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1、粘土胶体化学基础粘土胶体化学基础第1页，共69页，编辑于2022年，星期一第第2节节 粘土胶体化学基础粘土胶体化学基础主要掌握的内容：主要掌握的内容：v粘土矿物的晶体构造与性质粘土矿物的晶体构造与性质典型粘土矿物的化学组成典型粘土矿物的化学组成典型粘土结构简介典型粘土结构简介粘土的界面吸附作用粘土的界面吸附作用v粘土胶体化学基础粘土胶体化学基础胶体化学的基本概念胶体化学的基本概念粘土颗粒（片体）的双电层理论粘土颗粒（片体）的双电层理论v粘土的水化作用粘土的水化作用作用机理作用机理影响因素影响因素第2页，共69页，编辑于2022年，星期一v颗粒直径在颗粒直径在1nm1nm1 1m m范围内均属胶
2、体颗粒，含有范围内均属胶体颗粒，含有胶体颗粒的体系称为胶胶体颗粒的体系称为胶体体系或胶体分散体系体体系或胶体分散体系；v胶体体系胶体体系的重要特点之一是的重要特点之一是具有很大的表面积具有很大的表面积；v由于大多数钻井液是由于大多数钻井液是粘土粘土-水的胶体悬浮水的胶体悬浮体系，因而体系，因而胶体悬浮体系的性胶体悬浮体系的性能能直接影响到直接影响到钻井液的工艺性能钻井液的工艺性能，进而，进而影响到钻井工程的安全；影响到钻井工程的安全；v学习钻井液中常用粘土矿物和粘土胶体化学的基础知识，对于理解和掌握学习钻井液中常用粘土矿物和粘土胶体化学的基础知识，对于理解和掌握钻钻井液体系的稳定性原理、化学处
3、理剂的作用原理和钻井液工艺性能的维井液体系的稳定性原理、化学处理剂的作用原理和钻井液工艺性能的维护控制原理护控制原理具有重要意义。具有重要意义。第3页，共69页，编辑于2022年，星期一v1 1）水基钻井液的组分）水基钻井液的组分(Components)(Components)水水(Water)(Water)粘土粘土(膨润土膨润土)(Clay)(Clay)处理剂处理剂(Drilling Fluid Additives)(Drilling Fluid Additives)第4页，共69页，编辑于2022年，星期一2 2）膨润土的特性与作用）膨润土的特性与作用 形状和尺寸形状和尺寸(片状、小于片状
4、、小于2-52-5微米微米)表面电荷与水化性能表面电荷与水化性能在钻井液中的状态（分散、絮凝、聚结）在钻井液中的状态（分散、絮凝、聚结）在钻井液中的作用（悬浮能力）在钻井液中的作用（悬浮能力）第5页，共69页，编辑于2022年，星期一v2 2）膨润土的的特性与作用）膨润土的的特性与作用粘土粘土(Clay):(Clay):小于小于2-52-5微米，具有塑性的矿物原料。微米，具有塑性的矿物原料。粘粘土土矿矿物物:构构成成粘粘土土的的主主体体矿矿物物。大大都都具具有有晶晶体体本本性性，其化学成份是含水（镁）硅酸盐。其化学成份是含水（镁）硅酸盐。粘粘土土矿矿物物的的结结构构：层层状状（二二层层、三三层
5、层、混混层层）；链链状状（纤维状）。（纤维状）。膨润土膨润土(Bentonite)(Bentonite)：主要成分为蒙脱石的粘土矿物。主要成分为蒙脱石的粘土矿物。蒙蒙脱脱石石(Montmorillonite)(Montmorillonite)：三三层层(2:1)(2:1)型型粘粘土土矿矿物物，因因只只有有范范氏氏力力层层间间引引力力弱弱，表表面面吸吸附附能能力力强强，易易水水化化膨胀和分散。膨胀和分散。第6页，共69页，编辑于2022年，星期一第7页，共69页，编辑于2022年，星期一1.1.1.1.相和相界面相和相界面相和相界面相和相界面 相是指物质的相是指物质的相是指物质的相是指物质的物理
6、化学性质都完全相同的均匀部分物理化学性质都完全相同的均匀部分物理化学性质都完全相同的均匀部分物理化学性质都完全相同的均匀部分。体。体。体。体系中若有两个或两个以上的相，称为系中若有两个或两个以上的相，称为系中若有两个或两个以上的相，称为系中若有两个或两个以上的相，称为多相体系多相体系多相体系多相体系。相界面则是相与相之间的宏观物理界面。通常，在相互接相界面则是相与相之间的宏观物理界面。通常，在相互接相界面则是相与相之间的宏观物理界面。通常，在相互接相界面则是相与相之间的宏观物理界面。通常，在相互接触的两相中，若某一相为气体，则相界面称为表面。若是液触的两相中，若某一相为气体，则相界面称为表面。
7、若是液触的两相中，若某一相为气体，则相界面称为表面。若是液触的两相中，若某一相为气体，则相界面称为表面。若是液相与固相的分界面，称为界面。相与固相的分界面，称为界面。相与固相的分界面，称为界面。相与固相的分界面，称为界面。2 2 2 2.分散相与分散介质分散相与分散介质分散相与分散介质分散相与分散介质 分散相分散相分散相分散相是指在多相分散体系中被分散的物质。是指在多相分散体系中被分散的物质。是指在多相分散体系中被分散的物质。是指在多相分散体系中被分散的物质。分散介质分散介质分散介质分散介质则是分散相所在的连续介质。则是分散相所在的连续介质。则是分散相所在的连续介质。则是分散相所在的连续介质。
