1粘土礦物.ppt

第一章粘土礦物 粘土在鉆井工藝中起著極其重要的作用 粘土的種類和數(shù)量直接影響鉆井液的性能 井眼的穩(wěn)定性以及油氣層的保護(hù) 粘土主要由粘土礦物 含水的硅鋁酸鹽 組成 呈顆粒狀 其顆粒大多數(shù)小于2 m 它在水中具有水化性 分散性 帶電性 離子交換性 這些性能對于處理與配制鉆井液都具有重要作用 是主要的配漿用原料 一 粘土礦物的結(jié)構(gòu) 一 硅氧四面體與硅氧四面體晶片 其最基本的結(jié)構(gòu)單元是SiO4四面體 多個SiO4四面體通過共用頂角上的一個 二個或三個 四個氧原子連成鏈狀 環(huán)狀 片狀或三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 在空間重復(fù)形成硅氧四面體晶片 硅氧四面體晶片 硅氧四面體的六方網(wǎng)格結(jié)構(gòu)內(nèi)切圓直徑0 288nm 硅氧四面體片的厚度0 5nm 二 鋁氧八面體與鋁氧八面體晶片鋁氧八面體的六個頂點(diǎn)為氧或氫氧原子團(tuán) Al3 或Fe3 Fe2 Mg2 置于八面體的中央 通常是Al3 鋁氧八面體 鋁氧八面體晶片 單個的鋁氧八面體通過共用頂角的原子或者原子團(tuán)在空間重復(fù)形成晶片 三 晶層的結(jié)構(gòu)硅氧四面體晶片與鋁氧八面體晶片通過共價(jià)鍵以適當(dāng)?shù)姆椒ńY(jié)合 構(gòu)成晶層 1 1 1型晶層由一個硅氧四面體晶片與一個鋁氧八面體晶片構(gòu)成 高嶺石的晶體結(jié)構(gòu) 1 1層型 層間距0 72nm 常見的粘土礦物 高嶺石 最早發(fā)現(xiàn)于中國景德鎮(zhèn)高嶺林而得名 2 2 1型晶層 由兩個硅氧四面體晶片與一個鋁氧八面體晶片構(gòu)成 蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu) 2 1層型 可交換陽離子nH2O結(jié)晶水 單元晶層面與面堆積在一起形成晶體一個單元晶層到相鄰的單元晶層之間的垂直距離稱為晶層間距層間物 層間水 層間陽離子晶層與晶層之間主要靠分子間力堆積在一起 四 晶格取代在粘土礦物晶體中 一部分陽離子被另外陽離子所置換 產(chǎn)生過剩電荷的現(xiàn)象 Si O四面體 Al3 取代Si4 粘土帶負(fù)電荷 Al O八面體 Mg2 Fe2 取代Al3 二 粘土的性質(zhì) 一 粘土的帶電性粘土顆粒通常帶有負(fù)電荷 粘土帶負(fù)電是它具有一系列電化學(xué)性質(zhì)的根本原因 1 永久性 負(fù) 電荷永久性電荷是由于粘土在自然界形成時發(fā)生晶格取代作用產(chǎn)生的 如四價(jià)硅被三價(jià)鋁取代如伊利石等 三價(jià)鋁為Fe2 Mg2 取代如蒙脫石 晶格取代是粘土帶電荷的主要來源 特點(diǎn) 電荷量不受pH值 介質(zhì)的影響 2 可變 負(fù) 電荷粘土所帶電荷的數(shù)量隨介質(zhì)的pH值改變而改變 原因 1 鋁氧八面體中 Al OH是兩性的 在堿性介質(zhì)中電出H 使粘土帶負(fù)電荷 在酸性介質(zhì)中則電離出OH 使粘土帶正電荷 一般情況下鉆井液呈堿性 所以粘土帶負(fù)電荷 2 粘土晶層在外力作用下發(fā)生斷裂 則在斷裂的邊緣處可能帶負(fù)電 可能帶正電荷 3 可變性 端面 正電荷當(dāng)粘土介質(zhì)的pH值小于9時 粘土晶體端面上帶正電荷 這是因?yàn)槁懵对谶吘壣系匿X氧八面體在酸性條件下從介質(zhì)中解離出OH Al OH Al OH 兩性偏堿性 粘土表面 OH的兩性表現(xiàn) 4 凈電荷數(shù)粘土的正電荷與負(fù)電荷的代數(shù)和稱為粘土晶體顆粒的凈電荷數(shù) 粘土的負(fù)電荷數(shù)一般多于正電荷 所以粘土顆?？偲饋碇v是帶負(fù)電荷 二 粘土的可交換陽離子及陽離子交換容量1 可交換陽離子為了保持粘土的電中性 粘土必然從分散介質(zhì)中吸附等電量的陽離子 這些陽離子可以被分散介質(zhì)中的其它陽離子所交換 因而稱粘土的交換性陽離子 2 陽離子交換容量粘土的陽離子交換容量是指分散介質(zhì)PH為7的情況下 粘土所能交換下的陽離子總量 記為CEC cationexchangecapacity 單位是mmol kg 它反映了粘土晶體的晶格取代度 3 粘土礦物陽離子交換容量 粘土帶電量通常用CEC表示 CEC越大 說明粘土所帶負(fù)電荷越多 三種常見粘土礦物的CEC大致如下 三 粘土 水界面的吸附作用 離子交換吸附1 離子交換吸附 就是一種離子被吸附的同時從吸附劑表面頂替出等電量的帶相同電荷的另一種離子的過程 