1）同电性离子等电量交换 例 Ca2+-2Na+
2）离子交换吸附是可逆的
粘土胶体2Na++Ca2+=粘土胶体Ca2++2Na+ 3）离子交换吸附速度慢 2.离子交换吸附的规律
1）不同价的阳离子，在其它条件相同时，离子价越高。吸附能力越强。 2）同价阳离子吸附强弱取决于离子半径和水化程度。 常见阳离子交换吸附能力强弱顺序见P13 3）离子交换吸附受离子浓度影响。 3.粘土的阳离子交换容量（CEC值） 1）定义
在PH值为7的条件下，粘土所能吸附的可交换性阳离子总量（eq/kg）
蒙脱石的补偿阳离子基本上可全部交换其CEC值可恒量其带电量和晶格取代程度，但伊利石不行。
2）影响因素 Ⅰ.粘土的本性
蒙脱石>伊利石>高岭石 Ⅱ.分散度
Ⅲ.PH值的影响
§1—4 粘土—水界面双电层
一、莱斯实验
1809年莱斯实验，通电流时，水中颗粒向阳极移动——电泳；实验表明：粘土颗粒在水中带负电。
二、粘土颗粒带电原因 1.晶格取代
2.裸露的Al—OH中的H+电离 3.吸附阴离子（以氢键吸附）
带电量的大小主要取决于晶格取代，几种粘土矿物颗粒带电量大小顺序为蒙脱石>伊利石>高岭石。
三、扩散双电层的形成
粘土颗粒表面带电性质不仅与粘土本身有关，而且与双电层有关。
粘土颗粒表面吸附的阳离子（称反离子）在水中解离，离开粘土颗粒表面，粘土颗粒带负电荷，它对阳离子又产生静电吸引，故作用在反离子的力有两种。
1.作用在反离子上的力。
（1） 扩散力——受极性水分子的影响和自身的热运动向水中扩散的力。 （2） 吸引力——带电粘土颗粒表面对反离子的静电引力。
粘土颗粒表面吸附的反离子在两种相反作用力的作用结果。使反离子扩散地分布在界面周围，构成扩散双电层。
2.扩散双电层定义
带电表面及反离子构成的电层，它们电荷相反，电量相等。
吸附层：与周面紧密连接着的一层反离子和部分水分子构成的内层。 扩散层：反离子成扩散的分布在液相内构成的外层。 滑动面：吸附层与扩散层的分界面。
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当离子移动时，界面上的吸附层随着一起移动，所以固体粒子与吸附层是一整体，称为胶粒。
胶粒：固体离子和吸附层
胶粒移动时扩散层的反离子而带负电。胶粒所带电荷所产生的电势，称为?电势（位）。?电位反映了胶粒带电的多少，?电位越小，即吸附层内反离子越多，相应地扩散层反离子少，故双电层薄，胶粒带电少。
四、电解质对?电势的影响 1.电解质挤压双电层
电解质加入后，使双电层变薄，?电势下降的现象。
2.原因
电解质加入后，溶液中反离子浓度增大，由于反离子的扩散作用和粘土颗粒的静电引力作用，导致反离子进入吸附层的机会增多，使双电层变薄，胶粒电荷减少，?电位降低。
随着电解质浓度增加，?电势逐渐下降，当电解质浓度增大到一定值时，?电势为零：?电势为零的状态称为等电态，等电态时，胶粒不带电，粘土颗粒静电斥力消失，这时粘土颗粒易发生聚结。
五、粘土平表面和端面的双电层区别 双电层类型 比较项目 带电性 平表面双电层 负电性 较高 较厚 端面双电层 正或负电性 较低 较薄 ?电势 双电层 §1—5 粘土的水化作用 粘土的水化作用直接关系水基钻井液性能及井壁稳定。 一、水化作用的意义
粘土颗粒表面吸附水分子，使其表面形成水化膜，晶层间距增大，产生膨胀乃至分散的作用。
二、粘土水化作用产生的原因及方式
1.粘土表面直接吸附水分子而水化（称直接水化） 原因：(1)降低表面能而产生吸附水分子到粘土表面。
(2)粘土带负电，而水分子是极性分子。水分子受静电引力作
用定向排列在粘土表面。定向排列的吸附水化膜，具有一定强度。 (3)粘土晶格里的氢或氢氧层通过氢键吸附水分子。
2.粘土颗粒表面间接吸附水分子水化，由于粘土带负电，表面紧密地排列着一层阳离子，这层反离子的水化给粘土表面带来水化膜。
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粘土的水化以间接水化为主，那么阳离子的水化越好，粘土的水化膜越厚。 三、影响粘土水化的因素 1.粘土的本性。 1）晶层间的联结力 2）带电量
2.补偿阳离子性质
例如：钙蒙脱石吸水膨胀后，底面间距为17A0 ，钠蒙脱石吸水膨胀后，底面间距为41A0
原因：
Na+ Ca2+ 离子半径 0.93 1.06 水化半径 7.90 10.00 带电量 ---- Na+的2倍 因而使用钙蒙脱石配浆时，要加入Na2CO3 3???Na土 Ca土?NaCO3.水溶液性质
