钻井液完井液化学1

1、钻井完井液化学钻井完井液化学Drilling Fluids and Completion Fluids Chemistry主讲：主讲：梁大川梁大川 石工院钻井所泥浆室石工院钻井所泥浆室CNPC钻井液重点研究室钻井液重点研究室2 第一章第一章、 钻井液钻井液概论概论 本章要求掌握：本章要求掌握： 钻井液、完井液概念。钻井液、完井液概念。 钻井液、完井液的组成和类型。钻井液、完井液的组成和类型。 钻井液、完井液的主要作用。钻井液、完井液的主要作用。 钻井液基本性能参数。钻井液基本性能参数。 钻井液技术发展简史钻井液技术发展简史. 3第一节、第一节、 钻井液、完井液的定义钻井液、完井液的定义 狭义钻

2、井液狭义钻井液粘土以小颗粒状态粘土以小颗粒状态(2um)分散在水中所分散在水中所 形成的溶胶形成的溶胶 悬浮体。悬浮体。(泥浆泥浆,mud) 广义广义 钻钻 井井 液液 凡钻进中一切有助于从井眼产生和凡钻进中一切有助于从井眼产生和 清除钻屑的流体（液、气、液清除钻屑的流体（液、气、液+气）。气）。 (drilling fluid) 广义完井液广义完井液 一切与产层接触的流体（各种盐水、一切与产层接触的流体（各种盐水、 聚合物溶液、钻井液、泡沫等）。聚合物溶液、钻井液、泡沫等）。 (completion fluid) 狭义完井液狭义完井液 钻开油气层的钻井液（钻开液）。钻开油气层的钻井液（钻开液

3、）。 (drill in fluid) 4第二节、第二节、 钻井液的组成、类型及性能钻井液的组成、类型及性能1. 钻井液的组成钻井液的组成 分散介质分散介质+ 分散相分散相+ 化学处理剂化学处理剂 连续相连续相+不连续相不连续相 液相液相+ 固相固相+ 化学处理剂化学处理剂 5分散相与分散介质分散相与分散介质分分 散散 相相 在多相分散体系中，被分散的物质。在多相分散体系中，被分散的物质。分散介质分散介质 分散相所在的连续介质。分散相所在的连续介质。分散体系分散体系一种或多种分散相分散在分散介质一种或多种分散相分散在分散介质中所形成中所形成 的体系。的体系。例如：钻井液中，粘土颗粒分散在水中例

4、如：钻井液中，粘土颗粒分散在水中: 粘土为分散相；粘土为分散相； 水为分散介质。水为分散介质。6 某种水基钻井液组分为：某种水基钻井液组分为：水水 + 膨润土膨润土 + 处理剂处理剂 100ml 5g 1g用组分表示的配方为：用组分表示的配方为：5%膨润土浆膨润土浆+1%处理剂处理剂配方表示的特点：配方表示的特点： 用用W/V百分数表示组分。百分数表示组分。 不考虑处理剂的体积。不考虑处理剂的体积。7钻井液的组成示例钻井液的组成示例82. 钻井液的分类钻井液的分类通常根据分散介质分为四大类：通常根据分散介质分为四大类： 水基钻井液（水基钻井液（Water-Base Drilling Fluid

5、s） 油基钻井液（油基钻井液（Oil-Base Drilling Fluids） 气基钻井流体（气基钻井流体（Gas-Base Drilling Fluids） 合成基钻井液合成基钻井液(Synthetic-Base Drilling Fluids)9概论概论钻井液的分类钻井液的分类液体液体气体气体气液混合物气液混合物水基水基钻井液钻井液泡沫泡沫（以气为主）（以气为主）充气泥浆充气泥浆（以液为主）（以液为主）空气空气天然气天然气油基油基钻井液钻井液合成基合成基钻井液钻井液10%10:)/(%4)(:)367(/120:)/()/%(1:)(/120%;1:222OilWaterOilVVSFA

6、PAMLmgCaCaCLVWNaCLLmgCaNaCL混油低固相石灰石膏钙处理海水饱和盐水淡水水基浆固%.90:%.6010:)/(OilWaterOW一般油基油包水油基一般分类一般分类11API和和IADC分类法分类法 不分散钻井液（基本不不分散钻井液（基本不含处理剂的天然泥浆）含处理剂的天然泥浆）-non-dispersed drilling fluids 分散型钻井液分散型钻井液- dispersed drilling fluids 聚合物钻井液聚合物钻井液-polymer drilling fluids 低固相钻井液低固相钻井液-low solids drilling fluids 饱

7、和盐水泥浆饱和盐水泥浆-saturated saltwater drilling fluids 钙处理钻井液钙处理钻井液-calcium-treated drilling fluids 修井液，完井液修井液，完井液-workover ,completion fluids 油基钻井液油基钻井液-oil-based drilling fluids 气体类钻井液气体类钻井液-gas typed drilling fluids12石油钻井工程标委会钻井液分委会石油钻井工程标委会钻井液分委会综合分类法综合分类法 不分散聚合物钻井液（用不分散聚合物钻井液（用大中小分子聚合物处理的大中小分子聚合物处理的低固

8、相泥浆）低固相泥浆） 钾基钻井液钾基钻井液 , , K K+ +1800mg/L1800mg/L 分散钻井液分散钻井液 盐水钻井液盐水钻井液 饱和盐水泥浆饱和盐水泥浆 钙处理钻井液钙处理钻井液 修井液，完井液修井液，完井液 油基钻井液油基钻井液 气体类钻井流体气体类钻井流体13钻井液循环路线钻井液循环路线泥浆池泥浆池泵泵高压管汇高压管汇水龙带水龙带方钻杆方钻杆钻杆钻杆钻铤钻铤钻头钻头环空环空井口及井口及振动筛振动筛固控设备固控设备143. 钻井液的主要作用钻井液的主要作用携带、悬浮岩屑及加重材料控制压力形成泥饼破岩、清岩保护油气层传递水功率冷却润滑钻头15钻井液的主要作用钻井液的主要作用保持清

