鉆井液

摘? 要：粘土主要是由粘土礦物（含水的銀準(zhǔn)液熱）組成。粘土礦物的種類很多，不同粘土礦物有不同的晶體構(gòu)造及特占，但其晶體都是由兩種基本構(gòu)造單元組成的。

關(guān)鍵詞：粘土;粘土礦物;晶體構(gòu)造

一、粘土晶體構(gòu)造中的基本單元

1.面硅氧四面體。每個(gè)四面休中都有個(gè)硅原子 與四個(gè)領(lǐng)原子以相等的原離相連， 硅在四面體的中心，四個(gè)領(lǐng)原子（或氫機(jī)）在四面體的項(xiàng)點(diǎn)。

2.鋁氧八面體。鋁原子處于八面體的中心，與上面和下面的各三個(gè)氧原子或氫氧形成一個(gè)正八面體。

3.晶片的結(jié)合。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。四面體晶片與八面體晶片通過(guò)共用的氧原子連接在一起。當(dāng)只有一片四面體晶片和一片八面體晶片時(shí)， 四面體以相同的方式連接到八面體上。因此，氧的六角環(huán)網(wǎng)絡(luò)只是暴露在一一個(gè)層面上。 當(dāng)有兩個(gè)硅氧四面體晶片和一一個(gè)鋁氧八面體晶片時(shí)，八面體夾在四面體中間，四面體頂點(diǎn)朝內(nèi)，其頂點(diǎn)的氧原子與八面體共用，八面體原來(lái)的氫氧根中有兩個(gè)被共用的氧原子取代了。在這種情況下，氧的六角環(huán)網(wǎng)絡(luò)暴露在晶層的上下表面上。

4.高嶺石的晶體結(jié)構(gòu)

高嶺石晶體由一個(gè)硅氧四面體片和一個(gè)鋁氧八面體片組成。四面體片的頂尖都朝著八面體片，二者由共用的氧原子和氫氧原子團(tuán)聯(lián)結(jié)在起。由于它是由一個(gè)硅氧四面體片和一個(gè) 鋁氧八面體片組成，所以稱高嶺石為1： 1型粘土礦物。高嶺石單元晶層，一面為OH層，另一面為0層，片與片之間易形成氫鍵，晶層之間聯(lián)結(jié)緊密，故高嶺石的分散度低。高嶺石晶格中幾乎沒(méi)有晶格取代現(xiàn)象，它的電荷是平衡的，因此高嶺石電性微弱。這些特點(diǎn)決定了高嶺石水化很差。油氣層中商嶺石顆粒大而附著力弱，常常固運(yùn)移堵塞孔喉而降低滲透率。

5.蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)

蒙脫石是由上下兩個(gè)硅氧四面體片中間夾一層鋁氧八面本片組成，硅氧四面體的尖項(xiàng)朝向鋁氧八面體，鋁氧八面體片和上下兩層硅氧四面體片通過(guò)共用氧原子和氫氧聯(lián)結(jié)形成緊密的晶層，因此稱為2：1型。在鋁氧人面體中，有部分AIP被Mg2或Fet取代，四面體中的Si+也有少量被AIP+取代，這樣就使蒙脫石的晶格顯負(fù)電性，這種現(xiàn)象稱為晶格取代現(xiàn)象。蒙脫石晶層上下皆為氧原子層，各晶層間以分子力聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)力弱。蒙脫石是極易水化、分散、膨脹的粘土礦物。這些特點(diǎn)決定了蒙脫石是配漿的好材料，但地層中蒙脫石也會(huì)因水化膨脹而造成井塌和油層損害。

6.伊利石的晶格結(jié)構(gòu)

伊利石的晶體構(gòu)造和蒙脫石相似，也是2：1型晶體結(jié)構(gòu)，即伊利石也由兩層硅氧四面體片夾一層鋁氧八面體片組成，但它們之間的區(qū)別是：伊利石的硅氧四面體中有較多的Sit+被Al3+取代，晶格出現(xiàn)的負(fù)電荷主要由吸附在伊利石晶層表面氧分子層中的K+所中和 K+的直徑為0. 266 nm，而晶層表面的氧原子六角環(huán)空穴直徑為0.28 nm，因此K+正好人氧原子六角環(huán)中。由于嵌人氧層的吸附K+的作用，將伊利石的相鄰二晶層拉得很緊，耳結(jié)力很強(qiáng)，水分不易進(jìn)人層間，所以它不易膨脹。伊利石由于晶格取代顯示的負(fù)電性已K+中和，K+嵌入氧原子六角環(huán)中，接近于成為晶格的組成部分，不易解離，所以與蒙脫相比伊利石電性較弱。

