1、粘土矿物的晶体构造 钻井泥浆是由钻井泥浆是由粘土、水（或油）和少量处理剂粘土、水（或油）和少量处理剂混合形成，混合形成，具有可调控的具有可调控的粘性、比重和降失水粘性、比重和降失水等性能，在大多情况下等性能，在大多情况下能够满足能够满足悬排钻碴、稳定井壁、防止漏失、冷却润滑钻具悬排钻碴、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。便，所以成为应用最广泛的钻井液。+钻井泥浆l粘土矿物的晶体构造l粘土的性质粘土矿物基本构造单元粘土矿物基本构造单元常见粘土矿物的晶体构造常见粘土矿物
2、的晶体构造造浆粘土的选用造浆粘土的选用本次课主要讲授内容粘粘土土粘土粘土与钻与钻井的井的关系关系（1）粘土作为钻井液的重要组成成分，）粘土作为钻井液的重要组成成分，配浆原材料配浆原材料。（2）涉及钻井过程中）涉及钻井过程中井眼的稳定性井眼的稳定性，粘土是泥页岩的主要组，粘土是泥页岩的主要组成部分，成部分，75%地层为泥页岩，地层为泥页岩，90%的井壁不稳定发生在泥页岩。的井壁不稳定发生在泥页岩。（3）油气层的保护，油气层的保护，粘土矿物膨胀、钻井液配浆粘土堵塞。粘土矿物膨胀、钻井液配浆粘土堵塞。（2 2）：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为主的（：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为主的（50%）沉
3、积物。沉积物。（3 3）（俗称：泥页岩）：粘土矿物经沉积、固结成岩作（俗称：泥页岩）：粘土矿物经沉积、固结成岩作用后成为粘土岩。用后成为粘土岩。（1 1）：细分散的（：细分散的（2m）含水的）含水的铝硅酸盐类矿物铝硅酸盐类矿物的的总称，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。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：硅氧四面体：有一个硅原子与有一个硅原子与四个氧原子，硅原子在四面体四个氧原子，
4、硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶的中心，氧原子在四面体的顶点，硅原子与各氧原子之间的点，硅原子与各氧原子之间的距离相等，其结构见右图。距离相等，其结构见右图。顶氧顶氧 底氧底氧 第一节 粘土矿物的晶体构造硅氧面体晶片：硅氧面体晶片：指硅氧四指硅氧四面体网络。硅氧四面体网面体网络。硅氧四面体网络由硅氧四面体通过相临络由硅氧四面体通过相临的氧原子连接而成，其立的氧原子连接而成，其立体结构见右图。体结构见右图。一、粘土矿物的两种基本构造单元一、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：铝氧八面体：六个顶六个顶点为氢氧原子团，铝、点为氢氧
5、原子团，铝、铁或镁原子居于八面铁或镁原子居于八面体中央体中央(如右图所示如右图所示)。氢氧氢氧一、粘土矿物的两种基本构造单元一、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：铝氧八面体晶片：多个铝多个铝氧八面体通过共用的氧八面体通过共用的OH连接而成的连接而成的Al-O八面体网八面体网络。络。一、粘土矿物的两种基本构造单元一、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、晶片的结合层面是层面是O层面上是层面上是OHSi-O晶片晶片Al-O晶片晶片晶层：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：
6、1型晶层：型晶层：由一个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体由一个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体 晶片构成。晶片构成。一、粘土矿物的两种基本构造单元一、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）2 2：1 1型晶层：型晶层：由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体 晶片构成。晶片构成。氧原子氧原子氧原子氧原子Si-O晶片晶片Al-O晶片晶片Si-O晶片晶片一、粘土矿物的两种基本构造单元一、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）层间域/层间距层间距一、粘土矿物的两种基本构造单元一、粘土矿物的两种基本构造单元第一节 粘土矿物
7、的晶体构造1、基本概念、基本概念（1）晶格取代：）晶格取代：在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外 阳离子所置换，而晶体结构不变，产生过阳离子所置换，而晶体结构不变，产生过 剩电荷的现象。剩电荷的现象。Si-O四面体：四面体：Al3+取代取代Si4+Al-O八面体：八面体：Mg2+、Fe2+取代取代Al3+粘土带粘土带 负负 电荷电荷二、几种常见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例例1：蒙脱石在不发生晶格取代时，其理想结构式为：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
