【正文】 粘土礦物 和粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ) 鉆井液工藝原理電子教案 第二章 ?上一內(nèi)容 ?下一內(nèi)容 ?回主目錄 ?返回 鉆井液工藝原理電子教案 — 第二章 粘土 粘土與鉆井的關(guān)系 （ 1）粘土作為鉆井液的重要組成成分， 配漿原材料 。 （ 2）鉆井過程中 井眼的穩(wěn)定性 ，泥頁巖的主要組成部分，75%地層為泥頁巖， 90%的井壁不穩(wěn)定發(fā)生在泥頁巖。 （ 3） 油氣層的保護(hù)， 粘土礦物膨脹與鉆井液配漿粘土堵塞。 ?上一內(nèi)容 ?下一內(nèi)容 ?回主目錄 ?返回 前言 （ 2）粘土：疏松的尚未固結(jié)成巖的以粘土礦物為主的（ ≥ 50%）沉積物。 （ 3）粘土巖（俗稱：泥頁巖）：粘土礦物經(jīng)沉積、固結(jié)成巖作用后成為粘土巖。 （ 1）粘土礦物：細(xì)分散的（ ≤ 2um）含水的鋁硅酸鹽類礦物的總稱，可進(jìn)一步分為晶質(zhì)（具有晶體結(jié)構(gòu)的）和非晶質(zhì)，自然界中所見到的粘土礦物絕大多數(shù)是晶質(zhì)的。 鉆井液工藝原理電子教案 第二章 第一節(jié) 粘土礦物的晶體構(gòu)造 ?上一內(nèi)容 ?下一內(nèi)容 ?回主目錄 ?返回 一、粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元 硅氧四面體與硅氧四面體晶片 硅氧四面體： 有一個硅原子與四個氧原子，硅原子在四面體的中心，氧原子在四面體的頂點(diǎn)，硅原子與各氧原子之間的距離相等，其結(jié)構(gòu)見右圖。 頂氧 底氧 硅氧面體晶片： 指硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)。硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)由硅氧四面體通過相臨的氧原子連接而成，其立體結(jié)構(gòu)見右圖。 鋁氧八面體與鋁氧八面體晶片 鋁氧八面體： 六個頂點(diǎn)為氫氧原子團(tuán)，鋁、鐵或鎂原子居于八面體中央 (如右圖所示 )。 鉆井液工藝原理電子教案 第二章 ?上一內(nèi)容 ?下一內(nèi)容 ?回主目錄 ?返回 第一節(jié) 粘土礦物的晶體構(gòu)造 氧或羥基 鋁氧八面體晶片： 多個鋁氧八面體通過共用的 OH連接而成的 ALO八面體網(wǎng)絡(luò) 晶片的結(jié)合 層面是 O 層面上是 OH SiO晶片 AlO晶片 鉆井液工藝原理電子教案 第二章 ?上一內(nèi)容 ?下一內(nèi)容 ?回主目錄 ?返回 第一節(jié) 粘土礦物的晶體構(gòu)造 晶層： 四面體晶片與八面體晶片以適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合，構(gòu)成晶層 （ 1） 1： 1型晶層 ：由一個硅氧四面體晶片與一個鋁 氧八面體 晶片構(gòu)成。 （ 2） 2： 1型晶層： 由兩個硅氧四面體晶片與一個鋁氧八面體 晶片構(gòu)成。 氧原子 氧原子 SiO晶片 AlO晶片 SiO晶片 第一節(jié) 粘土礦物的晶體構(gòu)造 基本概念 鉆井液工藝原理電子教案 第二章 ?上一內(nèi)容 ?下一內(nèi)容 ?回主目錄 ?返回 二、幾種常見粘土礦物的晶體構(gòu)造 （ 1）晶格取代： 在粘土礦物晶體中，一部分陽離子被另外 陽離子所置換，而晶體結(jié)構(gòu)不變，產(chǎn)生過 剩電荷的現(xiàn)象。 SiO四面體： Al3+取代 Si4+ AlO八面體： Mg2+、 Fe2+取代 Al3+ 粘土帶 負(fù) 電荷 例 1： 蒙脫石在不發(fā)生晶格取代時，其理想結(jié)構(gòu)式為： Al4Si8O2(OH) 蒙脫石的實(shí)際結(jié)構(gòu)式為： (1/2Ca,Na)x(MgxAl4x)(Si8O20)(OH) 例 2： 伊利石在不發(fā)生晶格取代時，其理想結(jié)構(gòu)式為： Al4（ Si8O20）（ OH） 4 伊利石的實(shí)際結(jié)構(gòu)式為： (K)xAl4(Si8xAlx)O20(OH)20 （ 2）陽離子交換容量（ ) 定義： 分散介質(zhì) PH=7時， 100g粘土所能交換下來的陽離子的毫摩爾數(shù)（以一價陽離子毫摩爾數(shù)表示）。 ，它與粘土的水化分散、吸附等性質(zhì)密切相關(guān)。 （ 3）造漿率： 一噸干粘土所能配制粘度（表觀粘度）為 井液的體積數(shù)， m3/T。 