粘土胶体化学基础

粘土胶体化学基础第1页，共69页，2023年，2月20日，星期六第2节粘土胶体化学基础主要掌握的内容：粘土矿物的晶体构造与性质典型粘土矿物的化学组成典型粘土结构简介粘土的界面吸附作用粘土胶体化学基础胶体化学的基本概念粘土颗粒（片体）的双电层理论粘土的水化作用作用机理影响因素第2页，共69页，2023年，2月20日，星期六颗粒直径在1nm～1μm范围内均属胶体颗粒，含有胶体颗粒的体系称为胶体体系或胶体分散体系；胶体体系的重要特点之一是具有很大的表面积；由于大多数钻井液是粘土-水的胶体悬浮体系，因而胶体悬浮体系的性能直接影响到钻井液的工艺性能，进而影响到钻井工程的安全；学习钻井液中常用粘土矿物和粘土胶体化学的基础知识，对于理解和掌握钻井液体系的稳定性原理、化学处理剂的作用原理和钻井液工艺性能的维护控制原理具有重要意义。第3页，共69页，2023年，2月20日，星期六1）水基钻井液的组分(Components)水(Water)粘土(膨润土)(Clay)处理剂(DrillingFluidAdditives)第4页，共69页，2023年，2月20日，星期六2）膨润土的特性与作用形状和尺寸(片状、小于2-5微米)表面电荷与水化性能在钻井液中的状态（分散、絮凝、聚结）在钻井液中的作用（悬浮能力）第5页，共69页，2023年，2月20日，星期六§2）膨润土的的特性与作用粘土(Clay):小于2-5微米，具有塑性的矿物原料。粘土矿物:构成粘土的主体矿物。大都具有晶体本性，其化学成份是含水（镁）硅酸盐。粘土矿物的结构：层状（二层、三层、混层）；链状（纤维状）。膨润土(Bentonite)：主要成分为蒙脱石的粘土矿物。蒙脱石(Montmorillonite)：三层(2:1)型粘土矿物，因只有范氏力层间引力弱，表面吸附能力强，易水化膨胀和分散。

第6页，共69页，2023年，2月20日，星期六第7页，共69页，2023年，2月20日，星期六1.相和相界面相是指物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。体系中若有两个或两个以上的相，称为多相体系。相界面则是相与相之间的宏观物理界面。通常，在相互接触的两相中，若某一相为气体，则相界面称为表面。若是液相与固相的分界面，称为界面。2.分散相与分散介质

分散相是指在多相分散体系中被分散的物质。

分散介质则是分散相所在的连续介质。例如，在水基钻井液中，粘土颗粒分散在水中，粘土为分散相，水为分散介质。一、粘土胶体化学的几个基本概念第8页，共69页，2023年，2月20日，星期六3.分散度和比表面积

分散度是指分散相的分散程度。分散相的分散程度越高，分散度越大，分散相就分散得越细小。用数学式可将分散度表示为：

比表面积是单位体积（V）或单位重量（W）物质的总表面积。用数学式表示为：上式表明，比表面积越大，物质分散得越小，分散度就越高，两者有相互对应的关系。一、粘土胶体化学的几个基本概念第9页，共69页，2023年，2月20日，星期六

粘土是岩石学上的一种称谓，是岩石经过长期地质作用后的产物，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。粘土颗粒的粒度通常小于2～5微米，主要矿物成分由粘土矿物、非粘土矿物和胶体矿物组成。粘土矿物是铝硅酸盐的总称,是含水的层状及层—链状构造。特点是具有相对固定的化学组成和确定的内部结构—内部格子构造。二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第10页，共69页，2023年，2月20日，星期六粘土：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。

特性：细粒，粘性，高温成型性，可塑成型性

矿物组成：粘土矿物（蒙脱石等）+非粘土矿物（石英、长石等）+胶体矿物（蛋白石等）。化学组成:SiOAlOH，少量的FeNaCaMg等粘土矿物：含水的细分散的层状及链状构造硅酸盐矿物的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构—（内部格子构造--晶格）。

