鉆井液與完井液化學(xué)

1、第一篇第一篇 鉆井化學(xué)鉆井化學(xué) 鉆井化學(xué)是油田化學(xué)的一部分。鉆井化學(xué)是油田化學(xué)的一部分。 鉆井化學(xué)是鉆井工程學(xué)與化學(xué)之間的邊緣科學(xué)。鉆井化學(xué)是鉆井工程學(xué)與化學(xué)之間的邊緣科學(xué)。鉆井化學(xué)是研究如何用化學(xué)方法解決鉆井和固井過程中遇到的問題。鉆井化學(xué)是研究如何用化學(xué)方法解決鉆井和固井過程中遇到的問題。 由于鉆井過程和固井過程中遇到的問題主要來自鉆井液和水泥漿，由于鉆井過程和固井過程中遇到的問題主要來自鉆井液和水泥漿，因此鉆井化學(xué)可分為鉆井液化學(xué)和水泥漿化學(xué)。因此鉆井化學(xué)可分為鉆井液化學(xué)和水泥漿化學(xué)。 鉆井液化學(xué)鉆井液化學(xué)是通過研究鉆井液的組成、性能及其控制與調(diào)整，達(dá)到優(yōu)是通過研究鉆井液的組成、性能及其

2、控制與調(diào)整，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、快速、安全、經(jīng)濟(jì)地鉆井的目的。在鉆井液性能的控制與調(diào)整中，化質(zhì)、快速、安全、經(jīng)濟(jì)地鉆井的目的。在鉆井液性能的控制與調(diào)整中，化學(xué)法是重要的方法。為了掌握這一方法，必須了解各種鉆井液處理劑的類學(xué)法是重要的方法。為了掌握這一方法，必須了解各種鉆井液處理劑的類型、結(jié)構(gòu)、性能及其作用機(jī)理，這是鉆井液化學(xué)的主要組成部分。型、結(jié)構(gòu)、性能及其作用機(jī)理，這是鉆井液化學(xué)的主要組成部分。 水泥漿化學(xué)水泥漿化學(xué)是通過研究水泥漿的組成、性能及其控制與調(diào)整，達(dá)是通過研究水泥漿的組成、性能及其控制與調(diào)整，達(dá)到封隔漏失層、復(fù)雜地層和保護(hù)產(chǎn)層、套管的目的。因此，水泥漿外到封隔漏失層、復(fù)雜地層和保護(hù)產(chǎn)層、套

3、管的目的。因此，水泥漿外加劑和外摻料的類型、結(jié)構(gòu)、性能及其作用機(jī)理成為水泥漿化學(xué)的主加劑和外摻料的類型、結(jié)構(gòu)、性能及其作用機(jī)理成為水泥漿化學(xué)的主要組成部分。要組成部分。粘土是配制鉆井液的重要原材料，它的主體礦物為粘土礦粘土是配制鉆井液的重要原材料，它的主體礦物為粘土礦物，粘土礦物的結(jié)構(gòu)和基本特性與鉆井液的性能及其控制與調(diào)整密切物，粘土礦物的結(jié)構(gòu)和基本特性與鉆井液的性能及其控制與調(diào)整密切相關(guān)，所以在學(xué)習(xí)鉆井液化學(xué)之前，應(yīng)對粘土礦物的結(jié)構(gòu)和基本特性相關(guān)，所以在學(xué)習(xí)鉆井液化學(xué)之前，應(yīng)對粘土礦物的結(jié)構(gòu)和基本特性有一個基本了解。因此，在本篇中，將粘土礦物編成一章，而鉆井液有一個基本了解。因此，在本篇中，

4、將粘土礦物編成一章，而鉆井液化學(xué)和水泥漿化學(xué)分別編成另外兩章?；瘜W(xué)和水泥漿化學(xué)分別編成另外兩章。1.1 鉆井液的功用、類型和組成 1.2 鉆井液性能及其測試 1.3 鉆井液技術(shù)的發(fā)展概況 第一章第一章 鉆井液化鉆井液化學(xué)學(xué)第一節(jié)第一節(jié) 鉆井液概鉆井液概論論鉆井液鉆井液(Drilling Fluids)是指油氣鉆井過程中以其多種是指油氣鉆井過程中以其多種功能滿足鉆井工作需要的各種循環(huán)流體的總稱。鉆井液又功能滿足鉆井工作需要的各種循環(huán)流體的總稱。鉆井液又稱鉆井泥漿稱鉆井泥漿(Drilling Muds)，或簡稱為泥漿，或簡稱為泥漿(Muds)。 l鉆井液的功用鉆井液的功用1.1 鉆井液的功用、類型

5、和組成鉆井液的功用、類型和組成 鉆井液工藝技術(shù)是油氣鉆井工程的重要組成部分。隨著鉆井液工藝技術(shù)是油氣鉆井工程的重要組成部分。隨著鉆井難度的逐漸增大，該項技術(shù)在確保安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆鉆井難度的逐漸增大，該項技術(shù)在確保安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井中起著越來越重要的作用。鉆井液最基本的功用有以下幾井中起著越來越重要的作用。鉆井液最基本的功用有以下幾點(diǎn)：點(diǎn)：攜帶和懸浮巖屑；攜帶和懸浮巖屑；穩(wěn)定井壁和平衡地層壓力；穩(wěn)定井壁和平衡地層壓力；冷卻和潤滑鉆頭、鉆具；冷卻和潤滑鉆頭、鉆具；傳遞水動力；傳遞水動力；為了防止和盡可能減少對油氣層的損害，現(xiàn)代鉆井技術(shù)還要求為了防止和盡可能減少對油氣層的損害，現(xiàn)代鉆井技術(shù)還要求

6、鉆井液必須與所鉆遇的油氣層相配伍，滿足保護(hù)油氣層的要求；鉆井液必須與所鉆遇的油氣層相配伍，滿足保護(hù)油氣層的要求；為了滿足地質(zhì)上的要求，所使用的鉆井液必須有利于地層測試，為了滿足地質(zhì)上的要求，所使用的鉆井液必須有利于地層測試，不影響對地層的評價；不影響對地層的評價；鉆井液還應(yīng)對鉆井人員及環(huán)境不發(fā)生傷害和污染，對井下工具鉆井液還應(yīng)對鉆井人員及環(huán)境不發(fā)生傷害和污染，對井下工具及地面裝備不腐蝕或盡可能減輕腐蝕。及地面裝備不腐蝕或盡可能減輕腐蝕。 1. 分散鉆井液（分散鉆井液（Dispersed Drilling Fluids） 分散鉆井液是指用淡水、膨潤土和各種對粘土與鉆屑分散鉆井液是指用淡水、膨潤土

7、和各種對粘土與鉆屑起分散作用的處理劑（簡稱為分散劑）配制成的水基鉆井起分散作用的處理劑（簡稱為分散劑）配制成的水基鉆井液。其主要特點(diǎn)是：液。其主要特點(diǎn)是：可容納較多的固相，較適于配制高密度鉆井液；可容納較多的固相，較適于配制高密度鉆井液；容易在井壁上形成較致密的泥餅，故其濾失量一般較低；容易在井壁上形成較致密的泥餅，故其濾失量一般較低；某些分散鉆井液，栲膠、磺化酚醛村脂作為主要處理劑的三磺某些分散鉆井液，栲膠、磺化酚醛村脂作為主要處理劑的三磺鉆井液具有較強(qiáng)的抗溫能力，適于在深井和超深井中使用。鉆井液具有較強(qiáng)的抗溫能力，適于在深井和超深井中使用。除抑制性和抗污染能力較差外，還因體系中固相含量高，

