1、钻井液完井液化学钻井液完井液化学Drilling and Completion FluidsChemistry 主讲：主讲：黄进军黄进军 石工院钻井所泥浆室石工院钻井所泥浆室CNPC钻井液重点研究室钻井液重点研究室2 所用教材 焉捷年 钻井液工艺学 陈大均等 油气田应用化学 黄汉仁 罗平亚等 泥浆工艺原理 泥浆工艺原理 实验讲义 泥浆工艺原理 习题集3 第一章第一章、钻井液钻井液概论概论 本章要求掌握：本章要求掌握：钻井液、完井液概念。钻井液、完井液概念。钻井液、完井液的组成和类型。钻井液、完井液的组成和类型。钻井液、完井液的主要作用。钻井液、完井液的主要作用。钻井液基本性能参数。钻井液基本性
2、能参数。钻井液技术发展简史钻井液技术发展简史 4第一节、第一节、钻井液、完井液的定义钻井液、完井液的定义 狭义钻井液狭义钻井液粘土以小颗粒状态粘土以小颗粒状态(2um)分散在水中所分散在水中所 形成的溶胶形成的溶胶 悬浮体。悬浮体。(泥浆泥浆 mud)广义广义 钻钻 井井 液液 凡钻进中一切有助于从井眼产生和凡钻进中一切有助于从井眼产生和 清除钻屑的流体（液、气、液清除钻屑的流体（液、气、液+气）。气）。(drilling fluid)广义完井液广义完井液 一切与产层接触的流体（各种盐水、一切与产层接触的流体（各种盐水、聚合物溶液、钻井液、泡沫等）。聚合物溶液、钻井液、泡沫等）。狭义完井液狭义
3、完井液 钻开油气层的钻井液（钻开液）。钻开油气层的钻井液（钻开液）。(completion fluid)5第二节、第二节、钻井液的组成、类型及性能钻井液的组成、类型及性能1.钻井液的组成钻井液的组成 主要由水、粘土和添加剂组成的体系主要由水、粘土和添加剂组成的体系 分散介质分散介质+分散相分散相+化学处理剂化学处理剂 连续相连续相+不连续相不连续相 液相液相+固相固相+化学处理剂化学处理剂 6分散相与分散介质分散相与分散介质分分 散散 相相 在多相分散体系中，被分散的物质。在多相分散体系中，被分散的物质。(不连续不连续,可以粒子或液滴可以粒子或液滴)分散介质分散介质 分散相所在的连续介质。分散
4、相所在的连续介质。分散体系分散体系一种或多种分散相分散在分散介质中所形一种或多种分散相分散在分散介质中所形 成成 的体系的体系.例如：钻井液中，粘土颗粒分散在水中例如：钻井液中，粘土颗粒分散在水中:粘土为分散相；粘土为分散相；水为分散介质。水为分散介质。7 某种水基钻井液组分为：某种水基钻井液组分为：水水+膨润土膨润土+处理剂处理剂 100ml 5g 1g用组分表示的配方为：用组分表示的配方为：5%膨润土浆膨润土浆+1%处理剂处理剂配方表示的特点：配方表示的特点：用用W/V百分数表示组分。百分数表示组分。不考虑处理剂的体积。不考虑处理剂的体积。8钻井液的组成示例钻井液的组成示例92.钻井液的分
5、类钻井液的分类 分类方法多分类方法多通常根据分散介质分为四大类：通常根据分散介质分为四大类：水基钻井液（水基钻井液（Water-Base Drilling Fluids）油基钻井液（油基钻井液（Oil-Base Drilling Fluids）气态钻井液（气态钻井液（Gas-Base Drilling Fluids）合成基钻井液合成基钻井液(Synthetic-Base Drilling Fluids)10%10:)/(%4)(:)(/120:)/()/%(1:)(/120%;1:367222OilWaterOilVVSFAPAMLmgCaCaCLVWNaCLLmgCaNaCL混油低固相石灰石
6、膏钙处理海水饱和盐水淡水水基浆固%.90:%.6010:)/(OilWaterOW一般油基油包水油基一般分类一般分类11API和和IADC分类法分类法 不分散钻井液（基本不不分散钻井液（基本不含处理剂的天然泥浆）含处理剂的天然泥浆）-non-dispersed drilling fluids 分散型钻井液分散型钻井液-dispersed drilling fluids 聚合物钻井液聚合物钻井液-polymer drilling fluids 低固相钻井液低固相钻井液-low solids drilling fluids 饱和盐水泥浆饱和盐水泥浆-saturated saltwater dril
7、ling fluids 钙处理钻井液钙处理钻井液-calcium-treated drilling fluids 修井液，完井液修井液，完井液-workover,completion fluids 油基钻井液油基钻井液-oil-based drilling fluids 气体类钻井液气体类钻井液-gas typed drilling fluids12石油钻井工程标委会钻井液分委会石油钻井工程标委会钻井液分委会综合分类法综合分类法 不分散聚合物钻井液（用不分散聚合物钻井液（用大中小分子聚合物处理的大中小分子聚合物处理的低固相泥浆）低固相泥浆）钾基钻井液钾基钻井液,K+1800mg/L 分散钻井液