第11页，共69页，2023年，2月20日，星期六

（1）硅氧四面体与硅氧四面体片

硅氧四面体由一个硅离子和四个等距的氧离子配位组成的正四面体。硅离子在四面体的中心，氧离子在四面体的顶点。硅离子与各氧离子之间的距离相等，如图所示。在图中,四面体底面三个氧离子组成基底氧，四面体顶点一个氧离子为顶端氧。氧离子之间距离2.61×10-1nm。硅离子与氧离子距离为1.61×10-1nm.二、主要粘土矿物的晶体构造和特点1.粘土矿物的两种基本构造单元OSi第12页，共69页，2023年，2月20日，星期六一、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(silicatetrahedron)

由一个硅原子和四个等距的氧原子组成的正四面体。硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点。图中：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。O~O距离：2.61埃。Si~O距离：1.61埃。——硅原子——氧原子第13页，共69页，2023年，2月20日，星期六

（1）硅氧四面体与硅氧四面体片单个四面体与若干个相邻四面体通过底氧相连，构成平面连续的四面体晶格，此即硅氧四面体片。如图所示。

四面体片所有基底氧排列在同一个平面上，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空心六角环网格。由于四面体片含有负电荷，所以，在实际矿物结构中，四面体片在粘土中不能独立存在，仅能以与阳离子和附加氧离子结合的形式存在。二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第14页，共69页，2023年，2月20日，星期六

硅氧四面体片

单个四面体与若干个相邻四面体通过底面氧相连，构成平面连续的四面体晶格。四面体片特点：由SiO4彼此连接而成的Si4O10的无限重复的六方网格。所有基底氧排列在同一个平面上。所有顶端氧在另一个平面上。平面投影形成三层。是六角对称的（六角环半径1.33A，空心）四面体片在粘土中不能独立存在。——硅原子——氧原子Si4O10

最小重复单元分子式第15页，共69页，2023年，2月20日，星期六四面体片立体模型第16页，共69页，2023年，2月20日，星期六硅氧四面体与硅氧四面体片第17页，共69页，2023年，2月20日，星期六

（2）铝氧八面体与铝氧八面体片铝氧（有时为铝-氢氧）八面体的六个顶点为氧离子或者氢氧离子团，铝、铁或镁离子处于正八面体中心，六个氧离子或氢氧离子处于八面体顶点，如图所示。八面体中心位置通常由体积较大的阳离子Al3+、Mg2+、Fe2+和Fe3+配位，而不适应象Ca2+、Na+或K+等体积更大的阳离子配位。在图中，八面体氧离子之间距离为2.60埃，氢氧离子之间距离为2.94×10-1nm。

1.粘土矿物的两种基本构造单元氢氧Al二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第18页，共69页，2023年，2月20日，星期六2.铝氧八面体与铝氧八面体片

铝氧（Al—O(OH)）八面体(aluminaoctahedron)

铝原子处于正八面体中心，六个氧原子或氢氧原子处于八面体顶点。图中：O~O距离=2.60埃。OH~OH距离=2.94埃。——铝原子——氢氧原子第19页，共69页，2023年，2月20日，星期六（2）铝氧八面体与铝氧八面体片

铝氧（氢氧）八面体片是由单个八面体与相邻的八面体通过共用晶棱连接起来，顶端和底端氧离子则构成两个平行的平面（每个八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连接，如图所示。1.粘土矿物的两种基本构造单元氢氧铝二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第20页，共69页，2023年，2月20日，星期六

铝氧（氢氧）八面体片

单个八面体与相邻的八面体通过共用氢氧原子连接起来，顶端和底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八面体通过共用氧（氢氧原子）连接）。

——氢氧原子——铝原子Al4(OH)12最小重复单位分子式第21页，共69页，2023年，2月20日，星期六铝氧八面体与铝氧八面体片第22页，共69页，2023年，2月20日，星期六八面体片立体模型第23页，共69页，2023年，2月20日，星期六（2）铝氧八面体与铝氧八面体片如果每三个八面体中心只有二个中心被Al3+、Fe3+等三价离子占据，留下1/3空位，这种晶片特称为二八面体晶片，又叫铝氧片。当八面体片的中心全被Mg2+、Fe2+占据时，这种晶片称为三八面体晶片，又叫镁氧片。与四面体片不同，八面体片能够独立存在。1.粘土矿物的两种基本构造单元氢氧铝二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第24页，共69页，2023年，2月20日，星期六（3）晶片的结合四面体片和八面体片沿C轴按一定比例相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层，即晶层。许多单位晶层在C轴方向上按一定距离反复重合而构成晶体。能代表晶体性质的单位层内最小物质组合叫单位晶胞。常以a、b轴范围表示其大小。某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离叫C轴间距，如图所示。1.粘土矿物的两种基本构造单元二、主要粘土矿物的晶体构造和特点C间距Cab第25页，共69页，2023年，2月20日，星期六

