粘土矿物和粘.ppt

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1、第二章第二章 粘土矿物和粘粘土矿物和粘 土胶体化学基础土胶体化学基础 概概 述述 一分散体系的种类一分散体系的种类 在自然界以及工农业生产中，常常遇到一种或几种物质分散在一中物质中在自然界以及工农业生产中，常常遇到一种或几种物质分散在一中物质中的分散体系。我们称被分散的物质为分散相，分散相颗粒所在的连续介体为分的分散体系。我们称被分散的物质为分散相，分散相颗粒所在的连续介体为分散介质。例如钻井用的水基泥浆就是粘土、处理剂、有时还有加重剂等分散在散介质。例如钻井用的水基泥浆就是粘土、处理剂、有时还有加重剂等分散在水中的分散体系。分散体系可以分为三类，见表水中的分散体系。分散体系可以分为三类，见表

2、2-1 2-1 泥浆中粘土颗粒多数在悬浮体范围（泥浆中粘土颗粒多数在悬浮体范围（0.10.12 2微微米），少数在溶液范围内（米），少数在溶液范围内（0.10.1微米微米1 1毫微），泥毫微），泥浆是粘土浆是粘土水的胶质悬浮体系，具有胶体和悬浮体水的胶质悬浮体系，具有胶体和悬浮体的性质。的性质。概概 述述 二、二、胶体分散体系的基本性质胶体分散体系的基本性质1.1.是不均匀分散体系（或称相分散体系）是不均匀分散体系（或称相分散体系）所谓相所谓相，是指物理化学性质均匀的部分，相内，是指物理化学性质均匀的部分，相内部是不存在物理界面的。均匀分散体系是由一相所部是不存在物理界面的。均匀分散体系是由一

3、相所组成的单相体系，如溶液，在溶液里分子与离子和组成的单相体系，如溶液，在溶液里分子与离子和分散介质之间是不存在物理界面的。分散介质之间是不存在物理界面的。胶体分散体系则不然，由多相所组成，在胶体胶体分散体系则不然，由多相所组成，在胶体颗粒和分散介质之间存在物理界面，为多相分散体颗粒和分散介质之间存在物理界面，为多相分散体系。如泥浆中的粘土胶粒与水之间存在界面，改变系。如泥浆中的粘土胶粒与水之间存在界面，改变粘土粘土水界面的性质即可改变泥浆的性能。认识粘水界面的性质即可改变泥浆的性能。认识粘土土水界面的性质对了解泥浆的本质有重要意义。水界面的性质对了解泥浆的本质有重要意义。概概 述述 2.2.

4、比表面积特大的分散体系比表面积特大的分散体系 随着分散相颗粒的分散程度增大，颗粒变小，颗粒的随着分散相颗粒的分散程度增大，颗粒变小，颗粒的表面积（相界面积）增加很大，单位体积物质的总表面积表面积（相界面积）增加很大，单位体积物质的总表面积（称比面积）增加很大。（称比面积）增加很大。概述概述 3.3.是不稳定的分散体系是不稳定的分散体系 因胶体系有巨大表面积引起的。物体表面的分子和内部因胶体系有巨大表面积引起的。物体表面的分子和内部分子的处境不同，因而具有不同的能量（见图分子的处境不同，因而具有不同的能量（见图2-22-2）。）。概概 述述 用用代表单位面积的表面能（称比表面能），代表单位面积的

5、表面能（称比表面能），SS代表代表面积，总面积能面积，总面积能=S=S。热力学第二定理，体系表面能有。热力学第二定理，体系表面能有自发减小的倾向。自发减小的倾向。表面能及其作用原理，在具有巨大界面表面能及其作用原理，在具有巨大界面的高分散多相体系中具有根本性的意义。的高分散多相体系中具有根本性的意义。从上式可以看出，降低体系表面能有从上式可以看出，降低体系表面能有两条途径两条途径：一条：一条是缩小表面积；另一条是减小比表面能是缩小表面积；另一条是减小比表面能。前者引起一系。前者引起一系列的毛细管现象和胶态体系的聚结不稳定性，后者引起吸列的毛细管现象和胶态体系的聚结不稳定性，后者引起吸附作用。附

6、作用。钻井液是粘土钻井液是粘土水的胶质悬浮体系，分散在水中的粘水的胶质悬浮体系，分散在水中的粘土细粒具有巨大的表面积，因此，它们亦有聚结以及吸附土细粒具有巨大的表面积，因此，它们亦有聚结以及吸附作用，且都是自发地进行的，以使体系的表面积减小。作用，且都是自发地进行的，以使体系的表面积减小。粘土矿物的晶体构造与性质粘土矿物的晶体构造与性质 粘土作为钻井液的重要组成成分，其晶体构造粘土作为钻井液的重要组成成分，其晶体构造与性质对钻井酸性能有十分重要的影响。钻井过程与性质对钻井酸性能有十分重要的影响。钻井过程中井眼的稳定性、油气层的保护均与地层中粘土矿中井眼的稳定性、油气层的保护均与地层中粘土矿物类