9、洁；控制压力；保持清洁；控制压力；冷却润滑；防止垮塌；冷却润滑；防止垮塌；避免损害；取准资料；避免损害；取准资料；传递功率；承受重量；传递功率；承受重量；164、钻井液的性能、钻井液的性能 钻井液的密度钻井液的密度(Density) 钻井液的流变性钻井液的流变性(Rheological Properties) 钻井液的失水造壁性钻井液的失水造壁性(Filtration Properties) 钻井液的含砂量钻井液的含砂量(Sand content of DF) 钻井液的钻井液的pH值值 钻井液的固相含量和油、水含量钻井液的固相含量和油、水含量 钻井液膨润土含量钻井液膨润土含量(MBT) 钻井液

10、的润滑性钻井液的润滑性(Lubricity) 钻井液滤液的钻井液滤液的化学性质化学性质（碱度、硬度、（碱度、硬度、Cl-含量、含量、.）17 平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地层平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地层流体的污染；流体的污染； 平衡地层压力，保持井壁稳定，防止井塌；平衡地层压力，保持井壁稳定，防止井塌； 实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机械实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机械钻速；钻速； 合理选择打开油气层的钻井液密度，减少钻井液合理选择打开油气层的钻井液密度，减少钻井液对产层的伤害。对产层的伤害。 用比重秤测定用比重秤测定。钻井液密度钻井液密度18钻井液的

11、含砂量钻井液的含砂量 定义定义: 钻井液中不能通过钻井液中不能通过200目筛的固相的体积占钻目筛的固相的体积占钻井液体积的百分数。井液体积的百分数。一般要求小于一般要求小于0.5。(74m) 含砂量过高带来的危害含砂量过高带来的危害： 钻井液密度升高，降低机械钻速；钻井液密度升高，降低机械钻速； 泥饼中含砂量升高，泥饼渗透率增大，失水增大；泥饼中含砂量升高，泥饼渗透率增大，失水增大； 泥饼表面摩擦系数增加；泥饼表面摩擦系数增加； 钻头、钻柱、泵等钻头、钻柱、泵等 机械设备磨损严重。机械设备磨损严重。19钻井液的钻井液的pH值值由于钻井液中使用的化学处理剂在碱性条件由于钻井液中使用的化学处理剂在

12、碱性条件下才能溶解，而酸性环境对钻井设备上的橡下才能溶解，而酸性环境对钻井设备上的橡胶部件有严重的腐蚀作用，所以，绝大多数胶部件有严重的腐蚀作用，所以，绝大多数钻井液体系的钻井液体系的PH值都控制在值都控制在7以上以上。不分散型钻井液体系：不分散型钻井液体系：PH=7.58.5分散型钻井液体系：分散型钻井液体系：PH10钙处理钻井液体系钙处理钻井液体系:PH1120钻井液膨润土含量（钻井液膨润土含量（MBT）钻井液中钻井液中活性粘土的数量活性粘土的数量。水基钻井液都有一个合适的膨润土含量，水基钻井液都有一个合适的膨润土含量，MBT过高，钻井液的粘度、切力增大，泥饼过高，钻井液的粘度、切力增大，

13、泥饼增厚，容易造成井下事故。增厚，容易造成井下事故。MBT过小，钻井过小，钻井液的粘度、切力急剧下降，失水增大。液的粘度、切力急剧下降，失水增大。21钻井液不应具有的性能钻井液不应具有的性能 伤害钻井人员，损害或污染环境伤害钻井人员，损害或污染环境 影响对所钻地层的评估影响对所钻地层的评估 对产层产生伤害对产层产生伤害 对钻井设备和管材造成较大腐蚀对钻井设备和管材造成较大腐蚀 Detrimental to the operators and environment. Detrimental to the formation evaluation . Cause any formation da

14、mage. Cause any corrosion of the drilling equipment and subsurface tubulars. 22优质钻井液的标准优质钻井液的标准 有利于安全、快速、优质、低耗钻井；有利于安全、快速、优质、低耗钻井； 有利于取全、取准各项工程、地质资料；有利于取全、取准各项工程、地质资料； 有利于发现、保护油气层有利于发现、保护油气层; 有利于保护环境。有利于保护环境。23钻井液工作的基本任务钻井液工作的基本任务 根据所钻井类型、地层特性、孔隙及破裂压力、根据所钻井类型、地层特性、孔隙及破裂压力、井温、测井及环保要求等正确选择钻井液类型；井温、测井及

15、环保要求等正确选择钻井液类型； 自始至终维护、保持良好的钻井液性能；自始至终维护、保持良好的钻井液性能； 预防、诊断及处理各种井下复杂情况和事故；预防、诊断及处理各种井下复杂情况和事故； 保证安全顺利钻井前提下，尽可能降低钻井液成保证安全顺利钻井前提下，尽可能降低钻井液成本。本。 根据地质及钻井工程需要研究新型钻井液处理剂、根据地质及钻井工程需要研究新型钻井液处理剂、体系及工艺技术。体系及工艺技术。24第三节、第三节、 钻井液工艺技术的发展钻井液工艺技术的发展1 初步发展时期初步发展时期 自然造浆阶段自然造浆阶段 1888 1928年年主要解决问题：主要解决问题： 携带钻屑携带钻屑 控制地层压

16、力控制地层压力典型技术：典型技术： 水水+ +钻屑钻屑+ +地面土地面土 使用重晶石、铁矿粉（使用重晶石、铁矿粉（19201920年以后年以后) )252. 快速发展时期快速发展时期 细分散泥浆阶段细分散泥浆阶段 1928 1948年年主要解决问题：主要解决问题：泥浆性能的稳定泥浆性能的稳定井壁稳定井壁稳定典型技术：典型技术： 一些泥浆性能测试仪器研制出来一些泥浆性能测试仪器研制出来 使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤等处理剂使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤等处理剂. .263. 高速发展阶段高速发展阶段 粗分散泥浆阶段粗分散泥浆阶段 1948 1965年年主要解决问题：主要解决问题： 石膏、盐污染石膏

