粘土的水化膨脹作用與粘土膠體化學(xué)

1、蔡記華蔡記華 u粘土礦物的晶體構(gòu)造粘土礦物的晶體構(gòu)造u粘土的性質(zhì)粘土的性質(zhì)粘土礦物粘土礦物常見粘土礦物的晶體構(gòu)造常見粘土礦物的晶體構(gòu)造造漿粘土的選用造漿粘土的選用l粘土的水化膨脹作用粘土的水化膨脹作用l粘土粘土-水界面的擴(kuò)散雙電層水界面的擴(kuò)散雙電層l粘土在水中的分散狀態(tài)粘土在水中的分散狀態(tài)l泥漿的穩(wěn)定性泥漿的穩(wěn)定性u(píng)1、定義定義粘土吸水后體積增大的性質(zhì)。粘土吸水后體積增大的性質(zhì)。膨脹性是衡量粘土親水性的指標(biāo)，親水性越強(qiáng)，膨脹性是衡量粘土親水性的指標(biāo)，親水性越強(qiáng)，吸水量越大，水化膨脹越厲害。吸水量越大，水化膨脹越厲害。u2、粘土礦物的水份、粘土礦物的水份粘土礦物的水分按其存在的狀態(tài)可以分為粘土礦

2、物的水分按其存在的狀態(tài)可以分為結(jié)晶水結(jié)晶水、吸附水和自由水、吸附水和自由水三種類型。三種類型。u（1）結(jié)晶水）結(jié)晶水這種水是粘土礦物晶體構(gòu)造的一部分，只有這種水是粘土礦物晶體構(gòu)造的一部分，只有溫度高于溫度高于300度以上時(shí)，結(jié)晶受到破壞，這度以上時(shí)，結(jié)晶受到破壞，這部分水來釋放出來。部分水來釋放出來。u（2）吸附水）吸附水由于分子間引力和靜電引力，具有極性的水由于分子間引力和靜電引力，具有極性的水分子可以吸附到帶電的粘土表面上，在粘土分子可以吸附到帶電的粘土表面上，在粘土顆粒周圍形成一層水化膜，這部分水可以隨顆粒周圍形成一層水化膜，這部分水可以隨粘土顆粒一起運(yùn)動(dòng)，所以也稱為束縛水。粘土顆粒一起

3、運(yùn)動(dòng)，所以也稱為束縛水。u（3）自由水）自由水這部分水存在于粘土顆粒的孔穴或孔道中，這部分水存在于粘土顆粒的孔穴或孔道中，不受粘土的束縛，可以自由的運(yùn)動(dòng)。不受粘土的束縛，可以自由的運(yùn)動(dòng)。u3、粘土水化膨脹的過程、粘土水化膨脹的過程各種粘土都會(huì)吸水膨脹，只是不同的粘土礦各種粘土都會(huì)吸水膨脹，只是不同的粘土礦物水化膨脹的程度不同而已。粘土水化膨脹物水化膨脹的程度不同而已。粘土水化膨脹受三種力制約：受三種力制約：表面水化力、滲透水化力和表面水化力、滲透水化力和毛細(xì)管作用毛細(xì)管作用。(1)表面水化表面水化 定義：定義：由粘土晶體表面直接吸附水分子和由粘土晶體表面直接吸附水分子和通過所吸附的可交換性陽(yáng)離

4、子間接吸附水分通過所吸附的可交換性陽(yáng)離子間接吸附水分子而導(dǎo)致的水化。子而導(dǎo)致的水化。 表面水化機(jī)理表面水化機(jī)理 直接水化：粘土表面上的直接水化：粘土表面上的H+和和OH-通過氫鍵通過氫鍵吸附水分子吸附水分子間接水化：通過所吸附的可交換性陽(yáng)離子間間接水化：通過所吸附的可交換性陽(yáng)離子間接吸附水分子接吸附水分子 。 這是短距離范圍內(nèi)的粘土與水的相互作用這是短距離范圍內(nèi)的粘土與水的相互作用，這個(gè)作用進(jìn)行到粘土層間有四個(gè)水分子層，這個(gè)作用進(jìn)行到粘土層間有四個(gè)水分子層的厚度，其厚度約為的厚度，其厚度約為10（1nm）。在粘土的層面上，此時(shí)作用的力有層間分子在粘土的層面上，此時(shí)作用的力有層間分子的范德華引力

