粘土礦物和粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)鉆井液工藝原理電子教案第二章下一內(nèi)容回主目錄返回鉆井液工藝原理電子教案—第二章粘土粘土與鉆井的關(guān)系（1）粘土作為鉆井液的重要組成成分，配漿原材料。（2）鉆井過程中井眼的穩(wěn)定性，泥頁(yè)巖的主要組成部分，75%地層為泥頁(yè)巖，90%的井壁不穩(wěn)定發(fā)生在泥頁(yè)巖。（3）油氣層的保護(hù)，粘土礦物膨脹與鉆井液配漿粘土堵塞。上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回前言（2）粘土：疏松的尚未固結(jié)成巖的以粘土礦物為主的（≥50%）沉積物。

（3）粘土巖（俗稱：泥頁(yè)巖）：粘土礦物經(jīng)沉積、固結(jié)成巖作用后成為粘土巖。

（1）粘土礦物：細(xì)分散的（≤2um）含水的鋁硅酸鹽類礦物的總稱，可進(jìn)一步分為晶質(zhì)（具有晶體結(jié)構(gòu)的）和非晶質(zhì)，自然界中所見到的粘土礦物絕大多數(shù)是晶質(zhì)的。

鉆井液工藝原理電子教案第二章第一節(jié)粘土礦物的晶體構(gòu)造上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回一、粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元1、硅氧四面體與硅氧四面體晶片

硅氧四面體：有一個(gè)硅原子與四個(gè)氧原子，硅原子在四面體的中心，氧原子在四面體的頂點(diǎn)，硅原子與各氧原子之間的距離相等，其結(jié)構(gòu)見右圖。頂氧

底氧

2、鋁氧八面體與鋁氧八面體晶片

鋁氧八面體：六個(gè)頂點(diǎn)為氫氧原子團(tuán)，鋁、鐵或鎂原子居于八面體中央(如右圖所示)。鉆井液工藝原理電子教案第二章上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回第一節(jié)粘土礦物的晶體構(gòu)造氧或羥基鋁氧八面體晶片：多個(gè)鋁氧八面體通過共用的OH連接而成的AL-O八面體網(wǎng)絡(luò)3、晶片的結(jié)合層面是O層面上是OHSi-O晶片Al-O晶片鉆井液工藝原理電子教案第二章上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回第一節(jié)粘土礦物的晶體構(gòu)造晶層：四面體晶片與八面體晶片以適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合，構(gòu)成晶層（1）1：1型晶層：由一個(gè)硅氧四面體晶片與一個(gè)鋁氧八面體晶片構(gòu)成。1、基本概念鉆井液工藝原理電子教案第二章上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回二、幾種常見粘土礦物的晶體構(gòu)造（1）晶格取代：在粘土礦物晶體中，一部分陽(yáng)離子被另外陽(yáng)離子所置換，而晶體結(jié)構(gòu)不變，產(chǎn)生過剩電荷的現(xiàn)象。Si-O四面體：Al3+取代Si4+

Al-O八面體：Mg2+、Fe2+取代Al3+粘土帶負(fù)電荷例1：蒙脫石在不發(fā)生晶格取代時(shí)，其理想結(jié)構(gòu)式為：Al4Si8O2(OH)4.nH2O蒙脫石的實(shí)際結(jié)構(gòu)式為：(1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)4.nH2O例2：伊利石在不發(fā)生晶格取代時(shí)，其理想結(jié)構(gòu)式為：Al4（Si8O20）（OH）4

伊利石的實(shí)際結(jié)構(gòu)式為：(K)xAl4(Si8-xAlx)O20(OH)202、幾種常見粘土礦物的晶體構(gòu)造（1）高嶺石①高嶺石晶體結(jié)構(gòu)示意圖②高嶺石特點(diǎn)Si-OAl-OOHOA、1：1型粘土礦物B、幾乎不存在晶格取代，負(fù)電量少C、晶層間引力以氫鍵為主，引力強(qiáng)，晶層間距C=7.2?問題：高嶺石屬非膨脹性粘土礦物，為什么？高嶺石上下相臨的層面，一面為OH面，另一面為O面，而O與OH很容易形成氫鍵，層間引力較強(qiáng)，晶層間連接緊密，水分子不易進(jìn)入晶層。D、C.E.C低（3-15mmol/100g)在三種常見的粘土礦物中，高嶺石的Ｃ.E.C最低。原因在于高嶺石幾乎不存在晶格取代，所以帶負(fù)電荷很少，周圍吸附的陽(yáng)離子數(shù)目少，可發(fā)生交換的陽(yáng)離子數(shù)目就更少了，所以C.E.C小。Ｅ、造漿率低高嶺石晶層間以氫鍵為主，引力較強(qiáng)，晶層間連接緊密，水分子不易進(jìn)入晶層間，水化作用僅限于外表面，故水化分散能力差，造漿率低。②蒙脫石特點(diǎn)A、2：1型粘土礦物B、存在晶格取代，取代位置主要在AL-O八面體中，即AL3+被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，產(chǎn)生的負(fù)電荷由等量的Na+或Ca2+來(lái)平衡。C、晶層間引力以分子間力為主，引力弱，晶層間距C=9.6?-40?，屬膨脹型粘土礦物，為什么？◆蒙脫石上下相臨的層面皆為O面，晶層間引力以分子間力為主，層間引力較弱，水分子易進(jìn)入晶層。◆蒙脫石由于晶格取代產(chǎn)生較多的負(fù)電荷，在它周圍必然會(huì)吸附等電量的陽(yáng)離子，水化陽(yáng)離子給粘土帶來(lái)厚的水化膜，使蒙脫石膨脹。D、C.E.C大（70-130mmol/100g土)

