粘土的水化膨胀作用和粘土胶体化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

粘土水化膨胀作用粘土水化膨胀作用蔡记华蔡记华第1页上次课主要讲授内容上次课主要讲授内容u粘土矿物晶体结构粘土矿物晶体结构u粘土性质粘土性质粘土矿物粘土矿物基本结构单元基本结构单元基本结构单元基本结构单元常见粘土矿物晶体结构常见粘土矿物晶体结构造浆粘土选取造浆粘土选取第2页此次课主要讲授内容此次课主要讲授内容l粘土水化膨胀作用粘土水化膨胀作用l粘土粘土-水界面扩散双电层水界面扩散双电层l粘土在水中分散状态粘土在水中分散状态l泥浆稳定性泥浆稳定性第3页一、粘土水化膨胀作用一、粘土水化膨胀作用u1、定义定义u粘土吸水后体积增大性质。粘土吸水后体积增大性质。u膨胀性是衡量粘土亲水性指标，亲水性越强，吸膨胀性是衡量粘土亲水性指标，亲水性越强，吸水量越大，水化膨胀越厉害。水量越大，水化膨胀越厉害。u2、粘土矿物水份、粘土矿物水份u粘土矿物水分按其存在状态能够分为粘土矿物水分按其存在状态能够分为结晶水、吸结晶水、吸附水和自由水附水和自由水三种类型。三种类型。第4页u（1）结晶水）结晶水u这这种种水水是是粘粘土土矿矿物物晶晶体体结结构构一一部部分分，只只有有温温度度高高于于300度度以以上上时时，结结晶晶受受到到破破坏坏，这这部部分水来释放出来。分水来释放出来。u（2）吸附水）吸附水u因为分子间引力和静电引力，含有极性水分因为分子间引力和静电引力，含有极性水分子能够吸附到带电粘土表面上，在粘土颗粒子能够吸附到带电粘土表面上，在粘土颗粒周围形成一层水化膜，这部分水能够随粘土周围形成一层水化膜，这部分水能够随粘土颗粒一起运动，所以也称为束缚水。颗粒一起运动，所以也称为束缚水。第5页u（3）自由水）自由水u这部分水存在于粘土颗粒孔穴或孔道中，不这部分水存在于粘土颗粒孔穴或孔道中，不受粘土束缚，能够自由运动。受粘土束缚，能够自由运动。u3、粘土水化膨胀过程、粘土水化膨胀过程u各种粘土都会吸水膨胀，只是不一样粘土矿各种粘土都会吸水膨胀，只是不一样粘土矿物水化膨胀程度不一样而已。粘土水化膨胀物水化膨胀程度不一样而已。粘土水化膨胀受三种力制约：受三种力制约：表面水化力、渗透水化力和表面水化力、渗透水化力和毛细管作用毛细管作用。第6页(1)表面水化表面水化 u定义：定义：由粘土晶体表面直接吸附水分子和由粘土晶体表面直接吸附水分子和经过所吸附可交换性阳离子间接吸附水分子经过所吸附可交换性阳离子间接吸附水分子而造成水化。而造成水化。u表面水化机理表面水化机理 u直接水化：粘土表面上直接水化：粘土表面上H+和和OH-经过氢键吸经过氢键吸附水分子附水分子u间接水化：经过所吸附可交换性阳离子间接间接水化：经过所吸附可交换性阳离子间接吸附水分子吸附水分子。第7页 这是短距离范围内粘土与水相互作用，这这是短距离范围内粘土与水相互作用，这个作用进行到粘土层间有四个水分子层厚度，个作用进行到粘土层间有四个水分子层厚度，其厚度约为其厚度约为10（1nm）。在粘土层面上，此时作用力有层间分子范德在粘土层面上，此时作用力有层间分子范德华引力、层面带负电和层间阳离子之间静电华引力、层面带负电和层间阳离子之间静电引力、水分子与层面吸附能量（水化能），引力、水分子与层面吸附能量（水化能），其中以水化能最大。