粘土礦物PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1油田化學(xué)的研究對(duì)象 第1頁(yè)/共55頁(yè)油田化學(xué)的研究對(duì)象 油田化學(xué)集輸化學(xué)鉆井化學(xué)采油化學(xué)油田化學(xué)與油田地質(zhì)學(xué)密切聯(lián)系；是鉆井工程、采油工程、油藏工程和集輸工程等的邊緣科學(xué)；各門(mén)基礎(chǔ)化學(xué)（無(wú)機(jī)、有機(jī)、分析、物化、表面、膠體化學(xué)等）是油田化學(xué)的基礎(chǔ)；與流體力學(xué)和滲流力學(xué)及環(huán)境化學(xué)也有密切的聯(lián)系。第2頁(yè)/共55頁(yè)鉆井化學(xué)鉆井化學(xué)主要研究鉆井/完井和水泥漿體系的性能及其控制與調(diào)整。包括添加劑的作用機(jī)理、合成、篩選、改進(jìn)和應(yīng)用。涉及鉆井、完井、固井、射孔、試油等過(guò)程的化學(xué)問(wèn)題。鉆井液化學(xué)水泥漿化學(xué)鉆井液體系及添加劑完井液體系及添加劑鉆井、完井過(guò)程油氣層保護(hù)水泥漿體系及添加劑固井射孔油氣層保護(hù)油田

2、化學(xué)的研究對(duì)象 第3頁(yè)/共55頁(yè) 采油化學(xué)油層化學(xué)改造化學(xué)驅(qū)法混相驅(qū)法 烴類混相法LPG, 富氣驅(qū) ， 高壓干氣驅(qū) 非烴類混相法聚合物驅(qū)活性劑驅(qū)堿驅(qū)復(fù)合驅(qū)熱采法 蒸汽驅(qū) 火燒油層法油水井化學(xué)改造水井調(diào)剖 油井堵水化學(xué)防砂 防蠟清蠟稠油降粘 酸化解堵射孔壓裂 修井壓井油層保護(hù) 綜合措施采油化學(xué)主要研究油層改造和油水井化學(xué)改造問(wèn)題。包括改造方案、添加劑的作用機(jī)理、合成、篩選、改進(jìn)和應(yīng)用。涉及采油過(guò)程中的眾多化學(xué)問(wèn)題。第4頁(yè)/共55頁(yè)集輸化學(xué)腐蝕與防護(hù)阻垢與清垢乳化與破乳降粘與減阻天然氣利用污水的處理污染與防治 集輸化學(xué)主要研究設(shè)備和管道的腐蝕與防護(hù)、原油的破乳與乳化、原油的降粘與降阻輸送、天然氣的

3、處理和利用、油田污水和污泥的綜合處理以及油氣田環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。涉及原油集輸和預(yù)處理中的眾多化學(xué)問(wèn)題。集輸化學(xué)主要研究設(shè)備和管道的腐蝕與防護(hù)、原油的破乳與乳化、原油的降粘與降阻輸送、天然氣的處理和利用、油田污水和污泥的綜合處理以及油氣田環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。涉及原油集輸和預(yù)處理中的眾多化學(xué)問(wèn)題。油田化學(xué)的研究對(duì)象 第5頁(yè)/共55頁(yè)第一篇 鉆井化學(xué)第6頁(yè)/共55頁(yè)粘土水/油處理劑鉆井液第7頁(yè)/共55頁(yè)第8頁(yè)/共55頁(yè)粘土前言前言 （2）粘土：疏松的尚未固結(jié)成巖的以粘土礦物為主的（50%）沉積物。 （3）粘土巖（俗稱：泥頁(yè)巖）：粘土礦物經(jīng)沉積、固結(jié)成巖作用后成為粘土巖。 （1）粘土礦物：細(xì)分散的（2m）含水的