8、對提除抑制性和抗污染能力較差外，還因體系中固相含量高，對提高鉆速和保護(hù)油氣層均有不利的影響。高鉆速和保護(hù)油氣層均有不利的影響。l鉆井液的類型鉆井液的類型2. 鈣處理鉆井液（鈣處理鉆井液（Calcium-treated Drilling Fluids） 鈣處理鉆井液的組成特點(diǎn)是體系中同時含有一定濃度鈣處理鉆井液的組成特點(diǎn)是體系中同時含有一定濃度（質(zhì)量濃度）的（質(zhì)量濃度）的Ca2+和分散劑。和分散劑。Ca2+通過與水化作用很強(qiáng)通過與水化作用很強(qiáng)的鈉膨潤土發(fā)生離子交換，使一部分鈉膨潤土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}膨的鈉膨潤土發(fā)生離子交換，使一部分鈉膨潤土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}膨潤土，從而減弱水化的程度。分散劑中的作用是防止?jié)櫷粒瑥亩?/p>

9、減弱水化的程度。分散劑中的作用是防止Ca2+引起體系中的粘土顆粒絮凝過度，使其保持在適度絮凝的引起體系中的粘土顆粒絮凝過度，使其保持在適度絮凝的狀態(tài)，以保證鉆井液具有良好、穩(wěn)定的性能。狀態(tài)，以保證鉆井液具有良好、穩(wěn)定的性能。這類鉆井液的特點(diǎn)是，抗鹽、鈣污染的能力較強(qiáng)；并這類鉆井液的特點(diǎn)是，抗鹽、鈣污染的能力較強(qiáng)；并且對所鉆地層中的粘土有抑制其水化分散的作用，因此可且對所鉆地層中的粘土有抑制其水化分散的作用，因此可在一定程度上控制頁巖坍塌和井徑擴(kuò)大，同時能減輕對油在一定程度上控制頁巖坍塌和井徑擴(kuò)大，同時能減輕對油氣層的損害。氣層的損害。 3. 鹽水鉆井液（鹽水鉆井液（Saltwater Dril

10、ling Fluids） 鹽水鉆井液是用鹽水（或海水）配制而成的。在含鹽量鹽水鉆井液是用鹽水（或海水）配制而成的。在含鹽量從從1%（Cl-質(zhì)量濃度為質(zhì)量濃度為6000mg/L）直至飽和（）直至飽和（Cl-質(zhì)量濃度質(zhì)量濃度為為189000mg/L）之前的整個范圍內(nèi)都屬于此種類型。鹽水）之前的整個范圍內(nèi)都屬于此種類型。鹽水鉆井液也是一類對粘土水化有較強(qiáng)抑制作用的鉆井液。鉆井液也是一類對粘土水化有較強(qiáng)抑制作用的鉆井液。4. 飽和鹽水鉆井液（飽和鹽水鉆井液（Saturated Saltwater Drilling Fluids） 是指鉆井液中是指鉆井液中NaCl含量達(dá)到飽和時的鹽水鉆井液體系。含量達(dá)到

11、飽和時的鹽水鉆井液體系。它可以用飽和鹽水配成，亦可先配成鉆井液再加鹽至飽和。它可以用飽和鹽水配成，亦可先配成鉆井液再加鹽至飽和。飽和鹽水鉆井液主要用于鉆其它水基鉆井液難以對付的大飽和鹽水鉆井液主要用于鉆其它水基鉆井液難以對付的大段巖鹽層和復(fù)雜的鹽膏層，也可作為完井液和修井液使用。段巖鹽層和復(fù)雜的鹽膏層，也可作為完井液和修井液使用。 5. 聚合物鉆井液（聚合物鉆井液（Polymer Drilling Fluids） 聚合物鉆井液是以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚聚合物鉆井液是以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作為主處理劑的水基鉆井液。其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：合物作為主處理劑的水基鉆井液。其主要優(yōu)

12、點(diǎn)表現(xiàn)在：鉆井液密度和固相含量低，因而鉆進(jìn)速度可明顯提高，對油氣層鉆井液密度和固相含量低，因而鉆進(jìn)速度可明顯提高，對油氣層的損害程度也較?。坏膿p害程度也較??；剪切稀釋特性強(qiáng)。在一定泵排量下，環(huán)空流體的粘度、切力較高，剪切稀釋特性強(qiáng)。在一定泵排量下，環(huán)空流體的粘度、切力較高，因此具有較強(qiáng)的攜帶巖屑的能力；而在鉆頭噴嘴處的高剪切速率因此具有較強(qiáng)的攜帶巖屑的能力；而在鉆頭噴嘴處的高剪切速率下，流體的流動阻力較小，有利于提高鉆速；下，流體的流動阻力較小，有利于提高鉆速；聚合物處理劑具有較強(qiáng)的包被和抑制分散的作用，因此有利于保聚合物處理劑具有較強(qiáng)的包被和抑制分散的作用，因此有利于保持井壁穩(wěn)定。持井壁穩(wěn)定

13、。6. 鉀基聚合物鉆井液（鉀基聚合物鉆井液（Potassium-based Polymer Drilling Fluids） 鉀基聚合物鉆井液是一類以各種聚合物的鉀（或銨、鈣）鉀基聚合物鉆井液是一類以各種聚合物的鉀（或銨、鈣）鹽和鹽和KCl為主處理劑的防塌鉆井液。在各種常見無機(jī)鹽中，為主處理劑的防塌鉆井液。在各種常見無機(jī)鹽中，以以KCl抑制粘土水化分散的效果為最好；而聚合物處理劑的抑制粘土水化分散的效果為最好；而聚合物處理劑的存在使該類鉆井液具有聚合物鉆井液的各種優(yōu)良特性。因此，存在使該類鉆井液具有聚合物鉆井液的各種優(yōu)良特性。因此，在鉆遇泥頁巖地層時，使用它可以取得比較理想的防塌效果。在鉆遇泥

14、頁巖地層時，使用它可以取得比較理想的防塌效果。7. 油基鉆井液（油基鉆井液（Oil-based Drilling Fluids） 以油（通常使用柴油或礦物油）作為連續(xù)相的鉆井液以油（通常使用柴油或礦物油）作為連續(xù)相的鉆井液稱做油基鉆井液。油基鉆井液的主要特點(diǎn)是能抗高溫，有稱做油基鉆井液。油基鉆井液的主要特點(diǎn)是能抗高溫，有很強(qiáng)的抑制性和抗鹽、鈣污染的能力，潤滑性好，并可有很強(qiáng)的抑制性和抗鹽、鈣污染的能力，潤滑性好，并可有效地減輕對油氣層的損害等。但另一方面，由于其配制成效地減輕對油氣層的損害等。但另一方面，由于其配制成本較高，以及使用時會對環(huán)境造成一定污染，因而使其應(yīng)本較高，以及使用時會對環(huán)境造

15、成一定污染，因而使其應(yīng)用受到一定的限制。用受到一定的限制。 8. 合成基鉆井液（合成基鉆井液（Synthetic Drilling Fluids） 合成基鉆井液是以合成的有機(jī)化合物作為連續(xù)相，鹽合成基鉆井液是以合成的有機(jī)化合物作為連續(xù)相，鹽水作為分散相，并含有乳化劑、降濾失劑、流型改進(jìn)劑的水作為分散相，并含有乳化劑、降濾失劑、流型改進(jìn)劑的一類新型鉆井液。由于使用無毒并且能夠生物降解的非水一類新型鉆井液。由于使用無毒并且能夠生物降解的非水溶性有機(jī)物取代了油基鉆井液中通常使用的柴油，因此這溶性有機(jī)物取代了油基鉆井液中通常使用的柴油，因此這類鉆井液既保持了油基鉆井液的各種優(yōu)良特性，同時又能類鉆井液既

