NO822508L - Partikkel-maalingsapparat. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører måleapparater og mer pre-

sist apparater for måling av størrelsen av faste partikler som faller i et fluidum med kjent viskositet.

Det foreligger en rekke tilgjengelige.teknikker for bestemmelse av dimensjonene av små partikler. Foruten de velkjente siktéanalyser omfatter disse måling av partikler med mikro-skop, sedimenteringsteknikker, permeabilitetssystemer, ad-sorpsjon og foto-slukking". På olje- og gass-felter for. eksem-pel, oppnås måling av stein- og sandpartikler m.v. vanligvis ved at partiklene sendes gjennom en rekke sikter med for-. skjellig størrelse, slik at man får en grov kvantifisering av størrelsen av partiklene som blir holdt tilbake på hver sikt. For partikler i et mindre størrelsesområde enn fin sand eller

i andre tilfelle hvor det ønskes raskere informasjon om par-tikkelstørrelsen, har siktanalyseteknikken dog vist seg util-strekkelig, og det er ofte ønskelig å benytte seg av et eller flere av de øvrige tilgjengelige målingssystemer. De fleste sedimentære bergarter er dessuten avleiret av vann, og det er et sterkt ønske om å bruke en nær beslektet teknikk ved par-tikkelanalyse av slike bergarter.

Sedimenteringsteknikker er generelt mer pålitelige og nøyak-tige enn enkelte andre metoder for bestemmelse av størrelsen av de mindre partiklene. Sedimenteringsteknikkene er helt eller, delvis basert på den velkjente Stokes' lov som setter has-tigheten av partiklene som avleires i et fluidum i relasjon til partiklenes størrelse og tetthet og fluidumets viskositet og tetthet. Ved at det gjøres visse forenklende antagelser,

kan partikkelstørrelsen bestemmes på en nokså grei måte uten behov for tidkrevende mikroskopisk undersøkelse av partiklene eller særdeles kostbart og sofistikert utstyr.

Sedimenteringsteknikkene og det utstyr som brukes for dem har dog vist en rekke ulemper. Som en illustrasjon kan nevnes at partiklene ved bruk-av flere typer av kjente teknikker og apparater for dette formål har lett for å klumpe seg eller på annen måte bli ujevnt dispergert på avleiringstidspunktet,

med den følge at den totale nøyaktighet av målingene ble for-

ringet. Dessuten er den tid som er nødvendig for gjennomfø-

ring av m.åleingene i mange tilfelle for lang, og dette gjel-

der spesielt ved analysering av kjerneprøver og andre tilfelle hvor det er behov for.omgående og nøyaktig informasjon om partikkelstørrelsen.

En generell hensikt med foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveiebringe et nytt og mer effektivt sedimenteringsapparat samt teknikker for måling" av størrelsen av faste partikler som faller i et fluidum med kjent viskositet.

Mer presist har oppfinnelsen til hensikt å tilveiebringe et slikt apparat og teknikker hvor de resulterende målinger er hensiktsmessig pålitelige for en rekke anvendelser innen pet-rofysikken. •

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe et må-lingsapparat og teknikker av antydede art hvor størrelsen av de målte partikler kan bestemmes raskere enn med de hittil anvendte sedimenteringssystemer.

Enda et formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe et apparat for måling av størrelsen av faste partikler hvor apparatet har forholdsvis enkle mekaniske og elektriske komponenter og er rimelig i produksjon og greit i drift.

I et utførelseséksempel som illustrerer oppfinnelsen omfatter apparatet en sedimenteringsbeholder for en kolonne av destillert vann eller et annet fluidum med kjent viskositet. En partikkeldispenser er anordnet ovenfor fluidumet i beholderen og et balanseorgan er opphengt i beholderen. Partikkeldispen-sereh er avstøttet for entydige svingebevegelser umiddelbart ovenfor fluidumkolonnens overflate for å tømme partiklene i fluidumet, hvor de avleires og mottas av balanseorganet. En elektrisk krets som er koplet til dette balanseorgan tar ti-

den på partiklenes fall og bestemmer deres størrelse på bakgrunn av beregnede avleiringshastigheter.

