鉆井液及完井液1

1、鉆井液完井液化學(xué)鉆井液完井液化學(xué)Drilling and Completion FluidsChemistry 主講：主講：黃進(jìn)軍黃進(jìn)軍 石工院鉆井所泥漿室石工院鉆井所泥漿室CNPC鉆井液重點(diǎn)研究室鉆井液重點(diǎn)研究室2 所用教材 焉捷年 鉆井液工藝學(xué) 陳大均等 油氣田應(yīng)用化學(xué) 黃漢仁 羅平亞等 泥漿工藝原理 泥漿工藝原理 實(shí)驗(yàn)講義 泥漿工藝原理 習(xí)題集3 第一章第一章、 鉆井液鉆井液概論概論 本章要求掌握：本章要求掌握： 鉆井液、完井液概念。鉆井液、完井液概念。 鉆井液、完井液的組成和類(lèi)型。鉆井液、完井液的組成和類(lèi)型。 鉆井液、完井液的主要作用。鉆井液、完井液的主要作用。 鉆井液基本性能參數(shù)。鉆

2、井液基本性能參數(shù)。 鉆井液技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史鉆井液技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史 4第一節(jié)、第一節(jié)、 鉆井液、完井液的定義鉆井液、完井液的定義 狹義鉆井液狹義鉆井液粘土以小顆粒狀態(tài)粘土以小顆粒狀態(tài)(2um)分散在水中所分散在水中所 形成的溶膠形成的溶膠 懸浮體。懸浮體。(泥漿泥漿 mud) 廣義廣義 鉆鉆 井井 液液 凡鉆進(jìn)中一切有助于從井眼產(chǎn)生和凡鉆進(jìn)中一切有助于從井眼產(chǎn)生和 清除鉆屑的流體（液、氣、液清除鉆屑的流體（液、氣、液+氣）。氣）。 (drilling fluid) 廣義完井液廣義完井液 一切與產(chǎn)層接觸的流體（各種鹽水、一切與產(chǎn)層接觸的流體（各種鹽水、 聚合物溶液、鉆井液、泡沫等）。聚合物溶液、鉆井液、泡

3、沫等）。 狹義完井液狹義完井液 鉆開(kāi)油氣層的鉆井液（鉆開(kāi)液）。鉆開(kāi)油氣層的鉆井液（鉆開(kāi)液）。 (completion fluid)5第二節(jié)、第二節(jié)、 鉆井液的組成、類(lèi)型及性能鉆井液的組成、類(lèi)型及性能1. 鉆井液的組成鉆井液的組成 主要由水、粘土和添加劑組成的體系主要由水、粘土和添加劑組成的體系 分散介質(zhì)分散介質(zhì)+分散相分散相+化學(xué)處理劑化學(xué)處理劑 連續(xù)相連續(xù)相+不連續(xù)相不連續(xù)相 液相液相+固相固相+化學(xué)處理劑化學(xué)處理劑 6分散相與分散介質(zhì)分散相與分散介質(zhì)分分 散散 相相 在多相分散體系中，被分散的物質(zhì)。在多相分散體系中，被分散的物質(zhì)。 (不連續(xù)不連續(xù), 可以粒子或液滴可以粒子或液滴)分散介質(zhì)分

4、散介質(zhì) 分散相所在的連續(xù)介質(zhì)。分散相所在的連續(xù)介質(zhì)。分散體系分散體系一種或多種分散相分散在分散介質(zhì)中所形一種或多種分散相分散在分散介質(zhì)中所形 成成 的體系的體系.例如：鉆井液中，粘土顆粒分散在水中例如：鉆井液中，粘土顆粒分散在水中: 粘土為分散相；粘土為分散相； 水為分散介質(zhì)。水為分散介質(zhì)。7 某種水基鉆井液組分為：某種水基鉆井液組分為：水水 + 膨潤(rùn)土膨潤(rùn)土 + 處理劑處理劑 100ml 5g 1g用組分表示的配方為：用組分表示的配方為：5%膨潤(rùn)土漿膨潤(rùn)土漿+1%處理劑處理劑配方表示的特點(diǎn)：配方表示的特點(diǎn)： 用用W/V百分?jǐn)?shù)表示組分。百分?jǐn)?shù)表示組分。 不考慮處理劑的體積。不考慮處理劑的體積。

5、8鉆井液的組成示例鉆井液的組成示例92. 鉆井液的分類(lèi)鉆井液的分類(lèi) 分類(lèi)方法多分類(lèi)方法多通常根據(jù)分散介質(zhì)分為四大類(lèi)：通常根據(jù)分散介質(zhì)分為四大類(lèi)： 水基鉆井液（水基鉆井液（Water-Base Drilling Fluids） 油基鉆井液（油基鉆井液（Oil-Base Drilling Fluids） 氣態(tài)鉆井液（氣態(tài)鉆井液（Gas-Base Drilling Fluids） 合成基鉆井液合成基鉆井液(Synthetic-Base Drilling Fluids)10%10:)/(%4)(:)(/120:)/()/%(1:)(/120%;1:367222OilWaterOilVVSFAPAMLm

6、gCaCaCLVWNaCLLmgCaNaCL混油低固相石灰石膏鈣處理海水飽和鹽水淡水水基漿固%.90:%.6010:)/(OilWaterOW一般油基油包水油基一般分類(lèi)一般分類(lèi)11API和和IADC分類(lèi)法分類(lèi)法 不分散鉆井液（基本不不分散鉆井液（基本不含處理劑的天然泥漿）含處理劑的天然泥漿）-non-dispersed drilling fluids 分散型鉆井液分散型鉆井液- dispersed drilling fluids 聚合物鉆井液聚合物鉆井液-polymer drilling fluids 低固相鉆井液低固相鉆井液-low solids drilling fluids 飽和鹽水泥漿

7、飽和鹽水泥漿-saturated saltwater drilling fluids 鈣處理鉆井液鈣處理鉆井液-calcium-treated drilling fluids 修井液，完井液修井液，完井液-workover ,completion fluids 油基鉆井液油基鉆井液-oil-based drilling fluids 氣體類(lèi)鉆井液氣體類(lèi)鉆井液-gas typed drilling fluids12石油鉆井工程標(biāo)委會(huì)鉆井液分委會(huì)石油鉆井工程標(biāo)委會(huì)鉆井液分委會(huì)綜合分類(lèi)法綜合分類(lèi)法 不分散聚合物鉆井液（用不分散聚合物鉆井液（用大中小分子聚合物處理的大中小分子聚合物處理的低固相泥漿）低

8、固相泥漿） 鉀基鉆井液鉀基鉆井液 , K+ 1800mg/L 分散鉆井液分散鉆井液 鹽水鉆井液鹽水鉆井液 飽和鹽水泥漿飽和鹽水泥漿 鈣處理鉆井液鈣處理鉆井液 修井液，完井液修井液，完井液 油基鉆井液油基鉆井液 氣體類(lèi)鉆井流體氣體類(lèi)鉆井流體13鉆井液的分類(lèi) 按是否使用加重材料分為: 非加重泥漿 加重泥漿(密度高于1.25g/cm3) 按鉆井液的抑制性強(qiáng)弱分為: 分散泥漿 抑制性泥漿 按粘土的聚集狀態(tài)分為 細(xì)分散泥漿 粗分散泥漿 不分散泥漿14鉆井液循環(huán)路線鉆井液循環(huán)路線泥漿池泥漿池泵泵高壓管匯高壓管匯水龍帶水龍帶方鉆桿方鉆桿鉆桿鉆桿鉆鋌鉆鋌鉆頭鉆頭環(huán)空環(huán)空井口及井口及振動(dòng)篩振動(dòng)篩固控設(shè)備固控設(shè)備