其中以水化能最大。水化膨胀力可达水化膨胀力可达4000大气压大气压。第8页u当粘土层面间距离超出当粘土层面间距离超出10 时，表面吸附能时，表面吸附能量已经不是主要了，今后粘土继续膨胀是由量已经不是主要了，今后粘土继续膨胀是由渗透压力和双电层斥力渗透压力和双电层斥力所引发。所引发。u伴随水分子进入粘土晶层间，粘土表面吸附伴随水分子进入粘土晶层间，粘土表面吸附阳离子便水化而扩散到水中，形成扩散双电阳离子便水化而扩散到水中，形成扩散双电层，由此，层间层，由此，层间双电层斥力双电层斥力便逐步起主导作便逐步起主导作用而引发粘土层间距深入扩大。用而引发粘土层间距深入扩大。u扩散双电层理论扩散双电层理论（粘土胶体化学最主要理论粘土胶体化学最主要理论之一之一）。）。(2)渗透水化渗透水化第9页u其其次次粘粘土土层层间间吸吸附附有有众众多多阳阳离离子子，层层间间离离子子浓浓度度远远大大于于溶溶液液内内部部浓浓度度。因因为为浓浓度度差差存存在在，粘粘土土层层可可看看成成是是一一个个渗渗透透膜膜，在在渗渗透透压压力力作作用用下下水水分分子子便便继继续续进进入入粘粘土土层层间间，引引发发粘粘土土深深入入膨膨胀胀。由由渗渗透透水水化化而而引引发发膨膨胀胀可可使使粘粘土土层层间距到达间距到达120。u增增加加溶溶液液含含盐盐量量，因因为为浓浓度度差差减减小小，粘粘土土膨膨胀胀层层间间距距便便缩小，这也是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀原理。缩小，这也是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀原理。u粘粘土土水水化化膨膨胀胀到到达达平平衡衡距距离离（层层间间距距大大约约为为120）情情况况下下，在在剪剪切切力力作作用用下下晶晶胞胞便便分分离离，粘粘土土分分散散在在水水中中，形成粘土悬浮液。形成粘土悬浮液。第10页扩散双电层形成扩散双电层形成+滑动面滑动面吸附可交换阳离子解离，形吸附可交换阳离子解离，形成扩散双电层，产生负电性，成扩散双电层，产生负电性，晶层间相互排斥，间距增大，晶层间相互排斥，间距增大，表现出膨胀性。表现出膨胀性。水水膨胀后分散膨胀后分散第11页4.水化膨胀评价方法u评价方法：评价方法：吸水量法和膨胀量法吸水量法和膨胀量法（1 1）吸水量法）吸水量法u吸水量：总吸水量，单位重量土吸附水总量（重量或质吸水量：总吸水量，单位重量土吸附水总量（重量或质量）；量）；u比亲水量：单位表面积吸水量比亲水量：单位表面积吸水量(相当于表面水化膜厚度相当于表面水化膜厚度)泥页岩比亲水量界面物理化学含义示意图泥页岩比亲水量界面物理化学含义示意图 第12页(2)膨胀量法膨胀量法u 膨胀量：单位重量粘土膨胀体积（体积不受限膨胀量：单位重量粘土膨胀体积（体积不受限制），另外一个表示方法水化应力，即体积保持制），另外一个表示方法水化应力，即体积保持不变时，泥页岩水化所产生不变时，泥页岩水化所产生应力效应应力效应123传感器膨胀膨胀量测量测定仪定仪第13页u采取采取NP-02型智能型页岩膨胀测试仪，以型智能型页岩膨胀测试仪，以10KCl为基本参考标准，测量在不一样为基本参考标准，测量在不一样LG植物胶植物胶加量时页岩相对膨胀率。