黏土矿物是含水的层状硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。其主要结构单元是硅一氧四面体和铝一氧八面体。其结构特征决定了黏土矿物遇水易膨胀分散,这是油田开发过程中黏土矿物对储层损害的本质原因。黏土矿物的水化膨胀分为表面水化和渗透膨胀两个阶段:表面水化主要是黏土晶体表面对水分子的吸附形成的多层表面水,一般不超过四层,大约10A;渗透膨胀是由于黏土晶层之间的阳离子浓度大于溶液内部而产生的浓差扩散导致水分子进入晶层,从而形成扩散双电层,在双电层斥力的作用下撑大间距使更多的水进入晶层之间。渗透膨胀引起的黏土体积增大要比表面水化膨胀大的多,大约20-25倍。黏土矿物膨胀到一定程度,就发生分散,形成更细的微粒,并随流体在地层孔隙中运移,导致喉道堵塞。影响黏土矿物膨胀运移的主要因素有:黏土的矿物成分、交换性阳离子、分散度和颗粒间结合力等。油田开发过程中,由于外来流体的矿化度与储层的黏土矿物不配伍,从而引起黏土矿物的水化膨胀和分散,导致储层渗透率降低,这称为储层的水敏性。储层的水敏性与储层中黏土矿物类型、含量、存在状态、储层物性、外来流体的矿化度大小及阳离子成分等因素有关。蒙脱石是2:1型黏土矿物,是典型的膨胀型黏土矿物,它属于层状硅酸盐晶体结构,通常由2个硅氧四面体片和1个铝氧八面体片组成。黏土矿物的膨胀和分散运移贯穿于油田开发的整个过程,对储层的产能有极大的影响,因此研究黏土矿物的抑制性,开发性能优良的黏土膨胀抑制剂,对提高油田开发效果具有重要的实际意义。 蒙脱石结构中由于同晶置换使晶层带负电荷,在层间有可交换的阳离子与之平衡,水分子通过氢键吸附于黏土表面并与可交换阳离子形成水化膜,造成蒙脱石的水化、膨胀与分散。研究发现蒙脱石膨胀机制是由水分子的两种状态竞争决定的平衡态所致,一种是水分子进入硅氧四面体组成的六角网孔隙中与铝氧八面体的OH形成氢键,另一种是水分子与硅氧四面体的氧原子形成氢键。人们对传统的黏土膨胀抑制剂K⁺的作用机理,一般解释为K⁺由于离子半径与黏土晶体的六角网半径相当而嵌入其中将水分子挤出的机制。如果这种解释是正确的,那么NH₁⁺离子半径与K⁺半径大体相当,在黏土晶层的氧原子振动过程中就有可能嵌入网眼孔穴中,而且NH₄⁺离子和K⁺离子具有相同的低水化能。由此可以推测NH₄⁺很有可能也具有很强的抑制蒙脱石水化膨胀的作用。尿素是低分子的酰胺类化合