铝氧八面体：是由一个铝与六个氧（或羟基）配位而成。
16、晶层：由于单元晶格的大小相近似，四面体片和八面体片很容易沿C轴迭合而成为同一的结构层，这样的结构层称为单元结构层，简称晶层。
17、聚合度：生成聚合物的单体单元数。
18、表面活性剂：少量存在就能降低水的表面张力的物质。
19、单液法：指向油层注入一种液体，这种液体所带的物质或随后变成的物质可封堵高渗透层或大孔道称为单液法。
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。
黏土水泥浆中水泥初始水化历程研究
黏土水泥浆中水泥初始水化历程研究陈振国;徐润;孙光;宋雪飞【摘要】利用水泥水化热测量系统（直接法）,研究黏土水泥浆的初始水化历程。
通过对不同配比浆液的测试,分析各因素对黏土水泥浆中水泥水化的影响。
试验结果表明：黏土水泥浆中水玻璃对水泥水化的促进作用主要发生在最初的24h内。
由高密度黏土浆配成的黏土水泥浆液中,水泥水化速率略小。
理论分析得出黏土颗粒中,活性物质与水泥水化产物氢氧化钙的反应,一定程度促进水泥水化和结石体强度的增长。
【期刊名称】《建井技术》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】3页(P30-32)【关键词】黏土水泥浆;注浆;水化热;研究【作者】陈振国;徐润;孙光;宋雪飞【作者单位】天地科技建井研究院,北京100013 煤矿深井建设技术国家工程实验室,北京100013;天地科技建井研究院,北京100013 煤矿深井建设技术国家工程实验室,北京100013;天地科技建井研究院,北京100013 煤矿深井建设技术国家工程实验室,北京100013;天地科技建井研究院,北京100013 煤矿深井建设技术国家工程实验室,北京100013【正文语种】中文【中图分类】TD265.42在煤矿立井地面预注浆中，黏土水泥浆为主要的注浆材料。
黏土水泥浆由粘土、水泥、添加剂和水组成。
黏土水泥浆在凝结过程中，发生从流态到固态所产生的粘性、塑性、弹性的连续演变，无明显的初凝、终凝［1］。
水泥作为浆液中最主要的胶凝材料，其加量的多少决定了结石体的强度大小。
而其水化反应速率则影响了浆液的固化速率。
利用水泥水化热测量系统（直接法），分析黏土水泥浆中各因素对水泥水化的影响。
这对黏土水泥浆的研究和进一步发展具有重要意义。
1 试验1.1 试验仪器及材料仪器：自制水泥水化热测量系统（直接法）；量筒；空调；泥浆比重计。
材料：基准水泥；模数为3.3的水玻璃40Be′；朱集西矿立井地面预注黏土水泥浆用的黏土。
1.2 试验方法利用朱集西矿立井地面预注黏土水泥浆用黏土配制密度为1.17和1.11g／cm3的黏土浆。
粘土矿物的水化机理
粘土矿物的水化机理摘要粘土矿物作为一种重要的地球材料，具有广泛的应用价值。
其水化机理是研究粘土矿物水化过程中非常重要的一环，对于理解粘土矿物的性质和行为具有重要意义。
本文将深入探讨粘土矿物的水化机理，并通过Markdown文本格式详细介绍。
粘土矿物的概述粘土矿物是一类由层状结构组成的细颗粒矿物，主要由硅酸盐矿物组成。
其结构由两个硅酸盐层夹杂着一个或多个层状阳离子（通常是氢离子、镁离子或铝离子）而构成。
粘土矿物具有较大的比表面积和较强的吸附性能，因此在土壤科学、地质学和材料科学等领域具有广泛的应用。
粘土矿物的水化过程粘土矿物的水化是指粘土矿物与水或水溶液接触后发生的结构和性质的变化过程。
水化过程中，水分子会进入粘土矿物的层间隙，与层状阳离子发生相互作用，并引发粘土矿物结构的变化。
粘土矿物的水化过程可分为两个阶段：吸附水和结合水。
吸附水吸附水是指从粘土矿物表面吸附到层状阳离子表面的水分子。
这些水分子与粘土矿物表面形成氢键，并且与层状阳离子之间的距离较远。
吸附水的存在使得粘土矿物具有一定的吸附性能，可以吸附和释放溶液中的离子和分子。
结合水结合水是指从吸附水中挤压出来的水分子，它们与粘土矿物中的层状阳离子形成氢键，并且与层状阳离子之间的距离较近。
结合水的存在导致粘土矿物的层间距离增加，从而使得粘土矿物的体积膨胀。
结合水的含量和性质决定了粘土矿物的性质和行为。