加量时页岩相对膨胀率。uLG植物胶对泥页岩水化膨胀有较强抑制作用，植物胶对泥页岩水化膨胀有较强抑制作用，在基浆中加入在基浆中加入2LG植物胶后，其相对膨胀率植物胶后，其相对膨胀率只有只有19.80。实例第14页5.影响粘土水化原因影响粘土水化原因u粘土矿物本身特征粘土矿物本身特征u交换性阳离子种类交换性阳离子种类u水溶液中电解质浓度水溶液中电解质浓度第15页u(1)粘土矿物本身特征粘土矿物本身特征u 粘粘土土矿矿物物因因其其晶晶格格结结构构不不一一样样，水水化化膨膨胀胀能能力力也也有有很很大大差异。差异。u蒙蒙脱脱石石粘粘土土矿矿物物（2:1），其其晶晶胞胞两两面面都都是是氧氧层层，层层间间联联结结是是较较弱弱分分子子间间力力，水水分分子子易易沿沿着着硅硅氧氧层层面面进进入入晶晶层层间间，使层间距离增大，引发粘土体积膨胀。使层间距离增大，引发粘土体积膨胀。第16页伊伊利利石石（2:1）粘粘土土矿矿物物其其晶晶体体结结构构与与蒙蒙脱脱石石矿矿物物相相同同，但但因因层层间间有有水水化化能能力力小小K+存存在在，K+镶镶嵌嵌在在粘粘土土硅硅氧氧层层六六角角空空穴穴中中，把把两两硅硅氧氧层层锁锁紧紧，故故水水不易进入层间，粘土不易水化膨胀。不易进入层间，粘土不易水化膨胀。高高岭岭石石（1:1）粘粘土土矿矿物物，因因层层间间易易形形成成氢氢键键，晶晶胞胞间间联联结结紧紧密密，水水分分子子不不易易进进入入，故故膨膨胀胀性性小小。同同时时伊伊利利石石晶晶格格置置换换现现象象少少，高高岭岭石石几几乎乎无无晶晶格格置置换换现现象象，阳阳离离子子交交换换容容量量低低，也也使使粘粘土土水水化化膨膨胀差。胀差。第17页u(2)交换性阳离子种类交换性阳离子种类u 粘粘土土吸吸附附交交换换性性阳阳离离子子不不一一样样，形形成成水水化化膜膜厚厚度度也也不不相相同同，即即粘粘土土水水化化膨膨胀胀程程度度也也有有差差异异。比比如如交交换换性性阳阳离离子子为为Na+钠钠蒙蒙脱脱石石，水水化化时时晶晶胞胞间间距距可可达达40，而而交交换换性性阳阳离离子子为为Ca2+钙钙蒙蒙脱脱石石，水水化化时时晶晶胞间距只有胞间距只有17。第18页(3).水溶液中电解质浓度和有机处理剂含量水溶液中电解质浓度和有机处理剂含量u水溶液中电解质浓度增加，因离子水化与粘土水化争夺水溶液中电解质浓度增加，因离子水化与粘土水化争夺水分子，使粘土直连吸附水分子能力降低。其次阳离子水分子，使粘土直连吸附水分子能力降低。其次阳离子数目增多，挤压扩散层，使粘土水化膜减薄。总起来是数目增多，挤压扩散层，使粘土水化膜减薄。总起来是使粘土水化膨胀作用减弱。使粘土水化膨胀作用减弱。u盐水泥浆和钙处理泥浆对孔壁抑制作用就是依据这个原盐水泥浆和钙处理泥浆对孔壁抑制作用就是依据这个原理。理。第19页二、粘土二、粘土-水界面扩散双电层水界面扩散双电层（扩散双电层理论）（扩散双电层理论）u为了愈加深入地揭示粘土水化、分散、为了愈加深入地揭示粘土水化、分散、造浆本质，掌握泥浆性能调整造浆本质，掌握泥浆性能调整基本胶体基本胶体化学原理化学原理，引入，引入扩散双电层理论扩散双电层理论对粘土对粘土-水界面行为机理进行分析。