5、、層面帶負(fù)電和層間陽(yáng)離子之的范德華引力、層面帶負(fù)電和層間陽(yáng)離子之間的靜電引力、水分子與層面的吸附能量（間的靜電引力、水分子與層面的吸附能量（水化能），其中以水化能最大。水化能），其中以水化能最大。水化膨脹力可達(dá)水化膨脹力可達(dá)20004000大氣壓大氣壓。u當(dāng)粘土層面間的距離超過當(dāng)粘土層面間的距離超過10 時(shí)，表面吸附時(shí)，表面吸附能量已經(jīng)不是主要的了，此后粘土的繼續(xù)膨能量已經(jīng)不是主要的了，此后粘土的繼續(xù)膨脹是由脹是由滲透壓力和雙電層斥力滲透壓力和雙電層斥力所引起的。所引起的。u隨著水分子進(jìn)入粘土晶層間，粘土表面吸附隨著水分子進(jìn)入粘土晶層間，粘土表面吸附的陽(yáng)離子便水化而擴(kuò)散到水中，形成擴(kuò)散雙的陽(yáng)離

6、子便水化而擴(kuò)散到水中，形成擴(kuò)散雙電層，由此，層間的電層，由此，層間的雙電層斥力雙電層斥力便逐漸起主便逐漸起主導(dǎo)作用而引起粘土層間距進(jìn)一步擴(kuò)大。導(dǎo)作用而引起粘土層間距進(jìn)一步擴(kuò)大。u擴(kuò)散雙電層理論擴(kuò)散雙電層理論（粘土膠體化學(xué)最重要的理粘土膠體化學(xué)最重要的理論之一論之一）。）。u其次粘土層間吸附有眾多的陽(yáng)離子，層間的離子濃度遠(yuǎn)其次粘土層間吸附有眾多的陽(yáng)離子，層間的離子濃度遠(yuǎn)大于溶液內(nèi)部的濃度。由于大于溶液內(nèi)部的濃度。由于濃度差濃度差的存在，粘土層可看的存在，粘土層可看成是一個(gè)滲透膜，在滲透壓力作用下水分子便繼續(xù)進(jìn)入成是一個(gè)滲透膜，在滲透壓力作用下水分子便繼續(xù)進(jìn)入粘土層間，引起粘土的進(jìn)一步膨脹。由滲透

7、水化而引起粘土層間，引起粘土的進(jìn)一步膨脹。由滲透水化而引起的膨脹可使粘土層間距達(dá)到的膨脹可使粘土層間距達(dá)到120。u增加溶液的含鹽量，由于濃度差減小，粘土膨脹的層間增加溶液的含鹽量，由于濃度差減小，粘土膨脹的層間距便縮小，這也是用鹽水泥漿抑制孔壁膨脹的原理。距便縮小，這也是用鹽水泥漿抑制孔壁膨脹的原理。u粘土水化膨脹達(dá)到平衡距離（層間距大約為粘土水化膨脹達(dá)到平衡距離（層間距大約為120）的）的情況下，在剪切力作用下晶胞便分離，粘土分散在水中情況下，在剪切力作用下晶胞便分離，粘土分散在水中，形成粘土懸浮液。，形成粘土懸浮液。+滑動(dòng)面滑動(dòng)面吸附的可交換陽(yáng)離子解離，吸附的可交換陽(yáng)離子解離，形成擴(kuò)散雙

8、電層，產(chǎn)生負(fù)電形成擴(kuò)散雙電層，產(chǎn)生負(fù)電性，晶層間相互排斥，間距性，晶層間相互排斥，間距增大，表現(xiàn)出膨脹性。增大，表現(xiàn)出膨脹性。水水膨脹后分散膨脹后分散u評(píng)價(jià)方法：評(píng)價(jià)方法：吸水量法和膨脹量法吸水量法和膨脹量法（1 1）吸水量法）吸水量法吸水量：總吸水量，單位重量土吸附水的總量（重量或吸水量：總吸水量，單位重量土吸附水的總量（重量或質(zhì)量）；質(zhì)量）；比親水量：?jiǎn)挝槐砻娣e吸水量比親水量：?jiǎn)挝槐砻娣e吸水量( (相當(dāng)于表面水化膜厚度相當(dāng)于表面水化膜厚度) ) 泥頁(yè)巖比親水量界面物理化學(xué)含義示意圖泥頁(yè)巖比親水量界面物理化學(xué)含義示意圖 u 膨脹量：?jiǎn)挝恢亓空惩恋呐蛎涹w積（體積不受膨脹量：?jiǎn)挝恢亓空惩恋呐蛎涹w

9、積（體積不受限制），另外一種表示方法水化應(yīng)力，即體積保限制），另外一種表示方法水化應(yīng)力，即體積保持不變時(shí)，泥頁(yè)巖水化所產(chǎn)生的持不變時(shí)，泥頁(yè)巖水化所產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)應(yīng)力效應(yīng)123傳感器膨脹膨脹量測(cè)量測(cè)定儀定儀u采用采用NP-02型智能型頁(yè)巖膨脹測(cè)試儀，以型智能型頁(yè)巖膨脹測(cè)試儀，以10KCl為基本的參考標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量在不同為基本的參考標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量在不同LG植物植物膠加量時(shí)的頁(yè)巖的相對(duì)膨脹率。膠加量時(shí)的頁(yè)巖的相對(duì)膨脹率。uLG植物膠對(duì)泥頁(yè)巖水化膨脹有較強(qiáng)的抑制作植物膠對(duì)泥頁(yè)巖水化膨脹有較強(qiáng)的抑制作用，在基漿中加入用，在基漿中加入2的的LG植物膠后，其相對(duì)植物膠后，其相對(duì)膨脹率只有膨脹率只有19.80。u粘土