4、鋁硅酸鹽類礦物的總稱，可進(jìn)一步分為晶質(zhì)（具有晶體結(jié)構(gòu)的）和非晶質(zhì)，自然界中所見(jiàn)到的粘土礦物絕大多數(shù)是晶質(zhì)的。 第一章 粘土礦物第9頁(yè)/共55頁(yè)與鉆井工程的關(guān)系（ 1）粘土是鉆井液的重要組成成分，配漿原材料。（ 2）鉆井過(guò)程中井眼的穩(wěn)定性，泥頁(yè)巖的主要組成部分，75%地層為泥頁(yè)巖，90%的井壁不穩(wěn)定發(fā)生在泥頁(yè)巖。（3）油氣層的保護(hù)，粘土礦物膨脹與鉆井液配漿粘土堵塞。第一章 粘土礦物第10頁(yè)/共55頁(yè)第一章 粘土礦物第11頁(yè)/共55頁(yè)基本構(gòu)造單元 基本構(gòu)造單元片 基本結(jié)構(gòu)層 各種粘土礦物基本構(gòu)造單元 硅氧四面體和鋁氧八面體 Si/O Al/O基本構(gòu)造單元片 硅氧四面體片和鋁氧八面體片基本結(jié)構(gòu)層 (

5、單位晶層) 1:1型 2:1型各種粘土礦物第12頁(yè)/共55頁(yè)粘土礦物的基本構(gòu)造 硅氧四面體：有一個(gè)硅原子與四個(gè)氧原子，硅原子在四面體的中心，氧原子在四面體的頂點(diǎn)，硅原子與各氧原子之間的距離相等。頂氧 底氧 第13頁(yè)/共55頁(yè)硅氧四面體晶片：指硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)。硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)由硅氧四面體通過(guò)相臨的氧原子連接而成。粘土礦物的基本構(gòu)造第14頁(yè)/共55頁(yè) 鋁氧八面體：六個(gè)頂點(diǎn)為氫氧原子團(tuán)，鋁（或鐵、鎂）原子居于八面體中央。氧或羥基粘土礦物的基本構(gòu)造第15頁(yè)/共55頁(yè)鋁氧八面體晶片：多個(gè)鋁氧八面體通過(guò)共用的O或OH連接而成的Al-O八面體網(wǎng)絡(luò)。粘土礦物的基本構(gòu)造第16頁(yè)/共55頁(yè)層面是O層面是OHSi-O

6、晶片Al-O晶片晶層：四面體晶片與八面體晶片以適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合，構(gòu)成晶層（1）1：1型晶層：由一個(gè)硅氧四面體晶片與一個(gè)鋁 氧八面體 晶片構(gòu)成。粘土礦物的基本構(gòu)造第17頁(yè)/共55頁(yè)氧原子氧原子Si-O晶片Al-O晶片Si-O晶片粘土礦物的基本構(gòu)造第18頁(yè)/共55頁(yè)粘土礦物的基本構(gòu)造層間域/晶層間距晶層間距晶層間距層間域：相鄰基本結(jié)構(gòu)層之間的空間。第19頁(yè)/共55頁(yè)第一章 粘土礦物第20頁(yè)/共55頁(yè)粘土礦物粘土礦物（1）晶格取代：在粘土礦物晶體中，一部分陽(yáng)離子被另外 陽(yáng)離子所置換，而晶體結(jié)構(gòu)不變，產(chǎn)生 過(guò)剩電荷的現(xiàn)象。Si-O四面體：Al3+取代Si4+Al-O八面體： Mg2+、Fe2+取代Al3

