《粘土矿物》PPT课件.ppt

第二章 粘土矿物,上一内容,下一内容,回主目录,返回,油田应用化学-第二章,（1）粘土主要由粘土矿物(含水的铝硅酸盐)组成。,粘土,粘土与钻井的关系,（1）粘土为钻井液的重要组成成分之一。,（2）在水中有分散性、带电性、离子交换以及水化性。,（2）钻井过程中井眼的稳定性与地层粘土含量和类型密切相关。,（3）油气层粘土含量和类型与钻井过程中油气层损害密切相关。,上一内容,下一内容,回主目录,返回,前言,第一节 粘土矿物的晶体构造,上一内容,下一内容,回主目录,返回,一、粘土矿物的两种基本构造单元 基本构造单元单元片基本结构层粘土矿物,1、硅氧四面体与硅氧四面体晶片,硅氧四面体：有一个硅原子与四个氧原子，硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点，硅原子与各氧原子之间的距离相等。,硅氧四面体晶片：指硅氧四面体网络。硅氧四面体晶片由多个硅氧四面体通过共用底氧原子连接而成。,2、铝氧八面体与铝氧八面体晶片,铝氧八面体：六个顶点为氧或氢氧原子团，铝、铁或镁原子居于八面体中央。,上一内容,下一内容,回主目录,返回,第一节 粘土矿物的晶体构造,铝氧八面体晶片：多个铝氧八面体通过共用的O或OH连接而成的Al-O八面体网络,3、晶片的结合(基本结构层),上一内容,下一内容,回主目录,返回,第一节 粘土矿物的晶体构造,晶层：四面体晶片与八面体晶片以适当的方式结合，构成晶层,（1）1：1型晶层：由一个硅氧四面体晶片与一个铝 氧八面体 晶片构成（5层原子面）。,（2）2：1型晶层：由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体 晶片构成（7层原子面）。,4.由基本结构层重复堆叠引申的几个概念（1）层间域：相邻基本结构层之间的空间。（2）粘土矿物的单位构造：基本结构层加上层间域。（3）层间物：存在于层间域中的物质。若层间物为水则称为层间水；若为阳离子，则称为层间阳离子。,1、基本概念,上一内容,下一内容,回主目录,返回,二、几种常见粘土矿物的晶体构造,（1）晶格取代：在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外 阳离子所置换，产生过剩电荷的现象。,Si-O四面体：Al3+取代Si4+,Al-O八面体：Mg2+、Fe2+取代Al3+,粘土带,负,电荷,例1：蒙脱石在不发生晶格取代时，其理想结构式为：Al4Si8O20(OH)4.nH2O,蒙脱石的实际结构式为：(1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)4.nH2O,例2：伊利石在不发生晶格取代时，其理想结构式为：Al4（Si8O20）（OH）4,伊利石的实际结构式为：(K)xAl4(Si8-xAlx)O20(OH)20,（2）阳离子交换容量（Cation Exchange Capacity)CEC,定义：分散介质pH=7时，1000g粘土所能交换下来的阳离子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）。,CEC可用来表示粘土在水中带电性的多少，它与粘土的水化分散、吸附等性质密切相关。,（3）造浆率：一吨干粘土所能配制粘度（表观粘度）为 15mPa.s钻井液的体积数，m3/T。,造浆率,粘土的水化分散能力,2、几种常见粘土矿物的晶体构造,（1）高岭石,高岭石晶体结构示意图,铝氧八面体片,硅氧四面体片,高岭石特点,Si-O,Al-O,OH,O,A、1：1型粘土矿物,B、几乎不存在晶格取代，负电量少,C、晶层间引力以氢键为主，引力强，晶层间距C=7.2,问题：高岭石属非膨胀型粘土矿物，为什么？,高岭石上下相临的层面，一面为OH面，另一面为O面，而O与OH很容易形成氢键，层间引力较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层。,D、CEC低（30-150 mmol/kg)在三种常见的粘土矿物中，高岭石的EC最低。原因在于高岭石几乎不存在晶格取代，所以带负电荷很少，周围吸附的阳离子数目少，可发生交换的阳离子数目就更少了，所以CEC小。,、造浆率低高岭石晶层间以氢键为主，引力较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层间，水化作用仅限于外表面，故水化分散能力差，造浆率低。,蒙脱石,蒙脱石晶体结构示意图,硅氧四面体片,铝氧八面体片,硅氧四面体片,蒙脱石特点,A、2：1型粘土矿物,B、存在晶格取代，取代位置主要在Al-O八面体中，即Al3+被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，产生的负电荷由等量的Na+或Ca2+来平衡，分别被称为钠蒙脱石和钙蒙脱石。,C、晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距C=9.6-40，属膨胀型粘土矿物，为什么？,蒙脱石上下相临的层面皆为O面，晶层间引力以分子间力为主，层间引力较弱，水分子易进入晶层。蒙脱石由于晶格取代产生较多的负电荷，在它周围必然会吸附等电量的阳离子，水化阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石膨胀。