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1、粘土矿物的晶体构造,蔡记华,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。,本次课主要讲授内容,粘土矿物的晶体构造粘土的性质,粘土矿物基本构造单元常见粘土矿物的晶体构造造浆粘土的选用,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）钻井过程中井眼的稳定性，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，粘土矿物膨胀与钻井液配浆粘
2、土堵塞。,上一内容,下一内容,回主目录,返回,前 言,（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（2m）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。,第一节 粘土矿物的晶体构造,上一内容,下一内容,回主目录,返回,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。
3、,顶氧,底氧,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。,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)。,上一内容,下一内容,回主目录,返回,氢氧,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。,3、晶片的结合,层面是O,层面上是OH,Si-O晶片,Al-O晶片,上一内容,下一内容,回主目录,返回,晶层：四面体晶片与八面体晶片以适当的方式结合，构成晶层,（1）1：1型晶层：由一个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体晶片构成。,（2）2：1型晶层：由两
4、个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体 晶片构成。,氧原子,氧原子,Si-O晶片,Al-O晶片,Si-O晶片,（3）层间域/层间距,1、基本概念,上一内容,下一内容,回主目录,返回,二、几种常见粘土矿物的晶体构造,（1）晶格取代：在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外 阳离子所置换，而晶体结构不变，产生过 剩电荷的现象。,Si-O四面体：Al3+取代Si4+,Al-O八面体： Mg2+、Fe2+取代Al3+,粘土带,负,电荷,例1：蒙脱石在不发生晶格取代时，其理想结构式为： Al4Si8O2(OH)4.nH2O,蒙脱石的实际结构式为： (1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)
5、4.nH2O,例2：伊利石在不发生晶格取代时，其理想结构式为： Al4（Si8O20）（OH）4,伊利石的实际结构式为： (K)xAl4(Si8-xAlx)O20(OH)20,（2）阳离子交换容量（C.E.C, cation exchange capacity),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。,（3）造浆率：一吨干粘土所能配制粘度（表观粘度）为 15mPas钻井液的体积数，m3/T。,造浆率,粘土的水化分散能力,2、几种常见粘土矿物的晶体构造
6、,（1）高岭石,高岭石晶体结构示意图,高岭石特点,Si-O,Al-O,OH,O,A、1：1型粘土矿物,B、几乎不存在晶格取代，负电量少,C、晶层间引力以氢键为主，引力强，晶层间距C=7.2,问题：高岭石属非膨胀性粘土矿物，为什么？,高岭石上下相临的层面，一面为OH面，另一面为O面，而O与OH很容易形成氢键，层间引力较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层。,D、C.E.C低（3-15 mmol/100g)在三种常见的粘土矿物中，高岭石的.E.C最低。原因在于高岭石几乎不存在晶格取代，所以带负电荷很少，周围吸附的阳离子数目少，可发生交换的阳离子数目就更少了，所以C.E.C小。,、造浆率低高岭石晶
7、层间以氢键为主，引力较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层间，水化作用仅限于外表面，故水化分散能力差，造浆率低。,蒙脱石,Al-O,Si-O,Si-O,Si-O,Si-O,Al-O,蒙脱石晶体结构示意图,蒙脱石特点,A、2：1型粘土矿物,B、存在晶格取代，取代位置主要在Al-O八面体中，即Al3+被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，产生的负电荷由等量的Na+或Ca2+来平衡。,C、晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距C=9.6- 40，属膨胀型粘土矿物。, 蒙脱石上下相临的层面皆为O面，晶层间引力以分子间力为主，层间引力较弱，水分子易进入晶层。, 蒙脱石由于晶格取代产生较多的负电荷，
