粘土的水化膨脹作用和粘土膠體化學(xué)

1、蔡記華蔡記華 u粘土礦物的晶體構(gòu)造粘土礦物的晶體構(gòu)造 u粘土的性質(zhì)粘土的性質(zhì) 粘土礦物粘土礦物 常見(jiàn)粘土礦物的晶體構(gòu)造常見(jiàn)粘土礦物的晶體構(gòu)造 造漿粘土的選用造漿粘土的選用 l粘土的水化膨脹作用粘土的水化膨脹作用 l粘土粘土-水界面的擴(kuò)散雙電層水界面的擴(kuò)散雙電層 l粘土在水中的分散狀態(tài)粘土在水中的分散狀態(tài) l泥漿的穩(wěn)定性泥漿的穩(wěn)定性 u1、定義定義 粘土吸水后體積增大的性質(zhì)。粘土吸水后體積增大的性質(zhì)。 膨脹性是衡量粘土親水性的指標(biāo)，親水性越強(qiáng)，膨脹性是衡量粘土親水性的指標(biāo)，親水性越強(qiáng)， 吸水量越大，水化膨脹越厲害。吸水量越大，水化膨脹越厲害。 u2、粘土礦物的水份、粘土礦物的水份 粘土礦物的水分

2、按其存在的狀態(tài)可以分為粘土礦物的水分按其存在的狀態(tài)可以分為結(jié)晶水結(jié)晶水 、吸附水和自由水、吸附水和自由水三種類(lèi)型。三種類(lèi)型。 u（1）結(jié)晶水）結(jié)晶水 這種水是粘土礦物晶體構(gòu)造的一部分，只有這種水是粘土礦物晶體構(gòu)造的一部分，只有 溫度高于溫度高于300度以上時(shí)，結(jié)晶受到破壞，這度以上時(shí)，結(jié)晶受到破壞，這 部分水來(lái)釋放出來(lái)。部分水來(lái)釋放出來(lái)。 u（2）吸附水）吸附水 由于分子間引力和靜電引力，具有極性的水由于分子間引力和靜電引力，具有極性的水 分子可以吸附到帶電的粘土表面上，在粘土分子可以吸附到帶電的粘土表面上，在粘土 顆粒周?chē)纬梢粚铀ぃ@部分水可以隨顆粒周?chē)纬梢粚铀?，這部分水可以隨

3、粘土顆粒一起運(yùn)動(dòng)，所以也稱(chēng)為束縛水。粘土顆粒一起運(yùn)動(dòng)，所以也稱(chēng)為束縛水。 u（3）自由水）自由水 這部分水存在于粘土顆粒的孔穴或孔道中，這部分水存在于粘土顆粒的孔穴或孔道中， 不受粘土的束縛，可以自由的運(yùn)動(dòng)。不受粘土的束縛，可以自由的運(yùn)動(dòng)。 u3、粘土水化膨脹的過(guò)程、粘土水化膨脹的過(guò)程 各種粘土都會(huì)吸水膨脹，只是不同的粘土礦各種粘土都會(huì)吸水膨脹，只是不同的粘土礦 物水化膨脹的程度不同而已。粘土水化膨脹物水化膨脹的程度不同而已。粘土水化膨脹 受三種力制約：受三種力制約：表面水化力、滲透水化力和表面水化力、滲透水化力和 毛細(xì)管作用毛細(xì)管作用。 (1)表面水化表面水化 定義：定義：由粘土晶體表面直接

4、吸附水分子和由粘土晶體表面直接吸附水分子和 通過(guò)所吸附的可交換性陽(yáng)離子間接吸附水分通過(guò)所吸附的可交換性陽(yáng)離子間接吸附水分 子而導(dǎo)致的水化。子而導(dǎo)致的水化。 表面水化機(jī)理表面水化機(jī)理 直接水化：粘土表面上的直接水化：粘土表面上的H+和和OH-通過(guò)氫鍵通過(guò)氫鍵 吸附水分子吸附水分子 間接水化：通過(guò)所吸附的可交換性陽(yáng)離子間間接水化：通過(guò)所吸附的可交換性陽(yáng)離子間 接吸附水分子接吸附水分子 。 這是短距離范圍內(nèi)的粘土與水的相互作用這是短距離范圍內(nèi)的粘土與水的相互作用 ，這個(gè)作用進(jìn)行到粘土層間有四個(gè)水分子層，這個(gè)作用進(jìn)行到粘土層間有四個(gè)水分子層 的厚度，其厚度約為的厚度，其厚度約為10（1nm）。 在粘土

5、的層面上，此時(shí)作用的力有層間分子在粘土的層面上，此時(shí)作用的力有層間分子 的范德華引力、層面帶負(fù)電和層間陽(yáng)離子之的范德華引力、層面帶負(fù)電和層間陽(yáng)離子之 間的靜電引力、水分子與層面的吸附能量（間的靜電引力、水分子與層面的吸附能量（ 水化能），其中以水化能最大。水化能），其中以水化能最大。 水化膨脹力可達(dá)水化膨脹力可達(dá)20004000大氣壓大氣壓。 u當(dāng)粘土層面間的距離超過(guò)當(dāng)粘土層面間的距離超過(guò)10 時(shí)，表面吸附時(shí)，表面吸附 能量已經(jīng)不是主要的了，此后粘土的繼續(xù)膨能量已經(jīng)不是主要的了，此后粘土的繼續(xù)膨 脹是由脹是由滲透壓力和雙電層斥力滲透壓力和雙電層斥力所引起的。所引起的。 u隨著水分子進(jìn)入粘土晶層

