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粘土矿物因吸水(溶液)而体积增大的现象,即称为粘土矿物的膨润性。粘土矿物的膨润性有内部膨润和外部膨润两种。在追加水分的条件下,水被粘土矿物吸入结构单位层之间,在水分子沿层面层层展铺叠置的同时,瞬间与粘土矿物形成平行连晶,从而使原层间距(d)扩大,此即为内部膨润;发生在粘土矿物晶粒间的膨大,是为外部膨润。
高岭石属1:1型二八面体层状硅酸盐,晶层问通过范德华力和氢键联结,晶层间联结紧密,无层间物质,晶层间距小,这类粘土矿物水化膨胀能力差。伊利石组粘土矿物的基本结构单元由两个硅氧四面体层与夹在它们之间的八面体组成。同晶置换主要发生在四面体中,由此产生的负电荷被层间K 平衡。层间K 对晶层起固着作用,与溶液中阳离子交换很难,只有外表棱角上的K 易同其他阳离子交换,但交换能力低,遇水后晶层间膨胀小。绿泥石在结构上与2:1型层状粘土相似,不同的是层间阳离子被一层八面体氢氧化物片替代,并且这个八面体片的正电荷与晶层负电荷相平衡,在2:1型晶层与氢氧化物片之间除静电引力外,还有氢氧键联结,晶层间结合紧密,遇水后水化膨胀能力弱。
蒙脱石的基本结构单元与伊利石相似,属2:1型,其差异在于蒙脱石层间电荷比伊利石少,层间阳离子不是K ,而是Ca ,Mg2 、Na 等交换性阳离子。交换性阳离子与晶层通过静电引力联结,联结弱,易被置换,水和其他极性分子能够渗入结构单位层之间,并引起晶格沿纵轴方向膨胀。特别是Na 为其主要吸附的阳离子时,吸水后有较高的水化膨胀性能,其晶层轴间距可达40A。。
地层中粘土矿物由很小的结晶颗粒组成,根据晶体结构可以分成几组粘土矿物。对石油工业有重要意义的粘土矿物主要有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石以及这些矿物组成的混层矿物,这些矿物属于含水层状硅酸盐,其主要构造单元为二维排列的硅氧四面体和二维排列的铝或镁-氧-氢八面体。在粘土矿物的结构单元层中,硅氧四面体中的Si4 可能被Al3 取代,八面体中的Al3 可能被Mg2 、Fe2 取代,此时结构单元层中就出现了负电荷,为平衡多余的层电荷,必然出现层间阳离子。粘土矿物的层间阳离子有“固定的”和“可交换的”的两种类型。
粘土矿物分析是对粒径小于0.01毫米(粘土)的碎屑矿物进行定性和定量分析的方法。该种分析方法包括有:染色分析、X射线晶体结构分析、X射线衍射分析、差热分析、光谱分析、激光显微光谱分析、电子显微镜分析、...
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胶体质点的性质相似,粘土矿物的颗粒表面也是带电的,其带电原因为:
(1)因粘土矿物颗粒表面有未中和的酸基或碱基而带电,其所荷电性,视酸基或碱基而定;
(2)因结构单位层中的高价离子被低价离子类质同象代替而带电,其电性为负;
(3)因结构单位层边缘上出现的破键而带电,其电性视介质的pH值而定。
由于粘土矿物颗粒表面的这种性质,就使得它能从溶液中不仅吸附异号的无机离子,而且也可以吸附极性的有机分子。其吸附量决定于中和表面电荷所需的量,而吸附能则取决于被吸附离子的作用力场。因此,可用一种离子取代原先吸附于粘土矿物颗粒上的另一种离子,此即谓离子交换。依表面电性的不同,有阳离子和阴离子交换两种。
砂岩油层中粘土矿物对储层性质的影响
在砂岩油藏开发过程中,粘土矿物的影响越来越不容忽视。这些粘土矿物充填在砂岩孔隙空间或覆盖于岩石颗粒表面,对岩层表面和液体的吸附力、界面张力、毛管力以及润湿性,都有很大影响。尤其对注水开发的油田来说,粘土矿物常常引起储层性质、孔隙结构和水驱油效率的改变。因此,针对含不同粘土矿物的油层,采用不同的开发措施,对于保持良好的油层物性和提高采收率,关系极大。近年来,利用电子扫描显微镜观察各种粘土矿物微观存在的形态特征和分布规律,
晶体结构与晶体化学特点决定了它们的如下一些性质。①离子交换性。具有吸着某些阳离子和阴离子并保持于交换状态的特性。一般交换性阳离子是Ca2+、Mg2+、H+、K+、(NH4)+、Na+,常见的交换性阴离子是(SO4)2-、Cl-、(PO4)3-、(NO3)-。高岭石的阳离子交换容量最低,5~15毫克当量/100克;蒙脱石、蛭石的阳离子交换容量最高,100~150毫克当量/100克。产生阳离子交换性的原因是破键和晶格内类质同象置换引起的不饱和电荷需要通过吸附阳离子而取得平衡。阴离子交换则是晶格外露羟基离子的交代作用。②粘土-水系统特点。粘土矿物中的水以吸附水、层间水和结构水的形式存在。结构水只有在高温下结构破坏时才失去,但是吸附水、层间水以及海泡石结构孔洞中的沸石水都是低温水,经低温(100~150℃)加热后就可脱出,同时象蒙皂石族矿物失水后还可以复水,这是一个重要的特点。粘土矿物与水的作用所产生的膨胀性、分散和凝聚性、粘性、触变性和可塑性等特点在工业上得到广泛应用。③粘土矿物与有机质的反应特点。有些粘土矿物与有机质反应形成有机复合体,改善了它的性能,扩大了应用范围,还可作为分析鉴定矿物的依据。如蒙脱石中可交换的钙或钠被有机离子取代后形成有机复合体,使层间距离增大,从原有亲水疏油转变为亲油疏水,利用这种复合体可以制备润滑脂、油漆防沉剂和石油化工产品的添加剂。其他如蛭石、高岭石、埃洛石等也能与有机质形成复合体。此外,粘土矿物晶格内离子置换和层间水变化常影响光学性质的变化。蒙皂石族矿物中的铁、镁离子置换八面体中的铝,或者层间水分子的失去,都使折光率与双折射率增大。
粘土矿物的形成方式有3种:①与风化作用有关。风化原岩的种类和介质条件如水、气候、地貌、植被和时间等因素决定了矿物种和保存与否。②热液和温泉水作用于围岩,可以形成粘土矿物的蚀变富集带。③由沉积作用、成岩作用生成粘土矿物。
粘土矿物的粒度细小,其大小和形态需用电子显微镜才能测定。多数粘土矿物如伊利石等呈鳞片状,结晶良好的高岭石则呈完整的假六方片状。少数粘土矿物呈管状(埃洛石)或纤维状(坡缕石和海泡石)。