粘土性質(zhì)及在鉆井液中的應(yīng)用-白璐

1、油田化學(xué)論文 論文題目 ： 粘土性質(zhì)及在鉆井液中的應(yīng)用 學(xué) 院 ： 石油工程學(xué)院 班 級(jí) ： 石油工程（卓越）1209班 作者姓名 ： 學(xué) 號(hào) ： 粘土性質(zhì)及在鉆井液中的應(yīng)用粘土是配制鉆井液的重要原材料，它的主體礦物為粘土礦物。粘土礦物的結(jié)構(gòu)和基本特性與鉆井液的性能及其控制與調(diào)整密切相關(guān)；粘土在鉆井液中有懸浮、增粘作用，對井壁穩(wěn)定、油層保護(hù)有重要影響。粘土是一種或多種呈疏松或膠狀致密的水鋁硅酸鹽礦物，是多種微細(xì)礦物和雜質(zhì)的混合物。自然界中的粘土是多種含水鋁硅酸鹽礦物的混合物，外觀多為土狀或致密塊狀，呈白、黃、紅、黑、灰等多種顏色，顆粒細(xì)微，大多數(shù)均不大于2m，晶體呈片狀、管狀、球狀以及六角鱗片

2、狀等。粘土的主體是由各類粘土的礦物組成，通常還含有雜質(zhì)礦物，如未風(fēng)化的巖石碎屑、石英砂、長石、云母、方解石、黃鐵礦、有機(jī)物雜質(zhì)等。自然界的粘土是由富含如長石、偉晶花崗巖等鋁硅酸鹽礦物的巖石經(jīng)過長期地質(zhì)年代的風(fēng)化、水解、熱液蝕變等作用而形成的。1、粘土礦物類型粘土礦物 (clay minerals)是粘土和粘土巖中晶體一般小于2微米，主要是含水的鋁、鐵和鎂的層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物。有的在其成分中還有某些堿金屬或堿土金屬存在。粘土礦物包括高嶺石族礦物、蒙皂石、蛭石、粘土級(jí)云母、伊利石、海綠石、綠泥石和膨脹綠泥石以及有關(guān)的混層結(jié)構(gòu)礦物，此外還包括具過渡性的層鏈狀結(jié)構(gòu)的坡縷石（凹凸棒石）和海泡石以及非晶質(zhì)

3、的水鋁英石。除水鋁英石外均屬層狀或?qū)渔湢罱Y(jié)構(gòu)硅酸鹽，因此粘土礦物可按層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物的分類來劃分。粘土礦物按成因可分為他生粘土礦物和自生粘土礦物兩類，他生粘土礦物主要是來自沉積物源區(qū)的陸源礦物，礦物成分與母源區(qū)巖石類型關(guān)系密切；自生粘土礦物為儲(chǔ)層在特定成巖階段化學(xué)反應(yīng)析出的礦物，如自生綠泥石、自生高嶺石等。不同成因粘土礦物通常具有不同的礦物組合、產(chǎn)狀、晶形和分布規(guī)律等特征。粘土礦物的粒度細(xì)小，其大小和形態(tài)需用電子顯微鏡才能測定。多數(shù)粘土礦物如伊利石等呈鱗片狀，結(jié)晶良好的高嶺石則呈完整的假六方片狀。少數(shù)粘土礦物呈管狀（埃洛石）或纖維狀（坡縷石和海泡石）。2、粘土組成粘土的組成包含化學(xué)組成、礦物

4、組成和顆粒組成等三個(gè)方面。（1）、化學(xué)組成由于粘土是由含水鋁硅酸鹽礦物組成的混合物，故粘土的主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3和H2O，同時(shí)還含有堿金屬氧化物（K2O、Na2O）、堿土金屬氧化物（CaO、MgO）、著色氧化物（Fe2O3、TiO2）以及燒失成分（機(jī)械結(jié)合水、化合水、有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽、硫酸鹽等）。根據(jù)粘土的化學(xué)組成可以初步判斷和估計(jì)粘土的一些性能。如粘土中Al2O3含量較高，雜質(zhì)含量較少時(shí)，原料耐火度較高且難以燒結(jié)；當(dāng)粘土中SiO2較多時(shí)，說明該粘土中游離石英較多，砂性重，成型時(shí)可塑性較差；若粘土中K2O和Na2O總量大于2%時(shí)，燒結(jié)溫度較低；當(dāng)Fe2O3含量大于0.8%時(shí)，制品白

5、度降低，呈灰白色、黃色，甚至暗紅色。（2）、礦物組成天然粘土通常并不是單一礦物，而是由多種礦物的混合物，只是其中一種是主要礦物。根據(jù)主要粘土礦物的不同，可將天然粘土分為高嶺石類、蒙脫石類和伊利石類三種。高嶺石是一種常見的粘土礦物，其主要成分是高嶺石（Al2O32SiO22H2O），其中Al2O3 39.5%、SiO2 46.54%和H2O 13.96%，結(jié)構(gòu)式為Al4 Si4O10(OH)8。高嶺石是高嶺土原料中的主要礦物成分。當(dāng)高嶺土中的高嶺石礦物含量高，雜質(zhì)較少，耐火度也較高，燒成后顏色較白，高溫時(shí)莫來石發(fā)育較好，機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性均較好。但因其吸附能力弱，分散度較小，故其可塑