Ｅ、造漿率高◆蒙脫石晶層間引力以分子間力為主，層間引力較弱，水分子易進(jìn)入晶層，引起蒙脫石水化膨脹。◆蒙脫石負(fù)電荷多，吸附陽(yáng)離子數(shù)量，水化陽(yáng)離子給粘土帶來(lái)厚的水化膜，使蒙脫石水化膨脹。因?yàn)槊擅撌哂泻軓?qiáng)的水化膨脹能力，造漿率高，所以它是鉆井泥漿的主要配漿材料。原因在于蒙脫石存在晶格取代，所以帶負(fù)電荷較多，周圍吸附的陽(yáng)離子數(shù)目較多，可發(fā)生交換的陽(yáng)離子數(shù)目多，所以C.E.C大。（3）伊利石

①伊利石晶體結(jié)構(gòu)示意圖?由于伊利石取代位置主要在Si-O四面體中，產(chǎn)生的負(fù)電荷離晶層表面近，與吸附的K+產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電力，層間引力較強(qiáng)，水分子不易進(jìn)入晶層.?K+的大小剛好嵌入相鄰晶層間的氧原子網(wǎng)格形成的空穴中，周圍有12個(gè)氧與它配伍，起到連接作用，水分子不易進(jìn)入晶層；D、C.E.C大介于高嶺石與蒙脫石之間（20-40mmol/100g土)

?蒙脫石由于晶格取代作用產(chǎn)生的負(fù)電荷由K+來(lái)平衡，由于蒙脫石取代位置主要在Si-O四面體中，產(chǎn)生的負(fù)電荷離晶層表面近，故與K+產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電力，K+不易交換下來(lái)。?

K+的大小剛好嵌入相鄰晶層間的氧原子網(wǎng)格形成的空穴中，起到連接作用，周圍有12個(gè)氧與它配伍，因此，K+連接通常非常牢固，不易交換下來(lái)。Ｅ、造漿率低一般情況下，隨著地層深度的增加，伊利石含量增加蒙脫石含量減少，因此，下部地層縮徑現(xiàn)象少，以剝落掉塊、坍塌為主。

鉆井液工藝原理電子教案第二章上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回第二節(jié)粘土的性質(zhì)一、帶電性前言?定義：指粘土礦物在與水接觸時(shí)的帶電符號(hào)和帶電量?粘土帶電性驗(yàn)證：電泳實(shí)驗(yàn)（粘土在水中移向正極，帶負(fù)電荷）

3、吸附吸附負(fù)電性離子（OH-、SiO32-）：使粘土負(fù)電性增加吸附正電性離子（NW-1）：使粘土負(fù)電性減少分類粘土礦物帶電量粘土帶電量通常用C.E.C表示，C.E.C越大，說(shuō)明粘土所帶負(fù)電荷越多，三種常見粘土礦物的C.E.C大致如下。礦物名稱C.E.C高嶺石3-15蒙脫石70-130伊利石20-40思考題：為什么伊利石單位晶胞所帶負(fù)電荷比蒙脫石多，而C.E.C卻比蒙脫石小？CEC：pH值等于7的水溶液中1千克粘土中可被交換出來(lái)的陽(yáng)離子電荷總數(shù)。

常見粘土礦物帶電性區(qū)別礦物名稱帶電原因（主）電荷分布C.E.Cmmol/100g土高嶺石解離邊緣3-15蒙脫石晶格取代AL-O八面體70-130伊利石晶格取代SI-O四面體20-40影響因素：粘土類型；分散程度；CEC；pH值等

第三節(jié)粘土的水化膨脹作用一、定義水化：粘土礦物表面容易吸附較多水分子的特性。膨脹：粘土吸水后體積增大的性質(zhì)。膨脹性是衡量粘土親水性的指標(biāo)，親水性越強(qiáng)，吸水量越大，水化膨脹越厲害。鉆井液工藝原理電子教案第二章上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回二、粘土的水化膨脹性二、水化膨脹機(jī)理

各種粘土都會(huì)吸水膨脹，只是不同的粘土礦物水化膨脹的程度不同而已。粘土水化膨脹受三種力制約：表面水化力、滲透水化力和毛細(xì)管作用。(1)表面水化

①定義：由粘土晶體表面直接吸附水分子和通過所吸附的可交換性陽(yáng)離子間接吸附水分子而導(dǎo)致的水化。

②表面水化機(jī)理

直接水化：粘土表面上的H+和OH-通過氫鍵吸附水分子間接水化：通過所吸附的可交換性陽(yáng)離子間接吸附水分子

(2)滲透水化

①定義：由于晶層間陽(yáng)離子濃度大于溶液內(nèi)部的陽(yáng)離子濃度，因而發(fā)生水的濃差擴(kuò)散，使水進(jìn)入晶層.

②作用機(jī)理：濃差擴(kuò)散二、粘土的水化膨脹性上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回?cái)U(kuò)散雙電層的形成：+滑動(dòng)面吸附的可交換陽(yáng)離子解離,形成擴(kuò)散雙電層,產(chǎn)生負(fù)電性,晶層間相互排斥,間距增大,表現(xiàn)出膨脹性水(3)粘土的膨脹膨脹后分散二、粘土的水化膨脹性上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回(4)評(píng)價(jià)方法：吸水量法和膨脹量法吸水量：總吸水量，單位重量土吸附水的總量（重量或質(zhì)量）；比親水量：?jiǎn)挝槐砻娣e吸水量（相當(dāng)于表面水化膜厚度）。

泥頁(yè)巖比親水量界面物理化學(xué)含義示意圖

二、粘土的水化膨脹性上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回膨脹量：?jiǎn)挝恢亓空惩恋呐蛎涹w積（體積不受限制），另外一種表示方法水化應(yīng)力，即體積保持不變時(shí)，泥頁(yè)巖水化所產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)。

123傳感器二、粘土的水化膨脹性上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回（5）粘土礦物水化膨脹的影響因素a.