8、分散钻井液 盐水钻井液盐水钻井液 饱和盐水泥浆饱和盐水泥浆 钙处理钻井液钙处理钻井液 修井液，完井液修井液，完井液 油基钻井液油基钻井液 气体类钻井流体气体类钻井流体13钻井液的分类 按是否使用加重材料分为:非加重泥浆 加重泥浆(密度高于1.25g/cm3)按钻井液的抑制性强弱分为:分散泥浆 抑制性泥浆 按粘土的聚集状态分为 细分散泥浆 粗分散泥浆 不分散泥浆14钻井液循环路线钻井液循环路线泥浆池泥浆池泵泵高压管汇高压管汇水龙带水龙带方钻杆方钻杆钻杆钻杆钻铤钻铤钻头钻头环空环空井口及井口及振动筛振动筛固控设备固控设备153.钻井液的主要功能钻井液的主要功能携带、悬浮岩屑及加重材料控制压力形成泥
9、饼破岩、清岩保护油气层传递水功率冷却润滑钻头16钻井液的主要作用钻井液的主要作用保持清洁；控制压力；保持清洁；控制压力；冷却润滑；防止垮塌；冷却润滑；防止垮塌；避免损害；取准资料；避免损害；取准资料；传递功率；传递功率；174、钻井液的性能、钻井液的性能 钻井液的密度钻井液的密度(Density)钻井液的流变性钻井液的流变性(Rheological Properties)钻井液的失水造壁性钻井液的失水造壁性(Filtration Properties)钻井液的含砂量钻井液的含砂量(Sand content of DF)钻井液的钻井液的pH值值 钻井液的固相含量和油、水含量钻井液的固相含量和油、
10、水含量 钻井液膨润土含量钻井液膨润土含量(MBT)钻井液的润滑性钻井液的润滑性(Lubricity)钻井液的抑制性钻井液的抑制性 钻井液滤液的化学性质（碱度、硬度、钻井液滤液的化学性质（碱度、硬度、Cl-含量、含量、.）18钻井液密度钻井液密度 平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地层流平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地层流体的污染；体的污染；平衡地层压力，保持井壁稳定，防止井塌；平衡地层压力，保持井壁稳定，防止井塌；实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机械钻实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机械钻速；速；合理选择打开油气层的钻井液密度，减少钻井液对合理选择打开油气层的钻井液密度
11、，减少钻井液对产层的伤害。产层的伤害。用比重秤测定。用比重秤测定。19钻井液的含砂量钻井液的含砂量定义定义:钻井液中不能通过钻井液中不能通过200目筛的固相的体目筛的固相的体积占钻井液体积的百分数。一般要求小于积占钻井液体积的百分数。一般要求小于0.5。含砂量过高带来的危害：含砂量过高带来的危害：钻井液密度升高，降低机械钻速；钻井液密度升高，降低机械钻速；泥饼中含砂量升高，泥饼渗透率增大，失水增泥饼中含砂量升高，泥饼渗透率增大，失水增大；大；泥饼表面摩擦系数增加；泥饼表面摩擦系数增加；钻头、钻柱、泵等机械设备磨损严重。钻头、钻柱、泵等机械设备磨损严重。20钻井液的钻井液的pH值值由于钻井液中使
12、用的化学处理剂在碱性条件由于钻井液中使用的化学处理剂在碱性条件下才能溶解，而酸性环境对钻井设备上的橡下才能溶解，而酸性环境对钻井设备上的橡胶部件有严重的腐蚀作用，所以，绝大多数胶部件有严重的腐蚀作用，所以，绝大多数钻井液体系的钻井液体系的PH值都控制在值都控制在7以上。以上。不分散型钻井液体系：不分散型钻井液体系：PH=7.58.5分散型钻井液体系：分散型钻井液体系：PH10钙处理钻井液体系钙处理钻井液体系:PH1121钻井液膨润土含量（钻井液膨润土含量（MBT）钻井液中活性粘土的数量。钻井液中活性粘土的数量。水基钻井液都有一个合适的膨润土含量，水基钻井液都有一个合适的膨润土含量，MBT过高，
13、钻井液的粘度、切力增大，泥饼过高，钻井液的粘度、切力增大，泥饼增厚，容易造成井下事故。增厚，容易造成井下事故。MBT过小，钻井液的粘度、切力急剧下降，过小，钻井液的粘度、切力急剧下降，失水增大。失水增大。22钻井液不应具有的性能钻井液不应具有的性能 伤害钻井人员，损害或污染环境伤害钻井人员，损害或污染环境 对所设计的地层评估有不利的性能对所设计的地层评估有不利的性能 对产层产生伤害对产层产生伤害 对钻井设备和管材造成较大腐蚀对钻井设备和管材造成较大腐蚀 Detrimental to the operators and environment.Detrimental to the formati