8、在它周围，必然会吸附等电量的阳离子，水化阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石膨胀。,D、C.E.C 大（70-130 mmol/100g土),、造浆率高,因为蒙脱石具有很强的水化膨胀能力，造浆率高，所以它是钻井泥浆的主要配浆材料。,原因在于蒙脱石存在晶格取代，所以带负电荷较多，周围吸附的阳离子数目较多，可发生交换的阳离子数目多，所以C.E.C大。,（3）伊利石,伊利石晶体结构示意图,伊利石特点,Al-O,Si-O,Si-O,K+,A、2：1型粘土矿物,B、存在晶格取代，取代位置主要在Si-O四面体中，且取代数目比蒙脱石多，产生的负电荷由等量的K+来平衡。,C、晶层间引力以静电力为主，引力强，晶
9、层间距C=10，属非膨胀型粘土矿物。为什么？,D、C.E.C 大介于高岭石与蒙脱石之间（20-40mmol/100g土),伊利石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+来平衡，由于伊利石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，故与K+产生很强的静电力， K+不易交换下来。, K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，起到连接作用，周围有12个氧与它配伍，因此， K+连接通常非常牢固，不易交换下来。,、造浆率低,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。 松科1井实例,灰色和棕色泥岩,灰黑色泥岩,砂岩,海
10、泡石族 海泡石俗称抗盐土，属链状构造的含水铝镁硅酸盐矿物，主要包括：海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石等。 它的晶体构造多为纤维状，其特点是：硅氧四面体所组成的六角环都依上下相反方向对列，并且相互间被其它的八面体氧或氢氧群所连接，铝或镁位居八面体的中央，同时，构造中还保留了一系列的晶道，具有极大的内部表面，水分子可以进入内部孔道。 实验证明，海泡石和凹凸棒石不仅抗盐性好，抗温性亦比膨润土好。目前钻井中使用的海水钻井液、盐水（饱和盐水）钻井液一般使用海泡石配浆，而抗高温钻井液则一般使用凹凸棒石作为配浆粘土，性能要比普通造浆土好得多。,绿坡缕石，凹凸棒石绿泥石粘性页岩伊利石高岭石蒙脱石砂岩页岩,三.造浆粘
11、土的选用,钻井泥浆是粘土在水中的分散体系，从钻井工程的工艺要求出发，需要采用较为优质的膨润土造浆，即需要选用以含蒙脱石为主的钠膨润土为造浆材料。国内外富含蒙脱石的大型优质膨润土矿有不少，如我国的新疆夏子街、山东高阳、辽宁黑山、浙江余杭，美国的怀俄明以及南澳大利亚等地都有高纯度的大型膨润土矿床。泥浆公司和粘土粉生产厂家从这些地方采取粘土矿原料，做适当的加工，形成造浆粘土的正规产品。,自然界中的粘土广泛存在。许多情况下，钻进现场及其附近就有或多或少含蒙脱石的粘土。如果钻井对泥浆性能要求不是很高，完全可以就地取土配制泥浆，并通过添加处理剂来改善泥浆性能。当然，一些蒙脱石含量很少或杂质很多的劣质土是不
12、可取的，因为这些土难以造浆。如果钻井通过的地层本身就富含造浆粘土，那么就可以利用“地层造浆”，即先用一定量的清水作为钻井液，清水在井内自动水化分散被钻头破碎下来的粘土形成泥浆，直接循环使用。无论是就地取土、地层造浆还是购买正规粘土粉产品，都存在判别粘土是否适于造浆或检验粘土造浆质量的问题。对此，应该采用科学的鉴定和评价。,四、造浆粘土的质量评价,（一）粘土矿物的鉴定 （1）矿物鉴定方法：差热分析和失重分析法、X衍射法、红外光谱法、化学分析法、电子扫描显微镜法（2）物化性能测定法：吸兰量试验、膨胀试验、胶质价试验、pH值试验、阳离子交换容量测定 这些方法属于化学分析和仪器分析范围，它们的工作原理
13、和操作规范可参阅相关专业书籍。,（二）造浆粘土的评价蒙脱石含量；胶质价和膨胀倍数；阳离子交换容量、盐基总量和盐基分量；可溶性盐含量；造浆率；流变特性和失水特性。,上一内容,下一内容,回主目录,返回,第二节 粘土的性质,一、带电性前言,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）,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。,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+ + OH-,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,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,