17、、盐污染 温度影响温度影响典型技术：典型技术： 各种盐水、钙处理泥浆各种盐水、钙处理泥浆 油基泥浆油基泥浆 处理剂品种处理剂品种1616大类大类274. 4. 科学发展时期科学发展时期 聚合物不分散低固聚合物不分散低固相钻井液阶段相钻井液阶段 1965年年 现在现在主要解决问题：主要解决问题： 快速钻井快速钻井 保护油气层保护油气层典型技术：典型技术： 不分散低固相钻井液不分散低固相钻井液 气体钻井气体钻井 保护油气层的完井液保护油气层的完井液28国内钻井液技术发展特点国内钻井液技术发展特点 同样经历了这些阶段，但滞后一定时间同样经历了这些阶段，但滞后一定时间; 水基体系的研究应用比油基体系多

18、水基体系的研究应用比油基体系多; 深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液理论较成深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液理论较成熟；熟； 成功研制了一些钻井液处理剂，如成功研制了一些钻井液处理剂，如FA367, XY27, SMP, 80A51等；等； 成功应用了一些钻井液体系，如三磺体系，两性离子聚成功应用了一些钻井液体系，如三磺体系，两性离子聚合物体系，聚磺体系等；合物体系，聚磺体系等； 研制了大量钻井液性能评价仪器；研制了大量钻井液性能评价仪器； 钻井液工艺技术日益提高：预防和减少了各种井下复杂，钻井液工艺技术日益提高：预防和减少了各种井下复杂，保证了常规井及各种特殊井的完成。保证了常

19、规井及各种特殊井的完成。 计算机应用及固控技术相对滞后。计算机应用及固控技术相对滞后。29预测钻井液技术发展方向预测钻井液技术发展方向钻井液强化稳定井壁技术钻井液强化稳定井壁技术复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻井液技术井液技术新型钻井液体系及其处理剂的研制与应用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废弃钻井液的处理技术保护油气层的钻井液技术保护油气层的钻井液技术低密度钻井液完井液体系及技术低密度钻井液完井液体系及技术恶性漏失的防治技术恶性漏失的防治技术30课程内容包括课程内容包括 三大基础：三大基础：o 粘土胶化粘土胶化o 流变学流

20、变学o 处理剂化学处理剂化学 三大体系：三大体系：o 水基水基o 油基油基o 气体类气体类 两大工艺：两大工艺：o 固控技术固控技术o 复杂情况预防及处理复杂情况预防及处理 两大技能：两大技能：o 钻井液、完井液配制钻井液、完井液配制o 钻井液、完井液性能钻井液、完井液性能测试测试31课程特点及要求课程特点及要求 涉及领域宽，属应用学科。涉及领域宽，属应用学科。 要求掌握基本概念、基本原理、基本计算、要求掌握基本概念、基本原理、基本计算、基本实验技能；基本实验技能； 了解钻井液完井液体系及应用工艺、发展了解钻井液完井液体系及应用工艺、发展方向和动态。方向和动态。32主要参考书刊主要参考书刊 李

21、健鹰编著李健鹰编著, 泥浆胶体化学泥浆胶体化学 H.范范.奥尔芬奥尔芬, 粘土胶体化学导论粘土胶体化学导论 (译本译本) G.R.格雷格雷, 钻井液的组成与性能钻井液的组成与性能 (译本译本) 鄢捷年，钻井液工艺学，鄢捷年，钻井液工艺学， 张绍槐等编著张绍槐等编著, 保护储集层技术保护储集层技术 张孝华等编著张孝华等编著, 现代泥浆实验技术现代泥浆实验技术 期刊期刊: 钻井液与完井液、钻井液与完井液、 油田化学、石油钻采油田化学、石油钻采工艺、石油学报、石油钻探技术、石油学院学工艺、石油学报、石油钻探技术、石油学院学报等报等33习题：习题：1、9、1034 第二章第二章、 粘土胶体化学基础粘土

22、胶体化学基础 本章要求重点掌握内容：本章要求重点掌握内容： 1. 几种粘土矿物的晶体构造及其特点。几种粘土矿物的晶体构造及其特点。 2. 粘土水化机理。粘土水化机理。 3. 扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。 4. 胶体体系的基本概念。胶体体系的基本概念。 5. 聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。 35学习本章的意义学习本章的意义 粘土是配浆的基础材料粘土是配浆的基础材料 泥浆是粘土泥浆是粘土 水的溶胶水的溶胶 悬浮体悬浮体 地层造浆、井壁稳定、储层保护等均与地层粘地层造浆、井壁稳定、储层保护等均与地层

23、粘 土矿物有关。土矿物有关。所以，必须学习粘土矿物及胶体化学基本知识。所以，必须学习粘土矿物及胶体化学基本知识。36几个概念几个概念 粘土胶体化学粘土胶体化学：在一般胶体化学规律指导下，：在一般胶体化学规律指导下，专门研究粘土胶体的生成、破坏和物理化学性专门研究粘土胶体的生成、破坏和物理化学性质的科学。质的科学。 狭义胶体狭义胶体：胶体大小（三维中任一维尺寸在：胶体大小（三维中任一维尺寸在1-100nm之间）的微粒分散在另一种连续介质中之间）的微粒分散在另一种连续介质中所形成的分散体系。所形成的分散体系。 广义胶体广义胶体：包括粗分散体系（悬浮体、乳状液、：包括粗分散体系（悬浮体、乳状液、泡沫

24、）；溶胶；高分子真溶液；缔合胶体。泡沫）；溶胶；高分子真溶液；缔合胶体。37几个基本概念几个基本概念1. 相和相界面相和相界面 相相 物质的物理化学性质都完全相同的均物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。匀部分。 如果体系中有两个或两个以上的相，如果体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。称为多相体系。 相界面相界面 相与相之间的宏观物理界面。相与相之间的宏观物理界面。 在相互接触的两相中：在相互接触的两相中： 若一相为气体，相界面称为表面。若一相为气体，相界面称为表面。 若是液若是液/固分界面，称为界面。固分界面，称为界面。38分散度和比表面分散度和比表面分散度分散度 分散相的分散程度。