14、on evaluation.Cause any formation damage.Cause any corrosion of the drilling equipment and subsurface tubulars.23优质钻井液的标准优质钻井液的标准 有利于安全、快速、优质、低耗钻井；有利于安全、快速、优质、低耗钻井；有利于取全、取准各项工程、地质资料；有利于取全、取准各项工程、地质资料；有利于发现、保护油气层。有利于发现、保护油气层。24钻井液工作的基本任务钻井液工作的基本任务 根据所钻井类型、地层特性、孔隙及破裂压力、井温、根据所钻井类型、地层特性、孔隙及破裂压力、井温、测井及环保
15、要求正确选择钻井液类型；测井及环保要求正确选择钻井液类型；自始至终维护、保持良好的钻井液性能；自始至终维护、保持良好的钻井液性能；预防、处理各种井下复杂情况和事故；预防、处理各种井下复杂情况和事故；保证安全顺利钻井前提下，尽可能降低钻井液成本。保证安全顺利钻井前提下，尽可能降低钻井液成本。根据地质及钻井工程需要研究新型钻井液处理剂及体根据地质及钻井工程需要研究新型钻井液处理剂及体系。系。25第三节、第三节、钻井液工艺技术的发展钻井液工艺技术的发展1 初步发展时期初步发展时期 自然造浆阶段自然造浆阶段 1888 1928年年主要解决问题：主要解决问题：携带钻屑携带钻屑 控制地层压力控制地层压力典
16、型技术：典型技术：水水+钻屑钻屑+地面土地面土 使用重晶石、铁矿粉（使用重晶石、铁矿粉（19201920年以后年以后)262.快速发展时期快速发展时期 细分散泥浆阶段细分散泥浆阶段 1928 1948年年主要解决问题：主要解决问题：泥浆性能的稳定泥浆性能的稳定井壁稳定井壁稳定典型技术：典型技术：一些泥浆性能测试仪器研制出来一些泥浆性能测试仪器研制出来 使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤273.高速发展阶段高速发展阶段 粗分散泥浆阶段粗分散泥浆阶段 1948 1965年年主要解决问题：主要解决问题：石膏、盐污染石膏、盐污染 温度影响温度影响典型技术：典型技术：各种盐水、钙处
17、理泥浆各种盐水、钙处理泥浆 油基泥浆油基泥浆 处理剂品种处理剂品种1616大类大类284.4.科学发展时期科学发展时期 聚合物不分散低固聚合物不分散低固相钻井液阶段相钻井液阶段 1965年年 现在现在主要解决问题：主要解决问题：快速钻井快速钻井 保护油气层保护油气层典型技术：典型技术：不分散低固相钻井液不分散低固相钻井液 气体钻井气体钻井 保护油气层的完井液保护油气层的完井液 合成基钻井液合成基钻井液 抗高温钻井液抗高温钻井液29国内钻井液技术发展特点国内钻井液技术发展特点 同样经历了这些阶段，但滞后一定时间同样经历了这些阶段，但滞后一定时间;水基体系的研究应用比油基体系多水基体系的研究应用比
18、油基体系多;深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液理论较成深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液理论较成熟；熟；成功研制了一些钻井液处理剂，如成功研制了一些钻井液处理剂，如FA367,XY27,SMP,80A51等；等；成功应用了一些钻井液体系，如三磺体系，两性离子聚成功应用了一些钻井液体系，如三磺体系，两性离子聚合物体系，聚磺体系等；合物体系，聚磺体系等；研制了大量钻井液性能评价仪器；研制了大量钻井液性能评价仪器；钻井液工艺技术日益提高：预防和减少了各种井下复杂，钻井液工艺技术日益提高：预防和减少了各种井下复杂，保证了常规井及各种特殊井的完成。保证了常规井及各种特殊井的完成。计算机应用及
19、固控技术相对滞后。计算机应用及固控技术相对滞后。30预测钻井液技术发展方向预测钻井液技术发展方向 钻井液强化稳定井壁技术钻井液强化稳定井壁技术 复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻井液技术复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻井液技术 新型钻井液体系及其处理剂的研制与应用新型钻井液体系及其处理剂的研制与应用 废弃钻井液的处理技术废弃钻井液的处理技术 保护油气层的钻井液技术保护油气层的钻井液技术 低密度钻井液完井液体系及技术低密度钻井液完井液体系及技术 恶性漏失的防治技术恶性漏失的防治技术 31国内钻井液技术与国外对比 优势:钻井液体系及处理剂多 差距:钻井用土质量差 固控技术不成熟、不重视