水界面行为机理进行分析。第20页（一）双电层成因与结构（一）双电层成因与结构u因为粘土颗粒在碱性水溶液中因为粘土颗粒在碱性水溶液中带负带负电荷电荷（在端部则多数带正电荷），（在端部则多数带正电荷），必定要必定要吸附与粘土颗粒带电符号相吸附与粘土颗粒带电符号相反离子反离子阳离子到粘土颗粒表面阳离子到粘土颗粒表面附近（界面上浓集），形成附近（界面上浓集），形成粘土颗粘土颗粒表面一层负电荷与反离子正电荷粒表面一层负电荷与反离子正电荷相对应电层相对应电层，以保持电中性（平衡），以保持电中性（平衡）。粘土颗粒吸附阳离子使阳离子在。粘土颗粒吸附阳离子使阳离子在粘土颗粒表面浓集同时，粘土颗粒表面浓集同时，因为分子因为分子热运动和浓度差，又引发阳离子脱热运动和浓度差，又引发阳离子脱离界面扩散运动离界面扩散运动，粘土颗粒对阳离，粘土颗粒对阳离子吸附及阳离子扩散运动二者共同子吸附及阳离子扩散运动二者共同作用结果，在粘土颗粒与水界面周作用结果，在粘土颗粒与水界面周围阳离子呈扩散状态分布，即形成围阳离子呈扩散状态分布，即形成扩散双电层。扩散双电层。第21页u u 相关扩散双电层几个主要概念相关扩散双电层几个主要概念u吸附层吸附层u扩散层扩散层u滑动面滑动面u热力电位热力电位Eu电动电位电动电位第22页1.吸附层吸附层u吸附层是指吸附层是指靠近粘土颗粒靠近粘土颗粒表面较近一薄层水化阳离表面较近一薄层水化阳离子，其厚度普通只有几个子，其厚度普通只有几个（0.1nm）。）。这一薄层这一薄层水化阳离子，因为与粘土水化阳离子，因为与粘土颗粒表面距离近，阳离子颗粒表面距离近，阳离子密度大，静电吸引力强，密度大，静电吸引力强，被吸附阳离子与粘土颗粒被吸附阳离子与粘土颗粒一起运动难以分离。一起运动难以分离。第23页 2.扩散层扩散层u扩散层是扩散层是吸附层外围起直到溶液吸附层外围起直到溶液浓度均匀处为止浓度均匀处为止（离子浓度差为（离子浓度差为零）由水化阳离子及阴离子组成零）由水化阳离子及阴离子组成较厚离子层。较厚离子层。u这部分阳离子因为本身热运动，这部分阳离子因为本身热运动，自吸附层外围开始向浓度较低处自吸附层外围开始向浓度较低处扩散，因而扩散，因而与粘土颗粒表面距离与粘土颗粒表面距离较远，静电引力逐步减弱（呈二较远，静电引力逐步减弱（呈二次方关系减弱），次方关系减弱），在给泥浆体系在给泥浆体系接入直流电源时，这层水化离子接入直流电源时，这层水化离子不能与粘土颗粒一起向电源正极不能与粘土颗粒一起向电源正极运动而相反向电源负极运动。运动而相反向电源负极运动。扩扩散层中阳离子分布是不均匀，靠散层中阳离子分布是不均匀，靠近吸附层多，而远离吸附层则逐近吸附层多，而远离吸附层则逐步降低，扩散层厚度，依阳离子步降低，扩散层厚度，依阳离子种类和浓度不一样，约为种类和浓度不一样，约为10100。第24页3.滑动面滑动面u它是吸附层和扩散层之间一它是吸附层和扩散层之间一个滑动面。这是因为吸附层个滑动面。这是因为吸附层中阳离子与粘土颗粒一起运中阳离子与粘土颗粒一起运动，而扩散层中阳离子则有动，而扩散层中阳离子则有一滞后现象而展现滑动面。一滞后现象而展现滑动面。第25页4.