6、性和結(jié)合性較差。蒙脫石又稱微晶高嶺石或膠嶺石，是一種常見的粘土礦物。以蒙脫石為主要礦物的粘土稱為膨潤土。呈白色或灰白色，有時(shí)因含雜質(zhì)而呈黃色、淺紅色、藍(lán)綠色等。比密度為2.2-2.9，硬度1-2。屬于單斜晶系晶體，其理論化學(xué)通式Al2O34SiO2nH2O（n通常大于2），晶體結(jié)構(gòu)式為Al4(Si8O20)(OH)4nH2O。蒙脫石易于粉碎，顆粒細(xì)小，可塑性較強(qiáng)，遇水體積膨脹，干燥收縮率較大，干燥強(qiáng)度高，但含雜質(zhì)較多，收縮較大，故燒成溫度較低。在陶瓷生產(chǎn)中其用量一般控制在5%以下，否則，產(chǎn)品易出現(xiàn)變形、開裂等質(zhì)量缺陷。伊利石類礦物又稱水云母類礦物，是由云母水解成高嶺石的中間產(chǎn)物。伊利石屬于單斜

7、晶系，晶體呈厚薄不等的鱗片狀，有時(shí)有劈裂、折斷痕跡，也有呈板條狀。純的伊利石多呈白色，含雜質(zhì)時(shí)呈黃、綠、褐等色，比密度為2.6-2.9，硬度1-2。伊利石類粘土一般可塑性較差，干燥強(qiáng)度低，干燥和燒成收縮均較小，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)范圍窄。（3）、顆粒組成粘土的顆粒組成是指粘土中含有不同大小顆粒的百分比含量。粘土中的粘土礦物顆粒較細(xì)，粒徑在2m以下。當(dāng)然，粘土種類不同，顆粒大小亦有區(qū)別，蒙脫石、伊利石類粘土的顆粒比高嶺石類粘土細(xì)小一些。 由于顆粒粒徑的差異，在工藝上亦有不同。細(xì)顆粒粘土礦物，其表面積大，表面能較高，因此，粘土中的細(xì)粒礦物較多時(shí)，可塑性較強(qiáng)，干燥收縮大，干燥強(qiáng)度高，易于燒結(jié)成致密的坯體

8、，有利于提高坯體的機(jī)械強(qiáng)度、白度、半透明度以及釉面光潔度和平整度。3、粘土礦物性質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)與晶體化學(xué)特點(diǎn)決定了它們的如下一些性質(zhì)。離子交換性。具有吸著某些陽離子和陰離子并保持于交換狀態(tài)的特性。一般交換性陽離子是Ca2+、Mg2+、H+、K+、NH4+、Na+，常見的交換性陰離子是SO42-、CI-、PO43-、NO3-。產(chǎn)生陽離子交換性的原因是破鍵和晶格內(nèi)類質(zhì)同象置換引起的不飽和電荷需要通過吸附陽離子而取得平衡。陰離子交換則是晶格外露羥基離子的交代作用。粘土-水系統(tǒng)特點(diǎn)。粘土礦物中的水以吸附水、層間水和結(jié)構(gòu)水的形式存在。結(jié)構(gòu)水只有在高溫下結(jié)構(gòu)破壞時(shí)才失去，但是吸附水、層間水以及海泡石結(jié)構(gòu)孔洞中

9、的沸石水都是低溫水，經(jīng)低溫（100150）加熱后就可脫出，同時(shí)象蒙皂石族礦物失水后還可以復(fù)水，這是一個(gè)重要的特點(diǎn)。粘土礦物與水的作用所產(chǎn)生的膨脹性、分散和凝聚性、粘性、觸變性和可塑性等特點(diǎn)在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。粘土礦物與有機(jī)質(zhì)的反應(yīng)特點(diǎn)。有些粘土礦物與有機(jī)質(zhì)反應(yīng)形成有機(jī)復(fù)合體，改善了它的性能，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，還可作為分析鑒定礦物的依據(jù)。此外，粘土礦物晶格內(nèi)離子置換和層間水變化常影響光學(xué)性質(zhì)的變化。蒙皂石族礦物中的鐵、鎂離子置換八面體中的鋁，或者層間水分子的失去，都使折光率與雙折射率增大。4、粘土礦物成因粘土礦物的形成方式有三種：與風(fēng)化作用有關(guān)。風(fēng)化原巖的種類和介質(zhì)條件如水、氣候、地貌、植被和時(shí)

10、間等因素決定了礦物種和保存與否。熱液和溫泉水作用于圍巖，可以形成粘土礦物的蝕變富集帶。由沉積作用、成巖作用生成粘土礦物。5、粘土在鉆井液中的應(yīng)用鈉基膨潤土及鈣基膨潤土, 是配制水基鉆井液的基礎(chǔ)原材料。其主要礦物成分是蒙脫石。一般要求1t土可配制0.0 1 5 P a S 粘度的鉆井液16 m3 。鈉基膨潤土的造漿率較高, 而鈣基膨潤土則需要經(jīng)過改造處理才能使用。目前, 我國把水基鉆井液所用的土分為三個(gè)等級(jí): 一級(jí)為符合A PI 標(biāo)準(zhǔn)的鈉基膨潤土, 二級(jí)為改性土, 經(jīng)過改性符合OCMA(Oll Company MaetrilsAssiait on ) 標(biāo)準(zhǔn)要求, 三級(jí)為較次的配漿土; 抗鹽粘土, 包括海泡石和坡縷石。這種土的特點(diǎn)是抗鹽且耐溫, 在鹽水甚至飽和鹽水中也能配出具有相當(dāng)粘切的鉆井液, 要求造漿率達(dá)到12 一16 m 3 /t, 常用來鉆鹽層。海泡石鉆井液具有較高的耐熱特性, 熱穩(wěn)定性好。故常用來打地?zé)峋虺罹?。其缺點(diǎn)是濾失量大, 必須配合濾失量降低劑才能使用; 有機(jī)膨潤土, 是由鈉基膨潤土或抗鹽粘土以陽離子型表面活性劑覆蓋, 使其改變表面性質(zhì)( 由親水變?yōu)橛H油) 制成的。它