20、钻井液体系及使用不规范 基础理论研究及应用不多32课程内容包括课程内容包括 三大基础：三大基础：粘土胶化粘土胶化 流变学流变学 处理剂化学处理剂化学 三大体系：三大体系：o 水基水基o 油基油基o 气体类气体类 两大工艺：两大工艺：固控技术固控技术 复杂情况预防及处理复杂情况预防及处理 两大技能：两大技能：o 钻井液、完井液配制钻井液、完井液配制o 钻井液、完井液性能钻井液、完井液性能测试测试33课程特点及要求课程特点及要求 涉及领域宽，属应用学科。涉及领域宽，属应用学科。要求掌握基本概念、基本原理、基本计要求掌握基本概念、基本原理、基本计算、基本实验技能；算、基本实验技能；了解钻井液完井液体
21、系及应用工艺、发了解钻井液完井液体系及应用工艺、发展方向和动态。展方向和动态。34主要参考书刊主要参考书刊 李健鹰编著李健鹰编著,泥浆胶体化学泥浆胶体化学 H.范范.奥尔芬奥尔芬,粘土胶体化学导论粘土胶体化学导论 (译本译本)G.R.格雷格雷,钻井液的组成与性能钻井液的组成与性能 (译本译本)鄢捷年，钻井液工艺学，鄢捷年，钻井液工艺学，张绍槐等编著张绍槐等编著,保护储集层技术保护储集层技术 张孝华等编著张孝华等编著,现代泥浆实验技术现代泥浆实验技术 期刊期刊:钻井液与完井液、钻井液与完井液、油田化学、石油钻采油田化学、石油钻采工艺、石油学报、石油钻探技术、石油学院学工艺、石油学报、石油钻探技术
22、、石油学院学报等报等35习题：习题：1、9、1036 第二章第二章、粘土胶体化学基础粘土胶体化学基础 本章要求重点掌握内容：本章要求重点掌握内容：1.几种粘土矿物的晶体构造及其特点。几种粘土矿物的晶体构造及其特点。2.粘土水化机理。粘土水化机理。3.扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。4.胶体体系的基本概念。胶体体系的基本概念。5.聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。37学习本章的意义学习本章的意义 粘土是配浆的基础材料粘土是配浆的基础材料 泥浆是粘土泥浆是粘土 水的溶胶水的溶胶 悬浮体悬浮体 地层造浆、井
23、壁稳定、储层保护等均与地层粘地层造浆、井壁稳定、储层保护等均与地层粘土矿物有关。土矿物有关。所以，必须学习粘土矿物及胶体化学基本知识。所以，必须学习粘土矿物及胶体化学基本知识。38几个概念几个概念 粘土胶体化学：在一般胶体化学规律指导下，专门研粘土胶体化学：在一般胶体化学规律指导下，专门研究粘土胶体的生成、破坏和物理化学性质的科学。究粘土胶体的生成、破坏和物理化学性质的科学。狭义胶体：胶体大小（三维中任一维尺寸在狭义胶体：胶体大小（三维中任一维尺寸在1-100nm之之间）的微粒分散在另一种连续介质中所形成的分散体间）的微粒分散在另一种连续介质中所形成的分散体系。系。具有丁达耳现象、扩散慢、不渗
24、析具有丁达耳现象、扩散慢、不渗析 广义胶体：包括粗分散体系（悬浮体、乳状液、泡广义胶体：包括粗分散体系（悬浮体、乳状液、泡沫）；溶胶；高分子真溶液；缔合胶体。沫）；溶胶；高分子真溶液；缔合胶体。39胶体概念的沿革胶体概念的沿革 1864年年Graham的半透膜实验：的半透膜实验：将一块羊皮纸将一块羊皮纸(一种半透膜一种半透膜)缚在一个玻璃筒下端，筒内装着要缚在一个玻璃筒下端，筒内装着要研究的水溶液，并把筒浸于水中，经过一段时间后，测定水中研究的水溶液，并把筒浸于水中，经过一段时间后，测定水中溶质的浓度，求得溶质透过羊皮纸的扩散速度。实验发现溶质的浓度，求得溶质透过羊皮纸的扩散速度。实验发现：有
25、些物质如无机盐、白糖等，扩散快，能很快透过羊皮纸。另一类物质如明胶、丹宁、蛋白质、氢氧化铝等，扩散速度缓慢，而且极难甚至不能透过羊皮纸。当溶剂蒸发时，前一类者物质易成晶体析出，后一类物质则不成晶体，而成粘稠的胶状物质。4041 胶质胶质 （胶体（胶体Colloid）+溶剂溶剂 蛋白质蛋白质 明胶明胶 氢氧化铝氢氧化铝 溶胶溶胶sol溶液溶液solution 凝晶质（晶体凝晶质（晶体Crystalloid）+溶剂溶剂食盐食盐 白糖白糖42 胶体(Graham):一种特殊的物质,其特点是扩散慢,不渗析,蒸干后呈粘稠的状态43 随着科学的发展，经过多次实验证实，发现这样的分随着科学的发展，经过多次实
