RU2172942C1 - Method measuring porosity and method measuring distribution of pores according to sizes - Google Patents
Method measuring porosity and method measuring distribution of pores according to sizes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2172942C1 RU2172942C1 RU2000103519/28A RU2000103519A RU2172942C1 RU 2172942 C1 RU2172942 C1 RU 2172942C1 RU 2000103519/28 A RU2000103519/28 A RU 2000103519/28A RU 2000103519 A RU2000103519 A RU 2000103519A RU 2172942 C1 RU2172942 C1 RU 2172942C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid
- pressure
- volume
- chamber
- pores
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к исследованию физических характеристик твердых тел и может быть использовано при измерении пористости и при определении распределения пор по размерам. The invention relates to the study of the physical characteristics of solids and can be used to measure porosity and to determine the size distribution of pores.
Известен способ измерения пористости кернов, заключающийся в помещении материала в закрытую камеру с несмачивающей жидкостью, такой как ртуть, измерение объема вытесненной жидкости, равное объему материала, и последующее уменьшение давления в камере до определенного значения путем увеличения объема камеры. При этом объем пор материала подсчитывается по объему извлеченного из пор газа и отношения нового (уменьшенного) давления к атмосферному (1). A known method of measuring core porosity, which consists in placing the material in a closed chamber with a non-wetting liquid, such as mercury, measuring the volume of the displaced liquid equal to the volume of the material, and then reducing the pressure in the chamber to a certain value by increasing the volume of the chamber. In this case, the pore volume of the material is calculated by the volume of gas extracted from the pores and the ratio of the new (reduced) pressure to atmospheric pressure (1).
Ограничением данного способа является низкая точность, невозможность измерения распределения пор по размерам и необходимость использования в процессе измерений ртути, вредной для экологии и здоровья экспериментатора. A limitation of this method is low accuracy, the impossibility of measuring the pore size distribution and the need to use mercury harmful to the ecology and health of the experimenter in the measurement process.
Известен способ определения пористости посредством насыщения материала различными жидкостями (метод Преображенского), например керосином (2). Для этого производятся измерения массы сухого материала и материала, насыщенного жидкостью известной плотности, в течение времени, достаточного для заполнения порового пространства. После этого производится измерение массы насыщенного материала в воздухе и в жидкости, на основании чего вычисляется объем материала и объем жидкости, заполняющий поры и, соответственно, вычисляется пористость материала. A known method for determining porosity by saturating a material with various liquids (Preobrazhensky method), for example kerosene (2). To do this, measure the mass of dry material and material saturated with a liquid of known density over a period of time sufficient to fill the pore space. After that, the mass of the saturated material is measured in air and in the liquid, on the basis of which the volume of the material and the volume of liquid filling the pores are calculated and, accordingly, the porosity of the material is calculated.
Ограничением этого метода является его низкая оперативность, так как процесс насыщения исследуемого материала жидкостью требует специального оборудования и достаточно длителен по времени (от нескольких часов до нескольких дней), а также низкая точность измерения, обусловленная разбуханием материала и изменением его объема, неполным заполнением пор. A limitation of this method is its low efficiency, since the process of saturating the test material with liquid requires special equipment and is quite time-consuming (from several hours to several days), as well as low measurement accuracy due to swelling of the material and a change in its volume, incomplete filling of pores.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения пористости, включающий измерение первоначального объема материала, размещение материала в камере с жидкостью, увеличение давления в камере для вдавливания жидкости в материал, измерение объема жидкости, вдавленной в материал, учет в измеренном объеме жидкости поправки, связанной с наличием в материале газа, определение пористости материала по отношению измеренного объема жидкости, вдавленной в материал с учетом поправки, к первоначальному объему материала (3). The closest in technical essence to the proposed one is a method of measuring porosity, including measuring the initial volume of the material, placing the material in the chamber with the liquid, increasing the pressure in the chamber to press the liquid into the material, measuring the volume of the liquid pressed into the material, taking into account the corrections in the measured volume of the liquid, associated with the presence of gas in the material, the determination of the porosity of the material in relation to the measured volume of liquid pressed into the material, taking into account the amendment, to the initial volume of materials iala (3).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является также способ измерения распределения пор по размерам, включающий измерение первоначального объема материала, размещение материала в камере с жидкостью, увеличение давления в камере для вдавливания жидкости в материал, измерение объема жидкости, вдавленной в материал, учет в измеренном объеме жидкости поправки, связанной с наличием в материале газа, определение распределения пор по размерам по отношению измеренного объема жидкости, вдавленной в материал с учетом поправки, к первоначальному объему материала, при этом при измерении объема жидкости, вдавленной в материал, измеряют характеристику изменения относительного объема вдавливаемой жидкости в материал от давления и разбивают ее на дискретные интервалы, по которым определяют распределение пор по размерам (3). Closest to the technical nature of the proposed is also a method of measuring the distribution of pore sizes, including measuring the initial volume of the material, placing the material in the chamber with the liquid, increasing the pressure in the chamber to press the liquid into the material, measuring the volume of liquid pressed into the material, taking into account the measured liquid volume corrections associated with the presence of gas in the material, determining the pore size distribution in relation to the measured volume of liquid pressed into the material, taking into account the correction and, to the original volume of material, while in the measurement volume of fluid material forced back into the measured characteristic change of the relative volume of fluid is pressed into the material of the pressure and it is divided into discrete intervals, which determine the pore size distribution (3).
