第一章----粘土矿物课件

油田化学油田化学绪论绪论油田化学的研究对象油田化学的研究对象 油田化学的研究对象油田化学的研究对象 油田化学油田化学集集输输化化学学钻钻井井化化学学采采油油化化学学油田化学与油田地质学密切联系；是钻井工程、采油工程、油油田化学与油田地质学密切联系；是钻井工程、采油工程、油藏工程和集输工程等的边缘科学；各门基础化学（无机、有机、藏工程和集输工程等的边缘科学；各门基础化学（无机、有机、分析、物化、表面、胶体化学等）是油田化学的基础；与流体分析、物化、表面、胶体化学等）是油田化学的基础；与流体力学和渗流力学及环境化学也有密切的联系。力学和渗流力学及环境化学也有密切的联系。钻井化学钻井化学主要研究钻井钻井化学主要研究钻井/完井和水泥浆体系的性能及其控制与完井和水泥浆体系的性能及其控制与调整。包括添加剂的作用机理、合成、筛选、改进和应用。调整。包括添加剂的作用机理、合成、筛选、改进和应用。涉及钻井、完井、固井、射孔、试油等过程的化学问题。涉及钻井、完井、固井、射孔、试油等过程的化学问题。钻井液化学钻井液化学水泥浆化学水泥浆化学钻井液体系及添加剂钻井液体系及添加剂完井液体系及添加剂完井液体系及添加剂完井过程油气层保护完井过程油气层保护水泥浆体系及添加剂水泥浆体系及添加剂固井射孔油气层保护固井射孔油气层保护油田化学的研究对象油田化学的研究对象 采油化学油层化学改造油层化学改造化学驱法化学驱法混相驱法混相驱法 烃类混相法烃类混相法 非烃类混相法非烃类混相法聚合物驱聚合物驱活性剂驱活性剂驱碱驱碱驱复合驱复合驱热采法热采法 蒸汽驱蒸汽驱 火烧油层法火烧油层法油水井化学改造油水井化学改造水井调剖水井调剖 油井堵水油井堵水化学防砂化学防砂 防蜡清蜡防蜡清蜡稠油降粘稠油降粘 酸化解堵酸化解堵射孔压裂射孔压裂 修井压井修井压井油层保护油层保护 综合措施综合措施采油化学主要研究油层改造和油水井化学改造问题。包括改采油化学主要研究油层改造和油水井化学改造问题。包括改造方案、添加剂的作用机理、合成、筛选、改进和应用。涉造方案、添加剂的作用机理、合成、筛选、改进和应用。涉及采油过程中的众多化学问题。及采油过程中的众多化学问题。集输化学腐蚀与防护腐蚀与防护阻垢与清垢阻垢与清垢乳化与破乳乳化与破乳降粘与降粘与减阻减阻天然气利用天然气利用污水的处理污水的处理污染与防治污染与防治 集输化学主要研究设备和管道的腐蚀与防护、原油的破乳集输化学主要研究设备和管道的腐蚀与防护、原油的破乳与乳化、原油的降粘与降阻输送、天然气的处理和利用、油田与乳化、原油的降粘与降阻输送、天然气的处理和利用、油田污水和污泥的综合处理以及油气田环境保护问题。涉及原油集污水和污泥的综合处理以及油气田环境保护问题。涉及原油集输和预处理中的众多化学问题。输和预处理中的众多化学问题。集输化学主要研究设备和管道的腐蚀与防护、原油的破乳与集输化学主要研究设备和管道的腐蚀与防护、原油的破乳与乳化、原油的降粘与降阻输送、天然气的处理和利用、油田乳化、原油的降粘与降阻输送、天然气的处理和利用、油田污水和污泥的综合处理以及油气田环境保护问题。涉及原油污水和污泥的综合处理以及油气田环境保护问题。涉及原油集输和预处理中的众多化学问题。集输和预处理中的众多化学问题。油田化学的研究对象油田化学的研究对象 第一章第一章 粘土矿物粘土矿物第一篇第一篇 钻井化学钻井化学本章要点基本概念：晶格取代、基本概念：晶格取代、CEC等等粘土矿物的基本构造单元和基本晶层粘土矿物的基本构造单元和基本晶层常见粘土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石）的特点及常见粘土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石）的特点及其特性解释其特性解释粘土矿物的基本特性及其机理粘土矿物的基本特性及其机理粘粘土土前言前言 （2 2）粘土粘土：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为主的（主的（50%）沉积物。）