【7A文】钻井液和完井液化学—第二章 粘土矿物和粘土胶体化学.ppt

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1、钻井液与完井液化学第二章粘土矿物和粘土胶体化学第一节粘土矿物的晶体构造与性质粘土作为钻井液的重要组成成分，其晶体构造与性质对钻井液性能有十分重要的影响。钻井过程中井眼的稳定性、油气层的保护均与地层中粘土矿物类型和特性密切相关。粘土：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物质。特点：粒度<2微米.成分：粘土矿物（蒙托石等）+非粘土矿物（石英、长石等）+胶体矿物（蛋白石等）。粘土矿物：含水的层状及层-链状铝硅酸盐总称。特点：具有相对固定的化学组成和确定的内部结构。第一节粘土矿物的晶体构造与性质粘土矿物的化学组成：粘土中常见的粘土矿物有三种：高岭石、蒙脱石(也叫微晶高岭石、胶岭石等)

2、，伊利石(也称水云母)。它们的化学组成见下表高岭石：其氧化铝含量较高，氧化硅含量较低；蒙脱石：氧化铝含量较低，氧化硅含量较高；伊利石：含有较多的氧化钾。第一节粘土矿物的晶体构造与性质一、粘土矿物的两种基本构造单元1.硅氧四面体与硅氧四面体片硅氧四面体由一个硅原子和四个等距的氧原子组成的正四面体。硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点。图中：基底氧：四面体底面三个氧原子。顶端氧：四面体顶点一个氧原子。O-O距离：2.61埃。Si-O距离：1.61埃。——硅原子——氧原子第一节粘土矿物的晶体构造与性质硅氧四面体片单个四面体与若干个相邻四面体通过底面氧相连，构成平面连续的四面体晶格。四面体片特点

3、：由SiO4彼此连接而成的Si4O10的无限重复的六方网格。所有基底氧排列在同一个平面上。所有顶端氧在另一个平面上。平面投影形成正六角形的三层空心六角环网格。四面体片在粘土中不能独立存在。——硅原子——氧原子Si4O10最小重复单元分子式第一节粘土矿物的晶体构造与性质2.铝氧八面体与铝氧八面体片铝氧八面体铝原子处于正八面体中心，六个氧原子或氢氧原子处于八面体顶点.图中：OH-OH距离：2.94埃。——铝原子——氢氧原子第一节粘土矿物的晶体构造与性质铝氧（氢氧）八面体片单个八面体与相邻的八面体通过共用晶棱连接起来，顶端和底端氧原子则构成两个平行的平面（每个八面体同相邻的六个其它八面体

4、通过共用氧（氢氧）连接。两种八面体（片）二八面体（铝氧片）——每三个八面体中心只有二个中心被Al3+、Fe3+占据（1/3空位）。三八面体（镁氧片）——每三个八面体中心全被Mg2+、Fe2+充填（无空位）。——氢氧原子——铝原子Al4(OH)12最小重复单位分子式第一节粘土矿物的晶体构造与性质3.晶片的结合晶层四面体片和八面体片沿C轴按一定比例相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层。晶体许多单位晶层在C轴方向上按一定距离反复重合而成。单位晶胞能代表晶体性质的单位层内最小物质组合。常以a、b轴范围表示其大小。C轴间距某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离。晶格取代晶体结构中四面体的S

5、i4+被Al3+取代,或铝氧八面体的Al3+被Fe2+、Mg2+等取代，其结果是晶体结构不变，晶体带负电。CaC间距b第一节粘土矿物的晶体构造与性质二、几种主要粘土矿物的晶体构造1.高岭石（Kaolinite)晶体结构——1：1型单元晶层由一层四面体片和一层八面体片组成，所有硅氧四面体的尖顶都朝向八面体，通过共用氧原子连接成晶层。若干个晶层在C轴方向上层层重叠，而在a、b轴方向上连续延伸。特点晶层间连接紧密（晶层一面为“O”层，一面为“OH”层，易形成氢键）水化分散性差，矿物较稳定。C轴间距=7.2埃。晶胞分子式：Al4Si4O10(OH)8第一节粘土矿物的晶体构造与性质2.蒙脱石（M

6、ontmorillonite)晶体结构——2：1型两层四面体片中间夹一层八面体片。每个四面体尖顶均指向中央的八面体，通过共用的氧连接成晶层。若干个晶层按一定距离在C轴方向上重叠构成晶体。晶胞分子式：Al4Si8O20(OH)4特点晶格取代主要在八面体中：Mg2+Al3+补偿阳离子：Na+、Ca2+阳离子交换容量高：70~130毫摩尔/100克土水化能力强。第一节粘土矿物的晶体构造与性质3.伊利石（illite)晶体结构——2：1型+K+晶体结构类似与蒙脱石的晶体结构。区别：A、晶格取代比蒙脱石多，且主要发生在四面体片中。B、补偿阳离子主要为K+。C、单位晶胞电荷数比蒙脱石的高1-1.

7、5倍。特点A、单位晶胞电荷数高：0.6-1.8。B、单位层之间由分子间力和K+连接。C、阳离子交换容量低：CEC=20-40mmol/100g土D、水化能力弱。第一节粘土矿物的晶体构造与性质伊利石负电荷主要产生在四面体晶片，离晶层表面近，K+与晶层的负电荷之间的静电引力比氢键强，水也不易进入晶层间；另外，K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，起到连接作用，周围有12个氧与它配位；因