Ifølge et trekk ved oppfinnelsen i forbindelse med visse,sær- lig viktige utførelseseksempler har partikkeldispenseren skål-form eller halv-ellipseform. Dispenseren er avstøttet for svingebevegelse umiddelbart ovenfor fluidumoverflaten i sedimenteringsbeholderen og vil raskt og i det vesentlige samtidig overføre samtlige partikler til denne. Anordningen er slik at partiklene trer inn i fluidumet med lav hastighet.

Den elektriske krets kan bestemme avleiringshastigheten på

basis av tiden og tilbakelagt avstand'før konstante partiku kelhastigheter er oppnådd\ Ved denne anordning kan størrel-

sen av partiklene bestemmes med hensiktsmessig nøyaktighet og raskere enn ved sedimenteringssystemene av den hittil brukte type.

Ifølge et annet trekk ved oppfinnelsen blir partiklene ved

flere viktige anordninger dispergert ved hjelp av ultralyd-teknikker. Dispergeringen av partiklene sikrer en jevnere partikkelfordeling i det.tidspunkt eller like etter at partiklene kommer i kontakt med fluidumoverflaten og tilveie-bringer en betydelig bedring av den totale nøyaktighet av de resulterende målinger. Ultralydenergien tenderer også til å

løsne leirebelegg som ofte er tett festet til partiklene,

slik at en mer nøyaktig analyse av partikkelstørrelsen i prøven blir mulig. •

Ifølge ytterligere et trekk ved enkelte utførelseseksempler

av oppfinnelsen er partikkeldispenseren forsynt med et åpent munningsparti og et lokk, som bæres dreibart av dispenseren og bare strekker seg over en del av det åpne munningsparti.

Under en rask, men jevn svingebevegelse av dispenseren hind-

rer lokket for tidlig tømming av partiklene inntil dispense-

ren har beveget seg over en vinkel på ca. 90°. Deretter drei-

er lokket til åpen stilling for å spre samtlige partikler på væskeoverflaten omtrent samtidig. Som følge av dette blir apparatets nøyaktighet ytterligere økt.

Ovenstående og andre formål, trekk og fordeler ved oppfinnel-

sen vil forstås bedre på bakgrunn av nedenstående beskrivelse av visse.foretrukne utførelseseksempler under henvisning til

tegningen, hvor

fig. 1 er en gjengivelse.i perspektiv av et apparat for å må- - le størrelsen av faste partikler ifølge et illustrerende ut-førelseseksempel av oppfinnelsen,

fig. 2 er et. tverrsnitt av apparatet etter linjen 2-2 i fig.l,

fig. 3 er et partielt snitt etter linjen 3-3 i fig. 2,

fig. 4A er et partielt snitt i større målestokk av partikkel-dispenseren for apparatet, sammen med visse tilordnede komponenter ,.

fig. 4B er et partielt snitt i' større målestokk, i likhet med fig. 4A, men viser partikkeldispenseren idet den svinger for å tømme partiklene i beholderen,

fig. 5 er et partielt snitt i større målestokk av en partikkeldispenser ifølge et annet illustrerende utførelseseksem-

pel av oppfinnelsen,

fig. 6 er et blokkskjema av en elektrisk krets som kan benyt-tes i forbindelse med apparatet.

Bestemmelse av partikkelstørrelse ved hjelp av sedimenteringsteknikker baserer seg på det velkjente prinsipp av små partikler som ér suspendert i et fluidum vil avleire seg med konstant hastighet når fluidumets motstandskraft er lik den konstante nedadrettede tyngdekraft som påvirker partiklene. Av-leir ingshastighetene av partiklene avhenger av overflateteks-turen, radien, formen og tettheten av partiklene og av fluidumets tetthet og viskositet.

Stokes<1>lov er et matematisk uttrykk vedrørende disse fakto-rer:

hvor R = fiuidumets motstand i g cm/sek 2 mot bevegelse av suspen-derte sfæriske partikler r = kulens radius i cm

n = fluidumsviskositet i poise

v - kulens hastighet i cm/sek.

d-^- tettheten av de kuleformede partikler, g/cm<3>

d^ 9 = fluidumtetthet, g/cm<3>

g = tyngdeakselerasjon, tm/sek

Ved bruk av et suspensjonsfluidum med kjent viskositet, og ved kjennskap til fluidumtettheten og tettheten av de partikler som måles, kan partiklenes hastighet registreres for bestemmelse av radien eller partikkelstørrelsen.