7、型和特性密切相关。物类型和特性密切相关。粘土组成粘土组成粘粘 土土 矿矿 物：含水的铝硅酸盐物：含水的铝硅酸盐非粘土矿物：石英、长石非粘土矿物：石英、长石胶胶 体体 矿矿 物：氢氧化铁、蛋白石、物：氢氧化铁、蛋白石、氢氧化铝等氢氧化铝等 粘土矿物颗粒直径较小，在水中具有一定的分粘土矿物颗粒直径较小，在水中具有一定的分散性、带电性、水化性，可发生离子交换。散性、带电性、水化性，可发生离子交换。粘土矿物的化学组成：粘土矿物的化学组成：粘土中常见的粘土矿物有三种：高粘土中常见的粘土矿物有三种：高岭石、蒙脱石岭石、蒙脱石(也叫微晶高岭石、胶岭石等也叫微晶高岭石、胶岭石等)，伊利石，伊利石(也称也称水云

8、母水云母)。它们的化学组成见下表。它们的化学组成见下表粘土矿物的晶体构造与性质粘土矿物的晶体构造与性质 高岭石：其氧化铝含量较高，氧化硅含量较低；高岭石：其氧化铝含量较高，氧化硅含量较低；蒙脱石：氧化铝含量较低，氧化硅含量较高；蒙脱石：氧化铝含量较低，氧化硅含量较高；伊利石：含有较多的氧化钾。伊利石：含有较多的氧化钾。矿物名称矿物名称化学组成化学组成高岭石高岭石AlAl4 4SiSi4 4O O1010(OH)(OH)8 8蒙脱石蒙脱石(Al(Al2 2MgMg3 3)(Si)(Si4 4O O1010)(OH)(OH)2 2.nH.nH2 2O O伊利石伊利石（K,Na,CaK,Na,Ca2

9、 2)m m(Al,Mg)(Al,Mg)4 4(Si,Al)(Si,Al)8 8O O2020(OH)(OH)4 4.nH.nH2 2O O粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的晶体构造与性质粘土矿物的晶体构造与性质(1)(1)硅氧四面体与硅氧四面体晶片硅氧四面体与硅氧四面体晶片粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的晶体构造与性质粘土矿物的晶体构造与性质(1)(1)硅氧四面体与硅氧四面体晶片硅氧四面体与硅氧四面体晶片粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的晶体构造与性质粘土矿物的晶体构造与性质(1)(1)硅氧四面体与硅氧四面

10、体晶片硅氧四面体与硅氧四面体晶片(2)铝氧八面体与铝氧八面体晶片粘土矿物的晶体构造与性质粘土矿物的晶体构造与性质(2)铝氧八面体与铝氧八面体晶片粘土矿物的晶体构造与性质粘土矿物的晶体构造与性质(2)铝氧八面体与铝氧八面体晶片粘土矿物的晶体构造与性质粘土矿物的晶体构造与性质几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造一层硅氧四面体品片和一层铝氧八面体晶片。一层硅氧四面体品片和一层铝氧八面体晶片。高岭石的单元晶层构造：高岭石的单元晶层构造：形成氢键，形成氢键，因而，晶层连因而，晶层连接紧密，晶层间距仅为接紧密，晶层间距仅为7.2107.210-1-1nmnm，故高岭石分散，故高岭石分散度低

11、且性能比较稳定；同时，度低且性能比较稳定；同时，几乎无晶格取代现象。故阳几乎无晶格取代现象。故阳离子交换容量小，水分不易离子交换容量小，水分不易进人晶层中间，其水化性能进人晶层中间，其水化性能差，造浆性能不好。为非膨差，造浆性能不好。为非膨胀类型的粘土矿物。胀类型的粘土矿物。蒙脱石的单元晶层构造：蒙脱石的单元晶层构造：几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造 晶层上下面皆为氧原子，晶层上下面皆为氧原子，以分子间力连接，连接力弱，以分子间力连接，连接力弱，水分子易进入，引起晶格膨水分子易进入，引起晶格膨胀；胀；更为重要的是由于晶格取更为重要的是由于晶格取代、带有较多负电荷，能吸代、带

12、有较多负电荷，能吸附等电量阳离子。水化阳离附等电量阳离子。水化阳离子进人晶层，致使层间距增子进人晶层，致使层间距增加。所以，蒙脱石是膨胀型加。所以，蒙脱石是膨胀型粘土矿物，增加了其胶体活粘土矿物，增加了其胶体活性。其晶层所有表面，包括性。其晶层所有表面，包括内表面和外表面都可以进行内表面和外表面都可以进行水化及阳离子交换。水化及阳离子交换。几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造 蒙脱石膨胀程度在很大程度上取决于交换性阳蒙脱石膨胀程度在很大程度上取决于交换性阳离子的种类：离子的种类：被吸附的阳离子以钠离子为主的蒙脱石被吸附的阳离子以钠离子为主的蒙脱石(称为钠称为钠蒙脱石蒙脱石)，其

13、膨胀压很大，晶体可以分散为细小的颗，其膨胀压很大，晶体可以分散为细小的颗粒，甚至可以变为单个的单元晶层。粒，甚至可以变为单个的单元晶层。若被吸附的阳离子以钙离子为主的蒙脱石（称若被吸附的阳离子以钙离子为主的蒙脱石（称为钙蒙脱石），由于钙离子所带电荷较多，晶层之为钙蒙脱石），由于钙离子所带电荷较多，晶层之间的作用力较强，矿物晶体膨胀性能较差。间的作用力较强，矿物晶体膨胀性能较差。当然，可通过离子交换使得不同类型的粘土相当然，可通过离子交换使得不同类型的粘土相互转化。互转化。几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造伊利石的单元晶层构造：伊利石的单元晶层构造：也称为水云母。也称为水云母。

