钻井液完井液化学.pptx

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1、1 第一章、钻井液钻井液概论概论 本章要求掌握：钻井液、完井液概念。钻井液、完井液的组成和类型。钻井液、完井液的主要作用。钻井液基本性能参数。钻井液技术发展简史 第1页/共118页2第一节、第一节、钻井液、完井液的定义钻井液、完井液的定义 狭义钻井液粘土以小颗粒状态(2um)分散在水中所 形成的溶胶 悬浮体。(泥浆 mud)广义 钻 井 液 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+气）。(drilling fluid)广义完井液 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）。狭义完井液 钻开油气层的钻井液（钻开液）。(completion fluid)第2页

2、/共118页3第二节、钻井液的组成、类型及性能1.钻井液的组成 主要由水、粘土和添加剂组成的体系 分散介质+分散相+化学处理剂 连续相+不连续相 液相+固相+化学处理剂 第3页/共118页4分散相与分散介质分 散 相 在多相分散体系中，被分散的物质。(不连续,可以粒子或液滴)分散介质 分散相所在的连续介质。分散体系一种或多种分散相分散在分散介质中所形 成 的体系.例如：钻井液中，粘土颗粒分散在水中:粘土为分散相；水为分散介质。第4页/共118页5 组分举例某种水基钻井液组分为：水+膨润土+处理剂 100ml 5g 1g用组分表示的配方为：5%膨润土浆+1%处理剂配方表示的特点：用W/V百分数表

3、示组分。不考虑处理剂的体积。第5页/共118页6钻井液的组成示例第6页/共118页72.钻井液的分类 分类方法多通常根据分散介质分为四大类：水基钻井液（Water-Base Drilling Fluids）油基钻井液（Oil-Base Drilling Fluids）气态钻井液（Gas-Base Drilling Fluids）合成基钻井液(Synthetic-Base Drilling Fluids)第7页/共118页8一般分类第8页/共118页9API和IADC分类法不分散钻井液（基本不含处理剂的天然泥浆）-non-dispersed drilling fluids分散型钻井液-dispe

4、rsed drilling fluids聚合物钻井液-polymer drilling fluids低固相钻井液-low solids drilling fluids饱和盐水泥浆-saturated saltwater drilling fluids钙处理钻井液-calcium-treated drilling fluids修井液，完井液-workover,completion fluids油基钻井液-oil-based drilling fluids气体类钻井液-gas typed drilling fluids第9页/共118页10石油钻井工程标委会钻井液分委会综合分类法不分散聚合物钻井液

5、（用大中小分子聚合物处理的低固相泥浆）钾基钻井液,K+1800mg/L分散钻井液盐水钻井液饱和盐水泥浆钙处理钻井液修井液，完井液油基钻井液气体类钻井流体第10页/共118页11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 不分散泥浆第11页/共118页12钻井液循环路线泥浆池泵高压管汇水龙带方钻杆钻杆钻铤钻头环空井口及振动筛固控设备第12页/共118页133.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饼破岩、清岩保护油气层传递水功率冷却润滑钻头第13页

6、/共118页14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；第14页/共118页154、钻井液的性能钻井液的密度(Density)钻井液的流变性(Rheological Properties)钻井液的失水造壁性(Filtration Properties)钻井液的含砂量(Sand content of DF)钻井液的pH值钻井液的固相含量和油、水含量钻井液膨润土含量(MBT)钻井液的润滑性(Lubricity)钻井液的抑制性钻井液滤液的化学性质（碱度、硬度、Cl-含量、.）第15页/

7、共118页16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体的污染；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，提高机械钻速；合理选择打开油气层的钻井液密度，减少钻井液对产层的伤害。用比重秤测定。第16页/共118页17钻井液的含砂量定义:钻井液中不能通过200目筛的固相的体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：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，失水增大；泥饼表面摩擦系数增加；钻头、钻柱、泵等机械设备磨损严重。第17页/共118页18钻井液的pH值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