粘土的帶電量，增加，膨脹性增大b.

粘土礦物種類，蒙脫石>伊利石>高嶺石c.

粘土礦物補(bǔ)償（可交換）陽(yáng)離子種類有關(guān)，如鈣土（Ca2+）晶層間距最大可達(dá)1.7nm，而鈉土（Na+）晶層間距可達(dá)4nm。d.

溶液中的離子濃度，離子濃度增加，嚴(yán)重壓縮雙電層結(jié)果：

e.

溫度、濕度等條件有關(guān)二、粘土的水化膨脹性上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回第三節(jié)粘土的水化膨脹作用鉆井液工藝原理電子教案第二章上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回三、粘土的吸附性1、吸附：物質(zhì)在兩相界面上自動(dòng)濃集(界面濃度大于內(nèi)部濃度）的現(xiàn)象。吸附質(zhì)：被吸附的物質(zhì)（鉆井液處理劑）吸附劑：吸附吸附質(zhì)的物質(zhì)（粘土）物理吸附：范德華引力引起，一般無(wú)選擇性，吸附熱較小，容易脫附2、吸附分類化學(xué)吸附：化學(xué)鍵力引起，具有選擇性，吸附熱較大，不易脫附。例：陰離子和非離子處理劑在粘土上的吸附例：陽(yáng)離子處理劑在粘土上的吸附（1）離子交換吸附粘土礦物表面上離子（通常為補(bǔ)償性陽(yáng)離子）與溶液中同號(hào)離子間的交換作用。如自然界中的膨潤(rùn)土（即蒙脫土）絕大多數(shù)為鈣蒙脫土，可轉(zhuǎn)化為鈉蒙脫土，Ca2+土+Na2CO32Na+土+CaCO3（2）特點(diǎn)同號(hào)、等電量、可逆（3）影響因素a.離子價(jià)數(shù)離子價(jià)數(shù)越大越容易發(fā)生離子交換b.離子半徑離子半徑越大離子水化半徑越小，離子的吸附性越強(qiáng)交換能力越大，通常離子的交換能力由弱到強(qiáng)的排列順序?yàn)長(zhǎng)i+<Na+<K+(NH4+)<Mg2+<Ca2+<Ba2+<Al3+<Fe3+<H+c.離子濃度

離子濃度越大交換能力越強(qiáng)

三、粘土的吸附性上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回四、粘土的凝聚性（1）概念：粘土礦物（顆粒）在水分散體系狀態(tài)下，通過不同的聯(lián)結(jié)方式產(chǎn)生絮凝或聚結(jié)（集）的現(xiàn)象。粘土顆粒的聯(lián)結(jié)：絮凝和聚結(jié)（集）（2）粘土顆粒聯(lián)結(jié)方式

上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回（3）粘土顆粒在水分散體系中的存在狀態(tài)粘土顆粒的存在狀態(tài)決定了粘土懸浮體系的流變性和濾失造壁性（8種）四、粘土的凝聚性粘土顆粒的存在狀態(tài)上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回試驗(yàn)：淡水泥漿鈣侵后，失水增大，產(chǎn)生絮凝，粘土顆粒逐漸增大，進(jìn)一步增加鈣離子濃度，最終破壞粘土顆粒的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，形成水土分離的現(xiàn)象。

四、粘土的凝聚性上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回第三節(jié)粘土的水化膨脹作用鉆井液工藝原理電子教案第二章上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回第三節(jié)粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)一、基本概念

1.相：物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)都完全相同的均勻部分。體系中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的相，稱為多相體系.2.相界面：相與相之間的接觸面稱為相界面.3.分散相在多相分散體系中，被分散的物質(zhì).4.分散介質(zhì)：在多相分散體系中，包圍分散相的另一相.例如:水基鉆井液中，粘土分散在水中，粘土為分散相，水為分散介質(zhì).5.分散度和比表面

分散度D：分散程度的量度，通常用分散相顆粒平均直徑或長(zhǎng)度a的倒數(shù)來(lái)表示。D=1／a比表面S比：物質(zhì)分散度的另一種量度，其數(shù)值等于全部分散相顆粒的總面積S與總質(zhì)量m(或總體積v)之比S比＝S／vm-1S比＝S／mm2／kg細(xì)分散體系：S比≥104m2／kg；a=1nm-1um分散體系粗分散體系。S比≤104m2／kg；a=1-40um上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回第三節(jié)粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)二、膠體的基本性質(zhì)1、

擴(kuò)散和布朗運(yùn)動(dòng)（1）擴(kuò)散擴(kuò)散是物質(zhì)由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域自發(fā)運(yùn)移的過程，它是熱力學(xué)第二定律的必然結(jié)果，即均勻分布時(shí)體系的熵值最大。擴(kuò)散作用不僅存在于膠體體系中，在其他領(lǐng)域如工程、物理、生理等很多領(lǐng)域也具有很大的重要性。擴(kuò)散定律：Fick第一定律和第二定律Fick第一定律：擴(kuò)散與熱傳導(dǎo)相似，沿著某一方向（x方向）發(fā)生擴(kuò)散時(shí)，在dt時(shí)間內(nèi)經(jīng)過截面積A的物質(zhì)量dm可以表達(dá)為上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回第三節(jié)粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)其中：D稱為擴(kuò)散系數(shù)，其物理意義是：?jiǎn)挝粷舛忍荻认拢趩挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)單位截面積的溶質(zhì)量，表示物質(zhì)的擴(kuò)散能力，單位m2s-1，式中右方符號(hào)為負(fù)，表示物質(zhì)自高濃度向低濃度移動(dòng)。

