粘土矿物的水化机理

粘土矿物PPT制作：王哲资料收集：封远飞资料汇总：李宽技术顾问：乔兴生粘土矿物在钻井液中的价值钻井泥浆是由粘土、水（或油）和少量处理剂混合形成，具有可调控的粘性、比重和降失水等性能，在大多情况下能够满足悬排钻碴、稳定井壁、防止漏失、冷却润滑钻具的基本钻进需要，并且来源广泛，成本较低，配制使用方便，所以成为应用最广泛的钻井液。+粘土粘土与钻井的关系（1）粘土作为钻井液的重要组成成分，配浆原材料。（2）涉及钻井过程中井眼的稳定性，粘土是泥页岩的主要组成部分，75%地层为泥页岩，90%的井壁不稳定发生在泥页岩。（3）油气层的保护，粘土矿物膨胀、钻井液配浆粘土堵塞。（2）粘土：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为主的（≥50%）沉积物。

（3）粘土岩（俗称：泥页岩）：粘土矿物经沉积、固结成岩作用后成为粘土岩。

（1）粘土矿物：细分散的（≤2μm）含水的铝硅酸盐类矿物的总称，可进一步分为晶质（具有晶体结构的）和非晶质，自然界中所见到的粘土矿物绝大多数是晶质的。

前言本次课讲授内容任务一：1.粘土矿物的晶体结构；2.带电性；3.阳离子交换量；任务二：粘土矿物的水化机理1.蒙脱石2.高岭石异同点3.伊利石任务三：DLVO原理一、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晶片

硅氧四面体：有一个硅原子与四个氧原子，硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点，硅原子与各氧原子之间的距离相等，其结构见右图。顶氧

底氧

任务一：粘土矿物的晶体结构硅氧面体晶片：指硅氧四面体网络。硅氧四面体网络由硅氧四面体通过相临的氧原子连接而成，其立体结构见右图。一、粘土矿物的两种基本构造单元任务一：粘土矿物的晶体结构一、粘土矿物的两种基本构造单元2、铝氧八面体与铝氧八面体晶片

铝氧八面体：六个顶点为氢氧原子团，铝、铁或镁原子居于八面体中央(如右图所示)。氢氧任务一：粘土矿物的晶体结构铝氧八面体晶片：多个铝氧八面体通过共用的OH连接而成的Al-O八面体网络。一、粘土矿物的两种基本构造单元任务一：粘土矿物的晶体结构2、几种常见粘土矿物的晶体构造（1）高岭石

高岭石晶体结构示意图二、几种常见粘土矿物的晶体构造任务一：粘土矿物的晶体结构（2）蒙脱石蒙脱石晶体结构示意图二、几种常见粘土矿物的晶体构造任务一：粘土矿物的晶体结构（3）伊利石

伊利石晶体结构示意图二、几种常见粘土矿物的晶体构造任务一：粘土矿物的晶体结构二、几种常见粘土矿物的晶体构造任务一：粘土矿物的晶体结构一般情况下，随着地层深度的增加，伊利石含量增加蒙脱石含量减少，因此，下部地层缩径现象少，以剥落掉块、坍塌为主。二、几种常见粘土矿物的晶体构造任务一：粘土矿物的晶体结构灰色和棕色泥岩灰黑色泥岩砂岩任务一：粘土矿物的晶体结构☞定义：指粘土矿物在与水接触时的带电符号和带电量☞粘土带电性验证：电泳实验（粘土在水中移向正极，带负电荷）

一、带电性任务一：带电性2.电荷产生原因电荷来源(1)永久电荷

晶格取代：粘土矿物晶体结构中一部分阳离子被另外一部分阳离子所取代（置换），但晶体结构不变的现象。由于晶格取代是低价阳离子取代了高价阳离子，产生了过剩的负电荷，因此，一般情况下粘土带负电。

伊利石与蒙脱石相比虽晶层结构相同但由于晶格取代位置不同，因此层面电荷密度不同，水化难易程度不同。

任务一：带电性（2）表面羟基与H+与OH-的反应（可变电荷）在酸性环境中：羟基与H+反应，粘土带正电性。﹥Al-OH+H+﹥Al++H2O在碱性或中性条件下：羟基与OH-反应，粘土带负电性。﹥Al-OH+OH-﹥Al-O-+H2O任务一：带电性（3）吸附吸附负电性离子（OH-、SiO32-）：使粘土负电性增加吸附正电性离子（NW-1）：使粘土负电性减少分类