7、+ 粘土帶負(fù)電荷第21頁(yè)/共55頁(yè)例1：蒙脫石在不發(fā)生晶格取代時(shí)，其理想結(jié)構(gòu)式為： Al4Si8O2(OH)4.nH2O 蒙脫石的實(shí)際結(jié)構(gòu)式為： (1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)4.nH2O例2：伊利石在不發(fā)生晶格取代時(shí)，其理想結(jié)構(gòu)式為： Al4（Si8O20）（OH）4 伊利石的實(shí)際結(jié)構(gòu)式為： (K)xAl4(Si8-xAlx)O20(OH)20粘土礦物粘土礦物第22頁(yè)/共55頁(yè) 定義：分散介質(zhì)pH=7時(shí)，1kg粘土所能交換下來(lái)的陽(yáng)離子的毫摩爾數(shù)（以一價(jià)陽(yáng)離子毫摩爾數(shù)表示）?？捎脕?lái)表示粘土在水中帶電性的多少，它與粘土的水化分散、吸附等性質(zhì)密切相關(guān)。（3）造漿

8、率：一噸干粘土所能配制粘度（表觀粘度）為 鉆井液的體積數(shù)，m3/T。造漿率粘土的水化分散能力粘土礦物粘土礦物第23頁(yè)/共55頁(yè)高嶺石晶體結(jié)構(gòu)示意圖粘土礦物粘土礦物晶層間距第24頁(yè)/共55頁(yè)高嶺石第25頁(yè)/共55頁(yè)Si-OAl-OOHOA、1：1型粘土礦物B、幾乎不存在晶格取代，負(fù)電量少C、晶層間引力以氫鍵為主，引力強(qiáng)，晶層間距問(wèn)題：為什么高嶺石屬非膨脹性粘土礦物？粘土礦物粘土礦物第26頁(yè)/共55頁(yè)、造漿率低 高嶺石晶層間以氫鍵為主，引力較強(qiáng)，晶層間連接緊密，水分子不易進(jìn)入晶層間，水化作用僅限于外表面，故水化分散能力差，造漿率低。粘土礦物粘土礦物第27頁(yè)/共55頁(yè)Al-OSi-OSi-O蒙脫石晶

9、體結(jié)構(gòu)示意圖粘土礦物粘土礦物Si-OSi-OAl-O可交換陽(yáng)離子 nH2O第28頁(yè)/共55頁(yè)蒙脫石第29頁(yè)/共55頁(yè)A、2：1型粘土礦物B、存在晶格取代，取代位置主要在Al-O八面體中，即Al3+被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，產(chǎn)生的負(fù)電荷由等量的Na+或Ca2+來(lái)平衡。 C、晶層間引力以分子間力為主，引力弱，晶層間距- 40。粘土礦物粘土礦物第30頁(yè)/共55頁(yè) 蒙脫石上下相臨的層面皆為O面，晶層間引力以分子間力為主，層間引力較弱，水分子易進(jìn)入晶層。 蒙脫石由于晶格取代產(chǎn)生較多的負(fù)電荷，在它周圍必然會(huì)吸附等電量的陽(yáng)離子，水化陽(yáng)離子給粘土帶來(lái)厚的水化膜，使蒙脫石膨脹。Al-OSi-OSi-

10、OSi-OSi-OAl-O為什么蒙脫石屬膨脹型粘土礦物？第31頁(yè)/共55頁(yè)、造漿率高 因?yàn)槊擅撌哂泻軓?qiáng)的水化膨脹能力，造漿率高，所以它是鉆井泥漿的主要配漿材料。 原因在于蒙脫石存在晶格取代，所以帶負(fù)電荷較多，周圍吸附的陽(yáng)離子數(shù)目較多，可發(fā)生交換的陽(yáng)離子數(shù)目多，所以大。粘土礦物粘土礦物第32頁(yè)/共55頁(yè)伊利石晶體結(jié)構(gòu)示意圖粘土礦物粘土礦物第33頁(yè)/共55頁(yè)Al-OSi-OSi-OK+A、2：1型粘土礦物B、存在晶格取代，取代位置主要在Si-O四面體中，且取代數(shù)目比蒙脫石多，產(chǎn)生的負(fù)電荷由等量的K+來(lái)平衡。C、晶層間引力以靜電力為主，引力強(qiáng)，晶層間距C=10，屬非膨脹型粘土礦物。粘土礦物粘土礦物

