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1、粘土的水化膨胀作用粘土的水化膨胀作用蔡记华蔡记华上次课主要讲授内容上次课主要讲授内容u粘土矿物的晶体构造粘土矿物的晶体构造u粘土的性质粘土的性质粘土矿物粘土矿物基本构造单元基本构造单元基本构造单元基本构造单元常见粘土矿物的晶体构造常见粘土矿物的晶体构造造浆粘土的选用造浆粘土的选用本次课主要讲授内容本次课主要讲授内容l粘土的水化膨胀作用粘土的水化膨胀作用l粘土粘土-水界面的扩散双电层水界面的扩散双电层l粘土在水中的分散状态粘土在水中的分散状态l泥浆的稳定性泥浆的稳定性一、粘土的水化膨胀作用一、粘土的水化膨胀作用u1、定义定义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
2、性的指标，亲水性越强，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。吸水量越大，水化膨胀越厉害。u2、粘土矿物的水份、粘土矿物的水份粘土矿物的水分按其存在的状态可以分为粘土矿物的水分按其存在的状态可以分为结晶水、结晶水、吸附水和自由水吸附水和自由水三种类型。三种类型。u（1）结晶水）结晶水这这种种水水是是粘粘土土矿矿物物晶晶体体构构造造的的一一部部分分，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，这这部分水来释放出来。部分水来释放出来。u（2）吸附水）吸附水由于分子间引力和静电引力，具有极性的水由于分子间引力和静电引力，具有极性的水分子可以
3、吸附到带电的粘土表面上，在粘土分子可以吸附到带电的粘土表面上，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。粘土颗粒一起运动，所以也称为束缚水。u（3）自由水）自由水这部分水存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中，这部分水存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中，不受粘土的束缚，可以自由的运动。不受粘土的束缚，可以自由的运动。u3、粘土水化膨胀的过程、粘土水化膨胀的过程各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿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。粘土水化膨胀物水化膨胀的程度不同而已。粘土水化膨胀受三种力制约：受三种力制约
4、：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。(1)表面水化表面水化 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通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分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。子而导致的水化。表面水化机理表面水化机理 直接水化：粘土表面上的直接水化：粘土表面上的H+和和OH-通过氢键通过氢键吸附水分子吸附水分子间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子接吸附水分子。这是短距离范围内的粘土与水的相互作用，这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
5、个水分子层的这个作用进行到粘土层间有四个水分子层的厚度，其厚度约为厚度，其厚度约为10（1nm）。在粘土的层面上，此时作用的力有层间分子在粘土的层面上，此时作用的力有层间分子的范德华引力、层面带负电和层间阳离子之的范德华引力、层面带负电和层间阳离子之间的静电引力、水分子与层面的吸附能量间的静电引力、水分子与层面的吸附能量（水化能），其中以水化能最大。（水化能），其中以水化能最大。水化膨胀力可达水化膨胀力可达20004000大气压大气压。u当粘土层面间的距离超过当粘土层面间的距离超过10 时，表面吸附时，表面吸附能量已经不是主要的了，此后粘土的继续膨能量已经不是主要的了，此后粘土的继续膨胀是由胀