Обычно в качестве жидкости выбирается ртуть, имеющая высокий коэффициент поверхностного натяжения и несмачивающая образец при атмосферном давлении. Объем жидкости, вдавленной в поровое пространство материала образца под давлением, затем увеличивается на объем сжатого в порах газа. Допустим, при вдавливании рабочей жидкости в процессе измерения давление увеличится до 50 атм, сжимая газ до 1/50 его объема при нормальных условиях. В этом случае измеренное значение объема вдавленной жидкости необходимо увеличить на 2% (на объем сжатого в порах газа) для получения общего порового объема. Typically, the liquid selected is mercury having a high surface tension coefficient and a non-wetting sample at atmospheric pressure. The volume of liquid pressed into the pore space of the sample material under pressure then increases by the volume of gas compressed in the pores. Suppose that when indenting the working fluid during measurement, the pressure will increase to 50 atm, compressing the gas to 1/50 of its volume under normal conditions. In this case, the measured value of the volume of the pressed fluid must be increased by 2% (by the volume of gas compressed in the pores) to obtain the total pore volume.
Ограничением способа измерения пористости и способа измерения распределения пор по размерам является недостаточная оперативность и низкая точность определения пористости материала, обусловленная невозможностью определения деформации материала (скелета образца) и сжимаемости жидкости для введения последующей поправки при подсчете окончательной пористости. The limitation of the method of measuring porosity and the method of measuring the distribution of pores in size is the lack of efficiency and low accuracy of determining the porosity of the material, due to the inability to determine the deformation of the material (skeleton of the sample) and the compressibility of the liquid to introduce a subsequent correction when calculating the final porosity.
Другими ограничениями этих способов являются: необходимость использования в процессе измерений ртути, вредной для экологии и здоровья оператора, и после которой образец материала трудно очистить для дальнейшего использования; невозможность нахождения распределения пор по размерам в реальных пластовых условиях, поскольку распределение пор по размерам в способе определяется только по объему жидкости, вдавливаемой в материал при определенном давлении; необходимость применения образцов материала, достаточно больших по размеру; уменьшение же размеров образцов материала приводит к существенному снижению точности измерения; необходимость строгого поддержания температуры в процессе проведения измерений. Other limitations of these methods are: the need to use mercury in the measurement process, which is harmful to the environment and the health of the operator, and after which the material sample is difficult to clean for future use; the impossibility of finding the pore size distribution in real reservoir conditions, since the pore size distribution in the method is determined only by the volume of fluid pressed into the material at a certain pressure; the need to use samples of material that are large enough in size; a decrease in the size of material samples leads to a significant decrease in the accuracy of measurement; the need for strict temperature maintenance during the measurement process.
Решаемая изобретением задача - повышение эффективности и качества измерений. The problem solved by the invention is to increase the efficiency and quality of measurements.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявленного способа измерения пористости, - повышение точности, экспрессности измерения пористости образцов материалов, измерение пористости для реальных пластовых условий, а также обеспечение экологической безопасности измерений. The technical result that can be obtained by implementing the inventive method for measuring porosity is to increase the accuracy and expressness of measuring the porosity of samples of materials, measure porosity for real reservoir conditions, as well as ensure environmental safety of measurements.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявленного способа измерения распределения по размерам, - повышение точности, экспрессности измерения, измерение распределения пор по размерам в реальных пластовых условиях, а также обеспечение экологической безопасности измерений. The technical result that can be obtained by implementing the inventive method for measuring the size distribution is to increase the accuracy, expressness of measurement, measure the distribution of pore sizes in real reservoir conditions, as well as ensure environmental safety of measurements.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе измерения пористости, включающем измерение первоначального объема материала, размещение материала в камере с жидкостью, увеличение давления в камере для вдавливания жидкости в материал, измерение объема жидкости, вдавленной в материал, учет в измеренном объеме жидкости поправки, связанной с наличием в материале газа, определение пористости материала по отношению измеренного объема жидкости, вдавленной в материал с учетом поправки, к первоначальному объему материала, согласно изобретению перед размещением материала в камере с жидкостью в ней размещают эту жидкость, увеличивают давление в камере и измеряют сжимаемость жидкости, при измерении объема жидкости, вдавленной в материал, одновременно измеряют временную характеристику давления в камере и/или объема жидкости для нахождения в ней точки перегиба, по которой определяют момент полного заполнения пор материала жидкостью, после полного заполнения пор материала жидкостью дополнительно увеличивают давление в камере и измеряют деформируемость материала, учитывают в измеренном объеме жидкости дополнительную поправку, связанную с ее сжимаемостью, и учитывают в измеренном первоначальном объеме материала дополнительную поправку, связанную с деформируемостью материала, определяют пористость материала с учетом дополнительных поправок. To solve the problem with the achievement of the specified technical result in the known method of measuring porosity, including measuring the initial volume of the material, placing the material in the chamber with the liquid, increasing the pressure in the chamber for pressing the liquid into the material, measuring the volume of the liquid pressed into the material, accounting for the measured volume fluid corrections associated with the presence of gas in the material, determining the porosity of the material in relation to the measured volume of fluid pressed into the material, taking into account the amendment, to the initial volume of material according to the invention before placing the material in the chamber with the liquid, this liquid is placed in it, the pressure in the chamber is increased and the compressibility of the liquid is measured, while measuring the volume of liquid pressed into the material, the temporal characteristic of the pressure in the chamber and / or the volume of liquid is measured for the inflection point in it, which determines the moment when the pores of the material is completely filled with liquid, after the pores of the material are completely filled with liquid, the pressure in the chamber is additionally increased re and measure the deformability of the material, take into account the additional correction associated with its compressibility in the measured volume of the liquid, and take into account the additional correction related to the deformability of the material in the measured initial volume of the material, determine the porosity of the material taking into account additional corrections.