8、例如，在水基钻井液中，粘土颗粒分散在水中，粘土为例如，在水基钻井液中，粘土颗粒分散在水中，粘土为例如，在水基钻井液中，粘土颗粒分散在水中，粘土为例如，在水基钻井液中，粘土颗粒分散在水中，粘土为分散相，水为分散介质。分散相，水为分散介质。分散相，水为分散介质。分散相，水为分散介质。一、粘土胶体化学的几个基本概念一、粘土胶体化学的几个基本概念第8页，共69页，编辑于2022年，星期一3 3 3 3.分散度和比表面积分散度和比表面积分散度和比表面积分散度和比表面积 分散度分散度分散度分散度是指分散相的分散程度。分散相的分散程度越是指分散相的分散程度。分散相的分散程度越是指分散相的分散程度。分散相的分
9、散程度越是指分散相的分散程度。分散相的分散程度越高，分散度越大，分散相就分散得越细小。用数学式可将高，分散度越大，分散相就分散得越细小。用数学式可将高，分散度越大，分散相就分散得越细小。用数学式可将高，分散度越大，分散相就分散得越细小。用数学式可将分散度表示为：分散度表示为：分散度表示为：分散度表示为：比表面积比表面积比表面积比表面积是单位体积（是单位体积（是单位体积（是单位体积（V V V V）或单位重量（）或单位重量（）或单位重量（）或单位重量（W W W W）物质的总）物质的总）物质的总）物质的总表面积。用数学式表示为：表面积。用数学式表示为：表面积。用数学式表示为：表面积。用数学式表示
10、为：上式表明，比表面积越大，物质分散得越小，分散度上式表明，比表面积越大，物质分散得越小，分散度上式表明，比表面积越大，物质分散得越小，分散度上式表明，比表面积越大，物质分散得越小，分散度就越高，两者有相互对应的关系。就越高，两者有相互对应的关系。就越高，两者有相互对应的关系。就越高，两者有相互对应的关系。一、粘土胶体化学的几个基本概念一、粘土胶体化学的几个基本概念第9页，共69页，编辑于2022年，星期一 粘土粘土粘土粘土是岩石学上的一种称谓，是岩石经过长期地质作用后的是岩石学上的一种称谓，是岩石经过长期地质作用后的是岩石学上的一种称谓，是岩石经过长期地质作用后的是岩石学上的一种称谓，是岩石
11、经过长期地质作用后的产物，主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物产物，主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物产物，主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物产物，主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物质。粘土颗粒的粒度通常小于质。粘土颗粒的粒度通常小于质。粘土颗粒的粒度通常小于质。粘土颗粒的粒度通常小于2 2 2 25 5 5 5微米，主要矿物成分由粘土矿微米，主要矿物成分由粘土矿微米，主要矿物成分由粘土矿微米，主要矿物成分由粘土矿物、非粘土矿物和胶体矿物组成。物、非粘土矿物和胶体矿物组成。物、非粘土矿物和胶体矿物组成。物、非粘土矿物和胶体矿物组成。
12、粘土矿物是粘土矿物是粘土矿物是粘土矿物是铝硅酸盐铝硅酸盐铝硅酸盐铝硅酸盐的总称的总称的总称的总称,是含水的是含水的是含水的是含水的层状及层层状及层层状及层层状及层链状链状链状链状构造。构造。构造。构造。特点是具有特点是具有特点是具有特点是具有相对固定的化学组成和确定的内部结构相对固定的化学组成和确定的内部结构相对固定的化学组成和确定的内部结构相对固定的化学组成和确定的内部结构内部格子构内部格子构内部格子构内部格子构造造造造。二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第10页，共69页，编辑于2022年，星期一 粘粘 土：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物土
13、：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物质。质。特性：细粒，粘性，高温成型性，可塑成型性特性：细粒，粘性，高温成型性，可塑成型性 矿物组成：粘土矿物（蒙脱石等）矿物组成：粘土矿物（蒙脱石等）+非粘土矿物（石英、长石等）非粘土矿物（石英、长石等）+胶体矿物（蛋白石等）。胶体矿物（蛋白石等）。化学组成化学组成:Si O Al OH，少量的，少量的 Fe Na Ca Mg 等等 粘土矿物：含水的细分散的层状及链状构造硅酸盐矿物的及含水的非晶质硅酸粘土矿物：含水的细分散的层状及链状构造硅酸盐矿物的及含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。盐矿物的总称。特点：具有相对固定的化学组成和确定的内部结构特点