7.海泡石族

海泡石族包括海泡石、凹凸棒石、坡縷縞石（或稱山軟木），它是鋁和鎂的含水硅酸鹽，晶體構(gòu)造為鏈狀、棒狀或纖維狀。海泡石的晶體結(jié)構(gòu)中有很大的空穴，有極大的內(nèi)部表面，因 此含有較多的吸附水，而且有很高的熱穩(wěn)定性（350 C以上）和抗鹽類污染的能力。它在淡水 和飽和鹽水中的水化情況幾乎-一樣， 是配制深井鉆井液和鹽水鉆井液的好材料。

8.混層粘土礦物

有些地方發(fā)現(xiàn)，多種不同類型的粘土礦物晶層堆疊在同粘土礦物晶體中，這類粘土礦物稱為混合晶層粘土礦物，伊利石和蒙脫石混合層就是常見(jiàn)的混層結(jié)構(gòu)。

二、粘土的吸附

鉆井液中粘土顆粒和分散介質(zhì)的界面上，自動(dòng)濃集介質(zhì)中分子或離子的現(xiàn)象稱為粘土的吸附。由于粘士顆粒表面通常帶有負(fù)電荷，因而能吸附水分子和各種水化離子，使粘土顆粒表面形成一層具有-定厚度的水化膜，這種現(xiàn)象稱為粘土的水化作用。粘土的吸附和水化作用是使鉆井液分散體系穩(wěn)定的重要因素。

1、粘土顆粒表面電荷種類及原因

電泳現(xiàn)象證明，精題在水中通常帶負(fù)電。粘土的電荷是使粘土具有一系列電化學(xué)性街的上北相三種剛時(shí)對(duì)桃土的各種性質(zhì)都發(fā)生影響。格的電有可分方水久電稱出您資電荷和正電荷三種。

（1）永久電荷。它是由于粘土在自然界形成時(shí)發(fā)生晶格取代所產(chǎn)生的。例如，si- 0四面體中Sit被AI所代替，或A1I-O八面體中的AIP+被Fe+t或Mg*t等取代，就產(chǎn)生了過(guò)剩的負(fù)電荷。這種負(fù)電荷的數(shù)量取決于晶格取代的多少，而不受pH值的影響，因此稱為永久負(fù)電荷。

（2）可變負(fù)電荷。在粘土晶體的斷鍵邊緣上有很多裸露的Al- -OH 鍵，其中OH中的H在堿性條件下解離，會(huì)使粘土負(fù)電荷過(guò)剩。另外，粘土晶體的邊面上吸附了OH，SiO32-等無(wú)機(jī)離子或吸附了有機(jī)陰離子電解質(zhì)也使粘土帶負(fù)電。由于這種負(fù)電荷的數(shù)量隨介質(zhì)的pH值而改變，故稱為可變負(fù)電荷。

2、粘土的吸附性能

吸附現(xiàn)象在鉆井液中是經(jīng)常發(fā)生的，化學(xué)處理劑改善鉆井液性能，侵人物破壞鉆井液的性能都是通過(guò)吸附改變粘土表面的性質(zhì)而起作用的。鉆井液中粘土的吸附作用，可分為物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換吸附三種。

（1）物理吸附。物理吸附是靠吸附劑和吸附質(zhì)之間分子間引力產(chǎn)生的，物理吸附是可逆 的，吸附速度與脫附速度在一定條件下呈動(dòng)態(tài)平衡。

（2）化學(xué)吸附?；瘜W(xué)吸附是靠吸附劑與吸附質(zhì)之間的化學(xué)鍵力而產(chǎn)生的。例如鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽在粘土晶體的邊緣上可以發(fā)生整合吸附。

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作者簡(jiǎn)介：

王喆（2000-11），女，漢族，黑龍江綏化人，本科學(xué)歷，研究方向：石油工程、哈爾濱石油學(xué)院石油工程專業(yè) 石油三班 王喆 201901140330。