При осуществлении изобретения возможны дополнительные варианты реализации способа измерения пористости, в которых целесообразно, чтобы:
- после полного вдавливания жидкости в материал дополнительно увеличивали давление в камере до величины, превышающей величину давления полного заполнения пор не менее чем в 5 раз;
- дополнительное увеличение давления в камере производили до давлений 300 МПа;
- увеличивали давление в камере и/или дополнительно увеличивали бы давление в камере с постоянной скоростью;
- увеличивали давление в камере и/или дополнительно увеличивали бы давление в камере скачкообразно;
- увеличивали давление в камере и/или дополнительно увеличивали бы давление в камере со скоростью, обеспечивающей изотермическое условие вдавливания жидкости в материал;
- момент t* полного заполнения пор материала жидкостью определяли по точке перегиба на барической зависимости производной суммарного объема ∂V/∂t при вдавливании жидкости в материал и по временной зависимости изменения давления;
- момент t* полного заполнения пор материала жидкостью определяли по точке перегиба на временной зависимости производной суммарного объема ∂V/∂t при вдавливании жидкости в материал;
- момент t* полного заполнения пор материала жидкостью определяли по точке перегиба на временной зависимости давления при вдавливании жидкости в материал;
- момент t* полного заполнения пор материала жидкостью определяли по точке перегиба на барической зависимости суммарного объема жидкости при вдавливании ее в материал и по временной зависимости изменения давления;
- сжимаемость βж жидкости определяли по формуле
где VL - объем жидкости при атмосферном давлении Pat,
V* L - объем жидкости при величине давления P* в точке перегиба барической зависимости относительного суммарного объема,
Δ P=P* - Pat - приращение давления;
- деформируемость βs материала определяли по формуле
где Vs - объем материала при атмосферном давлении Pat,
VΣ1,VΣ2 - суммарные объемы, включающие объем жидкости и объем помещенного в нее материала, при давлениях P1 и P2, соответственно, с небольшой разницей давлений из находящихся в диапазоне давлений, больших P*.When carrying out the invention, additional embodiments of the method of measuring porosity are possible, in which it is advisable that:
- after the complete indentation of the liquid into the material, the pressure in the chamber was additionally increased to a value exceeding the value of the pressure of completely filling the pores by at least 5 times;
- an additional increase in pressure in the chamber was made up to pressures of 300 MPa;
- increase the pressure in the chamber and / or additionally increase the pressure in the chamber at a constant speed;
- increase the pressure in the chamber and / or additionally increase the pressure in the chamber spasmodically;
- increase the pressure in the chamber and / or additionally increase the pressure in the chamber with a speed that provides an isothermal condition for the liquid is pressed into the material;
- the time t * of the complete filling of the pores of the material with liquid was determined by the inflection point on the pressure dependence of the derivative of the total volume ∂V / ∂t when the liquid was pressed into the material and by the time dependence of the pressure change;
- the time t * of the complete filling of the pores of the material with liquid was determined by the inflection point on the time dependence of the derivative of the total volume ∂V / ∂t when the liquid is pressed into the material;
- the moment t * of the complete filling of the pores of the material with liquid was determined by the inflection point on the time dependence of the pressure when the liquid was pressed into the material;
- the time t * of the complete filling of the pores of the material with liquid was determined by the inflection point on the pressure dependence of the total volume of the liquid when it was pressed into the material and by the time dependence of the pressure change;
- compressibility β W fluid was determined by the formula
where V L is the volume of fluid at atmospheric pressure P at
V * L is the volume of liquid at a pressure value of P * at the inflection point of the pressure dependence of the relative total volume,
Δ P = P * - P at - pressure increment;
- deformability β s of the material was determined by the formula
where V s is the volume of the material at atmospheric pressure P at ,
V Σ1 , V Σ2 - total volumes, including the volume of liquid and the volume of the material placed in it, at pressures P 1 and P 2 , respectively, with a small pressure difference from those in the pressure range, large P * .