16、保持了油基鉆井液的各種優(yōu)良特性，同時又能大大減輕鉆井液排放時對環(huán)境造成的不良影響，尤其適用大大減輕鉆井液排放時對環(huán)境造成的不良影響，尤其適用于海上鉆井。于海上鉆井。9. 氣體型鉆井流體氣體型鉆井流體(Gas-typed Drilling Fluids) 氣體型鉆井流體主要適用于鉆低壓油氣層、易漏失地氣體型鉆井流體主要適用于鉆低壓油氣層、易漏失地層以及某些稠油油層。其特點(diǎn)是密度低，鉆速快，可有效層以及某些稠油油層。其特點(diǎn)是密度低，鉆速快，可有效保護(hù)油氣層，并能有效防止井漏等復(fù)雜情況的發(fā)生。通常保護(hù)油氣層，并能有效防止井漏等復(fù)雜情況的發(fā)生。通常又將氣體型鉆井流體分為以下又將氣體型鉆井流體分為以下4

17、種類型：種類型：空氣或天然氣鉆井流體空氣或天然氣鉆井流體(Air/Natural Gas Drilling Fluids)霧狀鉆井流體霧狀鉆井流體(Mist Gas Drilling Fluids)泡沫鉆井流體泡沫鉆井流體(Foam Drilling Fluids)充氣鉆井液充氣鉆井液(Aerated Drilling Fluids)10. 保護(hù)油氣層的鉆井液（保護(hù)油氣層的鉆井液（Drilling-in Fluids） 這是指在儲層中鉆進(jìn)時使用的一類鉆井液。當(dāng)一口井這是指在儲層中鉆進(jìn)時使用的一類鉆井液。當(dāng)一口井鉆達(dá)其目的層時，所設(shè)計的鉆井液不僅應(yīng)能滿足鉆井工程鉆達(dá)其目的層時，所設(shè)計的鉆井液不僅

18、應(yīng)能滿足鉆井工程和地質(zhì)的要求，而且還應(yīng)滿足保護(hù)油氣層的需要。比如，和地質(zhì)的要求，而且還應(yīng)滿足保護(hù)油氣層的需要。比如，鉆井液密度和流變參數(shù)應(yīng)調(diào)整至合理范圍，濾失量應(yīng)盡可鉆井液密度和流變參數(shù)應(yīng)調(diào)整至合理范圍，濾失量應(yīng)盡可能低，所選用的處理劑應(yīng)與油氣層相配伍，以及選用適合能低，所選用的處理劑應(yīng)與油氣層相配伍，以及選用適合的暫堵劑等。的暫堵劑等。l鉆井液的組成鉆井液的組成圖1-1 水基鉆井液的典型組成（=1.32g/cm3） 圖1-2 油基鉆井液的典型組成(=1.32g/cm3)1柴油，0.54；2CaCl2或NaCl，0.04；3水，0.30；4低密度固體（粘土、鉆屑、不溶性添加劑等），0.03；5

19、高密度固體，0.09。（以上均是體積分?jǐn)?shù)）鉆井液密度是用一種專門設(shè)計的鉆井液比重秤（鉆井液密度是用一種專門設(shè)計的鉆井液比重秤（Mud Balance）測得的，比重秤的外觀如圖）測得的，比重秤的外觀如圖1-3所示。測定時，首所示。測定時，首先在泥漿杯中盛滿鉆井液，蓋上計量蓋，然后用棉紗擦凈從先在泥漿杯中盛滿鉆井液，蓋上計量蓋，然后用棉紗擦凈從計量蓋小孔溢出的鉆井液。再將比重秤刀口放置在底部的刀計量蓋小孔溢出的鉆井液。再將比重秤刀口放置在底部的刀墊上，不斷移動游碼，直至水平泡位居兩條線的中央。此時墊上，不斷移動游碼，直至水平泡位居兩條線的中央。此時游碼左側(cè)的刻度即表示所測量鉆井液的密度。游碼左側(cè)的

20、刻度即表示所測量鉆井液的密度。 1.2 鉆井液性能及其測試鉆井液性能及其測試 l鉆井液密度鉆井液密度圖1-3 鉆井液比重秤構(gòu)造圖1秤桿；2主刀口；3泥漿杯；4杯蓋；5校正筒；6游碼；7底座；8主刀墊；9擋壁 鉆井液的流變性（鉆井液的流變性（Rheological Properties of Drilling Fluids）是指鉆井液流動和變形的特性。）是指鉆井液流動和變形的特性。l鉆井液的流變性鉆井液的流變性在鉆井過程中，當(dāng)鉆頭鉆過滲透性地層時，由于鉆井在鉆井過程中，當(dāng)鉆頭鉆過滲透性地層時，由于鉆井液的液柱壓力一般總是大于地層孔隙壓力，在壓差作用下，液的液柱壓力一般總是大于地層孔隙壓力，在壓差

21、作用下，鉆井液的液體便會滲入地層，這種特性常稱為鉆井液的濾鉆井液的液體便會滲入地層，這種特性常稱為鉆井液的濾失性（失性（Filtration Properties of Drilling Fluids）。在液體發(fā)）。在液體發(fā)生滲濾的同時，鉆井液中的固相顆粒會附著并沉積在井壁生滲濾的同時，鉆井液中的固相顆粒會附著并沉積在井壁上形成一層泥餅（上形成一層泥餅（Mud Cake）。在鉆井液工藝中，通常）。在鉆井液工藝中，通常用一個重要參數(shù)用一個重要參數(shù)濾失量（濾失量（Water Loss or Filtration Rate）來表征鉆井液的滲濾速率。來表征鉆井液的滲濾速率。 l鉆井液的濾失造壁性鉆井液

22、的濾失造壁性1鉆井液的鉆井液的pH值值 通常用鉆井液濾液的通常用鉆井液濾液的pH值表示鉆井液的酸堿性。值表示鉆井液的酸堿性。2鉆井液的堿度鉆井液的堿度 堿度是指溶液或懸浮體對酸的中和能力。堿度是指溶液或懸浮體對酸的中和能力。 l鉆井液的鉆井液的pH值和堿性值和堿性為了建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為了建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，API選用酚酞和甲基橙兩種指示選用酚酞和甲基橙兩種指示劑來評價鉆井液及其濾液堿性的強(qiáng)弱。酚酞的變色點(diǎn)為劑來評價鉆井液及其濾液堿性的強(qiáng)弱。酚酞的變色點(diǎn)為pH=8.3。在進(jìn)行滴定的過程中，當(dāng)。在進(jìn)行滴定的過程中，當(dāng)pH值降至該值時，酚酞值降至該值時，酚酞即由紅色變?yōu)闊o色。因此，能夠使即由紅色變?yōu)闊o色