25、分散相的分散程度。 含含 形状，级配，粒度中值等概念形状，级配，粒度中值等概念比表面比表面 单位体积（重量）物质的总表面积。单位体积（重量）物质的总表面积。比表面比表面 = S/V （ S/W）,一般用一般用cm-1,cm2/g示之。示之。39分散相分散相分散介质分散介质名称名称例例液液气气气液溶胶气液溶胶雾雾固固气气气固溶胶气固溶胶灰尘、烟灰尘、烟气气液液泡沫泡沫泡沫泡沫液液液液乳状液乳状液牛奶、牛奶、O/W、W/O固固液液溶胶、悬浮体溶胶、悬浮体泥浆泥浆气气固固固态泡沫固态泡沫面包面包液液固固固态乳状液固态乳状液珍珠珍珠固固固固固体悬浮体固体悬浮体合金合金分散体系分类（按聚集状态）分散体系

26、分类（按聚集状态）40胶体分散体系（憎液溶胶）的基本性质胶体分散体系（憎液溶胶）的基本性质 多相性多相性 高度分散性高度分散性 比表面积大比表面积大 聚结不稳定性聚结不稳定性 易聚结合并或吸附易聚结合并或吸附41钻井液体系的复杂性钻井液体系的复杂性 钻井液体系中的化学反应是钻井液体系研究钻井液体系中的化学反应是钻井液体系研究与应用的基础。与应用的基础。 钻井液体系是相当复杂的多元体系，液相、钻井液体系是相当复杂的多元体系，液相、固相（活性的和惰性的）、溶解的盐和碱（因而固相（活性的和惰性的）、溶解的盐和碱（因而产生各种金属阳离子和多种阴离子）、多种溶解产生各种金属阳离子和多种阴离子）、多种溶解

27、的和（或）溶胀的改性天然聚合物和合成聚合物的和（或）溶胀的改性天然聚合物和合成聚合物等共存于一个体系中，又遭受到诸如温度、压力、等共存于一个体系中，又遭受到诸如温度、压力、各种污染物、剪切、静止等因素的影响。这种复各种污染物、剪切、静止等因素的影响。这种复杂体系中各种组份间的化学反应，特别是高温、杂体系中各种组份间的化学反应，特别是高温、高压条件下的化学反应是影响钻井液体系的性能高压条件下的化学反应是影响钻井液体系的性能和稳定性的关键因素。和稳定性的关键因素。 42钻井液体系的复杂性钻井液体系的复杂性 粘土矿物与碱、金属离子间的反应，粘土矿物的溶粘土矿物与碱、金属离子间的反应，粘土矿物的溶解和

28、转化，粘土矿物的高温分散、胶凝，聚合物的生解和转化，粘土矿物的高温分散、胶凝，聚合物的生物降解、高温降解和交联，盐、聚合物的溶解和沉淀，物降解、高温降解和交联，盐、聚合物的溶解和沉淀，吸附与脱附、离子效应、固相颗粒的表面电荷、表面吸附与脱附、离子效应、固相颗粒的表面电荷、表面活性效应等等，再加上固相颗粒的聚结和分散、絮凝活性效应等等，再加上固相颗粒的聚结和分散、絮凝和解絮凝等，若干反应同时发生、互相影响、互相制和解絮凝等，若干反应同时发生、互相影响、互相制约，从而使得作为这些不同反应综合效应的体系性能约，从而使得作为这些不同反应综合效应的体系性能和稳定性难以预料，难以确定。和稳定性难以预料，难

29、以确定。 同时，过分复杂的组分及其组分间的不同反应和影同时，过分复杂的组分及其组分间的不同反应和影响也造成研究工作特别是定量研究工作的难度。因此，响也造成研究工作特别是定量研究工作的难度。因此，由高效能处理剂组成的、组分简单的钻井液体系的研由高效能处理剂组成的、组分简单的钻井液体系的研究应是复杂地质条件下深井、超深井钻井液研究工作究应是复杂地质条件下深井、超深井钻井液研究工作的出发点和目标，特别是在抗高温高密度钻井液的研的出发点和目标，特别是在抗高温高密度钻井液的研究工作中。究工作中。 43第一节、第一节、 主要粘土矿物的晶体构造和特点主要粘土矿物的晶体构造和特点 粘粘 土：主要由粘土矿物和少

30、量非粘土矿物组成的细土：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物质。粒粘滞土状物质。 特性：细粒，粘性，高温成型性，可塑成型性特性：细粒，粘性，高温成型性，可塑成型性 成分：粘土矿物（蒙脱石等）成分：粘土矿物（蒙脱石等）+ 非粘土矿物（石英、非粘土矿物（石英、长石等）长石等）+ 胶体矿物（蛋白石等）。胶体矿物（蛋白石等）。 粘土矿物：含水的细分散的层状及层粘土矿物：含水的细分散的层状及层 链状构造硅酸盐矿链状构造硅酸盐矿物及含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。物及含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。 特点：具有相对固定的化学组成和确定的内部结特点：具有相对固定的化学组成和确定的内部结构构 （内部

31、格子构造（内部格子构造-晶格）。晶格）。 44一、粘土矿物的两种基本构造单元一、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片硅氧四面体与硅氧四面体片 硅氧四面体硅氧四面体(silica tetrahedron) 由一个硅原子和四个等距的氧原由一个硅原子和四个等距的氧原子组成的正四面体。硅原子在四面子组成的正四面体。硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点。体的中心，氧原子在四面体的顶点。图中：图中： 基底氧：四面体底面三个氧原子。基底氧：四面体底面三个氧原子。 顶端氧：四面体顶点一个氧原子。顶端氧：四面体顶点一个氧原子。 OO距离：距离：2.61埃。埃。 SiO距离：距离：1.61