9、153. 鉆井液的主要功能鉆井液的主要功能攜帶、懸浮巖屑及加重材料控制壓力形成泥餅破巖、清巖保護(hù)油氣層傳遞水功率冷卻潤(rùn)滑鉆頭16鉆井液的主要作用鉆井液的主要作用保持清潔；控制壓力；保持清潔；控制壓力；冷卻潤(rùn)滑；防止垮塌；冷卻潤(rùn)滑；防止垮塌；避免損害；取準(zhǔn)資料；避免損害；取準(zhǔn)資料；傳遞功率；傳遞功率；174、鉆井液的性能、鉆井液的性能 鉆井液的密度鉆井液的密度(Density) 鉆井液的流變性鉆井液的流變性(Rheological Properties) 鉆井液的失水造壁性鉆井液的失水造壁性(Filtration Properties) 鉆井液的含砂量鉆井液的含砂量(Sand content o

10、f DF) 鉆井液的鉆井液的pH值值 鉆井液的固相含量和油、水含量鉆井液的固相含量和油、水含量 鉆井液膨潤(rùn)土含量鉆井液膨潤(rùn)土含量(MBT) 鉆井液的潤(rùn)滑性鉆井液的潤(rùn)滑性(Lubricity) 鉆井液的抑制性鉆井液的抑制性 鉆井液濾液的化學(xué)性質(zhì)（堿度、硬度、鉆井液濾液的化學(xué)性質(zhì)（堿度、硬度、Cl-含量、含量、.）18鉆井液密度鉆井液密度 平衡地層壓力，防止井噴、井漏和鉆井液受地層流平衡地層壓力，防止井噴、井漏和鉆井液受地層流體的污染；體的污染； 平衡地層壓力，保持井壁穩(wěn)定，防止井塌；平衡地層壓力，保持井壁穩(wěn)定，防止井塌； 實(shí)現(xiàn)近平衡鉆井技術(shù)，減少壓持效應(yīng)，提高機(jī)械鉆實(shí)現(xiàn)近平衡鉆井技術(shù)，減少壓持效

11、應(yīng)，提高機(jī)械鉆速；速； 合理選擇打開(kāi)油氣層的鉆井液密度，減少鉆井液對(duì)合理選擇打開(kāi)油氣層的鉆井液密度，減少鉆井液對(duì)產(chǎn)層的傷害。產(chǎn)層的傷害。 用比重秤測(cè)定。用比重秤測(cè)定。19鉆井液的含砂量鉆井液的含砂量定義定義:鉆井液中不能通過(guò)鉆井液中不能通過(guò)200目篩的固相的體目篩的固相的體積占鉆井液體積的百分?jǐn)?shù)。一般要求小于積占鉆井液體積的百分?jǐn)?shù)。一般要求小于0.5。含砂量過(guò)高帶來(lái)的危害：含砂量過(guò)高帶來(lái)的危害： 鉆井液密度升高，降低機(jī)械鉆速；鉆井液密度升高，降低機(jī)械鉆速； 泥餅中含砂量升高，泥餅滲透率增大，失水增泥餅中含砂量升高，泥餅滲透率增大，失水增大；大； 泥餅表面摩擦系數(shù)增加；泥餅表面摩擦系數(shù)增加； 鉆

12、頭、鉆柱、泵等機(jī)械設(shè)備磨損嚴(yán)重。鉆頭、鉆柱、泵等機(jī)械設(shè)備磨損嚴(yán)重。20鉆井液的鉆井液的pH值值由于鉆井液中使用的化學(xué)處理劑在堿性條件由于鉆井液中使用的化學(xué)處理劑在堿性條件下才能溶解，而酸性環(huán)境對(duì)鉆井設(shè)備上的橡下才能溶解，而酸性環(huán)境對(duì)鉆井設(shè)備上的橡膠部件有嚴(yán)重的腐蝕作用，所以，絕大多數(shù)膠部件有嚴(yán)重的腐蝕作用，所以，絕大多數(shù)鉆井液體系的鉆井液體系的PH值都控制在值都控制在7以上。以上。不分散型鉆井液體系：不分散型鉆井液體系：PH=7.58.5分散型鉆井液體系：分散型鉆井液體系：PH10鈣處理鉆井液體系鈣處理鉆井液體系:PH1121鉆井液膨潤(rùn)土含量（鉆井液膨潤(rùn)土含量（MBT）鉆井液中活性粘土的數(shù)量。

13、鉆井液中活性粘土的數(shù)量。水基鉆井液都有一個(gè)合適的膨潤(rùn)土含量，水基鉆井液都有一個(gè)合適的膨潤(rùn)土含量，MBT過(guò)高，鉆井液的粘度、切力增大，泥餅過(guò)高，鉆井液的粘度、切力增大，泥餅增厚，容易造成井下事故。增厚，容易造成井下事故。 MBT過(guò)小，鉆井液的粘度、切力急劇下降，過(guò)小，鉆井液的粘度、切力急劇下降，失水增大。失水增大。22鉆井液不應(yīng)具有的性能鉆井液不應(yīng)具有的性能 傷害鉆井人員，損害或污染環(huán)境傷害鉆井人員，損害或污染環(huán)境 對(duì)所設(shè)計(jì)的地層評(píng)估有不利的性能對(duì)所設(shè)計(jì)的地層評(píng)估有不利的性能 對(duì)產(chǎn)層產(chǎn)生傷害對(duì)產(chǎn)層產(chǎn)生傷害 對(duì)鉆井設(shè)備和管材造成較大腐蝕對(duì)鉆井設(shè)備和管材造成較大腐蝕 Detrimental to t

14、he operators and environment. Detrimental to the formation evaluation . Cause any formation damage. Cause any corrosion of the drilling equipment and subsurface tubulars. 23優(yōu)質(zhì)鉆井液的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)質(zhì)鉆井液的標(biāo)準(zhǔn) 有利于安全、快速、優(yōu)質(zhì)、低耗鉆井；有利于安全、快速、優(yōu)質(zhì)、低耗鉆井； 有利于取全、取準(zhǔn)各項(xiàng)工程、地質(zhì)資料；有利于取全、取準(zhǔn)各項(xiàng)工程、地質(zhì)資料； 有利于發(fā)現(xiàn)、保護(hù)油氣層。有利于發(fā)現(xiàn)、保護(hù)油氣層。24鉆井液工作的基本任務(wù)鉆井

15、液工作的基本任務(wù) 根據(jù)所鉆井類(lèi)型、地層特性、孔隙及破裂壓力、井溫、根據(jù)所鉆井類(lèi)型、地層特性、孔隙及破裂壓力、井溫、測(cè)井及環(huán)保要求正確選擇鉆井液類(lèi)型；測(cè)井及環(huán)保要求正確選擇鉆井液類(lèi)型； 自始至終維護(hù)、保持良好的鉆井液性能；自始至終維護(hù)、保持良好的鉆井液性能； 預(yù)防、處理各種井下復(fù)雜情況和事故；預(yù)防、處理各種井下復(fù)雜情況和事故； 保證安全順利鉆井前提下，盡可能降低鉆井液成本。保證安全順利鉆井前提下，盡可能降低鉆井液成本。 根據(jù)地質(zhì)及鉆井工程需要研究新型鉆井液處理劑及體根據(jù)地質(zhì)及鉆井工程需要研究新型鉆井液處理劑及體系。系。25第三節(jié)、第三節(jié)、 鉆井液工藝技術(shù)的發(fā)展鉆井液工藝技術(shù)的發(fā)展1 初步發(fā)展時(shí)期

