图4.4 蒙脱石的结构
蒙脱石矿物晶体构造的特点之一是,重叠的晶胞之间是氧层与氧层相对,其间的作用力是弱的分子间力。因而晶胞间连接不紧密,易分散成微小颗粒,甚至可以分离至一个晶胞的厚度,一般小于1μm的颗粒达50%以上。从形状上看,晶胞片的长度往往为其厚度的几十倍,是薄片状的颗粒。
蒙脱石矿物晶体构造的另一个特点是同晶置换现象很多,即铝氧八面体中的铝被镁、铁、锌等所置换,置换量可达20%～35%。硅氧四面体中的硅也可被铝所置换,置换量较小,一般小于5%。因此,蒙脱石晶胞带较多的负电荷,其阳离子交换容量大,可达80～150 meq/mL。
由于蒙脱石黏土晶胞间联系不紧密,可交换的阳离子数目多,故水分子易进入晶胞之间,黏土易水化膨胀,分散性好,造浆率高,每吨蒙脱石黏土可达12～16 m3。同时,因可以吸引较多的阳离子,故其活性大,接受处理的能力强,易改性或用化学处理剂调节泥浆性能,是优质的造浆黏土矿物。从钻孔的井壁稳定性分析,如果钻进中遇到蒙脱石类黏土或富含蒙脱石的泥质岩层时,易产生膨胀缩径甚至孔壁流散等孔内复杂情况。
（3)伊利石
伊利石又称伊利水云母,其化学式是K＜1（Al,Fe,Mg)2［（Si,Al)4 O10］［OH］2・nH2 O。伊利石的结构总体上与蒙脱石相似,即也是由两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体组成晶胞,故也是2∶1型黏土矿物。不同之处是伊利石两晶胞之间存在较多的钾离子（K+),使其性能与蒙脱石有较大差别。
伊利石晶胞之间钾离子的直径为2.66Å,与硅氧四面体六角环的空穴内径相当,故钾离子进入空穴后不易出来,它的嵌合作用使上下两层晶胞连接得很紧,水分子也难以进入其中。因此,这种黏土不易分散。
伊利石晶格内部也有同晶置换现象,如硅氧四面体中有1/6的硅（Si)可被铝（Al)置换,使晶胞呈现负电性,有一定离子交换能力,但在吸附钾离子后,由于钾离子不易电离出去,活性差,交换能力降低。由于伊利石的造浆能力低,且难以改性和用化学处理剂调节泥浆性能,一般很少用于泥浆配制。在钻进中钻到伊利石黏土或富含伊利石的泥质岩层时,不易膨胀缩径,偶有剥落掉块的可能性。
（4)海泡石
海泡石族黏土矿物的化学式是Mg8［Si12 O30］［OH］4（OH2)4・8H2 O,为含水镁铝硅酸盐,也是2∶1型黏土矿物,但颗粒的片状程度没有蒙脱石那么明显,而是呈棒状,从微观结构看属于双链状构造。在常规条件下,海泡石的造浆性能不如蒙脱石,但由于具有特殊的结构构造,使其在高温下呈现出良好的稳定性。
首先,由海泡石硅氧四面体所组成的六角环都依上下相反的方向对列,而相互间被其他的八面体所连接,因而晶体构造中有一系列的晶道,具有极大的内部表面,水分子可以进入内部孔道;其次,海泡石中的镁离子含量高,而镁离子又能束缚众多的结晶水。由于水的散热效应等,使海泡石具有较高的热稳定性,能耐260℃以上的高温,因而适于配制深井和地热井泥浆。此外,海泡石黏土具有良好的抗盐性,它在淡水和饱和盐水中的水化膨胀情况几乎一样,是配制盐水泥浆或对付盐类地层泥浆的好材料。
上述4种黏土矿物的性能比较列于表4.1中。蒙脱石是最好的泥浆配制材料;海泡石族在常温等一般条件下造浆性能比蒙脱石差,但在耐高温、抗盐侵方面具有较好的稳定性;高岭石与伊利石的造浆性能差。
表4.1 4种黏土矿物的性能比较
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