14、：具有相对固定的化学组成和确定的内部结构（内部格子构造（内部格子构造-晶格）。晶格）。第11页，共69页，编辑于2022年，星期一 （1 1 1 1）硅氧四面体与硅氧四面体片）硅氧四面体与硅氧四面体片）硅氧四面体与硅氧四面体片）硅氧四面体与硅氧四面体片 硅氧四面体由硅氧四面体由硅氧四面体由硅氧四面体由一个硅离子和四个等距的氧一个硅离子和四个等距的氧一个硅离子和四个等距的氧一个硅离子和四个等距的氧离子配位离子配位离子配位离子配位组成的正四面体。硅离子在四面体的组成的正四面体。硅离子在四面体的组成的正四面体。硅离子在四面体的组成的正四面体。硅离子在四面体的中心，氧离子在四面体的顶点。硅离子与各氧中
15、心，氧离子在四面体的顶点。硅离子与各氧中心，氧离子在四面体的顶点。硅离子与各氧中心，氧离子在四面体的顶点。硅离子与各氧离子之间的距离相等，如图所示。离子之间的距离相等，如图所示。离子之间的距离相等，如图所示。离子之间的距离相等，如图所示。在图中在图中在图中在图中,四面体底面三个氧离子组成基底氧，四面体底面三个氧离子组成基底氧，四面体底面三个氧离子组成基底氧，四面体底面三个氧离子组成基底氧，四面体顶点一个氧离子为顶端氧。氧离子四面体顶点一个氧离子为顶端氧。氧离子四面体顶点一个氧离子为顶端氧。氧离子四面体顶点一个氧离子为顶端氧。氧离子之间之间之间之间距离距离距离距离2.61102.61102.61
16、102.6110-1-1-1-1nmnmnmnm。硅离子与氧离子硅离子与氧离子硅离子与氧离子硅离子与氧离子距离距离距离距离为为为为1.61101.61101.61101.6110-1-1-1-1nmnmnmnm.二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点1 1.粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的两种基本构造单元O OSiSi第12页，共69页，编辑于2022年，星期一一、粘土矿物的两种基本构造单元一、粘土矿物的两种基本构造单元1.硅氧四面体与硅氧四面体片硅氧四面体与硅氧四面体片 硅氧四面体硅氧四面体(silica tetrahedron)由一个硅原子和四个等距的氧原子组
17、成由一个硅原子和四个等距的氧原子组成的正四面体。硅原子在四面体的中心，氧的正四面体。硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点。原子在四面体的顶点。图中：图中：基底氧：四面体底面三个氧原子。基底氧：四面体底面三个氧原子。顶端氧：四面体顶点一个氧原子。顶端氧：四面体顶点一个氧原子。OO距离：距离：2.61埃。埃。SiO距离：距离：1.61埃。埃。硅原子硅原子 氧原子氧原子第13页，共69页，编辑于2022年，星期一 （1 1 1 1）硅氧四面体与硅氧四面体片）硅氧四面体与硅氧四面体片）硅氧四面体与硅氧四面体片）硅氧四面体与硅氧四面体片 单个四面体与若干个相邻四面体通过单个四面体与若干个相邻四面体
18、通过单个四面体与若干个相邻四面体通过单个四面体与若干个相邻四面体通过底氧底氧底氧底氧相连，构成平面连续相连，构成平面连续相连，构成平面连续相连，构成平面连续的四面体晶格，此即的四面体晶格，此即的四面体晶格，此即的四面体晶格，此即硅氧四面体片硅氧四面体片硅氧四面体片硅氧四面体片。如图所示。如图所示。如图所示。如图所示。四面体片所有基底氧排列在同一个平面上，所有顶端氧在另一四面体片所有基底氧排列在同一个平面上，所有顶端氧在另一四面体片所有基底氧排列在同一个平面上，所有顶端氧在另一四面体片所有基底氧排列在同一个平面上，所有顶端氧在另一个平面上，平面投影形成正六角形的个平面上，平面投影形成正六角形的个
19、平面上，平面投影形成正六角形的个平面上，平面投影形成正六角形的三层空心六角环网格三层空心六角环网格三层空心六角环网格三层空心六角环网格。由于。由于。由于。由于四面体片含有四面体片含有四面体片含有四面体片含有负电荷负电荷负电荷负电荷，所以，在实际矿物结构中，四面体片在粘，所以，在实际矿物结构中，四面体片在粘，所以，在实际矿物结构中，四面体片在粘，所以，在实际矿物结构中，四面体片在粘土中不能独立存在，仅能以与阳离子和附加氧离子结合的形式存土中不能独立存在，仅能以与阳离子和附加氧离子结合的形式存土中不能独立存在，仅能以与阳离子和附加氧离子结合的形式存土中不能独立存在，仅能以与阳离子和附加氧离子结合的