I stedet for å prøve å oppnå konstant hastighet av partiklene, igangsetter det her omtalte apparat innføringen av partiklene i fluidumet med lav hastighet, og registrerer deretter gjennomsnittshastigheten når partiklene faller gjennom fluidumet over en .kjent, men forholdsvis kort strekning.

Skjønt partikkelmåling ifølge Stokes<1>lov forutsetter at partiklene er kuleformet og har glatte, friksjonsfrie overflater, benytter det her omtalte apparat seg på en fordelaktig måte av en empirisk databank for avleiringshastighet mot middel-partikkelstørrelse for partikler med former som er mer like de partikler som skal vurderes.

I tegningens fig. 1 er det vist et apparat for å oppnå dette resultat. Apparatet omfatter en sedimenteringsbeholder 10 for fluidumet med kjent viskositet, en partikkeldispenser 12, som er anordnet ovenfor fluidumet i beholderen, en ultralyd-trans-duser 14 for dispergering av partiklene og et balansesystem

16, som er opphengt i beholderen for å motta de avgitte partiklene. Disse komponenter er montert i et opprettstående skap 18, som er lukket på tre sider, men har en åpen front 19 som gir grei adkomst til apparatet. Skapet 18 kan være av aluminium og kan ha en ikke vist dør nær øvre del av den åp-

ne front 19 for å hindre luftstrømmer fra omgivelsen i å for-styrre partiklene og fluidumet.

Sedimenteringsbeholderen 10 har formen av en stående sylinder eller et rør som inneholder en fluidumkolonne 20 med kjent viskositet. Beholderen 10 er f.eks. fremstilt av gjennomsik-tig plastmateriale med en utvendig diameter på 25,4 cm,•en lengde på 76,20 cm.og en veggtykkelse på 6, 35.mm. Skjønt det kan brukes en stor mangfoldighet av fluidumer med kjent viskositet i beholderen 10, foretrekkes destillert vann på grunn av' at det har egenskaper som er lette å bestemme og at det er lett å få tak i. En vannkolonne med konstant lengde opp-rettholdes ved hjelp av en overløpsledning 22, som kommunise-rer med øvre del av beholderen og forløper ned i et ikke vist avløp et kort stykke nedenfor en hensiktsmessig stoppekranventil 23.

Umiddelbart ovenfor fluidumoverflaten i sedimenteringsbeholderen 10 er partikkeldispenseren 12 anordnet. Dispenseren 12 omfatter en skålformet eller halv-ellipseformet prøvebeholder 25 med en åpen munning 26 og et lokk 27. Som tydeligst vist i

fig. 4A, strekker lokket 27 seg i opprettstående stilling av beholderen 25 over bare en del av den' åpne munning 26 og er

dreibart festet til beholderens indre øvre omkrets ved hjelp, av en aksel 28. Når lokket befinner seg i lukket stilling, se . fig. 4A, dekker det omtrent halvparten av beholdermunningen.

Prøvebeholderen 25 er avstøttet på indre ende av en vinkelarm 30. Armen 3 0 strekker seg gjennom en hensiktsmessig åpning i

sédimenteringsbeholderéns 10 sylindriske vegg og er i sin yt-re ende forsynt med et hult håndtak 3 2 som inneholder en

kvikksølvbryter 33. Ved manuell dreining av håndtaket 32 kan prøvebeholderen 25 svinges til omvendt stilling, som følge av vinkelarmen 30. Når beholderen beveges gjennom en vinkel på ca. 90°, slutter bryteren 33 i en hensikt som vil fremgå av det nedenstående.

En tank 3 5 er hensiktsmessig avstøttet nær skapet 18, oven for prøvebeholderen 25. Tanken 35 inneholder destillert vann og et fuktemiddel og er forsynt med en utløpsledning 3 6 som leder til en stilling et .lite stykke ovenfor prøvebeholderen - 25. Strømmen av fuktemiddel og vann fra tanken til prøvebe-holderen styres av en stoppekranventil 37 i ledningen 36.

