钻井液基础知识PPT

钻井液基础知识PPT粘土矿物和粘土胶体化学基础第一部分（1）粘土主要是由粘土矿物(含水的铝硅酸盐)组成的，除粘土矿物外，还含有不定量的非粘土矿物，如石英、长石等。（2）大多数粘土颗粒的粒径小于2μm，它们在水中有分散性、带电性、离子交换以及水化性。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。（2）钻井过程中井眼的稳定性（3）油气层的保护。前言第一节粘土矿物的晶体构造一、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，其结构见右图上。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，其立体结构见右下图。一、粘土矿物的两种基本构造单元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(如右上图所示)。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。一、粘土矿物的两种基本构造单元3、晶片的结合晶层：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。OOHSi-OAl-O一、粘土矿物的两种基本构造单元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-OAl-OSi-O一、粘土矿物的两种基本构造单元C晶层间距C：一个晶层到相临晶层的垂直距离层间域：相邻晶层之间的空间层间物：层间域中的物质单位构造：晶层+层间域二、几种常见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，产生过剩电荷的现象。Si-O四面体：Al3+取代Si4+粘土带负电荷Al-O八面体：Mg2+、Fe2+取代Al3+蒙脱石在不发生晶格取代时，其理想结构式为：Al2Si4O(OH)2.nH2O蒙脱石的实际结构式为：(1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)4.nH2O二、几种常见粘土矿物的晶体构造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（C.E.C)定义：分散介质PH=9时，100g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）。C.E.C是粘土的一个很重要的指标，因为它与粘土性质（如水化膨胀、分散等）密切相关。二、几种常见粘土矿物的晶体构造（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。造浆率越高，说明粘土的水化分散能力越强。二、几种常见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①高岭石晶体结构示意图二、几种常见粘土矿物的晶体构造②高岭石特点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=7.2Å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。Si-OAl-OOHO二、几种常见粘土矿物的晶体构造D、C.E.C低（3-15mmol/100g)在三种常见的粘土矿物中，高岭石的Ｃ.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。Ｅ、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⑵蒙脱石①蒙脱石晶体结构示意图Al-OSi-OSi-OSi-OSi-OAl-O二、几种常见粘土矿物的晶体构造②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。C、晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距C=9.6Å-40Å，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。二、几种常见粘土矿物的晶体构造D、C.E.C大（70-130mmol/100g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C.E.C大。Ｅ、造浆率高◆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，引起蒙脱石水化膨胀。◆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。二、几种常见粘土矿物的晶体构造（3）伊利石①伊利石晶体结构示意图②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=10Å，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；二、几种常见粘土矿物的晶体构造Al-OSi-OSi-OSi-OSi-OAl-OK+二、几种常见粘土矿物的晶体构造◆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，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、C.E.C大介于高岭石与蒙脱石之间（20-40mmol/100g土)◆蒙脱石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+来平衡，由于蒙脱石取代位置主要在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。