32、埃。埃。 硅原子硅原子 氧原子氧原子45 硅氧四面体片硅氧四面体片 单个四面体与若干个相邻四面单个四面体与若干个相邻四面体通过底面氧相连，构成平面体通过底面氧相连，构成平面连续的四面体晶格。连续的四面体晶格。四面体片特点：四面体片特点： 由由SiO4彼此连接而成的彼此连接而成的Si4O10的无限重复的六方网格。的无限重复的六方网格。 所有基底氧排列在同一个平面所有基底氧排列在同一个平面上。上。 所有顶端氧在另一个平面上。所有顶端氧在另一个平面上。 平面投影形成正六角形的三层平面投影形成正六角形的三层空心六角环网格。空心六角环网格。 四面体片在粘土中不能独立存四面体片在粘土中不能独立存在。在。

33、硅原子硅原子 氧原子氧原子Si4O10 最小重复单元分子式最小重复单元分子式46硅氧四面体与硅氧四面体与硅氧四面体片硅氧四面体片472. 铝氧八面体与铝氧八面体片铝氧八面体与铝氧八面体片 铝氧（铝氧（Al O(OH)）八面八面体体(alumina octahedron) 铝原子处于正八面体中铝原子处于正八面体中心，六个氧原子或氢氧原心，六个氧原子或氢氧原子处于八面体顶点。子处于八面体顶点。图中：图中： OO距离距离=2.60埃。埃。 OHOH距离距离=2.94埃。埃。 铝原子铝原子 氢氧原子氢氧原子48 铝氧（氢氧）八面体片铝氧（氢氧）八面体片 单个八面体与相邻的八面体通单个八面体与相邻的八面

34、体通过共用氢氧连接起来，顶端和底过共用氢氧连接起来，顶端和底端氧原子则构成两个平行的平面端氧原子则构成两个平行的平面（每个八面体同相邻的六个其它（每个八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连八面体通过共用氧（氢氧）连接）。接）。 两种八面体（片）两种八面体（片）二八面体（铝氧片）二八面体（铝氧片） 每三个每三个八面体中心只有二个中心被八面体中心只有二个中心被Al3+、Fe3+占据（占据（1/3空位）。空位）。三八面体（镁氧片）三八面体（镁氧片）每三个每三个八面体中心全被八面体中心全被Mg2+、Fe2+充填充填（无空位）。（无空位）。 氢氧原子氢氧原子 铝原子铝原子 Al4(OH)12

35、最小重复单位分子式最小重复单位分子式49铝氧八面体与铝氧八面体与铝氧八面体片铝氧八面体片503. 晶片的结合晶片的结合 晶层晶层： 四面体片和八面体片沿四面体片和八面体片沿C轴按一定轴按一定顺序相互重合，通过共用氧原子连接顺序相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层。形成电中性的统一结构层。 晶体晶体 许多单位晶层在许多单位晶层在C轴方向上按一定轴方向上按一定距离反复重合而成。距离反复重合而成。 单位晶胞单位晶胞 能代表晶体性质的单位层内最小物能代表晶体性质的单位层内最小物质组合。常以质组合。常以a、b轴范围表示其大小。轴范围表示其大小。C轴间距轴间距：某一晶面与相邻晶层的对应晶面间

36、的距离。某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离。两种原型粘土矿物（基本类型）两种原型粘土矿物（基本类型）1：1型（高岭石）型（高岭石） 2：1型（叶腊石）型（叶腊石）CaC间间距距b51几个概念几个概念 晶格取代晶格取代：在晶体结构保持不变的条件下，高价中心离：在晶体结构保持不变的条件下，高价中心离子被低价正离子取代的现象。结果是正电荷亏损，粘土子被低价正离子取代的现象。结果是正电荷亏损，粘土带负电。又叫同晶置换。带负电。又叫同晶置换。 补偿阳离子补偿阳离子：被吸附来补偿正电荷亏损的阳离子。如：被吸附来补偿正电荷亏损的阳离子。如K+,Na+,Ca 2+,Mg 2+等。等。 可交换阳离子可交换阳离

37、子：在有水存在时，可与溶液中其它阳离子：在有水存在时，可与溶液中其它阳离子发生交换的那部分补偿阳离子。发生交换的那部分补偿阳离子。 阳离子交换容量（阳离子交换容量（CEC）：分散介质的：分散介质的PH=7时，从粘土时，从粘土上所能交换下来的阳离子总量。以上所能交换下来的阳离子总量。以meq/100g(毫克当量毫克当量/100克）示之。克）示之。52二、几种粘土矿物的晶体构造和特性二、几种粘土矿物的晶体构造和特性1. 高岭石（高岭石（Kaolinite) 晶体结构晶体结构 1：1型型 单位晶层由一层四面体片和一单位晶层由一层四面体片和一层八面体片组成，所有硅氧四面体层八面体片组成，所有硅氧四面体

38、的尖顶都朝向八面体，通过共用氧的尖顶都朝向八面体，通过共用氧原子连接成晶层。若干个晶层在原子连接成晶层。若干个晶层在C轴方向上层层重叠，而在轴方向上层层重叠，而在a、b轴轴方向上连续延伸。方向上连续延伸。晶胞分子式：晶胞分子式：Al4Si4O10(OH)8特点特点A 晶层间连接紧密（晶层一面为晶层间连接紧密（晶层一面为“O”层，一面为层，一面为“OH”层，易形层，易形成氢键。）成氢键。）B 阳离子交换容量低：阳离子交换容量低：3-5 毫克当量毫克当量/100克土克土C 水化分散性膨胀性差，矿物较水化分散性膨胀性差，矿物较稳定。稳定。 D C轴间距轴间距=7.2埃。埃。 -6+12-10+16-