6、間，粘土表面吸附隨著水分子進(jìn)入粘土晶層間，粘土表面吸附 的陽(yáng)離子便水化而擴(kuò)散到水中，形成擴(kuò)散雙的陽(yáng)離子便水化而擴(kuò)散到水中，形成擴(kuò)散雙 電層，由此，層間的電層，由此，層間的雙電層斥力雙電層斥力便逐漸起主便逐漸起主 導(dǎo)作用而引起粘土層間距進(jìn)一步擴(kuò)大。導(dǎo)作用而引起粘土層間距進(jìn)一步擴(kuò)大。 u擴(kuò)散雙電層理論擴(kuò)散雙電層理論（粘土膠體化學(xué)最重要的理粘土膠體化學(xué)最重要的理 論之一論之一）。）。 u其次粘土層間吸附有眾多的陽(yáng)離子，層間的離子濃度遠(yuǎn)其次粘土層間吸附有眾多的陽(yáng)離子，層間的離子濃度遠(yuǎn) 大于溶液內(nèi)部的濃度。由于大于溶液內(nèi)部的濃度。由于濃度差濃度差的存在，粘土層可看的存在，粘土層可看 成是一個(gè)滲透膜，在滲

7、透壓力作用下水分子便繼續(xù)進(jìn)入成是一個(gè)滲透膜，在滲透壓力作用下水分子便繼續(xù)進(jìn)入 粘土層間，引起粘土的進(jìn)一步膨脹。由滲透水化而引起粘土層間，引起粘土的進(jìn)一步膨脹。由滲透水化而引起 的膨脹可使粘土層間距達(dá)到的膨脹可使粘土層間距達(dá)到120。 u增加溶液的含鹽量，由于濃度差減小，粘土膨脹的層間增加溶液的含鹽量，由于濃度差減小，粘土膨脹的層間 距便縮小，這也是用鹽水泥漿抑制孔壁膨脹的原理。距便縮小，這也是用鹽水泥漿抑制孔壁膨脹的原理。 u粘土水化膨脹達(dá)到平衡距離（層間距大約為粘土水化膨脹達(dá)到平衡距離（層間距大約為120）的）的 情況下，在剪切力作用下晶胞便分離，粘土分散在水中情況下，在剪切力作用下晶胞便分

8、離，粘土分散在水中 ，形成粘土懸浮液。，形成粘土懸浮液。 + 滑動(dòng)面滑動(dòng)面 吸附的可交換陽(yáng)離子解離，吸附的可交換陽(yáng)離子解離， 形成擴(kuò)散雙電層，產(chǎn)生負(fù)電形成擴(kuò)散雙電層，產(chǎn)生負(fù)電 性，晶層間相互排斥，間距性，晶層間相互排斥，間距 增大，表現(xiàn)出膨脹性。增大，表現(xiàn)出膨脹性。 水水 膨脹后分散膨脹后分散 u評(píng)價(jià)方法：評(píng)價(jià)方法：吸水量法和膨脹量法吸水量法和膨脹量法 （1 1）吸水量法）吸水量法 吸水量：總吸水量，單位重量土吸附水的總量（重量或吸水量：總吸水量，單位重量土吸附水的總量（重量或 質(zhì)量）；質(zhì)量）； 比親水量：?jiǎn)挝槐砻娣e吸水量比親水量：?jiǎn)挝槐砻娣e吸水量( (相當(dāng)于表面水化膜厚度相當(dāng)于表面水化膜厚度

9、) ) 泥頁(yè)巖比親水量界面物理化學(xué)含義示意圖泥頁(yè)巖比親水量界面物理化學(xué)含義示意圖 u 膨脹量：?jiǎn)挝恢亓空惩恋呐蛎涹w積（體積不受膨脹量：?jiǎn)挝恢亓空惩恋呐蛎涹w積（體積不受 限制），另外一種表示方法水化應(yīng)力，即體積保限制），另外一種表示方法水化應(yīng)力，即體積保 持不變時(shí)，泥頁(yè)巖水化所產(chǎn)生的持不變時(shí)，泥頁(yè)巖水化所產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)應(yīng)力效應(yīng) 123 傳感器 膨脹膨脹 量測(cè)量測(cè) 定儀定儀 u采用采用NP-02型智能型頁(yè)巖膨脹測(cè)試儀，以型智能型頁(yè)巖膨脹測(cè)試儀，以10 KCl為基本的參考標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量在不同為基本的參考標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量在不同LG植物植物 膠加量時(shí)的頁(yè)巖的相對(duì)膨脹率。膠加量時(shí)的頁(yè)巖的相對(duì)膨脹率。 uLG植物膠對(duì)