热力电位热力电位Eu它是它是粘土颗粒表面与水溶液粘土颗粒表面与水溶液中离子浓度均匀处之间电位中离子浓度均匀处之间电位差差。u热力电位高低，取决于粘土热力电位高低，取决于粘土颗粒所带负电量。颗粒所带负电量。u热力电位愈高，表示粘土颗热力电位愈高，表示粘土颗粒表面带负电量愈多，能吸粒表面带负电量愈多，能吸附阳离子数目也愈多。附阳离子数目也愈多。第26页5.电动电位电动电位u它是它是滑动面处与水溶液离滑动面处与水溶液离子浓度均匀处电位差。子浓度均匀处电位差。电电动电位取决于粘土颗粒表动电位取决于粘土颗粒表面负电量与吸附层内阳离面负电量与吸附层内阳离子正电量差值。子正电量差值。u电动电位愈高，表示在扩电动电位愈高，表示在扩散层中被吸附阳离子愈多，散层中被吸附阳离子愈多，扩散层愈厚。扩散层愈厚。第27页（二）影响电动电位（二）影响电动电位原因原因u阳离子种类阳离子种类u阳离子种类决定了阳离子电价高低和阳离子水化能力。阳离子种类决定了阳离子电价高低和阳离子水化能力。u当粘土颗粒吸附当粘土颗粒吸附高价阳离子高价阳离子时，因为一个离子带电荷多，时，因为一个离子带电荷多，粘土颗粒表面总电荷量一定时，粘土颗粒表面总电荷量一定时，吸附层中被阳离子中和电吸附层中被阳离子中和电量多量多，于是，于是电动电位低电动电位低，扩散层中阳离子数目少，扩散层，扩散层中阳离子数目少，扩散层及粘土表面水化膜薄，粘土颗粒易于聚结。及粘土表面水化膜薄，粘土颗粒易于聚结。u若粘土颗粒吸附是若粘土颗粒吸附是低价阳离子低价阳离子，吸附层中，吸附层中被阳离子中和被阳离子中和电量少电量少，电动电位高，扩散层中阳离子数目多，扩散层以，电动电位高，扩散层中阳离子数目多，扩散层以及水化膜厚，粘土颗粒不易聚结。及水化膜厚，粘土颗粒不易聚结。第28页钙膨润土用碳酸钠处理原理（钙膨润土用碳酸钠处理原理（*）uNa+取代取代Ca2+，因，因Na+为一价离子，且水化能力强，粘土为一价离子，且水化能力强，粘土颗粒周围扩散层以及水化膜厚，泥浆趋于分散稳定颗粒周围扩散层以及水化膜厚，泥浆趋于分散稳定u相反，配制好泥浆使用时受钙侵，相反，配制好泥浆使用时受钙侵，Ca2+取代粘土表面吸取代粘土表面吸附附Na+，因为，因为Ca2+是二价离子，水化能力弱，因而粘土是二价离子，水化能力弱，因而粘土颗粒水化膜变薄，泥浆由分散转化为聚结而失去稳定性。颗粒水化膜变薄，泥浆由分散转化为聚结而失去稳定性。第29页2.阳离子浓度阳离子浓度u阳离子（比如阳离子（比如Na+）虽水化能力强，粘土颗粒水化）虽水化能力强，粘土颗粒水化膜厚，泥浆稳定，但膜厚，泥浆稳定，但Na+浓度有一适当范围，若浓度有一适当范围，若Na+浓度过大，一样会使泥浆由分散转为聚结。浓度过大，一样会使泥浆由分散转为聚结。u（1）阳离子浓度大，阳离子挤入吸附层阳离子浓度大，阳离子挤入吸附层机会增大，机会增大，结果使电动电位降低，扩散层以及水化膜变薄结果使电动电位降低，扩散层以及水化膜变薄（即所谓（即所谓压缩双电层压缩双电层），分散体系由分散转化为），分散体系由分散转化为聚结；聚结；第30页u（2）阳离子浓度大阳离子浓度大，阳离子数目多，阳离子本身水，阳离子数目多，阳离子本身水化不好，同时化不好，同时阳离子水化而夺去粘土直接吸附水分子阳离子水化而夺去粘土直接吸附水分子，因而使粘土颗粒周围水化膜变薄，分散体系由分散转因而使粘土颗粒周围水化膜变薄，分散体系由分散转为聚结。