39、12-=06OH4Al4O+2OH4Si6O氧氢氧铝硅532. 蒙脱石（蒙脱石（Montmorillonite)晶体结构晶体结构 2：1型型 两层四面体片中间夹一两层四面体片中间夹一层八面体片。每个四面层八面体片。每个四面体尖顶均指向中央的八体尖顶均指向中央的八面体，通过共用的氧连面体，通过共用的氧连接成晶层。若干个晶层接成晶层。若干个晶层按一定距离在按一定距离在C轴方向轴方向上重叠构成晶体。上重叠构成晶体。 晶胞分子式：晶胞分子式：Al4Si8O20(OH)454蒙脱石性能蒙脱石性能特点特点A、晶格取代晶格取代 主要在八面体中：主要在八面体中： Mg 2+、Fe 2+ 取代八面体中的取代八面

40、体中的 Al3+ B、单位层之间由分子间力连接，较弱；单位层之间由分子间力连接，较弱； C、补偿阳离子为：、补偿阳离子为：Na+、Ca2+ D、 阳离子交换容量高：阳离子交换容量高： 70130 毫克当量毫克当量/100克土克土 E、水化能力强。水化能力强。 F、C间距随层间阳离子类型及含水量而变间距随层间阳离子类型及含水量而变 （9.6-21.4埃埃).553. 伊利石（伊利石（illite)illite) 晶体结构晶体结构 2：1型型+K+ 晶体结构与蒙托石的晶体结晶体结构与蒙托石的晶体结构类似。构类似。区别：区别：A 晶格取代比蒙脱石多，且晶格取代比蒙脱石多，且主要发生在四面体片中。主要

41、发生在四面体片中。B 补偿阳离子主要为补偿阳离子主要为K+。C 单位晶胞电荷数比蒙脱石单位晶胞电荷数比蒙脱石的高的高11.5倍。倍。氧氢氧铝硅K+10 埃56伊利石性能伊利石性能特点特点A 、 单位晶胞电荷数高：单位晶胞电荷数高：0.61.8。B 、单位层之间由分子间力和、单位层之间由分子间力和K+连接。连接。C 、 阳离子交换容量低：阳离子交换容量低： CEC=1040 meq/100g土土D、 水化能力弱。水化能力弱。E 、 C间距间距10埃。埃。57绿泥石绿泥石(chorite)结构：两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片构成结构：两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片构成单位层，单位层间夹一层

42、水镁石片。单位层，单位层间夹一层水镁石片。 2：1：1型型。特性：特性： (1)晶格取代多，但晶格取代多，但CEC值低值低 (2)层间连接紧密层间连接紧密,C间距间距14A (3)水化能力差，颗粒粗，属于劣土，多呈绿色。水化能力差，颗粒粗，属于劣土，多呈绿色。58绿泥石的晶体结构绿泥石的晶体结构 59间层粘土间层粘土(mixed layer clay) 结构：由两种或两种以上粘土单位层相间堆叠而结构：由两种或两种以上粘土单位层相间堆叠而成。成。 分类：规则间层和不规则间层。分类：规则间层和不规则间层。 常见：伊常见：伊/蒙间层和绿蒙间层和绿/蒙间层。蒙间层。 特性：介于组分之间，取之于间层比，

43、分散性强。特性：介于组分之间，取之于间层比，分散性强。60海泡石、凹凸棒石海泡石、凹凸棒石 结构：层链状结构：层链状 纤维状粘土纤维状粘土 形象比喻：藕形象比喻：藕特性：特性：（1）水化分散差，但机械剪）水化分散差，但机械剪切可配浆切可配浆（2）抗温性好）抗温性好（3）抗盐性好，称为抗盐土）抗盐性好，称为抗盐土61坡缕石晶体构造示意图坡缕石晶体构造示意图 62结结 构构 单单 元元 类类 型型 层层 间间 物物 层层 间间 电电 荷荷 族族 亚亚 族族 种种 di 高高 岭岭 石石 、迪迪 开开 石石 、珍珍 珠珠 石石 、变变 埃埃 洛洛 石石（ 7 ） 、埃埃 洛洛 石石 （ 10 ） d

44、i-tri 镁镁 绿绿 泥泥 石石 、 正正 鲕鲕 绿绿 泥泥 石石 、 绿绿 锥锥 石石 、 凯凯 利利 石石 1:1 Si4O10(O H )8 无无 或或 有有水水 分分 子子 x0 高高 岭岭 石石 蛇蛇 纹纹 石石 tri 纤纤 蛇蛇 纹纹 石石 、 斜斜 纤纤 蛇蛇 纹纹 石石 、 叶叶 蛇蛇 纹纹 石石 、 斜斜 叶叶蛇蛇 纹纹 石石 、 镍镍 蛇蛇 纹纹 石石 di 叶叶 蜡蜡 石石 无无 x0 叶叶 蜡蜡 石石 滑滑 石石 tri 滑滑 石石 di 蒙蒙 脱脱 石石 、 贝贝 得得 石石 、 绿绿 脱脱 石石 、 铬铬 绿绿 脱脱 石石 di-tri 斯斯 温温 福福 石石

45、0.2x0.6 蒙蒙 皂皂 石石 tri 皂皂 石石 、 锌锌 皂皂 石石 、 锂锂 皂皂 石石 、 斯斯 蒂蒂 文文 石石 di 二二 八八 面面 体体 蛭蛭 石石 0.6x0.9 蛭蛭 石石 tri 三三 八八 面面 体体 蛭蛭 石石 di 伊伊 利利 石石 、 钠钠 伊伊 利利 石石 、 水水 白白 云云 母母 、 水水 钠钠 云云 母母 0.6x蒙脱石蒙脱石高岭石。高岭石。 永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。652 . 可变负电荷可变负电荷 表面电荷表面电荷来源：来源： 晶体端面的晶体端面的Al OH键，键， 例如：在碱性条件：例如：在碱性条件：

46、端面吸附端面吸附OH-、SiO3 2-等无机阴离子，或有机阴离子聚等无机阴离子，或有机阴离子聚电解质。电解质。Al O-. H+OH-SiO3 2-663. 正电荷正电荷 表面电荷表面电荷来源：当来源：当PH8时时, Al O H -Al+OH-特点特点: 受环境受环境PH值影响值影响 。 正电荷正电荷 3000C，释放出结晶水。，释放出结晶水。2. 吸附水（束缚水）吸附水（束缚水）定义：由于分子间力和静电引力吸附极性水分子而在粘定义：由于分子间力和静电引力吸附极性水分子而在粘土表面上形成的一层水化膜。土表面上形成的一层水化膜。特点：温度特点：温度1100C，释放出吸附水。包括：薄膜水、毛，释