23、。因此，能夠使pH值降至值降至8.3所需的酸量所需的酸量被稱做酚酞堿度（被稱做酚酞堿度（Phenolphthalein Alkalinity）。鉆井液及）。鉆井液及其濾液的酚酞堿度分別用符號其濾液的酚酞堿度分別用符號Pm和和Pf表示。表示。甲基橙的變色點(diǎn)為甲基橙的變色點(diǎn)為pH=4.3。當(dāng)。當(dāng)pH值降至該值時，甲基值降至該值時，甲基橙由黃色為橙紅色，能使橙由黃色為橙紅色，能使pH值降至值降至4.3所需的酸量，則被稱所需的酸量，則被稱做甲基橙堿度（做甲基橙堿度（Methyl Orange Alkalinity）。鉆井液及其濾）。鉆井液及其濾液的甲基橙堿度分別用符號液的甲基橙堿度分別用符號Mm和和M

24、f表示。表示。按按API推薦的試驗方法，對推薦的試驗方法，對Pm、Pf和和Mf分別進(jìn)行測定。分別進(jìn)行測定。并規(guī)定，以上三種堿度的值，均以滴定并規(guī)定，以上三種堿度的值，均以滴定1ml樣品（鉆井液或樣品（鉆井液或其濾液）所需其濾液）所需0.02N(0.04M)H2SO4的毫升數(shù)來表示，毫升單的毫升數(shù)來表示，毫升單位?？墒÷浴Ｎ怀？墒÷?。測定堿度的另一目的是根據(jù)測得的測定堿度的另一目的是根據(jù)測得的Pf和和Pm值，確定鉆井值，確定鉆井液中懸浮固相的儲備堿度液中懸浮固相的儲備堿度(Reserve Alkalinity)。所謂儲備堿。所謂儲備堿度，主要是指未溶石灰構(gòu)成的堿度。度，主要是指未溶石灰構(gòu)成的堿度

25、。當(dāng)當(dāng)pH值降低時，石灰會不斷溶解，這樣一方面可為鈣值降低時，石灰會不斷溶解，這樣一方面可為鈣處理鉆井液不斷地提供處理鉆井液不斷地提供Ca2+，另一方面有利于使鉆井液的，另一方面有利于使鉆井液的pH值保持穩(wěn)定。鉆井液的儲備堿度通常用體系中未溶值保持穩(wěn)定。鉆井液的儲備堿度通常用體系中未溶Ca(OH)2的含量表示，其計算式為的含量表示，其計算式為 儲備堿度（儲備堿度（kg/m3）=0.742(Pm-fwPf)式中式中fw鉆井液中水的體積分?jǐn)?shù)。鉆井液中水的體積分?jǐn)?shù)。 鉆井液含砂量是指鉆井液中不能通過鉆井液含砂量是指鉆井液中不能通過200目篩網(wǎng)，即粒徑目篩網(wǎng)，即粒徑大于大于74m的砂粒占鉆井液總體積的

26、百分?jǐn)?shù)。含砂量過大會對的砂粒占鉆井液總體積的百分?jǐn)?shù)。含砂量過大會對鉆井過程造成以下危害：鉆井過程造成以下危害：使鉆井液密度增大，對提高鉆速不利；使鉆井液密度增大，對提高鉆速不利；使形成的泥餅松軟，導(dǎo)致濾失量增大，不利于井壁穩(wěn)定，并影響使形成的泥餅松軟，導(dǎo)致濾失量增大，不利于井壁穩(wěn)定，并影響固井質(zhì)量；固井質(zhì)量；泥餅中粗砂含量過高會使泥餅的摩擦系數(shù)增大，容易造成壓差卡泥餅中粗砂含量過高會使泥餅的摩擦系數(shù)增大，容易造成壓差卡鉆；鉆；增加對鉆頭和鉆具的磨損，縮短其使用壽命。增加對鉆頭和鉆具的磨損，縮短其使用壽命。 l鉆井液含砂量鉆井液含砂量 鉆井液固相含量通常用鉆井液中全部固相的體積占鉆井鉆井液固相含

27、量通常用鉆井液中全部固相的體積占鉆井液總體積的百分?jǐn)?shù)來表示。液總體積的百分?jǐn)?shù)來表示。1鉆井液中固相的類型鉆井液中固相的類型 凡是容易發(fā)生水化作用或易與液相中某些組分發(fā)生反應(yīng)凡是容易發(fā)生水化作用或易與液相中某些組分發(fā)生反應(yīng)的稱為活性固相，反之則稱為惰性固相。前者主要指膨潤土，的稱為活性固相，反之則稱為惰性固相。前者主要指膨潤土，后者包括石英、長石、重晶石以及造漿率極低的粘土等。除后者包括石英、長石、重晶石以及造漿率極低的粘土等。除重晶石外，其余的惰性固相均被認(rèn)為是有害固相，是需要盡重晶石外，其余的惰性固相均被認(rèn)為是有害固相，是需要盡可能加以清除的物質(zhì)?？赡芗右郧宄奈镔|(zhì)。 l鉆井液固相含量鉆井液

28、固相含量2鉆井液固相含量與井下安全的關(guān)系鉆井液固相含量與井下安全的關(guān)系 過高的固相含量往往對井下安全造成很大的危害，其表過高的固相含量往往對井下安全造成很大的危害，其表現(xiàn)主要有以下幾個方面：現(xiàn)主要有以下幾個方面：使鉆井液流變性能不穩(wěn)定，粘度、切力偏高，流動性和攜巖效使鉆井液流變性能不穩(wěn)定，粘度、切力偏高，流動性和攜巖效果變差；果變差；使井壁上形成厚的泥餅，而且質(zhì)地松散，摩擦系數(shù)大，從而導(dǎo)使井壁上形成厚的泥餅，而且質(zhì)地松散，摩擦系數(shù)大，從而導(dǎo)致起下鉆遇阻，容易造成粘附卡鉆；致起下鉆遇阻，容易造成粘附卡鉆；泥餅質(zhì)量不好會使鉆井液濾失量增大，常造成井壁泥頁巖水化泥餅質(zhì)量不好會使鉆井液濾失量增大，常造

29、成井壁泥頁巖水化膨脹、井徑縮小、井壁剝落或坍塌；膨脹、井徑縮小、井壁剝落或坍塌；鉆井液易發(fā)生鹽鈣侵和粘土侵，抗溫性能變差，維護(hù)其性能的鉆井液易發(fā)生鹽鈣侵和粘土侵，抗溫性能變差，維護(hù)其性能的難度明顯增大；難度明顯增大；在鉆遇油氣層時，由于鉆井液固相含量高、濾失量大，還將導(dǎo)在鉆遇油氣層時，由于鉆井液固相含量高、濾失量大，還將導(dǎo)致鉆井液侵入油氣層的深度增加，降低近井壁地帶油氣層的滲透致鉆井液侵入油氣層的深度增加，降低近井壁地帶油氣層的滲透率，使油氣層損害程度增大，產(chǎn)能下降。率，使油氣層損害程度增大，產(chǎn)能下降。圖1-6 固相含量對鉆速、鉆頭用量和鉆機(jī)工作日的影響1-鉆頭用量（個）；2-鉆機(jī)工作日（天）

30、；3-鉆速（ft/d）（1ft=0.3048m）圖1-7 固相分散性對鉆速的影響1-聚合物不分散體系；2-分散體系（膨潤土與低造漿粘土之比均為1:1） 3鉆井液固相含量對鉆速的影響鉆井液固相含量對鉆速的影響4. 鉆井液固相含量的測定鉆井液固相含量的測定 使用鉆井液固相含量測定儀，可用蒸餾的方法快速測定使用鉆井液固相含量測定儀，可用蒸餾的方法快速測定鉆井液中固相及油、水的含量。實(shí)驗程序如下：鉆井液中固相及油、水的含量。實(shí)驗程序如下： （1）在蒸餾器內(nèi)注入）在蒸餾器內(nèi)注入20ml鉆井液，將插有加熱棒的套筒鉆井液，將插有加熱棒的套筒連接到蒸餾器上。連接到蒸餾器上。 （2）將蒸餾器的引流管插入冷凝器的