（3）晶片的结合四面体片与八面体片的相互结合构成了层状硅酸盐矿物的基本结构层。

按照四面体片和八面体片的配合比例，可以把层状构造硅酸盐矿物的基本结构层分为1：1层型和2：1层型两个基本类型。1.粘土矿物的两种基本构造单元二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第26页，共69页，2023年，2月20日，星期六（3）晶片的结合单独的1：1型层或2：1型层可以是电中性的，也可以是由于晶格取代（在晶体结构保持不变的条件下，中心高价阳离子被低价阳离子取代的现象）等原因而带负电荷。为了平衡负电性，晶层间必然吸附了一些阳离子作为补偿阳离子。由于基本结构层、层间物质、层间电荷、补偿阳离子等的不同，加上结晶学上的有序-无序和多型等现象，就使得自然界粘土矿物的种类繁多。1.粘土矿物的两种基本构造单元二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第27页，共69页，2023年，2月20日，星期六（1）高岭石（Kaolinite）高岭石的单元晶层构造由一层四面体片和一层八面体片组成，所有硅氧四面体的尖顶都朝向八面体。四面体晶片与八面体晶片通过共用氧原子连接在一起。若干个晶层在C轴方向上层层重叠，而在a、b轴方向上连续延伸。高岭石矿物在溶液中阳离子交换容量小，水分子不易进入晶层中间，为非膨胀类型的粘土矿物。其水化性能差，造浆性能不好，一般不用作钻井液的配浆粘土。2.几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第28页，共69页，2023年，2月20日，星期六（1）高岭石（Kaolinite）2.几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第29页，共69页，2023年，2月20日，星期六（1）高岭石（Kaolinite）高岭石构造单元中原子电荷是平衡的，化学式为Al4Si4O10(OH)8。因为其单元晶层构造是由一片硅氧片和一片铝氧片组成，故也称为1：1型粘土矿物。在高岭石单元晶层中，一面为OH层，另一面为O层，由于OH键具有强极性，晶层与晶层之间容易形成氢键，因此，晶层之间连接紧密，晶层间距仅为7.2×10-1nm，高岭石的分散度较低且性能稳定，几乎无晶格取代现象。2.几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第30页，共69页，2023年，2月20日，星期六

（2）蒙托石蒙托石是2：1型层状构造硅酸盐，由两层四面体片中间夹一层八面体片组成。每个四面体尖顶均指向中央的八面体，通过共用的氧连接成晶层。2.几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点C间距第31页，共69页，2023年，2月20日，星期六

（2）蒙托石蒙托石矿物的结晶构造天然具有晶格取代的现象，晶格取代多发生在八面体片中间，即由低价的Fe2+、Mg2+等取代高价的Al3+，构造单元层剩余电荷为0.2～0.6。2.几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点C间距第32页，共69页，2023年，2月20日，星期六

（2）蒙托石

单位层间含有水分子和补偿性阳离子Na+和Ca2+，这些补偿性阳离子是可以被溶液中其它阳离子交换的。蒙托石的阳离子交换容量为70～130毫克当量/100克土。

2.几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点C间距第33页，共69页，2023年，2月20日，星期六

（2）蒙托石蒙托石单位晶层两面均为O层，晶层间依靠分子间力连接，引力小，连接不紧密，水分子容易进入晶层之间而发生膨胀，水化分散性好，造浆能力强，是配制钻井液的好材料。2.几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点C间距第34页，共69页，2023年，2月20日，星期六

（3）伊利石（illite）伊利石也称为水云母，是2：1型粘土矿物，其晶体构造与蒙托石类似，主要区别在于晶格取代比蒙托石多。取代作用主要发生在四面体中，铝离子取代四面体里的硅。晶格取代作用也可以少量发生在八面体中，典型的是Mg2+和Fe2+取代Al3+，其单位晶胞剩余电荷为0.6～1.0，比蒙托石的高1～1.5倍，产生的负电荷主要由K+来平衡。伊利石单位晶层间距为10×10-1nm。