47、放出吸附水。包括：薄膜水、毛细管水、胶体水。细管水、胶体水。3. 自由水自由水定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的可自由运动的水。定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的可自由运动的水。71二、粘土的水化和水化膨胀二、粘土的水化和水化膨胀1. 几个名称概念几个名称概念粘土水化粘土水化 粘土矿物遇水后，在其颗粒表面吸附水分粘土矿物遇水后，在其颗粒表面吸附水分子形成水化膜、晶层间距增大的过程。子形成水化膜、晶层间距增大的过程。粘土膨胀粘土膨胀 水分子进入粘土矿物晶层间，其体积由小水分子进入粘土矿物晶层间，其体积由小变大的过程。变大的过程。粘土分散粘土分散 水分子进入粘土矿物晶层间，使粘土由大水分子进入粘土矿物

48、晶层间，使粘土由大颗粒变为小颗粒的过程。颗粒变为小颗粒的过程。粘土收缩粘土收缩 在高温作用下，粘土矿物吸附的水分子逐在高温作用下，粘土矿物吸附的水分子逐渐蒸发，其体积由大变小的过程。渐蒸发，其体积由大变小的过程。722. 引起粘土矿物水化的原因引起粘土矿物水化的原因 直接吸直接吸引水分子产生水化引水分子产生水化 土粒带负电，水土粒带负电，水分子极化、定向、浓集于土粒表面；水与粘土分子极化、定向、浓集于土粒表面；水与粘土表面的氧和氢氧形成氢键。表面的氧和氢氧形成氢键。 间接吸引水分子产生水化间接吸引水分子产生水化 吸附阳离子的水吸附阳离子的水化给粘土颗粒带来水化膜。化给粘土颗粒带来水化膜。733

49、. 粘土水化膨胀的过程粘土水化膨胀的过程两个水化膨胀过程：表面水化膨胀和渗透水化膨胀两个水化膨胀过程：表面水化膨胀和渗透水化膨胀 表面水化膨胀表面水化膨胀定定 义：粘土矿物晶层表面吸附水分子和补偿阳离子义：粘土矿物晶层表面吸附水分子和补偿阳离子吸附水吸附水 分子、增大晶层间距的过程。分子、增大晶层间距的过程。影响因素：影响表面水化膨胀的三种力：影响因素：影响表面水化膨胀的三种力： a. 晶层间的范德华力；晶层间的范德华力； b. 水化能；水化能； c. 晶层间的静电引力。晶层间的静电引力。74表面水化特点：表面水化特点： 主要推动力：表面水化能（水的吸附能）。主要推动力：表面水化能（水的吸附能

50、）。 表面吸附的水分子只有两个水分子厚度，表面吸附的水分子只有两个水分子厚度，体积膨胀小。体积膨胀小。 产生的膨胀压大（产生的膨胀压大（2000 4000kg/cm2)。75 渗透水化渗透水化 特点：特点： 推动力：双电层斥力和渗透斥力。推动力：双电层斥力和渗透斥力。 体积膨胀大，可达体积膨胀大，可达8-10倍。倍。 膨胀压较小。膨胀压较小。76渗透水化膨胀与双电层斥力渗透水化膨胀与双电层斥力 77粘土水化的影响因素粘土水化的影响因素 粘土晶体部位不同，水化强度也不同粘土晶体部位不同，水化强度也不同 层面上水化膜厚，端面上薄。层面上水化膜厚，端面上薄。 粘土矿物不同，水化作用的强弱不同粘土矿物

51、不同，水化作用的强弱不同 蒙脱石、间层粘土、伊利石、高岭石蒙脱石、间层粘土、伊利石、高岭石 泥浆中可溶性盐类及泥浆处理剂的影响泥浆中可溶性盐类及泥浆处理剂的影响 可溶性盐类，减低可溶性盐类，减低 电位电位 有机处理剂的亲水基团，被粘土吸附后形成较大的水化膜。有机处理剂的亲水基团，被粘土吸附后形成较大的水化膜。 不同的交换性阳离子对粘土水化的影响不同的交换性阳离子对粘土水化的影响Ca2+ max17A, Na+ max 40A 温度、压力的影响温度、压力的影响78钠蒙脱石水化示意图钠蒙脱石水化示意图79钙蒙脱石水化示意图钙蒙脱石水化示意图80第四节、第四节、 粘土粘土 水悬浮体的稳定性水悬浮体的

52、稳定性一、电动现象一、电动现象莱斯实验莱斯实验 实验中观察到两个现象：实验中观察到两个现象：（1） 粘土颗粒通过细砂层向阳极移动，并粘土颗粒通过细砂层向阳极移动，并沉积起来。沉积起来。（2）水通过粘土团块的毛细管向阴极流动。）水通过粘土团块的毛细管向阴极流动。 总结这两种实验现象，得到两个概念：总结这两种实验现象，得到两个概念： 电泳：在电场作用下，分散相微粒在介电泳：在电场作用下，分散相微粒在介质中向某一电极移动的现象。质中向某一电极移动的现象。 电渗：在电场作用下，液体对固定的带电渗：在电场作用下，液体对固定的带电荷的固体表面作相对运动的现象电荷的固体表面作相对运动的现象。显然，电泳和电渗

53、都是外加直流电场于胶显然，电泳和电渗都是外加直流电场于胶体体系引起的运动现象体体系引起的运动现象。土粒土粒水水电电泳泳电电渗渗+-81二、粘土二、粘土-水界面的扩散双电层理论水界面的扩散双电层理论(the electric-double layer at clay-water interface) 扩散双电层的形成与结构扩散双电层的形成与结构 胶体颗粒带电，在其周围分布着胶体颗粒带电，在其周围分布着电荷数相等的反离子，在固电荷数相等的反离子，在固液界面形成双电层。液界面形成双电层。 双电层中的反离子，一方面受到双电层中的反离子，一方面受到固面电荷的吸引，不能远离固面，固面电荷的吸引，不能远离固