Ultralyd-transduseren 14 omfatter et horn 4 0 som er opphengt ovenfor partikkeldispenseren 12, slik at hornets spiss 42

(fig. 4A) rager ned i den-åpne munning 26. Hornet 40 er montert på en støttekiemme 44 som er festet til øvre sidevegg av skapet 18 og er elektrisk koplet til en ultralydgenerator 46 via en kabel 45. Som det vil forstås, er generatoren 46 i stand til å aktivisere hornet 40, slik at dette vibrerer spissen 42 med en ultralydfrekvens, eksempelvis 20 000 Hz. Hornet 40 og generatoren 46 kari være konvensjonelt konstruert

og omfatter i d.et illustrerte utførelseseksempel Model 185 Sonifier. Generatoren 46 er forsynt med kraft fra en kraft-ledning 47 som går til en releboks 48 som er montert på ska-pets 18 sidevegg. Kraft fra en hensiktsmessig vekselstrømkil-

de (ikke vist i fig. 1) tilføres releboksen 48 via en strøm-ledning 49.

En prøvesamlepanne 50 er opphengt i sedimenteringsbeholderen 10 dg danner en del av balansesystemet 16. Pannen 50 har sir-kulær form og kan f.eks. være fremstilt av akrylplast. Pannen

50 er anbrakt i en kjent avstand nedenfor øvre flate av fluidumkolonnen 20 og er avstøttet av tre trådtau 55 som er for-, bundet med hjørnene av en avstandstrekant 52. Trekanten 52 er opphengt et kort stykke ovenfor ultralyd-transduseren 14 ved hjelp av tre kjeder 58 som er forbundet med kroken 59 for ba-lanseenheten 60, som er montert på toppen av skapet 18. Enheten 60 kan ha konvensjonell konstruksjon og er f.eks. av den type som betegnes som Model PK300. Enheten 60 blir for-

synt med elektrisk kraft fra en ledning 6.1 og produserer va- • rierende utsignaler som er proporsjonale med vekten av partiklene på pannen 50.

Et ringformet organ 6 2 er avstøttet i beholderen 10 på nivå

med vannkolonnens 20 øvre flate. Organet 62 er festet til

øvre omkretskant av beholderen 10 ved hjelp av tre stropper 64. Omtrent en halvpart av organets 62 vertikale høyde er nedsenket i kolonnen 20, -slik at øvre flate av kolonnen utenfor den opphengte ringen forblir jevnt og fritt for krusnin-ger. Som tydeligst vist i fig. 3, er de panneavstøttende trå-der 55 anordnet utenfor organet 62. Anordningen er slik at organet 62 isolerer trådene 55 og hindrer forstyrrelse av dem når prøven som skal testes blir innført i kolonnen.

Apparatets forskjellige elektriske komponenter er koplet i

en krets som er skjematisk illustrert i fig. 6. Partikkelvek-ten som registreres av balanseorganet 60 blir sendt via en ledning 66 og et grensesnitt 67 til en datamaskin 70. Datamaskinen 7 0 arbeider under styring av releboksen 48 og er koplet til denne med en ledning 72. Datamaskinen er konvensjonelt konstruert og forsynt med en hensiktsmessig taktsty-ringskrets for registrering av den innkommende vektinforma-sjon fra balanseorganet 60 ved jevnt tidsinndelte intervaller opp til den totaltid som operatøren har valgt. Datamaskinen er programmert for å bestemme partikkelstørrelsesdata ifølge Stokes<1>lov ved bruk av de empiriske avleiringshastigheter som er omtalt ovenfor, og disse data fremkommer på en utgangs-ledning 74. Ledningen 7 4 er koplet til et trykkverk 7 6 for registrering av ut-data, en X-Y plotter 77 for tilveiebrin-gelse av en grafisk gjengivelse av data og en katodestråle-rør-fremviser 78 som sørger for visuell fremvisning.

