粘土矿物的晶体构造钻井泥浆是由粘土、水（或油）和少量处理剂混合形成，具有可调控的粘性、比重和降失水等性能，在大多情况下能够满足悬排钻碴、稳定井壁、防止漏失、冷却润滑钻具的基本钻进需要，并且来源广泛，成本较低，配制使用方便，所以成为应用最广泛的钻井液。+钻井泥浆l粘土矿物的晶体构造l粘土的性质 粘土矿物基本构造单元 常见粘土矿物的晶体构造 造浆粘土的选用本次课主要讲授内容粘 土粘土 与钻 井的 关系（1）粘土作为钻井液的重要组成成分，配浆原材料。（2）涉及钻井过程中井眼的稳定性，粘土是泥页岩的主要组成部分，75%地层为泥页岩，90%的井壁不稳定发生在泥页岩。（3）油气层的保护，粘土矿物膨胀、钻井液配浆粘土堵塞。（2）粘土粘土：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为主的（50%） 沉积物。 （3）粘土岩粘土岩（俗称：泥页岩）：粘土矿物经沉积、固结成岩作 用后成为粘土岩。 （1）粘土矿物粘土矿物：细分散的（2m）含水的铝硅酸盐类矿物的 总称，可进一步分为晶质（具有晶体结构的）和非晶质，自然界 中所见到的粘土矿物绝大多数是晶质的。 前言一、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，其结构见右图。顶氧 底氧 第一节 粘土矿物的晶体构造硅氧面体晶片：指硅氧四面体网络。硅氧四面体网络由硅氧四面体通过相临的氧原子连接而成，其立体结构见右图。一、粘土矿物的两种基本构造单元第一节 粘土矿物的晶体构造2、铝氧八面体与铝氧八面体晶片铝氧八面体：六个顶点为氢氧原子团，铝、铁或镁原子居于八面体中央(如右图所示)。氢氧一、粘土矿物的两种基本构造单元第一节 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OH连接而成的Al-O八面体网络。一、粘土矿物的两种基本构造单元第一节 粘土矿物的晶体构造3、晶片的结合层面是O层面上是OHSi-O晶片Al-O晶片晶层：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。一、粘土矿物的两种基本构造单元第一节 粘土矿物的晶体构造（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。氧原子氧原子Si-O晶片 Al-O晶片 Si-O晶片一、粘土矿物的两种基本构造单元第一节 粘土矿物的晶体构造（3）层间域/层间距一、粘土矿物的两种基本构造单元第一节 粘土矿物的晶体构造1、基本概念（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，而晶体结构不变，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 电荷二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造例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)4二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造（2）阳离子交换容量（C.E.C, cation exchange capacity) 定义义：分散介质质pH=7时时，100g粘土所能交换换下来的阳离子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）。C.E.C可用来表示粘土在水中带电带电 性的多少，它与粘土的水化分散、吸附等性质质密切相关。（3）造浆浆率：一吨干粘土所能配制粘度（表观粘度）为 15mPas钻钻井液的体积积数，m3/T。造浆率粘土的水化分散能力二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造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二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造高岭石特点Si-O Al-OOHOA、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：高岭石属非膨胀性粘土矿物，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。二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造D、C.E.C低（3-15 mmol/100g)在三种常见的粘土矿物中，高岭石的.E.C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C.E.C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。二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造（2）蒙脱石Al-O Si-OSi-OSi-OSi-OAl-O蒙脱石晶体结构示意图二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造蒙脱石特点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。 二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造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。 