水化反应水化是通过粘土矿物的吸附水和结合水与其他溶液中的离子和分子发生反应而进行的。
这些反应可以引发粘土矿物结构的变化，如层间阳离子的置换、粘土矿物层间的离子交换等。
水化反应还可以导致粘土矿物中部分晶体结构的解理和变形。
粘土矿物的水化机理粘土矿物的水化机理主要包括两个方面：吸附机理和结合机理。
吸附机理粘土矿物的吸附机理涉及到水分子与粘土矿物表面相互作用的过程。
水分子与粘土矿物表面的氢键作用一般分为两类，即吸附到氧上的吸附水和吸附到铝或镁上的吸附水。
吸附到氧上的吸附水与层状阳离子之间的相互作用较弱，容易释放。
钻井液的组成和分类
钻井液的组成和分类钻井液的组成钻井液是由分散介质（连续相）、分散相和化学处理剂组成的分散体。
例如，以水为连续相的水基钻井液是由水（淡水或盐水）膨润土、各种处理剂、加重材料以及钻屑所组成的多相分散体系。
以油为连续相的油包水钻井液是由油（柴油或矿物油）、水滴（淡水或盐水）、乳化剂、润湿剂、亲油固体等处理剂所形成的乳状液分散体系。
分散体系的分类分散体系是指一种或多种物质分散在另一种物质中所形成的体系。
被分散的物质称为分散相（不连续相）另一种物质称为分散介质连续相）。
热力学上把体系中物理性质和化学性质完全相同的均匀部分称为相。
相与相之间有明显的相界面。
例如，膨润土颗粒分散在水中，膨润土颗粒为分散相，水为分散介质，黏土颗粒和水之间有明显的分界面；水滴分散在油中,水是分散相,油是分散介质,水滴和油之间有明显的分界面。
分散体系按分散相颗粒的大小分为以下几类：1.分子分散体系。
分子分散体系是指溶质以小分子、原子或离子状态分散在溶剂中形成的体系，没有界面，是均匀的单相，其粒子直径在Inrn以下。
通常把这种体系称为真溶液。
2.胶体分散体系。
胶体分散体系是指分散相颗粒的直径小于IOOnm的分散体系。
其目测是均匀的，但实际是相不均匀体系（也有将分散相颗粒的直径为I-IOOOnm的颗粒归入胶体范畴），如AgI溶胶等。
3.粗分散体系。
粗分散体系是指当分散相颗粒的直径大于100nm时，目测是混浊不均匀体系，放置后会沉淀或分层，如浑浊的河水等。
钻井液中的分散相颗粒一般介于胶体分散体系与粗分散体系之间，其稳定性规律可以通过研究胶体体系稳定性规律来获得。
钻井液的分类钻井液按密度可分为非加重钻井液和加重钻井液;按其与黏土水化作用可分为非抑制性钻井液和抑制性钻井液力安其固相含量来分）各固相含量较低的称为低固相钻井液，基本不含固相的称为无固相钻井液；根据分散（流体）介质不同，分为水基钻井液、油基钻井液、气体型钻井流体和合成基钻井液4种类型。
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
钻井液的化学基础
1．粘土矿物晶格内部离子置换 ． 前述已提到，蒙脱石粘土矿物内部离子置换量大， 产生负电荷多，能吸附较多的外部阳离子。而高岭石粘 土矿物，一般不存在内部离子置换作用。伊利石粘土矿 物也有少量内部离子置换作用。 2．粘土矿物晶格表面氢氧层中氢的电离 ． 由于氢的电离使粘土带负电，引起阳离子交换，这 只能在碱性条件下产生。酸性条件下，则产生氢氧的电 离，使粘土带正电，变为吸附外界的阴离子。 这是高岭 石粘土矿物产生负电荷的主要原因，但这一原因所产生 的交换量是不大的。 3．断键作用 ． 断键(有的叫破键)作用是指粘土晶格周围存在断裂面， 电荷不饱和所产生的吸附外界阳离子的作用(也可吸附阴 离子)。 由于断键作用产生的负电荷也是不大的。当粘 土矿物晶格破坏严重及分散度增加时，这一作用所引起 的交换量也增加。如蒙脱石矿物就约有20％的阳离子交 换量是由于断键作用引起的。断键作用也是高岭石、伊 利石和海泡石族矿物产生离子交换的重要原因。
图2 渗透水化膨胀与双电层斥力
(二)粘土的水化性能 粘土的水化性能或水化作用是指粘土颗粒吸附水分子 的状态和能力。 如前所述，粘土颗粒表面可以直接吸附极性水分子一 吸附水。更主要的是，粘土颗粒表面的水化作用，还可 通过吸附阳离子的水化来实现，使粘土颗粒表面形成水 化膜。 各种阳离子的水化能力是不相同的，如表3—2所 示。
