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1、授课内容粘土的水化作用计划课时教学目标 与要求知识目标：掌握黏土颗粒水化分散现象能力目标：能掌握水化作用机理素质目标：提高学生分析问题、解决问题的能力教学重点 与难点重点：水化作用机理难点：影响水化的因素处理方法：图片讲解、举例说明教学资源多媒体课件、图片、教材、黑板教学过程主题/任务/活动教学方法/教具时间分配导入新课讲授+提问黏土水化作用讲授影响黏土水化的因素讲授小结讲授作业/技能训练1、不同种类黏土水化作用特点。教学评估小组讨论，提问互动教研室主任签名：年月日教学设计通过提问导 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
2、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局部，高于300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外表，在黏土周围形 成水化膜，这局部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外表水化力、渗透水化力和毛细管作用制约。（1）外表水化一一由黏土晶体外表吸附水分子或交换阳离子引起。水分子与 黏土外表六角形网格的氧原子形成氢键，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，所以外表水化是多分子层的。许多被吸附的 阳离子本身可吸附水分子，也
3、促进黏土颗粒水化。直接水化主要是粘土外表的H+和0H-通过氢键吸附水分子。水分子与粘 土外表的六角形网格的氧原子形成氢键而保持在外表上，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第一层连接，所以外表水化是多分 子层的。氢键的强度随离开外表的距离增加而降低。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。 外表水化的特点主要有：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200
4、04000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。当黏土外表吸附的阳离子浓 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Inm时，外表吸附能量 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。当粘土外表吸附的阳离子浓度
5、高于介质中浓度时，便产生渗透压，从而 引起水向粘土晶层间扩散，而水的这种扩散程度受电解质的浓度差影响，这 就是渗透水化膨胀的机理。渗透水化的主要特点：a随着水分子进入粘土晶层间，粘土外表吸附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；b是粘土层间吸附有众多的阳离子，层间的离子浓度远大于溶液内部的 浓度，由于浓度差的存在粘土层可看成是一个渗透膜，在渗透压力作用下水 分子便继续进入粘土层间，引起粘土进一步膨胀；C增加溶液的含盐量，由于浓度差减小，粘土膨胀的层间距便缩小，这 也是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀的原理；最后是粘土水化膨胀到达
6、平衡距离、剪切力作用的情况下，晶胞别离，粘土 分散在水中，形成粘土悬浮液。2、影响黏土水化的因素（1）粘土晶体不同部位对水化的影响。粘土晶体外表的水化膜厚度是不均匀的，粘土的外表水化膜主要是阳离 子水化造成的，粘土晶体所带的负电荷大局部集中在层面上，层面吸附的阳 离子较多，水化膜厚；而粘土晶体端面上带电量较少，水化膜薄。（2）粘土矿物种类对水化的影响。粘土矿物不同，带电量不同，水化作用的强弱也不同。例如蒙皂石的带电量多，阳离子交换容量高；由于晶型是2:1型，晶胞 两面都是氧层，层间联结是较弱的分子间力，水分子容易沿着硅氧层面进入 晶层间，使层间距离增大，因此，水化性最好，分散度也最高；而伊利石
7、带电 量较少，阳离子交换容量较低；虽然晶型也是2:1型，晶体结构与蒙皂石类 似，但层间有水化能力小的K+存在，K+镶嵌在粘土硅氧层的六角空穴中，把 两硅氧层锁紧，晶格取代现象较少，因此，水化性差，分散度低，是非膨胀 性矿物；高岭石带电量少，阳离子交换容量低，晶型是1:1型，层间易形成 氢键，晶胞联结紧密，几乎无晶格取代现象，水化性差，分散度也低，颗粒 粗，也是非膨胀性矿物（3）可交换阳离子对粘土水化的影响粘土吸附的交换性阳离子不同，形成的水化膜厚度不同，其水化程度有 教学设计很大差异。例如，钙蒙皂石水化后晶层间距最大仅为l.7nm,而钠蒙皂石水化 后其晶层间距可达(L74nm),如图1所示。现场为了提高膨润土的水化性 能，一般加入Na2c03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 分子的能力降低洪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