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。二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造D、C.E.C 大（70-130 mmol/100g土) 、造浆率高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。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C.E.C大。二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造（3）伊利石 伊利石晶体结构示意图二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造伊利石特点 Al-O Si-OSi-OK+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？二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造D、C.E.C 介于高岭石与蒙脱石之间（20-40mmol/100g土) 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。、造浆率低二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造一般情况下，随着地层深度的增加，伊利石含量增加蒙脱石含量减少，因此，下部地层缩径现象少，以剥落掉块、坍塌为主。二、几种常见粘土矿物的晶体构造第一节 粘土矿物的晶体构造灰色和棕色泥岩灰黑色泥岩砂岩第一节 粘土矿物的晶体构造松科1井实例海泡石俗称抗盐土，属链状构造的含水铝镁硅酸盐矿物，主要包括：海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石等。它的晶体构造多为纤维状，其特点是：硅氧四面体所组成的六角环都依上下相反方向对列，并且相互间被其它的八面体氧或氢氧群所连接，铝或镁位居八面体的中央，同时，构造中还保留了一系列的晶道，具有极大的内部表面，水分子可以进入内部孔道。第一节 粘土矿物的晶体构造(4) 海泡石族实验证明，海泡石和凹凸棒石不仅抗盐性好，抗温性亦比膨润土好。目前钻井中使用的海水钻井液、盐水（饱和盐水）钻井液一般使用海泡石配浆，而抗高温钻井液则一般使用凹凸棒石作为配浆粘土，性能要比普通造浆土好得多。 第一节 粘土矿物的晶体构造绿坡缕石，凹凸棒石 绿泥石 粘性页岩 伊利石 高岭石 蒙脱石 砂岩 页岩第一节 粘土矿物的晶体构造u钻井泥浆是粘土在水中的分散体系，从钻井工程的工艺要求出发，需要采用较为优质的膨润土采用较为优质的膨润土造浆，即需要选用以含蒙脱石为主的钠膨润土为造浆材料。u国内外富含蒙脱石的大型优质膨润土矿有不少，如我国的新疆夏子街、山东高阳、辽宁黑山、浙江余杭，美国的怀俄明以及南澳大利亚等地都有高纯度的大型膨润土矿床。泥浆公司和粘土粉生产厂家从这些地方采取粘土矿原料，做适当的加工，形成造浆粘土的正规产品。三.造浆粘土的选用第一节 粘土矿物的晶体构造u自然界中的粘土广泛存在。许多情况下，钻进现场及其附近就有或多或少含蒙脱石的粘土。如果钻井对泥浆性能要求不是很高，完全可以就地取土配制泥浆，并通过添加处理剂来改善泥浆性能。当然，一些蒙脱石含量很少或杂质很多的劣质土是不可取的，因为这些土难以造浆。三.造浆粘土的选用第一节 粘土矿物的晶体构造u如果钻井通过的地层本身就富含造浆粘土，那么就可以利用“地层造浆”，即先用一定量的清水作为钻井液，清水在井内自动水化分散被钻头破碎下来的粘土形成泥浆，直接循环使用。u无论是就地取土、地层造浆还是购买正规粘土粉产品，都存在判别粘土是否适于造浆或检验粘土造浆质量的问题。对此，应该采用科学的鉴定和评价。三.造浆粘土的选用第一节 粘土矿物的晶体构造（一）粘土矿物的鉴定 （1）矿物鉴定方法：差热分析和失重分析法、X衍射法、红外 光谱法、化学分析法、电子扫描显微镜法（2）物化性能测定法：吸兰量试验、膨胀试验、胶质价试验、pH值试验、阳离子交换容量测定 这些方法属于化学分析和仪器分析范围，它们的工作原理和操作规范可参阅相关专业书籍。四、造浆粘土的质量评价第一节 粘土矿物的晶体构造四、造浆粘土的质量评价第一节 粘土矿物的晶体构造u蒙脱石含量；u胶质价和膨胀倍数；u阳离子交换容量、盐基总量和盐基分量；u可溶性盐含量；u造浆率；u流变特性和失水特性。四、造浆粘土的质量评价第一节 粘土矿物的晶体构造（二）造浆粘土的评价1. 前言定义：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、带电性第二节 粘土的性质2. 电荷产生原因电荷 来源(1)永久电荷 u晶格取代：粘土矿物晶体结构中一部分阳离子被另外一部 分阳离子所取代（置换），但晶体结构不变的现象。 u由于晶格取代是低价阳离子取代了高价阳离子，产生了过 剩的负电荷，因此，一般情况下粘土带负电。 u 伊利石与蒙脱石相比虽晶层结构相同但由于晶格取代位 置不同，因此层面电荷密度不同，水化难易程度不同。 一、带电性第二节 粘土的性质（2）表面羟基与H+与OH-的反应（可变电荷）在酸性环境中：羟基与H+反应，粘土带正电性。 Al-OH + H+ Al+ + H2O在碱性或中性条件下：羟基与OH-反应，粘土带负电性。 Al-OH + OH- Al-O- + H2O一、带电性第二节 粘土的性质（3）吸附吸附负电性离子（OH-、SiO32-）：使粘土负电性增加吸附正电性离子（NW-1）：使粘土负电性减少分类一、带电性第二节 粘土的性质CEC：pH值等于7的水溶液中100g粘土中可被交换出来的阳离子电荷总数。粘土带电量通常用CEC表示，CEC越大，说明粘土所带 负电