泥浆材料检测与应用：粘土水化的作用教案.docx

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1、通过提问导出本节内容。【导入课程】钻遇泥页岩层为何容易坍塌？与黏土结构有何关系？【课程内容】1、黏土水化膨胀作用的机理黏土矿物的水分按其存在的状态可以分为结晶水、吸附水和自由水。（结晶水是黏土矿物构造的一部分，高于300C结晶被破坏才能释放出来；吸附水是具有极性的水分子被吸附到带电黏土颗粒表面，在黏土周围形成水化膜，这部分水随黏土颗粒一起运动，也称为束缚水；自由水存在于黏土颗粒孔道中，不受黏土束缚，可以自由运动）2、粘土水化粘土水化膨胀受表面水化力、渗透水化力和毛细管作用制约。（1）表面水化一一由黏土晶体表面吸附水分子或交换阳离子引起。水分子与黏土表面六角形网格的氧原子形成氢键，水分子也通过氢

2、键结合成六角环，进而再通过氢键与第一层连接，所以表面水化是多分子层的。许多被吸附的阳离子本身可吸附水分子，也促进黏土颗粒水化。直接水化主要是粘土表面的H+和OH通过氢键吸附水分子。水分子与粘土表面的六角形网格的氧原子形成氢键而保持在表面上，水分子也通过氢键结合为六角环；水分子还可以通过氢键与笫一层连接，所以表面水化是多分子层的。氢键的强度随离开表面的距离增加而降低。间接水化主要是通过被吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子。表面水化的特点主要有：这种水化是短距离范围内的粘土与水的相互作用，这个作用进行到粘土层间有四个水分子层的厚度，厚度大约是Inm；在粘土的层面上，此时作用的力有范德华引力、层面带

3、负电和层间阳离子之间的静电引力、水分子与层面的水化能，其中以水化能最大；水化膨胀力可达20004000大气压。（2）渗透水化一一由于晶层之间的阳离子浓度大于溶液内部的浓度，会引起水发生浓度差扩散，进入层间，增加晶层间距。当黏土表面吸附的阳离子浓度高于介质中浓度时，便产生渗透压，从而引起水向黏土晶层间扩散，水的这种扩散程度受电解质的浓度差影响，这就是渗透水化膨胀机理。（使用可溶性盐以降低钻井液和坍塌页岩中液体渗透压，例饱和盐水、氯化钙钻井液）由于晶层之间的阳离子浓度大于溶液内部的浓度，会引起水发生浓度差扩散，进入层间，增加晶层间距。当粘土层面间的距离超过lnm时，表面吸附能量已经不是主要的了，此

4、后粘土的继续膨胀是由渗透压力和双电层斥力所引起的。【导入课程】钻遇泥页岩层为何容易坍塌？与黏土结构有何关系？【课程内容】1、黏土水化膨胀作用的机理黏土矿物的水分按其存在的状态可以分为结晶水、吸附水和自由水。（结晶水是黏土矿物构造的一部分，高于300C结晶被破坏才能释放出来；吸附水是具有极性的水分子被吸附到带电黏土颗粒表面，在黏土周围形成水化膜，这部分水随黏土颗粒一起运动，也称为束缚水；自由水存在于黏土颗粒孔道中，不受黏土束缚，可以自由运动）2、粘土水化粘土水化膨胀受表面水化力、渗透水化力和毛细管作用制约。（1）表面水化一一由黏土晶体表面吸附水分子或交换阳离子引起。水分子与黏土表面六角形网格的氧

5、原子形成氢键，水分子也通过氢键结合成六角环，进而再通过氢键与第一层连接，所以表面水化是多分子层的。许多被吸附的阳离子本身可吸附水分子，也促进黏土颗粒水化。直接水化主要是粘土表面的H+和OH通过氢键吸附水分子。水分子与粘士表面的六角形网格的氧原子形成氢键而保持在表面上，水分子也通过氢键结合为六角环；水分子还可以通过氢键与笫一层连接，所以表面水化是多分子层的。氢键的强度随离开表面的距离增加而降低。间接水化主要是通过被吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子。表面水化的特点主要有：这种水化是短距离范围内的粘土与水的相互作用，这个作用进行到粘土层间有四个水分子层的厚度，厚度大约是Inm；在粘土的层面上，此时

6、作用的力有范德华引力、层面带负电和层间阳离子之间的静电引力、水分子与层面的水化能，其中以水化能最大；水化膨胀力可达2000-4000大气压。（2）渗透水化一一由于晶层之间的阳离子浓度大于溶液内部的浓度，会引起水发生浓度差扩散，进入层间，增加晶层间距。当黏土表面吸附的阳离子浓度高于介质中浓度时，便产生渗透压，从而引起水向黏土晶层间扩散，水的这种扩散程度受电解质的浓度差影响，这就是渗透水化膨胀机理。（使用可溶性盐以降低钻井液和坍塌页岩中液体渗透压，例饱和盐水、氯化钙钻井液）由于晶层之间的阳离子浓度大于溶液内部的浓度，会引起水发生浓度差扩散，进入层间，增加晶层间距。当粘土层面间的距离超过lnm时，表

7、面吸附能量已经不是主要的了，此后粘土的继续膨胀是由渗透压力和双电层斥力所引起的。很大差别。例如，钙蒙皂石水化后晶层间距最大仅为1.7nm,而钠蒙皂石水化后其晶层间距可达(1.74nm),如图1所示。现场为了提高膨润土的水化性能，一般加入Na2CO3将其预水化，使钙膨润土变为钠膨润土，而钠膨润土是配制钻井液的理想材料。(4)钻井液中可溶性盐及处理剂对粘土水化的影响钻井液中可溶性盐类增加：首先会使粘土颗粒的电动电位降低，吸附水分子的能力降低；其次还会使进入粘土颗粒吸附层的阳离子数增加，阳离子本身水化膜变薄，粘土的水化作用减弱。钻井液处理剂是为了改善钻井液性能而添加的各种化学剂，有多种类型。其中，有机处理剂一般有较多的亲水基团，被粘土颗粒吸附后可以产生较厚的水化膜，促进粘土水化。【课堂小结】1 .黏土水化作用机理；2 .粘土水化的影响因素课后小结