6、是由渗透压力和双电层斥力渗透压力和双电层斥力所引起的。所引起的。u随着水分子进入粘土晶层间，粘土表面吸附随着水分子进入粘土晶层间，粘土表面吸附的阳离子便水化而扩散到水中，形成扩散双的阳离子便水化而扩散到水中，形成扩散双电层，由此，层间的电层，由此，层间的双电层斥力双电层斥力便逐渐起主便逐渐起主导作用而引起粘土层间距进一步扩大。导作用而引起粘土层间距进一步扩大。u扩散双电层理论扩散双电层理论（粘土胶体化学最重要的理粘土胶体化学最重要的理论之一论之一）。）。(2)渗透水化渗透水化u其其次次粘粘土土层层间间吸吸附附有有众众多多的的阳阳离离子子，层层间间的的离离子子浓浓度度远远大大于于溶溶液液内内部部
7、的的浓浓度度。由由于于浓浓度度差差的的存存在在，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，引引起起粘粘土土的的进进一一步步膨膨胀胀。由由渗渗透透水水化化而而引引起起的膨胀可使粘土层间距达到的膨胀可使粘土层间距达到120。u增增加加溶溶液液的的含含盐盐量量，由由于于浓浓度度差差减减小小，粘粘土土膨膨胀胀的的层层间间距便缩小，这也是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀的原理。距便缩小，这也是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀的原理。u粘粘土土水水化化膨膨胀胀达达到到平平衡衡距距离离（层层间间距距大大约约为为120）的的情情况况下下，在
8、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。扩散双电层的形成扩散双电层的形成+滑动面滑动面吸附的可交换阳离子解离，吸附的可交换阳离子解离，形成扩散双电层，产生负电形成扩散双电层，产生负电性，晶层间相互排斥，间距性，晶层间相互排斥，间距增大，表现出膨胀性。增大，表现出膨胀性。水水膨胀后分散膨胀后分散4.水化膨胀的评价方法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）吸水量法吸水量：总吸水量，单位重量土吸附水的总量（重量或吸水量：总吸水量，单位重量土吸附水的总量（重量或质量）；质量）；比亲水量：单位表
9、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(2)膨胀量法膨胀量法u 膨胀量：单位重量粘土的膨胀体积（体积不受膨胀量：单位重量粘土的膨胀体积（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，泥页岩水化所产生的持不变时，泥页岩水化所产生的应力效应应力效应123传感器膨胀膨胀量测量测定仪定仪u采用采用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为基本的参考标准，测量在不同为基本的参考标准，测量在不同LG植物胶植
10、物胶加量时的页岩的相对膨胀率。加量时的页岩的相对膨胀率。uLG植物胶对泥页岩水化膨胀有较强的抑制作植物胶对泥页岩水化膨胀有较强的抑制作用，在基浆中加入用，在基浆中加入2的的LG植物胶后，其相对植物胶后，其相对膨胀率只有。膨胀率只有。实例5.影响粘土水化的因素影响粘土水化的因素u粘土矿物本身的特性粘土矿物本身的特性u交换性阳离子的种类交换性阳离子的种类u水溶液中电解质的浓度水溶液中电解质的浓度u(1)粘土矿物本身的特性粘土矿物本身的特性 粘粘土土矿矿物物因因其其晶晶格格构构造造不不同同，水水化化膨膨胀胀能能力力也也有有很很大大差差别。别。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
11、面都都是是氧氧层层，层层间间联联结结是是较较弱弱的的分分子子间间力力，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，使层间距离增大，引起粘土的体积膨胀。间，使层间距离增大，引起粘土的体积膨胀。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的的K+存存在在，K+镶镶嵌嵌在在粘粘土土硅硅氧氧层层的的六六角角空空穴穴中中，把把两两硅硅氧氧层层锁锁紧紧，故水不易进入层间，粘土不易水化膨胀。故水不易进入层间，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