20、形式存在。在。在。在。二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第14页，共69页，编辑于2022年，星期一 硅氧四面体片硅氧四面体片 单个四面体与若干个相邻四面体通过单个四面体与若干个相邻四面体通过底面氧相连，构成平面连续的四面体底面氧相连，构成平面连续的四面体晶格。晶格。四面体片特点：四面体片特点：由由SiO4彼此连接而成的彼此连接而成的Si4O10的无的无限重复的六方网格。限重复的六方网格。所有基底氧排列在同一个平面上。所有基底氧排列在同一个平面上。所有顶端氧在另一个平面上。所有顶端氧在另一个平面上。平面投影形成三层。平面投影形成三层。是六角对称的（是六角对称的（六
21、角环半径1.33A，空心）空心）四面体片在粘土中不能独立存在。四面体片在粘土中不能独立存在。硅原子硅原子 氧原子氧原子Si4O10 最小重复单元分子式最小重复单元分子式第15页，共69页，编辑于2022年，星期一四面体片立体模型四面体片立体模型第16页，共69页，编辑于2022年，星期一硅氧四面体与硅氧四面体与硅氧四面体片硅氧四面体片第17页，共69页，编辑于2022年，星期一 （2 2 2 2）铝氧八面体与铝氧八面体片）铝氧八面体与铝氧八面体片）铝氧八面体与铝氧八面体片）铝氧八面体与铝氧八面体片l l铝氧（有时为铝铝氧（有时为铝铝氧（有时为铝铝氧（有时为铝-氢氧氢氧氢氧氢氧）八面体的六个顶点
22、为氧离子或者氢氧离八面体的六个顶点为氧离子或者氢氧离八面体的六个顶点为氧离子或者氢氧离八面体的六个顶点为氧离子或者氢氧离子团，子团，子团，子团，铝、铁或镁离子处于正八面体中心铝、铁或镁离子处于正八面体中心铝、铁或镁离子处于正八面体中心铝、铁或镁离子处于正八面体中心，六个氧离子或氢氧离，六个氧离子或氢氧离，六个氧离子或氢氧离，六个氧离子或氢氧离子处于八面体顶点，如图所示。子处于八面体顶点，如图所示。子处于八面体顶点，如图所示。子处于八面体顶点，如图所示。l l八面体中心位置通常由八面体中心位置通常由八面体中心位置通常由八面体中心位置通常由体积较大的阳离子体积较大的阳离子体积较大的阳离子体积较大的
23、阳离子AlAlAlAl3+3+3+3+、MgMgMgMg2+2+2+2+、FeFeFeFe2+2+2+2+和和和和FeFeFeFe3+3+3+3+配位配位配位配位，而不适应象，而不适应象，而不适应象，而不适应象CaCaCaCa2+2+2+2+、NaNaNaNa+或或或或K K K K+等体积更大的阳离子配位。在图等体积更大的阳离子配位。在图等体积更大的阳离子配位。在图等体积更大的阳离子配位。在图中，八面体氧离子之间距离为中，八面体氧离子之间距离为中，八面体氧离子之间距离为中，八面体氧离子之间距离为2.602.602.602.60埃，氢氧离子之间距离为埃，氢氧离子之间距离为埃，氢氧离子之间距离为
24、埃，氢氧离子之间距离为2.94102.94102.94102.9410-1-1-1-1nmnmnmnm。1 1.粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的两种基本构造单元氢氧氢氧氢氧氢氧AlAl二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第18页，共69页，编辑于2022年，星期一2.铝氧八面体与铝氧八面体片铝氧八面体与铝氧八面体片 铝氧（铝氧（Al O(OH)）八面）八面体体(alumina octahedron)铝原子处于正八面体中心，铝原子处于正八面体中心，六个氧原子或氢氧原子处于六个氧原子或氢氧原子处于八面体顶点。八面体顶点。图中：图中：OO距离距离=2.60埃。埃。OH
25、OH距离距离=2.94埃。埃。铝原子铝原子 氢氧原子氢氧原子第19页，共69页，编辑于2022年，星期一 （2 2）铝氧八面体与铝氧八面体片）铝氧八面体与铝氧八面体片 铝氧（氢氧）八面体片是由单个八面体与相邻的八面体通过共铝氧（氢氧）八面体片是由单个八面体与相邻的八面体通过共铝氧（氢氧）八面体片是由单个八面体与相邻的八面体通过共铝氧（氢氧）八面体片是由单个八面体与相邻的八面体通过共用用用用晶棱晶棱晶棱晶棱连接起来，连接起来，连接起来，连接起来，顶端和底端氧离子则构成两个平行的顶端和底端氧离子则构成两个平行的顶端和底端氧离子则构成两个平行的顶端和底端氧离子则构成两个平行的平面（每个平面（每个平面