8、结构式为：蒙脱石的实际结构式为：(1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)4.nH2O例例2：伊利石在不发生晶格取代时，其理想结构式为：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：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 2）阳离子交换容量（）阳离子交换容量（C.E.C,cation exchange capacity)C.E.C,cation exchange capacity)定义：定义：
9、分散介质分散介质pH=7时，时，100g粘土所能交换下来的阳离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）。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。水化分散、吸附等性质密切相关。（3）造浆率：）造浆率：一一吨干粘土所能配制粘度（表观粘度）为吨干粘土所能配制粘度（表观粘度）为 15mPas钻井液的体积数，钻井液的体积数，m3/T。造浆率造浆率粘土的水化分散能力粘土的水化分散能力二、几种常见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
10、物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造2 2、几种常见粘土矿物的晶体构造、几种常见粘土矿物的晶体构造（1 1）高岭石）高岭石高岭石晶体结构示意图高岭石晶体结构示意图二、几种常见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高岭石特点高岭石特点Si-OAl-OOHOA A、1 1：1 1型粘土矿物型粘土矿物B B、几乎不存在晶格取代，负电量少、几乎不存在晶格取代，负电量少C C、晶层间引力以氢键为主，引力强，晶层间距、晶层间引力以氢键为主，引力强，晶层间距C=7.2C=7.2 问题：高岭石属非膨胀性粘土矿物，为什么？问题：高岭石属非膨胀性粘土矿物，为什么？高岭石上下相
11、临的层面，一面为高岭石上下相临的层面，一面为OH面，另一面为面，另一面为O面，而面，而O与与OH很容易形很容易形成氢键，层间引力较强，晶层间连接紧成氢键，层间引力较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层。密，水分子不易进入晶层。二、几种常见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 D D、C.E.CC.E.C低（低（3-15 mmol/100g)3-15 mmol/100g)在三种常见的粘土矿物中，高岭石的在三种常见的粘土矿物中，高岭石的.E.C.E.C最低。原最低。原因在于高岭石几乎不存在晶格取代，所以带负电荷很少，因在于高岭石几乎不存在晶格取代，所以带负电
12、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，所以更少了，所以C.E.CC.E.C小。小。、造浆率低、造浆率低高岭石晶层间以氢键为主，引力较强，晶层间连接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。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 2）蒙脱石）蒙脱石Al-OSi-OSi-OSi-OSi-OAl-O蒙脱石晶体结构示意图蒙
13、脱石晶体结构示意图二、几种常见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蒙脱石特点蒙脱石特点A、2：1型粘土矿物型粘土矿物B、存在晶格取代，取代位置主要在、存在晶格取代，取代位置主要在Al-O八面体中，即八面体中，即Al3+被被 Mg2+、Fe2+和和Zn2+等取代，产生的负电荷由等量的等取代，产生的负电荷由等量的Na+或或 Ca2+来平衡。来平衡。二、几种常见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C、晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距、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。，
14、属膨胀型粘土矿物。蒙脱石上下相临的层面皆为蒙脱石上下相临的层面皆为O面，晶层间引力以分面，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。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。的水化膜，使蒙脱石膨胀。二、几种常见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D、C.E.C 大（大（70-130 mmol/100g土土)、造浆率高、造浆率高 因