Prøven av partiklene som skal bestemmes blir gjort i stand for testen ved at partiklene renses for hydrokarboner, salt m.v. og ved at deres tørrvekt i luft fastsettes. Tørrvekten blir matet inn i datamaskinen 7 0 sammen med minste partikkel-størrelse som ønskes målt og lengden av fluidumkolonnen i beholderen 10, dvs den vertikale avstand fra fluidumflaten til samplesamlepannen 50. Datamaskinen har også informasjon om avleiringshastigheter mot partikkelstørrelse for den par-tikkéltype som blir målt (f.eks. ikkesfæriske partikler),

om sedimenteringsfluidumets viskositet, datum og tid for testen og andre ønskede identifiseringsdata..

De således behandlede partikler blir anbrakt i prøvebeholde-

ren 25. Stoppekranventilen 37 åpnes for å tilføre en hensiktsmessig fukteoppløsning i .destillert vann fra tanken 35 gjen- - nom ledningen 25. Som tydeligst vist i fig. 4A, er mengden

av partikler og oppløsning som innføres i beholderen 25 slik

at overflatenivået av partikler og oppløsning ligger et kort stykke ovenfor spissen 42 av ultralydhornet 40.

Ultralydgeneratoren 46 blir deretter satt i gang for å vibre-

re hornet 40 og derved fukte partiklene i prøven og disperge-

re partiklene jevnt i dispenserbeholderen 25. I løpet av kort tid, eksempelvis 15 sekunder, etter aktivisering av generatoren 46, blir håndtaket 32 raskt dreid i urviserens ret-

ning, som vist i fig. 4A og 4B,over en vinkel på 180° slik at beholderen 25 svinges .i en tilsvarende vinkel fra den stilling som er vist i fig. 4A til den som er vist i fig. 4B. Under første del av denne svingebevegelse forblir lokket 27 i luk-

ket stilling for å holde partiklene på plass i beholderen 25.

Når beholderen passerer en vinkel på ca.. 90° og nærmer seg

sin omvendte stilling, vil tyngdekraften og væsken i beholderen føre til at lokket 27 svinger opp og omtrent samtidig blir samtlige partikler i beholderen avgitt til overflaten av fluidumet 20. Beholderen 25 er anordnet meget nær fluidumoverflaten, og på grunn av denne raske bevegelse og den jevne fordeling av partiklene ved hjelp av ultralydhornet 40, kom-

mer partiklene i kontakt med overflaten med en jevn og lav vertikal hastighet.

Når håndtaket 32 dreies for å bevege dispenserbeholderen 25 gjennom en vinkel på 90°, slutter kvikksølvbryteren for å aktivisere utvalgte releer i boksen 48. Disse releer vil samtidig og automatisk slå av ultralyd-transduseren 14 og aktivi-

sere datamaskinen 70 (fig. 6) for å nullstille balansesyste-

met 16 og sette igang datamaskinprogrammet.

Ved slutning av kvikksølvbryteren 33 begynner datamaskinen 70 automatisk å registrere vekt fra balansesystemet 16 ved utvalgte, jevne tidsinervaller, f.eks., fem sekunder, under en

tidsperiode som er tilstrekkelig til at samtlige partikler

fra dispenseren 12 kan beveges av tyngdekraften gjennom fluidumkolonnen 20 og nå den -partikkelopptagende panné 50. For vanlige sand- og skifertyper er korntettheten som er lagret i datamaskinen 2,65 g/cm 3 og for destillert vann i kolonnen er den lagrede fluidumtetthet 1,0 g/cm^. Datamaskinen beregner prosentverdien av hver kornstørrelse som mottas av pannen ifølge Stokes' lov ved bruk av den lagrede avleiringshastig-

het mot kornstørrelsesinfårmasjonen og de beregnede data opptrer på utgangsledningen 74 og registreres av trykkverket 76 og plotteren 77. I tillegg gir katodestrålerør-fremviseren en synlig gjengivelse av partikkelstørrelsesfordelingen.

