《钻井液工艺学(修订版)》(鄢捷年)第二章粘土胶体化学基础

•
晶格取代是指低价离子取代高价离子的现象，结果是粘土带负电。
蒙 、 伊 差 别
蒙 多发生铝氧八面体上，有较多的 Al3+→Fe2+、Mg2+,所缺正电荷由Na+、 Ca2+等补偿（吸附在表面上）
伊
多发生在硅氧四面体上,Si4+→Al3+ 所缺正电荷由K+补偿，K+进入六角环中
（1）K+离晶层表面近，相邻晶层与K+产生较强的静电引力，使
（2）铝氧八面体
氢氧原子团 铝原子
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
（2）铝氧八面体 铝氧八面体片
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
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
粘土颗粒，而负极周围液面升高。
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 4.伊利石的晶体构造：
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 4.伊利石在储层中存在形态：
伊利石
• •
伊利石是砂岩中最常见的粘土矿物。 伊利石的晶片结构与蒙脱石相似，也是2:1型，但性质 却差异很大， 伊利石的晶格不易膨胀，水分子不易进入晶层.
（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：
第一阶段：四个水分子层进入粘土晶格层面。在胀开的粘土颗粒
表面上主要作用力是水的吸附能量。
第一层水是水分子与粘土表面六角形网络的氧原子形成H键而保 持表面上，起作用的力达几千个大气压。第二层水也与第一层水
以H键连接，以后类推，但H键强度却降低。
第二章 粘土胶体化学基础
• • 2.3 粘土水化膨胀 2.3.2 粘土水化膨胀作用机理
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物

2.1.1粘土在空隙中存在的形态
2.薄膜式：在砂粒表层呈定向排列，形成连续的薄膜。 影响产能的形式：粘土矿物的性质决定着岩石的表面性质。 外来液体与粘土薄膜起反应，由于粘土膨胀及分散而影响产 能。使渗透率下降。
第二章 粘土胶体化学基础

（2）由渗透水化引起的膨胀
水
斥 力 水
第二章 粘土胶体化学基础
• • 2.3 粘土水化膨胀 2.3.3影响水化膨胀的因素

（1）粘土吸附的阳离子：交换性阳离子不同，水化程度差别
很大。
原因：粘土单元晶层间存在着两种力。一种是层间阳离子水化 产生的膨胀力和带负电荷的晶层斥力 F1 ，另一种是粘土单元晶 层—层间阳离子—粘土单元晶层之间的静电引力F2，粘土膨胀分 散程度取决于这两种力的比例关系。
a、定义：在PH值等于7的 条件下，粘土所能交换下来的阳离子
总量，其数值以100克土所交换下来的毫克当量数表示或毫摩尔
数表示。
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.2 粘土矿物的性质

2.2.2粘土的吸附性能 3.离子交换吸附 4）阳离子交换容量
b、影响因素：
① 粘土的本性；② 粘土颗粒的分散度；③ 溶液pH值的影响

2.1.1粘土在空隙中存在的形态
分散质点式
薄膜式
搭桥式
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
氧原子 硅原子
硅氧四面体
有一个硅原子和四个氧原子，硅原子在四面体中心，氧原 子在顶点，硅原子和四个氧原子之间的距离相等。
第二章 粘土胶体化学基础
• • 2.3 粘土水化膨胀 2.3.2 粘土水化膨胀作用机理

（2）由渗透水化引起的膨胀
滑动面

2.粘土水化膨胀的两个阶段
b、扩散双电层
粘 土
ξ
吸附 扩散层
第二章 粘土胶体化学基础
• • 2.3 粘土水化膨胀 2.3.2 粘土水化膨胀作用机理

2.粘土水化膨胀的两个阶段
• 2.2 粘土矿物的性质

2.2.2粘土的吸附性能 2.化学吸附
H O
COONa 通过配价键吸附
粘土
Al O H OH
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.2 粘土矿物的性质

2.2.2粘土的吸附性能 3.离子交换吸附 1）定义：一种离子被吸附的同时从吸附剂表面顶替出等 当量的带相同电荷的另一种离子的过程。
第二章 粘土胶体化学基础
• • 2.3 粘土水化膨胀 2.3.3影响水化膨胀的因素

（4）外来液体的含盐量
有人研究表明：粘土晶层间的膨胀力π取决于层间离子浓度C1和外
来液体离子浓度C2之差：
第二章 粘土胶体化学基础
• • 2.3 粘土水化膨胀 2.3.3影响水化膨胀的因素

（2）粘土矿物类型：粘土矿物不同水化作用不同

（3）粘土的晶体部位：部位不同，水化膜厚度不同，层面上
厚，端面上薄。
原因：粘土的负电荷大部分集中在层面上（晶格取代）吸附的阳 离子多。粘土的表面水化膜主要是由阳离子水化造成的

2.粘土水化膨胀的两个阶段

（2）由渗透水化引起的膨胀
a、渗透现象及渗透压
第二章 粘土胶体化学基础
• • 2.3 粘土水化膨胀 2.3.2 粘土水化膨胀作用机理

2.粘土水化膨胀的两个阶段

（2）由渗透水化引起的膨胀
b、扩散双电层 扩散双电层来源于粘土颗粒的带电性。 粘土颗粒遇水后，表面带负电，周围必然要吸附阳离子。 表面负电荷—定势离子；阳离子—反离子。
靠吸附剂与吸附质之间的化学键力而产生的。发生了化学反 应。
化学吸附的特点：1、发生化学反应 2、吸附力强，不易脱附
3、有选择性 4、速度较慢
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.2 粘土矿物的性质