14、伊利石也称为水云母，其伊利石也称为水云母，其晶体构造和蒙脱石类似，主要晶体构造和蒙脱石类似，主要区别在于晶格取代作用多发生区别在于晶格取代作用多发生在四面体中，铝原子取代四面在四面体中，铝原子取代四面体的硅。晶格取代作用也可以体的硅。晶格取代作用也可以发生在八面体中，典型的是发生在八面体中，典型的是MgMg2+2+和和FeFe2+2+取代取代AlAl3+3+，其晶胞平，其晶胞平均负电荷比蒙脱石高，产生的均负电荷比蒙脱石高，产生的负电荷主要由负电荷主要由K K+来平衡。来平衡。伊利石的单元晶层构造伊利石的单元晶层构造几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造 伊利石负电荷主要产生在四面

15、体晶伊利石负电荷主要产生在四面体晶片，离晶层表面近，片，离晶层表面近，K K+与晶层的负电荷与晶层的负电荷之间的静电引力比氢键强，水也不易进之间的静电引力比氢键强，水也不易进入晶层间；入晶层间；另外，另外，K K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，起到连接的氧原子网格形成的空穴中，起到连接作用，周围有作用，周围有1212个氧与它配位；因此，个氧与它配位；因此，K K+连接通常非常牢固，是不能交换的。连接通常非常牢固，是不能交换的。仅粘土颗粒外表面能发生离子交换，其仅粘土颗粒外表面能发生离子交换，其水化作用仅限于外表面。水化膨胀时，水化作用仅限于外表面。水

16、化膨胀时，其体积增加的程度比蒙脱石小得多。因其体积增加的程度比蒙脱石小得多。因此，伊利石晶格不易膨胀。此，伊利石晶格不易膨胀。几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造海泡石族的单元晶层构造：海泡石族的单元晶层构造：几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造粘土矿物的电性粘土矿物的电性 从电泳现象得到证明，粘土颗粒在水中通常带从电泳现象得到证明，粘土颗粒在水中通常带有负电荷。粘土的电荷是使粘土具有一系列电化有负电荷。粘土的电荷是使粘土具有一系列电化学性质的基本原因，同时，对粘土的各种性质都学性质的基本原因，同时，对粘土的各种性质都发生影响。发生影响。例如，粘土吸附阳离于的多

17、少决定子其所带负例如，粘土吸附阳离于的多少决定子其所带负电荷的数量。电荷的数量。此外，钻井浓中的无机、有机处理剂的作用此外，钻井浓中的无机、有机处理剂的作用钻井液胶体的分散、絮凝等性质，也都受到粘土钻井液胶体的分散、絮凝等性质，也都受到粘土电荷的影响。电荷的影响。粘土矿物的电性粘土矿物的电性 钻土晶体因环境的不同或环境的变化，可能钻土晶体因环境的不同或环境的变化，可能带有不同的电性或者不同的电荷。粘土晶体的电带有不同的电性或者不同的电荷。粘土晶体的电荷可分为荷可分为永久负电荷永久负电荷、可变负电荷可变负电荷、正电荷正电荷三种三种永久负电荷永久负电荷：因粘土在自然界形成时发生晶格取代作用所因粘土

18、在自然界形成时发生晶格取代作用所产生。产生。不受不受pHpH值的影响因此，这种电荷被称为永久负值的影响因此，这种电荷被称为永久负电荷。电荷。粘土矿物的电性粘土矿物的电性 钻土晶体因环境的不同或环境的变化，可能钻土晶体因环境的不同或环境的变化，可能带有不同的电性或者不同的电荷。粘土晶体的电带有不同的电性或者不同的电荷。粘土晶体的电荷可分为荷可分为永久负电荷永久负电荷、可变负电荷可变负电荷、正电荷正电荷三种三种可变负电荷：可变负电荷：带电量随介质的带电量随介质的PHPH值改变而改变，值改变而改变，产生可变负电荷的原因比较复杂：产生可变负电荷的原因比较复杂：可能有以下几种原因：可能有以下几种原因：1

19、 1、在粘土晶体端面上与铝连接的、在粘土晶体端面上与铝连接的OHOH-基中的基中的H H+在碱性或中性条件下解离；在碱性或中性条件下解离；2 2、粘土晶体的瑞面上吸附了、粘土晶体的瑞面上吸附了OHOH-、SiOSiO2-2-等无等无 机阴离子或吸附有机阴离子聚电解质等。机阴离子或吸附有机阴离子聚电解质等。粘土矿物的电性粘土矿物的电性正电荷：正电荷：不少研究者指出，当粘土介质的不少研究者指出，当粘土介质的PHPH值低于值低于9 9时，粘时，粘上品体端面上带正电荷。兹逊上品体端面上带正电荷。兹逊(P.A.Thiessen)(P.A.Thiessen)用电子显微用电子显微镜照相观察到高岭石边角上吸附