由于粘土顆粒帶負(fù)電荷 它在溶液中能吸附陽離子 進(jìn)行陽離子交換吸附 離子交換吸附是經(jīng)常發(fā)生的 例如 在泥漿中2Na 與Ca2 的交換吸附 又如飽含鹽水泥漿pH下降 Na 與H 的交換吸附 2 離子交換吸附的特點(diǎn) 1 同性離子交換吸附陽離子 陽離子 2 等電量交換吸附2Na Ca2 3 離子交換吸附是可逆的3 離子交換吸附強(qiáng)弱的規(guī)律 1 一般在溶液中濃度相差不大時 離子價(jià)數(shù)越高 與粘土表面的吸附能力越強(qiáng) 也越難從粘土表面上被交換下來 所以Ca2 的吸附能力比Na 強(qiáng) 2 離子半徑對離子交換吸附的影響 當(dāng)相同價(jià)數(shù)的各種離子濃度相近時 一般離子半徑小 水化半徑大 離子中心離粘土表面越遠(yuǎn) 則吸附弱 3 H 水化半徑小 H 與水形成H3O 它們在粘土中表面的吸附特別強(qiáng) 這也是泥漿性能的研究中格外重視pH值的重要原因 4 不同粘土礦物的影響陽離子的離子吸附能力由小到大交換順序 高嶺石Li Na NH4 H K Mg2 Ca2 蒙脫石Li Na NH4 K H Mg2 Ca2 四 粘土礦物的水及水化1 結(jié)晶水這是粘土礦物晶體構(gòu)造中的一部分 只有溫度高于300 以上時 結(jié)晶受到破壞 這部分水才能釋放出來 2 吸附水靠分子間力 具有極性的水分子可以吸附到帶電荷的粒土表面上 在粒土顆粒周圍形成一層水化膜 隨粘土顆粒一起運(yùn)動 3 自由水這部分水存在于粘土顆粒的孔道中 不受粘土的束縛 五 粘土的水化膨脹作用及分散1 表面水化膨脹 晶格膨脹是由于粘土顆粒吸附水份子 從而形成水化膜 粘土的內(nèi)外表面水化時 水在晶層間凝結(jié) 引起晶格膨脹 2 滲透水化膨脹由于晶層間的陽離子濃度大于液體內(nèi)部 因而水發(fā)生濃差擴(kuò)散 進(jìn)入層間 因此增加晶層間距 引起滲透膨脹 滲透膨脹引起的體積增加比晶格膨脹大得多 例如 在晶格膨脹范圍內(nèi) 每克粘土大約吸收0 5g的體積約增加1倍 而在滲透膨脹范圍內(nèi) 每克粘土可吸附10g水 體積可增加20 25倍 3 影響粘土水化 膨脹的因素 1 粘土晶體的部位不同 水化膜的厚度也不相同 表面 端面粒土表面所帶的負(fù)電荷多 所以吸附的陽離子也多 粘土晶體表面的水化膜也厚 粒土晶體端面上的電荷量少 因而水化膜也薄 2 粘土礦物不同 水化作用的強(qiáng)弱也不同蒙脫石的陽離子交換容量高 水化最好 分散度也高 顆粒細(xì) 屬于水化 膨脹 分散性粘土 又稱為膨潤土 3 因粘土吸附的交換性陽離子不同 其水膨脹程度有很大的差別 對于同一種粘土來講 蒙脫石吸附Ca2 水化后 晶層間距僅為17 10 1nm 只能發(fā)生晶層膨脹 形成粗分散體系 鈉蒙脫石水化后晶層間距為17 40 10 1nm 形成水化分散好的細(xì)分散體系 不同的交換性陽離子引起水化程度不同的原因是 粘土單元晶層間存在兩種力 一是晶層間陽離子水化產(chǎn)生的膨脹力和帶負(fù)電荷的晶層之間的斥力 另一種是粘土單元層間由于陽離子存在所產(chǎn)生的靜電吸引力 如果粘土單元晶層間與層間離子之間的靜電吸引力大于晶層間的斥力 粘土就只能發(fā)生晶格膨脹 如果粘土單元晶層間與層間離子之間的靜電吸引力小于晶層間的斥力 這種力使單元晶層分開 從而使粘土進(jìn)一步水化分散形成細(xì)分散體系 如果交換離子是Ca2 則晶層間的靜電吸引力大于晶層間斥力 只能發(fā)生晶格膨脹 只能形成粗分散體系 如果是Na 則晶層間的靜電吸引力小于晶層間斥力 形成水化分散好的細(xì)分散體系 蒙脫石水化膨脹過程 六 粘土 水分散體系的穩(wěn)定性1 粘土顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)擴(kuò)散雙電層特點(diǎn)是粘土表面緊密吸附著部分陽離子及其部分水分子 構(gòu)成了吸附溶劑化層 其余的陽離子帶著它們的溶劑化水分布在液相中組成擴(kuò)散層 2 端面上帶有部分負(fù)電荷或正電荷 同樣也形成類似的擴(kuò)散雙電層結(jié)構(gòu) 七 粘土 水分散體系 膠體懸浮體 的穩(wěn)定性 聚集和沉降1 穩(wěn)定性粘土水分散體系的穩(wěn)定性主要源于膠粒間的相互排斥力 1 膠粒間的靜電斥力由于膠粒帶負(fù)電荷 那么粒土膠粒之間存在靜電斥力 阻礙膠粒間的結(jié)合 聚集 變大以大致沉降 沉積 2 溶劑化膜的斥力粘土顆粒周圍形成溶劑化膜 其中水化膜中的水分子是定的排列的 當(dāng)粘土顆粒相互接近時 水化膜被劑壓變形 水分子之間的吸引力促使水分子恢復(fù)產(chǎn)