2．离子交换次序及其影响因素 粘土中阳离子交换次序如下： H+＞Fe3+＞A13+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+＞Li+ 影响因素有下列方面： (1)离子电价的影响 电价高的离子，其电荷密度大，引力强，因 此一般是高价离子取代低价离了，高价离子的交换能力比低 价离子强。如Ca2+比Na+更易被粘土所吸附。 (2)离子半径或原子序数的影响 价数相同的离子，离子半径或周 期表中原子序数大的，其交换能力要比小的强。如同样是一 价的钾、钠离子，钾的离子半径为1.33A，原子序数为19，而 钠离子半径为0.98A，原子序数为11，因此钾的交换能力比钠 强。 (3)离子水化能力的影响 同价离子，离子半径大的水化能力要弱 些。水膜薄些，更易被吸附，即水化能力小的离子易被吸附 (参考前表3—2)，交换能力大些。 上述次序中，氢离子是个例外，它虽属一价阳离子，而 其交换能力比三价离子还强。这主要是由于H+的体积特别小， 水化能力又差，易被粘土吸附。但这种吸附是不稳定的，并 且只有在酸性条件下才存在。
5.4-黏土—水系统胶体化学汇总
B、粘土负电荷还可以由吸附在粘土表面的 腐植质离解而产生
黏土表面常吸附一些腐殖质，腐殖质 的羧基产生离解，解离出H+而产生负电荷。 羧基上的H+解离出来以后，羧基就变成带 负电的离子团。
随pH值改变，碱性环境有利于H＋离 解产生更多负电荷
2、两性电荷
粘土颗粒在一定条件下也可以带正电 荷。棱边为层状结构的断裂处，棱边上存 在的活性破键(悬键)在不同的介质中接受 或释放质子(H＋)而带电荷
4 d/D
其中ζ为动电电位，σ为表面电荷 密度，d为双电层厚度，D为介质介电常 数
四、黏土—水系统的胶体性质
流变学是研究外力作用下物体流 动及变形的科学
本节仅介绍流变学中最基本的知 识－－流体流型
（一）理想流体：
当在物体上施加剪切应力τ时，物体开 始流动，流体产生的剪切速度梯度（D＝ dv/dx）与剪切应力成正比：
Na＋ Na＋
Na＋
1.7nm
0.88nm
4nm
Na＋ Na＋
Na蒙脱石：晶格膨胀、晶层分离
❖因此，为了提高粘土（如膨 润土）的水化性能，一般需 将其水化，使钙膨润土变为 钠膨润土
（二）粘土胶体的电动电位
固体与液体接触，除了润湿、铺展和 吸附外，还可呈现出带电现象，使固液 界面出现特殊的双电层结构。
5.4-黏土—水系统胶体化学汇总
一、黏土的荷电性
＋
水 沙层
一段时间后，
正极管：粘土微粒透过 细沙层逐渐上升，水变 浑浊，水层逐渐下降；
负极管：水不浑浊，但 水面逐渐上升。
实验结果：粘土颗粒带 电，在外电场作用下向 正极移动。
土粒 湿粘土
水
――1809年卢斯(Luse)发现
5--水淹层解释-1
E=3.0811×Rmf0.4469×ΔP
因此，将实测的自然电位减去过滤电位就得到了消除过滤电位影响的自然电位数值：
Usp Eda E K log
②地层厚度特征
Rmf 3.0811 Rmf 0.4469 P Rw
由于地层厚度影响SP的幅度。当地层减薄时，地层SP幅度会降低。
3 油气层微孔隙发育
当油气储层中存在两组孔隙系统(一组是孔隙半径小于0. 1μ m 的微孔隙系统,另一组是粒间渗流孔隙系统) 情况下,由于油气层微 孔隙十分发育,并且微孔隙系统中存在相当数量的微孔隙水,使油气 层的电阻率值减小。通常微孔隙十分发育的油气层,在储层孔隙结 构上压汞分析喉道半径分布图呈双峰分布,即喉道半径峰值分别为 0. 1μ m 左右和2. 0～10. 0μ m。
当油气层与水层中地层水不一样,而且差异很大时,降低了油气层 与水层的电性差异。在冀东油田、渤海岐口油田、华北留路油田已 发现这类油气层。通常遇到的水洗油藏、淡水破坏油藏均属此类。 3 侵入与测井探测范围有限
由于地层中存在裂缝等原因,泥浆侵入地层较深,泥浆滤液驱走井 眼周围油气,使油气层电阻率降低(从测井结果上看是低阻) 。
钻井液习题参考答案
一、概念1.粘土晶格取代：在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外阳离子所置换，而晶体结构保持不变的现象。