Fig. 5 illustrerer en alternativ vibrerende ultralyd-transdu-

cer 82, som kan brukes i forbindelse med oppfinnelsen. Transduseren 82 har formen av en åpen sylinder eller ring og er

festet til indre omkrets av sedimenteringsbeholderen 10 umid- . delbart nedenfor fluidumnivået 20. Et hensiktsmessig lag 83

av isolerende materiale atskiller transduceren 82 fra behol-dervegg.en. Transduceren får tilført kraft via kabelen som er koplet til ultralydgeneratoren 46 (fig. 1) for vibrering av transduceren ved en ultralydfrekvens og dermed dispergere de faste partiklene jevnt når de synker i fluidumet. Vibra-sjonenes frekvens og amplitude velges slik at partiklene blir dispergert uten påvirkning av balansepann.en 16.

Blant andre fordeler virker apparatet som er beskrevet og illustrert effektivt for bestemmelse av. størrelsen av faste partikler på en særdeles rask måte. Som en illustrasjon kan angis at målinger for partikler med en størrelse på opp til 0,063 mm fullføres i løpet av mindre enn ett minutt i en vannkolonne på 30,8 cm, mens den tid som kreves for tilsva-

rende målinger av mindre partikler, ned til 0,044 mm er ca.

1,35 min. De resulterende målinger viser også god nøyaktighet og gjentagbarhet.

De betegnelser og uttrykk som er brukt, er ment. å være be-skrivende, ikke begrensende, og ved bruk av disse betegnelser og uttrykk er det ikke meningen å utelukke likeverdige be tegnelser på de trekk som er vist og beskrevet eller deler derav. Forskjellige modifikasjoner kan gjennomføres innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (11)

1. Apparat for måling av størrelsen av faste partikler som faller i et fluidum med kjent viskositet, karakterisert ved at apparatet i kombinasjon omfatter: en sedimenteringsbeholder for fluidumet med kjent viskositet; en skålformet partikkeldispenser anordnet ovenfor fluidumet i sedimenteringsbehoIderen; organer som avstø tter partikkeldispenseren for svingebevegelse umiddelbart ovenfor fluidumoverflaten i sedimenteringsbe- hoIderen; drivorganer for svingning av partikkeldispenseren for rask overføring av faste partikler fra dispenseren til sedimenteringsbeholderen; balanseorganer som omfatter et partikkelmottagende organ som er opphengt i sedimenteringsbeholderen for registrering av mottagelse av faste partikler som er overført fra dispenseren og organer som reagerer på mottagelsen av faste partikler på det partikkelmottagende organ for bestemmelse av de mottatte ■partiklers størrelse.

2. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at svingebevegelsen av.partikkeldispenseren overfører partiklene deri i det vesentlige på en gang til overflaten av nevnte fluidum, slik at partiklene når overflaten med lav håstighet.

3. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved organer som omfatter en elektrisk krets som er koplet til balanseanordningen for tidsbestemmelse av mottagelsen av faste partikler på denne.

4. Apparat som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at den skålformede partikkeldispenser har et åpent munningsparti og et lokk som er dreibart båret av dispenseren og bare strekker seg over en del av det åpne munningsparti; og hvor dispenserens lokk dreier bort fra det åpne munningsparti under svingning av dispenseren.

5. Apparat som angitt i et av kravene 1-4, karakterisert ved ultralydorgan for disper-g.ering av de faste partikler.

6. Apparat som angitt i krav 5, karakterisert ved at partikkel-dispenseren har halv-ellipseform.

7. Apparat som angitt i krav 5, karakterisert ved at driftsorganet snur partikkeldispenseren for overfø-ring av de faste partikler til sedimenteringsbeholderen.

8. Apparat som angitt i et av foranstående krav, karakterisert ved at driftsorganet omfatter en manuelt drivbar vinkelarm som er koplet til partikkel-dispenseren..

9. Apparat som angitt i et av kravene 5-8, karakterisert ved at ultralydorganene omfatter et vibrasjonshorn som har et spiss-parti beliggende en kort strekning under overflaten av partiklene i dispenseren.

10. Apparat som angitt i et av kravene 5-8, karakterisert ved at ultralydorganene omfatter et vibrerende, ringformet organ som er festet til indre omkrets av sedimenteringsbeholderen.

11. Apparat som angitt i krav 10, karakterisert ved at det ringformede organ er montert under overflaten av fluidumet i sedimenteringsbeholderen for å dispergere de faste partikler etter at de er overført til nevnte beholder.