20、了负电性的金溶胶，由此镜照相观察到高岭石边角上吸附了负电性的金溶胶，由此证明了粘土瑞面上带有正电荷。粘土端面上带正电荷的原证明了粘土瑞面上带有正电荷。粘土端面上带正电荷的原因多数人认为是出于裸露在边缘上的铝氧八面体征酸性条因多数人认为是出于裸露在边缘上的铝氧八面体征酸性条件下从介质中解离出件下从介质中解离出OHOH-，如下式所示：，如下式所示：钻土的正电荷与负电荷的代数和即为粘土品体的净钻土的正电荷与负电荷的代数和即为粘土品体的净电荷数。由于粘土的负电荷一般多于正电荷，因此，粘电荷数。由于粘土的负电荷一般多于正电荷，因此，粘土一般都带负电荷。土一般都带负电荷。粘土的交换性阳离子及粘土的交换性阳

21、离子及阳离子交换容量的测定阳离子交换容量的测定粘土的阳离子交换容量：粘土的阳离子交换容量：粘土的阳离子交换容量是指在分散介质的粘土的阳离子交换容量是指在分散介质的PHPH值值为为7 7的条件下，粘土所能交换下来的阳离子总量，包的条件下，粘土所能交换下来的阳离子总量，包括交换性盐基和交换性氢。阳离子交换容量以括交换性盐基和交换性氢。阳离子交换容量以100g100g粘土所能交换下来的阳离子毫摩尔数来表示符号粘土所能交换下来的阳离子毫摩尔数来表示符号为为CEC(Cation Exchange Capacity)CEC(Cation Exchange Capacity)，粘土矿物因，粘土矿物因种类不同

22、，其阳离子交换容量有很大差别。种类不同，其阳离子交换容量有很大差别。粘土的交换性阳离子及粘土的交换性阳离子及阳离子交换容量的测定阳离子交换容量的测定粘土阳离子交换容量的测定：粘土阳离子交换容量的测定：测定粘土阳离子测定粘土阳离子交换容量的方法很多，经典的方法是醋酸铵淋交换容量的方法很多，经典的方法是醋酸铵淋洗法。其基本原理如下：洗法。其基本原理如下：粘土的交换性阳离子及粘土的交换性阳离子及阳离子交换容量的测定阳离子交换容量的测定 淋洗剂为醋酸铵淋洗剂为醋酸铵NH4AcNH4Ac，NH+NH+可交换出粘土中的可交换出粘土中的CaCa2+2+和和MgMg2+2+等阳离子，其作用可用图等阳离子，其作

23、用可用图211211表示。表示。粘土的交换性阳离子及粘土的交换性阳离子及阳离子交换容量的测定阳离子交换容量的测定 淋洗完成后，将滤液蒸干并进行焙烧，此时各种醋酸淋洗完成后，将滤液蒸干并进行焙烧，此时各种醋酸盐均分解为无机化合物。反应式如下：盐均分解为无机化合物。反应式如下：残渣用盐酸处理后，即可测定钙、镁等离子含量；残渣用盐酸处理后，即可测定钙、镁等离子含量；醋醋酸铵淋洗以后的粘土，用乙醇洗去过剩的醋酸铵，再向粘酸铵淋洗以后的粘土，用乙醇洗去过剩的醋酸铵，再向粘土中加浓土中加浓NaOHNaOH溶液，溶液，NHNH4 4+又被又被NaNa+交换出来，生成氢氧化铵。交换出来，生成氢氧化铵。因而，经

24、过直接蒸煮后，得到因而，经过直接蒸煮后，得到NHNH4 4OHOH，用标准酸吸收，再经，用标准酸吸收，再经过滴定，便可换算为每过滴定，便可换算为每100g100g土的交换性阳离子的毫粘摩尔土的交换性阳离子的毫粘摩尔数，即粘土的阳离子交换容量。数，即粘土的阳离子交换容量。粘土的交换性阳离子及粘土的交换性阳离子及阳离子交换容量的测定阳离子交换容量的测定影响粘土阳离子交换容量大小的因索：影响粘土阳离子交换容量大小的因索：粘土矿物的本性：若粘土矿物的化学组成和晶体构 造不同，阳离子交换容量会有很 大差异。粘土的分散度：当粘土矿物化学组成相同时，其阳 离子交换容量随分散度(或比表面)的增加面变大。溶液的

25、酸碱度：在粘土矿物化学组成和其分散度 相同的情况下，在碱性环境中，阳离子交换容量变大。粘土的水化作用粘土的水化作用粘土矿物的水分：粘土矿物的水分：结晶水、吸附水、自由水、结晶水、吸附水、自由水、结晶水：结晶水：为粘土矿物的一部分，与粘土矿物之为粘土矿物的一部分，与粘土矿物之 间以化学键相连，温度较高（间以化学键相连，温度较高（300300）才能释放出来。才能释放出来。吸附水：吸附水：与粘土矿物之间的作用力为分子间以与粘土矿物之间的作用力为分子间以 及静电引力，即水化膜形式存在，也及静电引力，即水化膜形式存在，也 叫束缚水。叫束缚水。自由水：自由水：存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中，不存在于粘土颗粒