Vl 1 - объем жидкости при давлении Pl для случая, когда в камере размещена жидкость и материал,
VL1, VL2 - объемы жидкости для давлений P1 и P2 соответственно;
- пористость m* материала определяли по формуле
m* = m•[1+βs•(P*-Pat)]
где
где V
Vl = VL - Vs.V l 1 - the volume of liquid at a pressure P l for the case when liquid and material are placed in the chamber,
V L1 , V L2 - fluid volumes for pressures P 1 and P 2, respectively;
- porosity m * of the material was determined by the formula
m * = m • [1 + β s • (P * -P at )]
Where
where v
V l = V L - V s .
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе измерения распределения пор по размерам, включающем измерение первоначального объема материала, размещение материала в камере с жидкостью, увеличение давления в камере для вдавливания жидкости в материал, измерение объема жидкости, вдавленной в материал, учет в измеренном объеме жидкости поправки, связанной с наличием в материале газа, определение распределения пор по размерам по отношению измеренного объема жидкости, вдавленной в материал с учетом поправки, к первоначальному объему материала, при этом при измерении объема жидкости, вдавленной в материал, измеряют характеристику изменения относительного объема вдавливаемой жидкости в материал от давления и разбивают ее на дискретные интервалы, по которым определяют распределение пор по размерам, согласно изобретению перед размещением материала в камере с жидкостью в ней размещают эту жидкость, увеличивают давление в камере и измеряют сжимаемость жидкости, при измерении объема жидкости, вдавленной в материал, одновременно измеряют временную характеристику давления в камере и/или объема жидкости для нахождения в ней точки перегиба, по которой определяют момент полного заполнения пор материала жидкостью, после полного заполнения пор материала жидкостью дополнительно увеличивают давление в камере и измеряют деформируемость материала, учитывают в измеренном объеме жидкости дополнительную поправку, связанную с ее сжимаемостью, и учитывают в измеренном первоначальном объеме материала дополнительную поправку, связанную с деформируемостью материала, определяют распределение пор по размерам с учетом упомянутых дополнительных поправок. To solve the problem with the achievement of the specified technical result in a known method for measuring the distribution of pore sizes, including measuring the initial volume of the material, placing the material in the chamber with the liquid, increasing the pressure in the chamber for pushing the liquid into the material, measuring the volume of the liquid pressed into the material, accounting in the measured liquid volume, corrections associated with the presence of gas in the material, determining the pore size distribution in relation to the measured volume of liquid pressed into taking into account the correction to the initial volume of the material, while measuring the volume of liquid pressed into the material, the characteristic of the change in the relative volume of the pressed liquid into the material is measured from pressure and divided into discrete intervals, according to which the pore size distribution according to the invention is determined before by placing the material in a chamber with a liquid, this liquid is placed in it, the pressure in the chamber is increased and the compressibility of the liquid is measured, when measuring the volume of liquid pressed into the material, one temporarily measure the temporal characteristic of the pressure in the chamber and / or the volume of the liquid to find the inflection point in it, which determines the moment when the pores of the material are completely filled with liquid, after the pores of the material are completely filled with liquid, the pressure in the chamber is additionally increased and the deformability of the material is measured, and the measured volume of liquid additional amendment related to its compressibility, and take into account in the measured initial volume of material an additional amendment related to the deformability of the material la, determine the pore size distribution taking into account the mentioned additional amendments.
При осуществлении изобретения возможны дополнительные варианты реализации способа измерения распределения пор по размерам, в которых целесообразно, чтобы:
- после полного вдавливания жидкости в материал дополнительно увеличивали давление в камере до величины, превышающей величину давления полного заполнения пор не менее чем в 5 раз;
- дополнительное увеличение давления в камере производили до давлений 300 МПа;
- увеличивали давление в камере и/или дополнительно увеличивали бы давление в камере с постоянной скоростью;
- увеличивали давление в камере и/или дополнительно увеличивали бы давление в камере скачкообразно;
- увеличивали давление в камере и/или дополнительно увеличивали бы давление в камере со скоростью, обеспечивающей изотермическое условие вдавливания жидкости в материал;
- момент t* полного заполнения пор материала жидкостью определяли по точке перегиба на барической зависимости производной суммарного объема ∂V/∂t при вдавливании жидкости в материал и по временной зависимости изменения давления;
- момент t* полного заполнения пор материала жидкостью определяли по точке перегиба на временной зависимости производной суммарного объема ∂V/∂t при вдавливании жидкости в материал;
- момент t* полного заполнения пор материала жидкостью определяли по точке перегиба на временной зависимости давления при вдавливании жидкости в материал;
- момент t* полного заполнения пор материала жидкостью определяли по точке перегиба на барической зависимости суммарного объема жидкости при вдавливании ее в материал и по временной зависимости изменения давления;
- сжимаемость βж жидкости определяли по формуле
где VL - объем жидкости при атмосферном давлении Pat,
V* L - объем жидкости при величине давления P* в точке перегиба барической зависимости относительного суммарного объема,
Δ P=P*-Pat - приращение давления;
- деформируемость βs материала определяли по формуле
где Vs - объем материала при атмосферном давлении Pat,