15、为因为蒙脱石具有很强的水化膨胀能力，造浆率高，所以它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是钻井泥浆的主要配浆材料主要配浆材料。原因在于蒙脱石原因在于蒙脱石存在晶格取代存在晶格取代，所以带负电荷较多，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，所以多，所以C.E.CC.E.C大。大。二、几种常见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（3 3）伊利石）伊利石 伊利石晶体结构示意图伊利石晶体结构示意图二、几种常见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
16、土矿物的晶体构造伊利石特点伊利石特点 Al-OSi-OSi-OK+A、2：1型粘土矿物型粘土矿物B、存在晶格取代，取代位置主要在、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四面体中，且取代数目比蒙脱石多，产生的负电荷由等量的多，产生的负电荷由等量的K+来平衡。来平衡。C、晶层间引力以静电力为主，引力、晶层间引力以静电力为主，引力强，晶层间距强，晶层间距C=10，属非膨胀型，属非膨胀型粘土矿物。为什么？粘土矿物。为什么？二、几种常见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D、C.E.C 介于高岭石与蒙脱石之间（介于高岭石与蒙脱石之间（20-
17、40mmol/100g土土)伊利石由于晶格取代作用伊利石由于晶格取代作用产生的负电荷由产生的负电荷由K+来平衡，来平衡，由于由于伊利石伊利石取代位置主要在取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，故与表面近，故与K+产生产生，K+不易交换下来。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的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，中，起到连接作用起到连接作用，周围有，周围有12个氧与它配伍，因此，个氧与它配伍，因此，K+连连接通常非常牢固，不易交换下来接通常非常牢固，不易交换下来。、造浆率低、造浆率低二、几种常见粘土矿物的晶
18、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二、几种常见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、坍塌为主落掉块、坍塌为主。二、几种常见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灰色和棕色泥岩灰色和棕色泥岩灰黑色泥岩灰黑色泥岩砂岩砂岩第一节 粘土矿物的晶体构造松科松科1井实例井实例 海泡石俗称抗盐土，属海泡石俗称抗盐土，属
19、链状构造的含水铝镁硅酸盐矿链状构造的含水铝镁硅酸盐矿物物，主要包括：海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石等。，主要包括：海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石等。它的晶体构造多为它的晶体构造多为纤维状纤维状，其特点是：硅氧四面体所，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，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。面，水分子可以进入内部孔道。第一节 粘土
20、矿物的晶体构造(4)海泡石族海泡石族 实验证明，海泡石和凹实验证明，海泡石和凹凸棒石不仅抗盐性好，抗温凸棒石不仅抗盐性好，抗温性亦比膨润土好。目前钻井性亦比膨润土好。目前钻井中使用的中使用的海水钻井液、盐水海水钻井液、盐水（饱和盐水）（饱和盐水）钻井液一般使钻井液一般使用海泡石配浆，而抗高温钻用海泡石配浆，而抗高温钻井液则一般使用凹凸棒石作井液则一般使用凹凸棒石作为配浆粘土，性能要比普通为配浆粘土，性能要比普通造浆土好得多。造浆土好得多。第一节 粘土矿物的晶体构造绿坡缕石，凹凸棒石绿坡缕石，凹凸棒石绿泥石绿泥石粘性页岩粘性页岩伊利石伊利石高岭石高岭石蒙脱石蒙脱石砂岩砂岩页岩页岩第一节 粘土矿物
21、的晶体构造u钻井泥浆是粘土在水中的分散体系，从钻井工程的工艺要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，需要求出发，需要造浆，即需要选用以造浆，即需要选用以含蒙脱石为主的钠膨润土为造浆材料。含蒙脱石为主的钠膨润土为造浆材料。u国内外富含蒙脱石的大型优质膨润土矿有不少，如我国的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俄明以及南澳大利亚等地都有高纯度的大型膨润土矿床。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，泥浆公司
22、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。做适当的加工，形成造浆粘土的正规产品。三三.造浆粘土的选用造浆粘土的选用第一节 粘土矿物的晶体构造u自然界中的粘土广泛存在。许多情况下，钻进现场及其附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，完全可以不是很高，完全可以就地取土就地取土配制泥浆，并通过添加处理剂配制泥浆，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