沉积物。（3 3）粘土岩粘土岩（俗称：泥页岩）：粘土矿物经沉积、（俗称：泥页岩）：粘土矿物经沉积、固结成岩作用后成为粘土岩。固结成岩作用后成为粘土岩。（1 1）粘土矿物粘土矿物：细分散的（：细分散的（2um）含水的铝硅酸含水的铝硅酸盐类矿物的总称，可进一步分为晶质（具有晶体结构盐类矿物的总称，可进一步分为晶质（具有晶体结构的）和非晶质，自然界中所见到的粘土矿物绝大多数的）和非晶质，自然界中所见到的粘土矿物绝大多数是晶质的。是晶质的。第一章第一章 粘土矿物粘土矿物与与钻钻井井工工程程的的关关系系（1）粘土作为）粘土作为钻井液钻井液的重要组成成分，的重要组成成分，配浆原配浆原材料材料。（2）钻井过程中）钻井过程中井眼的稳定性井眼的稳定性，泥页岩的主要组，泥页岩的主要组成部分，成部分，75%地层为泥页岩，地层为泥页岩，90%的井壁不稳定发的井壁不稳定发生在泥页岩。生在泥页岩。（3）油气层的保护油气层的保护，粘土矿物膨胀与钻井液配浆，粘土矿物膨胀与钻井液配浆粘土堵塞。粘土堵塞。第一章第一章 粘土矿物粘土矿物第一节第一节 粘土矿物的基本构造粘土矿物的基本构造第一章第一章 粘土矿物粘土矿物粘土矿物的基本构造粘土矿物的基本构造1、硅氧四面体与硅氧四面体晶片 硅氧四面体硅氧四面体：有一个硅原：有一个硅原子与四个氧原子，硅原子子与四个氧原子，硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点，硅原子在四面体的顶点，硅原子与各氧原子之间的距离相与各氧原子之间的距离相等。等。顶氧顶氧 底氧底氧 基本构造单元和基本构造单元片基本构造单元和基本构造单元片(晶片晶片)硅氧面体晶片硅氧面体晶片：指：指硅氧四面体网络。硅氧四面体网络。硅氧四面体网络由硅氧四面体网络由硅氧四面体通过相硅氧四面体通过相临的氧原子连接而临的氧原子连接而成。成。粘土矿物的基本构造粘土矿物的基本构造 2、铝氧八面体与铝氧八面体晶片 铝氧八面体铝氧八面体：六：六个顶点为氧或氢氧个顶点为氧或氢氧原子团，铝、铁或原子团，铝、铁或镁原子居于八面体镁原子居于八面体中央。中央。氧或羟基氧或羟基粘土矿物的基本构造粘土矿物的基本构造铝氧八面体晶片铝氧八面体晶片：多个铝氧八面体通多个铝氧八面体通过共用的过共用的O连接而连接而成的成的AL-O八面体八面体网络。网络。粘土矿物的基本构造粘土矿物的基本构造3、晶层晶层(基本结构层基本结构层)层面是层面是OSi-O晶片晶片Al-O晶片晶片晶层晶层：四面体晶片与八面体晶片以适当的方式结合构成晶层：四面体晶片与八面体晶片以适当的方式结合构成晶层（1）1：1型晶层型晶层：由一个硅氧四面体晶片与一个铝由一个硅氧四面体晶片与一个铝 氧八面体氧八面体 晶片构成。晶片构成。粘土矿物的基本构造粘土矿物的基本构造Si-O晶片晶片Al-O晶片晶片Si-O晶片晶片层面是层面是O层面是层面是OHAl-O晶片晶片层面是层面是O层面是层面是OHAl-O晶片晶片层面是层面是O层面是层面是OHAl-O晶片晶片层面是层面是O层面是层面是OHAl-O晶片晶片（2）2：1型晶层：由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体 晶片构成。晶片构成。