Fick第一擴(kuò)散定律指出濃度的存在是發(fā)生擴(kuò)散作用的前提。Fick第二定律則是討論擴(kuò)散方向上一定位置處的濃度隨時(shí)間的變化情況，表達(dá)式它可以在第一定律的基礎(chǔ)上，根據(jù)物料平衡（質(zhì)量守恒定律）推導(dǎo)出來(lái)，但對(duì)于大多數(shù)體系來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散系數(shù)D，特別是線型大分子溶液的D是濃度的函數(shù)，因此，上式應(yīng)該寫成（2）布朗運(yùn)動(dòng)膠體粒子在溶液中的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，1826年英國(guó)植物學(xué)家Brown將花粉懸浮于水中，并在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)的。膠體顆粒的運(yùn)動(dòng)看似不規(guī)則，實(shí)際上與擴(kuò)散存在著內(nèi)在的聯(lián)系，可以通過著名的愛因斯坦（Einstein）布朗運(yùn)動(dòng)公式看出或

可以看出，布朗運(yùn)動(dòng)的平均位移與時(shí)間1/2次方（t1/2）成正比，還和擴(kuò)散系數(shù)D1/2成正比，該式說(shuō)明擴(kuò)散是布朗運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，而布朗運(yùn)動(dòng)是擴(kuò)散的微觀基礎(chǔ)。根據(jù)上式，我們可以求出質(zhì)點(diǎn)在某一位置向另一位置移動(dòng)的平均速率（）：擴(kuò)散的應(yīng)用，例如可以計(jì)算球形質(zhì)點(diǎn)的半徑、非球形質(zhì)點(diǎn)的軸比值（橢球體長(zhǎng)短軸之比）等，在此不再詳細(xì)展開。

2、沉降與沉降平衡

膠體質(zhì)點(diǎn)在外力場(chǎng)（重力場(chǎng)）中的定向運(yùn)動(dòng)，稱為沉降運(yùn)動(dòng)。如鉆井液中的粘土顆粒在重力場(chǎng)的作用下，粒子沉降，下部粒子濃度增加，上部濃度降低，破壞了膠體體系的均勻性，又引起擴(kuò)散作用，即下部較濃粒子向上運(yùn)動(dòng)，使體系濃度趨于均勻，因此，沉降作用和擴(kuò)散作用是一對(duì)矛盾體的兩個(gè)方面。

質(zhì)點(diǎn)與介質(zhì)之間存在密度差時(shí)，懸浮在介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)在重力場(chǎng)的作用下將受到一凈力（即介質(zhì)的浮力作用）V(ρ-ρ0)g的作用，其中，V質(zhì)點(diǎn)體積，ρ和ρ0分別表示質(zhì)點(diǎn)和介質(zhì)的密度，g為中力加速度。在該力的作用下，視質(zhì)點(diǎn)與介質(zhì)密度的相對(duì)大小，將作下沉或上浮加速運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)又會(huì)受到介質(zhì)的阻力，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)速度不太大時(shí)（膠體質(zhì)點(diǎn)的沉降屬于該情形），阻力與速度成正比，比例系數(shù)f稱為阻力系數(shù)。即：F阻力=fv

隨著質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度增加，受到的阻力增大，由于沉降的驅(qū)動(dòng)力一定（重力與浮力的差值），故在某一速度值二者達(dá)到平衡。V(ρ-ρ0)g=fv此時(shí)，質(zhì)點(diǎn)受到的凈力為零，因此保持恒速運(yùn)動(dòng)，即沉降速度。事實(shí)上，質(zhì)點(diǎn)達(dá)到恒定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間非常短，一般只需要幾個(gè)us到幾個(gè)ms之間。對(duì)于球形質(zhì)點(diǎn)，下沉的重力為F1=(4/3)πr3(ρ-ρ0)g

由Stokes定律知,球形質(zhì)點(diǎn)下沉?xí)r受的阻力為F2=6πηrv當(dāng)F1=F2，粒子勻速下沉所以v=(2r2/9η)(ρ-ρ0)g球形質(zhì)點(diǎn)在重力場(chǎng)作用下介質(zhì)中的沉降速度公式。

沉降公式具有以下幾個(gè)規(guī)律a.v∝r2即沉降速度與質(zhì)點(diǎn)大小有顯著依賴關(guān)系b.v∝Δρ說(shuō)明調(diào)節(jié)密度差可以控制沉降速度c.v∝1/η說(shuō)明沉降速度與介質(zhì)粘度有關(guān)，因此可以改變介質(zhì)的粘度控制質(zhì)點(diǎn)的沉降速度。注：由于我們研究的對(duì)象主要針對(duì)鉆井液，且受力場(chǎng)也主要為重力場(chǎng)，所以氣溶膠的沉降和擴(kuò)散現(xiàn)象，質(zhì)點(diǎn)在離心場(chǎng)中的沉降等內(nèi)容我們不再展開。3、

膠體質(zhì)點(diǎn)周圍的雙電層和電動(dòng)電位（1）電泳、電滲、電動(dòng)電位和沉降電位質(zhì)點(diǎn)表面帶電是膠體的重要性質(zhì)，電動(dòng)現(xiàn)象則是膠體質(zhì)點(diǎn)表面帶電的直接表現(xiàn)。粘土顆粒表面帶負(fù)電。膠體表面帶電是憎液膠體，它是特別是以水為分散介質(zhì)的憎液膠體得以穩(wěn)定的重要原因之一。膠體穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)規(guī)律主要基于雙電層相互作用的DLVO理論和大分子保護(hù)層的空間穩(wěn)定理論。膠體的電動(dòng)現(xiàn)象包括電泳、電滲、電動(dòng)電位與沉降電位的產(chǎn)生。