8、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，绝大多数钻井液体系的PH值都控制在7以上。不分散型钻井液体系：PH=7.58.5分散型钻井液体系：PH10钙处理钻井液体系:PH11第18页/共118页19钻井液膨润土含量（MBT）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，MBT过高，钻井液的粘度、切力增大，泥饼增厚，容易造成井下事故。MBT过小，钻井液的粘度、切力急剧下降，失水增大。第19页/共118页20钻井液不应具有的性能伤害钻井人员，损害或污染环境对所设计的地层评估有不利的性能对产层产生伤害对钻井设备和管材造成较大腐蚀Detrimental to the oper

9、ators and environment.Detrimental to the formation evaluation.Cause any formation damage.Cause any corrosion of the drilling equipment and subsurface tubulars.第20页/共118页21优质钻井液的标准有利于安全、快速、优质、低耗钻井；有利于取全、取准各项工程、地质资料；有利于发现、保护油气层。第21页/共118页22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、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

10、的钻井液性能；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。根据地质及钻井工程需要研究新型钻井液处理剂及体系。第22页/共118页23第三节、钻井液工艺技术的发展1 初步发展时期 自然造浆阶段 1888 1928年主要解决问题：携带钻屑 控制地层压力典型技术：水+钻屑+地面土 使用重晶石、铁矿粉（19201920年以后)第23页/共118页242.快速发展时期 细分散泥浆阶段 1928 1948年主要解决问题：泥浆性能的稳定井壁稳定典型技术：一些泥浆性能测试仪器研制出来 使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤第24页/共118页253.高速发展阶段 粗分散泥浆阶段 19

11、48 1965年主要解决问题：石膏、盐污染 温度影响典型技术：各种盐水、钙处理泥浆 油基泥浆 处理剂品种1616大类第25页/共118页264.4.科学发展时期 聚合物不分散低固相钻井液阶段 1965年 现在主要解决问题：快速钻井 保护油气层典型技术：不分散低固相钻井液 气体钻井 保护油气层的完井液 合成基钻井液 抗高温钻井液第26页/共118页27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;水基体系的研究应用比油基体系多;深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液理论较成熟；成功研制了一些钻井液处理剂，如FA367,XY27,SMP,80A51 等；成功应用了一些钻井液体系，如三

12、磺体系，两性离子聚合物体系，聚磺体系等；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，保证了常规井及各种特殊井的完成。计算机应用及固控技术相对滞后。第27页/共118页28预测钻井液技术发展方向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恶性漏失的防治技术第28页/共118页29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 钻井液体系及使用不规范 基础理论研究及应用不多第29页/共1

13、18页30课程内容包括三大基础：o粘土胶化o流变学o处理剂化学三大体系：o水基o油基o气体类两大工艺：o固控技术o复杂情况预防及处理两大技能：o钻井液、完井液配制o钻井液、完井液性能测试第30页/共118页31课程特点及要求涉及领域宽，属应用学科。要求掌握基本概念、基本原理、基本计算、基本实验技能；了解钻井液完井液体系及应用工艺、发展方向和动态。第31页/共118页32主要参考书刊李健鹰编著,泥浆胶体化学H.范.奥尔芬,粘土胶体化学导论 (译本)G.R.格雷,钻井液的组成与性能 (译本)鄢捷年，钻井液工艺学，张绍槐等编著,保护储集层技术张孝华等编著,现代泥浆实验技术期刊:钻井液与完井液、油田化

14、学、石油钻采工艺、石油学报、石油钻探技术、石油学院学报等第32页/共118页33习题：1、9、10第33页/共118页34 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：1.几种粘土矿物的晶体构造及其特点。2.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。4.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。第34页/共118页35学习本章的意义粘土是配浆的基础材料泥浆是粘土 水的溶胶 悬浮体地层造浆、井壁稳定、储层保护等均与地层粘土矿物有关。所以，必须学习粘土矿物及胶体化学基本知识。第35页/共118页36几个概念粘土胶体化学：在一般胶体化学