氧氧原子原子氧原子氧原子Si-O晶片晶片Al-O晶片晶片Si-O晶片晶片粘土矿物的基本构造粘土矿物的基本构造粘土矿物的基本构造粘土矿物的基本构造由基本构造单元构成基本构造单元片由基本构造单元构成基本构造单元片(晶片晶片),不同的基本不同的基本构造单元片构造单元片构成不同晶层构成不同晶层(基本结构层基本结构层),不同晶层构成不不同晶层构成不同同粘土矿物粘土矿物第二节第二节粘土矿物粘土矿物第一章第一章 粘土矿物粘土矿物1、基本概念粘土矿物粘土矿物（1 1）晶格取代：）晶格取代：在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外 阳离子所置换，而晶体结构不变的现象。阳离子所置换，而晶体结构不变的现象。Si-OSi-O四面体：四面体：AlAl3+3+取代取代SiSi4+4+Al-OAl-O八面体：八面体：MgMg2+2+、FeFe2+2+取代取代AlAl3 3+粘土带粘土带 负负电荷电荷（2）阳离子交换容量（阳离子交换容量（C.E.C)定义定义：分散介质分散介质pH=7pH=7时，时，1kg1kg粘土所能交换下来的阳离粘土所能交换下来的阳离子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）。子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）。C.E.C C.E.C可用来表示粘土在水中带电性的多少，它与粘可用来表示粘土在水中带电性的多少，它与粘土的水化分散、吸附等性质密切相关。土的水化分散、吸附等性质密切相关。（3）造浆率：）造浆率：一吨干粘土所能配制粘度（表观粘度）为一吨干粘土所能配制粘度（表观粘度）为 15mPa.s钻井液的体积数，钻井液的体积数，m3/T。造浆率造浆率粘土的水化分散能力粘土的水化分散能力粘土矿物粘土矿物（1 1）高岭石）高岭石高岭石晶体结构示意图高岭石晶体结构示意图粘土矿物粘土矿物高岭石特点Si-OAl-OOHOA、1：1型粘土矿物型粘土矿物B、几乎不存在晶格取代，负电量少几乎不存在晶格取代，负电量少C、晶层间引力以氢键为主，引力强，晶层间距晶层间引力以氢键为主，引力强，晶层间距C=7.2问题：为什么高岭石属非膨胀问题：为什么高岭石属非膨胀性粘土矿物？性粘土矿物？粘土矿物粘土矿物D D、C.E.CC.E.C低（低（30-150 30-150 mmolmmol/kg/kg土土)在三种常见的粘土矿物中，高岭石的在三种常见的粘土矿物中，高岭石的.E.C.E.C最低。最低。原因在于高岭石几乎不存在晶格取代，所以带负电荷很原因在于高岭石几乎不存在晶格取代，所以带负电荷很少，周围吸附的阳离子数目少，可发生交换的阳离子数少，周围吸附的阳离子数目少，可发生交换的阳离子数目就更少了，所以目就更少了，所以C.E.CC.E.C小。小。、造浆率低、造浆率低 高岭石晶层间以氢键为主，引力较强，晶层间连接高岭石晶层间以氢键为主，引力较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层间，水化作用仅限于外表面，紧密，水分子不易进入晶层间，水化作用仅限于外表面，故水化分散能力差，造浆率低。故水化分散能力差，造浆率低。粘土矿物粘土矿物蒙脱石Al-OSi-OSi-O蒙脱石晶体结构示意图蒙脱石晶体结构示意图粘土矿物粘土矿物蒙脱石特点A、2：1型粘土矿物型粘土矿物B、存在晶格取代，存在晶格取代，取代位置主要在取代位置主要在AL-O八面体中，即八面体中，即AL3+被被Mg2+、Fe2+和和Zn2+等取代，产生的负电荷由等量的等取代，产生的负电荷由等量的Na+或或Ca2+来平衡。