为聚结。u泥浆使用时受盐（泥浆使用时受盐（NaCl）侵）侵，是因为，是因为Na+过多，起了过多，起了压缩双电层作用，使泥浆由分散转为聚结，甚至失去压缩双电层作用，使泥浆由分散转为聚结，甚至失去稳定性。稳定性。第31页u又如又如钙膨润土用纯碱改性处理钙膨润土用纯碱改性处理时，碳酸钠存在有时，碳酸钠存在有最正确加量，加量过大则起反作用，造浆量降低，最正确加量，加量过大则起反作用，造浆量降低，泥浆性能变坏。泥浆性能变坏。u另外，泥浆分散稳定或聚结，还受阴离子影响。另外，泥浆分散稳定或聚结，还受阴离子影响。u如钙膨润土改性而加入钠盐，如钙膨润土改性而加入钠盐，加入加入Na2CO3而粘土而粘土颗粒分散颗粒分散；若；若加入加入NaCl，则粘土颗粒聚结，则粘土颗粒聚结。故泥。故泥浆处理加入无机盐时，必须考虑阴离子影响。浆处理加入无机盐时，必须考虑阴离子影响。第32页（三）双电层理论对粘土水化应用分析（三）双电层理论对粘土水化应用分析(1)双电层理论对钻井泥浆应用指导意义双电层理论对钻井泥浆应用指导意义u原生膨润土矿多为钙膨润土原生膨润土矿多为钙膨润土，造浆时加入一价钠盐，提，造浆时加入一价钠盐，提供供Na+，因离子交换吸附，扩散双电层中阳离子由，因离子交换吸附，扩散双电层中阳离子由Ca2+转为转为Na+，电位升高，扩散层增厚，粘土分散，泥浆稳电位升高，扩散层增厚，粘土分散，泥浆稳定。定。u泥浆受钙侵时，泥浆受钙侵时，Ca2+浓度增大，扩散双电层中浓度增大，扩散双电层中Na+转为转为Ca2+，电位下降，扩散层变薄，粘土颗粒聚结，泥浆电位下降，扩散层变薄，粘土颗粒聚结，泥浆失去稳定性。失去稳定性。u为处理泥浆而为处理泥浆而加入低价阳离子电解质时，应严格控制加加入低价阳离子电解质时，应严格控制加量量，过量会起压缩扩散层副作用，同时必须考虑阴离子，过量会起压缩扩散层副作用，同时必须考虑阴离子影响。影响。u反过来，反过来，能够经过加入低价或高价阳离子无机处理剂来能够经过加入低价或高价阳离子无机处理剂来调整泥浆分散或适度聚结调整泥浆分散或适度聚结，用以配制不一样种类（分散，用以配制不一样种类（分散或适度聚结）泥浆。或适度聚结）泥浆。第33页u(2)从从井壁稳定角度井壁稳定角度来看，双电层理论也有主来看，双电层理论也有主要指导意义：若所钻地层膨润土含量较高，要指导意义：若所钻地层膨润土含量较高，在外界阳离子作用下，在外界阳离子作用下，电位升高，水化分散电位升高，水化分散性增强，易使井壁水化分散，给钻井工作带性增强，易使井壁水化分散，给钻井工作带来井眼缩径、垮塌等不利影响。来井眼缩径、垮塌等不利影响。u所以，在石油天然气钻井、基础工程钻掘及所以，在石油天然气钻井、基础工程钻掘及其它碰到泥岩、页岩、粘土等地层钻进时，其它碰到泥岩、页岩、粘土等地层钻进时，采取压缩双电层，降低采取压缩双电层，降低电位办法，能使井壁、电位办法，能使井壁、槽壁稳定性增强。槽壁稳定性增强。第34页三、粘土在水中分散状态三、粘土在水中分散状态u可分为分散、絮凝、可分为分散、絮凝、聚结三种形态。聚结三种形态。