16、初步發(fā)展時(shí)期 自然造漿階段自然造漿階段 1888 1928年年主要解決問(wèn)題：主要解決問(wèn)題： 攜帶鉆屑攜帶鉆屑 控制地層壓力控制地層壓力典型技術(shù)：典型技術(shù)： 水水+ +鉆屑鉆屑+ +地面土地面土 使用重晶石、鐵礦粉（使用重晶石、鐵礦粉（19201920年以后年以后) )262. 快速發(fā)展時(shí)期快速發(fā)展時(shí)期 細(xì)分散泥漿階段細(xì)分散泥漿階段 1928 1948年年主要解決問(wèn)題：主要解決問(wèn)題：泥漿性能的穩(wěn)定泥漿性能的穩(wěn)定井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定典型技術(shù)：典型技術(shù)： 一些泥漿性能測(cè)試儀器研制出來(lái)一些泥漿性能測(cè)試儀器研制出來(lái) 使用膨潤(rùn)土、單寧、燒堿、褐煤使用膨潤(rùn)土、單寧、燒堿、褐煤273. 高速發(fā)展階段高速發(fā)展階段

17、粗分散泥漿階段粗分散泥漿階段 1948 1965年年主要解決問(wèn)題：主要解決問(wèn)題： 石膏、鹽污染石膏、鹽污染 溫度影響溫度影響典型技術(shù)：典型技術(shù)： 各種鹽水、鈣處理泥漿各種鹽水、鈣處理泥漿 油基泥漿油基泥漿 處理劑品種處理劑品種1616大類(lèi)大類(lèi)284. 4. 科學(xué)發(fā)展時(shí)期科學(xué)發(fā)展時(shí)期 聚合物不分散低固聚合物不分散低固相鉆井液階段相鉆井液階段 1965年年 現(xiàn)在現(xiàn)在主要解決問(wèn)題：主要解決問(wèn)題： 快速鉆井快速鉆井 保護(hù)油氣層保護(hù)油氣層典型技術(shù)：典型技術(shù)： 不分散低固相鉆井液不分散低固相鉆井液 氣體鉆井氣體鉆井 保護(hù)油氣層的完井液保護(hù)油氣層的完井液 合成基鉆井液合成基鉆井液 抗高溫鉆井液抗高溫鉆井液2

18、9國(guó)內(nèi)鉆井液技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)國(guó)內(nèi)鉆井液技術(shù)發(fā)展特點(diǎn) 同樣經(jīng)歷了這些階段，但滯后一定時(shí)間同樣經(jīng)歷了這些階段，但滯后一定時(shí)間; 水基體系的研究應(yīng)用比油基體系多水基體系的研究應(yīng)用比油基體系多; 深井水基鉆井液、防塌鉆井液、聚合物鉆井液理論較成深井水基鉆井液、防塌鉆井液、聚合物鉆井液理論較成熟；熟； 成功研制了一些鉆井液處理劑，如成功研制了一些鉆井液處理劑，如FA367, XY27, SMP, 80A51等；等； 成功應(yīng)用了一些鉆井液體系，如三磺體系，兩性離子聚成功應(yīng)用了一些鉆井液體系，如三磺體系，兩性離子聚合物體系，聚磺體系等；合物體系，聚磺體系等； 研制了大量鉆井液性能評(píng)價(jià)儀器；研制了大量鉆井液性能評(píng)

19、價(jià)儀器； 鉆井液工藝技術(shù)日益提高：預(yù)防和減少了各種井下復(fù)雜，鉆井液工藝技術(shù)日益提高：預(yù)防和減少了各種井下復(fù)雜，保證了常規(guī)井及各種特殊井的完成。保證了常規(guī)井及各種特殊井的完成。 計(jì)算機(jī)應(yīng)用及固控技術(shù)相對(duì)滯后。計(jì)算機(jī)應(yīng)用及固控技術(shù)相對(duì)滯后。30預(yù)測(cè)鉆井液技術(shù)發(fā)展方向預(yù)測(cè)鉆井液技術(shù)發(fā)展方向 鉆井液強(qiáng)化穩(wěn)定井壁技術(shù)鉆井液強(qiáng)化穩(wěn)定井壁技術(shù) 復(fù)雜地質(zhì)條件下深井、超深井、大位移井鉆井液技術(shù)復(fù)雜地質(zhì)條件下深井、超深井、大位移井鉆井液技術(shù) 新型鉆井液體系及其處理劑的研制與應(yīng)用新型鉆井液體系及其處理劑的研制與應(yīng)用 廢棄鉆井液的處理技術(shù)廢棄鉆井液的處理技術(shù) 保護(hù)油氣層的鉆井液技術(shù)保護(hù)油氣層的鉆井液技術(shù) 低密度鉆井液

20、完井液體系及技術(shù)低密度鉆井液完井液體系及技術(shù) 惡性漏失的防治技術(shù)惡性漏失的防治技術(shù) 31國(guó)內(nèi)鉆井液技術(shù)與國(guó)外對(duì)比 優(yōu)勢(shì): 鉆井液體系及處理劑多 差距: 鉆井用土質(zhì)量差 固控技術(shù)不成熟、不重視 鉆井液體系及使用不規(guī)范 基礎(chǔ)理論研究及應(yīng)用不多32課程內(nèi)容包括課程內(nèi)容包括 三大基礎(chǔ)：三大基礎(chǔ)：o 粘土膠化粘土膠化o 流變學(xué)流變學(xué)o 處理劑化學(xué)處理劑化學(xué) 三大體系：三大體系：o 水基水基o 油基油基o 氣體類(lèi)氣體類(lèi) 兩大工藝：兩大工藝：o 固控技術(shù)固控技術(shù)o 復(fù)雜情況預(yù)防及處理復(fù)雜情況預(yù)防及處理 兩大技能：兩大技能：o 鉆井液、完井液配制鉆井液、完井液配制o 鉆井液、完井液性能鉆井液、完井液性能測(cè)試測(cè)

21、試33課程特點(diǎn)及要求課程特點(diǎn)及要求 涉及領(lǐng)域?qū)挘瑢賾?yīng)用學(xué)科。涉及領(lǐng)域?qū)?，屬?yīng)用學(xué)科。 要求掌握基本概念、基本原理、基本計(jì)要求掌握基本概念、基本原理、基本計(jì)算、基本實(shí)驗(yàn)技能；算、基本實(shí)驗(yàn)技能； 了解鉆井液完井液體系及應(yīng)用工藝、發(fā)了解鉆井液完井液體系及應(yīng)用工藝、發(fā)展方向和動(dòng)態(tài)。展方向和動(dòng)態(tài)。34主要參考書(shū)刊主要參考書(shū)刊 李健鷹編著李健鷹編著, 泥漿膠體化學(xué)泥漿膠體化學(xué) H.范范.奧爾芬?jiàn)W爾芬, 粘土膠體化學(xué)導(dǎo)論粘土膠體化學(xué)導(dǎo)論 (譯本譯本) G.R.格雷格雷, 鉆井液的組成與性能鉆井液的組成與性能 (譯本譯本) 鄢捷年，鉆井液工藝學(xué)，鄢捷年，鉆井液工藝學(xué)， 張紹槐等編著張紹槐等編著, 保護(hù)儲(chǔ)集層技

22、術(shù)保護(hù)儲(chǔ)集層技術(shù) 張孝華等編著張孝華等編著, 現(xiàn)代泥漿實(shí)驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)代泥漿實(shí)驗(yàn)技術(shù) 期刊期刊: 鉆井液與完井液、鉆井液與完井液、 油田化學(xué)、石油鉆采油田化學(xué)、石油鉆采工藝、石油學(xué)報(bào)、石油鉆探技術(shù)、石油學(xué)院學(xué)工藝、石油學(xué)報(bào)、石油鉆探技術(shù)、石油學(xué)院學(xué)報(bào)等報(bào)等35習(xí)題：習(xí)題：1、9、1036 第二章第二章、 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ) 本章要求重點(diǎn)掌握內(nèi)容：本章要求重點(diǎn)掌握內(nèi)容： 1. 幾種粘土礦物的晶體構(gòu)造及其特點(diǎn)。幾種粘土礦物的晶體構(gòu)造及其特點(diǎn)。 2. 粘土水化機(jī)理。粘土水化機(jī)理。 3. 擴(kuò)散雙電層理論和電解質(zhì)對(duì)電動(dòng)電勢(shì)的影響。擴(kuò)散雙電層理論和電解質(zhì)對(duì)電動(dòng)電勢(shì)的影響。 4. 膠體體系的基本概念

