粘土礦物的水化機理

粘土礦物PPT制作：王哲資料收集：封遠飛資料匯總：李寬技術(shù)顧問：喬興生當前第1頁\共有35頁\編于星期五\12點粘土礦物在鉆井液中的價值鉆井泥漿是由粘土、水（或油）和少量處理劑混合形成，具有可調(diào)控的粘性、比重和降失水等性能，在大多情況下能夠滿足懸排鉆碴、穩(wěn)定井壁、防止漏失、冷卻潤滑鉆具的基本鉆進需要，并且來源廣泛，成本較低，配制使用方便，所以成為應用最廣泛的鉆井液。+當前第2頁\共有35頁\編于星期五\12點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）涉及鉆井過程中井眼的穩(wěn)定性，粘土是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，粘土礦物膨脹、鉆井液配漿粘土堵塞。（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：細分散的（≤2μm）含水的鋁硅酸鹽類礦物的總稱，可進一步分為晶質(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。

前言當前第3頁\共有35頁\編于星期五\12點本次課講授內(nèi)容任務(wù)一：1.粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)；2.帶電性；3.陽離子交換量；任務(wù)二：粘土礦物的水化機理1.蒙脫石2.高嶺石異同點3.伊利石任務(wù)三：DLVO原理當前第4頁\共有35頁\編于星期五\12點一、粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元1、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，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

任務(wù)一：粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)當前第5頁\共有35頁\編于星期五\12點硅氧面體晶片：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。一、粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元任務(wù)一：粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)當前第6頁\共有35頁\編于星期五\12點一、粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元2、鋁氧八面體與鋁氧八面體晶片

鋁氧八面體：六個頂點為氫氧原子團，鋁、鐵或鎂原子居于八面體中央(如右圖所示)。氫氧任務(wù)一：粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)當前第7頁\共有35頁\編于星期五\12點鋁氧八面體晶片：多個鋁氧八面體通過共用的OH連接而成的Al-O八面體網(wǎng)絡(luò)。一、粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元任務(wù)一：粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)當前第8頁\共有35頁\編于星期五\12點2、幾種常見粘土礦物的晶體構(gòu)造（1）高嶺石

高嶺石晶體結(jié)構(gòu)示意圖二、幾種常見粘土礦物的晶體構(gòu)造任務(wù)一：粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)當前第9頁\共有35頁\編于星期五\12點（2）蒙脫石蒙脫石晶體結(jié)構(gòu)示意圖二、幾種常見粘土礦物的晶體構(gòu)造任務(wù)一：粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)當前第10頁\共有35頁\編于星期五\12點（3）伊利石

伊利石晶體結(jié)構(gòu)示意圖二、幾種常見粘土礦物的晶體構(gòu)造任務(wù)一：粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)當前第11頁\共有35頁\編于星期五\12點二、幾種常見粘土礦物的晶體構(gòu)造任務(wù)一：粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)當前第12頁\共有35頁\編于星期五\12點一般情況下，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。二、幾種常見粘土礦物的晶體構(gòu)造任務(wù)一：粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)當前第13頁\共有35頁\編于星期五\12點灰色和棕色泥巖灰黑色泥巖砂巖任務(wù)一：粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)當前第14頁\共有35頁\編于星期五\12點?定義：指粘土礦物在與水接觸時的帶電符號和帶電量?粘土帶電性驗證：電泳實驗（粘土在水中移向正極，帶負電荷）

一、帶電性任務(wù)一：帶電性當前第15頁\共有35頁\編于星期五\12點2.電荷產(chǎn)生原因電荷來源(1)永久電荷

晶格取代：粘土礦物晶體結(jié)構(gòu)中一部分陽離子被另外一部分陽離子所取代（置換），但晶體結(jié)構(gòu)不變的現(xiàn)象。由于晶格取代是低價陽離子取代了高價陽離子，產(chǎn)生了過剩的負電荷，因此，一般情況下粘土帶負電。