31、孔中，然后將量筒）將蒸餾器的引流管插入冷凝器的孔中，然后將量筒放在引流嘴下方，以接收冷凝成液體的油和水。放在引流嘴下方，以接收冷凝成液體的油和水。 （3）接通電源，使蒸餾器開始工作，直至冷凝器引流嘴）接通電源，使蒸餾器開始工作，直至冷凝器引流嘴中不再有液體流出時為止。這段時間一般需中不再有液體流出時為止。這段時間一般需2030min。 （4）待蒸餾器和加熱棒完全冷卻后，將其卸開。用鏟刀）待蒸餾器和加熱棒完全冷卻后，將其卸開。用鏟刀刮去蒸餾器內(nèi)和加熱棒上被烘干的固體。用天平稱取固體的刮去蒸餾器內(nèi)和加熱棒上被烘干的固體。用天平稱取固體的質(zhì)量，并分別讀取量筒中水、油的體積。鉆井液固相含量的質(zhì)量，并分

32、別讀取量筒中水、油的體積。鉆井液固相含量的計算式如下：計算式如下： fs=1fwCff0 （1-3）式中式中：fs、fw和和f0分別為鉆井液中固相、水和油的體積分?jǐn)?shù)；分別為鉆井液中固相、水和油的體積分?jǐn)?shù)； Cf考慮鹽析出而引入的體積校正系數(shù)，顯然它總是考慮鹽析出而引入的體積校正系數(shù)，顯然它總是大于大于1的無因次常數(shù)。在不同鹽度下的值可使用表的無因次常數(shù)。在不同鹽度下的值可使用表1-1查得。查得。密度/gcm-3質(zhì)量濃度/mg1-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%Cf0.99820011.00531005011.0031.01252025021.0061.02684110041.0131.04136250061.0

33、201.05598450081.0281.0707107100101.0361.0857130300121.0451.1009154100141.0541.1162178600161.0651.1319203700181.0751.1478229600201.0871.1640256100221.1001.1804279500241.1131.1972311300261.127表表1-1 20的不同質(zhì)量濃度的不同質(zhì)量濃度NaCl水溶液的密度和水溶液的密度和Cf值值 其測定方法是，首先使用亞甲基藍(lán)（其測定方法是，首先使用亞甲基藍(lán)（Methylene Blue）法測出鉆井液的陽離子交換容量（法測出

34、鉆井液的陽離子交換容量（Cation Exchange Capacity），再通過計算確定鉆井液中膨潤土的含量。亞甲），再通過計算確定鉆井液中膨潤土的含量。亞甲藍(lán)是一種常見染料，在水溶液中電離出有機(jī)陽離子和氯離藍(lán)是一種常見染料，在水溶液中電離出有機(jī)陽離子和氯離子，其中的有機(jī)陽離子很容易與膨潤土發(fā)生離子交換。其子，其中的有機(jī)陽離子很容易與膨潤土發(fā)生離子交換。其分子式為分子式為C16H18N3SCL3H2O。 l鉆井液中膨潤土含量鉆井液中膨潤土含量其試驗和計算步驟如下：其試驗和計算步驟如下：（1）用不帶針頭的注射器量?。┯貌粠п橆^的注射器量取1ml鉆井液，放入適當(dāng)鉆井液，放入適當(dāng)大小的錐形瓶中，加

35、入大小的錐形瓶中，加入10ml水稀釋。為消除某些有機(jī)處理水稀釋。為消除某些有機(jī)處理劑的干擾，加入劑的干擾，加入15ml 3%的的H2O2和和0.5ml濃度約為濃度約為5N（10M）的稀的稀H2SO4，緩緩煮沸，緩緩煮沸10min，然后用水稀釋，然后用水稀釋50 ml。（2）用質(zhì)量濃度為）用質(zhì)量濃度為3.74g/l（相當(dāng)于（相當(dāng)于0.02M）的亞甲基藍(lán)）的亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定。每滴入標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定。每滴入0.5ml亞甲基藍(lán)溶液后旋搖亞甲基藍(lán)溶液后旋搖30s，然，然后用攪捧轉(zhuǎn)移一滴液體放在普通濾紙上，觀察在染色的鉆井后用攪捧轉(zhuǎn)移一滴液體放在普通濾紙上，觀察在染色的鉆井液固相斑點(diǎn)周圍是否出現(xiàn)綠

36、液固相斑點(diǎn)周圍是否出現(xiàn)綠-藍(lán)色圈。若無此種色圈，繼續(xù)滴藍(lán)色圈。若無此種色圈，繼續(xù)滴入入0.5ml亞甲基藍(lán)溶液，并重復(fù)上面的操作。一旦發(fā)現(xiàn)綠亞甲基藍(lán)溶液，并重復(fù)上面的操作。一旦發(fā)現(xiàn)綠-藍(lán)色藍(lán)色圈時，搖蕩錐形瓶圈時，搖蕩錐形瓶2min，再放，再放1滴在濾紙上，如色圈仍不消失，滴在濾紙上，如色圈仍不消失，表明已達(dá)滴定終點(diǎn)。此時，所耗亞甲基藍(lán)溶液的毫升數(shù)即為表明已達(dá)滴定終點(diǎn)。此時，所耗亞甲基藍(lán)溶液的毫升數(shù)即為鉆井液的陽離子交換容量，記作鉆井液的陽離子交換容量，記作(CEC)m。（3）按下式計算鉆井液中的膨潤土含量：）按下式計算鉆井液中的膨潤土含量： fc=14.3(CEC)m （1-4）式中式中fc表

37、示鉆井液中的膨潤土含量，表示鉆井液中的膨潤土含量，g/l。如果排成一個時間表，國外鉆井液技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了如果排成一個時間表，國外鉆井液技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個階段：以下幾個階段：（1）1914 1916年，清水作為旋轉(zhuǎn)鉆井的洗井介質(zhì)，即開年，清水作為旋轉(zhuǎn)鉆井的洗井介質(zhì)，即開始使用始使用“泥漿泥漿”。（2）20世紀(jì)世紀(jì)2060年代，以分散型水基鉆井液為主要類年代，以分散型水基鉆井液為主要類型的階段。在這期間，經(jīng)歷了從細(xì)分散體系向粗分散體系的轉(zhuǎn)型的階段。在這期間，經(jīng)歷了從細(xì)分散體系向粗分散體系的轉(zhuǎn)變，同時也出現(xiàn)了早期使用的油基泥漿和氣體型鉆井流體。其變，同時也出現(xiàn)了早期使用的油基泥漿和氣體

38、型鉆井流體。其中有代表性的技術(shù)措施包括：中有代表性的技術(shù)措施包括：1.3 鉆井液技術(shù)的發(fā)展概況鉆井液技術(shù)的發(fā)展概況 l鉆井液技術(shù)的發(fā)展階段鉆井液技術(shù)的發(fā)展階段1921 1922年，重晶石和氧化鐵粉開始用做加重材料。年，重晶石和氧化鐵粉開始用做加重材料。1926年，開始使用膨潤土作為懸浮劑。年，開始使用膨潤土作為懸浮劑。1930年，研制出最早的泥漿處理劑年，研制出最早的泥漿處理劑丹寧酸鈉。丹寧酸鈉。1931 1937年，研制出各種泥漿測量儀器，提出了對泥漿性能控制的年，研制出各種泥漿測量儀器，提出了對泥漿性能控制的要求。要求。1944 1945年，年，Na-CMC（鈉羧甲基纖維素）作為降濾失劑，