電泳是在外加電場(chǎng)的作用下，帶電的膠體粒子在分散介質(zhì)中，向與其本身電性相反的電極移動(dòng)的現(xiàn)象。電滲是在外加電場(chǎng)的作用下，液體對(duì)固定的帶電粒子的固體表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。電泳觀察到的是質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，而電滲則是固體不動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)。由此，在外力作用下使固液兩相發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，由于正負(fù)電荷的分布不均，兩相間就會(huì)產(chǎn)生電位，稱之為電動(dòng)電位（電勢(shì)）。而膠體顆粒由于重力作用而在介質(zhì)中下沉所產(chǎn)生的電位，稱為沉降電位（電勢(shì)）。（2）擴(kuò)散雙電層1924年，Stern提出了較為完善的擴(kuò)散雙電層理論：從能量最低原則考慮，質(zhì)點(diǎn)表面的電荷不會(huì)聚在一起，而是分布在整個(gè)質(zhì)點(diǎn)表面，質(zhì)點(diǎn)和介質(zhì)作為一個(gè)整體是電中性的，因此質(zhì)點(diǎn)周圍的介質(zhì)中勢(shì)必分布著與質(zhì)點(diǎn)粒子電荷數(shù)相等的反離子，于是在質(zhì)點(diǎn)表面電荷與周圍介質(zhì)的反離子的固液界面之間就形成了雙電層。雙電層中的反離子一方面受到固體表面電荷的吸引，靠近固體邊面，另一方面，由于反離子的熱運(yùn)動(dòng)，又有擴(kuò)散到液體內(nèi)部去的能力，這兩種相反作用的結(jié)果，使得反離子擴(kuò)散地分布在質(zhì)點(diǎn)顆粒的周圍，形成擴(kuò)散雙電層。在擴(kuò)散雙電層中反離子的分布是不均勻的，靠近固體表面處密度高，形成緊密層（吸附層）。擴(kuò)散雙電層的距離有多大：帶電質(zhì)點(diǎn)表面吸附的反離子，隨著與固體界面的距離增加分布逐漸減少，到了質(zhì)點(diǎn)電荷電力線所不能及的距離處，反離子電荷分布為零（此時(shí)，溶液是均勻的），從固體表面到反離子為零處的這一層稱為擴(kuò)散雙電層。比如說(shuō)，粘土顆粒表面帶負(fù)電，則周圍吸附的反離子為正離子，靠近粘土表面的這一層，成為吸附層，從粘土顆粒表面到正離子分布為零處，成為擴(kuò)散雙電層。

因?yàn)榉措x子在溶劑中被溶劑化（如離子的水化），固體表面緊密連接著的部分反離子構(gòu)成的緊密層也叫吸附溶劑化層，其與反離子連同其溶劑化殼擴(kuò)散的分布在介質(zhì)中，構(gòu)成擴(kuò)散層。當(dāng)膠粒運(yùn)動(dòng)時(shí)，界面上的吸附溶劑化層隨著一起運(yùn)動(dòng)，與外層分開。吸附溶劑化層與外層錯(cuò)開的界面稱為滑動(dòng)面。從吸附溶劑化層界面（滑動(dòng)面）到均勻液相內(nèi)的電位，稱為電動(dòng)電位（或ζ電位）；從固體表面到均勻液相內(nèi)的電位，稱為熱力學(xué)電位（表面電位）。熱力學(xué)電位取決于固體表面所帶的總電荷，而ζ電位則取決于固體表面電荷與吸附溶劑化層內(nèi)反離子電荷之差。

（3）粘土溶膠、懸浮體雙電層的特點(diǎn)由于粘土顆粒在水中成片狀，層面與端面的結(jié)構(gòu)不同，因此可以形成兩種不同的雙電層結(jié)構(gòu)，即粘土膠體雙電層的兩重性，也是與其他許多膠體的不同點(diǎn)。a.粘土層面上的雙電層結(jié)構(gòu)

在蒙脫石和伊利石的晶格里，硅氧四面體晶片中部分Si4+可被Al3+取代，鋁氧八面體晶片中部分Al3+可被Mg2+或Fe2+等取代，這種晶格取代的結(jié)果造成粘土晶格表面帶永久負(fù)電荷，于是它們就吸附等電量的陽(yáng)離子（鈉、鈣、鎂等）。將粘土放入水中，吸附陽(yáng)離子便會(huì)解離，向外擴(kuò)散，結(jié)果形成了膠粒帶負(fù)電的擴(kuò)散雙電層。粘土表面緊密的連接著一部分水分子（氫鍵連接）和部分帶水化殼的陽(yáng)離子，構(gòu)成吸附溶劑化層，其余的陽(yáng)離子帶著它們的溶劑化水?dāng)U散的分布在液相中，構(gòu)成擴(kuò)散層。