23、。膠體體系的基本概念。 5. 聚結(jié)穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性概念及其影響因素。聚結(jié)穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性概念及其影響因素。 37學(xué)習(xí)本章的意義學(xué)習(xí)本章的意義 粘土是配漿的基礎(chǔ)材料粘土是配漿的基礎(chǔ)材料 泥漿是粘土泥漿是粘土 水的溶膠水的溶膠 懸浮體懸浮體 地層造漿、井壁穩(wěn)定、儲(chǔ)層保護(hù)等均與地層粘地層造漿、井壁穩(wěn)定、儲(chǔ)層保護(hù)等均與地層粘土礦物有關(guān)。土礦物有關(guān)。所以，必須學(xué)習(xí)粘土礦物及膠體化學(xué)基本知識(shí)。所以，必須學(xué)習(xí)粘土礦物及膠體化學(xué)基本知識(shí)。38幾個(gè)概念幾個(gè)概念 粘土膠體化學(xué)：在一般膠體化學(xué)規(guī)律指導(dǎo)下，專(zhuān)門(mén)研粘土膠體化學(xué)：在一般膠體化學(xué)規(guī)律指導(dǎo)下，專(zhuān)門(mén)研究粘土膠體的生成、破壞和物理化學(xué)性質(zhì)的科學(xué)。究粘土膠體的

24、生成、破壞和物理化學(xué)性質(zhì)的科學(xué)。 狹義膠體：膠體大?。ㄈS中任一維尺寸在狹義膠體：膠體大?。ㄈS中任一維尺寸在1-100nm之之間）的微粒分散在另一種連續(xù)介質(zhì)中所形成的分散體間）的微粒分散在另一種連續(xù)介質(zhì)中所形成的分散體系。系。 具有丁達(dá)耳現(xiàn)象、擴(kuò)散慢、不滲析具有丁達(dá)耳現(xiàn)象、擴(kuò)散慢、不滲析 廣義膠體：包括粗分散體系（懸浮體、乳狀液、泡廣義膠體：包括粗分散體系（懸浮體、乳狀液、泡沫）；溶膠；高分子真溶液；締合膠體。沫）；溶膠；高分子真溶液；締合膠體。39膠體概念的沿革膠體概念的沿革 1864年年Graham的半透膜實(shí)驗(yàn)：的半透膜實(shí)驗(yàn)： 將一塊羊皮紙將一塊羊皮紙(一種半透膜一種半透膜)縛在一個(gè)玻璃

25、筒下端，筒內(nèi)裝著要縛在一個(gè)玻璃筒下端，筒內(nèi)裝著要研究的水溶液，并把筒浸于水中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，測(cè)定水中研究的水溶液，并把筒浸于水中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，測(cè)定水中溶質(zhì)的濃度，求得溶質(zhì)透過(guò)羊皮紙的擴(kuò)散速度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溶質(zhì)的濃度，求得溶質(zhì)透過(guò)羊皮紙的擴(kuò)散速度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 有些物質(zhì)如無(wú)機(jī)鹽、白糖等，擴(kuò)散快，能很快透過(guò)羊皮紙。另一類(lèi)物質(zhì)如明膠、丹寧、蛋白質(zhì)、氫氧化鋁等，擴(kuò)散速度緩慢，而且極難甚至不能透過(guò)羊皮紙。 當(dāng)溶劑蒸發(fā)時(shí)，前一類(lèi)者物質(zhì)易成晶體析出，后一類(lèi)物質(zhì)則不成晶體，而成粘稠的膠狀物質(zhì)。4041 膠質(zhì)膠質(zhì) （膠體（膠體Colloid） +溶劑溶劑 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 明膠明膠 氫氧化鋁氫氧化鋁 溶膠溶膠sol

26、溶液溶液solution 凝晶質(zhì)（晶體凝晶質(zhì)（晶體Crystalloid）+溶劑溶劑食鹽食鹽 白糖白糖42 膠體(Graham): 一種特殊的物質(zhì),其特點(diǎn)是擴(kuò)散慢,不滲析,蒸干后呈粘稠的狀態(tài)43 隨著科學(xué)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證實(shí)，發(fā)現(xiàn)這樣的分隨著科學(xué)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證實(shí)，發(fā)現(xiàn)這樣的分類(lèi)并不合適，因?yàn)槿魏挝镔|(zhì)既可制成晶體也可制成膠類(lèi)并不合適，因?yàn)槿魏挝镔|(zhì)既可制成晶體也可制成膠體狀態(tài)。例如典型的結(jié)晶物質(zhì)體狀態(tài)。例如典型的結(jié)晶物質(zhì)NaCl在水中形成真溶液，在水中形成真溶液，卻可在酒精中制成膠體狀態(tài)。另一方面，許多表現(xiàn)膠卻可在酒精中制成膠體狀態(tài)。另一方面，許多表現(xiàn)膠體性質(zhì)的物質(zhì)在適當(dāng)?shù)臈l件下也可制

27、成晶體。體性質(zhì)的物質(zhì)在適當(dāng)?shù)臈l件下也可制成晶體。 維依馬林維依馬林(俄俄 1905) 膠體、晶體是物質(zhì)的兩種存在狀態(tài)。 在膠體狀態(tài)下,物質(zhì)是以大顆粒的形式分散于溶劑中,大顆粒由許多原子或分子組成44膠體的概念 物質(zhì)以某種分散程度分散在介質(zhì)中物質(zhì)以某種分散程度分散在介質(zhì)中所形成的分散體系。所形成的分散體系。 顆粒能通過(guò)濾紙顆粒能通過(guò)濾紙 不滲析不滲析(不能通過(guò)半透膜不能通過(guò)半透膜) 擴(kuò)散很慢擴(kuò)散很慢 超顯微鏡下可見(jiàn)超顯微鏡下可見(jiàn)45幾個(gè)基本概念幾個(gè)基本概念1. 相和相界面相和相界面 相相 任何物理化學(xué)性質(zhì)都完全相同的均勻任何物理化學(xué)性質(zhì)都完全相同的均勻部分稱(chēng)為一個(gè)相。部分稱(chēng)為一個(gè)相。 如果體系中

28、有兩個(gè)或兩個(gè)以如果體系中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的相，稱(chēng)為多相體系。上的相，稱(chēng)為多相體系。 相界面相界面 相與相之間的宏觀物理界面。相與相之間的宏觀物理界面。 在相互接觸的兩相中：在相互接觸的兩相中： 若一相為氣體，相界面稱(chēng)為表面。若一相為氣體，相界面稱(chēng)為表面。 若是液若是液/固分界面，稱(chēng)為界面。固分界面，稱(chēng)為界面。46分散度和比表面分散度和比表面分散度分散度 分散相的分散程度。分散相的分散程度。 含含 形狀，級(jí)配，粒度中值等概念形狀，級(jí)配，粒度中值等概念比表面比表面 單位體積（重量）物質(zhì)的總表面積。單位體積（重量）物質(zhì)的總表面積。比表面比表面 = S/V （ S/W）,一般用一般用cm-1,cm2/