10、礦物本身的特性粘土礦物本身的特性u(píng)交換性陽(yáng)離子的種類交換性陽(yáng)離子的種類u水溶液中電解質(zhì)的濃度水溶液中電解質(zhì)的濃度u(1)粘土礦物本身的特性粘土礦物本身的特性 粘土礦物因其晶格構(gòu)造不同，水化膨脹能力也有很大粘土礦物因其晶格構(gòu)造不同，水化膨脹能力也有很大差別。差別。蒙脫石蒙脫石粘土礦物（粘土礦物（2:1），其晶胞兩面都是氧層，層間），其晶胞兩面都是氧層，層間聯(lián)結(jié)是較弱的分子間力，水分子易沿著硅氧層面進(jìn)入晶聯(lián)結(jié)是較弱的分子間力，水分子易沿著硅氧層面進(jìn)入晶層間，使層間距離增大，引起粘土的體積膨脹。層間，使層間距離增大，引起粘土的體積膨脹。伊利石（伊利石（2:1）粘土礦物其晶體結(jié)構(gòu)與蒙脫石礦物粘土礦物其

11、晶體結(jié)構(gòu)與蒙脫石礦物相同，但因?qū)娱g有水化能力小的相同，但因?qū)娱g有水化能力小的K+存在，存在，K+鑲嵌鑲嵌在粘土硅氧層的六角空穴中，把兩硅氧層鎖緊，在粘土硅氧層的六角空穴中，把兩硅氧層鎖緊，故水不易進(jìn)入層間，粘土不易水化膨脹。故水不易進(jìn)入層間，粘土不易水化膨脹。高嶺石（高嶺石（1:1）粘土礦物，因?qū)娱g易形成氫鍵，晶粘土礦物，因?qū)娱g易形成氫鍵，晶胞間聯(lián)結(jié)緊密，水分子不易進(jìn)入，故膨脹性小。胞間聯(lián)結(jié)緊密，水分子不易進(jìn)入，故膨脹性小。同時(shí)伊利石晶格置換現(xiàn)象少，高嶺石幾乎無晶格同時(shí)伊利石晶格置換現(xiàn)象少，高嶺石幾乎無晶格置換現(xiàn)象，陽(yáng)離子交換容量低，也使粘土的水化置換現(xiàn)象，陽(yáng)離子交換容量低，也使粘土的水化膨脹

12、差。膨脹差。u(2) 交換性陽(yáng)離子的種類交換性陽(yáng)離子的種類 粘土吸附的交換性陽(yáng)離子不同，形成的水化膜厚粘土吸附的交換性陽(yáng)離子不同，形成的水化膜厚度也不相同，即粘土水化膨脹程度也有差別。例度也不相同，即粘土水化膨脹程度也有差別。例如交換性陽(yáng)離子為如交換性陽(yáng)離子為Na+的鈉蒙脫石，水化時(shí)晶胞間的鈉蒙脫石，水化時(shí)晶胞間距可達(dá)距可達(dá)40 ，而交換性陽(yáng)離子為，而交換性陽(yáng)離子為Ca2+的鈣蒙脫石的鈣蒙脫石，水化時(shí)晶胞間距只有，水化時(shí)晶胞間距只有17 。u水溶液中電解質(zhì)濃度增加，因離子水化與粘土水化爭(zhēng)奪水溶液中電解質(zhì)濃度增加，因離子水化與粘土水化爭(zhēng)奪水分子，使粘土直連吸附水分子的能力降低。其次陽(yáng)離水分子，使

13、粘土直連吸附水分子的能力降低。其次陽(yáng)離子數(shù)目增多，擠壓擴(kuò)散層，使粘土的水化膜減薄。總起子數(shù)目增多，擠壓擴(kuò)散層，使粘土的水化膜減薄?？偲饋硎鞘拐惩恋乃蛎涀饔脺p弱。來是使粘土的水化膨脹作用減弱。u鹽水泥漿和鈣處理泥漿對(duì)孔壁的抑制作用就是依據(jù)這個(gè)鹽水泥漿和鈣處理泥漿對(duì)孔壁的抑制作用就是依據(jù)這個(gè)原理。原理。u為了更加深入地揭示粘土水化、分散、為了更加深入地揭示粘土水化、分散、造漿的本質(zhì)，掌握泥漿性能調(diào)節(jié)的造漿的本質(zhì)，掌握泥漿性能調(diào)節(jié)的基本基本膠體化學(xué)原理膠體化學(xué)原理，引入，引入擴(kuò)散雙電層理論擴(kuò)散雙電層理論對(duì)對(duì)粘土粘土-水界面的行為機(jī)理進(jìn)行分析。水界面的行為機(jī)理進(jìn)行分析。（一）雙電層成因與結(jié)構(gòu)（一）