10、泥頁(yè)巖水化膨脹有較強(qiáng)的抑制作植物膠對(duì)泥頁(yè)巖水化膨脹有較強(qiáng)的抑制作 用，在基漿中加入用，在基漿中加入2的的LG植物膠后，其相對(duì)植物膠后，其相對(duì) 膨脹率只有膨脹率只有19.80。 u粘土礦物本身的特性粘土礦物本身的特性 u交換性陽(yáng)離子的種類(lèi)交換性陽(yáng)離子的種類(lèi) u水溶液中電解質(zhì)的濃度水溶液中電解質(zhì)的濃度 u(1)粘土礦物本身的特性粘土礦物本身的特性 粘土礦物因其晶格構(gòu)造不同，水化膨脹能力也有很大粘土礦物因其晶格構(gòu)造不同，水化膨脹能力也有很大 差別。差別。 蒙脫石蒙脫石粘土礦物（粘土礦物（2:1），其晶胞兩面都是氧層，層間），其晶胞兩面都是氧層，層間 聯(lián)結(jié)是較弱的分子間力，水分子易沿著硅氧層面進(jìn)入晶聯(lián)

11、結(jié)是較弱的分子間力，水分子易沿著硅氧層面進(jìn)入晶 層間，使層間距離增大，引起粘土的體積膨脹。層間，使層間距離增大，引起粘土的體積膨脹。 伊利石（伊利石（2:1）粘土礦物其晶體結(jié)構(gòu)與蒙脫石礦物粘土礦物其晶體結(jié)構(gòu)與蒙脫石礦物 相同，但因?qū)娱g有水化能力小的相同，但因?qū)娱g有水化能力小的K+存在，存在，K+鑲嵌鑲嵌 在粘土硅氧層的六角空穴中，把兩硅氧層鎖緊，在粘土硅氧層的六角空穴中，把兩硅氧層鎖緊， 故水不易進(jìn)入層間，粘土不易水化膨脹。故水不易進(jìn)入層間，粘土不易水化膨脹。 高嶺石（高嶺石（1:1）粘土礦物，因?qū)娱g易形成氫鍵，晶粘土礦物，因?qū)娱g易形成氫鍵，晶 胞間聯(lián)結(jié)緊密，水分子不易進(jìn)入，故膨脹性小。胞間聯(lián)

12、結(jié)緊密，水分子不易進(jìn)入，故膨脹性小。 同時(shí)伊利石晶格置換現(xiàn)象少，高嶺石幾乎無(wú)晶格同時(shí)伊利石晶格置換現(xiàn)象少，高嶺石幾乎無(wú)晶格 置換現(xiàn)象，陽(yáng)離子交換容量低，也使粘土的水化置換現(xiàn)象，陽(yáng)離子交換容量低，也使粘土的水化 膨脹差。膨脹差。 u(2) 交換性陽(yáng)離子的種類(lèi)交換性陽(yáng)離子的種類(lèi) 粘土吸附的交換性陽(yáng)離子不同，形成的水化膜厚粘土吸附的交換性陽(yáng)離子不同，形成的水化膜厚 度也不相同，即粘土水化膨脹程度也有差別。例度也不相同，即粘土水化膨脹程度也有差別。例 如交換性陽(yáng)離子為如交換性陽(yáng)離子為Na+的鈉蒙脫石，水化時(shí)晶胞間的鈉蒙脫石，水化時(shí)晶胞間 距可達(dá)距可達(dá)40 ，而交換性陽(yáng)離子為，而交換性陽(yáng)離子為Ca2+的

13、鈣蒙脫石的鈣蒙脫石 ，水化時(shí)晶胞間距只有，水化時(shí)晶胞間距只有17 。 u水溶液中電解質(zhì)濃度增加，因離子水化與粘土水化爭(zhēng)奪水溶液中電解質(zhì)濃度增加，因離子水化與粘土水化爭(zhēng)奪 水分子，使粘土直連吸附水分子的能力降低。其次陽(yáng)離水分子，使粘土直連吸附水分子的能力降低。其次陽(yáng)離 子數(shù)目增多，擠壓擴(kuò)散層，使粘土的水化膜減薄?？偲鹱訑?shù)目增多，擠壓擴(kuò)散層，使粘土的水化膜減薄?？偲?來(lái)是使粘土的水化膨脹作用減弱。來(lái)是使粘土的水化膨脹作用減弱。 u鹽水泥漿和鈣處理泥漿對(duì)孔壁的抑制作用就是依據(jù)這個(gè)鹽水泥漿和鈣處理泥漿對(duì)孔壁的抑制作用就是依據(jù)這個(gè) 原理。原理。 u為了更加深入地揭示粘土水化、分散、為了更加深入地揭示粘土