39、開始應(yīng)（鈉羧甲基纖維素）作為降濾失劑，開始應(yīng)用于鉆井液中。用于鉆井液中。1955年，年，F(xiàn)CLS（鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽）作為降粘劑，開始應(yīng)用于鉆井（鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽）作為降粘劑，開始應(yīng)用于鉆井液中。液中。從從60年代開始，石灰鉆井液、石膏鉆井液和氯化鈣鉆井液等粗分散年代開始，石灰鉆井液、石膏鉆井液和氯化鈣鉆井液等粗分散水基鉆井液體系開始廣泛使用。水基鉆井液體系開始廣泛使用。 （3）70年代以后，以聚合物不分散鉆井液為主要類型的年代以后，以聚合物不分散鉆井液為主要類型的階段。聚合物鉆井液是國外水基鉆井液發(fā)展最迅速的一類，它階段。聚合物鉆井液是國外水基鉆井液發(fā)展最迅速的一類，它的出現(xiàn)標(biāo)志著鉆井液工藝技

40、術(shù)進(jìn)入了科學(xué)的發(fā)展階段。聚合物的出現(xiàn)標(biāo)志著鉆井液工藝技術(shù)進(jìn)入了科學(xué)的發(fā)展階段。聚合物鉆井液大體上又分為以下幾種類型：鉆井液大體上又分為以下幾種類型：部分水解聚丙烯酰胺體系；部分水解聚丙烯酰胺體系；氯化鉀聚合物鉆井液體系；氯化鉀聚合物鉆井液體系；羥乙基纖維素體系；羥乙基纖維素體系；醋酸鉀水解聚丙烯酰胺體系；醋酸鉀水解聚丙烯酰胺體系；磷酸鉀鹽非離子型聚合物體系；磷酸鉀鹽非離子型聚合物體系；聚丙烯與聚乙二醇共聚物（聚丙烯與聚乙二醇共聚物（COP/PPG）體系；）體系；陽離子聚合物體系。陽離子聚合物體系。此外，在這一階段，油基鉆井液體系也有了進(jìn)一步的發(fā)此外，在這一階段，油基鉆井液體系也有了進(jìn)一步的發(fā)展

41、。在抗高溫深井鉆井液方面，研制出以展。在抗高溫深井鉆井液方面，研制出以Resinex為代表的抗為代表的抗高溫降濾失劑，使深井鉆井液技術(shù)取得了很大進(jìn)展。高溫降濾失劑，使深井鉆井液技術(shù)取得了很大進(jìn)展。90年代以來，隨著陽離子聚合物鉆井液和正電膠鉆井液年代以來，隨著陽離子聚合物鉆井液和正電膠鉆井液的廣泛應(yīng)用，以及其它各種新型鉆井液的出現(xiàn)，鉆井液技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及其它各種新型鉆井液的出現(xiàn)，鉆井液技術(shù)進(jìn)入了一個更新的發(fā)展階段。進(jìn)入了一個更新的發(fā)展階段。當(dāng)前鉆井液工藝技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容大致包括以下方面：當(dāng)前鉆井液工藝技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容大致包括以下方面：（1）深井高溫、高密度鉆井液；）深井高溫、高密度鉆井液；（2

42、）井壁失穩(wěn)的機(jī)理與防塌鉆井液；）井壁失穩(wěn)的機(jī)理與防塌鉆井液；（3）新型處理劑系列和新型鉆井液體系的發(fā)展與應(yīng)用；）新型處理劑系列和新型鉆井液體系的發(fā)展與應(yīng)用；（4）大斜度井、大位移井、水平井、多底井和小井眼等）大斜度井、大位移井、水平井、多底井和小井眼等特殊工藝井的鉆井液技術(shù)；特殊工藝井的鉆井液技術(shù)；（5）欠平衡鉆井液技術(shù)；）欠平衡鉆井液技術(shù)；（6）保護(hù)儲層的鉆井液、完井液；）保護(hù)儲層的鉆井液、完井液；l鉆井液技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容鉆井液技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容（7）鉆井液潤滑性及防卡、解卡技術(shù)；）鉆井液潤滑性及防卡、解卡技術(shù)；（8）鉆井液防漏、堵漏技術(shù)；）鉆井液防漏、堵漏技術(shù)；（9）鉆井液流變性及其與攜巖的關(guān)系

43、；）鉆井液流變性及其與攜巖的關(guān)系；（10）鉆井液固控技術(shù)；）鉆井液固控技術(shù)；（11）廢棄鉆井液處理技術(shù)和環(huán)境可接受鉆井液體系的）廢棄鉆井液處理技術(shù)和環(huán)境可接受鉆井液體系的研究及其應(yīng)用；研究及其應(yīng)用；（12）計算機(jī)和信息技術(shù)在鉆井液中的應(yīng)用。）計算機(jī)和信息技術(shù)在鉆井液中的應(yīng)用。 1、鉆井液強(qiáng)化井壁技術(shù)；、鉆井液強(qiáng)化井壁技術(shù)； 2、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)； 3、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； 4、廢棄鉆井液處理技術(shù)；、廢棄鉆井液處理技術(shù)； 5、保護(hù)油氣層技術(shù)；、保護(hù)油氣層技術(shù)；

44、 6、計算機(jī)的應(yīng)用。、計算機(jī)的應(yīng)用。l對鉆井液新技術(shù)發(fā)展的預(yù)測對鉆井液新技術(shù)發(fā)展的預(yù)測2.1 粘土礦物的晶體構(gòu)造與性質(zhì) 2.2 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ) 第二節(jié)第二節(jié) 粘土礦物和粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)粘土礦物和粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ) 1. 粘土礦物的分類粘土礦物的分類2.1 粘土礦物的晶體構(gòu)造與性質(zhì)粘土礦物的晶體構(gòu)造與性質(zhì) l粘土礦物的分類和化學(xué)組成粘土礦物的分類和化學(xué)組成 單元晶層單元晶層構(gòu)造特征構(gòu)造特征粘土礦物族粘土礦物族粘土礦物粘土礦物1:1高嶺石族高嶺石族高嶺石、地開石、珍珠陶土等高嶺石、地開石、珍珠陶土等埃洛族埃洛族埃洛石等埃洛石等2:1蒙皂石族蒙皂石族*蒙脫石、拜來石、囊脫石、蒙脫石、拜來石、囊脫石、

45、皂石、蛭石等皂石、蛭石等水云母族水云母族伊利石、海綠石等伊利石、海綠石等2:2綠泥石族及綠泥石族及其它其它各種綠泥石等各種綠泥石等層鏈狀結(jié)構(gòu)層鏈狀結(jié)構(gòu)海泡石族海泡石族海泡石、凹凸棒石、坡縷縞石海泡石、凹凸棒石、坡縷縞石表2-1 粘土礦物的晶體構(gòu)造分類 粘土礦粘土礦物名稱物名稱化化 學(xué)學(xué) 組組 成成SiO2/Al2O3高嶺石高嶺石Al4Si4O10(OH)8或或2Al2O34SiO24H2O2:1蒙脫石蒙脫石(Al2Mg3)(Si4O10)(OH)2nH2O4:1伊利石伊利石(K,Na,Ca2)m(Al,Mg)4(Si,Al)8O20(OH)4nH2O(式中式中m小于小于1)4:1表2-2 幾種