来平衡。C、晶层间引力以分子间力为主晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距引力弱，晶层间距C=9.6-40。为什么属膨胀型粘土矿物？为什么属膨胀型粘土矿物？粘土矿物粘土矿物D、C.E.C 大（700-1300 mmol/1kg土)、造浆率高、造浆率高 原因在于蒙脱石存在原因在于蒙脱石存在晶格取代晶格取代，所以带负电荷较多，所以带负电荷较多，周围吸附的阳离子数目较多，可发生交换的阳离子数目周围吸附的阳离子数目较多，可发生交换的阳离子数目多，所以多，所以C.E.CC.E.C大。大。粘土矿物粘土矿物（3）伊利石 伊利石晶体结构示意图伊利石晶体结构示意图粘土矿物粘土矿物伊利石特点 Al-OSi-OSi-OK+A、2：1型粘土矿物型粘土矿物B、存在晶格取代存在晶格取代，取代位置主要在，取代位置主要在Si-O四面体中，且取代数目比蒙脱石四面体中，且取代数目比蒙脱石多，产生的负电荷由等量的多，产生的负电荷由等量的K+来平衡。来平衡。C、晶层间引力以静电力为主，晶层间引力以静电力为主，引力引力强，晶层间距强，晶层间距C=10，属非膨胀型粘属非膨胀型粘土矿物。土矿物。为什么？为什么？粘土矿物粘土矿物 由于伊利石由于伊利石取代位置主要在取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，与吸附的离晶层表面近，与吸附的K+产生产生很强的静电力很强的静电力，层间引力较，层间引力较强，水分子不易进入晶层强，水分子不易进入晶层.K+的大小刚好的大小刚好嵌入嵌入相邻晶层间的相邻晶层间的氧原子网格形成的氧原子网格形成的空穴中空穴中，周围有，周围有12个氧与它配伍，起到连接作用，个氧与它配伍，起到连接作用，水分子不易进入晶层水分子不易进入晶层粘土矿物粘土矿物D、C.E.C 大介于高岭石与蒙脱石之间（200-400mmol/1kg土)由于晶格取代作用由于晶格取代作用产生的产生的负电荷由负电荷由K+来平衡来平衡，取代位置主，取代位置主要在要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，与四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，与K+产生产生很强的静电力，很强的静电力，K+不易交换下来。不易交换下来。K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，起到连接作用，周围有中，起到连接作用，周围有12个氧与它配伍，因此，个氧与它配伍，因此，K+连连接通常非常牢固接通常非常牢固，不易交换下来，不易交换下来。、造浆率低、造浆率低粘土矿物粘土矿物 一般情况下，随着地层深度的增加，伊利石含量增加蒙脱石含一般情况下，随着地层深度的增加，伊利石含量增加蒙脱石含量减少，因此，下部地层缩径现象少，以剥落掉块、坍塌为主。量减少，因此，下部地层缩径现象少，以剥落掉块、坍塌为主。粘土矿物粘土矿物表表1-1 高岭石、伊利石和蒙脱石基本特性比较高岭石、伊利石和蒙脱石基本特性比较 矿物名称矿物名称项目项目高岭石高岭石伊利石伊利石蒙脱石蒙脱石晶体类型晶体类型1：12：12：1层间力层间力氢键力氢键力静电力静电力范氏力范氏力层间距，层间距，nm0.721.00.964层间离子层间离子无无K+Na+/Ca2+电荷来源电荷来源晶体边缘断键晶体边缘断键Al3+取代取代Si4+Mg2+或或Fe2+取代取代Al3+晶格取代晶格取代几乎无几乎无有有有有CEC，mmol/kg土土301502004007001300比表面积，比表面积，m2/g土土97065180600850水化性水化性难水化难水化不易水化不易水化易水化易水化第三节第三节 