12、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，也也使使粘粘土土的的水水化化膨胀差。膨胀差。u(2)交换性阳离子的种类交换性阳离子的种类 粘粘土土吸吸附附的的交交换换性性阳阳离离子子不不同同，形形成成的的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别别。例例如如交交换换性性阳阳离离子子为为Na+的的钠钠蒙蒙脱脱石石，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Ca
13、2+的的钙钙蒙蒙脱脱石石，水水化时晶胞间距只有化时晶胞间距只有17。(3).水溶液中电解质的浓度和有机处理剂含量水溶液中电解质的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的能力降低。其次阳离水分子，使粘土直连吸附水分子的能力降低。其次阳离子数目增多，挤压扩散层，使粘土的水化膜减薄。总起子数目增多，挤压扩散层，使粘土的水化膜减薄。总起来是使粘土的水化膨胀作用减弱。来是使粘土的水化膨胀作用减弱。u盐水泥浆和钙处理泥浆对孔壁的抑制作用就是依据这个盐水泥浆和钙处理泥浆对孔壁的抑制作用就是依据这个原理
14、。原理。二、粘土二、粘土-水界面的扩散双电层水界面的扩散双电层（扩散双电层理论）（扩散双电层理论）u为了更加深入地揭示粘土水化、分散、为了更加深入地揭示粘土水化、分散、造浆的本质，掌握泥浆性能调节的造浆的本质，掌握泥浆性能调节的基本基本胶体化学原理胶体化学原理，引入，引入扩散双电层理论扩散双电层理论对对粘土粘土-水界面的行为机理进行分析。水界面的行为机理进行分析。（一）双电层成因与结构（一）双电层成因与结构u由于粘土颗粒在碱性水溶液中由于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），必然要必然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的离子
15、反的离子阳离子到粘土颗粒表阳离子到粘土颗粒表面附近（界面上的浓集），形成面附近（界面上的浓集），形成粘粘土颗粒表面的一层负电荷与反离子土颗粒表面的一层负电荷与反离子的正电荷相对应的电层的正电荷相对应的电层，以保持电，以保持电的中性（平衡）。粘土颗粒吸附阳的中性（平衡）。粘土颗粒吸附阳离子使阳离子在粘土颗粒表面浓集离子使阳离子在粘土颗粒表面浓集的同时，的同时，由于分子热运动和浓度差，由于分子热运动和浓度差，又引起阳离子脱离界面的扩散运动又引起阳离子脱离界面的扩散运动，粘土颗粒对阳离子的吸附及阳离子粘土颗粒对阳离子的吸附及阳离子的扩散运动两者共同作用的结果，的扩散运动两者共同作用的结果，在粘土颗粒
16、与水的界面周围阳离子在粘土颗粒与水的界面周围阳离子呈扩散状态分布，即形成扩散双电呈扩散状态分布，即形成扩散双电层。层。u u 有关扩散双电层的几个重要概念有关扩散双电层的几个重要概念吸附层吸附层扩散层扩散层滑动面滑动面热力电位热力电位E电动电位电动电位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的一薄层水化阳表面较近的一薄层水化阳离子，其厚度一般只有几离子，其厚度一般只有几个个（）。（）。这一薄层水化这一薄层水化阳离子，由于与粘土颗粒阳离子，由于与粘土颗粒表面距离近，阳离子的密表面距离近，阳离子的密度大，静电吸引力强，度大，静电吸引力强，被被吸附的阳离子与粘土颗粒吸附
17、的阳离子与粘土颗粒一起运动难以分离。一起运动难以分离。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的较厚的离子层。的较厚的离子层。u这部分阳离子由于本身的热运动，这部分阳离子由于本身的热运动，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的距与粘土颗粒表面的距离较远，静电引力逐渐减弱（呈离较远，静电引力逐渐减弱（呈二次方关系减弱），二次方关系减弱），在给泥浆体在给泥浆体系接入直流电源时，这层水化离系接入直流电源
18、时，这层水化离子不能与粘土颗粒一起向电源正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。极运动而相反向电源负极运动。扩散层中阳离子分布是不均匀的，扩散层中阳离子分布是不均匀的，靠近吸附层多，而远离吸附层则靠近吸附层多，而远离吸附层则逐渐减少，扩散层的厚度，依阳逐渐减少，扩散层的厚度，依阳离子的种类和浓度的不同，约为离子的种类和浓度的不同，约为10100。3.滑动面滑动面u它是吸附层和扩散层之间的它是吸附层和扩散层之间的一个滑动面。这是由于吸附一个滑动面。这是由于吸附层中的阳离子与粘土颗粒一层中的阳离子与粘土颗粒一起运动，而扩散层中的阳离起运动，而扩散层中的阳离子则有一滞后现象而呈现的