造漿率 粘土的水化分散能力 幾種常見粘土礦物的晶體構(gòu)造 （ 1）高嶺石 ① 高嶺石晶體結(jié)構(gòu)示意圖 ② 高嶺石特點(diǎn) SiO AlO OH O A、 1： 1型粘土礦物 B、幾乎不存在晶格取代，負(fù)電量少 C、晶層間引力以氫鍵為主，引力強(qiáng)，晶層間距 C= 問題：高嶺石屬非膨脹性粘土礦物，為什么？ 高嶺石上下相臨的層面，一面為 OH面，另一面為 O面，而 O與 OH很容易形成氫鍵，層間引力較強(qiáng)，晶層間連接緊密，水分子不易進(jìn)入晶層。 D、 （ 315 mmol/100g) 在三種常見的粘土礦物中，高嶺石的Ｃ .。原因在于高嶺石幾乎不存在晶格取代，所以帶負(fù)電荷很少，周圍吸附的陽離子數(shù)目少，可發(fā)生交換的陽離子數(shù)目就更少了，所以 。 Ｅ、造漿率低 高嶺石晶層間以氫鍵為主，引力較強(qiáng)，晶層間連接緊密，水分子不易進(jìn)入晶層間，水化作用僅限于外表面，故水化分散能力差，造漿率低。 ⑵ 蒙脫石 AlO SiO SiO SiO SiO AlO ① 蒙脫石晶體結(jié)構(gòu)示意圖 ② 蒙脫石 特點(diǎn) A、 2： 1型粘土礦物 B、存在晶格取代， 取代位置主要在 ALO八面體中，即 AL3+被 Mg2+、 Fe2+和 Zn2+等取代，產(chǎn)生的負(fù)電荷由等量的 Na+或Ca2+來平衡。 C、晶層間引力以分子間力為主 ， 引力弱，晶層間距 C= 40197。，屬膨脹型粘土礦物，為什么？ ◆ 蒙脫石 上下相臨的層面皆為 O面，晶層間引力以分子間力為主，層間引力較弱，水分子易進(jìn)入晶層。 ◆ 蒙脫石由于晶格取代產(chǎn)生較多的負(fù)電荷，在它周圍必然會吸附等電量的陽離子，水化陽離子給粘土帶來厚的水化膜，使蒙脫石膨脹。 D、 大（ 70130 mmol/100g土 ) Ｅ、造漿率高 ◆蒙脫石 晶層間引力以分子間力為主 ， 層間引力較弱 ，水分子易進(jìn)入晶層，引起 蒙脫石水化膨脹 。 ◆ 蒙脫石負(fù)電荷多，吸附陽離子數(shù)量， 水化陽離子給粘土帶來厚的水化膜 ，使蒙脫石水化膨脹。 因?yàn)?蒙脫石具有很強(qiáng)的水化膨脹能力，造漿率高，所以它是鉆井泥漿的主要配漿材料。 原因在于蒙脫石 存在晶格取代 ，所以帶負(fù)電荷較多，周圍吸附的陽離子數(shù)目較多，可發(fā)生交換的陽離子數(shù)目多，所以 。 （ 3）伊利石 ① 伊利石晶體結(jié)構(gòu)示意圖 ② 伊利石 特點(diǎn) AlO SiO SiO K+ A、 2： 1型粘土礦物 B、存在晶格取代， 取代位置主要在SiO四面體中，且取代數(shù)目比蒙脫石多，產(chǎn)生的負(fù)電荷由等量的 K+來平衡。 C、晶層間引力以靜電力為主， 引力強(qiáng)，晶層間距 C=10197。，屬非膨脹型粘土礦物。為什么？ ? 由于伊利石 取代位置主要在 SiO四面體中，產(chǎn)生的負(fù)電荷離晶層表面近，與吸附的 K+產(chǎn)生 很強(qiáng)的靜電力，層間引力較強(qiáng) ，水分子不易進(jìn)入晶層 . ? K+的大小剛好嵌入相鄰晶層間的氧原子網(wǎng)格形成的空穴中，周圍有 12個氧與它配伍， 起到連接作用 ，水分子不易進(jìn)入晶層； D、 大介于高嶺石與蒙脫石之間（ 2040mmol/100g土 ) ? 蒙脫石由于晶格取代作用 產(chǎn)生的負(fù)電荷由 K+來平衡， 由于蒙脫石 取代位置主要在 SiO四面體中，產(chǎn)生的負(fù)電荷離晶層表面近，故與 K+產(chǎn)生 很強(qiáng)的靜電力 ， K+不易交換下來。 ? K+的大小剛好嵌入相鄰晶層間的氧原子網(wǎng)格形成的空穴中， 起到連接作用 ，周圍有 12個氧與它配伍，因此， K+連接通常非常牢固，不易交換下來 。 Ｅ、造漿率低 一般情況下，隨著地層深度的增加，伊利石含量增加蒙脫石含量減少，因此，下部地層縮徑現(xiàn)象少，以剝落掉塊、坍塌為主。 海泡石族 海泡石俗稱抗鹽土 ， 屬鏈狀構(gòu)造的含水鋁鎂硅酸鹽礦物 ， 主要包括：海泡石 、 凹凸棒石 、 坡縷縞石等 。 它的晶體構(gòu)造多為纖維狀 ， 其特點(diǎn)是：硅氧四面體所組成的六角環(huán)都依上下相反方向?qū)α?， 并且相互間被其它的八面體氧或氫氧群所連接 ， 鋁或鎂位居八面體的中央 ， 同時 ， 構(gòu)造中還保留了一系列的晶道 ， 具有極大的內(nèi)部表面 ， 水分子可以進(jìn)入內(nèi)部孔道 。 實(shí)驗(yàn)證明，海泡石和凹凸棒石不僅抗鹽性好，抗溫性亦比膨潤土好。目前鉆井中使用的海水鉆井液、鹽水（飽和鹽水）鉆井液一般使用海泡石配漿，而抗高溫鉆井液則一般使用凹凸棒石作為配漿粘土，性能要比普通造漿土好得多。