粘土矿物的性质粘土矿物的性质第一章第一章 粘土矿物粘土矿物粘土矿物的性质粘土矿物的性质一、带电性一、带电性定义：指粘土矿物在与水接触时的带电符号和带电量定义：指粘土矿物在与水接触时的带电符号和带电量粘土带电性验证：电泳实验（粘土在水中移向正极，带负电粘土带电性验证：电泳实验（粘土在水中移向正极，带负电荷）荷）电荷产生原因1、永久电荷 晶格取代作用产生晶格取代作用产生 伊利石与蒙脱石相比虽晶层结构相同，但由于晶格取代位置不同，平伊利石与蒙脱石相比虽晶层结构相同，但由于晶格取代位置不同，平衡阳离子不同，因此层面电荷密度不同，水化难易程度不同。衡阳离子不同，因此层面电荷密度不同，水化难易程度不同。粘土矿物的性质粘土矿物的性质 2、可变电荷（表面羟基与H+与OH-的反应）在在酸性环境中酸性环境中：羟基与：羟基与H+反应，粘土带正电性。反应，粘土带正电性。Al-OH+H+Al+H2O在碱性或中性条件下：在碱性或中性条件下：羟基与羟基与OHOH-反应，粘土带负电性。反应，粘土带负电性。Al-OH+OH-Al-O-+H2O粘土矿物的性质粘土矿物的性质粘土矿物带电量粘土矿物带电量 粘土带电量通常用粘土带电量通常用C.E.C表示，表示，C.E.C越大，说明粘土所越大，说明粘土所带负电荷越多，三种常见粘土矿物的带负电荷越多，三种常见粘土矿物的C.E.C大致如下。大致如下。矿物名称矿物名称C.E.C高岭石高岭石30-150蒙脱石蒙脱石700-1300伊利石伊利石200-400影响因素：影响因素：粘土类型；分散程度；粘土类型；分散程度；CEC；pH值等值等 粘土矿物的性质粘土矿物的性质 1、定义、定义 水化：水化：粘土矿物表面容易吸附较多水分子的特性。粘土矿物表面容易吸附较多水分子的特性。膨胀：膨胀：粘土吸水后体积增大的性质。粘土吸水后体积增大的性质。膨胀性是衡量粘土亲水性的指标，亲水性越强，吸水量越膨胀性是衡量粘土亲水性的指标，亲水性越强，吸水量越大，水化膨胀越厉害。大，水化膨胀越厉害。2、水化膨胀机理、水化膨胀机理 各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的程度不同而已。粘的程度不同而已。粘 土水化膨胀受三种力制约：土水化膨胀受三种力制约：表面水化力、表面水化力、渗透水化力和毛细管作用。渗透水化力和毛细管作用。粘土矿物的性质粘土矿物的性质二、二、粘土的水化膨胀性粘土的水化膨胀性(1)表面水化 定义定义：由粘土晶体表面直接吸附水分子和通过所吸附的：由粘土晶体表面直接吸附水分子和通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子而导致的水化。可交换性阳离子间接吸附水分子而导致的水化。表面水化机理表面水化机理 直接水化直接水化：粘土表面上的：粘土表面上的H+和和OH-通过氢键吸附水分子。通过氢键吸附水分子。间接水化间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子。：通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子。(2)渗透水化渗透水化 由于晶层间阳离子浓度大于溶液内部由于晶层间阳离子浓度大于溶液内部 的阳离子浓度，因的阳离子浓度，因而发生水的浓差扩散，使水进入晶层。而发生水的浓差扩散，使水进入晶层。作用机理作用机理：浓差扩散。：浓差扩散。