26、验证实，发现这样的分类并不合适，因为任何物质既可制成晶体也可制成胶类并不合适，因为任何物质既可制成晶体也可制成胶体状态。例如典型的结晶物质体状态。例如典型的结晶物质NaCl在水中形成真溶液，在水中形成真溶液，却可在酒精中制成胶体状态。另一方面，许多表现胶却可在酒精中制成胶体状态。另一方面，许多表现胶体性质的物质在适当的条件下也可制成晶体。体性质的物质在适当的条件下也可制成晶体。维依马林维依马林(俄俄 1905)胶体、晶体是物质的两种存在状态。在胶体状态下,物质是以大颗粒的形式分散于溶剂中,大颗粒由许多原子或分子组成44胶体的概念 物质以某种分散程度分散在介质中物质以某种分散程度分散在介质中所形
27、成的分散体系。所形成的分散体系。颗粒能通过滤纸颗粒能通过滤纸 不渗析不渗析(不能通过半透膜不能通过半透膜)扩散很慢扩散很慢 超显微镜下可见超显微镜下可见45几个基本概念几个基本概念1.相和相界面相和相界面 相相 任何物理化学性质都完全相同的均匀任何物理化学性质都完全相同的均匀部分称为一个相。部分称为一个相。如果体系中有两个或两个以如果体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。上的相，称为多相体系。相界面相界面 相与相之间的宏观物理界面。相与相之间的宏观物理界面。在相互接触的两相中：在相互接触的两相中：若一相为气体，相界面称为表面。若一相为气体，相界面称为表面。若是液若是液/固分界面，称为界面。
28、固分界面，称为界面。46分散度和比表面分散度和比表面分散度分散度 分散相的分散程度。分散相的分散程度。含含 形状，级配，粒度中值等概念形状，级配，粒度中值等概念比表面比表面 单位体积（重量）物质的总表面积。单位体积（重量）物质的总表面积。比表面比表面=S/V（S/W）,一般用一般用cm-1,cm2/g示之。示之。47分散相分散相分散介质分散介质名称名称例例液液气气气液溶胶气液溶胶雾雾固固气气气固溶胶气固溶胶灰尘、烟灰尘、烟气气液液泡沫泡沫泡沫泡沫液液液液乳状液乳状液牛奶、牛奶、O/W、W/O固固液液溶胶、悬浮体溶胶、悬浮体泥浆泥浆气气固固固态泡沫固态泡沫面包面包液液固固固态乳状液固态乳状液珍珠
29、珍珠固固固固固体悬浮体固体悬浮体合金合金分散体系分类（按聚集状态）分散体系分类（按聚集状态）48分散体系分类（按分散相大小分）分散体系分类（按分散相大小分）物质微粒的长、宽、高三维中任意一维的尺寸（或至少在一个方向）在1100nm之间，并分散在另外一种连续介质中所形成的分散体系胶体胶体49按分散相与分散介质的亲合程度分：憎液胶体：分散相则不能在介质中自动分散形憎液胶体：分散相则不能在介质中自动分散形成，必须用其它方法并加入稳定剂，即便如此，成，必须用其它方法并加入稳定剂，即便如此，形成的溶胶也不稳定，或迟或早总会自动析出。形成的溶胶也不稳定，或迟或早总会自动析出。这两类胶体的这种区别表示分散相
30、与分散介质这两类胶体的这种区别表示分散相与分散介质之间的亲合能力不同。之间的亲合能力不同。亲液胶体：分散相可以在介质中自动分散，形亲液胶体：分散相可以在介质中自动分散，形成的胶体溶液长期稳定，例如明胶成的胶体溶液长期稳定，例如明胶水体系：水体系：50 亲液胶体 憎液胶体 分散相自动分散 分散相不能自动分散(外界作功)长期稳定 不能长期稳定 可逆胶体 不可逆胶体 是有机胶体(高分子溶液)是无机胶体 亲液胶体是热力学稳定的单相体系;憎液胶体是热力学不稳定的多相体系.51胶体分散体系（憎液溶胶）的基本性质胶体分散体系（憎液溶胶）的基本性质 多相性多相性 高度分散性高度分散性 比表面积大比表面积大 聚
31、结不稳定性聚结不稳定性 易聚结合并易聚结合并 憎液胶体中分散得很细的分散相微粒有自憎液胶体中分散得很细的分散相微粒有自动聚结（自动降低分散度）缩小总表面积的趋动聚结（自动降低分散度）缩小总表面积的趋势，这就是胶体的聚结不稳定性。势，这就是胶体的聚结不稳定性。52聚结不稳定示意图53第一节、第一节、主要粘土矿物的晶体构造和特点主要粘土矿物的晶体构造和特点 粘粘 土：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状土：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物质。物质。特性：细粒，粘性，高温成型性，可塑成型性特性：细粒，粘性，高温成型性，可塑成型性 矿物组成：粘土矿物（蒙脱石等）矿物组成：
