粘土矿物的晶体构造

粘土矿物的晶体构造钻井泥浆是由粘土、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。+钻井泥浆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造浆粘土的选用本次课主要讲授内容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）涉及钻井过程中井眼的稳定性，粘土是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、钻井液配浆粘土堵塞。（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（≤2μm）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。前言一、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。顶氧底氧第一节粘土矿物的晶体构造硅氧面体晶片：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。一、粘土矿物的两种基本构造单元第一节粘土矿物的晶体构造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)。氢氧一、粘土矿物的两种基本构造单元第一节粘土矿物的晶体构造铝氧八面体晶片：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。一、粘土矿物的两种基本构造单元第一节粘土矿物的晶体构造3、晶片的结合层面是O层面上是OHSi-O晶片Al-O晶片晶层：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。一、粘土矿物的两种基本构造单元第一节粘土矿物的晶体构造（2）2：1型晶层：由两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晶片一、粘土矿物的两种基本构造单元第一节粘土矿物的晶体构造（3）层间域/层间距一、粘土矿物的两种基本构造单元第一节粘土矿物的晶体构造1、基本概念（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+粘土带负电荷二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造例1：蒙脱石在不发生晶格取代时，其理想结构式为：Al4Si8O20(OH)4.nH2O蒙脱石的实际结构式为：(1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)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)4二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造（2）阳离子交换容量（C.E.C,cationexchangecapacity)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15mPa·s钻井液的体积数，m3/T。造浆率粘土的水化分散能力二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造2、几种常见粘土矿物的晶体构造（1）高岭石①高岭石晶体结构示意图二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造②高岭石特点Si-OAl-OOHOA、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=7.2Å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。二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造D、C.E.C低（3-15mmol/100g)☞在三种常见的粘土矿物中，高岭石的Ｃ.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。Ｅ、造浆率低☞高岭石晶层间以氢键为主，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。二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造（2）蒙脱石Al-OSi-OSi-OSi-OSi-OAl-O①蒙脱石晶体结构示意图二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造②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。二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造C、晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距C=9.6Å-40Å，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，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。二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造D、C.E.C大（70-130mmol/100g土)Ｅ、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。二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造（3）伊利石①伊利石晶体结构示意图二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造②伊利石特点Al-OSi-OSi-OK+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，晶层间距C=10Å，属非膨胀型粘土矿物。为什么？二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造D、C.E.C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。Ｅ、造浆率低二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造一般情况下，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。二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节粘土矿物的晶体构造灰色和棕色泥岩灰黑色泥岩砂岩第一节粘土矿物的晶体构造松科1井实例海泡石俗称抗盐土，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。第一节粘土矿物的晶体构造(4)海泡石族实验证明，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。第一节粘土矿物的晶体构造绿坡缕石，凹凸棒石绿泥石粘性页岩伊利石高岭石蒙脱石砂岩页岩第一节粘土矿物的晶体构造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。三.造浆粘土的选用第一节粘土矿物的晶体构造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可取的，因为这些土难以造浆。三.造浆粘土的选用第一节粘土矿物的晶体构造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。三.造浆粘土的选用第一节粘土矿物的晶体构造（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，它们的工作原理和操作规范可参阅相关专业书籍。四、造浆粘土的质量评价第一节粘土矿物的晶体构造四、造浆粘土的质量评价第一节粘土矿物的晶体构造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。四、造浆粘土的质量评价第一节粘土矿物的晶体构造（二）造浆粘土的评价1.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）一、带电性第二节粘土的性质2.电荷产生原因电荷来源值等的影响受粘土表面化学变化和表面电荷（可变电荷）晶格取代永久电荷（构造电荷）pH(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。一、带电性第二节粘土的性质（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++H2O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一、带电性第二节粘土的性质（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换离子交换吸附，离子交化学吸附，化学键力力等物理吸附，氢键，分子一、带电性第二节粘土的性质CEC：pH值等于7的水溶液中100g粘土中可被交换出来的阳离子电荷总数。粘土带电量通常用CEC表示，CEC越大，说明粘土所带负电荷越多，三种常见粘土矿物的CEC大致如下。二、粘土矿物带电量第二节粘土的性质矿物名称CEC高岭石3-15蒙脱石70-150伊利石20-40思考题：为什么伊利石单位晶胞所带负电荷比蒙脱石多，而CEC却比蒙脱石小？基本概念（复习重点）粘土结构特点（掌握）四大粘土特点（了解，重点掌握蒙脱石的特点）造浆的选用（了解）本章小结