2.2.2粘土的吸附性能 2.化学吸附
例：NaT
HO
HO OH
COONa 在粘土表面的吸附
第二章 粘土胶体化学基础
结论：粘土颗粒在水中带负电。
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
电泳现象
电泳现象结论
• 粘土带负电。

2.粘土颗粒带电的原因
（1）永久负电荷 晶格取代引起粘土颗粒带负电.与介质PH值 无关。
（2）可变负电荷这种负电荷的数量随介质的PH值而改变。产
生可变负电荷的原因比较复杂。 （3）正电荷
第二章 粘土胶体化学基础
• • 2.3 粘土水化膨胀 2.3.1粘土矿物的水分

按其存在状态可分为三类
1、结晶水（化学结合水）是粘土矿物中晶体构造的一部分（铝
氧八面体O2-和OH-层）。只有温度高于300℃以上时，结晶受到 破坏，这部分水才能释放出来。
第二章 粘土胶体化学基础
• • 2.3 粘土水化膨胀 2.3.1粘土矿物的水分
a、离子价数：阳离子价数越高，吸附能力越强。
b、离子半径：价数相同，浓度相近，离子半径越小，水化半径
大，离子距离粘土表面远，吸附弱，反之越强。K+和H+例外。 c、离子浓度：浓度越高时，低价离子也可将高价离子交换下来。
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.2 粘土矿物的性质

2.2.2粘土的吸附性能 3.离子交换吸附 4）阳离子交换容量
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； • 有一些毛发状的伊利石，当流体流动时有可能被粉碎， 并运移至喉道处形成阻塞，起单向阀作用。
•
Si4+ → Al3+ →使晶层带负电
于是，氢氧化镁与水云母层之间以静电相吸连接，另外，
氢氧化镁晶层中的OH可与云母晶层中的O形成H键。所以
结晶完好的绿泥石遇水后不膨胀。
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 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
• 2.1 储层中常见粘土矿物

2.1.1粘土在空隙中存在的形态
3.搭桥式：粘土矿物晶体自储层孔隙壁伸向孔隙空间，在整个
孔隙空间形成粘土桥。
影响产能形式：大孔隙变成小孔隙后，形成了一个比面积很 大的吸水区，外来液体侵入后产生高的含水饱和度，影响油 的相对渗透率。
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.2 粘土矿物的性质

2.2.2粘土的吸附性能 1.物理吸附
仅靠分子间作用力引起的吸附，靠H键吸附也属于物理吸附 产生的原因：由于粘土表面具有表面能
A S
σ—表面张力 S—表面积
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.2 粘土矿物的性质

2.2.2粘土的吸附性能 2.化学吸附
土的束缚，可以自由运动。
第二章 粘土胶体化学基础
• • 2.3 粘土水化膨胀 2.3.2 粘土水化膨胀作用机理

1.粘土吸水的原因
①直接吸引水分子
②间接吸引水分子
第二章 粘土胶体化学基础
• • 2.3 粘土水化膨胀 2.3.2 粘土水化膨胀作用机理

2.粘土水化膨胀的两个阶段

（1）由表面水化引起的膨胀。
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物

2.1.1粘土在空隙中存在的形态
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物

2.1.1粘土在空隙中存在的形态
1.分散质点式：以分散质点形式充填在砂岩的粒间孔隙中，各
质点间互不连接。
对产能影响形式：通常比较松散，与骨架颗粒的附着力较弱， 当储层中的流体具有一定流速时，这些颗粒很容易脱落下来并 运移、堵塞孔隙喉道。
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 5.绿泥石的晶体构造：
两个硅氧四面体晶片夹一个铝氧八面体晶片组成云母层，在 两个云母层之间又有一个氢氧化镁晶层，如此重叠形成了绿 泥石
•Mg2+ → Fe3+
→结果使晶层带正电
• 云母层中：Al3+ → Fe2+
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.高岭石在储层中存在形态
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 3.蒙脱石的晶体构造：
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物

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2.1.2常见粘土矿物的结构 3.蒙脱石在储层中存在形态：
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.2 粘土矿物的性质

2.2.2粘土的吸附性能 3.离子交换吸附 2）特点：
a、同电性离子进行交换。
b、等电量互相交换。
c、离子浓度的影响，离子交换吸附的反应是可逆的。
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.2 粘土矿物的性质

2.2.2粘土的吸附性能 3.离子交换吸附 3）规律

按其存在状态可分为三类
2、吸附水：由于分子间引力和静电引力，具有极性分子可吸附
到带电的粘土的表面上，在粘土颗粒周围形成一层水化膜，这部 分水随粘土颗粒一起运动，所以被称为束缚水。
第二章 粘土胶体化学基础
• • 2.3 粘土水化膨胀 2.3.1粘土矿物的水分

按其存在状态可分为三类
3、自由水：这部分水存在于粘土颗粒的孔穴或喉道中，不受粘
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