伊利石與蒙脫石相比雖晶層結(jié)構(gòu)相同但由于晶格取代位置不同，因此層面電荷密度不同，水化難易程度不同。

任務(wù)一：帶電性當前第16頁\共有35頁\編于星期五\12點（2）表面羥基與H+與OH-的反應（可變電荷）在酸性環(huán)境中：羥基與H+反應，粘土帶正電性。﹥Al-OH+H+﹥Al++H2O在堿性或中性條件下：羥基與OH-反應，粘土帶負電性。﹥Al-OH+OH-﹥Al-O-+H2O任務(wù)一：帶電性當前第17頁\共有35頁\編于星期五\12點（3）吸附吸附負電性離子（OH-、SiO32-）：使粘土負電性增加吸附正電性離子（NW-1）：使粘土負電性減少分類

任務(wù)一：帶電性當前第18頁\共有35頁\編于星期五\12點CEC：pH值等于7的水溶液中100g粘土中可被交換出來的陽離子電荷總數(shù)。粘土帶電量通常用CEC表示，CEC越大，說明粘土所帶負電荷越多，三種常見粘土礦物的CEC大致如下。任務(wù)一：帶電性礦物名稱CEC高嶺石3-15蒙脫石70-150伊利石20-40思考題：為什么伊利石單位晶胞所帶負電荷比蒙脫石多，而CEC卻比蒙脫石??？當前第19頁\共有35頁\編于星期五\12點陽離子交換容量（C.E.C,cationexchangecapacity)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）?？捎脕肀硎菊惩猎谒袔щ娦缘亩嗌?，它與粘土的水化分散、吸附等性質(zhì)密切相關(guān)。任務(wù)一：陽離子交換量當前第20頁\共有35頁\編于星期五\12點任務(wù)二：粘土礦物的水化機理粘土礦物的水化機理當前第21頁\共有35頁\編于星期五\12點任務(wù)二：粘土礦物的水化機理概念：各種粘土只會吸水膨脹，只是不同的粘土礦物水化膨脹的程度不同而已，粘土水化膨脹受三種力制約：表面水化力，滲透水化力和毛細管作用當前第22頁\共有35頁\編于星期五\12點任務(wù)二：粘土礦物的水化機理粘土高嶺石伊利石蒙脫石當前第23頁\共有35頁\編于星期五\12點任務(wù)二：粘土礦物的水化機理蒙脫石、高嶺石、伊利石相同點共同點：都屬于硅鋁酸鹽，其晶體形狀都是層片狀的，層與層之間靠-Si-O....Al-O間的氫鍵或范德華力相連接。在無水（干燥）情況下，層間距離很?。ù蠹s1微米左右），而在有水的情況下，層間會吸附和填充大量的水，層間距離可能增加到2—3微米，而且在粘土分子的作用下，水分子被解離成H+正離子和OH-負離子，分別吸附到粘土的晶體平面（一般呈負電性）上和端面（一般呈正電性）上，這時的粘土就成為“水化粘土”了。與干燥粘土相比，水化粘土具有膠體性質(zhì)，包括膨脹性、流變性、動電性、分散或絮凝性等。

當前第24頁\共有35頁\編于星期五\12點任務(wù)二：粘土礦物的水化機理蒙脫石、高嶺石、伊利石不相同點高嶺石：

BitmapBitmapAl4[Si4O10]·(OH)8晶體屬三斜晶系的層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物。多呈隱晶質(zhì)、分散粉末狀、疏松塊狀集合體。白或淺灰、淺綠、淺黃、淺紅等顏色土狀光澤2-2.5

2.60～2.63

①折射率：α1.553-1.565,β1.559-1.569,γ1.569-1.570。②透明性：透明至半透明。③吸水性強，和水具有可塑性，粘舌，干土塊具粗糙感。納米高嶺石可以做成涂料。另外，還可以制成不同用途的特種納米涂料，如抗紫外線涂料、隱身涂料等。納米高嶺石還可用于造紙、環(huán)保、紡織、高檔化妝品、高溫耐火材料的制造。當前第25頁\共有35頁\編于星期五\12點任務(wù)二：粘土礦物的水化機理蒙脫石、高嶺石、伊利石不相同點蒙脫石：

