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)

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屑、穩(wěn)定井壁、防止漏失、冷卻潤(rùn)滑鉆具的基本鉆進(jìn)需要，并且來(lái)源廣泛，成本較低，配制使用方便。+本次課主要講授內(nèi)容粘土礦物的晶體構(gòu)造粘土的性質(zhì)粘土礦物基本構(gòu)造單元常見(jiàn)粘土礦物的晶體構(gòu)造造漿粘土的選用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(guò)程中井眼的穩(wěn)定性，泥頁(yè)巖的主要組成部分，75%地層為泥頁(yè)巖，90%的井壁不穩(wěn)定發(fā)生在泥頁(yè)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(yè)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（≤2μm）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(jiàn)到的粘土礦物絕大多數(shù)是晶質(zhì)的。

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1、硅氧四面體與硅氧四面體晶片

硅氧四面體：有一個(gè)硅原子與四個(gè)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(jiàn)右圖。頂氧

底氧

硅氧四面體晶片：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(guò)相臨的氧原子連接而成，其立體結(jié)構(gòu)見(jiàn)右圖。

2、鋁氧八面體與鋁氧八面體晶片

鋁氧八面體：六個(gè)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)。上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回氫氧鋁氧八面體晶片：多個(gè)鋁氧八面體通過(guò)共用的OH連接而成的Al-O八面體網(wǎng)絡(luò)。3、晶片的結(jié)合層面是O層面上是OHSi-O晶片Al-O晶片上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回晶層：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(gè)硅氧四面體晶片與一個(gè)鋁氧八面體晶片構(gòu)成。（2）2：1型晶層：由兩個(gè)硅氧四面體晶片與一個(gè)鋁氧八面體晶片構(gòu)成。氧原子氧原子Si-O晶片Al-O晶片Si-O晶片（3）層間域/層間距c1、基本概念上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回二、幾種常見(jiàn)粘土礦物的晶體構(gòu)造（1）晶格取代作用：在粘土礦物晶體中，一部分陽(yáng)離子被另外陽(yáng)離子所置換，而晶體結(jié)構(gòu)不變，產(chǎn)生過(guò)剩電荷的現(xiàn)象。Si-O四面體：Al3+取代Si4+

Al-O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(shí)，其理想結(jié)構(gòu)式為：

Al4Si8O2(OH)4.nH2O

蒙脫石的實(shí)際結(jié)構(gòu)式為：

(1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)4.nH2O例2：伊利石在不發(fā)生晶格取代時(shí)，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(Si8-xAlx)O20(OH)20（2）陽(yáng)離子交換容量（C.E.C,cationexchangecapacity)

定義：分散介質(zhì)pH=7時(shí)，100g粘土所能交換下來(lái)的陽(yáng)離子的毫摩爾數(shù)（以一價(jià)陽(yáng)離子毫摩爾數(shù)表示）。C.E.C可用來(lái)表示粘土在水中帶電性的多少，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

15mPa·s鉆井液的體積數(shù)，m3/T。造漿率粘土的水化分散能力2、幾種常見(jiàn)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)Si-OAl-OOHOA、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)問(wèn)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、C.E.C低

?在三種常見(jiàn)的粘土礦物中，高嶺石的Ｃ.E.C最低。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(yáng)離子數(shù)目少，可發(fā)生交換的陽(yáng)離子數(shù)目就更少了，所以C.E.C小。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Al-OSi-OSi-OSi-OSi-OAl-O①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Al-O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(lái)平衡。C、晶層間引力以分子間力為主，引力弱，屬膨脹型粘土礦物。

◆?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(huì)吸附等電量的陽(yáng)離子，水化陽(yáng)離子給粘土帶來(lái)厚的水化膜，使蒙脫石膨脹。D、C.E.C大（70-130mmol/100g土)

Ｅ、造漿率高

?因?yàn)槊擅撌哂泻軓?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(yáng)離子數(shù)目較多，可發(fā)生交換的陽(yáng)離子數(shù)目多，所以C.E.C大。（3）伊利石

①伊利石晶體結(jié)構(gòu)示意圖②伊利石特點(diǎn)Al-OSi-OSi-OK+A、2：1型粘土礦物B、存在晶格取代，取代位置主要在Si-O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(lái)平衡。C、晶層間引力以靜電力為主，引力強(qiáng)，屬非膨脹型粘土礦物。為什么？D、C.E.C大介于高嶺石與蒙脫石之間?伊利石由于晶格取代作用產(chǎn)生的負(fù)電荷由K+來(lái)平衡，由于伊利石取代位置主要在Si-O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(lái)。?

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(gè)氧與它配伍，因此，K+連接通常非常牢固，不易交換下來(lái)。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?；疑妥厣鄮r灰黑色泥巖砂巖海泡石族

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(shí)，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(rùn)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。

三.造漿粘土的選用鉆井泥漿是粘土在水中的分散體系，從鉆井工程的工藝要求出發(fā)，需要采用較為優(yōu)質(zhì)的膨潤(rùn)土造漿，即需要選用以含蒙脫石為主的鈉膨潤(rùn)土為造漿材料。國(guó)內(nèi)外富含蒙脫石的大型優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土礦有不少，如我國(guó)的新疆夏子街、山東高陽(yáng)、遼寧黑山、浙江余杭，美國(guó)的懷俄明以及南澳大利亞等地都有高純度的大型膨潤(rùn)土礦床。泥漿公司和粘土粉生產(chǎn)廠家從這些地方采取粘土礦原料，做適當(dāng)?shù)募庸?，形成造漿粘土的正規(guī)產(chǎn)品。自然界中的粘土廣泛存在。許多情況下，鉆井現(xiàn)場(chǎng)及其附近就有或多或少含蒙脫石的粘土。如果鉆井對(duì)泥漿性能要求不是很高，完全可以就地取土配制泥漿，并通過(guò)添加處理劑來(lái)改善泥漿性能。當(dāng)然，一些蒙脫石含量很少或雜質(zhì)很多的劣質(zhì)土是不可取的，因?yàn)檫@些土難以造漿。如果鉆井通過(guò)的地層本身就富含造漿粘土，那么就可以利用“地層造漿”，即先用一定量的清水作為鉆井液，清水在井內(nèi)自動(dòng)水化分散被鉆頭破碎下來(lái)的粘土形成泥漿，直接循環(huán)使用。（二）造漿粘土的評(píng)價(jià)蒙脫石含量；膠質(zhì)價(jià)和膨脹倍數(shù)；陽(yáng)離子交換容量、鹽基總量和鹽基分量；可溶性鹽含量；造漿率；流變特性和失水特性。上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回第二節(jié)粘土的性質(zhì)一、帶電性前言?定義：指粘土礦物在與水接觸時(shí)的帶電符號(hào)和帶電量?粘土帶電性驗(yàn)證：電泳實(shí)驗(yàn)（粘土在水中移向正極，帶負(fù)電荷）

電荷產(chǎn)生原因電荷來(lái)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(yáng)離子被另外一部分陽(yáng)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(jià)陽(yáng)離子取代了高價(jià)陽(yáng)離子，產(chǎn)生了過(guò)剩的負(fù)電荷，因此，一般情況下粘土帶負(fù)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。

2、表面羥基與H+與OH-的反應(yīng)（可變