14、水化、分散、 造漿的本質(zhì)，掌握泥漿性能調(diào)節(jié)的造漿的本質(zhì)，掌握泥漿性能調(diào)節(jié)的基本基本 膠體化學(xué)原理膠體化學(xué)原理，引入，引入擴(kuò)散雙電層理論擴(kuò)散雙電層理論對(duì)對(duì) 粘土粘土-水界面的行為機(jī)理進(jìn)行分析。水界面的行為機(jī)理進(jìn)行分析。 （一）雙電層成因與結(jié)構(gòu)（一）雙電層成因與結(jié)構(gòu) u由于粘土顆粒在堿性水溶液中由于粘土顆粒在堿性水溶液中帶帶 負(fù)電荷負(fù)電荷（在端部則多數(shù)帶正電荷（在端部則多數(shù)帶正電荷 ），必然要），必然要吸附與粘土顆粒帶電吸附與粘土顆粒帶電 符號(hào)相反的離子符號(hào)相反的離子陽(yáng)離子到粘陽(yáng)離子到粘 土顆粒表面附近（界面上的濃集土顆粒表面附近（界面上的濃集 ），形成），形成粘土顆粒表面的一層負(fù)粘土顆粒表面的一

15、層負(fù) 電荷與反離子的正電荷相對(duì)應(yīng)的電荷與反離子的正電荷相對(duì)應(yīng)的 電層電層，以保持電的中性（平衡），以保持電的中性（平衡） 。粘土顆粒吸附陽(yáng)離子使陽(yáng)離子。粘土顆粒吸附陽(yáng)離子使陽(yáng)離子 在粘土顆粒表面濃集的同時(shí)，在粘土顆粒表面濃集的同時(shí)，由由 于分子熱運(yùn)動(dòng)和濃度差，又引起于分子熱運(yùn)動(dòng)和濃度差，又引起 陽(yáng)離子脫離界面的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)陽(yáng)離子脫離界面的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，粘，粘 土顆粒對(duì)陽(yáng)離子的吸附及陽(yáng)離子土顆粒對(duì)陽(yáng)離子的吸附及陽(yáng)離子 的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)兩者共同作用的結(jié)果的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)兩者共同作用的結(jié)果 ，在粘土顆粒與水的界面周?chē)?yáng)，在粘土顆粒與水的界面周?chē)?yáng) 離子呈擴(kuò)散狀態(tài)分布，即形成擴(kuò)離子呈擴(kuò)散狀態(tài)分布，即形成擴(kuò) 散雙電層。散雙

16、電層。 u u 有關(guān)擴(kuò)散雙電層的幾個(gè)重要概念有關(guān)擴(kuò)散雙電層的幾個(gè)重要概念 吸附層吸附層 擴(kuò)散層擴(kuò)散層 滑動(dòng)面滑動(dòng)面 熱力電位熱力電位E 電動(dòng)電位電動(dòng)電位 1. 吸附層吸附層 u吸附層是指吸附層是指靠近粘土顆?？拷惩令w粒 表面較近的一薄層水化陽(yáng)表面較近的一薄層水化陽(yáng) 離子，其厚度一般只有幾離子，其厚度一般只有幾 個(gè)個(gè)（0.1nm）。）。這一薄這一薄 層水化陽(yáng)離子，由于與粘層水化陽(yáng)離子，由于與粘 土顆粒表面距離近，陽(yáng)離土顆粒表面距離近，陽(yáng)離 子的密度大，靜電吸引力子的密度大，靜電吸引力 強(qiáng)，強(qiáng)，被吸附的陽(yáng)離子與粘被吸附的陽(yáng)離子與粘 土顆粒一起運(yùn)動(dòng)難以分離土顆粒一起運(yùn)動(dòng)難以分離 。 2. 擴(kuò)散層擴(kuò)

17、散層 u擴(kuò)散層是擴(kuò)散層是吸附層外圍起直到溶液吸附層外圍起直到溶液 濃度均勻處為止?jié)舛染鶆蛱帪橹梗x子濃度差為（離子濃度差為 零）由水化陽(yáng)離子及陰離子組成零）由水化陽(yáng)離子及陰離子組成 的較厚的離子層。的較厚的離子層。 u這部分陽(yáng)離子由于本身的熱運(yùn)動(dòng)這部分陽(yáng)離子由于本身的熱運(yùn)動(dòng) ，自吸附層外圍開(kāi)始向濃度較低，自吸附層外圍開(kāi)始向濃度較低 處擴(kuò)散，因而處擴(kuò)散，因而與粘土顆粒表面的與粘土顆粒表面的 距離較遠(yuǎn)，靜電引力逐漸減弱（距離較遠(yuǎn)，靜電引力逐漸減弱（ 呈二次方關(guān)系減弱），呈二次方關(guān)系減弱），在給泥漿在給泥漿 體系接入直流電源時(shí)，這層水化體系接入直流電源時(shí)，這層水化 離子不能與粘土顆粒一起向電源離子不