32、粘土矿物（蒙脱石等）+非粘土矿物（石英、长非粘土矿物（石英、长石等）石等）+胶体矿物（蛋白石等）。胶体矿物（蛋白石等）。化学组成化学组成:Si O Al OH，少量的，少量的 Fe Na Ca Mg 等等 粘土矿物：含水的细分散的层状及链状构造硅酸盐矿物的及含水的粘土矿物：含水的细分散的层状及链状构造硅酸盐矿物的及含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。非晶质硅酸盐矿物的总称。特点：具有相对固定的化学组成和确定的内部结构特点：具有相对固定的化学组成和确定的内部结构（内部（内部格子构造格子构造-晶格）。晶格）。54一、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片硅氧
33、四面体与硅氧四面体片 硅氧四面体硅氧四面体(silica tetrahedron)由一个硅原子和四个等距的氧原由一个硅原子和四个等距的氧原子组成的正四面体。硅原子在四面子组成的正四面体。硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点。体的中心，氧原子在四面体的顶点。图中：图中：基底氧：四面体底面三个氧原子。基底氧：四面体底面三个氧原子。顶端氧：四面体顶点一个氧原子。顶端氧：四面体顶点一个氧原子。OO距离：距离：2.61埃。埃。SiO距离：距离：1.61埃。埃。硅原子硅原子 氧原子氧原子55 硅氧四面体片硅氧四面体片 单个四面体与若干个相邻四面单个四面体与若干个相邻四面体通过底面氧相连，构成平面体通
34、过底面氧相连，构成平面连续的四面体晶格。连续的四面体晶格。四面体片特点：四面体片特点：由由SiO4彼此连接而成的彼此连接而成的Si4O10的无限重复的六方网格。的无限重复的六方网格。所有基底氧排列在同一个平面所有基底氧排列在同一个平面上。上。所有顶端氧在另一个平面上。所有顶端氧在另一个平面上。平面投影形成三层。平面投影形成三层。是六角对称的（是六角对称的（六角环半径1.33A，空心）空心）四面体片在粘土中不能独立存四面体片在粘土中不能独立存在。在。硅原子硅原子 氧原子氧原子Si4O10 最小重复单元分子式最小重复单元分子式56四面体片立体模型57硅氧四面体与硅氧四面体与硅氧四面体片硅氧四面体片
35、582.铝氧八面体与铝氧八面体片铝氧八面体与铝氧八面体片 铝氧（铝氧（Al O(OH)）八面八面体体(alumina octahedron)铝原子处于正八面体中铝原子处于正八面体中心，六个氧原子或氢氧原心，六个氧原子或氢氧原子处于八面体顶点。子处于八面体顶点。图中：图中：OO距离距离=2.60埃。埃。OHOH距离距离=2.94埃。埃。铝原子铝原子 氢氧原子氢氧原子59 铝氧（氢氧）八面体片铝氧（氢氧）八面体片 单个八面体与相邻的八单个八面体与相邻的八面体通过共用氢氧连接起面体通过共用氢氧连接起来，顶端和底端氧原子则来，顶端和底端氧原子则构成两个平行的平面（每构成两个平行的平面（每个八面体同相邻
36、的六个其个八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢它八面体通过共用氧（氢氧）连接）。氧）连接）。氢氧原子氢氧原子 铝原子铝原子 Al4(OH)12 最小重复单位分子式最小重复单位分子式60铝氧八面体与铝氧八面体与铝氧八面体片铝氧八面体片61八面体片立体模型62八面体片特点 许多八面体通过共用氧原子(同一平面上的)而联接 在a b两方向上无限延伸 三个层面 六角对称(六角环半径1.33,实心,六角环中心被OH原子团所占据)63八面体片系 二-八面体片：在八面体片中，平均每三个八面体的中心只有二个被中心离子（如铝离子Al3+）占据 又称为铝氧片 三水铝矿片 三-八面体片：在八面体片中，平均每三个
37、八面体的中心被三个被中心离子（如镁离子Mg2+）占据 又称镁氧片 水镁石片64粘土矿物的晶层 四面体片和八面体片的对称性相似,六角环大小相等,它们共用顶角氧而形成粘土矿物的晶层它们共用顶角氧而形成粘土矿物的晶层 晶层在c轴上的堆迭形成层状粘土矿物 晶层:在c轴上能重复再现的最小单位.65晶片的结合晶片的结合 晶层晶层：四面体片和八面体片沿四面体片和八面体片沿C轴按一定轴按一定顺序相互重合，通过共用氧原子连接顺序相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层。形成电中性的统一结构层。晶体晶体 许多单位晶层在许多单位晶层在C轴方向上按一定轴方向上按一定距离反复重合而成。距离反复重合而成。单位晶
38、胞单位晶胞 能代表晶体性质的单位层内最小物能代表晶体性质的单位层内最小物质组合。常以质组合。常以a、b轴范围表示其大小。轴范围表示其大小。C轴间距轴间距：某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离。某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离。两种原型粘土矿物（基本类型）两种原型粘土矿物（基本类型）1：1型（高岭石）型（高岭石）2：1型（叶腊石）型（叶腊石）CaC间间距距b66几个概念几个概念 晶格取代晶格取代：在晶体结构保持不变的条件下，高价中心：在晶体结构保持不变的条件下，高价中心离子被低价正离子取代的现象。结果是正电荷亏损，离子被低价正离子取代的现象。结果是正电荷亏损，粘土带负电。又叫同晶置换。粘土带