19、子则有一滞后现象而呈现的滑动面。滑动面。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的电中离子浓度均匀处之间的电位差位差。u热力电位的高低，取决于粘热力电位的高低，取决于粘土颗粒所带的负电量。土颗粒所带的负电量。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的负电量愈多，能粒表面带的负电量愈多，能吸附的阳离子数目也愈多。吸附的阳离子数目也愈多。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的电位差。子浓度均匀处的电位差。电动电位取决于粘土颗粒电动电位取决于粘土颗粒表面负电量与吸附层内阳表面负电量与吸附层
20、内阳离子正电量的差值。离子正电量的差值。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的阳离子愈散层中被吸附的阳离子愈多，扩散层愈厚。多，扩散层愈厚。（二）影响电动电位（二）影响电动电位的因素的因素u阳离子的种类阳离子的种类u阳离子的种类决定了阳离子电价的高低和阳离子的水化阳离子的种类决定了阳离子电价的高低和阳离子的水化能力。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，由于一个离子带的电荷时，由于一个离子带的电荷多，粘土颗粒表面的总电荷量一定时，多，粘土颗粒表面的总电荷量一定时，吸附层中被阳离子吸附层中被阳离子中和的电量多中和的电量多，于是，于是电动电位低电动电位低
21、，扩散层中的阳离子数目，扩散层中的阳离子数目少，扩散层及粘土表面的水化膜薄，粘土颗粒易于聚结。少，扩散层及粘土表面的水化膜薄，粘土颗粒易于聚结。u若粘土颗粒吸附的是若粘土颗粒吸附的是低价阳离子低价阳离子，吸附层中，吸附层中被阳离子中被阳离子中和的电量少和的电量少，电动电位高，扩散层中的阳离子数目多，扩，电动电位高，扩散层中的阳离子数目多，扩散层以及水化膜厚，粘土颗粒不易聚结。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（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，粘土颗粒周围的扩散层以及水化膜厚，泥
22、浆趋于分散稳定颗粒周围的扩散层以及水化膜厚，泥浆趋于分散稳定u相反，配制好的泥浆使用时受钙侵，相反，配制好的泥浆使用时受钙侵，Ca2+取代粘土表面取代粘土表面吸附的吸附的Na+，由于，由于Ca2+是二价离子，水化能力弱，因而是二价离子，水化能力弱，因而粘土颗粒的水化膜变薄，泥浆由分散转化为聚结而失去粘土颗粒的水化膜变薄，泥浆由分散转化为聚结而失去稳定性。稳定性。2.阳离子浓度阳离子浓度u阳离子（例如阳离子（例如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+浓度有一合适的范围，若浓度有一合适的范围，若Na+浓度过大，同样会使泥浆由分散转为
23、聚结。浓度过大，同样会使泥浆由分散转为聚结。（1）阳离子浓度大，阳离子挤入吸附层阳离子浓度大，阳离子挤入吸附层的机会增的机会增大，结果使电动电位降低，扩散层以及水化膜变大，结果使电动电位降低，扩散层以及水化膜变薄（即所谓薄（即所谓压缩双电层压缩双电层），分散体系由分散转化），分散体系由分散转化为聚结；为聚结；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的水分阳离子水化而夺去粘土直接吸附的水分子子，因而使粘土颗粒周围的水化膜变薄，分散体系由，因而使粘土颗粒周围的水化膜变薄，分散体系由分散转为聚结。分散
24、转为聚结。u泥浆使用时受盐（泥浆使用时受盐（NaCl）侵）侵，是由于，是由于Na+过多，起了过多，起了压缩双电层的作用，使泥浆由分散转为聚结，甚至失压缩双电层的作用，使泥浆由分散转为聚结，甚至失去稳定性。去稳定性。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，碳酸钠存在有最佳加量，加量过大则起反作用，造浆量降低，最佳加量，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此外，泥浆的分散稳定或聚结，还受阴离子的影此外，泥浆的分散稳定或聚结，还受阴离子的影响。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