18、能與粘土顆粒一起向電源 正極運(yùn)動(dòng)而相反向電源負(fù)極運(yùn)動(dòng)正極運(yùn)動(dòng)而相反向電源負(fù)極運(yùn)動(dòng) 。擴(kuò)散層中陽(yáng)離子分布是不均勻擴(kuò)散層中陽(yáng)離子分布是不均勻 的，靠近吸附層多，而遠(yuǎn)離吸附的，靠近吸附層多，而遠(yuǎn)離吸附 層則逐漸減少，擴(kuò)散層的厚度，層則逐漸減少，擴(kuò)散層的厚度， 依陽(yáng)離子的種類(lèi)和濃度的不同，依陽(yáng)離子的種類(lèi)和濃度的不同， 約為約為10100 。 3. 滑動(dòng)面滑動(dòng)面 u它是吸附層和擴(kuò)散層之間它是吸附層和擴(kuò)散層之間 的一個(gè)滑動(dòng)面。這是由于的一個(gè)滑動(dòng)面。這是由于 吸附層中的陽(yáng)離子與粘土吸附層中的陽(yáng)離子與粘土 顆粒一起運(yùn)動(dòng)，而擴(kuò)散層顆粒一起運(yùn)動(dòng)，而擴(kuò)散層 中的陽(yáng)離子則有一滯后現(xiàn)中的陽(yáng)離子則有一滯后現(xiàn) 象而呈現(xiàn)的滑

19、動(dòng)面。象而呈現(xiàn)的滑動(dòng)面。 4. 熱力電位熱力電位E u它是它是粘土顆粒表面與水溶液粘土顆粒表面與水溶液 中離子濃度均勻處之間的電中離子濃度均勻處之間的電 位差位差。 u熱力電位的高低，取決于粘熱力電位的高低，取決于粘 土顆粒所帶的負(fù)電量。土顆粒所帶的負(fù)電量。 u熱力電位愈高，表示粘土顆熱力電位愈高，表示粘土顆 粒表面帶的負(fù)電量愈多，能粒表面帶的負(fù)電量愈多，能 吸附的陽(yáng)離子數(shù)目也愈多。吸附的陽(yáng)離子數(shù)目也愈多。 5. 電動(dòng)電位電動(dòng)電位 u它是它是滑動(dòng)面處與水溶液離滑動(dòng)面處與水溶液離 子濃度均勻處的電位差。子濃度均勻處的電位差。 電動(dòng)電位取決于粘土顆粒電動(dòng)電位取決于粘土顆粒 表面負(fù)電量與吸附層內(nèi)陽(yáng)表

20、面負(fù)電量與吸附層內(nèi)陽(yáng) 離子正電量的差值。離子正電量的差值。 u電動(dòng)電位愈高，表示在擴(kuò)電動(dòng)電位愈高，表示在擴(kuò) 散層中被吸附的陽(yáng)離子愈散層中被吸附的陽(yáng)離子愈 多，擴(kuò)散層愈厚。多，擴(kuò)散層愈厚。 u陽(yáng)離子的種類(lèi)陽(yáng)離子的種類(lèi) u陽(yáng)離子的種類(lèi)決定了陽(yáng)離子電價(jià)的高低和陽(yáng)離子的水化陽(yáng)離子的種類(lèi)決定了陽(yáng)離子電價(jià)的高低和陽(yáng)離子的水化 能力。能力。 u當(dāng)粘土顆粒吸附當(dāng)粘土顆粒吸附高價(jià)陽(yáng)離子高價(jià)陽(yáng)離子時(shí)，由于一個(gè)離子帶的電荷時(shí)，由于一個(gè)離子帶的電荷 多，粘土顆粒表面的總電荷量一定時(shí)，多，粘土顆粒表面的總電荷量一定時(shí)，吸附層中被陽(yáng)離子吸附層中被陽(yáng)離子 中和的電量多中和的電量多，于是，于是電動(dòng)電位低電動(dòng)電位低，擴(kuò)散層中的

21、陽(yáng)離子數(shù)目，擴(kuò)散層中的陽(yáng)離子數(shù)目 少，擴(kuò)散層及粘土表面的水化膜薄，粘土顆粒易于聚結(jié)。少，擴(kuò)散層及粘土表面的水化膜薄，粘土顆粒易于聚結(jié)。 u若粘土顆粒吸附的是若粘土顆粒吸附的是低價(jià)陽(yáng)離子低價(jià)陽(yáng)離子，吸附層中，吸附層中被陽(yáng)離子中被陽(yáng)離子中 和的電量少和的電量少，電動(dòng)電位高，擴(kuò)散層中的陽(yáng)離子數(shù)目多，擴(kuò)，電動(dòng)電位高，擴(kuò)散層中的陽(yáng)離子數(shù)目多，擴(kuò) 散層以及水化膜厚，粘土顆粒不易聚結(jié)。散層以及水化膜厚，粘土顆粒不易聚結(jié)。 鈣膨潤(rùn)土用碳酸鈉處理原理（鈣膨潤(rùn)土用碳酸鈉處理原理（*） uNa+取代取代Ca2+，因，因Na+為一價(jià)離子，且水化能力強(qiáng)，粘土為一價(jià)離子，且水化能力強(qiáng)，粘土 顆粒周?chē)臄U(kuò)散層以及水化膜厚，

