粘土的水化膨胀作用和粘土胶体化学.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,粘土的水化膨胀作用和粘土胶体化学,本次课主要讲授内容,粘土得水化膨胀作用,粘土,-,水界面得扩散双电层,粘土在水中得分散状态,泥浆得稳定性,一、粘土得水化膨胀作用,1,、,定义,粘土吸水后体积增大得性质。,膨胀性就是衡量粘土亲水性得指标,亲水性越强,吸水量越大,水化膨胀越厉害。,2,、粘土矿物得水份,粘土矿物得水分按其存在得状态可以分为,结晶水、吸附水和自由水,三种类型。,(,1,)结晶水,这种水就是粘土矿物晶体构造得一部分,只有温度高于,300,度以上时,结晶受到破坏,这部分水来释放出来。,(,2,)吸附水,由于分子间引力和静电引力,具有极性得水分子可以吸附到带电得粘土表面上,在粘土颗粒周围形成一层水化膜,这部分水可以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得孔穴或孔道中,不受粘土得束缚,可以自由得运动。,3,、粘土水化膨胀得过程,各种粘土都会吸水膨胀,只就是不同得粘土矿物水化膨胀得程度不同而已。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。,(1),表面水化,定义:由粘土晶体表面直接吸附水分子和通过所吸附得可交换性阳离子间接吸附水分子而导致得水化。,表面水化机理,直接水化:粘土表面上得,H,+,和,OH,-,通过氢键吸附水分子,间接水化:通过所吸附得可交换性阳离子间接吸附水分子,。,这就是短距离范围内得粘土与水得相互作用,这个作用进行到粘土层间有四个水分子层得厚度,其厚度约为,10,(,1nm,)。,在粘土得层面上,此时作用得力有层间分子得范德华引力、层面带负电和层间阳离子之间得静电引力、水分子与层面得吸附能量(水化能),其中以水化能最大。,水化膨胀力可达,2000,4000,大气压。,当粘土层面间得距离超过,10,时,表面吸附能量已经不就是主要得了,此后粘土得继续膨胀就是由渗透压力和双电层斥力所引起得。,随着水分子进入粘土晶层间,粘土表面吸附得阳离子便水化而扩散到水中,形成扩散双电层,由此,层间得双电层斥力便逐渐起主导作用而引起粘土层间距进一步扩大。,扩散双电层理论(粘土胶体化学最重要得理论之一)。,(2),渗透水化,其次粘土层间吸附有众多得阳离子,层间得离子浓度远大于溶液内部得浓度。由于浓度差得存在,粘土层可看成就是一个渗透膜,在渗透压力作用下水分子便继续进入粘土层间,引起粘土得进一步膨胀。由渗透水化而引起得膨胀可使粘土层间距达到,120,。,增加溶液得含盐量,由于浓度差减小,粘土膨胀得层间距便缩小,这也就是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀得原理。,粘土水化膨胀达到平衡距离(层间距大约为,120,)得情况下,在剪切力作用下晶胞便分离,粘土分散在水中,形成粘土悬浮液。,扩散双电层得形成,+,滑动面,吸附得可交换阳离子解离,形成扩散双电层,产生负电性,晶层间相互排斥,间距增大,表现出膨胀性。