第五章 钻井液胶体化学基础

第五章钻井液胶体化学基础

一、有关胶体的基本概念和术语

胶体化学研究的是难溶物分散在分散介质中构成的系统的性质，在这种系统中，分散相高度分散，具有很大的相界面，这是热力学上一个不稳定的系统，但有些胶体体系却是相对稳定的，所以胶体稳定性的原因，胶体体系的制备和破坏，都是胶体化学研究的对象。钻井液就是这样一个相对稳定的胶体体系。

分散系统的分类：按分散相粒子尺度分类。

1、分子分散体系（R＜10-9m）

2、胶体分散体系（10-9m ＜R＜10-7m ）

3、粗分散体系（R＜10-7m）

胶体实际上是分散颗粒直径在1nm～1um之间的细分散体系。由于钻井液中的粘土颗粒、聚合物分子及乳化状态的微小水珠，具有明显的胶体特征和特性，聚合物溶液中的高分子线团结构也具有胶体的一些通性，因此，了解胶体的基本性质，特别是熟悉胶体化学的基础理论和基本概念，对于掌握钻井液的胶体特性，以便更好地控制和维护处理钻井液的性能是十分重要的。

胶体是由难溶物构成的高度分散的系统，粒子的粒度为10-9m ＜R＜10-7m，胶体的性质主要是由于它特殊的分散程度。从热力学上来讲，他是一个不稳定的系统，这时因为界面很大，所以界面能很大，有聚沉的趋势。但有些胶体却是十分稳定的，这种稳定性来源于胶体特殊的胶粒结构。

如果光是把不溶性的固体分散在一种介质中，是不能制备出一种稳定的胶体的，还必须有第三种作为稳定剂的物质存在（这种物质通常是电解质），作为稳定剂的离子吸附在胶粒的表面，形成双电层，由于胶粒的带电和离子的溶剂化作用，胶粒才能稳定的存在于介质中形成胶体体系。

我们可以从以下几方面认识胶体体系：1、胶体中的不溶物具有晶体的特性，在溶液里，晶体颗粒大小不定（在一定范围内）；2、胶体是一个多相体系，相界面大，是一个热力学不稳定的系统，有聚沉的趋势。3、胶体的稳定性来源于稳定剂的存在而形成的双电层结构体系。

二、胶体化学中的基本术语

⑴相—是指物质的物理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，称为多相体系。

⑵相界面—是指相与相之间的接触面称为相界面，相与相之间的宏观物理界面。在相互接触的两相中，若一相为气体，相界面称为表面，若是液—固分界面，称为界面。

⑶分散相—是指在多相分散体系中，被分散的物质。

⑷分散介质—是指分散相所在的连续介质，又叫连续相。

例如：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。

⑸分散度D—是指分散相的分散度，是分散程度的量度，通常用分散相颗粒平均直径或长度a的倒数来表示。 D=1／a。

⑹比表面—是指单位体积（重量）物质的总表面积。比表面 = S/V（ m-1）或比表面= S/W（m2／kg）。

⑺吸附—是指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。

⑻吸附质—是指被吸附的物质。

⑼吸附剂—是指吸附吸附质的物质。

⑽物理吸附—是指吸附的作用力是以静电吸引为主的吸附。

⑾化学吸附—是指吸附的作用力是以化学键力为主的吸附。

三、胶体的基本性质

1、扩散

扩散是物质由高浓度区域向低浓度区域自发运移的过程，它是热力学第二定律的必然结果，即均匀分布时体系的熵值最大。扩散与热传导相似，物质自高浓度向低浓度移动。在胶体体系中普遍存在扩散现象。

2、布朗运动

布朗运动是胶体粒子在溶液中的不规则运动。扩散是布朗运动的宏观表现，而布朗运动是扩散的微观基础。

3、沉降与沉降平衡

胶体质点在重力场中的定向运动，称为沉降运动。处于重力场中的溶胶粒子，平衡时受到两种力的共同作用，一种是重力作用，它使胶粒下沉，另一种是胶粒做布朗运动产生的扩散力，它使溶液中胶粒浓度趋于一致，当两种效应达到平衡时，胶粒的浓度分布也达到了平衡，形成一定的浓度梯度，这就是沉降平衡。

如：钻井液中的粘土颗粒在重力场的作用下，粒子沉降，下部粒子浓度增加，上部浓度降低，破坏了胶体体系的均匀性，又引起扩散作用，即下部高浓度区粒子向上运动，使体系浓度趋于均匀，因此，沉降作用和扩散作用是一对矛盾体的两个方面。沉降具有以下几个规律

沉降速度与质点大小有显著依赖关系，分散度越大质点沉降速度越小。调节胶体粒子与分散介质的密度差可以控制沉降速度沉降速度与介质粘度有关，因此提高介质的粘度可控制质点的沉降速度。

四、粘土—水胶体分散体系中的胶团结构

在黏土—水形成的胶体中，高度分散的粘土颗粒是胶团的核心，我们称它为胶核。

由于黏土颗粒带有负电性所以会吸引液相中阳离子围绕在它的周围，另一方面液相中阳离子由于本身热运动使得只有靠近土粒表面的部分阳离子吸附在土粒表面与土粒一起运动，形成所谓吸附层。

距离土粒表面较远的阳离子由于受到的静电引力小，在液相中呈扩散状态，形成所谓扩散层。

我们把胶核与吸附层阳离子构成实体叫做胶粒。

胶粒与扩散层阳离子构成的实体叫做胶团。

胶团分散在水中便形成溶胶。

五、钻井液中粘土表面扩散双电层和电动电位

1、扩散双电层和电动电位

在粘土—水形成的胶体分散体系中，粘土颗粒周围吸引的反离子，随着与固体界面的距离增加浓度分布逐渐减少，直到粘土电荷电力线所不能及的距离处，反离子分布为零（此时，溶液是均匀的），从固体表面到反离子为零处称为扩散双电层。实际上扩散双电层是由吸附层和扩散层构成。

因为反离子在溶剂中被溶剂化（如离子的水化），固体表面紧密连接着的部分反离子构成的吸附层也叫吸附溶剂化层。当胶粒运动时，界面上的吸附溶剂化层随着一起运动，与扩散层分开。吸附溶剂化层与扩散层错开的界面称为滑动面。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（或ζ电位）；从固体表面到均匀液相内的电位，称为热力学电位（表面电位）。热力学电位取决于固体表面所带的总电荷，而ζ电位则取决于固体表面电荷与吸附溶剂化层内反离子电荷之差。

六、钻井液的稳定性

1、胶体稳定性的概念

胶体的稳定与破坏是胶体化学的核心问题。胶体是热力学不稳定体系，这是因为胶体是高度分散的多相分散体系，具有很大的比表面和表面能，根据表面能自动下降原理，胶体质点有自发聚结变大的趋势，以降低表面能。胶体体系的稳定是相对的、暂时的、有条件的，不稳定是绝对的。钻井液是一种复杂的胶体分散体系，我们在其中加入的很多处理剂都是为了调整钻井液性能，维护其稳定性。钻井液的稳定性包括两个方面，即动力稳定性和聚结稳定性。

动力稳定性：在重力作用下，分散相粒子是否容易下沉的性质。

聚结稳定性：分散相粒子是否容易自动聚结变大的性质。