23、不可取的，因为这些土难以造浆。劣质土是不可取的，因为这些土难以造浆。三三.造浆粘土的选用造浆粘土的选用第一节 粘土矿物的晶体构造u如果钻井通过的地层本身就富含造浆粘土，那么就可以利如果钻井通过的地层本身就富含造浆粘土，那么就可以利用用“地层造浆地层造浆”，即先用一定量的清水作为钻井液，清水，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。接循环使用。u无论是就地取土、地层造浆还是购买正规粘土粉产品，都无论是就地取土、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
24、。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。对此，应该采用科学的鉴定和评价。三三.造浆粘土的选用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（一）粘土矿物的鉴定 （1 1）矿物鉴定方法：）矿物鉴定方法：差热分析和失重分析法、差热分析和失重分析法、X X衍射法、红外衍射法、红外 光谱法、化学分析法、电子扫描显微镜法光谱法、化学分析法、电子扫描显微镜法（2 2）物化性能测定法：）物化性能测定法：吸兰量试验、膨胀试验、胶质价试验、吸兰量试验、膨胀试验、胶质价试验、pH pH值试验、阳离子交换容量测定值试验、阳离子交换容量测定 这些方法属于化学分
25、析和仪器分析范围，它们的工作原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。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四、造浆粘土的质量评价第一节 粘土矿物的晶体构造u蒙脱石含量；蒙脱石含量；u胶质价和膨胀倍数；胶质价和膨胀倍数；u阳离子交换容量、盐基总量和盐基分量；阳离子交换容量、盐基总量和盐基分量；u可溶性盐含量；可溶性盐含量；u造浆率；造浆率；u流变特性和失水特性。流变特性和失水特性。四、造浆粘土的质量评价四、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
26、（二）造浆粘土的评价1.前言前言定义：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）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、带电性一、带电性第二节 粘土的性质2.2.电荷产生原因电荷产生原因电荷电荷来源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)(1)永久电荷永久电荷 u晶格取代晶格取代：粘土矿物晶体结构中一部分阳离子被另外一部：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。分阳离子所取代（置换），但晶体结构不变的现象。u由于晶格取代是低
27、价阳离子取代了高价阳离子，产生了过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，一般情况下剩的负电荷，因此，一般情况下粘土带负电粘土带负电。u 伊利石与蒙脱石相比虽晶层结构相同但由于晶格取代位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。置不同，因此层面电荷密度不同，水化难易程度不同。一、带电性一、带电性第二节 粘土的性质（2 2）表面羟基与）表面羟基与H H+与与OHOH-的反应（可变电荷）的反应（可变电荷）在酸性环境中：在酸性环境中：羟基与H+反应，粘土带正电性。粘土带正电性。Al-OH+H+Al+H2O在碱性或中性
28、条件下：在碱性或中性条件下：羟基与OH-反应，粘土带负电性。粘土带负电性。Al-OH+OH-Al-O-+H2O一、带电性一、带电性第二节 粘土的性质（3）吸附）吸附吸附负电性离子（吸附负电性离子（OH-、SiO32-）：使粘土负电性增加）：使粘土负电性增加吸附正电性离子（吸附正电性离子（NW-1）：使粘土负电性减少）：使粘土负电性减少分类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、带电性一、带电性第二节 粘土的性质CEC：pH值等于值等于7的水溶液中的水溶液中100g粘土中可被交换出粘土中可被交换出来的阳离子电荷总数。来的阳离子电荷总数。粘土带电量通常用粘土带电量通
29、常用CEC表示，表示，CEC越大，说明粘土所越大，说明粘土所带负电荷越多，三种常见粘土矿物的带负电荷越多，三种常见粘土矿物的CEC大致如下。大致如下。二、粘土矿物带电量二、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，思考题：为什么伊利石单位晶胞所带负电荷比蒙脱石多，而而CEC却比蒙脱石小？却比蒙脱石小？u基本概念基本概念（复习重点）（复习重点）u粘土结构特点粘土结构特点（掌握）（掌握）u四大粘土特点四大粘土特点（了解，重点掌握蒙脱石的特点）（了解，重点掌握蒙脱石的特点）u造浆的选用造浆的选用（了解）（了解）本章小结