26、（每个平面（每个八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连接，如图所八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连接，如图所八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连接，如图所八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连接，如图所示。示。示。示。1 1.粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的两种基本构造单元氢氧氢氧氢氧氢氧铝铝铝铝二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第20页，共69页，编辑于2022年，星期一 铝氧（氢氧）八面体片铝氧（氢氧）八面体片 单个八面体与相邻的八面单个八面体与相邻的八面体通过共用体通过共用氢氧原子氢氧原子连接起连接起来，顶端
27、和底端氧原子则构来，顶端和底端氧原子则构成两个平行的平面（每个八成两个平行的平面（每个八面体同相邻的六个其它八面面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧原子）体通过共用氧（氢氧原子）连接）。连接）。氢氧原子氢氧原子 铝原子铝原子 Al4(OH)12 最小重复单位分子式最小重复单位分子式第21页，共69页，编辑于2022年，星期一铝氧八面体与铝氧八面体与铝氧八面体片铝氧八面体片第22页，共69页，编辑于2022年，星期一八面体片立体模型第23页，共69页，编辑于2022年，星期一 （2 2）铝氧八面体与铝氧八面体片）铝氧八面体与铝氧八面体片 如果每三个八面体中心只有二个中心被如果每三个八面体中
28、心只有二个中心被如果每三个八面体中心只有二个中心被如果每三个八面体中心只有二个中心被AlAlAlAl3+3+3+3+、FeFeFeFe3+3+3+3+等三价离子等三价离子等三价离子等三价离子占占占占据，留下据，留下据，留下据，留下1/31/31/31/3空位，这种晶片特称为二八面体晶片，又叫铝氧片。空位，这种晶片特称为二八面体晶片，又叫铝氧片。空位，这种晶片特称为二八面体晶片，又叫铝氧片。空位，这种晶片特称为二八面体晶片，又叫铝氧片。当八面体片的中心全被当八面体片的中心全被当八面体片的中心全被当八面体片的中心全被MgMgMgMg2+2+2+2+、FeFeFeFe2+2+2+2+占据时，这种晶片
29、称为三八面体晶占据时，这种晶片称为三八面体晶占据时，这种晶片称为三八面体晶占据时，这种晶片称为三八面体晶片，又叫镁氧片。与四面体片不同，八面体片能够独立存在。片，又叫镁氧片。与四面体片不同，八面体片能够独立存在。片，又叫镁氧片。与四面体片不同，八面体片能够独立存在。片，又叫镁氧片。与四面体片不同，八面体片能够独立存在。1 1.粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的两种基本构造单元氢氧氢氧铝铝二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第24页，共69页，编辑于2022年，星期一 （3 3 3 3）晶片的结合）晶片的结合）晶片的结合）晶片的结合 四面体片和八面体片沿四面体片和八
30、面体片沿四面体片和八面体片沿四面体片和八面体片沿C C C C轴按一定比例相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层，轴按一定比例相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层，轴按一定比例相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层，轴按一定比例相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层，即晶层。许多单位晶层在即晶层。许多单位晶层在即晶层。许多单位晶层在即晶层。许多单位晶层在C C C C轴方向上按一定距离反复重合而构成晶体。能代表晶体性质的单位层内轴方向上按一定距离反复重合而构成晶体。能代表晶体性质的单位层内轴方向上按一定距离反复重合而构成晶体。能代表晶体性质的单
31、位层内轴方向上按一定距离反复重合而构成晶体。能代表晶体性质的单位层内最小物质组合叫单位晶胞。常以最小物质组合叫单位晶胞。常以最小物质组合叫单位晶胞。常以最小物质组合叫单位晶胞。常以a a a a、b b b b轴范围表示其大小。某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离轴范围表示其大小。某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离轴范围表示其大小。某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离轴范围表示其大小。某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离叫叫叫叫C C C C轴间距，如图所示。轴间距，如图所示。轴间距，如图所示。轴间距，如图所示。1 1.粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的两种基本构造单元二、主要粘土矿物的晶