b.粘土端面上的雙電層結(jié)構(gòu)粘土礦物晶體端面上裸露的原子結(jié)構(gòu)和層面上不同，在端面上，粘土晶格中鋁氧八面體與硅氧四面體原來(lái)的鍵被斷開了。鋁氧八面體的端部表面相當(dāng)于鋁礬土[Al(OH)3]顆粒的表面。前面曾指出過，由于溶液pH的不同，它可以解離出不同的電荷，在堿性環(huán)境中，氫被解離，端面帶負(fù)電，形成的雙電層與層面上的相同；而在酸性環(huán)境中，氫氧根（OH-）被解離，端面帶正電，可以形成正溶膠形式的雙電層。硅氧四面體晶片的端面，通常由于H+離子解離而帶負(fù)電，但粘土懸浮體中往往又存在少量的Al3+離子，它可以吸附在硅氧四面體的斷鍵處，從而使之帶正電。粘土端面可以形成正溶膠形式的雙電層，與電泳試驗(yàn)觀察到的粘土顆粒帶負(fù)電并不矛盾，因?yàn)轭w粒端面所帶正電荷與層面上所帶負(fù)電荷相比，非常少，因此，就整個(gè)粘土顆粒而言，它所帶的凈電荷是負(fù)的，所以在電場(chǎng)作用下向正極移動(dòng)。

c.

擴(kuò)散層電位粘土顆粒的電動(dòng)電位前面講了，它取決于吸附溶劑化層滑動(dòng)面上的凈電荷數(shù)。擴(kuò)散層電位：距離固體表面x（x≤擴(kuò)散雙電層厚度）處的電位φ，是比較微弱的，隨著x的增大，φ成指數(shù)關(guān)系下降：其中：φ—擴(kuò)散層中任一點(diǎn)的電位；φ0—熱力學(xué)電位（表面電位）；K—德拜參數(shù)；定義：擴(kuò)散雙電層（離子氛）厚度的倒數(shù)，擴(kuò)散雙電層厚度=1/K；x—距離固體表面的距離。上式可以看出，x=1/K，φ=φ0/e；x→∞，φ→0；x=0，φ=φ0。

4、粘土-水膠體分散體系的穩(wěn)定性

膠體的穩(wěn)定與破壞是膠體化學(xué)的核心問題。膠體是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，這是因?yàn)槟z體是高度分散的多相分散體系，具有很大的比表面和表面能，根據(jù)表面能自動(dòng)下降原理，膠體質(zhì)點(diǎn)有自發(fā)聚結(jié)變大的趨勢(shì)，以降低表面能。所以膠體不同于溶液屬熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，膠體體系的穩(wěn)定是相對(duì)的、暫時(shí)的、有條件的，不穩(wěn)定是絕對(duì)的。鉆井液作為一種復(fù)雜的膠體體系，我們?cè)谄渲屑尤氲暮芏嗵幚韯┒际钦{(diào)整鉆井液性能，維護(hù)其穩(wěn)定性。

(1)名詞(2)動(dòng)力穩(wěn)定性影響因素動(dòng)力穩(wěn)定性：在重力作用下，分散相粒子是否容易下沉的性質(zhì)聚結(jié)穩(wěn)定性：分散相粒子是否容易自動(dòng)聚結(jié)變大的性質(zhì)失去聚結(jié)穩(wěn)定性失去動(dòng)力穩(wěn)定性a.重力影響b.布朗運(yùn)動(dòng)：當(dāng)顆粒直徑>5um時(shí)，就沒有布朗運(yùn)動(dòng)顆粒在液體介質(zhì)中受到的凈重力為：F1=（4/3）πr3(ρ-ρ0)gc.介質(zhì)粘度固體顆粒在液體介質(zhì)中的下沉速度為：v=2r2(ρ-ρ0)g/9?（2）聚結(jié)穩(wěn)定性影響因素3、聚結(jié)穩(wěn)定性影響因素

（1）粒子間作用力引力：范德華引力斥力靜電斥力（擴(kuò)散雙電層）水化膜斥力（水分子在粒子周圍定向排列）①電解質(zhì)濃度②反離子價(jià)數(shù)③反離子直徑壓縮擴(kuò)散雙電層負(fù)電性斥力壓縮擴(kuò)散雙電層負(fù)電性斥力水化半徑越容易靠近粒子壓縮擴(kuò)散雙電層負(fù)電性斥力（3）靜電穩(wěn)定理論：膠體質(zhì)點(diǎn)之間存在著VanderWaals（范德華引力、范氏力）吸引作用，而質(zhì)點(diǎn)在相互接近時(shí)，又因?yàn)殡p電層的重疊而產(chǎn)生靜電排斥作用，膠體的穩(wěn)定性就取決于質(zhì)點(diǎn)之間吸引力與排斥力作用的相對(duì)大小。20世紀(jì)40年代，由前蘇聯(lián)科學(xué)家Derjaguin、Landau和荷蘭科學(xué)家Verwey、Overbeek提出了關(guān)于各種形狀質(zhì)點(diǎn)之間的相互吸引能與雙電層排斥能的計(jì)算方法，并據(jù)此對(duì)憎液膠體的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量處理，此即為膠體穩(wěn)定性的DLVO理論。它是目前對(duì)膠體穩(wěn)定性，以及電解質(zhì)對(duì)膠體穩(wěn)定性的影響解釋得比較完善的理論。如果膠體顆粒在布朗運(yùn)動(dòng)中相互碰撞時(shí)，吸力大于斥力，則膠粒聚結(jié)變大，失去聚結(jié)穩(wěn)定性，從而失去體系穩(wěn)定；反之，當(dāng)斥力大于吸力時(shí)，粒子碰撞后馬上分開，保持分散狀態(tài)，體系保持其穩(wěn)定性。