26、的孔穴或孔道中，不 受粘土约束，可以自由运动受粘土约束，可以自由运动粘土的水化作用粘土的水化作用粘土水化膨胀作用的机理：粘土水化膨胀作用的机理：各种粘土都会吸水膨胀，只各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的钻土矿物水化膨胀的程是不同的钻土矿物水化膨胀的程度不同而已。粘土水化膨胀受三度不同而已。粘土水化膨胀受三种力制约，表面水化力、渗透水种力制约，表面水化力、渗透水化力和毛细管作用。化力和毛细管作用。表面水化：表面水化是由钻土表面水化：表面水化是由钻土晶体表面晶体表面(膨胀性粘土表面包括膨胀性粘土表面包括外表面和内表面外表面和内表面)吸附水分子与吸附水分子与交换性阳离子水化而引起的。右交换性阳离子水化

27、而引起的。右图为粘土表面水化示意图。图为粘土表面水化示意图。粘土的水化作用粘土的水化作用渗透水化：渗透水化：由于晶层之间的阳离子浓度大于溶液由于晶层之间的阳离子浓度大于溶液 内部的浓度，因此，水发生浓差扩内部的浓度，因此，水发生浓差扩 散，进入层间，由此增加晶层间距，散，进入层间，由此增加晶层间距，从而形成扩散双电层。渗透膨胀引起从而形成扩散双电层。渗透膨胀引起 的体积增加比晶格膨胀大得多。的体积增加比晶格膨胀大得多。粘土的水化作用粘土的水化作用 渗透性水化产生原因：根据杜南渗透性水化产生原因：根据杜南(Donnan)(Donnan)的平衡理论，当一个容器的平衡理论，当一个容器中有一个半透膜，

28、膜的一边为胶体溶液，另一边为电解质溶液时，如果中有一个半透膜，膜的一边为胶体溶液，另一边为电解质溶液时，如果电解质的离子能够自由地透过此膜，而胶粒不能透过，则在达到平衡后，电解质的离子能够自由地透过此膜，而胶粒不能透过，则在达到平衡后，离子在膜的两边的分布将是不均等的。离子在膜的两边的分布将是不均等的。膜两边称做两个膜两边称做两个“相相”，含胶体，含胶体的一边称为的一边称为“内相内相”，仅含自由溶液的一边称为，仅含自由溶液的一边称为“外相外相”。在这种情况。在这种情况下，胶粒不能透过此膜的原因是由于孔径较小的半透膜对粒径较大的胶下，胶粒不能透过此膜的原因是由于孔径较小的半透膜对粒径较大的胶粒的

29、机械阻力。后来发现，形成杜南体系并不一定需要一个半透膜的存粒的机械阻力。后来发现，形成杜南体系并不一定需要一个半透膜的存在，只要能够设法使胶体相与自由溶液相分开即可。当粘土表面吸附的在，只要能够设法使胶体相与自由溶液相分开即可。当粘土表面吸附的阳离子浓度高于介质中浓度时，便产生渗透压，从而引起水分向按土晶阳离子浓度高于介质中浓度时，便产生渗透压，从而引起水分向按土晶层间扩散。水的这种扩散程度受电解质的浓度差的控制，这就是渗透水层间扩散。水的这种扩散程度受电解质的浓度差的控制，这就是渗透水化膨胀的机理。化膨胀的机理。早在早在19311931年，这一理论就应用于钻井液，使用溶解性盆以降低钻井年，这

30、一理论就应用于钻井液，使用溶解性盆以降低钻井液和坍塌页岩中液体之间的渗透压，后来进一步发展了饱和盐水钻井液、液和坍塌页岩中液体之间的渗透压，后来进一步发展了饱和盐水钻井液、氮化钙钻井液等。氮化钙钻井液等。粘土的水化作用粘土的水化作用 不同的交换性阳离子引起水化程度不同的原因是：不同的交换性阳离子引起水化程度不同的原因是：粘粘土单元晶层间存在着两种力，一种是层间阳离子水化产生的土单元晶层间存在着两种力，一种是层间阳离子水化产生的膨胀力和带负电荷的品层之间的斥力；另一种是粘土单元晶膨胀力和带负电荷的品层之间的斥力；另一种是粘土单元晶层一层问阳离子一粘土单元晶层之间的静电引力。粘土膨胀层一层问阳离子

31、一粘土单元晶层之间的静电引力。粘土膨胀分散程度取决于这两种力的比例关系。如果粘土单元品层一分散程度取决于这两种力的比例关系。如果粘土单元品层一层问阳离子一粘土单元晶层之间的静电引力大于晶层问的斥层问阳离子一粘土单元晶层之间的静电引力大于晶层问的斥力粘土就只能发生晶格膨胀力粘土就只能发生晶格膨胀(如钙土如钙土)；与此相反，如果晶；与此相反，如果晶层之间产生的斥力大到足以破坏单元晶层一层间阳离子一粘层之间产生的斥力大到足以破坏单元晶层一层间阳离子一粘土单元晶层之间的静电引力，粘土便发生渗透膨胀，形成扩土单元晶层之间的静电引力，粘土便发生渗透膨胀，形成扩散双电层，双电层斥力使单元品层分离开，如钠土。

32、因此钠散双电层，双电层斥力使单元品层分离开，如钠土。因此钠土是配制钻井液的理想材料。土是配制钻井液的理想材料。粘土的水化作用粘土的水化作用影响粘土水化膨胀因素：影响粘土水化膨胀因素：2 2）粘土矿物不同，水化作用的强弱也不同。蒙脱石的阳离）粘土矿物不同，水化作用的强弱也不同。蒙脱石的阳离子交换容量高水化最好，分散度也最高；高岭石阳离子交换子交换容量高水化最好，分散度也最高；高岭石阳离子交换容量低，水化差，分散度也低，颗粒粗；伊利石由于晶层间容量低，水化差，分散度也低，颗粒粗；伊利石由于晶层间KK的特殊作用也是非膨胀性矿物。的特殊作用也是非膨胀性矿物。3 3）粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程

