钻井液

摘  要：粘土主要是由粘土矿物（含水的银准液热）组成。粘土矿物的种类很多，不同粘土矿物有不同的晶体构造及特占，但其晶体都是由两种基本构造单元组成的。

关键词：粘土;粘土矿物;晶体构造

一、粘土晶体构造中的基本单元

1.面硅氧四面体。每个四面休中都有个硅原子 与四个领原子以相等的原离相连， 硅在四面体的中心，四个领原子（或氢机）在四面体的项点。

2.铝氧八面体。铝原子处于八面体的中心，与上面和下面的各三个氧原子或氢氧形成一个正八面体。

3.晶片的结合。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通过共用的氧原子连接在一起。当只有一片四面体晶片和一片八面体晶片时， 四面体以相同的方式连接到八面体上。因此，氧的六角环网络只是暴露在一一个层面上。 当有两个硅氧四面体晶片和一一个铝氧八面体晶片时，八面体夹在四面体中间，四面体顶点朝内，其顶点的氧原子与八面体共用，八面体原来的氢氧根中有两个被共用的氧原子取代了。在这种情况下，氧的六角环网络暴露在晶层的上下表面上。

4.高岭石的晶体结构

高岭石晶体由一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成。四面体片的顶尖都朝着八面体片，二者由共用的氧原子和氢氧原子团联结在起。由于它是由一个硅氧四面体片和一个 铝氧八面体片组成，所以称高岭石为1： 1型粘土矿物。高岭石单元晶层，一面为OH层，另一面为0层，片与片之间易形成氢键，晶层之间联结紧密，故高岭石的分散度低。高岭石晶格中几乎没有晶格取代现象，它的电荷是平衡的，因此高岭石电性微弱。这些特点决定了高岭石水化很差。油气层中商岭石颗粒大而附着力弱，常常固运移堵塞孔喉而降低渗透率。

5.蒙脱石的晶体结构

蒙脱石是由上下两个硅氧四面体片中间夹一层铝氧八面本片组成，硅氧四面体的尖项朝向铝氧八面体，铝氧八面体片和上下两层硅氧四面体片通过共用氧原子和氢氧联结形成紧密的晶层，因此称为2：1型。在铝氧人面体中，有部分AIP被Mg2或Fet取代，四面体中的Si+也有少量被AIP+取代，这样就使蒙脱石的晶格显负电性，这种现象称为晶格取代现象。蒙脱石晶层上下皆为氧原子层，各晶层间以分子力联结，联结力弱。蒙脱石是极易水化、分散、膨胀的粘土矿物。这些特点决定了蒙脱石是配浆的好材料，但地层中蒙脱石也会因水化膨胀而造成井塌和油层损害。

6.伊利石的晶格结构

伊利石的晶体构造和蒙脱石相似，也是2：1型晶体结构，即伊利石也由两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片组成，但它们之间的区别是：伊利石的硅氧四面体中有较多的Sit+被Al3+取代，晶格出现的负电荷主要由吸附在伊利石晶层表面氧分子层中的K+所中和 K+的直径为0. 266 nm，而晶层表面的氧原子六角环空穴直径为0.28 nm，因此K+正好人氧原子六角环中。由于嵌人氧层的吸附K+的作用，将伊利石的相邻二晶层拉得很紧，耳结力很强，水分不易进人层间，所以它不易膨胀。伊利石由于晶格取代显示的负电性已K+中和，K+嵌入氧原子六角环中，接近于成为晶格的组成部分，不易解离，所以与蒙脱相比伊利石电性较弱。

7.海泡石族

海泡石族包括海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石（或称山软木），它是铝和镁的含水硅酸盐，晶体构造为链状、棒状或纤维状。海泡石的晶体结构中有很大的空穴，有极大的内部表面，因 此含有较多的吸附水，而且有很高的热稳定性（350 C以上）和抗盐类污染的能力。它在淡水 和饱和盐水中的水化情況几乎-一样， 是配制深井钻井液和盐水钻井液的好材料。

8.混层粘土矿物

有些地方发现，多种不同类型的粘土矿物晶层堆叠在同粘土矿物晶体中，这类粘土矿物称为混合晶层粘土矿物，伊利石和蒙脱石混合层就是常见的混层结构。

二、粘土的吸附

钻井液中粘土颗粒和分散介质的界面上，自动浓集介质中分子或离子的现象称为粘土的吸附。由于粘士颗粒表面通常带有负电荷，因而能吸附水分子和各种水化离子，使粘土颗粒表面形成一层具有-定厚度的水化膜，这种现象称为粘土的水化作用。粘土的吸附和水化作用是使钻井液分散体系稳定的重要因素。

1、粘土颗粒表面电荷种类及原因

电泳现象证明，精题在水中通常带负电。粘土的电荷是使粘土具有一系列电化学性街的上北相三种刚时对桃土的各种性质都发生影响。格的电有可分方水久电称出您资电荷和正电荷三种。

（1）永久电荷。它是由于粘土在自然界形成时发生晶格取代所产生的。例如，si- 0四面体中Sit被AI所代替，或A1I-O八面体中的AIP+被Fe+t或Mg*t等取代，就产生了过剩的负电荷。这种负电荷的数量取决于晶格取代的多少，而不受pH值的影响，因此称为永久负电荷。

（2）可变负电荷。在粘土晶体的断键边缘上有很多裸露的Al- -OH 键，其中OH中的H在碱性条件下解离，会使粘土负电荷过剩。另外，粘土晶体的边面上吸附了OH，SiO32-等无机离子或吸附了有机阴离子电解质也使粘土带负电。由于这种负电荷的数量随介质的pH值而改变，故称为可变负电荷。

2、粘土的吸附性能

吸附现象在钻井液中是经常发生的，化学处理剂改善钻井液性能，侵人物破坏钻井液的性能都是通过吸附改变粘土表面的性质而起作用的。钻井液中粘土的吸附作用，可分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三种。

（1）物理吸附。物理吸附是靠吸附剂和吸附质之间分子间引力产生的，物理吸附是可逆 的，吸附速度与脱附速度在一定条件下呈动态平衡。

（2）化学吸附。化学吸附是靠吸附剂与吸附质之间的化学键力而产生的。例如铁铬木质素磺酸盐在粘土晶体的边缘上可以发生整合吸附。

参考文献：

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➢孙玉学等.储层损害及保护技术[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1993.

➢黄汉仁等.泥浆工艺原理[M].北京：石油工业出版社，1978.

作者简介：

王喆（2000-11），女，汉族，黑龙江绥化人，本科学历，研究方向：石油工程、哈尔滨石油学院石油工程专业 石油三班 王喆 201901140330。