粘土水化分散与泥浆体系稳定原理

1、粘土水化分散与泥浆体系稳定原理一、土的水化分散粘土的水化是指粘土颗粒吸附水分子，粘土颗粒外表形成水化膜，粘土晶格层面间的距离增大，产生稳定有重大影响。一粘土水化的缘由有：粘土外表直接吸附水分子粘土颗粒与水接触时，由于以下缘由而直接吸附水分子：1粘土颗粒外表有外表能，依热力学原理粘土颗粒必定要吸附水分子和有机处理剂分子到自己的外表上来，以最大限度地降低其自由外表能；2粘土颗粒因晶格置换等而带负电荷，水是极性分子，在静电引力的作用下，水分子会定向地浓集在粘土颗粒外表；3粘土晶格中有氧及氢氧层，均可以与水分子形成氢键而吸附水分子。粘土吸附的阳离子的水化的水化膜。这是粘土颗粒通过吸附阳离子而间接地吸附

2、水分子而水化。二影响粘土水化的因素粘土矿物本身的特性间联结是较弱的分子间力，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。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，故水不易进入层间，粘土不易水化膨胀。高岭石粘土矿物，因层间易形成氢键，晶胞间联结严密，水分子不易进入，故膨胀性小。同时伊利石晶格置换现象少，高岭石几乎无晶格置换现象，阳离子交换容量低，也使粘土的水化膨胀差。交换性阳离子的种类换性阳离子为 Na+的钠蒙脱石，水化时晶胞间距可达 40 A，而交换性阳离子为Ca2+的钙蒙脱石，水化时17 A。水溶液中电解质的浓度和有机处理剂含量次阳离子数目增多，挤压

3、集中层，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。盐水泥浆和钙处理泥浆对孔壁的抑制作用就是依据这个原理。三粘土水化膨胀的过程粘土的水化膨胀过程经受两个阶段，即：外表水化膨胀和渗透水化膨胀两个阶段。由外表水化引起的膨胀10A。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。此三种力的净能量在第一层水分子进入时的膨胀力到达几千大气压H.Van 奥尔芬指出，欲将最终几个分子层的吸附水从粘土外表挤走，需要202240000.101325MPa 的压力。由渗透水化引起的膨胀10 A 时，外表吸附能量已经

4、不是主要的了，此后粘土的连续膨胀是由渗透压力和双电层斥力所引起的。随着水分子进入粘土晶层间，粘土外表吸附的阳离子便水化而集中到水中，形成集中双电层，由此，层间的双电层斥力便渐渐起主导作用而引起粘土层间距进一步扩大。其次粘土层间吸附有众多的阳离子，层间的离子浓度远大于溶液内部的浓度。由于浓度差的存在，粘土层可看成是一个渗透膜，在渗透压力作用下水分子便连续进入粘土层间，引起粘土的进一步膨胀。由渗透水化而引起的膜120A。增加溶液的含盐量，由于浓度差减小，粘土膨胀的层间距便缩小，这也是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀的原理。粘土水化膨胀到达平衡距离层间距大约为120A的状况下，在剪切力作用下晶胞便分别，粘土分

5、散在水中，形成粘土悬浮液。二、粘土-水界面的集中双电层双电层理论对粘土-水界面的行为机理进展分析。一双电层成因与构造在端部则多数带正电荷，必定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外表四周界面上的浓集，形成粘土颗粒外表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外表浓集的同时，由于分子热运动和浓度差，又引起阳离子脱离界面的集中运动，粘土颗粒对阳离子的吸附及阳离子的集中运动两者共同作用的结果，在粘土颗粒与水的界面四周阳离子呈集中状态分布，即形成集中双电层。更值得指出的现象是，这种集中层本质性地分成两局部-4-6 所示。4-6 粘土