2.钻井液剪切稀释性：钻井液中塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加而降低的特性称为剪切稀释性。
3.碱度：指溶液或悬浮液对酸的中和能力。
API选用酚酞和甲基橙两种指示剂来评价钻井液及其滤液碱性的强弱。
4.聚结稳定性：分散相粒子是否容易自动聚结变大的性质。
5. 粘土水化作用：粘土矿物表面容易吸附较多水分子的特性。
6. 流变模式：钻井液流变性的核心问题是研究各种钻井液的剪切应力与剪切速率之间的关系。
用数学关系式表示称为流变方程，又称为流变模式。
8.粘土阳离子交换容量：是指在分散介质pH=7时，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。
阳离子交换容量以100克粘土所能交换下来的阳离子毫摩尔数来表示．符号为CEC。
9.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。
10.页岩抑制剂：凡是能有效地抑制页岩水化膨胀和分散，主要起稳定井壁作用的处理剂均可称做页岩抑制剂，又称防塌剂。
11．剪切稀释性：塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加而降低的特性称为剪切稀释性。
12．动切力：塑性流体流变曲线中的直线段延长线与切应力轴的交点为动切力，又叫屈服值。
13．静切力：使流体开始流动的最低剪切应力称为静切力。
14．流变性：是指在外力作用下，物质发生流动和变形的特征；对于钻井液而言，其流动性是主要的方面。
15．滤失造壁性：在压力差作用下，钻井液中的自由水向井壁岩石的裂隙或孔隙中渗透，称为钻井液的滤失作用。
在滤失过程中，随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固相颗粒便附着在井壁上形成泥饼(细小颗粒也可能渗入岩层至一定深度)，这便是钻井液的造壁性。
16．粘土高温分散作用：在高温作用下，钻井液中的粘土颗粒分散程度增加，颗粒浓度增加、比表面增大的现象。
17．钻井液高温增稠作用：高温分散作用使钻井液中粘土颗粒浓度增加，钻井液的粘度和切力也均比相同温度下理想悬浮体的对应值高的现象，称为高温增稠作用。
水泥水化反应公式
水泥水化反应公式水泥是一种常见的建筑材料，其主要成分是水泥熟料和适量的石膏。
水泥水化反应是指水泥与水发生化学反应，形成水化产物。
下面将详细介绍水泥的水化反应公式。
水泥的主要成分是熟料，其主要由石灰石（CaCO3）、黏土和其他材料如砂、铁矿石等组成。
在生产过程中，这些原料先经过破碎、混合、煅烧等工艺，产生熟料。
将熟料与适量的石膏混合，经过研磨、制成石膏水泥。
水泥与水发生水化反应，主要分成以下几个阶段。
1.熟化期阶段：水泥加入水后，熟化期得以开始，此时水泥中的三种主要矿物，石灰石（CaCO3）、硅酸二钙（C2S）和石膏（CaSO4）开始发生反应。
最先反应的是石膏，形成硫酸钙（CaSO4·2H2O）。
硫酸钙是水泥凝结和硬化过程中的重要水化产物。
反应公式：CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O2.硅酸二钙水化阶段：在熟化期之后，硅酸二钙开始与水发生水化反应。
硅酸二钙的水化过程是水泥凝结和硬化的主要过程。
硅酸二钙的水化过程可以分为两个阶段：快速水化和慢速水化。
快速水化：在水化的早期阶段，硅酸二钙的水化反应是非常快速的。
硅酸二钙在水中分解为钙离子（Ca2+）和氢氧根离子（OH-）。
反应公式：C2S+2H2O→Ca2++2OH-+SiO2慢速水化：随着时间的推移，快速水化阶段结束后，慢速水化阶段开始出现。
慢速水化主要是硅酸二钙与水中的钙离子反应，生成水化硅酸钙胶凝材料（C-S-H）。
C-S-H是水泥中产生的主要水化产物，它是水泥的主要凝结和硬化产物，具有胶凝性能。
反应公式：Ca2++SiO2+H2O→C-S-H3.硫铝酸钙水化阶段：硫铝酸钙（C3A）也是水泥中的主要成分之一，它会与水和氢氧根离子发生反应，生成水化硫铝酸钙胶凝材料（C-A-H）。