伊利石的晶格不易膨胀，水分子不易进入晶层间，也不是配制钻井液的好材料。2.几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第35页，共69页，2023年，2月20日，星期六粘土矿物的晶格构造和特点伊利石伊利石的晶体构造和蒙脱石相类似，不同之点在于伊利石中硅氧四面体中有较多的硅被铝取代，因取代所缺的正电荷由处在相邻两个硅氧层之间的K+补偿，因K+存在于晶层之间并进入相邻氧原子网格形成的孔穴中，使各晶胞间拉得较紧，水分不易进入层间，因此它是不易膨胀的粘土矿物。第36页，共69页，2023年，2月20日，星期六

2.几种主要粘土矿物小结二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第37页，共69页，2023年，2月20日，星期六钻井液循环系统钻井液的主要功能钻井液的组成钻井液的分类第38页，共69页，2023年，2月20日，星期六钻井液循环示意图CirculationSystem第39页，共69页，2023年，2月20日，星期六钻井液的主要功能：（1）清洗井底，携带岩屑。（2）冷却、润滑钻头和钻柱。（3）形成泥饼，保护井壁。（4）控制和平衡地层压力。（5）悬浮岩屑和加重材料。（6）提供所钻地层的地质资料。（7）传递水功率。（8）防止钻具腐蚀。b第40页，共69页，2023年，2月20日，星期六钻井液的组成钻井液的基本成分由分散相+分散介质+化学处理剂组成。第41页，共69页，2023年，2月20日，星期六钻井液分类方法按照密度大小可将钻井液分为高密度钻井液和低密度钻井液，高低密度的界限一般为1.35g/cm3；按照与粘土水化作用强弱程度可将钻井液分为抑制性钻井液和非抑制性钻井液；按照连续相性质可将钻井液分为水基钻井液、油基钻井液和气基钻井液。第42页，共69页，2023年，2月20日，星期六美国石油学会(API)和国际钻井承包商协会(IADC)类别：①不分散钻井液；②分散钻井液；③钙处理钻井液；④聚合物钻井液；⑤低固相钻井液；⑥盐水钻井液；⑦油基钻井液；⑧合成基钻井液；⑨空气、雾、泡沫和充气钻井流体。第43页，共69页，2023年，2月20日，星期六粘土矿物的两个基本结构单元硅氧四面体铝氧八面体第44页，共69页，2023年，2月20日，星期六高岭石结构(1:1)粘土矿物的晶格构造和特点铝氧八面体片硅氧四面体片共用氧原子连接第45页，共69页，2023年，2月20日，星期六蒙脱石晶格结构（2:1）粘土矿物的晶格构造和特点硅氧四面体片铝氧八面体片硅氧四面体片第46页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学

1.粘土-水界面扩散双电层（1）电泳与电渗1809年莱斯（PeHcc）观察到水中粘土颗粒在直流电场中向阳极移动的现象。后来了解到，许多胶体体系都有类似的现象，若将二电极插入胶体溶液而通以电流，即可发现胶粒向阳极或阴极移动。在电场作用下，胶体颗粒在介质中向某一电极移动的现象，称为电泳；若固相不动而液相对固定带电荷的固体表面作相对运动的现象称为电渗。第47页，共69页，2023年，2月20日，星期六电泳电渗电泳现象表明：胶体粒子是带电的。第48页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学

1.粘土-水界面扩散双电层（2）扩散双电层的形成与结构

既然胶体粒子带电，那么在它周围必然分布着电荷数相等的反离子，于是在固液界面形成双电层。双电层中的反离子，一方面受到固体表面电荷的吸引，靠近固体表面；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，这两种相反作用的结果，使得反离子扩散地分布在胶粒周围，构成扩散双电层。在扩散双电层中反离子的分布是不均匀的，靠近固体表面密度高，形成紧密层（吸附层）第49页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学

1.粘土-水界面扩散双电层（2）扩散双电层的形成与结构假如固体表面吸附的反离子为负离子，随着与界面的距离增大，负离子的分布由多而少，到了正电荷的电力线所不及的距离处，过剩反离子的浓度就等于零。从固体表面到过剩反离子为零处的这一层称为扩散双电层。第50页，共69页，2023年，2月20日，星期六滑动面从固体表面到过剩正电荷为0处的这一层为扩散双电层均匀液相扩散层第51页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学