32、体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点C间距间距Cab第25页，共69页，编辑于2022年，星期一 （3 3）晶片的结合）晶片的结合 四面体片与八面体片的相互结合构成了层状硅酸盐矿四面体片与八面体片的相互结合构成了层状硅酸盐矿物的基本结构层。物的基本结构层。按照四面体片和八面体片的配合比例，可以把层状构按照四面体片和八面体片的配合比例，可以把层状构造硅酸盐矿物的基本结构层分为造硅酸盐矿物的基本结构层分为1 1 1 1：1 1 1 1层型和层型和层型和层型和2 2 2 2：1 1 1 1层型两个基层型两个基层型两个基层型两个基本类本类本类本类型型型型。1 1.粘土矿物的两种基本构造单元粘土
33、矿物的两种基本构造单元二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第26页，共69页，编辑于2022年，星期一 （3 3）晶片的结合）晶片的结合l l单独的单独的单独的单独的1 1 1 1：1 1 1 1型层或型层或型层或型层或2 2 2 2：1 1 1 1型层可以是电中性的，型层可以是电中性的，型层可以是电中性的，型层可以是电中性的，也可以是由于晶也可以是由于晶也可以是由于晶也可以是由于晶格取代（在晶体结构保持不变的条件下，中心高价阳离子被低格取代（在晶体结构保持不变的条件下，中心高价阳离子被低格取代（在晶体结构保持不变的条件下，中心高价阳离子被低格取代（在晶体结构保持不
34、变的条件下，中心高价阳离子被低价阳离子取代的现象）等原因而带负电荷。为了平衡负电性，价阳离子取代的现象）等原因而带负电荷。为了平衡负电性，价阳离子取代的现象）等原因而带负电荷。为了平衡负电性，价阳离子取代的现象）等原因而带负电荷。为了平衡负电性，晶层间必然吸附了一些晶层间必然吸附了一些晶层间必然吸附了一些晶层间必然吸附了一些阳离子作为补偿阳离子阳离子作为补偿阳离子阳离子作为补偿阳离子阳离子作为补偿阳离子。l l由于基本结构层、层间物质、层间电荷、补偿阳离子等的不同，由于基本结构层、层间物质、层间电荷、补偿阳离子等的不同，由于基本结构层、层间物质、层间电荷、补偿阳离子等的不同，由于基本结构层、层
35、间物质、层间电荷、补偿阳离子等的不同，加上结晶学上的有序加上结晶学上的有序加上结晶学上的有序加上结晶学上的有序-无序和多型等现象，就使得自然界无序和多型等现象，就使得自然界无序和多型等现象，就使得自然界无序和多型等现象，就使得自然界粘土粘土粘土粘土矿物的种类繁多。矿物的种类繁多。矿物的种类繁多。矿物的种类繁多。1 1.粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的两种基本构造单元二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第27页，共69页，编辑于2022年，星期一 （1 1）高岭石（）高岭石（KaoliniteKaolinite）ll高岭石的单元晶层构造由高岭石的单元晶层构造由高岭
36、石的单元晶层构造由高岭石的单元晶层构造由一层四面体片和一层八面体片一层四面体片和一层八面体片一层四面体片和一层八面体片一层四面体片和一层八面体片组组组组成，所有硅氧四面体的尖顶都朝向八面体。四面体晶片与成，所有硅氧四面体的尖顶都朝向八面体。四面体晶片与成，所有硅氧四面体的尖顶都朝向八面体。四面体晶片与成，所有硅氧四面体的尖顶都朝向八面体。四面体晶片与八面体晶片通过共用氧原子连接在一起。若干个晶层在八面体晶片通过共用氧原子连接在一起。若干个晶层在八面体晶片通过共用氧原子连接在一起。若干个晶层在八面体晶片通过共用氧原子连接在一起。若干个晶层在C C C C轴方向上层层重叠，而在轴方向上层层重叠，而
37、在轴方向上层层重叠，而在轴方向上层层重叠，而在a a a a、b b b b轴方向上连续延伸。轴方向上连续延伸。轴方向上连续延伸。轴方向上连续延伸。ll高岭石矿物在溶液中阳离子交换容量小，水分子不易进入高岭石矿物在溶液中阳离子交换容量小，水分子不易进入高岭石矿物在溶液中阳离子交换容量小，水分子不易进入高岭石矿物在溶液中阳离子交换容量小，水分子不易进入晶层中间，为非膨胀类型的粘土矿物。其水化性能差，造晶层中间，为非膨胀类型的粘土矿物。其水化性能差，造晶层中间，为非膨胀类型的粘土矿物。其水化性能差，造晶层中间，为非膨胀类型的粘土矿物。其水化性能差，造浆性能不好，浆性能不好，浆性能不好，浆性能不好，