粘土矿物的性质粘土矿物的性质1、吸附：吸附：物质在两相界面上自动浓集物质在两相界面上自动浓集(界面浓度大于内部界面浓度大于内部 浓浓度）的现象。度）的现象。吸附质：吸附质：被吸附的物质（钻井液处理剂）被吸附的物质（钻井液处理剂）吸附剂：吸附剂：吸附吸附质的物质（粘土）吸附吸附质的物质（粘土）（1）物理吸附：）物理吸附：范德华引力引起，一般无选择性，范德华引力引起，一般无选择性，吸附热较吸附热较小，容易脱附。例：阴离子和非离子处理剂在粘土上的吸附。小，容易脱附。例：阴离子和非离子处理剂在粘土上的吸附。2、分类、分类（2）化学吸附：）化学吸附：化学键力引起，具有选择性，吸附热较大，化学键力引起，具有选择性，吸附热较大，不易脱附。例：阳离子处理剂在粘土上的吸附。不易脱附。例：阳离子处理剂在粘土上的吸附。粘土矿物的性质粘土矿物的性质三、三、粘土的吸附性粘土的吸附性 粘粘土土矿矿物物表表面面上上离离子子（通通常常为为补补偿偿性性阳阳离离子子）与与溶溶液液中同号离子间可以进行吸附交换作用。中同号离子间可以进行吸附交换作用。如如自自然然界界中中的的膨膨润润土土（即即蒙蒙脱脱土土）绝绝大大多多数数为为钙钙蒙蒙脱脱土，可转化为钠蒙脱土土，可转化为钠蒙脱土 粘土矿物的性质粘土矿物的性质Ca2+土土+Na2CO3 2Na+土土+CaCO33、粘土的吸附作用、吸附特点及影响因素、粘土的吸附作用、吸附特点及影响因素特点：特点：同号、等电量、可逆同号、等电量、可逆影响因素：影响因素：a.离子价数离子价数 离子价数越大越容易发生离子交换离子价数越大越容易发生离子交换b.离子半径离子半径 离子半径越大离子水化半径越小，离子的吸离子半径越大离子水化半径越小，离子的吸附性越强交换能力越大，通常离子的交换能力由弱到强的排附性越强交换能力越大，通常离子的交换能力由弱到强的排列顺序为列顺序为Li+Na+K+(NH4+)Mg2+Ca2+Ba2+Al3+Fe3+H+c.离子浓度离子浓度 离子浓度越大交换能力越强离子浓度越大交换能力越强 粘土矿物的性质粘土矿物的性质四、粘土的凝聚性四、粘土的凝聚性（1）概概念念：粘粘土土矿矿物物（颗颗粒粒/小小片片）通通过过不不同同的的联联结结方方式产生絮凝或聚结（集）的现象。式产生絮凝或聚结（集）的现象。粘土颗粒的联结：粘土颗粒的联结：絮凝和聚结（集）絮凝和聚结（集）粘土矿物的性质粘土矿物的性质粘土矿物的性质粘土矿物的性质（2）粘土颗粒联结方式粘土颗粒联结方式粘土矿物的性质粘土矿物的性质试验：淡水泥浆钙侵试验：淡水泥浆钙侵钻井液钙侵后，原来的钠钻井液钙侵后，原来的钠质土变为钙质土，其质土变为钙质土，其电位电位降低，水化膜变薄，粘土降低，水化膜变薄，粘土颗粒间形成或增强絮凝结颗粒间形成或增强絮凝结构，从而导致钻井液粘度、构，从而导致钻井液粘度、切力上升、失水增大。当切力上升、失水增大。当钙侵到一定程度后，粘土钙侵到一定程度后，粘土颗粒继续变粗而沉淀，此颗粒继续变粗而沉淀，此时粘土分散度明显降低，时粘土分散度明显降低，使粘度、切力转而下降，使粘度、切力转而下降，失水继续增大。失水继续增大。钙侵后的维护处理措施：钙侵后的维护处理措施：钙侵钻井液加入适量有机处理剂（稀释剂、护胶剂）钙侵钻井液加入适量有机处理剂（稀释剂、护胶剂）转换体系（钙处理泥浆）转换体系（钙处理泥浆）机理：机理：一是拆散因钙离子作用形成较大、较强的粘土絮凝一是拆散因钙离子作用形成较大、较强的粘土絮凝结构，使钻井液处于适度絮凝状态；二是保护粘土颗结构，使钻井液处于适度絮凝状态；二是保护粘土颗粒使它保持适度尺寸，不至于结合而又变得过大，从粒使它保持适度尺寸，不至于结合而又变得过大，从而使钻井液性能得到改善。而使钻井液性能得到改善。粘土矿物的性质粘土矿物的性质本章完本章完