14、雙電層成因與結(jié)構(gòu)u由于粘土顆粒在堿性水溶液中由于粘土顆粒在堿性水溶液中帶帶負(fù)電荷負(fù)電荷（在端部則多數(shù)帶正電荷（在端部則多數(shù)帶正電荷），必然要），必然要吸附與粘土顆粒帶電吸附與粘土顆粒帶電符號(hào)相反的離子符號(hào)相反的離子陽(yáng)離子到粘陽(yáng)離子到粘土顆粒表面附近（界面上的濃集土顆粒表面附近（界面上的濃集），形成），形成粘土顆粒表面的一層負(fù)粘土顆粒表面的一層負(fù)電荷與反離子的正電荷相對(duì)應(yīng)的電荷與反離子的正電荷相對(duì)應(yīng)的電層電層，以保持電的中性（平衡），以保持電的中性（平衡）。粘土顆粒吸附陽(yáng)離子使陽(yáng)離子。粘土顆粒吸附陽(yáng)離子使陽(yáng)離子在粘土顆粒表面濃集的同時(shí)，在粘土顆粒表面濃集的同時(shí)，由由于分子熱運(yùn)動(dòng)和濃度差，又引起于

15、分子熱運(yùn)動(dòng)和濃度差，又引起陽(yáng)離子脫離界面的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)陽(yáng)離子脫離界面的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，粘，粘土顆粒對(duì)陽(yáng)離子的吸附及陽(yáng)離子土顆粒對(duì)陽(yáng)離子的吸附及陽(yáng)離子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)兩者共同作用的結(jié)果的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)兩者共同作用的結(jié)果，在粘土顆粒與水的界面周圍陽(yáng)，在粘土顆粒與水的界面周圍陽(yáng)離子呈擴(kuò)散狀態(tài)分布，即形成擴(kuò)離子呈擴(kuò)散狀態(tài)分布，即形成擴(kuò)散雙電層。散雙電層。u u 有關(guān)擴(kuò)散雙電層的幾個(gè)重要概念有關(guān)擴(kuò)散雙電層的幾個(gè)重要概念吸附層吸附層擴(kuò)散層擴(kuò)散層滑動(dòng)面滑動(dòng)面熱力電位熱力電位E電動(dòng)電位電動(dòng)電位1. 吸附層吸附層u吸附層是指吸附層是指靠近粘土顆粒靠近粘土顆粒表面較近的一薄層水化陽(yáng)表面較近的一薄層水化陽(yáng)離子，其厚度一般只有幾離子，其厚

16、度一般只有幾個(gè)個(gè)（0.1nm）。）。這一薄這一薄層水化陽(yáng)離子，由于與粘層水化陽(yáng)離子，由于與粘土顆粒表面距離近，陽(yáng)離土顆粒表面距離近，陽(yáng)離子的密度大，靜電吸引力子的密度大，靜電吸引力強(qiáng)，強(qiáng)，被吸附的陽(yáng)離子與粘被吸附的陽(yáng)離子與粘土顆粒一起運(yùn)動(dòng)難以分離土顆粒一起運(yùn)動(dòng)難以分離。 2. 擴(kuò)散層擴(kuò)散層u擴(kuò)散層是擴(kuò)散層是吸附層外圍起直到溶液吸附層外圍起直到溶液濃度均勻處為止?jié)舛染鶆蛱帪橹梗x子濃度差為（離子濃度差為零）由水化陽(yáng)離子及陰離子組成零）由水化陽(yáng)離子及陰離子組成的較厚的離子層。的較厚的離子層。u這部分陽(yáng)離子由于本身的熱運(yùn)動(dòng)這部分陽(yáng)離子由于本身的熱運(yùn)動(dòng)，自吸附層外圍開始向濃度較低，自吸附層外圍開始向濃

17、度較低處擴(kuò)散，因而處擴(kuò)散，因而與粘土顆粒表面的與粘土顆粒表面的距離較遠(yuǎn)，靜電引力逐漸減弱（距離較遠(yuǎn)，靜電引力逐漸減弱（呈二次方關(guān)系減弱），呈二次方關(guān)系減弱），在給泥漿在給泥漿體系接入直流電源時(shí)，這層水化體系接入直流電源時(shí)，這層水化離子不能與粘土顆粒一起向電源離子不能與粘土顆粒一起向電源正極運(yùn)動(dòng)而相反向電源負(fù)極運(yùn)動(dòng)正極運(yùn)動(dòng)而相反向電源負(fù)極運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散層中陽(yáng)離子分布是不均勻擴(kuò)散層中陽(yáng)離子分布是不均勻的，靠近吸附層多，而遠(yuǎn)離吸附的，靠近吸附層多，而遠(yuǎn)離吸附層則逐漸減少，擴(kuò)散層的厚度，層則逐漸減少，擴(kuò)散層的厚度，依陽(yáng)離子的種類和濃度的不同，依陽(yáng)離子的種類和濃度的不同，約為約為10100 。3. 滑動(dòng)面滑