33、度有很大差别）粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程度有很大差别.1 1）粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度也不相同；粘上晶）粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度也不相同；粘上晶体所带的负电荷大部分都集中在层面上，于是吸附的阳离体所带的负电荷大部分都集中在层面上，于是吸附的阳离子也多。在粘土晶体的端面上带电量较少，故水化膜薄。子也多。在粘土晶体的端面上带电量较少，故水化膜薄。粘土的水化作用粘土的水化作用3 3）粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程度有很大差别）粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程度有很大差别.矿物名称矿物名称化学组成化学组成CMCCMC高岭石高岭石AlAl4 4SiSi4 4O O10

34、10(OH)(OH)8 83-153-15蒙脱石蒙脱石(Al(Al2 2MgMg3 3)(Si)(Si4 4O O1010)(OH)(OH)2 2.nH.nH2 2O O70-13070-130伊利石伊利石（K,Na,CaK,Na,Ca2 2)m m(Al,Mg)(Al,Mg)4 4(Si,Al)(Si,Al)8 8O O2020(OH)(OH)4 4.nH.nH2 2O O20-4020-40影响粘土水化膨胀因素：影响粘土水化膨胀因素：1 1）粘土晶体的部位）粘土晶体的部位 2 2）粘土矿物种类）粘土矿物种类 3 3）粘土吸附的交换性阳离子种类）粘土吸附的交换性阳离子种类粘土粘土-水界面的吸

35、附作用水界面的吸附作用 一、一、概述概述吸附定义：吸附定义：物质在两相界面自动浓集（界面浓度大于内部浓物质在两相界面自动浓集（界面浓度大于内部浓 度）现象。被吸附的物质称为吸附质，吸附吸附度）现象。被吸附的物质称为吸附质，吸附吸附 质的物质称为吸附剂。质的物质称为吸附剂。例如：糖炭附丁醇，丁醇是吸附质，糖炭是吸附剂。例如：糖炭附丁醇，丁醇是吸附质，糖炭是吸附剂。吸附与吸收：吸附与吸收：吸附只限于吸附剂的表面，吸收则遍及吸收剂吸附只限于吸附剂的表面，吸收则遍及吸收剂 的表面和内部。的表面和内部。例如：无水氯化钙吸收水汽。例如：无水氯化钙吸收水汽。粘土粘土-水界面的吸附作用水界面的吸附作用 一、一

36、、概述概述吸附量：吸附量：吸附达到平衡时，单位面积（或单位重量）吸附吸附达到平衡时，单位面积（或单位重量）吸附 剂所吸附的数量。吸附量的单位可用剂所吸附的数量。吸附量的单位可用“克克/克克”、“毫克分子毫克分子/厘米厘米2 2”等表示。等表示。吸附特点：吸附特点：吸附是可逆过程，达到动态平衡，此时吸附吸附是可逆过程，达到动态平衡，此时吸附 量不再随时间而增加。量不再随时间而增加。影响吸附平衡的因素：影响吸附平衡的因素：受温度、吸附质浓度（或压力）等因素。受温度、吸附质浓度（或压力）等因素。例如，吸附为放热过程，温度升高，吸附平衡移向脱附的方例如，吸附为放热过程，温度升高，吸附平衡移向脱附的方向

37、。吸附量一般随温度升高而减小；温度一定时，吸附量与吸附向。吸附量一般随温度升高而减小；温度一定时，吸附量与吸附质的浓度（或压力）之间的关系可以用吸附等温线来表示。吸附质的浓度（或压力）之间的关系可以用吸附等温线来表示。吸附等温线相当复杂。等温线相当复杂。粘土粘土-水界面的吸附作用水界面的吸附作用 一、一、概述概述 吸附是泥浆中常见的重要作用。处理剂改善钻吸附是泥浆中常见的重要作用。处理剂改善钻井液性能和可溶性盐损害泥浆的性能，大多是通过井液性能和可溶性盐损害泥浆的性能，大多是通过吸附作用改变粘土颗粒的表面性质进行的。乳化泥吸附作用改变粘土颗粒的表面性质进行的。乳化泥浆的稳定，泥浆泡沫的消除等均

38、与吸附直接相关。浆的稳定，泥浆泡沫的消除等均与吸附直接相关。粘土粘土-水界面的吸附作用水界面的吸附作用 化学吸附特点：化学吸附可看作是两相界面上发生的化学化学吸附特点：化学吸附可看作是两相界面上发生的化学 反应。这类吸附具有选择性，吸附热较大反应。这类吸附具有选择性，吸附热较大 （近于反应热），脱附也不那么容易。（近于反应热），脱附也不那么容易。吸附类型：吸附类型：物理吸附和化学吸附两类；物理吸附和化学吸附两类；物理吸附：仅由范德华引力引起的吸附。物理吸附：仅由范德华引力引起的吸附。化学吸附：如果吸附质与吸附剂表面间的力是化化学吸附：如果吸附质与吸附剂表面间的力是化 学键力（化合物中原子间的结