39、负电。又叫同晶置换。补偿阳离子补偿阳离子：被吸附来补偿正电荷亏损的阳离子。如：被吸附来补偿正电荷亏损的阳离子。如K+,Na+,Ca 2+,Mg 2+等。等。可交换阳离子可交换阳离子：在有水存在时，可与溶液中其它阳离：在有水存在时，可与溶液中其它阳离子发生交换的那部分补偿阳离子。子发生交换的那部分补偿阳离子。阳离子交换容量（阳离子交换容量（CEC）：分散介质的：分散介质的PH=7时，从粘时，从粘土上所能交换下来的阳离子总量。以土上所能交换下来的阳离子总量。以meq/100g(毫克当毫克当量量/100克）示之。克）示之。67二、几种粘土矿物的晶体构造和特性二、几种粘土矿物的晶体构造和特性1.高岭石
40、（高岭石（Kaolinite)晶体结构晶体结构 1：1型型 单位晶层由一层四面体片和一单位晶层由一层四面体片和一层八面体片组成，所有硅氧四面体层八面体片组成，所有硅氧四面体的尖顶都朝向八面体，通过共用氧的尖顶都朝向八面体，通过共用氧原子连接成晶层。若干个晶层在原子连接成晶层。若干个晶层在C轴方向上层层重叠，而在轴方向上层层重叠，而在a、b轴轴方向上连续延伸。方向上连续延伸。晶胞分子式：晶胞分子式：Al4Si4O10(OH)8特点特点A 晶层间连接紧密（晶层一面为晶层间连接紧密（晶层一面为“O”层，一面为层，一面为“OH”层，易形层，易形成氢键。）成氢键。）B 阳离子交换容量低：阳离子交换容量低
41、：3-5 毫克当量毫克当量/100克土克土C 水化分散性膨胀性差，矿物较水化分散性膨胀性差，矿物较稳定。稳定。D C轴间距轴间距=7.2埃。埃。-6+12-10+16-12-=06OH4Al4O+2OH4Si6O氧氢氧铝硅68叶腊石叶腊石是是2:1型型八面体为二八面体八面体为二八面体电中性电中性单胞面积单胞面积:5.15X8.9A2C轴间距轴间距 9.2A晶层联结力晶层联结力:范德化引力范德化引力叶腊石是叶腊石是2:1型粘土矿物的原型矿物型粘土矿物的原型矿物,没没有任何变异有任何变异叶腊石中的八面体片为二八面体，若换叶腊石中的八面体片为二八面体，若换成三八面体，便成了另一种矿物成三八面体，便成
42、了另一种矿物滑滑石，石，叶腊石和滑石不能叫作粘土矿物叶腊石和滑石不能叫作粘土矿物692.蒙脱石（蒙脱石（Montmorillonite)晶体结构晶体结构 2：1型型 两层四面体片中间夹一层八面体两层四面体片中间夹一层八面体片。每个四面体尖顶均指向中央片。每个四面体尖顶均指向中央的八面体，通过共用的氧连接成的八面体，通过共用的氧连接成晶层。若干个晶层按一定距离在晶层。若干个晶层按一定距离在C轴方向上重叠构成晶体。轴方向上重叠构成晶体。晶胞分子式：晶胞分子式：Al4Si8O20(OH)4特点特点 晶格取代晶格取代 主要在八面体中：主要在八面体中：Mg 2+、Fe 2+Al3+单位层之间由分子间力连
43、接单位层之间由分子间力连接 补偿阳离子：补偿阳离子：Na+、Ca2+阳离子交换容量高：阳离子交换容量高：70130 毫克当量毫克当量/100克土克土 水化能力强。水化能力强。C间距随层间阳离子类型及含水间距随层间阳离子类型及含水量而变（量而变（9.6-21.4埃埃).703.伊利石（伊利石（illite)illite)晶体结构晶体结构 2：1型型+K+晶体结构与蒙托石的晶体结构晶体结构与蒙托石的晶体结构类似。类似。区别：区别：A 晶格取代比蒙脱石多，且主要晶格取代比蒙脱石多，且主要发生在四面体片中。发生在四面体片中。B 补偿阳离子主要为补偿阳离子主要为K+。C 单位晶胞电荷数比蒙脱石的高单位晶
44、胞电荷数比蒙脱石的高11.5倍。倍。特点特点A 单位晶胞电荷数高：单位晶胞电荷数高：0.61.8。B 单位层之间由分子间力和单位层之间由分子间力和K+和和强的静电引力连接。强的静电引力连接。C 阳离子交换容量低：阳离子交换容量低：CEC=1040 meq/100g土土D 水化能力弱。水化能力弱。E C间距间距10埃。埃。氧氢氧铝硅K+10 埃71绿泥石绿泥石(chorite)结构：两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片构成结构：两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片构成单位层，单位层间夹一层水镁石片。单位层，单位层间夹一层水镁石片。2：1：1型型。特性：特性：(1)晶格取代多，但晶格取代多，但CEC值