18、動(dòng)面u它是吸附層和擴(kuò)散層之間它是吸附層和擴(kuò)散層之間的一個(gè)滑動(dòng)面。這是由于的一個(gè)滑動(dòng)面。這是由于吸附層中的陽(yáng)離子與粘土吸附層中的陽(yáng)離子與粘土顆粒一起運(yùn)動(dòng)，而擴(kuò)散層顆粒一起運(yùn)動(dòng)，而擴(kuò)散層中的陽(yáng)離子則有一滯后現(xiàn)中的陽(yáng)離子則有一滯后現(xiàn)象而呈現(xiàn)的滑動(dòng)面。象而呈現(xiàn)的滑動(dòng)面。4. 熱力電位熱力電位Eu它是它是粘土顆粒表面與水溶液粘土顆粒表面與水溶液中離子濃度均勻處之間的電中離子濃度均勻處之間的電位差位差。u熱力電位的高低，取決于粘熱力電位的高低，取決于粘土顆粒所帶的負(fù)電量。土顆粒所帶的負(fù)電量。u熱力電位愈高，表示粘土顆熱力電位愈高，表示粘土顆粒表面帶的負(fù)電量愈多，能粒表面帶的負(fù)電量愈多，能吸附的陽(yáng)離子數(shù)目也

19、愈多。吸附的陽(yáng)離子數(shù)目也愈多。5. 電動(dòng)電位電動(dòng)電位u它是它是滑動(dòng)面處與水溶液離滑動(dòng)面處與水溶液離子濃度均勻處的電位差。子濃度均勻處的電位差。電動(dòng)電位取決于粘土顆粒電動(dòng)電位取決于粘土顆粒表面負(fù)電量與吸附層內(nèi)陽(yáng)表面負(fù)電量與吸附層內(nèi)陽(yáng)離子正電量的差值。離子正電量的差值。u電動(dòng)電位愈高，表示在擴(kuò)電動(dòng)電位愈高，表示在擴(kuò)散層中被吸附的陽(yáng)離子愈散層中被吸附的陽(yáng)離子愈多，擴(kuò)散層愈厚。多，擴(kuò)散層愈厚。u陽(yáng)離子的種類陽(yáng)離子的種類u陽(yáng)離子的種類決定了陽(yáng)離子電價(jià)的高低和陽(yáng)離子的水化陽(yáng)離子的種類決定了陽(yáng)離子電價(jià)的高低和陽(yáng)離子的水化能力。能力。u當(dāng)粘土顆粒吸附當(dāng)粘土顆粒吸附高價(jià)陽(yáng)離子高價(jià)陽(yáng)離子時(shí)，由于一個(gè)離子帶的電荷時(shí)

20、，由于一個(gè)離子帶的電荷多，粘土顆粒表面的總電荷量一定時(shí)，多，粘土顆粒表面的總電荷量一定時(shí)，吸附層中被陽(yáng)離子吸附層中被陽(yáng)離子中和的電量多中和的電量多，于是，于是電動(dòng)電位低電動(dòng)電位低，擴(kuò)散層中的陽(yáng)離子數(shù)目，擴(kuò)散層中的陽(yáng)離子數(shù)目少，擴(kuò)散層及粘土表面的水化膜薄，粘土顆粒易于聚結(jié)。少，擴(kuò)散層及粘土表面的水化膜薄，粘土顆粒易于聚結(jié)。u若粘土顆粒吸附的是若粘土顆粒吸附的是低價(jià)陽(yáng)離子低價(jià)陽(yáng)離子，吸附層中，吸附層中被陽(yáng)離子中被陽(yáng)離子中和的電量少和的電量少，電動(dòng)電位高，擴(kuò)散層中的陽(yáng)離子數(shù)目多，擴(kuò)，電動(dòng)電位高，擴(kuò)散層中的陽(yáng)離子數(shù)目多，擴(kuò)散層以及水化膜厚，粘土顆粒不易聚結(jié)。散層以及水化膜厚，粘土顆粒不易聚結(jié)。鈣膨潤(rùn)土