54、面，另一方面，由于反离子的热运动，另一方面，由于反离子的热运动，又有扩散到液相内部去的能力。又有扩散到液相内部去的能力。这两种相反作用的结果，使得反这两种相反作用的结果，使得反离子扩散地分布在界面周围，构离子扩散地分布在界面周围，构成扩散双电层。成扩散双电层。 粘土溶胶的双电层粘土溶胶的双电层 层面和端面稍有不同层面和端面稍有不同82Stern平面Stern面图2-3 扩散双电层的斯特恩模型及电势变化831.扩散双电层结构扩散双电层结构 扩散双电层扩散双电层 从固体表面到过剩反离子为零处。从固体表面到过剩反离子为零处。 吸附层吸附层 固体表面紧密吸引着的部分反离子所固体表面紧密吸引着的部分反离

55、子所构成。构成。 扩散层扩散层 其余反离子扩散地分布在液相中所构其余反离子扩散地分布在液相中所构成。成。 滑动面滑动面 吸附层与扩散层错开的界面。吸附层与扩散层错开的界面。 胶核：固体表面胶核：固体表面 胶粒：胶核胶粒：胶核+吸附层吸附层 胶团：胶粒胶团：胶粒+扩散层扩散层-滑动面滑动面吸附层吸附层扩散层扩散层距离距离84 离子的分布离子的分布 双电层内既有同号双电层内既有同号离子，又有反离子，离子，又有反离子，其分布如右图所示。其分布如右图所示。 双电层电荷必须平双电层电荷必须平衡。衡。反离子反离子过剩反离子过剩反离子同号离子同号离子0Xnn0852. 双电层中的电势（位）双电层中的电势（位

56、） 表面电势表面电势 定义：从固体表面到均匀液相内的定义：从固体表面到均匀液相内的电势降。电势降。特点：特点： 固体表面电势最大。固体表面电势最大。 表面电势随离表面距离的增大表面电势随离表面距离的增大而大致依指数关系降低。而大致依指数关系降低。 电动电势电动电势定义：从滑动面到均匀液相的电势定义：从滑动面到均匀液相的电势降。降。特点：特点： 胶粒带电越多，胶粒带电越多，电位越高。电位越高。 大小取决于吸附层内的静电大小取决于吸附层内的静电荷数。荷数。0 x863.电势方程式电势方程式 赫斯公式赫斯公式(Helmhohz Smoluchouski)对于片状粒子：对于片状粒子： =(4v/DE)

57、3002对对 于于 球形球形 粒粒 子：子： =(6v/DE)3002 式中：式中： 介质粘度，泊；介质粘度，泊； v 电泳速度，电泳速度，cm/s； E 电位梯度电位梯度,v/cm；D 液体介电常数液体介电常数 -电势，电势，v87 恒定表面电势型双电层恒定表面电势型双电层 吸附定势离子产生的。其表面电势由定势离子浓度决吸附定势离子产生的。其表面电势由定势离子浓度决定，基本上不受其它电解质浓度的影响，所以其表面定，基本上不受其它电解质浓度的影响，所以其表面电势不变。（如粘土粒子端面的双电层）电势不变。（如粘土粒子端面的双电层） 恒定表面电荷型双电层恒定表面电荷型双电层 由内部晶格不完整性引起

58、的。其表面电荷由晶格内部由内部晶格不完整性引起的。其表面电荷由晶格内部的不完整性决定，与电解质浓度无关。（如粘土粒子的不完整性决定，与电解质浓度无关。（如粘土粒子平表面的双电层）平表面的双电层） 总之，这两种双电层均受电解质压缩，总之，这两种双电层均受电解质压缩， 电位要降低。电位要降低。电解质压缩双电层机理电解质压缩双电层机理： 加入电解质加入电解质 , 正负离子浓度增加正负离子浓度增加 ,反离子更多进入反离子更多进入吸附层吸附层 , 扩散层减薄扩散层减薄 ,电位降低。电位降低。88 4. 电解质对电解质对电位的影响电位的影响 电解质压缩双电层作用电解质压缩双电层作用 电泳实验表明，任何电解

59、质的加入，都要影响电泳实验表明，任何电解质的加入，都要影响电位值，从而影响电位值，从而影响电泳速度。电泳速度。1= 2120 x电解质压缩恒定表面电势双电解质压缩恒定表面电势双电层电层12120 x电介质压缩恒定表面电荷双电介质压缩恒定表面电荷双电层电层121289电解质对双电层厚度和电动电位的影响电解质对双电层厚度和电动电位的影响 胶体体系的稳定性与双电层的厚度、电动电位胶体体系的稳定性与双电层的厚度、电动电位大小有密切关系：双电层愈厚，大小有密切关系：双电层愈厚， 电位愈大，电位愈大，胶体愈稳定。胶体愈稳定。 在在胶体体系胶体体系中加入电解质后，反离子（正电荷）中加入电解质后，反离子（正电

60、荷）浓度随着增大，反离子进入吸附溶剂化层的机浓度随着增大，反离子进入吸附溶剂化层的机会增加，胶粒电荷减少，同时扩散双电层变薄，会增加，胶粒电荷减少，同时扩散双电层变薄， 电位降低，当所加电解质把双电层压缩到吸电位降低，当所加电解质把双电层压缩到吸附溶剂化层厚度时，胶粒不带电，附溶剂化层厚度时，胶粒不带电， 电位降到电位降到0（等电态），此时胶粒容易聚结。（等电态），此时胶粒容易聚结。90 影响因素影响因素 反离子浓度：浓度越高反离子浓度：浓度越高 ,压缩越多压缩越多 ,电位降低越多。电位降低越多。 反离子价数：价数越高反离子价数：价数越高,压缩越多压缩越多 ,电位降低越多。电位降低越多。 反离