,D、CEC 大（800-1500 mmol/kg),、造浆率高,蒙脱石晶层间引力以分子间力为主，层间引力较弱，水分子易进入晶层，引起蒙脱石水化膨胀。,蒙脱石负电荷多，吸附阳离子数量多，水化阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石水化膨胀。,因为蒙脱石具有很强的水化膨胀能力，造浆率高，所以它是钻井泥浆的主要配浆材料。膨润土的主要成分是蒙脱土，一级膨润土主要为钠蒙脱土（钠土）；二级为钙蒙脱土（钙土）,原因在于蒙脱石存在晶格取代，所以带负电荷较多，周围吸附的阳离子数目较多，可发生交换的阳离子数目多，所以CEC大。,（3）伊利石,伊利石晶体结构示意图,伊利石特点,A、2：1型粘土矿物,B、存在晶格取代，取代位置主要在Si-O四面体中，且取代数目比蒙脱石多，产生的负电荷由等量的K+来平衡。,C、晶层间引力以静电力为主，引力强，晶层间距C=10，属非膨胀型粘土矿物。为什么？,由于伊利石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，与吸附的K+产生很强的静电力，层间引力较强，水分子不易进入晶层.,K+的大小刚好嵌入硅氧四面体片构成的六方网格内切圆空穴中，周围有12个氧与它配伍，起到连接作用，水分子不易进入晶层；,D、CEC 介于高岭石与蒙脱石之间（200-400mmol/kg),伊利石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+来平衡，由于伊利石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，故与K+产生很强的静电力，K+不易交换下来。,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个氧与它配伍，因此，K+连接通常非常牢固，不易交换下来。,、造浆率低,（4）绿泥石,绿泥石晶体结构示意图2：1型+水镁石片(八面体片)非膨胀型粘土，为什么？晶层间存在氢键；水镁石片中镁为铝取代，带正电，与绿泥石晶层产生静电引力。,水镁石片,上一内容,下一内容,回主目录,返回,第二节 粘土的带电性,前言,粘土带电性：指粘土矿物在与水接触时的带电符号和带电量,粘土带电性验证：电泳实验（粘土在水中移向正极，带负电荷）,一、电荷产生原因(3个原因),1、可交换阳离子的解离,粘土在自然界形成时发生晶格取代作用产生负电荷，为了达到电平衡必然从周围环境吸附等量的可交换阳离子。,可交换阳离子以扩散的方式排列在粘土矿物的表面，形成扩散双电层，使粘土带负电。,（1）粘土表面负电荷的静电作用（使其靠近粘土表面）,（2）热运动（使其从粘土矿物表面解离下来）,上一内容,下一内容,回主目录,返回,扩散双电层模型：,上一内容,下一内容,回主目录,返回,粘土表面吸附的带相反电荷的正离子（即反离子）与水接触时，在静电吸引和热运动两种效应的作用下，只有一部分紧密地排在固体表面附近，相距约一、二个离子厚度称为紧密层；,另一部分离子按一定的浓度梯度扩散到溶液中，称为扩散层。,双电层由紧密层和扩散层构成。移动的切动面为AB面。,当颗粒运动时，吸附层随颗粒一起运动，与扩散层分开。,负电性大小：,粘土在水中带负电原因：,例如：在体系中加入无机盐可降低负电性，因为无机盐可压缩扩散双电层，使更多的反离子进入吸附层。,取决于颗粒表面电荷与吸附层内反离子电荷差，但其大小可以人为改变。,2、表面羟基与H+与OH-的反应 表面羟基来源（2种）：（1）矿物表面本身含有羟基,（2）矿物边缘断键产生的羟基,3、吸附,在酸性环境中：羟基与H+反应，粘土带正电性。,在碱性或中性条件下：羟基与OH-反应，粘土带负电性。,吸附负电性离子（OH-、SiO32-）：使粘土负电性增加,吸附正电性离子：使粘土负电性减少,表面羟基与H+与OH-的反应,二、粘土矿物带电量,粘土带电量通常用CEC表示，CEC越大，说明粘土所带负电荷越多，三种常见粘土矿物的CEC大致如下。,思考题：为什么伊利石单位晶胞所带负电荷比蒙脱石多，而CEC却比蒙脱石小？,一、定义：粘土吸水后体积增大的性质。膨胀性是衡量粘土亲水性的指标，亲水性越强，吸水量越大，水化膨胀越厉害。粘土矿物可分为膨胀型粘土和非膨胀型粘土矿物。思考题:蒙脱石、高岭石、伊利石、绿泥石各属于什么类型？为什么？,上一内容,下一内容,回主目录,返回,第三节 粘土的水化膨胀性,二、水化膨胀机理,各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的程度不同而已。,蒙脱石水化膨胀过程,蒙脱石水化膨胀过程,上一内容,下一内容,回主目录,返回,第四节 粘土的吸附性及凝聚性,一、粘土的吸附性1、吸附：物质在两相界面上自动浓集(界面浓度大于内部 浓度）的现象。吸附质：被吸附的物质（钻井液处理剂）吸附剂：吸附吸附质的物质（粘土）,物理吸附：范德华引力引起，一般无选择性，吸附热较小，容易脱附,2、吸附分类,化学吸附：化学键力引起，具有选择性，吸附热较大，不易脱附。,例：阴离子和非离子处理剂在粘土上的吸附,例：阳离子处理剂在粘土上的吸附,上一内容,下一内容,回主目录,返回,二、粘土的凝聚性1、定义：在一定条件下，粘土矿物颗粒在水中发生联结的性质。,2、粘土颗粒间作用力,静电斥力（扩散双电层）,水化膜斥力（水分子在粒子周围定向排列）,斥力,引力：范德华引力,3、粘土的联结方式,第四节 粘土的吸附性及凝聚性,