29、g示之。示之。47分散相分散相分散介質(zhì)分散介質(zhì)名稱(chēng)名稱(chēng)例例液液氣氣氣液溶膠氣液溶膠霧霧固固氣氣氣固溶膠氣固溶膠灰塵、煙灰塵、煙氣氣液液泡沫泡沫泡沫泡沫液液液液乳狀液乳狀液牛奶、牛奶、O/W、W/O固固液液溶膠、懸浮體溶膠、懸浮體泥漿泥漿氣氣固固固態(tài)泡沫固態(tài)泡沫面包面包液液固固固態(tài)乳狀液固態(tài)乳狀液珍珠珍珠固固固固固體懸浮體固體懸浮體合金合金分散體系分類(lèi)（按聚集狀態(tài)）分散體系分類(lèi)（按聚集狀態(tài)）48分散體系分類(lèi)（按分散相大小分）分散體系分類(lèi)（按分散相大小分）物質(zhì)微粒的長(zhǎng)、寬、高三維中任意一維的尺寸（或至少在一個(gè)方向）在1100nm之間，并分散在另外一種連續(xù)介質(zhì)中所形成的分散體系膠體膠體49按分散相與

30、分散介質(zhì)的親合程度分： 憎液膠體：分散相則不能在介質(zhì)中自動(dòng)分散形憎液膠體：分散相則不能在介質(zhì)中自動(dòng)分散形成，必須用其它方法并加入穩(wěn)定劑，即便如此，成，必須用其它方法并加入穩(wěn)定劑，即便如此，形成的溶膠也不穩(wěn)定，或遲或早總會(huì)自動(dòng)析出。形成的溶膠也不穩(wěn)定，或遲或早總會(huì)自動(dòng)析出。 這兩類(lèi)膠體的這種區(qū)別表示分散相與分散介質(zhì)這兩類(lèi)膠體的這種區(qū)別表示分散相與分散介質(zhì)之間的親合能力不同。之間的親合能力不同。 親液膠體：分散相可以在介質(zhì)中自動(dòng)分散，形親液膠體：分散相可以在介質(zhì)中自動(dòng)分散，形成的膠體溶液長(zhǎng)期穩(wěn)定，例如明膠成的膠體溶液長(zhǎng)期穩(wěn)定，例如明膠水體系：水體系：50 親液膠體 憎液膠體 分散相自動(dòng)分散 分散相

31、不能自動(dòng)分散(外界作功) 長(zhǎng)期穩(wěn)定 不能長(zhǎng)期穩(wěn)定 可逆膠體 不可逆膠體 是有機(jī)膠體(高分子溶液) 是無(wú)機(jī)膠體 親液膠體是熱力學(xué)穩(wěn)定的單相體系; 憎液膠體是熱力學(xué)不穩(wěn)定的多相體系.51膠體分散體系（憎液溶膠）的基本性質(zhì)膠體分散體系（憎液溶膠）的基本性質(zhì) 多相性多相性 高度分散性高度分散性 比表面積大比表面積大 聚結(jié)不穩(wěn)定性聚結(jié)不穩(wěn)定性 易聚結(jié)合并易聚結(jié)合并 憎液膠體中分散得很細(xì)的分散相微粒有自憎液膠體中分散得很細(xì)的分散相微粒有自動(dòng)聚結(jié)（自動(dòng)降低分散度）縮小總表面積的趨動(dòng)聚結(jié)（自動(dòng)降低分散度）縮小總表面積的趨勢(shì)，這就是膠體的聚結(jié)不穩(wěn)定性。勢(shì)，這就是膠體的聚結(jié)不穩(wěn)定性。52聚結(jié)不穩(wěn)定示意圖53第一節(jié)

32、、第一節(jié)、 主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn) 粘粘 土：主要由粘土礦物和少量非粘土礦物組成的細(xì)粒粘滯土狀土：主要由粘土礦物和少量非粘土礦物組成的細(xì)粒粘滯土狀物質(zhì)。物質(zhì)。 特性：細(xì)粒，粘性，高溫成型性，可塑成型性特性：細(xì)粒，粘性，高溫成型性，可塑成型性 礦物組成：粘土礦物（蒙脫石等）礦物組成：粘土礦物（蒙脫石等）+ 非粘土礦物（石英、長(zhǎng)非粘土礦物（石英、長(zhǎng)石等）石等）+ 膠體礦物（蛋白石等）。膠體礦物（蛋白石等）。 化學(xué)組成化學(xué)組成: Si O Al OH，少量的，少量的 Fe Na Ca Mg 等等 粘土礦物：含水的細(xì)分散的層狀及鏈狀構(gòu)造硅酸鹽礦物的及含水的粘土礦物：含

33、水的細(xì)分散的層狀及鏈狀構(gòu)造硅酸鹽礦物的及含水的非晶質(zhì)硅酸鹽礦物的總稱(chēng)。非晶質(zhì)硅酸鹽礦物的總稱(chēng)。 特點(diǎn)：具有相對(duì)固定的化學(xué)組成和確定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：具有相對(duì)固定的化學(xué)組成和確定的內(nèi)部結(jié)構(gòu) （內(nèi)部（內(nèi)部格子構(gòu)造格子構(gòu)造-晶格）。晶格）。 54一、粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元一、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片硅氧四面體與硅氧四面體片 硅氧四面體硅氧四面體(silica tetrahedron) 由一個(gè)硅原子和四個(gè)等距的氧原由一個(gè)硅原子和四個(gè)等距的氧原子組成的正四面體。硅原子在四面子組成的正四面體。硅原子在四面體的中心，氧原子在四面體的頂點(diǎn)。體的中心，氧原子在四面體的頂點(diǎn)。圖中：

34、圖中： 基底氧：四面體底面三個(gè)氧原子?；籽酰核拿骟w底面三個(gè)氧原子。 頂端氧：四面體頂點(diǎn)一個(gè)氧原子。頂端氧：四面體頂點(diǎn)一個(gè)氧原子。 OO距離：距離：2.61埃。埃。 SiO距離：距離：1.61埃。埃。 硅原子硅原子 氧原子氧原子55 硅氧四面體片硅氧四面體片 單個(gè)四面體與若干個(gè)相鄰四面單個(gè)四面體與若干個(gè)相鄰四面體通過(guò)底面氧相連，構(gòu)成平面體通過(guò)底面氧相連，構(gòu)成平面連續(xù)的四面體晶格。連續(xù)的四面體晶格。四面體片特點(diǎn)：四面體片特點(diǎn)： 由由SiO4彼此連接而成的彼此連接而成的Si4O10的無(wú)限重復(fù)的六方網(wǎng)格。的無(wú)限重復(fù)的六方網(wǎng)格。 所有基底氧排列在同一個(gè)平面所有基底氧排列在同一個(gè)平面上。上。 所有頂端氧

35、在另一個(gè)平面上。所有頂端氧在另一個(gè)平面上。 平面投影形成三層。平面投影形成三層。 是六角對(duì)稱(chēng)的（是六角對(duì)稱(chēng)的（六角環(huán)半徑1.33A，空心）空心） 四面體片在粘土中不能獨(dú)立存四面體片在粘土中不能獨(dú)立存在。在。 硅原子硅原子 氧原子氧原子Si4O10 最小重復(fù)單元分子式最小重復(fù)單元分子式56四面體片立體模型57硅氧四面體與硅氧四面體與硅氧四面體片硅氧四面體片582. 鋁氧八面體與鋁氧八面體片鋁氧八面體與鋁氧八面體片 鋁氧（鋁氧（Al O(OH)）八面八面體體(alumina octahedron) 鋁原子處于正八面體中鋁原子處于正八面體中心，六個(gè)氧原子或氫氧原心，六個(gè)氧原子或氫氧原子處于八面體頂點(diǎn)