BitmapBitmapBitmapEx(H2O)4{(Al2-x,Mgx)2[(Si,Al)4O10](OH)2}E為層間可交換陽離子，主要為Na+、Ca2+，其次有K+、Li+等單斜晶系；C32h-C2/m；a0=0.523nm,b0=0.906nm,c0=0.96～2.05nm之間變化。白色，有時為淺灰、粉紅、淺綠色土狀光澤或蠟塊光澤2～2.5

2～2.7

①甚柔軟，有滑感。②加水膨脹，體積能增加幾倍，并變成糊狀物。③具有很強的吸附力及陽離子交換性能。利用其陽離子交換性能制成蒙脫石有機復合體，廣泛用于高溫潤脂、橡膠、塑料、油漆；利用其吸附性能，用于食油精制脫色除毒、凈化石油、核廢料處理、污水處理；利用其粘結(jié)性可作鑄造型砂粘結(jié)劑等；利用其分散懸浮性用于鉆井泥漿。蒙脫石在醫(yī)藥、畜類（豬，兔）養(yǎng)殖中應用廣泛。當前第26頁\共有35頁\編于星期五\12點任務(wù)二：粘土礦物的水化機理蒙脫石、高嶺石、伊利石不相同點伊利石

BitmapK0.75(Al1.75R)[Si3.5Al0.5O10](OH)2晶體主要屬單斜晶系的含水層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物。屬于2﹕1型結(jié)構(gòu)單元層的二八面體型純者潔白，因含雜質(zhì)而呈淺綠、淺黃或褐色塊狀者油脂光澤1～2

2.5～2.8伊利石是介于云母和高嶺石及蒙脫石間的中間礦物可用于制作鉀肥、高級涂料及填料、陶瓷配件、高級化妝品、土壤調(diào)整劑、家禽飼料添加劑、高層建筑的骨架配料和水泥配料、核工業(yè)的污染凈化和環(huán)境保護。其中微量元素可制作航天飛機的外層涂料。特別是在造紙、化妝品，陶瓷三大行業(yè)中，伊利石有著極大的應用價值。當前第27頁\共有35頁\編于星期五\12點任務(wù)三：DLVO原理DLVO原理及其應用當前第28頁\共有35頁\編于星期五\12點任務(wù)三：DLVO原理

內(nèi)容1.經(jīng)典DLVO理論2.擴展DLVO理論3.DLVO理論的實際應用當前第29頁\共有35頁\編于星期五\12點任務(wù)三：DLVO原理

DLVO原理名字的來源由德亞蓋因(Derjguin)和蘭多(Landau)于1941年，弗韋(Verwey)與奧弗比克(Overbeek)于1948年各自提出。因此，通常以四人名字的起首字母命名該理論。當前第30頁\共有35頁\編于星期五\12點任務(wù)三：DLVO原理經(jīng)典DLVO原理經(jīng)典DLVO理論從膠粒間斥力位能與吸力位能相互作用的角度來研究膠體的穩(wěn)定與沉，認為帶電膠粒之間存在著兩種相互作用力，即雙電層重疊時的靜電斥力和粒子的長程范德華吸力，它們的相互作用決定了膠體的穩(wěn)定性。該理論認為：分散體系顆粒之間的總位能VTD為其斥力位能(靜電排斥作用勢能)VER吸力位能(長程范德華作用勢能)VWA之和，即：

VTD=VER+

VWA位能影響因素：受膠體顆粒大小、形狀以及粒子間距離、Hamaker常數(shù)A，顆粒表面電位ψ0以及電解質(zhì)的濃度n0的影響。當前第31頁\共有35頁\編于星期五\12點任務(wù)三：DLVO原理在過去較長時間里曾用經(jīng)典的DLVO理論來解釋膠粒間的凝聚與分散行為，但是近十幾年來的研究發(fā)現(xiàn)，在親水或疏水粒子間存在諸多特殊的相互作用力，對膠體分散體系穩(wěn)定性起決定作用，經(jīng)典的DLVO理論不能解釋這些體系的凝聚與分散行為，進而提出了擴展的DLVO理論來解釋。擴展的DLVO理論為：V