任务一：带电性CEC：pH值等于7的水溶液中100g粘土中可被交换出来的阳离子电荷总数。粘土带电量通常用CEC表示，CEC越大，说明粘土所带负电荷越多，三种常见粘土矿物的CEC大致如下。任务一：带电性矿物名称CEC高岭石3-15蒙脱石70-150伊利石20-40思考题：为什么伊利石单位晶胞所带负电荷比蒙脱石多，而CEC却比蒙脱石小？阳离子交换容量（C.E.C,cationexchangecapacity)定义：分散介质pH=7时，100g粘土所能交换下来的阳离子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）。C.E.C可用来表示粘土在水中带电性的多少，它与粘土的水化分散、吸附等性质密切相关。任务一：阳离子交换量任务二：粘土矿物的水化机理粘土矿物的水化机理任务二：粘土矿物的水化机理概念：各种粘土只会吸水膨胀，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任务二：粘土矿物的水化机理粘土高岭石伊利石蒙脱石任务二：粘土矿物的水化机理蒙脱石、高岭石、伊利石相同点共同点：都属于硅铝酸盐，其晶体形状都是层片状的，层与层之间靠-Si-O....Al-O间的氢键或范德华力相连接。在无水（干燥）情况下，层间距离很小（大约1微米左右），而在有水的情况下，层间会吸附和填充大量的水，层间距离可能增加到2—3微米，而且在粘土分子的作用下，水分子被解离成H+正离子和OH-负离子，分别吸附到粘土的晶体平面（一般呈负电性）上和端面（一般呈正电性）上，这时的粘土就成为“水化粘土”了。与干燥粘土相比，水化粘土具有胶体性质，包括膨胀性、流变性、动电性、分散或絮凝性等。

任务二：粘土矿物的水化机理蒙脱石、高岭石、伊利石不相同点高岭石：

BitmapBitmapAl4[Si4O10]·(OH)8晶体属三斜晶系的层状结构硅酸盐矿物。多呈隐晶质、分散粉末状、疏松块状集合体。白或浅灰、浅绿、浅黄、浅红等颜色土状光泽2-2.5

2.60～2.63

①折射率：α1.553-1.565,β1.559-1.569,γ1.569-1.570。②透明性：透明至半透明。③吸水性强，和水具有可塑性，粘舌，干土块具粗糙感。纳米高岭石可以做成涂料。另外，还可以制成不同用途的特种纳米涂料，如抗紫外线涂料、隐身涂料等。纳米高岭石还可用于造纸、环保、纺织、高档化妆品、高温耐火材料的制造。任务二：粘土矿物的水化机理蒙脱石、高岭石、伊利石不相同点蒙脱石：

BitmapBitmapBitmapEx(H2O)4{(Al2-x,Mgx)2[(Si,Al)4O10](OH)2}E为层间可交换阳离子，主要为Na+、Ca2+，其次有K+、Li+等单斜晶系；C32h-C2/m；a0=0.523nm,b0=0.906nm,c0=0.96～2.05nm之间变化。白色，有时为浅灰、粉红、浅绿色土状光泽或蜡块光泽2～2.5

2～2.7

①甚柔软，有滑感。②加水膨胀，体积能增加几倍，并变成糊状物。③具有很强的吸附力及阳离子交换性能。利用其阳离子交换性能制成蒙脱石有机复合体，广泛用于高温润脂、橡胶、塑料、油漆；利用其吸附性能，用于食油精制脱色除毒、净化石油、核废料处理、污水处理；利用其粘结性可作铸造型砂粘结剂等；利用其分散悬浮性用于钻井泥浆。蒙脱石在医药、畜类（猪，兔）养殖中应用广泛。任务二：粘土矿物的水化机理蒙脱石、高岭石、伊利石不相同点伊利石

BitmapK0.75(Al1.75R)[Si3.5Al0.5O10](OH)2晶体主要属单斜晶系的含水层状结构硅酸盐矿物。属于2﹕1型结构单元层的二八面体型纯者洁白，因含杂质而呈浅绿、浅黄或褐色块状者油脂光泽1～2

2.5～2.8伊利石是介于云母和高岭石及蒙脱石间的中间矿物可用于制作钾肥、高级涂料及填料、陶瓷配件、高级化妆品、土壤调整剂、家禽饲料添加剂、高层建筑的骨架配料和水泥配料、核工业的污染净化和环境保护。其中微量元素可制作航天飞机的外层涂料。特别是在造纸、化妆品，陶瓷三大行业中，伊利石有着极大的应用价值。任务三：DLVO原理DLVO原理及其应用任务三：DLVO原理

内容1.经典DLVO理论2.扩展DLVO理论3.DLVO理论的实际应用任务三：DLVO原理

DLVO原理名字的来源由德亚盖因(Derjguin)和兰多(Landau)于1941年，弗韦(Verwey)与奥弗比克(Overbeek)于1948年各自提出。因此，通常以四人名字的起首字母命名该理论。任务三：DLVO原理经典DLVO原理经典DLVO理论从胶粒间斥力位能与吸力位能相互作用的角度来研究胶体的稳定与沉，认为带电胶粒之间存在着两种相互作用力，即双电层重叠时的静电斥力和粒子的长程范德华吸力，它们的相互作用决定了胶体的稳定性。该理论认为：分散体系颗粒之间的总位能VTD为其斥力位能(静电排斥作用势能)VER吸力位能(长程范德华作用势能)VWA之和，即：

VTD=VER+

VWA位能影响因素：受胶体颗粒大小、形状以及粒子间距离、Hamaker常数A，颗粒表面电位ψ0以及电解质的浓度n0的影响。任务三：DLVO原理在过去较长时间里曾用经典的DLVO理论来解释胶粒间的凝聚与分散行为，但是近十几年来的研究发现，在亲水或疏水粒子间存在诸多特殊的相互作用力，对胶体分散体系稳定性起决定作用，经典的DLVO理论不能解释这些体系