21、用碳酸鈉處理原理（鈣膨潤(rùn)土用碳酸鈉處理原理（*）uNa+取代取代Ca2+，因，因Na+為一價(jià)離子，且水化能力強(qiáng)，粘土為一價(jià)離子，且水化能力強(qiáng)，粘土顆粒周圍的擴(kuò)散層以及水化膜厚，泥漿趨于分散穩(wěn)定顆粒周圍的擴(kuò)散層以及水化膜厚，泥漿趨于分散穩(wěn)定u相反，配制好的泥漿使用時(shí)受鈣侵，相反，配制好的泥漿使用時(shí)受鈣侵，Ca2+取代粘土表面取代粘土表面吸附的吸附的Na+，由于，由于Ca2+是二價(jià)離子，水化能力弱，因而是二價(jià)離子，水化能力弱，因而粘土顆粒的水化膜變薄，泥漿由分散轉(zhuǎn)化為聚結(jié)而失去粘土顆粒的水化膜變薄，泥漿由分散轉(zhuǎn)化為聚結(jié)而失去穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。2. 陽(yáng)離子濃度陽(yáng)離子濃度u陽(yáng)離子（例如陽(yáng)離子（例如Na+

22、）雖水化能力強(qiáng)，粘土顆粒水）雖水化能力強(qiáng)，粘土顆粒水化膜厚，泥漿穩(wěn)定，但化膜厚，泥漿穩(wěn)定，但Na+濃度有一合適的范圍，濃度有一合適的范圍，若若Na+濃度過大，同樣會(huì)使泥漿由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)。濃度過大，同樣會(huì)使泥漿由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)。（1）陽(yáng)離子濃度大，陽(yáng)離子擠入吸附層陽(yáng)離子濃度大，陽(yáng)離子擠入吸附層的機(jī)會(huì)增的機(jī)會(huì)增大，結(jié)果使電動(dòng)電位降低，擴(kuò)散層以及水化膜變大，結(jié)果使電動(dòng)電位降低，擴(kuò)散層以及水化膜變?。此^?。此^壓縮雙電層壓縮雙電層），分散體系由分散轉(zhuǎn)化），分散體系由分散轉(zhuǎn)化為聚結(jié)；為聚結(jié)；u（2）陽(yáng)離子濃度大陽(yáng)離子濃度大，陽(yáng)離子數(shù)目多，陽(yáng)離子本身水，陽(yáng)離子數(shù)目多，陽(yáng)離子本身水化不好，同時(shí)化不好，同

23、時(shí)陽(yáng)離子水化而奪去粘土直接吸附的水分陽(yáng)離子水化而奪去粘土直接吸附的水分子子，因而使粘土顆粒周圍的水化膜變薄，分散體系由，因而使粘土顆粒周圍的水化膜變薄，分散體系由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)。分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)。u泥漿使用時(shí)受鹽（泥漿使用時(shí)受鹽（NaCl）侵）侵，是由于，是由于Na+過多，起了過多，起了壓縮雙電層的作用，使泥漿由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)，甚至失壓縮雙電層的作用，使泥漿由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)，甚至失去穩(wěn)定性。去穩(wěn)定性。u又如又如鈣膨潤(rùn)土用純堿改性處理鈣膨潤(rùn)土用純堿改性處理時(shí)，碳酸鈉存在有時(shí)，碳酸鈉存在有最佳加量，加量過大則起反作用，造漿量降低，最佳加量，加量過大則起反作用，造漿量降低，泥漿性能變壞。泥漿性能變壞。u此外，

24、泥漿的分散穩(wěn)定或聚結(jié)，還受陰離子的影此外，泥漿的分散穩(wěn)定或聚結(jié)，還受陰離子的影響。響。u如鈣膨潤(rùn)土改性而加入鈉鹽，如鈣膨潤(rùn)土改性而加入鈉鹽，加入加入Na2CO3而粘土而粘土顆粒分散顆粒分散；若；若加入加入NaCl，則粘土顆粒聚結(jié)，則粘土顆粒聚結(jié)。故泥。故泥漿處理加入無機(jī)鹽時(shí)，必須考慮陰離子的影響。漿處理加入無機(jī)鹽時(shí)，必須考慮陰離子的影響。（三）雙電層理論對(duì)粘土水化的應(yīng)用分析（三）雙電層理論對(duì)粘土水化的應(yīng)用分析(1) 雙電層理論對(duì)鉆井泥漿應(yīng)用的指導(dǎo)意義雙電層理論對(duì)鉆井泥漿應(yīng)用的指導(dǎo)意義u原生膨潤(rùn)土礦多為鈣膨潤(rùn)土原生膨潤(rùn)土礦多為鈣膨潤(rùn)土，造漿時(shí)加入一價(jià)鈉鹽，提，造漿時(shí)加入一價(jià)鈉鹽，提供供Na+，因