36、。子處于八面體頂點(diǎn)。圖中：圖中： OO距離距離=2.60埃。埃。 OHOH距離距離=2.94埃。埃。 鋁原子鋁原子 氫氧原子氫氧原子59 鋁氧（氫氧）八面體片鋁氧（氫氧）八面體片 單個(gè)八面體與相鄰的八單個(gè)八面體與相鄰的八面體通過(guò)共用氫氧連接起面體通過(guò)共用氫氧連接起來(lái)，頂端和底端氧原子則來(lái)，頂端和底端氧原子則構(gòu)成兩個(gè)平行的平面（每構(gòu)成兩個(gè)平行的平面（每個(gè)八面體同相鄰的六個(gè)其個(gè)八面體同相鄰的六個(gè)其它八面體通過(guò)共用氧（氫它八面體通過(guò)共用氧（氫氧）連接）。氧）連接）。 氫氧原子氫氧原子 鋁原子鋁原子 Al4(OH)12 最小重復(fù)單位分子式最小重復(fù)單位分子式60鋁氧八面體與鋁氧八面體與鋁氧八面體片鋁氧八

37、面體片61八面體片立體模型62八面體片特點(diǎn) 許多八面體通過(guò)共用氧原子(同一平面上的)而聯(lián)接 在a b兩方向上無(wú)限延伸 三個(gè)層面 六角對(duì)稱(chēng)( 六角環(huán)半徑1.33, 實(shí)心,六角環(huán)中心被OH原子團(tuán)所占據(jù))63八面體片系 二-八面體片：在八面體片中，平均每三個(gè)八面體的中心只有二個(gè)被中心離子（如鋁離子Al3+）占據(jù) 又稱(chēng)為鋁氧片 三水鋁礦片 三-八面體片：在八面體片中，平均每三個(gè)八面體的中心被三個(gè)被中心離子（如鎂離子Mg2+）占據(jù) 又稱(chēng)鎂氧片 水鎂石片64粘土礦物的晶層 四面體片和八面體片的對(duì)稱(chēng)性相似,六角環(huán)大小相等, 它們共用頂角氧而形成粘土礦物的晶層它們共用頂角氧而形成粘土礦物的晶層 晶層在c軸上的

38、堆迭形成層狀粘土礦物 晶層:在c軸上能重復(fù)再現(xiàn)的最小單位.65晶片的結(jié)合晶片的結(jié)合 晶層晶層： 四面體片和八面體片沿四面體片和八面體片沿C軸按一定軸按一定順序相互重合，通過(guò)共用氧原子連接順序相互重合，通過(guò)共用氧原子連接形成電中性的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)層。形成電中性的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)層。 晶體晶體 許多單位晶層在許多單位晶層在C軸方向上按一定軸方向上按一定距離反復(fù)重合而成。距離反復(fù)重合而成。 單位晶胞單位晶胞 能代表晶體性質(zhì)的單位層內(nèi)最小物能代表晶體性質(zhì)的單位層內(nèi)最小物質(zhì)組合。常以質(zhì)組合。常以a、b軸范圍表示其大小。軸范圍表示其大小。C軸間距軸間距：某一晶面與相鄰晶層的對(duì)應(yīng)晶面間的距離。某一晶面與相鄰晶層的對(duì)應(yīng)晶面

39、間的距離。兩種原型粘土礦物（基本類(lèi)型）兩種原型粘土礦物（基本類(lèi)型）1：1型（高嶺石）型（高嶺石） 2：1型（葉臘石）型（葉臘石）CaC間間距距b66幾個(gè)概念幾個(gè)概念 晶格取代晶格取代：在晶體結(jié)構(gòu)保持不變的條件下，高價(jià)中心：在晶體結(jié)構(gòu)保持不變的條件下，高價(jià)中心離子被低價(jià)正離子取代的現(xiàn)象。結(jié)果是正電荷虧損，離子被低價(jià)正離子取代的現(xiàn)象。結(jié)果是正電荷虧損，粘土帶負(fù)電。又叫同晶置換。粘土帶負(fù)電。又叫同晶置換。 補(bǔ)償陽(yáng)離子補(bǔ)償陽(yáng)離子：被吸附來(lái)補(bǔ)償正電荷虧損的陽(yáng)離子。如：被吸附來(lái)補(bǔ)償正電荷虧損的陽(yáng)離子。如K+,Na+,Ca 2+,Mg 2+等。等。 可交換陽(yáng)離子可交換陽(yáng)離子：在有水存在時(shí)，可與溶液中其它陽(yáng)離

40、：在有水存在時(shí)，可與溶液中其它陽(yáng)離子發(fā)生交換的那部分補(bǔ)償陽(yáng)離子。子發(fā)生交換的那部分補(bǔ)償陽(yáng)離子。 陽(yáng)離子交換容量（陽(yáng)離子交換容量（CEC）：分散介質(zhì)的：分散介質(zhì)的PH=7時(shí)，從粘時(shí)，從粘土上所能交換下來(lái)的陽(yáng)離子總量。以土上所能交換下來(lái)的陽(yáng)離子總量。以meq/100g(毫克當(dāng)毫克當(dāng)量量/100克）示之?？耍┦局?。67二、幾種粘土礦物的晶體構(gòu)造和特性二、幾種粘土礦物的晶體構(gòu)造和特性1. 高嶺石（高嶺石（Kaolinite) 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 1：1型型 單位晶層由一層四面體片和一單位晶層由一層四面體片和一層八面體片組成，所有硅氧四面體層八面體片組成，所有硅氧四面體的尖頂都朝向八面體，通過(guò)共用氧的尖頂

41、都朝向八面體，通過(guò)共用氧原子連接成晶層。若干個(gè)晶層在原子連接成晶層。若干個(gè)晶層在C軸方向上層層重疊，而在軸方向上層層重疊，而在a、b軸軸方向上連續(xù)延伸。方向上連續(xù)延伸。晶胞分子式：晶胞分子式：Al4Si4O10(OH)8特點(diǎn)特點(diǎn)A 晶層間連接緊密（晶層一面為晶層間連接緊密（晶層一面為“O”層，一面為層，一面為“OH”層，易形層，易形成氫鍵。）成氫鍵。）B 陽(yáng)離子交換容量低：陽(yáng)離子交換容量低：3-5 毫克當(dāng)量毫克當(dāng)量/100克土克土C 水化分散性膨脹性差，礦物較水化分散性膨脹性差，礦物較穩(wěn)定。穩(wěn)定。 D C軸間距軸間距=7.2埃。埃。 -6+12-10+16-12-=06OH4Al4O+2OH4

42、Si6O氧氫氧鋁硅68葉臘石葉臘石是是2:1型型八面體為二八面體八面體為二八面體電中性電中性單胞面積單胞面積:5.15X8.9A2C軸間距軸間距 9.2A晶層聯(lián)結(jié)力晶層聯(lián)結(jié)力:范德化引力范德化引力葉臘石是葉臘石是2:1型粘土礦物的原型礦物型粘土礦物的原型礦物,沒(méi)沒(méi)有任何變異有任何變異葉臘石中的八面體片為二八面體，若換葉臘石中的八面體片為二八面體，若換成三八面體，便成了另一種礦物成三八面體，便成了另一種礦物滑滑石，石，葉臘石和滑石不能叫作粘土礦物葉臘石和滑石不能叫作粘土礦物692. 蒙脫石（蒙脫石（Montmorillonite)晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 2：1型型 兩層四面體片中間夾一層八面體兩層四面

43、體片中間夾一層八面體片。每個(gè)四面體尖頂均指向中央片。每個(gè)四面體尖頂均指向中央的八面體，通過(guò)共用的氧連接成的八面體，通過(guò)共用的氧連接成晶層。若干個(gè)晶層按一定距離在晶層。若干個(gè)晶層按一定距離在C軸方向上重疊構(gòu)成晶體。軸方向上重疊構(gòu)成晶體。 晶胞分子式：晶胞分子式：Al4Si8O20(OH)4特點(diǎn)特點(diǎn) 晶格取代晶格取代 主要在八面體中：主要在八面體中： Mg 2+、Fe 2+ Al3+ 單位層之間由分子間力連接單位層之間由分子間力連接 補(bǔ)償陽(yáng)離子：補(bǔ)償陽(yáng)離子：Na+、Ca2+ 陽(yáng)離子交換容量高：陽(yáng)離子交換容量高： 70130 毫克當(dāng)量毫克當(dāng)量/100克土克土 水化能力強(qiáng)。水化能力強(qiáng)。 C間距隨層間陽(yáng)