1.粘土-水界面扩散双电层（2）扩散双电层的形成与结构反离子是溶剂化（例如水化）的，固体表面上紧密地连接着部分反离子，构成图中的吸附溶剂化层（紧密层或吸附层）。其余的离子带着其溶剂化壳，扩散地分布到液相中，构成扩散层。当粘土运动时，界面上的吸附溶剂化层随着一起运动，与外层错开。吸附溶剂化层与外层错开的界面称为滑动面。第52页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学

1.粘土-水界面扩散双电层（3）扩散双电层中的电位从吸附溶剂化层界面（滑动面）到均匀液相（过剩反离子为零）内的电位，称为电动电位（或Zeta电位，又写作ζ）；从固体表面到均匀液相内部的电位，称为热力学电位（0）。热力学电位决定于固体表面所带的总电荷，而Zeta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。ζ0第53页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学1.粘土-水界面扩散双电层（3）扩散双电层中的电位1）电动电位（Zeta电位）电动电位是扩散双电层的重要特点，它与胶体体系的稳定性密切相关。电动电位（ζ）的数值取决于吸附层滑动面上的净电荷数，也就是取决于扩散层中的反离子数。胶体电动电位（Zeta电位ζ）：式中，ζ—电动电位，伏；V—电泳速度，cm／s；E—电位梯度，等于电泳池两端电压除以电极距离，伏／cm；

η—介质粘度，mPa.s；D—液体介电常数，在20℃时水为80；3002—单位换算系数。第54页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学1.粘土-水界面扩散双电层（3）扩散双电层中的电位2）扩散层电位扩散层电位比较微弱，随距固体表面的距离x而变化，服从指数关系，即扩散层电位（）按指数关系下降，如下式：

式中，—扩散层中任一点的电位；

0—热力学电位（表面电位）；K—德拜常数；l／K—离子氛（扩散双电层）的厚度；x—离开表面的距离。显然，当x=l／K时，由该式可以看出，在距离x等于1/K处，电位下降为0的1/e倍。当x→∞时，→0。当x等于零时，=0。第55页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学1.粘土-水界面扩散双电层（3）扩散双电层中的电位3）电解质对双电层厚度和电动电位（ζ）的影响胶体的聚结稳定性与双电层厚度、电动电位大小有密切关系，双电层愈厚，ζ愈大，胶体愈稳定。根据强电解质的德拜一休格理论，双电层的厚度主要决定于溶液中电解质的反离子价数与电解质的浓度：

式中，n—电解质浓度；Z—电解质中离子价数（系均称电解质,如NaCl,MgSO4）；k－坡兹曼常数;T—绝对温度；e—电子电荷；S—介电常数。总之，随着加入电解质浓度的增加，特别是离子价数的升高，扩散双电层厚度下降，电动电位下降（电解质压缩双电层的作用）。第56页，共69页，2023年，2月20日，星期六电解质对双电层的影响在溶液中加入电解质，扩散双电层厚度下降的原因是加入电解质后，将有更多的反离子进入吸附层，结果扩散层的离子数目下降，这就导致双电层厚度下降，电动电位下降（电解质压缩双电层的作用）。当所加电解质把双电层压缩到吸附溶剂化层的厚度时，胶粒即不带电，此时电动电位降到零。这种状态称为等电态。在等电态，胶体容易聚结。如果高价反离子进入吸附层，使ζ电势改变符号，称再带电现象。此时，胶粒电荷反号，电泳方向改变第57页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学1.粘土-水界面扩散双电层（3）扩散双电层中的电位4）粘土—水界面双电层的特点由于粘土矿物呈片状，其晶体表面与端面结构不同，因此，可以形成两种不同的双电层，这就是所谓粘土胶体双电层的两重性。①粘土片表面上的双电层结构在蒙脱石和伊利石的晶格里，硅氧四面体晶片中部分Si4+可被Al3+取代，铝氧八面体晶片中部分Al3+可被Mg2+或Fe2+等取代。这种晶格取代作用造成粘土晶格层面上带有永久负电荷，于是它们吸附等电量的阳离子（Na＋、Ca2+、Mg2+等）。当将这些粘土放到水里，吸附的阳离子向外扩散，结果形成了胶粒带负电的扩散双电层。粘土表面上紧密地连结着一部分水分子（氢键连结）和部分带水化膜的阳离子，构成吸附溶剂化层；其余的阳离子带着它们的溶剂化水扩散地分布在液相中，组成扩散层。