（4）兩個(gè)溶膠粒子間的吸力

溶膠粒子間的吸力實(shí)際上是范德華力，指的是以下三種涉及偶極子的長(zhǎng)程相互作用：兩個(gè)永久偶極子之間的相互作用、永久偶極子與誘導(dǎo)偶極子間的相互作用以及誘導(dǎo)偶極子之間的色散相互作用。這三種相互作用全系負(fù)值，即相互吸引，其大小與分子間距離的6次方成反比。但是溶膠粒子與單個(gè)分子不同，它是許多分子的聚集體，因此，溶膠粒子間的引力是膠體粒子中所有分子引力的總和。溶膠粒子的引力與距離的3次方成反比，屬于“遠(yuǎn)程”范德華引力，它甚至在離開顆粒表面100nm或更遠(yuǎn)的距離上仍其作用。

兩個(gè)溶膠粒子間引力的數(shù)學(xué)表達(dá)式：對(duì)于同一物質(zhì)，半徑為a的兩個(gè)球形溶膠粒子之間的引力位能（相互作用能）其中：A—哈馬克（Hamaker）常數(shù)，10-19~10-20J；H—兩球之間的最短距離。

對(duì)于兩彼此平行板膠體粒子（如粘土膠體）之間的引力位能：

其中：D—兩平行板間的距離。

以上兩式是指在真空中物質(zhì)的兩膠粒或分子在近距離時(shí)的相互作用，對(duì)于分散在介質(zhì)中的膠粒，則應(yīng)該用有效Hamaker常數(shù)來(lái)代替。如膠體顆粒1浸沒于介質(zhì)2中，則

由于

所以

可以看出，A121總是正值，即一種顆粒分散在另外介質(zhì)中，總是要相互吸引的，所以膠體是不穩(wěn)定的。另外A121總小于A11，說(shuō)明浸沒在介質(zhì)中的顆粒，相互吸引力是減弱的。

（5）膠粒間的斥力膠粒間的斥力來(lái)源于兩方面：一是靜電斥力；一是溶劑化膜（水化膜）斥力。膠粒間的靜電斥力是由擴(kuò)散雙電層引起的。布朗運(yùn)動(dòng)造成膠體粒子沿著滑動(dòng)面錯(cuò)開，使膠粒帶電，于是膠粒間產(chǎn)生靜電斥力。膠粒間靜電斥力的大小取決于電動(dòng)電勢(shì)的大小，兩個(gè)膠粒之間的靜電斥力與電動(dòng)電位的平方成正比。電動(dòng)電位的大小與擴(kuò)散雙電層中反粒子的多少、離子水化膜的厚薄密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明，在膠粒周圍，會(huì)形成一個(gè)溶劑化膜（水化膜）。對(duì)于水化膜來(lái)說(shuō)，膜中的水分子是定向排列的。當(dāng)膠體粒子相互接近時(shí)，水化膜被擠壓變形，但引起定向排列的引力力圖使水分子恢復(fù)原來(lái)的定向排列。因此水化膜表現(xiàn)為彈性，成為膠粒接近的機(jī)械阻力。另外水化膜中的水和體系中的自由水相比，有較高的粘度，從而增加了膠體粒子之間的機(jī)械阻力，這些阻力統(tǒng)稱為水化膜斥力。總之，水化膜的厚度與雙電層的厚度相當(dāng)。當(dāng)然，他還會(huì)受電解質(zhì)濃度的影響，當(dāng)電解質(zhì)濃度增大時(shí)，擴(kuò)散雙電層厚度變小，水化膜的厚度也會(huì)隨之變薄。

兩雙電層交聯(lián)區(qū)的電勢(shì)分布

（6）膠粒間吸引能與排斥能的總和溶膠粒子間的位能是吸引能與排斥能之和。即：V=VA+VR該圖表示兩個(gè)帶有相同電荷的膠粒相互趨近時(shí)，系統(tǒng)的總位能隨距離的變化規(guī)律。橫坐標(biāo)表示兩個(gè)粒子之間的距離，縱坐標(biāo)表示斥力能（正值）與吸引能（負(fù)值），VR表示斥力能曲線，VA表示吸引能曲線，B表示總位能曲線。兩個(gè)膠體粒子由遠(yuǎn)及近，由于斥力能的作用稍遠(yuǎn)，而引力能的作用范圍較小，當(dāng)離子氛尚未重疊時(shí)，粒子間的“遠(yuǎn)程”引力能在起作用，即吸引能占優(yōu)勢(shì)，曲線在橫軸以下，總位能為負(fù)值，出現(xiàn)第二極小值，粒子之間開始絮凝；隨著距離逐漸縮小，離子氛（擴(kuò)散雙電層）重疊，斥力能逐漸起作用，總位能逐漸上升為正值。當(dāng)兩個(gè)膠粒靠近到一定距離時(shí)，總位能達(dá)到最大，出現(xiàn)一個(gè)斥能峰（勢(shì)壘）E0，只有粒子的動(dòng)能超過這一點(diǎn)時(shí)才能聚沉，因此該斥能峰往往是溶膠穩(wěn)定性的標(biāo)志。越過該點(diǎn)引力隨著距離的減小而迅速增加，總位能迅速減小，出現(xiàn)第一極小值，粒子發(fā)生聚結(jié)。

膠體粒子間的作用位能與其距離的關(guān)系由上可以看出，絮凝和聚結(jié)是兩個(gè)不同的概念。膠粒處于第二極小值時(shí)，表現(xiàn)為絮凝狀態(tài)，絮凝時(shí)顆粒間的連接力較弱，可迅速散凝，是可逆的。膠粒處于第一極小值范圍時(shí)，表現(xiàn)為聚結(jié)狀態(tài)，它是不可逆的（分散）。