25、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，必须考虑阴离子的影响。浆处理加入无机盐时，必须考虑阴离子的影响。（三）双电层理论对粘土水化的应用分析（三）双电层理论对粘土水化的应用分析(1)双电层理论对钻井泥浆应用的指导意义双电层理论对钻井泥浆应用的指导意义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
26、泥浆受钙侵时，泥浆受钙侵时，Ca2+的浓度增大，扩散双电层中的浓度增大，扩散双电层中Na+转转为为Ca2+，电位下降，扩散层变薄，粘土颗粒聚结，泥电位下降，扩散层变薄，粘土颗粒聚结，泥浆失去稳定性。浆失去稳定性。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的副作用，同时必须考虑阴离，过量会起压缩扩散层的副作用，同时必须考虑阴离子的影响。子的影响。u反过来，反过来，可以通过加入低价或高价阳离子无机处理剂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的分散或适度聚结调节泥浆的分散或适度聚结，用以配制不同种类（分散，用
27、以配制不同种类（分散的或适度聚结的）的泥浆。的或适度聚结的）的泥浆。u(2)从从井壁稳定的角度井壁稳定的角度来看，双电层理论也有来看，双电层理论也有重要的指导意义：若所钻地层的膨润土含量重要的指导意义：若所钻地层的膨润土含量较高，在外界阳离子的作用下，较高，在外界阳离子的作用下，电位升高，电位升高，水化分散性增强，易使井壁水化分散，给钻水化分散性增强，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。井工作带来井眼缩径、垮塌等不利影响。u因此，在石油天然气钻井、基础工程钻掘及因此，在石油天然气钻井、基础工程钻掘及其他遇到泥岩、页岩、粘土等地层钻进时，其他遇到泥岩、页岩、粘土等地层钻进时
28、，采取压缩双电层，降低采取压缩双电层，降低电位的措施，能使井电位的措施，能使井壁、槽壁的稳定性增强。壁、槽壁的稳定性增强。三、粘土在水中的分散状态三、粘土在水中的分散状态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颗粒之间的联结有三颗粒之间的联结有三种情形：面种情形：面-面接触，面接触，边边-面接触和边面接触和边-边接边接触。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的分散状态示意图粘土在水中的分散状态示意图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
29、-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四、泥浆的稳定性四、泥浆的稳定性u泥浆分散体系的稳定是指它能长久保持其泥浆分散体系的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分散状态，各微粒处于均匀悬浮状态而不破坏的特性。破坏的特性。u它包含两方面的含意，即它包含两方面的含意，即沉降稳定性和聚沉降稳定性和聚结稳定性结稳定性。（一）泥浆的沉降稳定性（一）泥浆的沉降稳定性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的固体颗粒是否容
30、易下沉的特性。泥浆中固体颗粒的沉的固体颗粒是否容易下沉的特性。泥浆中固体颗粒的沉降降决定于重力和阻力的相对关系决定于重力和阻力的相对关系。u根据根据Stokes定律，沉降速度为：定律，沉降速度为：ur 球形颗粒的半径，球形颗粒的半径，cm；、0颗粒和分散介质的比重，颗粒和分散介质的比重，g/cm3；分散介质的粘度，分散介质的粘度，Pas；g重力加速度，重力加速度，m/s2。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用普通粘土配制的泥浆，其中的粘土颗粒用普通粘土配制的泥浆，其中的粘土颗粒大都在大都在1m以上，故以上，故不加处理剂
31、难以获得不加处理剂难以获得稳定的泥浆稳定的泥浆。u因此，要提高泥浆分散体系的沉降稳定性，因此，要提高泥浆分散体系的沉降稳定性，必须缩小粘土颗粒的尺寸，即必须缩小粘土颗粒的尺寸，即应采用优质应采用优质粘土造浆粘土造浆，以提高其分散度，其次，以提高其分散度，其次应提高应提高液相的比重和粘度液相的比重和粘度。（二）泥浆的聚结稳定性（二）泥浆的聚结稳定性u泥浆的聚结稳定性是指泥浆的聚结稳定性是指泥浆中的固相颗粒是否容泥浆中的固相颗粒是否容易自动降低其分散度而聚结变大易自动降低其分散度而聚结变大的特性。的特性。u泥浆分散体系中的粘土颗粒间同时存在着相互吸泥浆分散体系中的粘土颗粒间同时存在着相互吸引力和相