Ｅ、造浆率低第二节粘土的电性一、概述从电泳现象得到证明，粘土颗粒在水中通常带有负电荷。粘土的电荷是使粘土具有一系列电化学性质的基本原因，同时对粘土的各种性质都发生影响。例如：1、粘土吸附阳离子的多少决定于其所带负电荷的数量；2、钻井液中的无机＼有机处理剂的作用；3、钻井液胶体的分散＼絮凝等性质，也都受到粘土电荷的影响。粘土晶体因环境的不同或环境的变化，可能带有不同的电性，或者说带有不同的电荷。粘土晶体的电荷可分为永久负电荷＼可变负电荷＼正电荷三种。二、电荷种类及产生原因1、永久负电荷定义：由于粘土在自然界形成时发生晶格取代作用所产生的负电荷。这种负电荷的数量取决于晶格取带作用的多少，而不受pH值的影响。因此，这种电荷被称为永久负电荷。由于不同粘土矿物晶格取代情况是不相同的，所带的永久负电荷也不相同。几种常见的粘土矿物单位晶胞所带永久负电荷大致如下表所示。粘土的永久负电荷大部分分布在粘土晶层的层面矿物名称单位晶胞所带电荷数个高岭石0蒙脱石0.25-0.6伊利石0.6-1二、电荷种类及产生原因2、可变负电荷定义：粘±所带电荷的数量随介质的pH值改变而改变，这种电荷叫做可变负电荷。可变负电荷产生的原因大致有两个：（1）解离：在粘土晶体端面上连接的OH基中的H在碱性或中性条件下解离，因而使粘土带上可变负电荷﹥Al-OHOH-﹥Al-O-+H2O(2)吸附：粘土晶体的端面上吸附了某些阴离子，如：OH-、SiO3等，或吸附了有机阴离子聚电解质，如：PHP等。粘土永久负电荷与可变负电荷的比例与粘土矿物的种类有关，蒙脱石的永久负电荷最高，约占负电荷总和的95％，伊利石约占60％，高岭石只古25％o二、电荷种类及产生原因3、正电荷很多研究结果证明，当粘土介质的pH值低于9时，粘土晶体端面上带正电荷。兹逊(P．A．Thiessen)用电子显微镜照相观察到高岭石边角上吸附了负电性金溶胶，由此证明了粘土端面上带有正电荷。产生原因：粘土中裸露在边缘上的铝氧八面体在酸性条件下从介质中解离出OH-所致。﹥Al-OHH+﹥Al++OH-粘土的正电荷与负电荷的代数和即为粘土晶体的净电荷数。由于粘土的负电荷一般多于正电荷，因此，粘土一般都带负电荷。三、粘土矿物带电量及影响因素1、常见粘土矿物带电量粘土带电量通常用C.E.C表示，C.E.C越大，说明粘土所带电荷越多，三种常见粘土矿物的C.E.C大致如下。矿物名称C.E.C高岭石3-15蒙脱石70-130伊利石20-40思考题：为什么伊利石单位晶胞所带负电荷比蒙脱石多，而C.E.C却比蒙脱石小？三、粘土矿物带电量及影响因素2、粘土矿物带电量影响因素粘土阳离子交换容量大小的因素有三：粘土矿物的本性，粘土的分散度和分散介质的酸碱度。（1）粘土矿物的本性．C.E.C实际上是粘土所带净负电荷的量度。晶格取代的数量影响粘土矿物所带净负电荷的因素为：晶格取代的位置吸附阳离子类型分散介质的PH三、粘土矿物带电量及影响因素（2）粘土的分散度对同种粘土矿物，分散度(或比表面)越大，C.E.C越大。特别是高岭石，其阳离子交换主要是由于裸露的氢氧根中氢的解离产引起的，因而颗粒愈小，露在外面的氢氧根愈多，交换容量显著增加，蒙脱石的阳离子交换主要是由于晶格取代所产生的电荷，由于裸露的氢的解离所产生的负电荷所占比例很小，因而受分散度的影响较小。高岭石C.E.C与颗粒大小的关系粒径/ųm40-2010-54-21-0.50.5-0.250.25-0.10.1-0.05C.E.C2.42.63.63.83.95.49.5三、粘土矿物带电量及影响因素（3）PH值在粘土矿物与分散度相同的条件下，PH，C.E.C,原因如下：①吸附OH-：溶液中OH-，通过氢键吸附到粘土矿物边缘上的OH-，可变负电荷，C.E.C。②解离：在粘土晶体端面上连接的OH基中的H在碱性或中性条件下解离，因而使粘土的可变负电荷增多。﹥Al-OHOH-﹥Al-O-+H2OPH值和分散度影响可变负电荷影响C.E.C三、粘土矿物带电量及影响因素常见粘土矿物带电性区别矿物名称带电原因（主）电荷分布单位晶胞电荷数（个）C.E.Cmmol/100g土高岭石解离边缘很小3-15蒙脱石晶格取代AL-O八面体0.25-0.670-130伊利石晶格取代SI-O四面体0.6-120-40第三节粘土的水化膨胀作用水化膨胀性：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。粘土亲水性越强，吸水量越大，水化膨胀越厉害。一、粘土矿物的水分粘土矿物的水分按其存在的状态可以分为结晶水、吸附水和自由水等三种类型。(1)结晶水。这种水(矿物中铝氧八面体中的OH-层)是粘土矿物晶体构造的一部分，只有温度高于300℃以上时，结晶受到破坏，这部分水才能释放出来。第三节粘土的水化膨胀作用(2)吸附水：由于分子间引力和静电引力，具有极性的水分子可以吸附到带电的粘土表面上，在粘土颗粒周围形成一层水化膜，这部分水随粘土颗粒一起运动，所以也称为束缚水。(3)自由水：这部分水存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中，不受粘土的束缚，可以自由地运动。二、粘土水化膨胀作用的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。粘土水化膨胀受三种力制约：表面水化力＼渗透水化力和毛细管作用。第三节粘土的水化膨胀作用(1)表面水化①定义：由粘土晶体表面直接吸附水分子和通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子而导致的水化。②表面水化机理直接水化：粘土表面上的H+和OH-通过氢键吸附水分子间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子(2)渗透水化①定义：由于晶层间阳离子浓度大于溶液内部的阳离子浓度，因而发生水的浓差扩散，使水进入晶层，增加晶层间距，从而形成扩散双电层