46、主要粘土礦物的化學(xué)組成 2. 粘土礦物的化學(xué)組成粘土礦物的化學(xué)組成 1. 粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元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）硅氧四面體與硅氧四面體晶片 l幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造 圖2-1 硅氧四面體及四面體晶片示意圖a-單個硅氧四面體；b-硅氧四面體晶片（俯視圖）；c-硅氧四面體晶片（立體圖） （2）鋁氧八面體與鋁氧八面體晶片）鋁氧八面體與鋁氧八面體晶片圖2-2 鋁氧八面體及鋁氧八面體晶片構(gòu)造示意圖a-單個鋁氧八面體；b-鋁氧八面體晶片（俯視圖）；c-鋁氧八面體晶片（立體圖） 2. 幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造幾種主要粘土礦物的晶

47、體構(gòu)造 （1）高嶺石（）高嶺石（Kaolinite） 高嶺石構(gòu)造單元中原子電荷是平衡的，化學(xué)式為高嶺石構(gòu)造單元中原子電荷是平衡的，化學(xué)式為 Al4Si4O10(OH)8，亦可寫做，亦可寫做2Al2O34SiO24H2O。 圖2-3 高嶺石晶體構(gòu)造示意圖 （2）蒙脫石（）蒙脫石（Montmorillonite） 蒙脫石的化學(xué)式為：蒙脫石的化學(xué)式為：(Al3.34Mg0.66)(Si7.0Al1.0)O20(OH)4圖2-4 蒙脫石晶體構(gòu)造示意圖 （3）伊利石（）伊利石（Illite） 伊利石也稱為水云母，理論化學(xué)式為：伊利石也稱為水云母，理論化學(xué)式為： (K,Na,Ca2)m(Al,Fe,Mg)

48、4(Si,Al)8O20(OH)4nH2O圖2-5 白云母的晶體構(gòu)造示意圖 礦物礦物名稱名稱晶型晶型晶層晶層間距間距層間引力層間引力陽離子交換容量陽離子交換容量/mmol(100g粘土粘土)-1高嶺石高嶺石1:17.2氫鍵力氫鍵力引力強(qiáng)引力強(qiáng)315蒙脫石蒙脫石2:19.640.0分子間力分子間力引力弱引力弱70130伊利石伊利石2:110.0引力較強(qiáng)引力較強(qiáng)2040表2-3 三種粘土礦物的晶體構(gòu)造和物理化學(xué)性質(zhì)的特點(diǎn) （4）綠泥石（）綠泥石（Chlorite） 綠泥石的化學(xué)式為：綠泥石的化學(xué)式為：2(Si,Al)4(Mg,Fe)3O10(OH)(Mg,Al)6(OH)12圖2-6 綠泥石晶體構(gòu)

49、造示意圖 （5）海泡石族）海泡石族海泡石族礦物俗稱抗鹽粘土，屬鏈狀構(gòu)造的含水鋁鎂硅海泡石族礦物俗稱抗鹽粘土，屬鏈狀構(gòu)造的含水鋁鎂硅酸鹽。其中包括：海泡石、凹凸棒石、坡縷縞石（又名山軟酸鹽。其中包括：海泡石、凹凸棒石、坡縷縞石（又名山軟木）。木）。圖2-7 坡縷縞石晶體構(gòu)造示意圖 （6）混合晶層粘土礦物）混合晶層粘土礦物多種不同類型的粘土礦物晶層堆疊在同一粘土礦物晶體中，多種不同類型的粘土礦物晶層堆疊在同一粘土礦物晶體中，這類礦物稱為混合晶層粘土礦物。不同晶層的互相重疊，稱為這類礦物稱為混合晶層粘土礦物。不同晶層的互相重疊，稱為混層結(jié)構(gòu)。混層結(jié)構(gòu)有伊利石和蒙脫石混合層、綠泥石和蛭石混層結(jié)構(gòu)?；鞂?/p>

50、結(jié)構(gòu)有伊利石和蒙脫石混合層、綠泥石和蛭石的混合層結(jié)構(gòu)。一般來說，各晶層的排列次序是無規(guī)則的，也的混合層結(jié)構(gòu)。一般來說，各晶層的排列次序是無規(guī)則的，也有地方是以同樣的次序有規(guī)則的重復(fù)排列。通常，混合晶層粘有地方是以同樣的次序有規(guī)則的重復(fù)排列。通常，混合晶層粘土礦物晶體在水中比單一粘土礦物晶體更容易分散，也易膨脹，土礦物晶體在水中比單一粘土礦物晶體更容易分散，也易膨脹，特別是當(dāng)其中一種成分有膨脹性時，更是如此。特別是當(dāng)其中一種成分有膨脹性時，更是如此。1. 電荷電荷 （1）永久負(fù)電荷）永久負(fù)電荷 永久負(fù)電荷是由于粘土在自然界形成時發(fā)生晶格取代作用永久負(fù)電荷是由于粘土在自然界形成時發(fā)生晶格取代作用所

51、產(chǎn)生的。所產(chǎn)生的。 （2）可變負(fù)電荷）可變負(fù)電荷 粘土所帶電荷的數(shù)量隨介質(zhì)的粘土所帶電荷的數(shù)量隨介質(zhì)的pH值改變而改變，這種電荷值改變而改變，這種電荷叫做可變負(fù)電荷。產(chǎn)生可變負(fù)電荷的原因比較復(fù)雜，可能有以叫做可變負(fù)電荷。產(chǎn)生可變負(fù)電荷的原因比較復(fù)雜，可能有以下幾種原因：在粘土晶體端面上與鋁連接的下幾種原因：在粘土晶體端面上與鋁連接的OH基中的基中的H在堿性在堿性或中性條件下解離；粘土晶體的端面上吸附了或中性條件下解離；粘土晶體的端面上吸附了OH等無機(jī)陰離等無機(jī)陰離子或吸附了有機(jī)陰離子聚電解質(zhì)等等。子或吸附了有機(jī)陰離子聚電解質(zhì)等等。 l粘土的電性粘土的電性（3）正電荷）正電荷不少研究者指出，當(dāng)粘

52、土介質(zhì)的不少研究者指出，當(dāng)粘土介質(zhì)的pH值低于值低于9時，粘土晶體時，粘土晶體端面上帶正電荷。粘土端面上帶正電荷的原因多數(shù)人認(rèn)為是由端面上帶正電荷。粘土端面上帶正電荷的原因多數(shù)人認(rèn)為是由于裸露在邊緣上的鋁氧八面體在酸性條件下從介質(zhì)中解離出于裸露在邊緣上的鋁氧八面體在酸性條件下從介質(zhì)中解離出OH ，如下式所示：，如下式所示：OHAlHOAl/H/ 2. 粘土的交換性陽離子及陽離子交換容量的測定粘土的交換性陽離子及陽離子交換容量的測定 （1）粘土的陽離子交換容量）粘土的陽離子交換容量 粘土的陽離子交換容量是指在分散介質(zhì)的粘土的陽離子交換容量是指在分散介質(zhì)的pH值為值為7的條件的條件下，粘土所能交換