25、離子交換吸附，擴(kuò)散雙電層中陽(yáng)離子由，因離子交換吸附，擴(kuò)散雙電層中陽(yáng)離子由Ca2+轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)為Na+，電位升高，擴(kuò)散層增厚，粘土分散，泥漿電位升高，擴(kuò)散層增厚，粘土分散，泥漿穩(wěn)定。穩(wěn)定。u泥漿受鈣侵時(shí)，泥漿受鈣侵時(shí)，Ca2+的濃度增大，擴(kuò)散雙電層中的濃度增大，擴(kuò)散雙電層中Na+轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為為Ca2+，電位下降，擴(kuò)散層變薄，粘土顆粒聚結(jié)，泥電位下降，擴(kuò)散層變薄，粘土顆粒聚結(jié)，泥漿失去穩(wěn)定性。漿失去穩(wěn)定性。u為處理泥漿而為處理泥漿而加入低價(jià)陽(yáng)離子電解質(zhì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制加加入低價(jià)陽(yáng)離子電解質(zhì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制加量量，過量會(huì)起壓縮擴(kuò)散層的副作用，同時(shí)必須考慮陰離，過量會(huì)起壓縮擴(kuò)散層的副作用，同時(shí)必須考慮陰離子的影響。子

26、的影響。u反過來，反過來，可以通過加入低價(jià)或高價(jià)陽(yáng)離子無機(jī)處理劑來可以通過加入低價(jià)或高價(jià)陽(yáng)離子無機(jī)處理劑來調(diào)節(jié)泥漿的分散或適度聚結(jié)調(diào)節(jié)泥漿的分散或適度聚結(jié)，用以配制不同種類（分散，用以配制不同種類（分散的或適度聚結(jié)的）的泥漿。的或適度聚結(jié)的）的泥漿。u(2) 從從井壁穩(wěn)定的角度井壁穩(wěn)定的角度來看，雙電層理論也有來看，雙電層理論也有重要的指導(dǎo)意義：若所鉆地層的膨潤(rùn)土含量重要的指導(dǎo)意義：若所鉆地層的膨潤(rùn)土含量較高，在外界陽(yáng)離子的作用下，較高，在外界陽(yáng)離子的作用下，電位升高，電位升高，水化分散性增強(qiáng)，易使井壁水化分散，給鉆水化分散性增強(qiáng)，易使井壁水化分散，給鉆井工作帶來井眼縮徑、垮塌等不利影響。井工

27、作帶來井眼縮徑、垮塌等不利影響。u因此，在石油天然氣鉆井、基礎(chǔ)工程鉆掘及因此，在石油天然氣鉆井、基礎(chǔ)工程鉆掘及其他遇到泥巖、頁(yè)巖、粘土等地層鉆進(jìn)時(shí)，其他遇到泥巖、頁(yè)巖、粘土等地層鉆進(jìn)時(shí)，采取壓縮雙電層，降低采取壓縮雙電層，降低電位的措施，能使井電位的措施，能使井壁、槽壁的穩(wěn)定性增強(qiáng)。壁、槽壁的穩(wěn)定性增強(qiáng)。u可分為分散、絮凝、可分為分散、絮凝、聚結(jié)三種形態(tài)。聚結(jié)三種形態(tài)。u顆粒之間的聯(lián)結(jié)有三顆粒之間的聯(lián)結(jié)有三種情形：面種情形：面-面接觸，面接觸，邊邊-面接觸和邊面接觸和邊-邊接邊接觸。觸。u實(shí)際：同時(shí)存在分散實(shí)際：同時(shí)存在分散、絮凝或分散、聚結(jié)、絮凝或分散、聚結(jié)等形態(tài)等形態(tài)粘土在水中的分散狀態(tài)示

28、意圖粘土在水中的分散狀態(tài)示意圖A-分散不絮凝；分散不絮凝；B-聚結(jié)，但不絮凝；聚結(jié)，但不絮凝；C-邊面結(jié)合，仍分散；邊面結(jié)合，仍分散；D-邊邊-邊結(jié)合絮凝邊結(jié)合絮凝；E-邊邊-面結(jié)合，聚結(jié)且絮凝；面結(jié)合，聚結(jié)且絮凝；F-邊邊-邊結(jié)邊結(jié)合聚結(jié)且絮凝合聚結(jié)且絮凝蒙蒙脫脫石石高高嶺嶺石石u泥漿分散體系的穩(wěn)定是指它能長(zhǎng)久保持其泥漿分散體系的穩(wěn)定是指它能長(zhǎng)久保持其分散狀態(tài)，各微粒處于均勻懸浮狀態(tài)而不分散狀態(tài)，各微粒處于均勻懸浮狀態(tài)而不破壞的特性。破壞的特性。u它包含兩方面的含意，即它包含兩方面的含意，即沉降穩(wěn)定性和聚沉降穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性結(jié)穩(wěn)定性。 （一）泥漿的沉降穩(wěn)定性（一）泥漿的沉降穩(wěn)定性u(píng)沉降穩(wěn)定