C-A-H也是水泥中的一种水化产物，对于水泥的硬化和强度发挥重要作用。
反应公式：2C3A+6H2O+6OH-→C-A-H+3Ca(OH)24.法氏体转换阶段：在水泥水化反应的后期，C3S开始发生法氏体转变反应，即C3S中的糊剂转化为Cu-S-H胶凝材料。
风化作用有哪些类型
风化作用的类型1. 物理风化物理风化是指在物理条件下，由于温度变化、压力变化和水的存在等因素引起的岩石破碎和颗粒磨损的过程。
物理风化通常分为以下几种类型：•温度变化风化：由于岩石受到日夜温度变化的影响，发生热胀冷缩的现象，导致岩石发生开裂和剥落现象。
•冻融风化：在寒冷地区，岩石表面的水分会在低温下结冰，由于冰的体积比水大，会对岩石产生强大的冻胀压力，导致岩石破碎。
•蒸发风化：当水中溶有盐类物质时，水分蒸发后，盐类物质会析出沉淀，形成盐结核，扩大岩石孔隙和裂缝，导致岩石分解和破碎。
•压力变化风化：由于地壳的变化或火山活动等造成地下岩石受到压力变化，压力的释放会导致岩石表面发生开裂和剥落。
2. 化学风化化学风化是指在气候条件下，由于空气中的水分、酸性物质、氧化物等化学物质的作用，导致岩石与其中的矿物质发生化学反应，从而改变矿物质的结构和性质。
常见的化学风化类型包括：•水解：水解是指水分子与岩石中的某些矿物质发生反应，导致矿物质的分解和溶解。
常见的水解反应包括酸性水解和碱性水解。
•氧化：氧化是指岩石中的矿物质与氧气发生反应，产生氧化物的过程。
氧化通常会导致岩石颜色的变化，形成锈红色或黄褐色的氧化皮层。
•碳化：碳化是指岩石中的一些碳酸盐矿物质与二氧化碳发生反应，产生碳酸盐溶液和固体残渣的过程。
碳化通常会导致岩石的表面粗糙和孔隙的扩大。
3. 生物风化生物风化是指由于生物活动对岩石和土壤进行机械和化学的破坏作用，主要包括以下几种形式：•根系风化：植物的根系可以通过物理力量和化学分泌物对岩石进行破坏。
当根系长势强盛时，根系会扩大岩石裂隙并渗入其中，当根系代谢分泌物质时，会对岩石矿物质进行化学反应。
•生物磨蚀：生物磨蚀主要是指动物的活动对岩石表面进行磨蚀的过程。
例如，动物在地面上行走、挖掘巢穴或洞穴时，会对岩石表面造成磨损。
•生物侵蚀：生物侵蚀是指生物通过摄食和分泌物质，对岩石表面和结构进行侵蚀。
例如，蚯蚓的进食活动可以改变土壤结构，而微生物可以通过分解有机物质产生酸性物质，加速岩石的溶解。
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粘 吸 结 彩 定ｔ分析 土 附合
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结合水类型 界限 水合机制 ’
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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
实验应用研究。
的主要贡献是
本 试圈 立 套 普 捡经顷吸 结 水的 究 径． 确 粘 表 一 完 的 文 建 附 合 研 选 在 定 土
了粘土表面结合水定量测定的实验研究方法；建立了一套完善的研究
粘土表面吸附结合水的途径。
２ 成功地将热重分析法用于粘土表面结合水定３ 成功地将红外光谱法、离子交换法用于粘土表面结合水类型、存在界限的 ．
定性确定。
４ 建立了粘土表面结合水定量表征方法，给出了它们的概念，确立了相关的 ．
计算方法。
５ 实验研究并确立了粘土结合水类型、存在界限；将双电层结构与结合水存 ． 在形式统一起来， 完整描述了 粘土水合机制和水合状态， 给出了 粘土一水相互 作用关系的微观模型图，为开展进一步的研究工作奠定了 基础。 ６ 得到了 ． 粘土表面吸附结合水物理化学性质不同于纯水的 初步认识。 ７ 提出了 ． 粘土岩水合程度、水合状态的概念，阐述了 确定水合程度、水合状 态的重要意义，建立了相关的实验研究程序。 ８ 研究并得出了粘土矿物自 ． 水气中的等温吸附曲线可用来表征同种粘土矿物 在不同活度液相水中的等温吸附曲 进而凡是表征粘土矿物一水相互作用的 线， 物理量随相对水气平衡压的变化关系， 均可用其自 水气中的等温吸附曲线来表