15、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。狭义胶体：胶体大小（三维中任一维尺寸在1-100nm之间）的微粒分散在另一种连续介质中所形成的分散体系。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、泡沫）；溶胶；高分子真溶液；缔合胶体。第36页/共118页37胶体概念的沿革1864年Graham的半透膜实验：将一块羊皮纸(一种半透膜)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，测定水中溶质的浓度，求得溶质透过羊皮纸的扩散速度。实验发现：有些物质如无机盐、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

16、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。第37页/共118页38第38页/共118页39胶质 （胶体Colloid）+溶剂蛋白质 明胶 氢氧化铝 溶胶sol溶液solution凝晶质（晶体Crystalloid）+溶剂食盐 白糖第39页/共118页40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第40页/共118页41随着科学的发展，经过多次实验证实，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体状态。例如典型的结晶物质NaCl在水中形成真溶液，却可在酒

17、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。维依马林(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第41页/共118页42胶体的概念物质以某种分散程度分散在介质中所形成的分散体系。颗粒能通过滤纸 不渗析(不能通过半透膜)扩散很慢超显微镜下可见第42页/共118页43几个基本概念1.相和相界面 相 任何物理化学性质都完全相同的均匀部分称为一个相。如果体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。相界面 相与相之间的宏观物理界面。在相互接触的两相中：若一相为气体，相界面称为表面。若是液/固分界

18、面，称为界面。第43页/共118页44分散度和比表面分散度 分散相的分散程度。含 形状，级配，粒度中值等概念比表面 单位体积（重量）物质的总表面积。比表面=S/V（S/W）,一般用cm-1,cm2/g示之。第44页/共118页45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）第45页/共118页4

19、6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第46页/共118页47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。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。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，例如明胶水体系：第47页/共118页48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

20、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.第48页/共118页49胶体分散体系（憎液溶胶）的基本性质多相性高度分散性 比表面积大聚结不稳定性 易聚结合并 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）缩小总表面积的趋势，这就是胶体的聚结不稳定性。第49页/共118页50聚结不稳定示意图第50页/共118页51第一节、主要粘土矿物的晶体构造和特点 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物质。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）+非粘土矿物（石英、长石等）+胶体矿物（

21、蛋白石等）。化学组成:Si O Al OH，少量的 Fe Na Ca Mg 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（内部格子构造-晶格）。第51页/共118页52一、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 硅氧四面体(silica tetrahedron)由一个硅原子和四个等距的氧原子组成的正四面体。硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点。图中：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。OO距离：2.61埃。SiO距离：1.61埃。硅原子 氧原子第52页/共118页

22、53 硅氧四面体片 单个四面体与若干个相邻四面体通过底面氧相连，构成平面连续的四面体晶格。四面体片特点：由SiO4彼此连接而成的Si4O10的无限重复的六方网格。所有基底氧排列在同一个平面上。所有顶端氧在另一个平面上。平面投影形成三层。是六角对称的（六角环半径1.33A，空心）四面体片在粘土中不能独立存在。硅原子 氧原子Si4O10 最小重复单元分子式第53页/共118页54四面体片立体模型第54页/共118页55硅氧四面体与硅氧四面体片第55页/共118页562.铝氧八面体与铝氧八面体片 铝氧（Al O(OH)）八面体(alumina octahedron)铝原子处于正八面体中心，六个氧原子

23、或氢氧原子处于八面体顶点。图中：OO距离=2.60埃。OHOH距离=2.94埃。铝原子 氢氧原子第56页/共118页57 铝氧（氢氧）八面体片 单个八面体与相邻的八面体通过共用氢氧连接起来，顶端和底端氧原子则构成两个平行的平面（每个八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连接）。氢氧原子 铝原子 Al4(OH)12 最小重复单位分子式第57页/共118页58铝氧八面体与铝氧八面体片第58页/共118页59八面体片立体模型第59页/共118页60八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

24、团所占据)第60页/共118页61八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 水镁石片第61页/共118页62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.第62页/共118页63晶片的结合 晶层：四面体片和八面体片沿C轴按一定顺序相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层。晶体 许