6、外表的集中双电层吸附层A由于与粘土颗粒外表距离近，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别。集中层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。这局部阳离子由于本身的热运动，自吸附层外围开头向浓度较低处集中，因而与粘土颗粒外表的距离较远，静电引力渐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电源正极运动10100 A。滑动面的阳离子则有一滞后现象而呈现的滑动面。E负电量。热力电位愈高，表示粘土颗粒外表带的负电量愈多，能吸附的阳离子数目也愈多。电动电位 正电量的差值。电动电位愈高，表示在集中层中被吸附的阳离子愈多，集中层

7、愈厚。二影响电动电位的因素电动电位的大小受以下几方面因素的影响：阳离子的种类阳离子的种类打算了阳离子电价的凹凸和阳离子的水化力量。当粘土颗粒吸附高价阳离子时，由于一个离子带的电荷多，粘土颗粒外表的总电荷量肯定时，吸附层中被阳离子中和的电量多，于是电动电位低， 集中层中的阳离子数目少，集中层及粘土外表的水化膜薄，粘土颗粒易于聚结。假设粘土颗粒吸附的是低价 粘土颗粒不易聚结。例如，钙膨润土用碳酸钠处理，Na+取代 Ca2+，因 Na+为一价离子，且水化力量强， 粘土颗粒四周的集中层以及水化膜厚，泥浆趋于分散稳定。相反，配制好的泥浆使用时受钙侵，Ca2+取代 粘土外表吸附的 Na+，由于 Ca2+是

8、二价离子，水化力量弱，因而粘土颗粒的水化膜变薄，泥浆由分散转化为聚结而失去稳定性。阳离子浓度阳离子例如 Na+虽水化力量强，粘土颗粒水化膜厚，泥浆稳定，但 Na+浓度有一适宜的范围，假设Na+浓度过大，同样会使泥浆由分散转为聚结。这是由于：1即所谓挤压双电层，分散体系由分散转化为聚结；，因而使粘土颗粒四周的水化膜变薄，分散体系由分散转为聚结。泥浆使用时受盐NaCl侵，是由于 Na+过多，起了压缩双电层的作用，使泥浆由分散转为聚结，甚至失去稳定性。又如钙膨润土用纯碱改性 处理时，碳酸钠存在有最正确加量，加量过大则起反作用，造浆量降低，泥浆性能变坏。此外，泥浆的分散稳定或聚结，还受阴离子的影响，如

9、钙膨润土改性而参加钠盐，参加Na2CO3 而粘土颗NaCl，则粘土颗粒聚结。故泥浆处理参加无机盐时，必需考虑阴离子的影响。三双电层理论对粘土水化的应用分析化膜也愈厚，阻隔作用的增加使粘土颗粒在运动时愈不易因碰撞而粘结，粘土颗粒的水化分散效果便愈稳定；电动电位愈高，粘土颗粒之间的斥力愈大，分散性就愈强。因此，粘土颗粒外表带电量肯定时，粘土颗粒在悬浮液中的水化分散稳定性主要取决于电动电位的凹凸。双电层理论的这一重要结论对钻井而言，具有两个方面的实际应用意义。双电层理论对钻井泥浆应用的指导意义在于：原生膨润土矿多为钙膨润土，造浆时参加一价钠盐，供给Na+，因离子交换吸附，集中双电层中阳离子由Ca2+

10、转为 Na+， 电位上升，集中层增厚，粘土分散，泥浆稳定。泥浆受钙侵时，Ca2+的浓度增大，集中双电层中Na+转为 Ca2+， 电位下降，集中层变薄，粘土颗粒聚结，泥浆失去稳定性。为处理泥浆而参加低价阳离子电解质时，应严格把握加量，过量会起压缩集中层的副作用，同时必需考虑阴离子的影响。可以通过参加低价或高价阳离子无机处理剂来调整泥浆的分散或适度聚结，用以配制不同种类分散的或适度聚结的的泥浆。从井壁稳定的角度来看，双电层理论也有重要的指导意义：假设所钻地层的膨润土含量较高，在外界阳离子的作用下，电位上升，水化分散性增加，易使井壁水化分散，给钻井工作带来井眼缩径、垮塌 电位的措施，能使井壁、槽壁的