,水,膨胀后分散,4、,水化膨胀得评价方法,评价方法:吸水量法和膨胀量法,(,1,)吸水量法,吸水量:总吸水量,单位重量土吸附水得总量(重量或质量);,比亲水量:单位表面积吸水量,(,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,(2),膨胀量法,膨胀量:单位重量粘土得膨胀体积(体积不受限制),另外一种表示方法水化应力,即体积保持不变时,泥页岩水化所产生得应力效应,123,传感器,膨胀量测定仪,大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点,采用,NP-02,型智能型页岩膨胀测试仪,以,10,KCl,为基本得参考标准,测量在不同,LG,植物胶加量时得页岩得相对膨胀率。,LG,植物胶对泥页岩水化膨胀有较强得抑制作用,在基浆中加入,2,得,LG,植物胶后,其相对膨胀率只有,19、80,。,实例,5、,影响粘土水化得因素,粘土矿物本身得特性,交换性阳离子得种类,水溶液中电解质得浓度,(1),粘土矿物本身得特性,粘土矿物因其晶格构造不同,水化膨胀能力也有很大差别。,蒙脱石粘土矿物(,2:1,),其晶胞两面都就是氧层,层间联结就是较弱得分子间力,水分子易沿着硅氧层面进入晶层间,使层间距离增大,引起粘土得体积膨胀伊利石(,2:1,)粘土矿物其晶体结构与蒙脱石矿物相同,但因层间有水化能力小得,K,+,存在,K,+,镶嵌在粘土硅氧层得六角空穴中,把两硅氧层锁紧,故水不易进入层间,粘土不易水化膨胀。,高岭石(,1:1,)粘土矿物,因层间易形成氢键,晶胞间联结紧密,水分子不易进入,故膨胀性小。同时伊利石晶格置换现象少,高岭石几乎无晶格置换现象,阳离子交换容量低,也使粘土得水化膨胀差。,(2),交换性阳离子得种类,粘土吸附得交换性阳离子不同,形成得水化膜厚度也不相同,即粘土水化膨胀程度也有差别。例如交换性阳离子为,Na,+,得钠蒙脱石,水化时晶胞间距可达,40,而交换性阳离子为,Ca,2+,得钙蒙脱石,水化时晶胞间距只有,17,。,(3)、,水溶液中电解质得浓度和有机处理剂含量,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得能力降低。其次阳离子数目增多,挤压扩散层,使粘土得水化膜减薄。总起来就是使粘土得水化膨胀作用减弱。,盐水泥浆和钙处理泥浆对孔壁得抑制作用就就是依据这个原理。,二、粘土,-,水界面得扩散双电层,(扩散双电层理论),为了更加深入地揭示粘土水化、分散、造浆得本质,掌握泥浆性能调节得基本胶体化学原理,引入扩散双电层理论对粘土,-,水界面得行为机理进行分析。,(一)双电层成因与结构,由于粘土颗粒在碱性水溶液中带负电荷(在端部则多数带正电荷),必然要吸附与粘土颗粒带电符号相反得离子,阳离子到粘土颗粒表面附近(界面上得浓集),形成粘土颗粒表面得一层负电荷与反离子得正电荷相对应得电层,以保持电得中性(平衡)。粘土颗粒吸附阳离子使阳离子在粘土颗粒表面浓集得同时,由于分子热运动和浓度差,又引起阳离子脱离界面得扩散运动,粘土颗粒对阳离子得吸附及阳离子得扩散运动两者共同作用得结果,在粘土颗粒与水得界面周围阳离子呈扩散状态分布,即形成扩散双电层。,有关扩散双电层得几个重要概念,吸附层,扩散层,滑动面,热力电位,E,电动电位,1、,吸附层,吸附层就是指靠近粘土颗粒表面较近得一薄层水化阳离子,其厚度一般只有几个,(,0、1nm,)。这一薄层水化阳离子,由于与粘土颗粒表面距离近,阳离子得密度大,静电吸引力强,被吸附得阳离子与粘土颗粒一起运动难以分离。