38、一般不用作钻井液的配浆粘土一般不用作钻井液的配浆粘土一般不用作钻井液的配浆粘土一般不用作钻井液的配浆粘土。2.2.几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第28页，共69页，编辑于2022年，星期一 （1 1）高岭石（）高岭石（KaoliniteKaolinite）2.2.几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第29页，共69页，编辑于2022年，星期一 （1 1）高岭石（）高岭石（KaoliniteKaolinite）l l高岭石构造单元中
39、原子电荷是平衡的，化学式为高岭石构造单元中原子电荷是平衡的，化学式为高岭石构造单元中原子电荷是平衡的，化学式为高岭石构造单元中原子电荷是平衡的，化学式为AlAlAlAl4 4 4 4SiSiSiSi4 4 4 4O O O O10101010(OH)(OH)(OH)(OH)8 8 8 8。因为其单元晶层构造是由一片硅氧片和一片铝氧片组成，故因为其单元晶层构造是由一片硅氧片和一片铝氧片组成，故因为其单元晶层构造是由一片硅氧片和一片铝氧片组成，故因为其单元晶层构造是由一片硅氧片和一片铝氧片组成，故也称为也称为也称为也称为1 1 1 1：1 1 1 1型粘土矿物。型粘土矿物。型粘土矿物。型粘土矿物。
40、l l在在在在高岭石单元晶层中，一面为高岭石单元晶层中，一面为高岭石单元晶层中，一面为高岭石单元晶层中，一面为OHOHOHOH层，另一面为层，另一面为层，另一面为层，另一面为O O O O层，由于层，由于层，由于层，由于OHOHOHOH键键键键具有强极性，晶层与晶层之具有强极性，晶层与晶层之具有强极性，晶层与晶层之具有强极性，晶层与晶层之间容易形成氢键，因此，晶层之间间容易形成氢键，因此，晶层之间间容易形成氢键，因此，晶层之间间容易形成氢键，因此，晶层之间连接紧密，晶连接紧密，晶连接紧密，晶连接紧密，晶层间距仅为层间距仅为层间距仅为层间距仅为7.2107.2107.2107.210-1-1-1
41、-1nmnmnmnm，高岭石的分散度较低且，高岭石的分散度较低且，高岭石的分散度较低且，高岭石的分散度较低且性能稳定，几乎无晶格取代现象。性能稳定，几乎无晶格取代现象。性能稳定，几乎无晶格取代现象。性能稳定，几乎无晶格取代现象。2.2.几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第30页，共69页，编辑于2022年，星期一 （2 2 2 2）蒙托石蒙托石蒙托石蒙托石ll蒙托石是蒙托石是蒙托石是蒙托石是2 2 2 2：1 1 1 1型层状构造硅酸型层状构造硅酸型层状构造硅酸型层状构造硅酸盐，由盐，由盐，由盐，由两层四面体片中
42、间夹一两层四面体片中间夹一两层四面体片中间夹一两层四面体片中间夹一层八面体片层八面体片层八面体片层八面体片组成。每个四面组成。每个四面组成。每个四面组成。每个四面体尖顶均指向中央的八面体，体尖顶均指向中央的八面体，体尖顶均指向中央的八面体，体尖顶均指向中央的八面体，通过共用的氧连接成晶层。通过共用的氧连接成晶层。通过共用的氧连接成晶层。通过共用的氧连接成晶层。2.2.几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点C C间间距距第31页，共69页，编辑于2022年，星期一 （2 2）蒙托石蒙托石ll蒙托石矿物的结晶构造天蒙托石
43、矿物的结晶构造天蒙托石矿物的结晶构造天蒙托石矿物的结晶构造天然具有晶格取代的现象，然具有晶格取代的现象，然具有晶格取代的现象，然具有晶格取代的现象，晶格取代多发生在晶格取代多发生在晶格取代多发生在晶格取代多发生在八面体八面体八面体八面体片中间片中间片中间片中间，即由低价的，即由低价的，即由低价的，即由低价的FeFeFeFe2+2+2+2+、MgMgMgMg2+2+2+2+等取代高价的等取代高价的等取代高价的等取代高价的AlAlAlAl3+3+3+3+，构造构造构造构造单元层剩余电荷为单元层剩余电荷为单元层剩余电荷为单元层剩余电荷为0.20.20.20.20.60.60.60.6。2.2.几种主
