Question

粘土矿物的晶体构造与性质

Answer 1

大多数粘土颗粒的粒径小于2um，它们在水中有分散性、带电性、离子交换以及水化性，这些性能都是在处理与配制钻井液时考虑的因素。

一、粘土矿物的分类和化学组成

1.粘土矿物的分类

根据单元晶层构造的特征分类

1：1（一层硅氧四面体晶片与一层铝氧八面体晶片相结合构成单元晶层）

2：1（两层硅氧四面体晶片中间夹一层铝氧八面体晶片构成单元晶层）

2：2（硅氧四面体晶片与铝氧八面体晶片交替排列的四层晶片构成单元晶层）

层链状结构

2.粘土矿物的化学组成

高岭石（氧化铝含量高，氧化硅含量低）

蒙脱石（氧化铝含量低，氧化硅含量高）

伊利石（含有较多的氧化钾）

二、几种主要粘土矿物的晶体构造

1.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（有一个硅原子和四个氧原子在四面体顶点，硅原子和各氧原子的距离相等）硅氧四面体在大多数粘土矿物里排列成六角形的网络，又称硅氧四面体晶片。

（2）铝氧八面体与铝氧八面体晶片

铝氧八面体（6个顶点为氢氧原子团，铝，铁或镁原子居于八面体中央）

如果八面体晶片的中央位置由Al 3+、Fe 3+等三价离子占据2/3，留下1/3的空位，这种晶片称为二八面体晶片。

八面体晶片的中央位置全部由Mg 2+、Fe2+等二价离子占据，这种晶片称为三八面体晶片。

（3）晶片的结合

四面体晶片与八面体晶片以适当方式结合，构成晶层。

硅氧四面体片与铝氧四面体片通过共价键连接在一起构成单元晶层。单元晶层面一面堆叠在一起形成晶体。一个单元晶层到相邻的单元晶层的垂直距离c称为晶层间距， c等于7.2*10（-1次方）nm

2. 几种主要粘土矿物的晶体构造

（1）高岭石：由一片硅氧四面体晶片和一片铝氧八面体晶片组成的，所有的硅氧四面体的顶尖都朝着同样的方向，指向铝氧八面体。硅氧四面体晶片和铝氧八面体晶片由共用的氧原子连接在一起。

高岭石晶体构造的特点：阳离子交换容量小，水分不易进入晶层中间，为非膨胀类型的粘土矿物。其水化性能差，造浆性能不好，一般不用做配浆粘土。含高岭石的泥页岩地层易发生剥蚀掉块，必须重视，加以解决。

（2）蒙脱石：蒙脱石可看做是叶蜡石的衍生物。叶腊石的每一晶层单元由两片硅氧四面体晶片和夹在它们中间的一片铝氧八面体晶片组成

蒙脱石带有较多的负电荷，能吸附等电量的阳离子，蒙脱石是膨润土型粘土矿物，其晶层所有表面，包括内表面和外表面都可以进行水化及阳离子交换。

（3）伊利石也称水云母。

伊利石的晶格不易膨胀，水不易进入晶层之间，伊利石存在于所有的沉积年代中，而在古生代沉积物中占优势。钻井遇到含伊利石为主的泥页岩地层时，常常发生剥落垫块，需采用抑制粘土分散钻井液的。

（4）绿泥石

（5）海泡石族

含有较多得吸附水，具有好的热稳定性，适用配制深井钻井液。它在淡水与在饱和盐水中造浆情况一样，具有良好的抗盐稳定性。

（6）混合晶层粘土矿物

三、粘土的电性

粘土颗粒在水中通常带有负电荷。粘土吸附阳离子的多少决定于其所带负电荷的数量。

粘土晶体的电荷分为：

（1）永久负电荷

不受PH值的影响

伊利石永久负电荷最多，高岭石电荷最少，蒙脱石居中。粘土的永久负电荷大部分分布在粘土晶层的层面上。

（2）可变负电荷

PH值改变而改变

（3）正电荷

PH值低于9时，粘土晶体端面上带正电荷。

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。粘土一般带负电荷

2.粘土的交换性阳离子及阳离子交换容量的测定

（1）粘土的阳离子交换容量

3.影响粘土阳离子交换容量大小的因素

（1）粘土矿物的本性

（2）粘土的分散度

（3）溶液的酸碱度

四、粘土的水化作用

1.粘土矿物的水分

（1）结晶水

温度高于300度以上，结晶受到破坏，这部分水才能释放

（2）吸附水

（3）自由水

2.粘土水化膨胀作用的机理

3.影响粘土水化膨胀的因素

（1）粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度也不相同。

粘土晶体表面的水化膜厚度是不均匀的，层面上厚，端面上薄。

（2）粘土矿物不同，水化作用强弱不同。

蒙脱石阳离子交换容量高，水化最好，分散度最高

（3）粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程度有差别

预水化，使钙膨润土转变为钠膨润土

钠土是配制钻井液的理想材料