,2、,扩散层,扩散层就是吸附层外围起直到溶液浓度均匀处为止(离子浓度差为零)由水化阳离子及阴离子组成得较厚得离子层。,这部分阳离子由于本身得热运动,自吸附层外围开始向浓度较低处扩散,因而与粘土颗粒表面得距离较远,静电引力逐渐减弱(呈二次方关系减弱),在给泥浆体系接入直流电源时,这层水化离子不能与粘土颗粒一起向电源正极运动而相反向电源负极运动。扩散层中阳离子分布就是不均匀得,靠近吸附层多,而远离吸附层则逐渐减少,扩散层得厚度,依阳离子得种类和浓度得不同,约为,10100,。,3、,滑动面,她就是吸附层和扩散层之间得一个滑动面。这就是由于吸附层中得阳离子与粘土颗粒一起运动,而扩散层中得阳离子则有一滞后现象而呈现得滑动面。,4、,热力电位,E,她就是粘土颗粒表面与水溶液中离子浓度均匀处之间得电位差。,热力电位得高低,取决于粘土颗粒所带得负电量。,热力电位愈高,表示粘土颗粒表面带得负电量愈多,能吸附得阳离子数目也愈多。,5、,电动电位,她就是滑动面处与水溶液离子浓度均匀处得电位差。电动电位取决于粘土颗粒表面负电量与吸附层内阳离子正电量得差值。,电动电位愈高,表示在扩散层中被吸附得阳离子愈多,扩散层愈厚。,(二)影响电动电位,得因素,阳离子得种类,阳离子得种类决定了阳离子电价得高低和阳离子得水化能力。,当粘土颗粒吸附高价阳离子时,由于一个离子带得电荷多,粘土颗粒表面得总电荷量一定时,吸附层中被阳离子中和得电量多,于就是电动电位低,扩散层中得阳离子数目少,扩散层及粘土表面得水化膜薄,粘土颗粒易于聚结。,若粘土颗粒吸附得就是低价阳离子,吸附层中被阳离子中和得电量少,电动电位高,扩散层中得阳离子数目多,扩散层以及水化膜厚,粘土颗粒不易聚结。,钙膨润土用碳酸钠处理原理(,*,),Na,+,取代,Ca,2+,因,Na,+,为一价离子,且水化能力强,粘土颗粒周围得扩散层以及水化膜厚,泥浆趋于分散稳定,相反,配制好得泥浆使用时受钙侵,Ca,2+,取代粘土表面吸附得,Na,+,由于,Ca,2+,就是二价离子水化能力弱,因而粘土颗粒得水化膜变薄,泥浆由分散转化为聚结而失去稳定性。,2、,阳离子浓度,阳离子(例如,Na,+,)虽水化能力强,粘土颗粒水化膜厚,泥浆稳定,但,Na,+,浓度有一合适得范围,若,Na,+,浓度过大,同样会使泥浆由分散转为聚结。,(,1,)阳离子浓度大,阳离子挤入吸附层得机会增大,结果使电动电位降低,扩散层以及水化膜变薄(即所谓压缩双电层),分散体系由分散转化为聚结;,(,2,)阳离子浓度大,阳离子数目多,阳离子本身水化不好,同时阳离子水化而夺去粘土直接吸附得水分子,因而使粘土颗粒周围得水化膜变薄,分散体系由分散转为聚结。,泥浆使用时受盐(,NaCl,)侵,就是由于,Na,过多,起了压缩双电层得作用,使泥浆由分散转为聚结,甚至失去稳定性。,又如钙膨润土用纯碱改性处理时,碳酸钠存在有最佳加量,加量过大则起反作用,造浆量降低,泥浆性能变坏。,此外,泥浆得分散稳定或聚结,还受阴离子得影响。,如钙膨润土改性而加入钠盐,加入,Na,2,CO,3,而粘土颗粒分散;若加入,NaCl,则粘土颗粒聚结。故泥浆处理加入无机盐时,必须考虑阴离子得影响。,(三)双电层理论对粘土水化得应用分析,(1),双电层理论对钻井泥浆应用得指导意义,原生膨润土矿多为钙膨润土,造浆时加入一价钠盐,提供,Na,+,因离子交换吸附,扩散双电层中阳离子由,Ca,2+,转为,Na,+,电位升高,扩散层增厚粘土分散,泥浆稳定。