44、要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点C C间间距距第32页，共69页，编辑于2022年，星期一 （2 2 2 2）蒙托石蒙托石蒙托石蒙托石 单位层间含有水分子和补单位层间含有水分子和补单位层间含有水分子和补单位层间含有水分子和补偿性阳离子偿性阳离子偿性阳离子偿性阳离子NaNaNaNa+和和和和CaCaCaCa2+2+2+2+，这些补这些补这些补这些补偿性阳离子是可以被溶液中其偿性阳离子是可以被溶液中其偿性阳离子是可以被溶液中其偿性阳离子是可以被溶液中其它阳离子交换的。它阳离子交换的。它阳离子交换的。它阳离子交换的。蒙托石
45、的阳蒙托石的阳蒙托石的阳蒙托石的阳离子交换容量为离子交换容量为离子交换容量为离子交换容量为70707070130130130130毫毫毫毫克当量克当量克当量克当量/100/100/100/100克土。克土。克土。克土。2.2.几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点C C间间距距第33页，共69页，编辑于2022年，星期一 （2 2 2 2）蒙托石蒙托石蒙托石蒙托石ll蒙托石单位晶层两面均为蒙托石单位晶层两面均为蒙托石单位晶层两面均为蒙托石单位晶层两面均为O O O O层，晶层间依靠分子间层，晶层间依靠分子间层，晶层间
46、依靠分子间层，晶层间依靠分子间力连接，引力小，连接不力连接，引力小，连接不力连接，引力小，连接不力连接，引力小，连接不紧密，水分子容易进入晶紧密，水分子容易进入晶紧密，水分子容易进入晶紧密，水分子容易进入晶层之间而发生膨胀，水化层之间而发生膨胀，水化层之间而发生膨胀，水化层之间而发生膨胀，水化分散性好，造浆能力强，分散性好，造浆能力强，分散性好，造浆能力强，分散性好，造浆能力强，是配制钻井液的好材料是配制钻井液的好材料是配制钻井液的好材料是配制钻井液的好材料。2.2.几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点C C间间距
47、距第34页，共69页，编辑于2022年，星期一 （3 3 3 3）伊利石（）伊利石（）伊利石（）伊利石（illiteilliteilliteillite）nn伊利石也称为水云母，是伊利石也称为水云母，是伊利石也称为水云母，是伊利石也称为水云母，是2 2 2 2：1 1 1 1型粘土矿物，其晶体构造与蒙型粘土矿物，其晶体构造与蒙型粘土矿物，其晶体构造与蒙型粘土矿物，其晶体构造与蒙托石类似，托石类似，托石类似，托石类似，主要区别在于晶格取代比蒙托石多。主要区别在于晶格取代比蒙托石多。主要区别在于晶格取代比蒙托石多。主要区别在于晶格取代比蒙托石多。nn取代作用主要发生在四面体中取代作用主要发生在四面
48、体中取代作用主要发生在四面体中取代作用主要发生在四面体中，铝离子取代四面体里的，铝离子取代四面体里的，铝离子取代四面体里的，铝离子取代四面体里的硅。硅。硅。硅。nn晶格取代作用也可以少量发生在八面体中，典型的是晶格取代作用也可以少量发生在八面体中，典型的是晶格取代作用也可以少量发生在八面体中，典型的是晶格取代作用也可以少量发生在八面体中，典型的是MgMgMgMg2+2+2+2+和和和和FeFeFeFe2+2+2+2+取代取代取代取代AlAlAlAl3+3+3+3+，其单位晶胞剩余电荷为其单位晶胞剩余电荷为其单位晶胞剩余电荷为其单位晶胞剩余电荷为0.60.60.60.61.01.01.01.0，
49、比蒙托石的高比蒙托石的高比蒙托石的高比蒙托石的高1 1 1 11.51.51.51.5倍，倍，倍，倍，产生的负电荷主要由产生的负电荷主要由产生的负电荷主要由产生的负电荷主要由K K K K+来平衡。来平衡。来平衡。来平衡。伊利石单位晶层间距为伊利石单位晶层间距为伊利石单位晶层间距为伊利石单位晶层间距为1010101010101010-1-1-1-1nmnmnmnm。nn 伊利石的晶格不易膨胀，水分子不易进入晶层间，也伊利石的晶格不易膨胀，水分子不易进入晶层间，也伊利石的晶格不易膨胀，水分子不易进入晶层间，也伊利石的晶格不易膨胀，水分子不易进入晶层间，也不是不是不是不是配制钻井液的好材料。配制钻
50、井液的好材料。配制钻井液的好材料。配制钻井液的好材料。2.2.几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造二、主要粘土矿物的晶体构造和特点二、主要粘土矿物的晶体构造和特点第35页，共69页，编辑于2022年，星期一粘土矿物的晶格构造和特点粘土矿物的晶格构造和特点l l伊利石伊利石伊利石伊利石uu伊利石的晶体构造和蒙脱石相类伊利石的晶体构造和蒙脱石相类伊利石的晶体构造和蒙脱石相类伊利石的晶体构造和蒙脱石相类似，不同之点在于伊利石中硅氧似，不同之点在于伊利石中硅氧似，不同之点在于伊利石中硅氧似，不同之点在于伊利石中硅氧四面体中有较多的硅被铝取代，四面体中有较多的硅被铝取代，四面体中有较多的