25、多单位晶层在C轴方向上按一定距离反复重合而成。单位晶胞 能代表晶体性质的单位层内最小物质组合。常以a、b轴范围表示其大小。C轴间距：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）1：1型（高岭石）2：1型（叶腊石）CaC间距b第63页/共118页64几个概念晶格取代：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，粘土带负电。又叫同晶置换。补偿阳离子：被吸附来补偿正电荷亏损的阳离子。如K+,Na+,Ca 2+,Mg 2+等。可交换阳离子：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。阳离子交换容量（CEC）：分散介质的PH=

26、7时，从粘土上所能交换下来的阳离子总量。以meq/100g(毫克当量/100克）示之。第64页/共118页65二、几种粘土矿物的晶体构造和特性1.高岭石（Kaolinite)晶体结构 1：1型 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C轴方向上层层重叠，而在a、b轴方向上连续延伸。晶胞分子式：Al4Si4O10(OH)8特点A 晶层间连接紧密（晶层一面为“O”层，一面为“OH”层，易形成氢键。）B 阳离子交换容量低：3-5 毫克当量/100克土C 水化分散性膨胀性差，矿物较稳定。D C轴间距=7.2埃。-6+12-10+

27、16-12-=06OH4Al4O+2OH4Si6O氧氢氧铝硅第65页/共118页66叶腊石是2:1型八面体为二八面体电中性单胞面积C轴间距 9.2A晶层联结力:范德化引力叶腊石是2:1型粘土矿物的原型矿物,没有任何变异叶腊石中的八面体片为二八面体，若换成三八面体，便成了另一种矿物滑石，叶腊石和滑石不能叫作粘土矿物第66页/共118页672.蒙脱石（Montmorillonite)晶体结构 2：1型 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C轴方向上重叠构成晶体。晶胞分子式：Al4Si8O20(OH)4特点 晶格取代 主要在

28、八面体中：Mg 2+、Fe 2+Al3+单位层之间由分子间力连接 补偿阳离子：Na+、Ca2+阳离子交换容量高：70130 毫克当量/100克土 水化能力强。C间距随层间阳离子类型及含水量而变（9.6-21.4埃).第67页/共118页683.伊利石（illite)illite)晶体结构 2：1型+K+晶体结构与蒙托石的晶体结构类似。区别：A 晶格取代比蒙脱石多，且主要发生在四面体片中。B 补偿阳离子主要为K+。C 单位晶胞电荷数比蒙脱石的高11.5倍。特点A 单位晶胞电荷数高：0.61.8。B 单位层之间由分子间力和K+和强的静电引力连接。C 阳离子交换容量低：CEC=1040 meq/10

29、0g土D 水化能力弱。E C间距10埃。氧氢氧铝硅K+10 埃第68页/共118页69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单位层，单位层间夹一层水镁石片。2：1：1型。特性：(1)晶格取代多，但CEC值低 (2)层间连接紧密,C间距14A (3)水化能力差，颗粒粗，属于劣土，多呈绿色。第69页/共118页70绿泥石的晶体结构 第70页/共118页71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

30、矿物。第71页/共118页72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而成。分类：规则间层和不规则间层。常见：伊/蒙间层和绿/蒙间层。特性：介于组分之间，取之于间层比，分散性强。第72页/共118页73海泡石、凹凸棒石结构：层链状纤维状粘土形象比喻：藕特性：（1）水化分散差，但机械剪切可配浆（2）抗温性好（3）抗盐性好，称为抗盐土第73页/共118页74坡缕石晶体构造示意图 第74页/共118页75第75页/共118页76 课 程 小 结C轴间距层间阳离子第76页/共118页77第二节、粘土的电性和离子交换吸附一、粘土晶体的电荷及其来源1.永久负电荷

31、 构造电荷来源：晶格取代产生过剩负电荷。如：四面体：Al3+Si4+；八面体：Mg2+Ai3+。特点：永久负电荷主要受晶格取代影响，不受PH影响。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，少部分来源于铝氧八面体。高岭石几乎无永久负电荷。永久负电荷大小排序：伊利石蒙脱石高岭石。永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。第77页/共118页782.可变负电荷 表面电荷来源：晶体端面的Al OH键，例如：在碱性条件：表面吸附OH-、SiO3 2-等无机阴离子，或有机阴离子聚电解质。Al O-.H+OH-SiO3 2-第78页/共118页79