第58页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学1.粘土-水界面扩散双电层（3）扩散双电层中的电位4）粘土—水界面双电层的特点

②粘土片端面上的双电层结构粘土矿物晶体端面上裸露的原子结构和表面上不同。在端面，粘土晶格中铝氧八面体与硅氧四面体原来的键被断开了。当介质的PH值低于7时，八面体处端面上OH解离，露出带正电的铝离子，故可以形成正溶胶形式的双电层；而在碱性介质中，端面上的氢解离，裸露出带负电的表面（一A－O-），在这种情况下，形成的双电层，其电性与层面上相同。第59页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学2、 粘土-水悬浮体的稳定性

（1）沉降稳定性和聚结稳定性沉降稳定性是指在重力作用下分散相颗粒是否容易下沉的性质。

若下沉速度很小，甚至可略而不计，则称该体系具有沉降稳定性。观察钻井液沉降稳定性的方法，是将充分搅拌好的钻井液注满250毫升量简，静置24小时后，分别量测上、下部分的钻井液密度，其上下密度的差值愈小，沉降稳定性愈高（一般要求上下密度差不超过0.06g/cm3）。聚结稳定性则指分散相颗粒是否容易自动粘结变大（即自动降低分散度）的性质。

若实际上不自动降低分散度，则称此体系具有聚结稳定性。钻井液是稠的粘土溶胶一悬浮体，其聚结行为很敏感地反映在屈服值的变化上。此外，由钻井液的失水量和泥饼厚度也可间接观察其聚结稳定性。聚结稳定性是沉降稳定性的基础，沉降稳定性是聚结稳定性的反映。第60页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学2、 粘土-水悬浮体的稳定性（2）影响沉降稳定性的因素影响沉降稳定性的因素是分散相粒子的大小、分散相与分散介质的密度差、分散介质的粘度。斯笃克(stoke)定律

式中，u—分散相颗粒的下沉速度，cm／s；r—分散相颗粒的半径，cm；ρ、ρ0—分别为分散相和分散介质的密度，g／cm3；η—分散介质的粘度，泊；

g—重力加速度；981cm／s2。第61页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学2、 粘土-水悬浮体的稳定性

（3）影响聚结稳定性的因素1）阻碍粘土颗粒聚结的因素①双电层斥力

粘土胶粒周围形成有扩散双电层。当两个粘土颗粒聚结合并前，必然有个移动的过程，在移动时，随着粘土颗粒一齐运动的仅是吸附层内的反离子，这样，粘土粒子就具有表示负电荷多少的ζ电势，显然，ζ电势越高，颗粒之间的斥力越大，越难以聚结合并。②吸附溶剂化层的稳定作用

吸附作用降低了固一液界面的表面能，从而降低颗粒的聚结趋势。同时实验指出，吸附溶剂化层的溶剂具有很高的粘度和弹性，这就构成妨碍胶粒聚结的机械阻力。第62页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学2、 粘土-水悬浮体的稳定性（3）影响聚结稳定性的因素

2）引起粘土颗粒聚结的因素①颗粒之间的吸力（范德华力）

无论是粘土一水溶胶或是其他胶体，它们的颗粒会聚结合并这一事实说明：颗粒之间存在着在数量上足以和双电层斥力相抗衡的吸力，这就是范德华力。分子之间的引力也是范德华力，但颗粒之间的吸力和分子之间的引力不同，分子之间的引力与距离的六次方成反比，随分子间距离的增大而急剧减小，作用力范围很小；但对于由许多分子聚集而成的质点颗粒，此力与表面距离的三次方成反比，作用能量则与距离的二次方成反比，作用力的范围较大。所以，当粘土颗粒之间的距离相互靠近到此吸力的作用范围，而且吸力超过斥力时，粘土颗粒之间就发生聚结。第63页，共69页，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水悬浮体系的胶体化学2、 粘土-水悬浮体的稳定性

（3）影响聚结稳定性的因素

2）引起粘土颗粒聚结的因素②电解质的聚结作用

电解