粘土礦物的晶體構造與性質(zhì)

粘土礦物的晶體構造與性質(zhì)

鉆井泥漿是由粘土、水（或油）和少量處理劑混合形成，具有可調(diào)控的粘性、比重和降失水等性能，在大多情況下能夠滿足懸排鉆屑、穩(wěn)定井壁、防止漏失、冷卻潤滑鉆具的基本鉆進需要，并且來源廣泛，成本較低，配制使用方便。+本次課主要講授內(nèi)容粘土礦物的晶體構造粘土的性質(zhì)粘土礦物基本構造單元常見粘土礦物的晶體構造造漿粘土的選用粘土粘土與鉆井的關系（1）粘土作為鉆井液的重要組成成分，配漿原材料。（2）鉆井過程中井眼的穩(wěn)定性，泥頁巖的主要組成部分，75%地層為泥頁巖，90%的井壁不穩(wěn)定發(fā)生在泥頁巖。（3）油氣層的保護，粘土礦物膨脹與鉆井液配漿粘土堵塞。上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回前言（2）粘土：疏松的尚未固結成巖的以粘土礦物為主的（≥50%）沉積物。

（3）粘土巖（俗稱：泥頁巖）：粘土礦物經(jīng)沉積、固結成巖作用后成為粘土巖。

（1）粘土礦物：細分散的（≤2μm）含水的鋁硅酸鹽類礦物的總稱，可進一步分為晶質(zhì)（具有晶體結構的）和非晶質(zhì)，自然界中所見到的粘土礦物絕大多數(shù)是晶質(zhì)的。

第一節(jié)粘土礦物的晶體構造上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回一、粘土礦物的兩種基本構造單元1、硅氧四面體與硅氧四面體晶片

硅氧四面體：有一個硅原子與四個氧原子，硅原子在四面體的中心，氧原子在四面體的頂點，硅原子與各氧原子之間的距離相等，其結構見右圖。頂氧

底氧

硅氧四面體晶片：指硅氧四面體網(wǎng)絡。硅氧四面體網(wǎng)絡由硅氧四面體通過相臨的氧原子連接而成，其立體結構見右圖。

2、鋁氧八面體與鋁氧八面體晶片

鋁氧八面體：六個頂點為氫氧原子團，鋁、鐵或鎂原子居于八面體中央(如右圖所示)。上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回氫氧鋁氧八面體晶片：多個鋁氧八面體通過共用的OH連接而成的Al-O八面體網(wǎng)絡。3、晶片的結合層面是O層面上是OHSi-O晶片Al-O晶片上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回晶層：四面體晶片與八面體晶片以適當?shù)姆绞浇Y合，構成晶層（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成。（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成。氧原子氧原子Si-O晶片Al-O晶片Si-O晶片（3）層間域/層間距c1、基本概念上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回二、幾種常見粘土礦物的晶體構造（1）晶格取代作用：在粘土礦物晶體中，一部分陽離子被另外陽離子所置換，而晶體結構不變，產(chǎn)生過剩電荷的現(xiàn)象。Si-O四面體：Al3+取代Si4+

Al-O八面體：Mg2+、Fe2+取代Al3+粘土帶負電荷例1：蒙脫石在不發(fā)生晶格取代時，其理想結構式為：

Al4Si8O2(OH)4.nH2O

蒙脫石的實際結構式為：

(1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)4.nH2O例2：伊利石在不發(fā)生晶格取代時，其理想結構式為：

Al4（Si8O20）（OH）4

伊利石的實際結構式為：

(K)xAl4(Si8-xAlx)O20(OH)20（2）陽離子交換容量（C.E.C,cationexchangecapacity)

定義：分散介質(zhì)pH=7時，100g粘土所能交換下來的陽離子的毫摩爾數(shù)（以一價陽離子毫摩爾數(shù)表示）。C.E.C可用來表示粘土在水中帶電性的多少，它與粘土的水化分散、吸附等性質(zhì)密切相關。（3）造漿率：一噸干粘土所能配制粘度（表觀粘度）為

15mPa·s鉆井液的體積數(shù)，m3/T。造漿率粘土的水化分散能力2、幾種常見粘土礦物的晶體構造（1）高嶺石①高嶺石晶體結構示意圖②高嶺石特點Si-OAl-OOHOA、1：1型粘土礦物B、幾乎不存在晶格取代，負電量少C、晶層間引力以氫鍵為主，引力強問題：高嶺石屬非膨脹性粘土礦物，為什么？?高嶺石上下相臨的層面，一面為OH面，另一面為O面，而O與OH很容易形成氫鍵，層間引力較強，晶層間連接緊密，水分子不易進入晶層。

D、C.E.C低

?在三種常見的粘土礦物中，高嶺石的Ｃ.E.C最低。原因在于高嶺石幾乎不存在晶格取代，所以帶負電荷很少，周圍吸附的陽離子數(shù)目少，可發(fā)生交換的陽離子數(shù)目就更少了，所以C.E.C小。Ｅ、造漿率低?高嶺石晶層間以氫鍵為主，引力較強，晶層間連接緊密，水分子不易進入晶層間，水化作用僅限于外表面，故水化分散能力差，造漿率低。⑵蒙脫石Al-OSi-OSi-OSi-OSi-OAl-O①蒙脫石晶體結構示意圖②蒙脫石特點A、2：1型粘土礦物B、存在晶格取代，取代位置主要在Al-O八面體中，即Al3+被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，產(chǎn)生的負電荷由等量的Na+或Ca2+來平衡。C、晶層間引力以分子間力為主，引力弱，屬膨脹型粘土礦物。