,泥浆受钙侵时,Ca,2+,得浓度增大,扩散双电层中,Na,+,转为,Ca,2+,电位下降,扩散层变薄,粘土颗粒聚结,泥浆失去稳定性。,为处理泥浆而加入低价阳离子电解质时,应严格控制加量,过量会起压缩扩散层得副作用,同时必须考虑阴离子得影响。,反过来,可以通过加入低价或高价阳离子无机处理剂来调节泥浆得分散或适度聚结,用以配制不同种类(分散得或适度聚结得)得泥浆。,(2),从井壁稳定得角度来看,双电层理论也有重要得指导意义:若所钻地层得膨润土含量较高,在外界阳离子得作用下,电位升高,水化分散性增强,易使井壁水化分散,给钻井工作带来井眼缩径、垮塌等不利影响。,因此,在石油天然气钻井、基础工程钻掘及其她遇到泥岩、页岩、粘土等地层钻进时,采取压缩双电层,降低,电位得措施,能使井壁、槽壁得稳定性增强。,三、粘土在水中得分散状态,可分为分散、絮凝、聚结三种形态。,颗粒之间得联结有三种情形:面,-,面接触,边,-,面接触和边,-,边接触。,实际:同时存在分散、絮凝或分散、聚结等形态,粘土在水中得分散状态示意图,A-,分散不絮凝;,B-,聚结,但不絮凝;,C-,边面结合,仍分散;,D-,边,-,边结合絮凝;,E-,边,-,面结合,聚结且絮凝;,F-,边,-,边结合聚结且絮凝,蒙脱石,高岭石,四、泥浆得稳定性,泥浆分散体系得稳定就是指她能长久保持其分散状态,各微粒处于均匀悬浮状态而不破坏得特性。,她包含两方面得含意,即沉降稳定性和聚结稳定性。,(一)泥浆得沉降稳定性,沉降稳定性又称动力稳定性,就是指在重力作用下泥浆中得固体颗粒就是否容易下沉得特性。泥浆中固体颗粒得沉降决定于重力和阻力得相对关系。,根据,Stokes,定律,沉降速度为:,r,球形颗粒得半径,cm,;,、,0,颗粒和分散介质得比重,g/cm,3,;,分散介质得粘度,Pa,s,;,g,重力加速度,m/s,2,。,由上式计算出,颗粒大于,1,m,便不能长时间处于均匀悬浮状态。,用普通粘土配制得泥浆,其中得粘土颗粒大都在,1,m,以上,故不加处理剂难以获得稳定得泥浆。,因此,要提高泥浆分散体系得沉降稳定性,必须缩小粘土颗粒得尺寸,即应采用优质粘土造浆,以提高其分散度,其次应提高液相得比重和粘度。,(二)泥浆得聚结稳定性,泥浆得聚结稳定性就是指泥浆中得固相颗粒就是否容易自动降低其分散度而聚结变大得特性。,泥浆分散体系中得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浆分散体系得聚结稳定性。,泥浆分散体系中粘土颗粒之间得排斥力就是由于粘土颗粒都带有负电荷,粘土颗粒表面存在双电层和水化膜。,具有同种电荷(负电荷)得粘土颗粒彼此接近或碰撞时,静电斥力使两颗粒不能继续靠近而保持分离状态。同时粘土颗粒四周得水化膜,也就是两颗粒彼此接近或聚结得阻碍因素。,当两颗粒相互靠近时,必须挤出夹在两颗粒间得水分子或水化离子,进一步靠近时便要改变双电层中离子得分布。,要产生这些变化就需要做功。这个功等于指定距离时得排斥能或排斥势能。,排斥势能(,V,R,)决定于颗粒所带得电荷,同时就是相互间距离得函数。她大致就是随着颗粒间距离得增加呈指数下降,故近似地可写成:,溶剂得介电常数;,r,球形颗粒得半径,m,;,0,颗粒表面得电位,V,;,H,0,两球形颗粒球面最短距离,m,;,K,离子氛半径得倒数,1/,K,可看作为双电层厚度得量度,m,-1,。,