29、性又稱動(dòng)力穩(wěn)定性，是指在重力作用下泥漿中沉降穩(wěn)定性又稱動(dòng)力穩(wěn)定性，是指在重力作用下泥漿中的固體顆粒是否容易下沉的特性。泥漿中固體顆粒的沉的固體顆粒是否容易下沉的特性。泥漿中固體顆粒的沉降降決定于重力和阻力的相對(duì)關(guān)系決定于重力和阻力的相對(duì)關(guān)系。u根據(jù)根據(jù)Stokes定律，沉降速度為：定律，沉降速度為：ur 球形顆粒的半徑，球形顆粒的半徑，cm；、0顆粒和分散介質(zhì)的比重，顆粒和分散介質(zhì)的比重，g/cm3；分散介質(zhì)的粘度，分散介質(zhì)的粘度，Pas；g重力加速度，重力加速度，m/s2。9)(202grvu由上式計(jì)算出，由上式計(jì)算出，顆粒大于顆粒大于1m便不能長(zhǎng)時(shí)便不能長(zhǎng)時(shí)間處于均勻懸浮狀態(tài)間處于均勻懸浮

30、狀態(tài)。u用普通粘土配制的泥漿，其中的粘土顆粒用普通粘土配制的泥漿，其中的粘土顆粒大都在大都在1m以上，故以上，故不加處理劑難以獲得不加處理劑難以獲得穩(wěn)定的泥漿穩(wěn)定的泥漿。u因此，要提高泥漿分散體系的沉降穩(wěn)定性因此，要提高泥漿分散體系的沉降穩(wěn)定性，必須縮小粘土顆粒的尺寸，即，必須縮小粘土顆粒的尺寸，即應(yīng)采用優(yōu)應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)粘土造漿質(zhì)粘土造漿，以提高其分散度，其次，以提高其分散度，其次應(yīng)提應(yīng)提高液相的比重和粘度高液相的比重和粘度。（二）泥漿的聚結(jié)穩(wěn)定性（二）泥漿的聚結(jié)穩(wěn)定性u(píng)泥漿的聚結(jié)穩(wěn)定性是指泥漿的聚結(jié)穩(wěn)定性是指泥漿中的固相顆粒是否容泥漿中的固相顆粒是否容易自動(dòng)降低其分散度而聚結(jié)變大易自動(dòng)降低其分散

31、度而聚結(jié)變大的特性。的特性。u泥漿分散體系中的粘土顆粒間同時(shí)存在著相互吸泥漿分散體系中的粘土顆粒間同時(shí)存在著相互吸引力和相互排斥力，這兩種相反作用力便決定著引力和相互排斥力，這兩種相反作用力便決定著泥漿分散體系的聚結(jié)穩(wěn)定性。泥漿分散體系的聚結(jié)穩(wěn)定性。u泥漿分散體系中粘土顆粒之間的泥漿分散體系中粘土顆粒之間的排斥力是由于粘土顆粒排斥力是由于粘土顆粒都帶有負(fù)電荷都帶有負(fù)電荷，粘土顆粒表面存在雙電層和水化膜。，粘土顆粒表面存在雙電層和水化膜。u具有同種電荷（負(fù)電荷）的粘土顆粒彼此接近或碰撞時(shí)具有同種電荷（負(fù)電荷）的粘土顆粒彼此接近或碰撞時(shí)，靜電斥力使兩顆粒不能繼續(xù)靠近而保持分離狀態(tài)靜電斥力使兩顆粒不

32、能繼續(xù)靠近而保持分離狀態(tài)。同。同時(shí)粘土顆粒四周的水化膜，也是兩顆粒彼此接近或聚結(jié)時(shí)粘土顆粒四周的水化膜，也是兩顆粒彼此接近或聚結(jié)的阻礙因素。的阻礙因素。u當(dāng)兩顆粒當(dāng)兩顆粒相互靠近時(shí)，必須擠出夾在兩顆粒間的水分子相互靠近時(shí)，必須擠出夾在兩顆粒間的水分子或水化離子或水化離子，進(jìn)一步靠近時(shí)便要改變雙電層中離子的分，進(jìn)一步靠近時(shí)便要改變雙電層中離子的分布。布。u要產(chǎn)生這些變化就需要做功。這個(gè)功等于指定距離時(shí)的要產(chǎn)生這些變化就需要做功。這個(gè)功等于指定距離時(shí)的排斥能或排斥勢(shì)能排斥能或排斥勢(shì)能。u排斥勢(shì)能（排斥勢(shì)能（VR）決定于顆粒所帶的電荷，同時(shí)是相互決定于顆粒所帶的電荷，同時(shí)是相互間距離的函數(shù)。它大致是隨著顆粒間距離的增加呈指數(shù)間距離的函數(shù)。它大致是隨著顆粒間距離的增加呈指數(shù)下降，故近似地可寫成：下降，故近似地可寫成：u溶劑的介電常數(shù)；溶劑的介電常數(shù)；r球形顆粒的半徑，球形顆粒的半徑，m；0顆粒顆粒表面的電位，表面的電位，