VΣ1,VΣ2 - суммарные объемы, включающие объем жидкости и объем помещенного в нее материала, при давлениях P1 и P2 соответственно с небольшой разницей давлений из находящихся в диапазоне давлений, больших P*.When carrying out the invention, additional embodiments of the method of measuring the distribution of pore sizes are possible, in which it is advisable that:
- after the complete indentation of the liquid into the material, the pressure in the chamber was additionally increased to a value exceeding the value of the pressure of completely filling the pores by at least 5 times;
- an additional increase in pressure in the chamber was made up to pressures of 300 MPa;
- increase the pressure in the chamber and / or additionally increase the pressure in the chamber at a constant speed;
- increase the pressure in the chamber and / or additionally increase the pressure in the chamber spasmodically;
- increase the pressure in the chamber and / or additionally increase the pressure in the chamber with a speed that provides an isothermal condition for the liquid is pressed into the material;
- the time t * of the complete filling of the pores of the material with liquid was determined by the inflection point on the pressure dependence of the derivative of the total volume ∂V / ∂t when the liquid was pressed into the material and by the time dependence of the pressure change;
- the time t * of the complete filling of the pores of the material with liquid was determined by the inflection point on the time dependence of the derivative of the total volume ∂V / ∂t when the liquid is pressed into the material;
- the moment t * of the complete filling of the pores of the material with liquid was determined by the inflection point on the time dependence of the pressure when the liquid was pressed into the material;
- the time t * of the complete filling of the pores of the material with liquid was determined by the inflection point on the pressure dependence of the total volume of the liquid when it was pressed into the material and by the time dependence of the pressure change;
- compressibility β W fluid was determined by the formula
where V L is the volume of fluid at atmospheric pressure P at
V * L is the volume of liquid at a pressure value of P * at the inflection point of the pressure dependence of the relative total volume,
Δ P = P * -P at - pressure increment;
- deformability β s of the material was determined by the formula
where V s is the volume of the material at atmospheric pressure P at ,
V Σ1 , V Σ2 - total volumes, including the volume of liquid and the volume of the material placed in it, at pressures P 1 and P 2, respectively, with a small pressure difference from those in the pressure range, large P * .
Vl 1 - объем жидкости при давлении P1 для случая, когда в камере размещена жидкость и материал,
VL1, VL2 - объемы жидкости для давлений P1 и P2 соответственно.V l 1 - the volume of liquid at a pressure P 1 for the case when the chamber is placed liquid and material,
V L1 , V L2 - fluid volumes for pressures P 1 and P 2, respectively.
За счет вдавливания жидкости в поровое пространство материала в реальном масштабе времени, определения сжимаемости жидкости и деформируемости материала по характеру временных и барических зависимостей изменения суммарного объема рабочей жидкости с помещенным в нее материалом и временных зависимостей давления при вдавливании удалось решить поставленную задачу. Due to the indentation of the liquid into the pore space of the material in real time, the determination of the compressibility of the liquid and the deformability of the material by the nature of the time and pressure dependences of the change in the total volume of the working fluid with the material placed in it and the time dependences of pressure during indentation, it was possible to solve the problem.
Указанные преимущества и особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его осуществления со ссылками на фигуры. These advantages and features of the present invention are illustrated by the best option for its implementation with reference to the figures.
Фигура 1 изображает устройство для осуществления заявленного способа;
фиг. 2 - барическая зависимость суммарного объема жидкости в процессе вдавливания в поры материала;
фиг. 3 - временная зависимость давления жидкости в процессе вдавливания в поры материала;
фиг. 4 - временная зависимость производной давления в процессе вдавливания в поры материала;
фиг. 5 - временная зависимость производной суммарного объема жидкости в процессе вдавливания в поры материала;
фиг. 6 - барическая зависимость производной суммарного объема в процессе вдавливания в поры материала;
фиг. 7 - участок барической зависимости относительного суммарного объема в диапазоне давлений, при которых происходит заполнение пор;
фиг. 8 - зависимость вдавленного объема жидкости от давления;
фиг. 9 - зависимость вдавленного объема жидкости от размера пор;
фиг. 10 - дифференциальная кривая распределения пор по размерам для образца материала;
фиг. 11 - нормированная функция распределения пор.Figure 1 depicts a device for implementing the inventive method;
FIG. 2 - baric dependence of the total fluid volume in the process of pressing into the pores of the material;
FIG. 3 - time dependence of fluid pressure in the process of pressing into the pores of the material;
FIG. 4 - time dependence of the derivative of pressure in the process of pressing into the pores of the material;
FIG. 5 - time dependence of the derivative of the total volume of liquid in the process of pressing into the pores of the material;
FIG. 6 - pressure dependence of the derivative of the total volume in the process of pressing into the pores of the material;
FIG. 7 is a plot of the pressure dependence of the relative total volume in the pressure range at which pore filling occurs;
FIG. 8 - dependence of the pressed volume of the liquid on pressure;
FIG. 9 - dependence of the pressed volume of the liquid on the pore size;
FIG. 10 is a differential pore size distribution curve for a material sample;
FIG. 11 - normalized pore distribution function.