53、下來的陽離子總量，包括交換性鹽基和交換下，粘土所能交換下來的陽離子總量，包括交換性鹽基和交換性氫。陽離子交換容量以性氫。陽離子交換容量以100g粘土所能交換下來的陽離子毫摩粘土所能交換下來的陽離子毫摩爾數(shù)來表示，符號為爾數(shù)來表示，符號為CEC（Cation Exchange Capacity）。）。 （2）粘土陽離子交換容量的測定）粘土陽離子交換容量的測定 測定粘土陽離子交換容量的方法很多，經(jīng)典的方法是醋酸測定粘土陽離子交換容量的方法很多，經(jīng)典的方法是醋酸銨淋洗法，其基本原理如下：銨淋洗法，其基本原理如下： 淋洗劑為醋酸銨淋洗劑為醋酸銨NH4Ac，可交換粘土中的，可交換粘土中的Ca2+和和Mg

54、2+等陽等陽離子，其作用可用下圖離子，其作用可用下圖2-8表示：表示： 圖2-8 粘土陽離子交換示意圖 3、影響粘土陽離子交換容量大小的因素、影響粘土陽離子交換容量大小的因素 粘土礦物的本性粘土礦物的本性 粘土的分散度粘土的分散度 溶液的酸堿度溶液的酸堿度1、粘土礦物的水分、粘土礦物的水分 結(jié)晶水結(jié)晶水 吸附水吸附水 自由水自由水2、粘土水化膨脹作用的機(jī)理、粘土水化膨脹作用的機(jī)理l粘土的水化作用粘土的水化作用（1）表面水化）表面水化表面水化是由粘土晶體表面表面水化是由粘土晶體表面（膨脹性粘土表面包括外表面和內(nèi)（膨脹性粘土表面包括外表面和內(nèi)表面）吸附水分子與交換性陽離子表面）吸附水分子與交換性陽

55、離子水化而引起的。水化而引起的。（2）滲透水化）滲透水化圖2-9 粘土表面水化示意圖 3、影響粘土水化膨脹的因素、影響粘土水化膨脹的因素 （1）因粘土晶體的部位不同，水化膜的厚度也不相同。）因粘土晶體的部位不同，水化膜的厚度也不相同。 （2）粘土礦物不同，水化作用的強(qiáng)弱也不同。）粘土礦物不同，水化作用的強(qiáng)弱也不同。 （3）因粘土吸附的交換性陽離子不同，其水化程度有很大）因粘土吸附的交換性陽離子不同，其水化程度有很大差別。差別。2.2 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)1. 關(guān)于膠體化學(xué)的幾個基本概念關(guān)于膠體化學(xué)的幾個基本概念 （1）相和相界面）相和相界面 （2）分散相與分散介質(zhì)）分散相與分散介質(zhì)

56、 （3）分散度和比表面）分散度和比表面 如果用如果用S代表總表面積，用代表總表面積，用V表示總體積，用表示總體積，用m表示總質(zhì)量，表示總質(zhì)量，則比表面可表示為：則比表面可表示為：S比比=S/V （m-1） (2-1)或或S比比=S/m （m2/kg） (2-2) （4）吸附作用）吸附作用 l概述概述2沉降與沉降平衡沉降與沉降平衡 若膠體粒子為球形，半徑為若膠體粒子為球形，半徑為r，密度為，密度為，分散介質(zhì)的密，分散介質(zhì)的密度為度為0，則下沉的力，則下沉的力F1為：為： 式中，式中，g重力加速度；重力加速度； r粒子半徑。粒子半徑。g)(r)3/4(F031 若粒子以速度若粒子以速度v下沉，按斯

57、托克斯（下沉，按斯托克斯（Stokes）定律，粒子）定律，粒子下沉?xí)r所受的阻力下沉?xí)r所受的阻力F2為：為：式中式中介質(zhì)粘度。介質(zhì)粘度。 當(dāng)當(dāng)F1=F2時，粒子勻速下沉，則：時，粒子勻速下沉，則： 這就是球形質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)中的沉降速度公式。這就是球形質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)中的沉降速度公式。 r6F2gr)(9/2(023粘土水膠體分散體系中的電動現(xiàn)象粘土水膠體分散體系中的電動現(xiàn)象 （1）電泳）電泳 （2）電滲）電滲4擴(kuò)散雙電層理論與電動電位擴(kuò)散雙電層理論與電動電位 （1）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)圖2-10 擴(kuò)散雙電層的斯特恩模型 圖2-11 粘土層面的雙電層示意圖 （2）雙電層中的電位）雙

58、電層中的電位 電動電位（電動電位（電位）電位） 擴(kuò)散層電位擴(kuò)散層電位 擴(kuò)散層電位擴(kuò)散層電位比較微弱，隨距固體表面的距離比較微弱，隨距固體表面的距離變化，服從指變化，服從指數(shù)關(guān)系，即擴(kuò)散電位（數(shù)關(guān)系，即擴(kuò)散電位（）按指數(shù)關(guān)系下降，如下式：）按指數(shù)關(guān)系下降，如下式：式中式中擴(kuò)散層中任一點(diǎn)的電位；擴(kuò)散層中任一點(diǎn)的電位； 0熱力學(xué)電位（表面電位）；熱力學(xué)電位（表面電位）；)Kexp(0 K德拜參數(shù)；德拜參數(shù)； 1/K離子氛（擴(kuò)散雙電層）的厚度；離子氛（擴(kuò)散雙電層）的厚度； 離開表面的距離。離開表面的距離。 顯然，當(dāng)顯然，當(dāng)1/K時，時， = 0/e （2-3） 由式由式2-3可以看出，在距離可以看出，

59、在距離等于等于1/K處，電位下降為處，電位下降為0的的1/e；當(dāng)；當(dāng)時，時，0；當(dāng)；當(dāng)?shù)扔诹銜r，等于零時，= 0。 （3）影響雙電層厚度與電動電位的因素）影響雙電層厚度與電動電位的因素 根據(jù)強(qiáng)電解質(zhì)的德拜根據(jù)強(qiáng)電解質(zhì)的德拜-休格理論，雙電層的厚度主要取決于休格理論，雙電層的厚度主要取決于溶液中電解質(zhì)的反離子價數(shù)與電解質(zhì)的的濃度，這是因為溶液中電解質(zhì)的反離子價數(shù)與電解質(zhì)的的濃度，這是因為 （2-4）式中式中:n電解質(zhì)濃度；電解質(zhì)濃度； Z電解質(zhì)的離子價數(shù)（系均稱電解質(zhì)，如電解質(zhì)的離子價數(shù)（系均稱電解質(zhì)，如NaCl，MgSO4等）；等）； e電子電荷；電子電荷； 介電常數(shù)。介電常數(shù)。 2222yk

60、enZKTy 由式（由式（2-4）可以看出，隨著加入電解質(zhì)濃度的增加，特）可以看出，隨著加入電解質(zhì)濃度的增加，特別是離子價數(shù)的升高，離子氛（即擴(kuò)散雙電層）厚度下降。別是離子價數(shù)的升高，離子氛（即擴(kuò)散雙電層）厚度下降。 圖2-12 電解質(zhì)濃度對電位的影響 1膠體穩(wěn)定性的概念膠體穩(wěn)定性的概念 （1）動力穩(wěn)定性）動力穩(wěn)定性 是指在重力作用下分散相粒子是否容易下沉的性質(zhì)。是指在重力作用下分散相粒子是否容易下沉的性質(zhì)。 （2）聚結(jié)穩(wěn)定性）聚結(jié)穩(wěn)定性 是指分散相粒子是否容易自動聚結(jié)變大的性質(zhì)。是指分散相粒子是否容易自動聚結(jié)變大的性質(zhì)。2影響動力穩(wěn)定性的因素影響動力穩(wěn)定性的因素l粘土水膠體分散體系的穩(wěn)定性與