4.温度和时间
四、粘土的水化膨胀
粘土水化膨胀分为两个阶段， 1.表面水化
水分子是向排列于晶层表面，达四个水分子层。 2.渗透水化
粘土层间离子浓度大于钻井液中离子浓度。
§1—6 粘土—水悬浮体的稳定性和聚结
粘土水分散体系的分散与聚结互相转化，常常是钻井液性能发生变化的本质，钻井液的维护与处理都是围绕这对矛盾展开的。
一、沉降稳定性及影响因素 1.沉降稳定性
分散相颗粒能克服重力的作用，所具有的稳定性。 2.影响沉降稳定性的因素
根据斯托克斯定律进行分析分散相离子所受的净重力
44???r3?g??r3?0g 下沉的阻力 F?6??ru
334匀速下沉P?F： ?r3g(???0)?6??ru
3
2r2(???0)u??g——斯托克斯定律
91.颗粒尺寸 2.分散相和分散介质的密度差
3.分散介质粘度、颗粒尺寸是关键，要保证重晶石不下沉应具有一定细度，胶体粒子尺寸小，具有沉降稳定性，但胶体粒子具有聚结不稳定性，当胶体粒子聚结变成大颗粒时就失去了沉降稳定性，因此二者互相影响的，要维持粘土颗粒的沉降稳定性，必须保证聚结稳定性。
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一、聚结稳定性及影响因素 1.聚结稳定性
分散相颗粒能克服自动聚结变大所具有的稳定性。 2.影响聚结稳定性的因素 （1）阻碍粘土聚结的因素 Ⅰ.双电层斥力
Ⅱ.水化膜弹性变形斥力 （2）引起粘土聚结的因素
Ⅰ.颗粒间的引力—各原子间的范德华力总和 Ⅱ.电解质的聚结作用 从上面分析可看出
引力：范德华力 斥力：双电层斥力，水化膜弹性斥力 引力>斥力 颗粒聚结
引力<斥力 颗粒分散具有聚结稳定性。
电解质加入后，使颗粒的水化膜变薄，?电位降低，既双电层斥力和水化膜斥力减少，从而使引力大于斥力，粘土颗粒发生聚结
一、粘土颗粒存在的状态及钻井液性能 1.分散状态
?静电斥力大（1）存在的条件?
水化膜斥力大?（2）钻井液性能：粘度大，切力较小
2.絮凝状态
发生E---E和E---F联结
钻井液性能：粘度、切力大，严重时产生凝胶丧失流动性。 产生凝胶的条件：
Ⅰ.颗粒形状高度不规则 Ⅱ.表面性质极度不均匀 Ⅲ.粒子浓度足够大。 特点：
Ⅰ.分散介质和分散相处于连续状态 Ⅱ.具有结构强度（凝胶强度） 凝胶强度取决于两个方面：
（1）单位体积内网架结构数目---粒子浓度
（2）单个网架结构强度------斥力、引力相对大小 钻井液的切力大小取决于凝胶强度 1.絮凝和聚结同时存在
发生E—E、E—F和F—F联结。发生在电解质浓度较高，土粒?电势较低，水化膜较薄情况。
钻井液性能：粘度、切力较大，土多时产生凝胶 2.聚结状态
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??电势?0（1）存在条件?
?水化膜很薄（2）钻井掖性能：粘度、切力小
Chapter two 钻井液流变学(Rheological Properties of Drilling Fluids)
钻井液流变学是研究钻井液流动特性和变形特性的科学。钻井液流变性直接关系到钻速、岩屑的悬浮和携带、泵压的高低等问题。
§2—1 液体流动的基本概念
液体与固体不同，液体具有流动性，很小的切力就使液体发生变形。 一、流变性：流体的流动特性和变形特性。 二、流速梯度
垂直流速方向上单位距离内的流速的增量。
由于液体流动时各液层的流速不同，层与层间有相对运动，流速较慢的液层要阻滞较快的液层。即流速不同的液层间存在内摩擦，即内摩擦力。
三、牛顿内摩擦定律
SVF?
XV写成等式 F??S
XFv令 ?? 得 ???
Sx若取两液层无限近的距离和相应的速度差别：???dv——称为牛顿内摩擦定律 dx四、剪切应力（?）
相邻两液层间单位面积上的内摩擦力，单位：Pa（帕） 五、粘度
单位速梯下的对应产生的剪切应力。
???dvdx 单位：pa?s，常用mpa?s。
六、流变曲线
???dvdx=tg?
显然?越大，液体的粘度越大
§2—2 液体的基本流型
1.牛顿流型
水、轻质油、低分子化合物溶液等液体属牛顿流型，它的质点，性质比较均匀，无内部网架结构，流动规律简单。
2.塑性流型
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