Устройство (фиг. 1) для осуществления заявленного способа содержит измерительную камеру 1 с помещенным в нее через герметично закрывающуюся крышку 2 образцом материала 3, заполняющую измерительную камеру 1 жидкость 4, датчики 5, 6, 7 объема, давления и температуры соответственно. Система создания давления состоит из последовательно подключенных исполнительного устройства 8 с управляемым входом, электродвигателя 9, редуктора 10, цилиндра высокого давления 11 с поступательно вращающимся штоком 12, перемещение которого через узел уплотнений 13 обеспечивает подъем давления в измерительной камере 1. Устройство имеет блок 14 приема данных, на вход которого подаются сигналы от датчиков 5, 6, 7, а первый выход подключен к блоку 15 обработки данных. На схеме также показаны: дифференцирующее устройство 16 для дифференцирования временных зависимостей объема и давления с блока 14, блок 17 отображения информации и блок 18, который синхронизирует работу всего устройства и задает необходимые условия: скорость сжатия жидкости, частоту съема экспериментальных точек в режиме реального времени. The device (Fig. 1) for implementing the inventive method comprises a measuring
Вращательное движение шагового двигателя 9 через редуктор 10 преобразуется в поступательное движение штока 12. В результате такого управления работой двигателя гидростатическое давление в измерительной камере может изменяться с постоянной или переменной скоростью от 0.1 МПа/с до 57 МПа/с, объем - от 10-3 мм3/с до 30 мм3/с, а также осуществляться такой режим сжатия, при котором обеспечиваются изотермические условия сжатия, поскольку в блок 15 вводятся данные о температуре, и вдавливание жидкости в поровое пространство образца материала 3 можно производить с автоматической регулировкой скорости сжатия, за счет чего обеспечиваются изотермические условия процесса сжатия (To = const).The rotational movement of the
Процесс измерения пористости производится следующим образом. The process of measuring porosity is as follows.
Камера 1 заполняется жидкостью 4 и при фиксированной температуре проводится измерение в реальном масштабе времени зависимости объема жидкости V от давления P в интересующем диапазоне давлений. Полученные данные удобно представлять в виде зависимости относительного объема V/VL (V - текущий объем при данном давлении P, VL - начальный объем жидкости при атмосферном давлении, равный объему Vk камеры 1 VL = Vk) от давления или от времени. Пример такой зависимости для керосина в диапазоне давлений до 50 МПа и температуре 20oC показан на фиг. 2, кривая 1. Из фиг. 2 видно, что при увеличении давления до 50 МПа объем керосина по сравнению с объемом при атмосферном давлении уменьшается на 3%.The
Если в камере 1, содержащей жидкость 4 (фиг. 1), поместить образец материала 3 известного объема Vs и произвести измерения барической зависимости суммарного объема рабочей жидкости с помещенным в нее образцом (начальный объем жидкости Vl в данном случае равен объему сосуда высокого давления Vk за вычетом объема образца Vs: Vl = Vk - Vs), то из полученных данных можно получить информацию о пористости образца материала. Характерный пример полученной зависимости относительного суммарного объема жидкости с погруженным в нее образцом материала от давления изображен на фиг. 2, кривая 2. В качестве жидкости использовался керосин при температуре 20oC.If in the
Из фиг. 2 видно, что между кривыми 1 и 2 имеется существенная разница, а именно: для кривой 2 имеется резкое падение относительного объема на начальном участке кривой. При давлениях, больших 3 МПа, зависимость относительного объема выходит на плавную кривую, аналогичную кривой 1 для жидкости. Резкое падение относительного объема на кривой 2 обусловлено вдавливанием жидкости в материал 3. При дальнейшем повышении давления сверх 3 МПа зависимость относительного суммарного VΣ объема от давления выходит на плавную пологую кривую, что говорит о том, что поровое пространство уже заполнено жидкостью и при дальнейшем повышении давления происходит только сжатие жидкости и самого материала как целого под действием сил гидростатического давления. Используя зависимости, представленные на кривых 1 и 2, можно вычислить с высокой точностью пористость материала.From FIG. Figure 2 shows that there is a significant difference between
Пористостью образца m называется отношение объема пор Vp к объему образца Vs. Таким образом, для вычисления пористости образца материала известного объема Vs необходимо определить объем пор в этом образце Vp. Тогда пористость образца можно вычислить по формуле:
Зависимость (фиг. 2, кривая 2) позволяет определить величину Vp, так как она содержит информацию об объеме жидкости, вдавленной в поры материала. Как отмечалось выше, на кривой 2 имеется точка перегиба (характерный излом), которая указывает на окончание заполнения пор материала жидкостью. Пусть P* - давление, при котором происходит резкое изменение характера барической зависимости относительного суммарного объема (фиг. 2, кривая 2). Эта точка может быть определена, например, по скачку первой производной временной зависимости давления (фиг. 4) или первой производной барической зависимости суммарного объема (фиг 6). Так, для кривой 2 величина P* равна приблизительно 3 МПа. Величина относительного суммарного объема соответствующая давлению P*, дает информацию об объеме жидкости, вдавленной в поры. Так как произведение начального суммарного объема жидкости VL на величину изменения относительного суммарного объема [1-V
Формула (2) представлена без учета сжимаемости жидкости и деформируемости (сжимаемости скелета образца) материала, а также без учета сдавливаемого в капиллярах газа (воздуха).The porosity of a sample m is the ratio of the pore volume V p to the sample volume V s . Thus, to calculate the porosity of a sample of a material of known volume V s, it is necessary to determine the pore volume in this sample V p . Then the porosity of the sample can be calculated by the formula:
The dependence (Fig. 2, curve 2) allows you to determine the value of V p , since it contains information about the volume of fluid pressed into the pores of the material. As noted above, on
Formula (2) is presented without taking into account the compressibility of the liquid and the deformability (compressibility of the sample skeleton) of the material, and also without taking into account the gas (air) squeezed in the capillaries.