22、泥漿趨于分散穩(wěn)定顆粒周?chē)臄U(kuò)散層以及水化膜厚，泥漿趨于分散穩(wěn)定 u相反，配制好的泥漿使用時(shí)受鈣侵，相反，配制好的泥漿使用時(shí)受鈣侵，Ca2+取代粘土表面取代粘土表面 吸附的吸附的Na+，由于，由于Ca2+是二價(jià)離子，水化能力弱，因而是二價(jià)離子，水化能力弱，因而 粘土顆粒的水化膜變薄，泥漿由分散轉(zhuǎn)化為聚結(jié)而失去粘土顆粒的水化膜變薄，泥漿由分散轉(zhuǎn)化為聚結(jié)而失去 穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。 2. 陽(yáng)離子濃度陽(yáng)離子濃度 u陽(yáng)離子（例如陽(yáng)離子（例如Na+）雖水化能力強(qiáng)，粘土顆粒水）雖水化能力強(qiáng)，粘土顆粒水 化膜厚，泥漿穩(wěn)定，但化膜厚，泥漿穩(wěn)定，但Na+濃度有一合適的范圍，濃度有一合適的范圍， 若若Na+濃度過(guò)大，同

23、樣會(huì)使泥漿由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)。濃度過(guò)大，同樣會(huì)使泥漿由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)。 （1）陽(yáng)離子濃度大，陽(yáng)離子擠入吸附層陽(yáng)離子濃度大，陽(yáng)離子擠入吸附層的機(jī)會(huì)增的機(jī)會(huì)增 大，結(jié)果使電動(dòng)電位降低，擴(kuò)散層以及水化膜變大，結(jié)果使電動(dòng)電位降低，擴(kuò)散層以及水化膜變 薄（即所謂?。此^壓縮雙電層壓縮雙電層），分散體系由分散轉(zhuǎn)化），分散體系由分散轉(zhuǎn)化 為聚結(jié)；為聚結(jié)； u（2）陽(yáng)離子濃度大陽(yáng)離子濃度大，陽(yáng)離子數(shù)目多，陽(yáng)離子本身水，陽(yáng)離子數(shù)目多，陽(yáng)離子本身水 化不好，同時(shí)化不好，同時(shí)陽(yáng)離子水化而奪去粘土直接吸附的水分陽(yáng)離子水化而奪去粘土直接吸附的水分 子子，因而使粘土顆粒周?chē)乃ぷ儽。稚Ⅲw系由，因而使粘土顆粒周?chē)乃?/p>

24、變薄，分散體系由 分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)。分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)。 u泥漿使用時(shí)受鹽（泥漿使用時(shí)受鹽（NaCl）侵）侵，是由于，是由于Na+過(guò)多，起了過(guò)多，起了 壓縮雙電層的作用，使泥漿由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)，甚至失壓縮雙電層的作用，使泥漿由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)，甚至失 去穩(wěn)定性。去穩(wěn)定性。 u又如又如鈣膨潤(rùn)土用純堿改性處理鈣膨潤(rùn)土用純堿改性處理時(shí)，碳酸鈉存在有時(shí)，碳酸鈉存在有 最佳加量，加量過(guò)大則起反作用，造漿量降低，最佳加量，加量過(guò)大則起反作用，造漿量降低， 泥漿性能變壞。泥漿性能變壞。 u此外，泥漿的分散穩(wěn)定或聚結(jié)，還受陰離子的影此外，泥漿的分散穩(wěn)定或聚結(jié)，還受陰離子的影 響。響。 u如鈣膨潤(rùn)土改性而加入鈉鹽，如鈣膨潤(rùn)土改

25、性而加入鈉鹽，加入加入Na2CO3而粘土而粘土 顆粒分散顆粒分散；若；若加入加入NaCl，則粘土顆粒聚結(jié)，則粘土顆粒聚結(jié)。故泥。故泥 漿處理加入無(wú)機(jī)鹽時(shí)，必須考慮陰離子的影響。漿處理加入無(wú)機(jī)鹽時(shí)，必須考慮陰離子的影響。 （三）雙電層理論對(duì)粘土水化的應(yīng)用分析（三）雙電層理論對(duì)粘土水化的應(yīng)用分析 (1) 雙電層理論對(duì)鉆井泥漿應(yīng)用的指導(dǎo)意義雙電層理論對(duì)鉆井泥漿應(yīng)用的指導(dǎo)意義 u原生膨潤(rùn)土礦多為鈣膨潤(rùn)土原生膨潤(rùn)土礦多為鈣膨潤(rùn)土，造漿時(shí)加入一價(jià)鈉鹽，提，造漿時(shí)加入一價(jià)鈉鹽，提 供供Na+，因離子交換吸附，擴(kuò)散雙電層中陽(yáng)離子由，因離子交換吸附，擴(kuò)散雙電層中陽(yáng)離子由Ca2+ 轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)為Na+，電位升高，擴(kuò)散層