44、離子類(lèi)型及含水間距隨層間陽(yáng)離子類(lèi)型及含水量而變（量而變（9.6-21.4埃埃).703. 伊利石（伊利石（illite)illite) 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 2：1型型+K+ 晶體結(jié)構(gòu)與蒙托石的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)與蒙托石的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)似。類(lèi)似。區(qū)別：區(qū)別：A 晶格取代比蒙脫石多，且主要晶格取代比蒙脫石多，且主要發(fā)生在四面體片中。發(fā)生在四面體片中。B 補(bǔ)償陽(yáng)離子主要為補(bǔ)償陽(yáng)離子主要為K+。C 單位晶胞電荷數(shù)比蒙脫石的高單位晶胞電荷數(shù)比蒙脫石的高11.5倍。倍。 特點(diǎn)特點(diǎn)A 單位晶胞電荷數(shù)高：?jiǎn)挝痪О姾蓴?shù)高：0.61.8。B 單位層之間由分子間力和單位層之間由分子間力和K+和和強(qiáng)的靜電引力連接。強(qiáng)的靜電

45、引力連接。C 陽(yáng)離子交換容量低：陽(yáng)離子交換容量低：CEC=1040 meq/100g土土D 水化能力弱。水化能力弱。E C間距間距10埃。埃。氧氫氧鋁硅K+10 埃71綠泥石綠泥石(chorite)結(jié)構(gòu)：兩層硅氧四面體片夾一層鋁氧八面體片構(gòu)成結(jié)構(gòu)：兩層硅氧四面體片夾一層鋁氧八面體片構(gòu)成單位層，單位層間夾一層水鎂石片。單位層，單位層間夾一層水鎂石片。 2：1：1型型。特性：特性： (1)晶格取代多，但晶格取代多，但CEC值低值低 (2)層間連接緊密層間連接緊密,C間距間距14A (3)水化能力差，顆粒粗，屬于劣土，多呈綠色。水化能力差，顆粒粗，屬于劣土，多呈綠色。72綠泥石的晶體結(jié)構(gòu)綠泥石的晶體

46、結(jié)構(gòu) 73綠泥石綠泥石 晶層結(jié)構(gòu)屬于2:1:1型 綠泥石的結(jié)構(gòu)單位層由一層2:1型云母層和一層水鎂石片組成 云母層帶負(fù)電，水鎂石片帶正電，二種片體靠靜電引力結(jié)合在一起，并維持電中性。 在沉積巖中，綠泥石常與蒙石，蛭石等粘土礦物共存，形成間層礦物。74間層粘土間層粘土(mixed layer clay) 結(jié)構(gòu)：由兩種或兩種以上粘土單位層相間堆疊結(jié)構(gòu)：由兩種或兩種以上粘土單位層相間堆疊而成。而成。 分類(lèi)：規(guī)則間層和不規(guī)則間層。分類(lèi)：規(guī)則間層和不規(guī)則間層。 常見(jiàn)：伊常見(jiàn)：伊/蒙間層和綠蒙間層和綠/蒙間層。蒙間層。 特性：介于組分之間，取之于間層比，分散性特性：介于組分之間，取之于間層比，分散性強(qiáng)。強(qiáng)

47、。75海泡石、凹凸棒石海泡石、凹凸棒石 結(jié)構(gòu)：層鏈狀結(jié)構(gòu)：層鏈狀 纖維狀粘土纖維狀粘土 形象比喻：藕形象比喻：藕特性：特性：（1）水化分散差，但機(jī)械剪）水化分散差，但機(jī)械剪切可配漿切可配漿（2）抗溫性好）抗溫性好（3）抗鹽性好，稱(chēng)為抗鹽土）抗鹽性好，稱(chēng)為抗鹽土76坡縷石晶體構(gòu)造示意圖坡縷石晶體構(gòu)造示意圖 7778 課課 程程 小小 結(jié)結(jié)C軸間距軸間距層間陽(yáng)離子層間陽(yáng)離子79第二節(jié)、粘土的電性和離子交換吸附第二節(jié)、粘土的電性和離子交換吸附一、粘土晶體的電荷及其來(lái)源一、粘土晶體的電荷及其來(lái)源1. 永久負(fù)電荷永久負(fù)電荷 構(gòu)造電荷構(gòu)造電荷來(lái)源：晶格取代產(chǎn)生過(guò)剩負(fù)電荷。來(lái)源：晶格取代產(chǎn)生過(guò)剩負(fù)電荷。 如

48、：如：四面體：四面體：Al3+ Si4+；八面體：八面體：Mg2+ Ai3+。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 永久負(fù)電荷主要受晶格取代影響，不受永久負(fù)電荷主要受晶格取代影響，不受PH影響。影響。 蒙脫石的永久負(fù)電荷：主要來(lái)源于蒙脫石的永久負(fù)電荷：主要來(lái)源于鋁氧八面體，少部分來(lái)源于硅氧鋁氧八面體，少部分來(lái)源于硅氧四面體。四面體。 伊利石的永久負(fù)電荷：主要來(lái)源于硅氧四面體，少部分來(lái)源于鋁氧伊利石的永久負(fù)電荷：主要來(lái)源于硅氧四面體，少部分來(lái)源于鋁氧八面體。八面體。 高嶺石幾乎無(wú)永久負(fù)電荷。高嶺石幾乎無(wú)永久負(fù)電荷。 永久負(fù)電荷大小排序：永久負(fù)電荷大小排序： 伊利石伊利石蒙脫石蒙脫石高嶺石。高嶺石。 永久負(fù)電荷主要分布在

49、粘土晶層層面上。永久負(fù)電荷主要分布在粘土晶層層面上。802 . 可變負(fù)電荷可變負(fù)電荷 表面電荷表面電荷來(lái)源：來(lái)源： 晶體端面的晶體端面的Al OH鍵，鍵， 例如：在堿性條件：例如：在堿性條件： 表面吸附表面吸附OH-、SiO3 2-等無(wú)機(jī)陰離子，或有機(jī)陰離子聚等無(wú)機(jī)陰離子，或有機(jī)陰離子聚電解質(zhì)。電解質(zhì)。Al O-. H+OH-SiO3 2-813. 正電荷正電荷 表面電荷表面電荷來(lái)源：當(dāng)來(lái)源：當(dāng)PH7.3時(shí)時(shí), Al O H -Al+OH-特點(diǎn)特點(diǎn): 受環(huán)境受環(huán)境PH值影響值影響 。 正電荷正電荷 3000C，釋放出結(jié)晶水。，釋放出結(jié)晶水。2. 吸附水（束縛水）吸附水（束縛水）定義：由于分子間

50、力和靜電引力吸附極性水分子而在粘定義：由于分子間力和靜電引力吸附極性水分子而在粘土表面上形成的一層水化膜。土表面上形成的一層水化膜。特點(diǎn)：溫度特點(diǎn)：溫度1100C，釋放出吸附水。包括：薄膜水、毛，釋放出吸附水。包括：薄膜水、毛細(xì)管水、膠體水。細(xì)管水、膠體水。3. 自由水自由水定義：粘土顆粒孔隙或孔道中存在的可自由運(yùn)動(dòng)的水。定義：粘土顆?？紫痘蚩椎乐写嬖诘目勺杂蛇\(yùn)動(dòng)的水。86二、粘土的水化和水化膨脹二、粘土的水化和水化膨脹1.粘土水化粘土水化粘土遇水產(chǎn)生體積膨脹以致分散成更小顆粒的現(xiàn)象含義：水化膨脹體積增大 水化分散-顆粒更小粘土收縮粘土收縮 在高溫作用下，粘土礦物吸附的水分子逐在高溫作用下，粘