32、3.正电荷 表面电荷来源：当PH7.3时,Al O H-Al+OH-特点:受环境PH值影响。正电荷 3000C，释放出结晶水。2.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土表面上形成的一层水化膜。特点：温度1100C，释放出吸附水。包括：薄膜水、毛细管水、胶体水。3.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。第83页/共118页84二、粘土的水化和水化膨胀1.粘土水化粘土遇水产生体积膨胀以致分散成更小颗粒的现象含义：水化膨胀体积增大 水化分散-颗粒更小粘土收缩 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。第84页/共118页852.引起

33、粘土矿物水化的原因直接吸引水分子产生水化 土粒带负电，水分子极化、定向、浓集于土粒表面；水与粘土表面的氧和氢氧形成氢键。间接吸引水分子产生水化 吸附阳离子的水化给粘土颗粒带来水化膜。第85页/共118页86吸水膨胀性当干粘土与水接触时，粘土体积会比原来增加，如果体积增加显著，则称之膨胀性粘土，反之则称为非膨胀性粘土。蒙脱石是一种典型的膨胀性粘土矿物，这是它的晶格取代适中所致。钠蒙脱石的水化膨胀比钙蒙脱石强。粘土的吸水膨胀性，其实质就是粘土的晶层与晶层的间距变大，从而发生层间膨胀。膨胀性粘土就是指能发生层间膨胀的粘土非膨胀性粘土则是不能发生层间膨胀的粘土。第86页/共118页873 水化膨胀机理

34、:表面水化：粘土表面吸满两层水分子（颗粒间的短程作用）渗透水化：粘土表面吸满两层水分子后的水化作用（颗粒间的长程作用）表面水化 渗透水化 吸水层数 两层以内 两层以外的水水的性质 强结合水 固态水 弱结合水 渗透水 密度1.3g/cm3动力 表面的水化能 双电层斥力膨胀压力 20004000atm 几十0.1atm膨胀体积 100%几倍膨胀压：防止粘土遇水发生膨胀所需要的压力膨胀性粘土:水化作用能在颗粒的内外表面发生非膨胀性粘土:水化作用只能在颗粒的外表面发生第87页/共118页88渗透水化膨胀与双电层斥力 第88页/共118页89一般,粘土表面是已经表面水化的渗透水化是能人为控制和调节的影响

35、水化的因素:粘土矿物本性和种类蒙脱石：晶层联结力 范氏引力，弱，能在晶层间发生水化伊利石：晶层联结力 范氏引力+强的静电引力+K嵌力，强，不能在晶层间发生水化高岭石：晶层联结力 范氏引力氢键力，强，不能在晶层间发生水化颗粒大小介质环境(含盐量和pH)第89页/共118页90粘土水化的影响因素粘土晶体部位不同，水化强度也不同层面上水化膜厚，端面上薄。粘土矿物不同，水化作用的强弱不同蒙脱石、间层粘土、伊利石、高岭石泥浆中可溶性盐类及泥浆处理剂的影响可溶性盐类，减低 电位有机处理剂的亲水基团，被粘土吸附后形成较大的水化膜。不同的交换性阳离子对粘土水化的影响Ca2+max17A,Na+max 40A第

36、90页/共118页91钠蒙脱石水化示意图第91页/共118页92钙蒙脱石水化示意图第92页/共118页93水化分散性蒙脱石粘土吸水膨胀后，晶层C轴距增大，晶层间的范德华引力显著减少，在有大量水存在时，晶片较易分散在水中，固而蒙脱石具有较强的水化分散性，尤其是钠蒙脱石，它在水中甚至有相当大的一部分可以分散到单位层的厚度。第93页/共118页94第四节 粘土-水界面的扩散双电层理论(the electric-double layer at clay-water interface)一、电动现象莱斯实验 实验中观察到两个现象：（1）粘土颗粒通过细砂层向阳极移动，并沉积起来。（2）水通过粘土团块的毛细