26、增厚，粘土分散，泥漿電位升高，擴(kuò)散層增厚，粘土分散，泥漿 穩(wěn)定。穩(wěn)定。 u泥漿受鈣侵時(shí)，泥漿受鈣侵時(shí)，Ca2+的濃度增大，擴(kuò)散雙電層中的濃度增大，擴(kuò)散雙電層中Na+轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 為為Ca2+，電位下降，擴(kuò)散層變薄，粘土顆粒聚結(jié)，泥電位下降，擴(kuò)散層變薄，粘土顆粒聚結(jié)，泥 漿失去穩(wěn)定性。漿失去穩(wěn)定性。 u為處理泥漿而為處理泥漿而加入低價(jià)陽(yáng)離子電解質(zhì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制加加入低價(jià)陽(yáng)離子電解質(zhì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制加 量量，過(guò)量會(huì)起壓縮擴(kuò)散層的副作用，同時(shí)必須考慮陰離，過(guò)量會(huì)起壓縮擴(kuò)散層的副作用，同時(shí)必須考慮陰離 子的影響。子的影響。 u反過(guò)來(lái)，反過(guò)來(lái)，可以通過(guò)加入低價(jià)或高價(jià)陽(yáng)離子無(wú)機(jī)處理劑來(lái)可以通過(guò)加入低價(jià)或高價(jià)陽(yáng)離子無(wú)

27、機(jī)處理劑來(lái) 調(diào)節(jié)泥漿的分散或適度聚結(jié)調(diào)節(jié)泥漿的分散或適度聚結(jié)，用以配制不同種類(lèi)（分散，用以配制不同種類(lèi)（分散 的或適度聚結(jié)的）的泥漿。的或適度聚結(jié)的）的泥漿。 u(2) 從從井壁穩(wěn)定的角度井壁穩(wěn)定的角度來(lái)看，雙電層理論也有來(lái)看，雙電層理論也有 重要的指導(dǎo)意義：若所鉆地層的膨潤(rùn)土含量重要的指導(dǎo)意義：若所鉆地層的膨潤(rùn)土含量 較高，在外界陽(yáng)離子的作用下，較高，在外界陽(yáng)離子的作用下，電位升高，電位升高， 水化分散性增強(qiáng)，易使井壁水化分散，給鉆水化分散性增強(qiáng)，易使井壁水化分散，給鉆 井工作帶來(lái)井眼縮徑、垮塌等不利影響。井工作帶來(lái)井眼縮徑、垮塌等不利影響。 u因此，在石油天然氣鉆井、基礎(chǔ)工程鉆掘及因此，在

28、石油天然氣鉆井、基礎(chǔ)工程鉆掘及 其他遇到泥巖、頁(yè)巖、粘土等地層鉆進(jìn)時(shí)，其他遇到泥巖、頁(yè)巖、粘土等地層鉆進(jìn)時(shí)， 采取壓縮雙電層，降低采取壓縮雙電層，降低電位的措施，能使井電位的措施，能使井 壁、槽壁的穩(wěn)定性增強(qiáng)。壁、槽壁的穩(wěn)定性增強(qiáng)。 u可分為分散、絮凝、可分為分散、絮凝、 聚結(jié)三種形態(tài)。聚結(jié)三種形態(tài)。 u顆粒之間的聯(lián)結(jié)有三顆粒之間的聯(lián)結(jié)有三 種情形：面種情形：面-面接觸，面接觸， 邊邊-面接觸和邊面接觸和邊-邊接邊接 觸。觸。 u實(shí)際：同時(shí)存在分散實(shí)際：同時(shí)存在分散 、絮凝或分散、聚結(jié)、絮凝或分散、聚結(jié) 等形態(tài)等形態(tài) 粘土在水中的分散狀態(tài)示意圖粘土在水中的分散狀態(tài)示意圖 A-分散不絮凝；分散不

29、絮凝；B-聚結(jié)，但不絮凝；聚結(jié)，但不絮凝；C- 邊面結(jié)合，仍分散；邊面結(jié)合，仍分散；D-邊邊-邊結(jié)合絮凝邊結(jié)合絮凝 ；E-邊邊-面結(jié)合，聚結(jié)且絮凝；面結(jié)合，聚結(jié)且絮凝；F-邊邊-邊結(jié)邊結(jié) 合聚結(jié)且絮凝合聚結(jié)且絮凝 蒙蒙 脫脫 石石 高高 嶺嶺 石石 u泥漿分散體系的穩(wěn)定是指它能長(zhǎng)久保持其泥漿分散體系的穩(wěn)定是指它能長(zhǎng)久保持其 分散狀態(tài)，各微粒處于均勻懸浮狀態(tài)而不分散狀態(tài)，各微粒處于均勻懸浮狀態(tài)而不 破壞的特性。破壞的特性。 u它包含兩方面的含意，即它包含兩方面的含意，即沉降穩(wěn)定性和聚沉降穩(wěn)定性和聚 結(jié)穩(wěn)定性結(jié)穩(wěn)定性。 （一）泥漿的沉降穩(wěn)定性（一）泥漿的沉降穩(wěn)定性 u沉降穩(wěn)定性又稱(chēng)動(dòng)力穩(wěn)定性，是指