51、土礦物吸附的水分子逐漸蒸發(fā)，其體積由大變小的過(guò)程。漸蒸發(fā)，其體積由大變小的過(guò)程。872. 引起粘土礦物水化的原因引起粘土礦物水化的原因 直接吸直接吸引水分子產(chǎn)生水化引水分子產(chǎn)生水化 土粒帶負(fù)電，水土粒帶負(fù)電，水分子極化、定向、濃集于土粒表面；水與粘土分子極化、定向、濃集于土粒表面；水與粘土表面的氧和氫氧形成氫鍵。表面的氧和氫氧形成氫鍵。 間接吸引水分子產(chǎn)生水化間接吸引水分子產(chǎn)生水化 吸附陽(yáng)離子的水吸附陽(yáng)離子的水化給粘土顆粒帶來(lái)水化膜?；o粘土顆粒帶來(lái)水化膜。88吸水膨脹性 當(dāng)干粘土與水接觸時(shí)，粘土體積會(huì)比原來(lái)增加，如果體積增加顯著，則稱(chēng)之膨脹性粘土，反之則稱(chēng)為非膨脹性粘土。 蒙脫石是一種典型的

52、膨脹性粘土礦物，這是它的晶格取代適中所致。 鈉蒙脫石的水化膨脹比鈣蒙脫石強(qiáng)。 粘土的吸水膨脹性，其實(shí)質(zhì)就是粘土的晶層與晶層的間距變大，從而發(fā)生層間膨脹。 膨脹性粘土就是指能發(fā)生層間膨脹的粘土 非膨脹性粘土則是不能發(fā)生層間膨脹的粘土。893 水化膨脹機(jī)理:表面水化：粘土表面吸滿(mǎn)兩層水分子（顆粒間的短程作用）滲透水化：粘土表面吸滿(mǎn)兩層水分子后的水化作用（顆粒間的長(zhǎng)程作用） 表面水化 滲透水化 吸水層數(shù) 兩層以?xún)?nèi) 兩層以外的水水的性質(zhì) 強(qiáng)結(jié)合水 固態(tài)水 弱結(jié)合水 滲透水 密度1.3g/cm3動(dòng)力 表面的水化能 雙電層斥力膨脹壓力 20004000atm 幾十0.1atm膨脹體積 100% 幾倍膨脹壓

53、：防止粘土遇水發(fā)生膨脹所需要的壓力膨脹性粘土:水化作用能在顆粒的內(nèi)外表面發(fā)生非膨脹性粘土:水化作用只能在顆粒的外表面發(fā)生90滲透水化膨脹與雙電層斥力滲透水化膨脹與雙電層斥力 91一般, 粘土表面是已經(jīng)表面水化的滲透水化是能人為控制和調(diào)節(jié)的影響水化的因素:粘土礦物本性和種類(lèi)蒙脫石：晶層聯(lián)結(jié)力 范氏引力，弱，能在晶層間發(fā)生水化伊利石：晶層聯(lián)結(jié)力 范氏引力+強(qiáng)的靜電引力+K嵌力，強(qiáng)，不能在晶層間發(fā)生水化高嶺石：晶層聯(lián)結(jié)力 范氏引力氫鍵力，強(qiáng)，不能在晶層間發(fā)生水化顆粒大小介質(zhì)環(huán)境(含鹽量和pH)92粘土水化的影響因素粘土水化的影響因素 粘土晶體部位不同，水化強(qiáng)度也不同粘土晶體部位不同，水化強(qiáng)度也不同

54、層面上水化膜厚，端面上薄。層面上水化膜厚，端面上薄。 粘土礦物不同，水化作用的強(qiáng)弱不同粘土礦物不同，水化作用的強(qiáng)弱不同 蒙脫石、間層粘土、伊利石、高嶺石蒙脫石、間層粘土、伊利石、高嶺石 泥漿中可溶性鹽類(lèi)及泥漿處理劑的影響泥漿中可溶性鹽類(lèi)及泥漿處理劑的影響 可溶性鹽類(lèi)，減低可溶性鹽類(lèi)，減低 電位電位 有機(jī)處理劑的親水基團(tuán)，被粘土吸附后形成較大的水化有機(jī)處理劑的親水基團(tuán)，被粘土吸附后形成較大的水化膜。膜。 不同的交換性陽(yáng)離子對(duì)粘土水化的影響不同的交換性陽(yáng)離子對(duì)粘土水化的影響Ca2+ max17A, Na+ max 40A93鈉蒙脫石水化示意圖鈉蒙脫石水化示意圖94鈣蒙脫石水化示意圖鈣蒙脫石水化示意

55、圖95水化分散性蒙脫石粘土吸水膨脹后，晶層C軸距增大，晶層間的范德華引力顯著減少，在有大量水存在時(shí)，晶片較易分散在水中，固而蒙脫石具有較強(qiáng)的水化分散性，尤其是鈉蒙脫石，它在水中甚至有相當(dāng)大的一部分可以分散到單位層的厚度。96第四節(jié)第四節(jié) 粘土粘土-水界面的擴(kuò)散雙電層理論水界面的擴(kuò)散雙電層理論(the electric-double layer at clay-water interface)一、電動(dòng)現(xiàn)象一、電動(dòng)現(xiàn)象萊斯實(shí)驗(yàn)萊斯實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)中觀察到兩個(gè)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)中觀察到兩個(gè)現(xiàn)象：（1） 粘土顆粒通過(guò)細(xì)砂層向陽(yáng)極移動(dòng)，并粘土顆粒通過(guò)細(xì)砂層向陽(yáng)極移動(dòng)，并沉積起來(lái)。沉積起來(lái)。（2）水通過(guò)粘土團(tuán)塊的毛細(xì)管

56、向陰極流動(dòng)。）水通過(guò)粘土團(tuán)塊的毛細(xì)管向陰極流動(dòng)。 總結(jié)這兩種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得到兩個(gè)概念：總結(jié)這兩種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得到兩個(gè)概念： 電泳：在電場(chǎng)作用下，分散相微粒在介電泳：在電場(chǎng)作用下，分散相微粒在介質(zhì)中向某一電極移動(dòng)的現(xiàn)象。質(zhì)中向某一電極移動(dòng)的現(xiàn)象。 電滲：在電場(chǎng)作用下，液體對(duì)固定的帶電滲：在電場(chǎng)作用下，液體對(duì)固定的帶電荷的固體表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象電荷的固體表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。顯然，電泳和電滲都是外加直流電場(chǎng)于膠顯然，電泳和電滲都是外加直流電場(chǎng)于膠體體系引起的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象體體系引起的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。土粒土粒水水電電泳泳電電滲滲+-97二、粘土二、粘土-水界面的擴(kuò)散雙電層理論水界面的擴(kuò)散雙電層理論(the electric-double layer at clay-water interface)擴(kuò)散雙電層的形成與結(jié)構(gòu)擴(kuò)散雙電層的形成與結(jié)構(gòu) 膠體顆粒帶電，在其周?chē)植寄z體顆粒帶電，在其周?chē)植贾姾蓴?shù)相等的反離子，在著電荷數(shù)相等的反離子，在固固液界面形成雙電層。液界面形成雙電層。 雙電層中的反離子，一方面受雙電層中的反離子，一方面受到固面電荷的吸引，不能遠(yuǎn)離到固面電荷的吸引，不能遠(yuǎn)離固面，另一方面，由于反離子固面，另一方面，由于反離子的熱運(yùn)動(dòng)，又有擴(kuò)散到液相內(nèi)的熱運(yùn)動(dòng)，又有擴(kuò)散到液相內(nèi)部去