u颗粒之间联结有三种颗粒之间联结有三种情形：面情形：面-面接触，边面接触，边-面接触和边面接触和边-边接触。边接触。u实际：同时存在分散、实际：同时存在分散、絮凝或分散、聚结等絮凝或分散、聚结等形态形态粘土在水中分散状态示意图粘土在水中分散状态示意图A-分散不絮凝；分散不絮凝；B-聚结，但不絮凝；聚结，但不絮凝；C-边边面结合，仍分散；面结合，仍分散；D-边边-边结合絮凝；边结合絮凝；E-边边-面结合，聚结且絮凝；面结合，聚结且絮凝；F-边边-边结合边结合聚结且絮凝聚结且絮凝蒙蒙脱脱石石高高岭岭石石第35页第36页四、泥浆稳定性四、泥浆稳定性u泥浆分散体系稳定是指它能长久保持其分泥浆分散体系稳定是指它能长久保持其分散状态，各微粒处于均匀悬浮状态而不破散状态，各微粒处于均匀悬浮状态而不破坏特征。坏特征。u它包含两方面含意，即它包含两方面含意，即沉降稳定性和聚结沉降稳定性和聚结稳定性稳定性。第37页（一）泥浆沉降稳定性（一）泥浆沉降稳定性u沉降稳定性又称动力稳定性，是指在重力作用下泥浆中沉降稳定性又称动力稳定性，是指在重力作用下泥浆中固体颗粒是否轻易下沉特征。泥浆中固体颗粒沉降固体颗粒是否轻易下沉特征。泥浆中固体颗粒沉降决定决定于重力和阻力相对关系于重力和阻力相对关系。u依据依据Stokes定律，沉降速度为：定律，沉降速度为：ur 球形颗粒半径，球形颗粒半径，cm；、0颗粒和分散介质比重，颗粒和分散介质比重，g/cm3；分散介质粘度，分散介质粘度，Pas；g重力加速度，重力加速度，m/s2。第38页u由上式计算出，由上式计算出，颗粒大于颗粒大于1m便不能长时便不能长时间处于均匀悬浮状态间处于均匀悬浮状态。u用普通粘土配制泥浆，其中粘土颗粒大都用普通粘土配制泥浆，其中粘土颗粒大都在在1m以上，故以上，故不加处理剂难以取得稳定不加处理剂难以取得稳定泥浆泥浆。u所以，要提升泥浆分散体系沉降稳定性，所以，要提升泥浆分散体系沉降稳定性，必须缩小粘土颗粒尺寸，即必须缩小粘土颗粒尺寸，即应采取优质粘应采取优质粘土造浆土造浆，以提升其分散度，其次，以提升其分散度，其次应提升液应提升液相比重和粘度相比重和粘度。第39页（二）泥浆聚结稳定性（二）泥浆聚结稳定性u泥浆聚结稳定性是指泥浆聚结稳定性是指泥浆中固相颗粒是否轻易自泥浆中固相颗粒是否轻易自动降低其分散度而聚结变大动降低其分散度而聚结变大特征。特征。u泥浆分散体系中粘土颗粒间同时存在着相互吸引泥浆分散体系中粘土颗粒间同时存在着相互吸引力和相互排斥力，这两种相反作用力便决定着泥力和相互排斥力，这两种相反作用力便决定着泥浆分散体系聚结稳定性。浆分散体系聚结稳定性。第40页u泥浆分散体系中粘土颗粒之间泥浆分散体系中粘土颗粒之间排斥力是因为粘土颗粒都排斥力是因为粘土颗粒都带有负电荷带有负电荷，粘土颗粒表面存在双电层和水化膜。，粘土颗粒表面存在双电层和水化膜。u含有同种电荷（负电荷）粘土颗粒彼此靠近或碰撞时，含有同种电荷（负电荷）粘土颗粒彼此靠近或碰撞时，静电斥力使两颗粒不能继续靠近而保持分离状态静电斥力使两颗粒不能继续靠近而保持分离状态。同时。同时粘土颗粒四面水化膜，也是两颗粒彼此靠近或聚结妨碍粘土颗粒四面水化膜，也是两颗粒彼此靠近或聚结妨碍原因。原因。