39、合力。学键力（化合物中原子间的结合力。物理吸附特点：这类吸附一般没有选择性，吸附热较小，物理吸附特点：这类吸附一般没有选择性，吸附热较小，脱附也比较容易。脱附也比较容易。粘土粘土-水界面的吸附作用水界面的吸附作用 泥浆中两类吸附剂都能遇到。泥浆中两类吸附剂都能遇到。例如：丹宁酸钠通过配价键吸附在粘土颗粒端面例如：丹宁酸钠通过配价键吸附在粘土颗粒端面上而起了稀释作用；多聚磷酸钠与粘土颗粒端表面形上而起了稀释作用；多聚磷酸钠与粘土颗粒端表面形成络阴离子等，是泥浆中经常遇到的化学吸附例子。成络阴离子等，是泥浆中经常遇到的化学吸附例子。又如：泥浆中的粘土颗粒吸附又如：泥浆中的粘土颗粒吸附NaNa+、C

40、aCa2+2+等无机阳等无机阳离子，吸附离子，吸附CMCCMC大分子，则是物理吸附的例子。大分子，则是物理吸附的例子。泥浆中较重要的是固泥浆中较重要的是固液界面的吸附（包括离子液界面的吸附（包括离子交换吸附）和油交换吸附）和油水界面、气水界面、气液界面上的吸附。这液界面上的吸附。这些吸附作用是泥浆化学处理的胶体化学基础。些吸附作用是泥浆化学处理的胶体化学基础。应该指出，固液吸附速度较慢这一特点在泥浆化学处理中是值得重视的作泥浆处应该指出，固液吸附速度较慢这一特点在泥浆化学处理中是值得重视的作泥浆处理实验时，加入处理剂搅匀后就测性能，根本不考虑粘土西服处理剂需要一定的理实验时，加入处理剂搅匀后就

41、测性能，根本不考虑粘土西服处理剂需要一定的时间，这种错误法常常导致室内实验与井下效果很不相符。时间，这种错误法常常导致室内实验与井下效果很不相符。粘土粘土-水界面的吸附作用水界面的吸附作用 应该指出，固液吸附速度较慢，在钻井液化学应该指出，固液吸附速度较慢，在钻井液化学处理中是值得重视的。处理中是值得重视的。作泥浆处理实验时，加入处理剂搅匀后就测性作泥浆处理实验时，加入处理剂搅匀后就测性能，不考虑粘土吸附处理剂需要一定的时间，这种能，不考虑粘土吸附处理剂需要一定的时间，这种错误法常常导致室内实验与井下效果很不相符。错误法常常导致室内实验与井下效果很不相符。粘土粘土-水界面的吸附作用水界面的吸附

42、作用 2.2.溶液吸附的影响因素溶液吸附的影响因素 如前所述，影响溶液吸附的因素比较复杂，下述规律只如前所述，影响溶液吸附的因素比较复杂，下述规律只有在一切其他条件均相同时才能应用，否则可能得到与预期有在一切其他条件均相同时才能应用，否则可能得到与预期相反的结果。相反的结果。(1)(1)使固使固液界面的比表面能降低最多的溶质被吸附的最液界面的比表面能降低最多的溶质被吸附的最多。例如用炭自水溶液中吸附脂肪酸，含碳酸数多的酸分子多。例如用炭自水溶液中吸附脂肪酸，含碳酸数多的酸分子是炭是炭液界面自由能降低的多，相应地吸附量也随碳数增加液界面自由能降低的多，相应地吸附量也随碳数增加而循序增加，此即特劳

43、贝规则。而循序增加，此即特劳贝规则。(2)(2)溶解度越小的溶质越容易被吸附。因为溶质的溶解度小，溶解度越小的溶质越容易被吸附。因为溶质的溶解度小，说明溶质与溶液之间的亲和力越弱，溶质从溶液中逃逸的倾说明溶质与溶液之间的亲和力越弱，溶质从溶液中逃逸的倾向越大，因而容易被固体吸附。向越大，因而容易被固体吸附。粘土粘土-水界面的吸附作用水界面的吸附作用 2.2.溶液吸附的影响因素溶液吸附的影响因素 (3)(3)极性吸附剂易于吸附极性物质，非极性吸附剂易于吸极性吸附剂易于吸附极性物质，非极性吸附剂易于吸附非极性溶质。附非极性溶质。这个因素与溶解度的影响相互关联，一般说来，极性这个因素与溶解度的影响相

44、互关联，一般说来，极性溶液易溶于极性溶剂，非极性溶液易溶于非极性溶剂。溶液易溶于极性溶剂，非极性溶液易溶于非极性溶剂。例如，脂肪酸极性大小次序为甲酸例如，脂肪酸极性大小次序为甲酸 乙酸乙酸 丙酸丙酸 丁酸，丁酸，而溶剂（水）的极性最大，故极性很小的活性炭较易吸附而溶剂（水）的极性最大，故极性很小的活性炭较易吸附丁酸，其吸附次序为丁酸丁酸，其吸附次序为丁酸 丙酸丙酸 乙酸乙酸 甲酸。甲酸。粘土粘土-水界面的吸附作用水界面的吸附作用 (4)(4)温度对溶液吸附的影响。温度对溶液吸附的影响。吸附均为放热过程。一般来说，温度升高吸附量降低。吸附均为放热过程。一般来说，温度升高吸附量降低。但还应考虑温度