Поправка, обусловленная тем, что часть пор материала даже при давлении P* остается заполненной сжатым газом и поэтому не может быть заполнена жидкостью, может быть определена следующим образом. Общий объем Vp пор равен сумме объема VL[1-V
Если считать, что процесс измерения пористости является изотермическим и что весь объем Vp пор материала перед экспериментом заполнен газом (образец полностью экстрагирован), то отношение объема Vp газа в материале при атмосферном давлении Pat и объема Vb * газа при давлении P* находится по закону Бойля:
Тогда доля Vb * газа, зажатого в порах материала при давлении P*, согласно формуле (4) равна:
Подставляя значение Vb * из формулы (5) в уравнение (3), получим уточненное значение Vp:
Окончательная формула расчета пористости после поправки на сдавленный газ согласно (1) будет:
Из формулы (7) следует, что данная поправка может быть значительной даже при высоких давлениях. Так, при давлениях P* = 3 МПа величина Pat/P* ≈ 0.03, что составляет приблизительно 3% от измеряемой величины.The correction due to the fact that part of the pores of the material even at pressure P * remains filled with compressed gas and therefore cannot be filled with liquid, can be determined as follows. The total volume V p then equal to the sum of the volume V L [1-V
If we assume that the process of measuring porosity is isothermal and that the entire volume V p of the material is filled with gas before the experiment (the sample is completely extracted), then the ratio of the volume of gas V p in the material at atmospheric pressure P at and the volume V b * of gas at pressure P * is according to Boyle's law:
Then the fraction V b * of gas trapped in the pores of the material at a pressure P * , according to formula (4), is equal to:
Substituting the value of V b * from formula (5) in equation (3), we obtain the updated value of V p :
The final formula for calculating porosity after correction for compressed gas according to (1) will be:
It follows from formula (7) that this correction can be significant even at high pressures. So, at pressures P * = 3 MPa, the value of P at / P * ≈ 0.03, which is approximately 3% of the measured value.
Реализация предлагаемого способа позволяет измерить сжимаемость βж жидкости, поправка на которую затем учитывается при расчете пористости материала. Однако в предложенном способе в качестве жидкости можно использовать любую некристаллизующуюся рабочую жидкость при указанных высоких давлениях.The implementation of the proposed method allows you to measure the compressibility β W of the liquid, the correction for which is then taken into account when calculating the porosity of the material. However, in the proposed method, any non-crystallizable working fluid at the indicated high pressures can be used as a liquid.
Уменьшение суммарного объема жидкости (фиг. 2, кривая 2) при увеличении давления до P* обусловлено не только вдавливанием жидкости в поры, но и уменьшением объема самой жидкости при ее сжатии за счет фактора сжимаемости. Следовательно, это уменьшение объема жидкости за счет ее сжимаемости необходимо учесть в окончательной формуле расчета пористости (7). Погрешность, обусловленную сжимаемостью жидкости, можно приблизительно оценить на основании данных, полученных из кривой 1 (фиг. 2). Давлению в 50 МПа соответствует изменение относительного объема на 3%. Следовательно, предполагая в первом приближении линейную зависимость относительного объема рабочей жидкости от давления, для давления P* = 3 МПа получим величину изменения объема жидкости около 0,2%, которую и необходимо учесть в окончательных расчетах пористости.The decrease in the total volume of liquid (Fig. 2, curve 2) with increasing pressure to P * is due not only to the indentation of the liquid into the pores, but also to a decrease in the volume of the liquid itself during its compression due to the compressibility factor. Therefore, this decrease in the volume of liquid due to its compressibility must be taken into account in the final formula for calculating porosity (7). The error due to fluid compressibility can be approximately estimated based on data obtained from curve 1 (Fig. 2). A pressure of 50 MPa corresponds to a change in relative volume of 3%. Therefore, assuming, in a first approximation, a linear dependence of the relative volume of the working fluid on pressure, for pressure P * = 3 MPa, we obtain a change in the volume of the fluid of about 0.2%, which must be taken into account in the final calculations of porosity.
Точная формула учета сжимаемости βж жидкости при измерении пористости m материала с помощью предлагаемого способа может быть получена следующим образом.The exact formula for taking into account the compressibility β g of a liquid when measuring the porosity m of a material using the proposed method can be obtained as follows.