30、在重力作用下泥漿中沉降穩(wěn)定性又稱(chēng)動(dòng)力穩(wěn)定性，是指在重力作用下泥漿中 的固體顆粒是否容易下沉的特性。泥漿中固體顆粒的沉的固體顆粒是否容易下沉的特性。泥漿中固體顆粒的沉 降降決定于重力和阻力的相對(duì)關(guān)系決定于重力和阻力的相對(duì)關(guān)系。 u根據(jù)根據(jù)Stokes定律，沉降速度為：定律，沉降速度為： ur 球形顆粒的半徑，球形顆粒的半徑，cm；、0顆粒和分散介質(zhì)的比重，顆粒和分散介質(zhì)的比重， g/cm3；分散介質(zhì)的粘度，分散介質(zhì)的粘度，Pas；g重力加速度，重力加速度，m/s2。 9 )(2 0 2 gr v u由上式計(jì)算出，由上式計(jì)算出，顆粒大于顆粒大于1m便不能長(zhǎng)時(shí)便不能長(zhǎng)時(shí) 間處于均勻懸浮狀態(tài)間處于均勻

31、懸浮狀態(tài)。 u用普通粘土配制的泥漿，其中的粘土顆粒用普通粘土配制的泥漿，其中的粘土顆粒 大都在大都在1m以上，故以上，故不加處理劑難以獲得不加處理劑難以獲得 穩(wěn)定的泥漿穩(wěn)定的泥漿。 u因此，要提高泥漿分散體系的沉降穩(wěn)定性因此，要提高泥漿分散體系的沉降穩(wěn)定性 ，必須縮小粘土顆粒的尺寸，即，必須縮小粘土顆粒的尺寸，即應(yīng)采用優(yōu)應(yīng)采用優(yōu) 質(zhì)粘土造漿質(zhì)粘土造漿，以提高其分散度，其次，以提高其分散度，其次應(yīng)提應(yīng)提 高液相的比重和粘度高液相的比重和粘度。 （二）泥漿的聚結(jié)穩(wěn)定性（二）泥漿的聚結(jié)穩(wěn)定性 u泥漿的聚結(jié)穩(wěn)定性是指泥漿的聚結(jié)穩(wěn)定性是指泥漿中的固相顆粒是否容泥漿中的固相顆粒是否容 易自動(dòng)降低其分散度而

32、聚結(jié)變大易自動(dòng)降低其分散度而聚結(jié)變大的特性。的特性。 u泥漿分散體系中的粘土顆粒間同時(shí)存在著相互吸泥漿分散體系中的粘土顆粒間同時(shí)存在著相互吸 引力和相互排斥力，這兩種相反作用力便決定著引力和相互排斥力，這兩種相反作用力便決定著 泥漿分散體系的聚結(jié)穩(wěn)定性。泥漿分散體系的聚結(jié)穩(wěn)定性。 u泥漿分散體系中粘土顆粒之間的泥漿分散體系中粘土顆粒之間的排斥力是由于粘土顆粒排斥力是由于粘土顆粒 都帶有負(fù)電荷都帶有負(fù)電荷，粘土顆粒表面存在雙電層和水化膜。，粘土顆粒表面存在雙電層和水化膜。 u具有同種電荷（負(fù)電荷）的粘土顆粒彼此接近或碰撞時(shí)具有同種電荷（負(fù)電荷）的粘土顆粒彼此接近或碰撞時(shí) ，靜電斥力使兩顆粒不能繼

33、續(xù)靠近而保持分離狀態(tài)靜電斥力使兩顆粒不能繼續(xù)靠近而保持分離狀態(tài)。同。同 時(shí)粘土顆粒四周的水化膜，也是兩顆粒彼此接近或聚結(jié)時(shí)粘土顆粒四周的水化膜，也是兩顆粒彼此接近或聚結(jié) 的阻礙因素。的阻礙因素。 u當(dāng)兩顆粒當(dāng)兩顆粒相互靠近時(shí)，必須擠出夾在兩顆粒間的水分子相互靠近時(shí)，必須擠出夾在兩顆粒間的水分子 或水化離子或水化離子，進(jìn)一步靠近時(shí)便要改變雙電層中離子的分，進(jìn)一步靠近時(shí)便要改變雙電層中離子的分 布。布。 u要產(chǎn)生這些變化就需要做功。這個(gè)功等于指定距離時(shí)的要產(chǎn)生這些變化就需要做功。這個(gè)功等于指定距離時(shí)的 排斥能或排斥勢(shì)能排斥能或排斥勢(shì)能。 u排斥勢(shì)能（排斥勢(shì)能（VR）決定于顆粒所帶的電荷，同時(shí)是相互決定于顆粒所帶的電荷，同時(shí)是相互 間距離的函數(shù)。它大致是隨著顆粒間距離的增加呈指數(shù)間距離的函數(shù)。它大致是隨著顆粒間距離的增加呈指數(shù) 下降，故近似地可寫(xiě)成：下降，故近似地可寫(xiě)成： u溶劑的介電常數(shù)；溶劑的介電常數(shù)；r球形顆粒的半徑，球形顆粒的半徑，m；0顆粒顆粒 表面的電位，表面的電位，V；H0兩球形顆粒球面最短距離，兩球