11、Si-OSi-OAl-O第34頁(yè)/共55頁(yè) 由于伊利石取代位置主要在Si-O四面體中，產(chǎn)生的負(fù)電荷離晶層表面近，與吸附的K+產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電力，層間引力較強(qiáng)，水分子不易進(jìn)入晶層. K+的大小剛好嵌入相鄰晶層間的氧原子網(wǎng)格形成的六方網(wǎng)格空穴中，周圍有12個(gè)氧與它配伍，起到連接作用，水分子不易進(jìn)入晶層；粘土礦物粘土礦物伊利石屬非膨脹型粘土礦物。為什么？第35頁(yè)/共55頁(yè)伊利石由于晶格取代作用產(chǎn)生的負(fù)電荷由K+來(lái)平衡，由于伊利石取代位置主要在Si-O四面體中，產(chǎn)生的負(fù)電荷離晶層表面近，故與K+產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電力， K+不易交換下來(lái)。 K+的大小剛好嵌入相鄰晶層間的氧原子網(wǎng)格形成的空穴中，起到連接作用，周

12、圍有12個(gè)氧與它配伍，因此， K+連接通常非常牢固，不易交換下來(lái)。、造漿率低粘土礦物粘土礦物第36頁(yè)/共55頁(yè) 一般情況下，隨著地層深度的增加，伊利石含量增加蒙脫石含量減少，因此，下部地層縮徑現(xiàn)象少，以剝落掉塊、坍塌為主。 粘土礦物粘土礦物表1-1 高嶺石、伊利石和蒙脫石基本特性比較第37頁(yè)/共55頁(yè)第一章 粘土礦物第38頁(yè)/共55頁(yè)粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì)一、帶電性粘土帶電性驗(yàn)證：電泳實(shí)驗(yàn)（粘土在水中移向正極，帶負(fù)電荷） 第39頁(yè)/共55頁(yè) 1809年，俄國(guó)物理學(xué)家將兩支玻璃管插在潮濕的粘土塊中，加水至兩管液面相平。各放一電極，接通電源。 發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：正極粘土粒子不斷富集，水變渾濁，且

13、水面略下降，負(fù)極管內(nèi)水慢慢上升結(jié)論： 濕粘土： 粘土粒子電泳，帶負(fù)電 介質(zhì)水電滲，帶正電 第40頁(yè)/共55頁(yè)值等的影響受粘土表面化學(xué)變化和表面電荷（可變電荷）晶格取代永久電荷（構(gòu)造電荷）pH1、永久電荷 晶格取代：粘土礦物晶體結(jié)構(gòu)中一部分陽(yáng)離子被另外一部分陽(yáng)離子所取代（置換），但晶體結(jié)構(gòu)不變的現(xiàn)象。 伊利石與蒙脫石相比雖晶層結(jié)構(gòu)相同，但由于晶格取代位置不同，平衡陽(yáng)離子不同，因此層面電荷密度不同，水化難易程度不同。 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì)第41頁(yè)/共55頁(yè)在酸性環(huán)境中：羥基與H+反應(yīng)，粘土帶正電性。Al-OH + H+ Al+ + H2O在堿性或中性條件下：羥基與OH-反應(yīng)，粘土帶負(fù)電性。

14、Al-OH + OH- Al-O- + H2O粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì)第42頁(yè)/共55頁(yè) 思考題：為什么伊利石單位晶胞所帶負(fù)電荷（晶格取代）比蒙脫石多，而卻比蒙脫石小？影響因素：粘土類型；分散程度；CEC；pH值等 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì)第43頁(yè)/共55頁(yè) 1、定義 水化：粘土礦物表面容易吸附較多水分子的特性。 膨脹：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)，吸水量越大，水化膨脹越厲害。 2、水化膨脹機(jī)理 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。粘土水化膨脹受三種力制約：表面水化力、滲透水化力和毛細(xì)管作用。粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì)