11、稳定性增加。四正电荷集中双电层在酸性和中性的粘土悬浮液中，粘土片端部的Al-OH Si-O OHO2-，因电离或断键而离去，于是粘土颗粒的端部便带正电荷，形成带正电荷的集中双电层。由于正电荷与粘土层面所带的负电荷相比是较少的，故就整个粘土颗粒而言，所带的净电荷是负的。粘土颗粒外表所带电荷的性质与溶液pH pH 值由酸性转为碱性且pH 值不断上升时，带正pH 值降低，溶液的酸性增大时，粘土颗粒层面带的负电荷也可转为pH 78.09.0，有时要求pH 910 以上。三、粘土在水中的分散状态-水分散体系中粘土颗粒呈不同的形态存在。总的可分为4-7 所示。颗粒之间的联结有三种情形：面-面接触，边-面接

12、触和边-边接触。以蒙脱石为主的膨润土，粘土含量A C E B 型D、F 型进展。钻进时含有岩屑的实际井浆，其中固体颗粒的存在状态比较简单，可能是图的各种形式的综合。即同时存在分散、絮凝或分散、聚结等形态。4-7 粘土在水中的分散状态示意图A-分散不絮凝；B-聚结，但不絮凝；C-边面结合，仍分散；D-边-边结合絮凝；E-边-面结合，聚结且絮凝；F-边-边结合聚结且絮凝四、泥浆的稳定性系外部环境的经常变化，因而泥浆体系中粘土颗粒的分散或聚结是经常的，确定的，而分散和稳定则是临时的、相对的。争辩泥浆分散体系的目的，是在了解泥浆体和纱内部稳定和聚结的动力过程的根底上，通过对泥浆进展化学处理，使分散性差

13、、不稳定的泥浆体系转变为分散性好而相对地较稳定的泥浆以满足钻井的要求。方面的含意，即沉降稳定性和聚结稳定性。一泥浆的沉降稳定性沉降稳定性又称动力稳定性，是指在重力作用下泥浆中的固体颗粒是否简洁下沉的特性。泥浆中固体颗Stokes 定律，其沉降速度为：4-2式中r 球形颗粒的半径，cm；，0颗粒和分散介质的比重，g/cm3；分散介质的粘度，Pa?s；g重力加速度，m/s-2。间距离是无限远，即颗粒间无相互作用；3液相是连续介质。由4-2式可看出：沉降速度与颗粒半径的平方，颗粒和介质的比重差呈正比，与介质粘度呈反比。尤以颗粒的大小对沉降速度影响最大。按4-22.7 1.01.510-3Pa?s 时

14、，可求1cm 的时间。由4-21m 便不能长时间处于均匀悬浮状态。用一般粘土配制的泥浆，其中的必需缩小粘土颗粒的尺寸，即应承受优质粘土造浆，以提高其分散度，其次应提高液相的比重和粘度。二泥浆的聚结稳定性中的粘土颗粒间同时存在着相互吸引力和相互排斥力，这两种相反作用力便打算着泥浆分散体系的聚结稳定性。同时粘土颗粒四周的水化膜，也是两颗粒彼此接近或聚结的阻碍因素。当两颗粒相互靠近时，必需挤出夹在两颗粒间的水分子或水化离子，进一步靠近时便要转变双电层中离子的分布。要产生这些变化就需要做功。这个功等于指定距离时的排斥能或排斥势能。排斥势能VR打算于颗粒所带的电荷，同时是相互间距离的函数。它大致是随着颗粒间距离的增加呈指数下降，故近似地可写成：4-3式中? 溶剂的介电常数；r球形颗粒的半径，m；0颗粒外表的电位，V；H0两球形颗粒球面最短距离，m；K离子氛半径的倒数，1/K 可看作为双电层厚度的量度，m-1。7 次方呈反比6 次方。但泥浆中的粘土2 次方呈反比。假设为球形H0 r VA为：4-4式中 AHamaker 常数，负号表示吸引能。图4-8相互吸引位能曲线V(1)和V(2)是