45、低值低 (2)层间连接紧密层间连接紧密,C间距间距14A (3)水化能力差，颗粒粗，属于劣土，多呈绿色。水化能力差，颗粒粗，属于劣土，多呈绿色。72绿泥石的晶体结构绿泥石的晶体结构 73绿泥石绿泥石 晶层结构属于2:1:1型 绿泥石的结构单位层由一层2:1型云母层和一层水镁石片组成 云母层带负电，水镁石片带正电，二种片体靠静电引力结合在一起，并维持电中性。在沉积岩中，绿泥石常与蒙石，蛭石等粘土矿物共存，形成间层矿物。74间层粘土间层粘土(mixed layer clay)结构：由两种或两种以上粘土单位层相间堆叠结构：由两种或两种以上粘土单位层相间堆叠而成。而成。分类：规则间层和不规则间层。分类
46、：规则间层和不规则间层。常见：伊常见：伊/蒙间层和绿蒙间层和绿/蒙间层。蒙间层。特性：介于组分之间，取之于间层比，分散性特性：介于组分之间，取之于间层比，分散性强。强。75海泡石、凹凸棒石海泡石、凹凸棒石 结构：层链状结构：层链状 纤维状粘土纤维状粘土 形象比喻：藕形象比喻：藕特性：特性：（1）水化分散差，但机械剪）水化分散差，但机械剪切可配浆切可配浆（2）抗温性好）抗温性好（3）抗盐性好，称为抗盐土）抗盐性好，称为抗盐土76坡缕石晶体构造示意图坡缕石晶体构造示意图 7778 课课 程程 小小 结结C轴间距轴间距层间阳离子层间阳离子79第二节、粘土的电性和离子交换吸附第二节、粘土的电性和离子交
47、换吸附一、粘土晶体的电荷及其来源一、粘土晶体的电荷及其来源1.永久负电荷永久负电荷 构造电荷构造电荷来源：晶格取代产生过剩负电荷。来源：晶格取代产生过剩负电荷。如：如：四面体：四面体：Al3+Si4+；八面体：八面体：Mg2+Ai3+。特点：特点：永久负电荷主要受晶格取代影响，不受永久负电荷主要受晶格取代影响，不受PH影响。影响。蒙脱石的永久负电荷：主要来源于蒙脱石的永久负电荷：主要来源于铝氧八面体，少部分来源于硅氧铝氧八面体，少部分来源于硅氧四面体。四面体。伊利石的永久负电荷：主要来源于硅氧四面体，少部分来源于铝氧伊利石的永久负电荷：主要来源于硅氧四面体，少部分来源于铝氧八面体。八面体。高岭
48、石几乎无永久负电荷。高岭石几乎无永久负电荷。永久负电荷大小排序：永久负电荷大小排序：伊利石伊利石蒙脱石蒙脱石高岭石。高岭石。永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。802.可变负电荷可变负电荷 表面电荷表面电荷来源：来源：晶体端面的晶体端面的Al OH键，键，例如：在碱性条件：例如：在碱性条件：表面吸附表面吸附OH-、SiO3 2-等无机阴离子，或有机阴离子聚等无机阴离子，或有机阴离子聚电解质。电解质。Al O-.H+OH-SiO3 2-813.正电荷正电荷 表面电荷表面电荷来源：当来源：当PH7.3时时,Al O H-Al+OH-特点特点:受环境受环境PH值影
49、响值影响。正电荷正电荷 3000C，释放出结晶水。，释放出结晶水。2.吸附水（束缚水）吸附水（束缚水）定义：由于分子间力和静电引力吸附极性水分子而在粘定义：由于分子间力和静电引力吸附极性水分子而在粘土表面上形成的一层水化膜。土表面上形成的一层水化膜。特点：温度特点：温度1100C，释放出吸附水。包括：薄膜水、毛，释放出吸附水。包括：薄膜水、毛细管水、胶体水。细管水、胶体水。3.自由水自由水定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的可自由运动的水。定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的可自由运动的水。86二、粘土的水化和水化膨胀二、粘土的水化和水化膨胀1.粘土水化粘土水化粘土遇水产生体积膨胀以致分散成更小颗粒的
50、现象含义：水化膨胀体积增大 水化分散-颗粒更小粘土收缩粘土收缩 在高温作用下，粘土矿物吸附的水分子逐在高温作用下，粘土矿物吸附的水分子逐渐蒸发，其体积由大变小的过程。渐蒸发，其体积由大变小的过程。872.引起粘土矿物水化的原因引起粘土矿物水化的原因 直接吸直接吸引水分子产生水化引水分子产生水化 土粒带负电，水土粒带负电，水分子极化、定向、浓集于土粒表面；水与粘土分子极化、定向、浓集于土粒表面；水与粘土表面的氧和氢氧形成氢键。表面的氧和氢氧形成氢键。间接吸引水分子产生水化间接吸引水分子产生水化 吸附阳离子的水吸附阳离子的水化给粘土颗粒带来水化膜。化给粘土颗粒带来水化膜。88吸水膨胀性 当干粘土与