37、管向阴极流动。总结这两种实验现象，得到两个概念：电泳：在电场作用下，分散相微粒在介质中向某一电极移动的现象。电渗：在电场作用下，液体对固定的带电荷的固体表面作相对运动的现象。显然，电泳和电渗都是外加直流电场于胶体体系引起的运动现象。土粒水电泳电渗+-第94页/共118页95二、粘土-水界面的扩散双电层理论(the electric-double layer at clay-water interface)扩散双电层的形成与结构胶体颗粒带电，在其周围分布着电荷数相等的反离子，在固液界面形成双电层。双电层中的反离子，一方面受到固面电荷的吸引，不能远离固面，另一方面，由于反离子的热运动，又有扩散到液

38、相内部去的能力。这两种相反作用的结果，使得反离子扩散地分布在界面周围，构成扩散双电层。粘土溶胶的双电层层面和端面稍有不同第95页/共118页961.扩散双电层结构 扩散双电层 从固体表面到过剩反离子为零处。吸附层 固体表面紧密吸引着的部分反离子所构成。扩散层 其余反离子扩散地分布在液相中所构成。滑动面 吸附层与扩散层错开的界面。胶核：固体表面 胶粒：胶核+吸附层-滑动面滑动面吸附层吸附层扩散层扩散层距离距离第96页/共118页97第97页/共118页98 离子的分布 双电层内既有同号离子，又有反离子，其分布如右图所示。双电层电荷必须平衡。反离子过剩反离子同号离子0Xnn0第98页/共118页9

39、92.双电层中的电势（位）表面电势 定义：从固体表面到均匀液相内的电势降。特点：固体表面电势最大。表面电势随离表面距离的增大而大致依指数关系降低。电动电势定义：从滑动面到均匀液相的电势降。特点：胶粒带电越多，电位越高。大小取决于吸附层内的静电荷数。0 x第99页/共118页1003.电势方程式 赫斯公式(Helmhohz Smoluchouski)对于片状粒子：=(4v/DE)3002对 于 球形 粒 子：=(6v/DE)3002 式中：介质粘度，泊；v 电泳速度，cm/s；E 电位梯度,v/cm；D 液体介电常数 -电势，v第100页/共118页101 4.电解质对电位的影响 电解质压缩双电

40、层作用 电泳实验表明，任何电解质的加入，都要影响电位值，从而影响电泳速度。1=2120 x电解质压缩恒定表面电势双电层1Rb Rb+K K+Na Na+Li Li+BaBa+Sr Sr+Ca Ca+Mg Mg+第111页/共118页112DLVO理论要点溶胶稳定性取决于粒子间的净作用力：（1）斥力大于吸力，有斥力势垒，稳定性取决于势垒高低；（2）吸力始终大于斥力，相互聚结而沉降；（3）有可能出现絮凝态-粒间聚结但相互吸力并不强，体系仍稳定，外界条件改变胶粒又相互分离。电解质显著影响胶粒间斥力，溶胶变得不稳定甚至聚沉理论导出:rc=R*1/Z6,这与实验结果相符，也证明了该理论的正确性。第112页/共118页113在三种不同的电解质浓度下，胶粒的排斥力、吸引能量与胶粒间距的关系 胶粒间的净作用能与胶粒距离的关系 第113页/共118页114胶粒间净作用能有两个最低位能穴的情况 第114页/共118页1153.聚结作用与凝胶凝胶-溶胶适度聚结形成布满容积的冻胶状体系。特征：无水析出，不流动，有结构，有一定强度，如豆腐、凉粉等。形成条件：胶粒浓度足够大。影响凝胶强度的因素：土粒浓度，土类，电解质，处理剂，分散程度，pH值等第115页/共118页116粘土颗粒联结方式第116页/共118页117习题 2、3、8、9第117页/共118页118感谢您的观看！第118页/共118页