u当两颗粒当两颗粒相互靠近时，必须挤出夹在两颗粒间水分子或相互靠近时，必须挤出夹在两颗粒间水分子或水化离子水化离子，深入靠近时便要改变双电层中离子分布。，深入靠近时便要改变双电层中离子分布。u要产生这些改变就需要做功。这个功等于指定距离时要产生这些改变就需要做功。这个功等于指定距离时排排斥能或排斥势能斥能或排斥势能。第41页u排斥势能（排斥势能（VR）决定于颗粒所带电荷，同时是相互间距决定于颗粒所带电荷，同时是相互间距离函数。它大致是伴随颗粒间距离增加呈指数下降，故离函数。它大致是伴随颗粒间距离增加呈指数下降，故近似地可写成：近似地可写成：u溶剂介电常数；溶剂介电常数；r球形颗粒半径，球形颗粒半径，m；0颗粒表面颗粒表面电位，电位，V；H0两球形颗粒球面最短距离，两球形颗粒球面最短距离，m；K离子氛离子氛半径倒数，半径倒数，1/K可看作为双电层厚度量度，可看作为双电层厚度量度，m-1。第42页u泥浆分散体系中粘土颗粒之间吸引力是范德华泥浆分散体系中粘土颗粒之间吸引力是范德华力。力。u对两个原子来说其大小与两原子间距离对两个原子来说其大小与两原子间距离7次方次方呈反比（或对吸引能来说是呈反比（或对吸引能来说是6次方）。次方）。u但但泥浆中粘土颗粒是由大量分子组成集合体，泥浆中粘土颗粒是由大量分子组成集合体，它们之间吸引势能大约与颗粒表面间距离它们之间吸引势能大约与颗粒表面间距离2次次方呈反比方呈反比。第43页u若为球形颗粒，体积相等，当两颗粒靠近到两球若为球形颗粒，体积相等，当两颗粒靠近到两球表面间距离表面间距离H0比颗粒半径比颗粒半径r小得多时，则两颗粒小得多时，则两颗粒间间吸引势能（吸引势能（VA）为：为：uu式中式中 AHamaker常数，负号表示吸引能。常数，负号表示吸引能。u两颗粒间势能是排斥势能和吸引势能之和两颗粒间势能是排斥势能和吸引势能之和 V=VA+VR 第44页u从势能曲线看出，从势能曲线看出，势能曲势能曲线形状决定于线形状决定于VA和和VR相对大相对大小小。uVR(2)是排斥力大于吸引力是排斥力大于吸引力势能曲线，这时颗粒可保持势能曲线，这时颗粒可保持稳定而不聚结。稳定而不聚结。uV（2）则表示在任何距离下则表示在任何距离下排斥力都不能克服颗粒之间排斥力都不能克服颗粒之间引力，所以便会聚结而产生引力，所以便会聚结而产生沉降。沉降。u曲线曲线V（1）上有一最高点，上有一最高点，叫叫斥力势垒斥力势垒，颗粒动能值只，颗粒动能值只有超出这一点才能引发聚结，有超出这一点才能引发聚结，所以势垒高低往往标志着分所以势垒高低往往标志着分散体系稳定性大小散体系稳定性大小势能曲线势能曲线排斥排斥吸引吸引第45页复复习习重点重点u1.1.从硅氧四面体和铝氧八面体出发从硅氧四面体和铝氧八面体出发,简述高岭石、简述高岭石、蒙脱石、伊利石晶体结构？蒙脱石、伊利石晶体结构？u2.影响粘土水化原因有哪些？蒙脱石、伊利石和影响粘土水化原因有哪些？蒙脱石、伊利石和高岭石水化机理有何异同点？高岭石水化机理有何异同点？u3.影响电动电位外在原因有哪些？影响电动电位外在原因有哪些？u4.双电层理论对钻井工作有哪些影响？双电层理论对钻井工作有哪些影响？第46页下次课内容下次课内容u钻井液性能测试钻井液性能测试第47页