（7）影響聚結(jié)穩(wěn)定性的因素膠體粒子之間的引力能是永恒存在的，當(dāng)膠體粒子處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，引力能被斥力能所抵消而已。一般說(shuō)來(lái)，外界因素很難改變吸引力的大小，但要改變分散介質(zhì)中的電解質(zhì)濃度和價(jià)態(tài)勢(shì)比較簡(jiǎn)單的，而這也是影響膠粒之間斥力能的主要因素。a.電解質(zhì)濃度的影響

電解質(zhì)濃度對(duì)電動(dòng)電位的影響

在低、中等濃度電解質(zhì)存在時(shí)，總位能存在一個(gè)最大值，隨著電解質(zhì)濃度的升高，斥能峰（勢(shì)壘）逐漸降低，當(dāng)電解質(zhì)濃度非常高時(shí)，除膠體粒子非常靠近的距離處，其他任何距離上都是吸引能占優(yōu)勢(shì)，因此，膠體顆粒在這種情況下，會(huì)迅速聚結(jié)。而中等電解質(zhì)濃度條件下，由于“遠(yuǎn)程”斥能的作用，聚結(jié)過程會(huì)大大延緩，低電解質(zhì)濃度條件下，由于存在明顯的“遠(yuǎn)程”

斥力作用，居結(jié)果成往往會(huì)很慢。

b.反粒子價(jià)數(shù)的影響電解質(zhì)對(duì)溶膠聚結(jié)穩(wěn)定性的影響通常用聚沉值和聚沉率兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行定量描述。聚沉值（臨界聚沉濃度）：能夠使溶膠發(fā)生聚沉的最低電解質(zhì)濃度。由于各種電解質(zhì)的正負(fù)離子不同、離子價(jià)數(shù)不同，所以各種電解質(zhì)的聚沉值不同。另外聚沉值還與溶膠的性質(zhì)、含量、介質(zhì)的性質(zhì)以及溫度、pH值等因素有關(guān)，因此它只是一個(gè)相對(duì)值。但是如果條件上述條件確定的話，電解質(zhì)對(duì)某一溶膠的聚沉值就是一定的。因此，聚沉值可以這樣描述，在指定條件下，能夠使膠體發(fā)生明顯聚沉現(xiàn)象的最低電解質(zhì)濃度，單位：mmol/l。聚沉值越小，電解質(zhì)的聚沉能力越強(qiáng)。

聚沉率：聚沉值的倒數(shù)。聚沉濾越大，電解質(zhì)的聚沉能力越強(qiáng)。舒采-哈迪（Schulze-Hardy）規(guī)則：分別研究了電解質(zhì)對(duì)不同溶膠的聚沉值，結(jié)果表明，電解質(zhì)中起聚沉作用的主要是與膠粒帶相反電荷的反離子，反離子價(jià)數(shù)越高，聚沉值越小，聚沉率就越大。實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的規(guī)律：M+：M2+：M3+=100：1.6：0.3=(1/1)6：(1/2)6：(1/3)6括弧中的分母表示反離子的價(jià)數(shù)，即電解質(zhì)的聚沉值與反離子價(jià)數(shù)的6次方成反比，這個(gè)規(guī)律稱為舒采-哈迪（Schulze-Hardy）規(guī)則。

c.反離子大小的影響同價(jià)離子的聚沉率相近，但仍存在一定差別，特別是一價(jià)離子的差別比較明顯，按各離子聚沉能力進(jìn)行排序，一價(jià)陽(yáng)離子的排列順序?yàn)椋篐+>Cs+>Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+一價(jià)陰離子的排列順序?yàn)椋篎->IO3->H2PO4->BrO3->Cl->ClO3->Br->I->CNS-同價(jià)離子聚沉能力的次序稱為感膠離子序，與水化離子半徑從小到大的次序大致相同，主要原因可能是水化離子半徑越小，越容易靠近膠體離子。為什么沒有高價(jià)離子的感膠離子序呢？這主要是因?yàn)椋瑢?duì)于高價(jià)離子而言，離子價(jià)數(shù)是影響電解質(zhì)聚沉能力的主要因素，而離子的大小則相對(duì)不太明顯。電解質(zhì)聚沉值與離子價(jià)數(shù)的6次方成正比。d.同號(hào)離子的影響與膠粒所帶電荷相同的離子稱為同號(hào)離子，一般說(shuō)來(lái)，它們對(duì)膠體具有一定的穩(wěn)定作用，可以降低反離子的聚沉能力，但有機(jī)高聚物（聚電解質(zhì)）除外，即使與膠粒帶電相同，也能被膠粒所吸附。e.相互聚沉現(xiàn)象一般情況下，帶相同電荷的兩種溶膠混合后不會(huì)發(fā)生變化（當(dāng)然也有例外），若將兩種相反電荷的溶膠混合，則會(huì)發(fā)生聚沉現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為相互聚沉或互沉。聚沉的程度與兩膠體的比例有關(guān)，在等電點(diǎn)附近聚沉最完全；兩膠體比例相差較大時(shí)，則沉淀不完全。一般解釋是兩種膠體上的電荷相互中和，但不夠完整，因?yàn)槌穗娦灾泻鸵酝猓瑑煞N膠體上的穩(wěn)定劑也可能相互作用形成沉淀，從而破壞了膠體的穩(wěn)定性。穩(wěn)定劑一種穩(wěn)定正離子，一種穩(wěn)定負(fù)離子，本身的性質(zhì)是截然相反的，因此，穩(wěn)定劑也可能相互作用形成沉淀。例如：工業(yè)上污水處理，經(jīng)常就使用明礬（氫氧化鋁的結(jié)晶體），由于水中懸浮物一般帶負(fù)電，而明礬的水解產(chǎn)物Al(OH)3帶正電，兩種帶電相反的膠體就會(huì)相互吸引而聚沉，從而達(dá)到凈水的效果。

5、