45、对溶质的溶解度和浓度的影响。但还应考虑温度对溶质的溶解度和浓度的影响。例如，炭自浓水溶液中吸附丁醇时，随着温度升高吸例如，炭自浓水溶液中吸附丁醇时，随着温度升高吸附量反而增加。这就是温度升高，丁醇在水中的溶解度降低，附量反而增加。这就是温度升高，丁醇在水中的溶解度降低，此处溶解度降低超过了温度升高对吸附的影响，故吸附量增此处溶解度降低超过了温度升高对吸附的影响，故吸附量增加。加。(5)(5)同一吸附剂的性能，常因制备的方法不同而有很大同一吸附剂的性能，常因制备的方法不同而有很大的差异。的差异。2.2.溶液吸附的影响因素溶液吸附的影响因素 总之，预测溶液吸附时，必须考虑溶质、溶剂、吸附总之，预测

46、溶液吸附时，必须考虑溶质、溶剂、吸附剂三者之间的复杂。剂三者之间的复杂。粘土粘土-水界面的吸附作用水界面的吸附作用 离子交换吸附离子交换吸附 由于晶格取代或氢氧根中的电离，粘土颗粒通常带负由于晶格取代或氢氧根中的电离，粘土颗粒通常带负电，它在溶液中能吸附阳离子，进行阳离子交换吸附。电，它在溶液中能吸附阳离子，进行阳离子交换吸附。阳离子交换吸附是泥浆中常见的重要现象。阳离子交换吸附是泥浆中常见的重要现象。例如泥浆中的例如泥浆中的NaNa+=Ca=Ca+交换就是常见的影响泥浆性能交换就是常见的影响泥浆性能较大的过程；又如饱和盐水泥浆的较大的过程；又如饱和盐水泥浆的PHPH值下降，其中就有值下降，其

47、中就有NaNa+=H=H+的交换等等。的交换等等。所谓离子交换吸附，就是一种离子被吸附的同时从所谓离子交换吸附，就是一种离子被吸附的同时从吸附表面顶替出等当量的带相同电荷的另一种离子的过吸附表面顶替出等当量的带相同电荷的另一种离子的过程。离子交换吸附具有以下特点：程。离子交换吸附具有以下特点：(1)同电性离子等电量交换。例如钠粘土吸附Ca+时，就有等电量的Na+脱附下来作为交换，即一个Ca+交换一个Na+。因此，离子交换吸附并不破坏整个的电中性。粘土粘土-水界面的吸附作用水界面的吸附作用(1)(1)同电性离子等电量交换。同电性离子等电量交换。例如钠粘土吸附例如钠粘土吸附CaCa+时，就有等电量

48、的时，就有等电量的NaNa+脱附下来作脱附下来作为交换，即一个为交换，即一个CaCa+交换一个交换一个NaNa+。因此，离子交换吸附。因此，离子交换吸附并不破坏整个的电中性。并不破坏整个的电中性。离子交换吸附具有以下特点：离子交换吸附具有以下特点：(2)(2)离子吸附平衡是动态平衡。离子吸附平衡是动态平衡。对于一定的吸附剂和溶剂，离子交换吸附量不仅取决对于一定的吸附剂和溶剂，离子交换吸附量不仅取决于离子的性质，还与离子浓度、温度有关（反离子也有影于离子的性质，还与离子浓度、温度有关（反离子也有影响）。其他条件相同时，增大浓度平衡依向吸附方向，增响）。其他条件相同时，增大浓度平衡依向吸附方向，增

49、高温度平衡移向脱附方向。高温度平衡移向脱附方向。粘土粘土-水界面的吸附作用水界面的吸附作用(3(3 离子交换吸附的速度较慢，达到平衡需要一定的时间。离子交换吸附的速度较慢，达到平衡需要一定的时间。带正电的吸附剂容易吸附负离子；带负电的吸附剂容易吸附带正电的吸附剂容易吸附负离子；带负电的吸附剂容易吸附正离子，进行正离子交换。粘土表面带负电，因此泥浆中常见的是正正离子，进行正离子交换。粘土表面带负电，因此泥浆中常见的是正离子交换。离子交换。对于不同价单离子正离子，其他条件相同时，离子的价越对于不同价单离子正离子，其他条件相同时，离子的价越高，吸附越强，即交换到吸附剂表面去去的能力越强。高，吸附越强

50、，即交换到吸附剂表面去去的能力越强。同价的正离子的吸附强弱取决于离子大小和离子水化程度。同价的正离子的吸附强弱取决于离子大小和离子水化程度。离子半径越小，吸引水分子的能力越强，水化层越厚，吸附越弱。离子半径越小，吸引水分子的能力越强，水化层越厚，吸附越弱。离子交换吸附具有以下特点：离子交换吸附具有以下特点：离子吸附的强弱有下列规律：离子吸附的强弱有下列规律：粘土粘土-水界面的吸附作用水界面的吸附作用 常见的正离子的吸附强弱顺序如下：常见的正离子的吸附强弱顺序如下：Li+Na+K+NH4+Mg+Ca+Ba+Al+Fe+H+应该指出：多原子离子，特别是分子量较大的有机离应该指出：多原子离子，特别是