32、互排斥力，这两种相反作用力便决定着引力和相互排斥力，这两种相反作用力便决定着泥浆分散体系的聚结稳定性。泥浆分散体系的聚结稳定性。u泥浆分散体系中粘土颗粒之间的泥浆分散体系中粘土颗粒之间的排斥力是由于粘土颗粒排斥力是由于粘土颗粒都带有负电荷都带有负电荷，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具有同种电荷（负电荷）的粘土颗粒彼此接近或碰撞时，具有同种电荷（负电荷）的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。同时粘土颗粒四周的水化膜，也是两颗粒彼此接近或聚结的粘土颗粒四周的水化膜，也是两颗粒彼此
33、接近或聚结的阻碍因素。阻碍因素。u当两颗粒当两颗粒相互靠近时，必须挤出夹在两颗粒间的水分子相互靠近时，必须挤出夹在两颗粒间的水分子或水化离子或水化离子，进一步靠近时便要改变双电层中离子的分，进一步靠近时便要改变双电层中离子的分布。布。u要产生这些变化就需要做功。这个功等于指定距离时的要产生这些变化就需要做功。这个功等于指定距离时的排斥能或排斥势能排斥能或排斥势能。u排斥势能（排斥势能（VR）决定于颗粒所带的电荷，同时是相互间决定于颗粒所带的电荷，同时是相互间距离的函数。它大致是随着颗粒间距离的增加呈指数下距离的函数。它大致是随着颗粒间距离的增加呈指数下降，故近似地可写成：降，故近似地可写成：u
34、溶剂的介电常数；溶剂的介电常数；r球形颗粒的半径，球形颗粒的半径，m；0颗粒颗粒表面的电位，表面的电位，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离子氛半径的倒数，离子氛半径的倒数，1/K可看作为双电层厚度的量度，可看作为双电层厚度的量度，m-1。u泥浆分散体系中粘土颗粒之间的吸引力是范德泥浆分散体系中粘土颗粒之间的吸引力是范德华力。华力。u对两个原子来说其大小与两原子间的距离的对两个原子来说其大小与两原子间的距离的7次方呈反比（或对吸引能来说是次方呈反比（或对吸引能来说是6次方）。次方）。u但但泥浆中的粘土颗粒是由大量分子组成的集合泥浆中的粘土颗粒是由大量分子组成的集合体
35、，它们之间的吸引势能大约与颗粒表面间距体，它们之间的吸引势能大约与颗粒表面间距离的离的2次方呈反比次方呈反比。u若为球形颗粒，体积相等，当两颗粒接近到两球若为球形颗粒，体积相等，当两颗粒接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，则两颗粒间的间的吸引势能（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两颗粒间的势能是排斥势能和吸引势能之和两颗粒间的势能是排斥势能和吸引势能之和 V=VA+VR u从势能曲线看出，从势能曲线看出，势能曲势能曲线的形状决定于线的形状决定于VA和和VR的相的相对大小对大小。u
36、VR(2)是排斥力大于吸引力是排斥力大于吸引力的势能曲线，这时颗粒可保的势能曲线，这时颗粒可保持稳定而不聚结。持稳定而不聚结。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的引力，因此便会聚结而产的引力，因此便会聚结而产生沉降。生沉降。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，颗粒的动能值，颗粒的动能值只有超过这一点才能引起聚只有超过这一点才能引起聚结，所以势垒的高低往往标结，所以势垒的高低往往标志着分散体系稳定性的大小志着分散体系稳定性的大小势能曲线势能曲线排斥排斥吸引吸引复复习习重点重点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、伊利石的晶体结构？蒙脱石、伊利石的晶体结构？u2.影响粘土水化的因素有哪些？蒙脱石、伊利石影响粘土水化的因素有哪些？蒙脱石、伊利石和高岭石的水化机理有何异同点？和高岭石的水化机理有何异同点？u3.影响电动电位的外在因素有哪些？影响电动电位的外在因素有哪些？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？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