15、二、 粘土的水化膨脹性第44頁(yè)/共55頁(yè)定義：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)離子間接吸附水分子而導(dǎo)致的水化。 表面水化機(jī)理 直接水化：粘土表面上的H+和OH-通過(guò)氫鍵吸附水分子。間接水化：通過(guò)所吸附的可交換性陽(yáng)離子間接吸附水分子。 (2) 滲透水化 定義：由于晶層間陽(yáng)離子濃度大于溶液內(nèi)部 的陽(yáng)離子濃度，因而發(fā)生水的濃差擴(kuò)散，使水進(jìn)入晶層。 作用機(jī)理：濃差擴(kuò)散。粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì)第45頁(yè)/共55頁(yè)1、 吸附：物質(zhì)在兩相界面上自動(dòng)濃集(界面濃度大于內(nèi)部 濃度）的現(xiàn)象。 吸附質(zhì)：被吸附的物質(zhì)（鉆井液處理劑） 吸附劑：吸附吸附質(zhì)的物質(zhì)（粘土） （1）物理吸附：范德華引力

16、引起，一般無(wú)選擇性， 吸附熱較小，容易脫附。例：陰離子和非離子處理劑在粘土上的吸附。2、分類（2）化學(xué)吸附：化學(xué)鍵力引起，具有選擇性，吸附熱較大，不易脫附。例：陽(yáng)離子處理劑在粘土上的吸附。粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì)三 吸附性第46頁(yè)/共55頁(yè)（3）離子交換吸附 粘土礦物表面上離子（通常為補(bǔ)償性陽(yáng)離子）與溶液中同號(hào)離子間的交換作用。 如自然界中的膨潤(rùn)土（即蒙脫土）絕大多數(shù)為鈣蒙脫土，可轉(zhuǎn)化為鈉蒙脫土 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì)Ca2+土+Na2CO3 2Na+土+CaCO3第47頁(yè)/共55頁(yè)特點(diǎn)： 同號(hào)、等電量、可逆影響因素：離子價(jià)數(shù) 離子價(jià)數(shù)越大越容易發(fā)生離子交換（庫(kù)侖定律，吸引力與電荷量

17、正比）b. 離子半徑 離子半徑越大（單位體積所帶電荷小，對(duì)水分子吸引力小，與膠粒吸引力大），離子水化半徑越?。ㄅc膠粒間距離小），離子的吸附性越強(qiáng)，交換能力越大，通常離子的交換能力由弱到強(qiáng)的排列順序?yàn)長(zhǎng)i+Na+K+(NH4+)Mg2+Ca2+Ba2+Al3+Fe3+H+c. 離子濃度 離子濃度越大交換能力越強(qiáng) 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì)第48頁(yè)/共55頁(yè)四、四、 粘土的凝聚性粘土的凝聚性（1）概念：粘土礦物（顆粒）在水分散體系狀態(tài)下，通過(guò)不同的聯(lián)結(jié)方式產(chǎn)生絮凝或聚結(jié)（集）的現(xiàn)象。 粘土顆粒的聯(lián)結(jié)：絮凝和聚結(jié)（集）粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì)第49頁(yè)/共55頁(yè)聚結(jié)（反之分散）面，面絮凝（反之散凝）面，邊邊，邊-FFEFEE粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì)（2）粘土顆粒聯(lián)結(jié)方式形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、體系粘度增加粘土的分散度下降，體系粘度下降第50頁(yè)/共55頁(yè)擴(kuò)散雙電層模型擴(kuò)散雙電層模型 粘土表面吸附的帶相反電荷的正離子（即反離子）與水接觸時(shí)，在靜電吸引和熱運(yùn)動(dòng)兩種效應(yīng)的作用下，只有一部分緊密地排在固體表面附近，相距約一、二個(gè)離子厚度稱為緊密層； 另一部分離子按一定的濃度梯度擴(kuò)散到溶液中，稱為擴(kuò)散層。