◆?蒙脫石上下相臨的層面皆為O面，晶層間引力以分子間力為主，層間引力較弱，水分子易進入晶層?！?蒙脫石由于晶格取代產(chǎn)生較多的負電荷，在它周圍，必然會吸附等電量的陽離子，水化陽離子給粘土帶來厚的水化膜，使蒙脫石膨脹。D、C.E.C大（70-130mmol/100g土)

Ｅ、造漿率高

?因為蒙脫石具有很強的水化膨脹能力，造漿率高，所以它是鉆井泥漿的主要配漿材料。?原因在于蒙脫石存在晶格取代，所以帶負電荷較多，周圍吸附的陽離子數(shù)目較多，可發(fā)生交換的陽離子數(shù)目多，所以C.E.C大。（3）伊利石

①伊利石晶體結構示意圖②伊利石特點Al-OSi-OSi-OK+A、2：1型粘土礦物B、存在晶格取代，取代位置主要在Si-O四面體中，且取代數(shù)目比蒙脫石多，產(chǎn)生的負電荷由等量的K+來平衡。C、晶層間引力以靜電力為主，引力強，屬非膨脹型粘土礦物。為什么？D、C.E.C大介于高嶺石與蒙脫石之間?伊利石由于晶格取代作用產(chǎn)生的負電荷由K+來平衡，由于伊利石取代位置主要在Si-O四面體中，產(chǎn)生的負電荷離晶層表面近，故與K+產(chǎn)生很強的靜電力，K+不易交換下來。?

K+的大小剛好嵌入相鄰晶層間的氧原子網(wǎng)格形成的空穴中，起到連接作用，周圍有12個氧與它配伍，因此，K+連接通常非常牢固，不易交換下來。Ｅ、造漿率低一般情況下，隨著地層深度的增加，伊利石含量增加蒙脫石含量減少，因此，下部地層縮徑現(xiàn)象少，以剝落掉塊、坍塌為主?；疑妥厣鄮r灰黑色泥巖砂巖海泡石族

海泡石俗稱抗鹽土，屬鏈狀構造的含水鋁鎂硅酸鹽礦物，主要包括：海泡石、凹凸棒石、坡縷縞石等。它的晶體構造多為纖維狀，其特點是：硅氧四面體所組成的六角環(huán)都依上下相反方向對列，并且相互間被其它的八面體氧或氫氧群所連接，鋁或鎂位居八面體的中央，同時，構造中還保留了一系列的晶道，具有極大的內(nèi)部表面，水分子可以進入內(nèi)部孔道。實驗證明，海泡石和凹凸棒石不僅抗鹽性好，抗溫性亦比膨潤土好。目前鉆井中使用的海水鉆井液、鹽水（飽和鹽水）鉆井液一般使用海泡石配漿，而抗高溫鉆井液則一般使用凹凸棒石作為配漿粘土，性能要比普通造漿土好得多。

三.造漿粘土的選用鉆井泥漿是粘土在水中的分散體系，從鉆井工程的工藝要求出發(fā)，需要采用較為優(yōu)質(zhì)的膨潤土造漿，即需要選用以含蒙脫石為主的鈉膨潤土為造漿材料。國內(nèi)外富含蒙脫石的大型優(yōu)質(zhì)膨潤土礦有不少，如我國的新疆夏子街、山東高陽、遼寧黑山、浙江余杭，美國的懷俄明以及南澳大利亞等地都有高純度的大型膨潤土礦床。泥漿公司和粘土粉生產(chǎn)廠家從這些地方采取粘土礦原料，做適當?shù)募庸?，形成造漿粘土的正規(guī)產(chǎn)品。自然界中的粘土廣泛存在。許多情況下，鉆井現(xiàn)場及其附近就有或多或少含蒙脫石的粘土。如果鉆井對泥漿性能要求不是很高，完全可以就地取土配制泥漿，并通過添加處理劑來改善泥漿性能。當然，一些蒙脫石含量很少或雜質(zhì)很多的劣質(zhì)土是不可取的，因為這些土難以造漿。如果鉆井通過的地層本身就富含造漿粘土，那么就可以利用“地層造漿”，即先用一定量的清水作為鉆井液，清水在井內(nèi)自動水化分散被鉆頭破碎下來的粘土形成泥漿，直接循環(huán)使用。（二）造漿粘土的評價蒙脫石含量；膠質(zhì)價和膨脹倍數(shù)；陽離子交換容量、鹽基總量和鹽基分量；可溶性鹽含量；造漿率；流變特性和失水特性。上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回第二節(jié)粘土的性質(zhì)一、帶電性前言?定義：指粘土礦物在與水接觸時的帶電符號和帶電量?粘土帶電性驗證：電泳實驗（粘土在水中移向正極，帶負電荷）

電荷產(chǎn)生原因電荷來源1、永久電荷

晶格取代：粘土礦物晶體結構中一部分陽離子被另外一部分陽離子所取代（置換），但晶體結構不變的現(xiàn)象。由于晶格取代是低價陽離子取代了高價陽離子，產(chǎn)生了過剩的負電荷，因此，一般情況下粘土帶負電。

伊利石與蒙脫石相比雖晶層結構相同但由于晶格取代位置不同，因此層面電荷密度不同，水化難易程度不同。

2、表面羥基與H+與OH-的反應（可變