Сжимаемость жидкости βж определяется по формуле:
где V - объем жидкости как функция давления P, ΔV,ΔP - приращения объема жидкости и давления соответственно при стремлении ΔP к нулю. Из формулы (8) находим абсолютную деформацию жидкости ΔVж Действительно, согласно формуле (8) изменение объема жидкости ΔVж для случая увеличения гидростатического давления от Pat до P* в измерительной камере 1 с помещенным в него образцом материала 3 равно:
ΔVж= βж•Vl•(P*-Pat) (9)
Значение βж определяется из экспериментальных данных по сжатию для случая, когда измерительная камера 1 заполнена только жидкостью (фиг. 2, кривая 1). Для этого случая в формуле (8) следует приравнять: V = VL, Δ V = VL * - VL, Δ P = P* - Pat, V* L - объем жидкости при давлении P*. В результате получим выражение для сжимаемости жидкости βж :
и, следовательно, с учетом (10) формула (9) преобразуется так:
Таким образом, с учетом поправки на сжимаемость жидкости и формулы (6) уточненный объем пор равен:
Тогда, окончательная формула расчета коэффициента пористости образца материала согласно формуле (1) будет выглядеть так:
причем Vl = VL - Vs.The compressibility of the liquid β W is determined by the formula:
where V is the fluid volume as a function of pressure P, ΔV, ΔP are the increments of the fluid volume and pressure, respectively, when ΔP tends to zero. From formula (8) we find the absolute deformation of the liquid ΔV w Indeed, according to formula (8), the change in the volume of the liquid ΔV w for the case of an increase in hydrostatic pressure from P at to P * in the measuring
ΔV W = β W • V l • (P * -P at ) (9)
The value of β g is determined from the experimental data on compression for the case when the measuring
and, therefore, taking into account (10), formula (9) is transformed as follows:
Thus, taking into account the correction for fluid compressibility and formula (6), the specified pore volume is equal to:
Then, the final formula for calculating the porosity coefficient of a material sample according to formula (1) will look like this:
moreover, V l = V L - V s .
Если в качестве жидкости используется дистиллированная вода, то при P* = 5 МПа поправка на сжимаемость жидкости (2-й член формулы (13)) составит ~ 0.25% от полной пористости m образца материала. При использовании в качестве жидкости керосина, сжимаемость которого приблизительно в два раза больше, чем у воды, поправка возрастает также в два раза. Следует учесть, что при увеличении P* для большинства материалов естественным образом возрастает и поправка на сжимаемость жидкостей.If distilled water is used as the liquid, then at P * = 5 MPa, the correction for the compressibility of the liquid (2nd term of formula (13)) will be ~ 0.25% of the total porosity m of the material sample. When kerosene is used as a liquid, the compressibility of which is approximately two times greater than that of water, the correction also doubles. It should be noted that with an increase in P * for most materials, the correction for the compressibility of liquids naturally increases.
При приложении гидростатического давления к образцу материала он претерпевает деформацию сжатия. Следовательно, объем Vs * образца материала при давлении P* полного заполнения порового пространства материала будет несколько отличным от первоначального объема Vs, измеренного при атмосферном давлении Pat:
V
где Δ P = P* - Pat, βs - деформируемость (сжимаемость скелета образца), определяемая по формуле:
Таким образом, для нахождения объема Vs * материала при давлении P* необходимо знать деформируемость βs материала. Эта величина может быть получена обработкой результатов измерений (фиг. 2, кривая 2).When hydrostatic pressure is applied to a sample of material, it undergoes compression deformation. Therefore, the volume V s * of the material sample at pressure P * of the full filling of the pore space of the material will be slightly different from the initial volume V s measured at atmospheric pressure P at :
V
where Δ P = P * - P at , β s - deformability (compressibility of the skeleton of the sample), determined by the formula:
Thus, to find the volume V s * of the material at pressure P *, it is necessary to know the deformability β s of the material. This value can be obtained by processing the measurement results (Fig. 2, curve 2).
После заполнения пор (при давлениях выше P*) кривая 2 дает суммарное изменение объема жидкости (начальное значение объема Vl жидкости) и объема материала (начальное значение объема Vs образца материала). Используем два близких значения давления P1 и P2 с небольшой разницей давлений между ними ΔP в диапазоне давлений между P* и Pmax (фиг. 2). Пусть VL1, VL2 - объем жидкости при давлениях P1 и P2 соответственно для 1-й кривой (фиг. 2) - случай, при котором вся измерительная камера 1 объемом Vk заполняется жидкостью, Vl 1, Vl 2 - объем жидкости при давлениях P1 и P2 соответственно для случая, когда измерительная камера 1 заполняется жидкостью и содержит в себе образец материала, a VΣ1,VΣ2 - суммарный объем, включающий объем жидкости и объем помещенного в нее образца материала, при давлениях P1 и P2 соответственно, как это представлено на фиг. 2, кривая 2.After filling the pores (at pressures above P * ),
Абсолютная деформация комбинированной среды (жидкость с помещенным в нее образцом материала) равна (фиг. 2, кривая 2):
ΔVΣ= |VΣ2-VΣ1| = ΔVж+ΔVs (16)
где Δ Vж = Vl 2 - Vl 1, Δ Vs = Vs 2 - Vs 1, Vs 1 - объем образца материала при давлении P1, Vs 2 - объем образца материала при давлении P2 соответственно. Тогда, с учетом формул (8) - (11) для интервала давлений Δ P = P2 - P1:
Величину Vk 1 можно определить по формуле:
Vl 1 = (1-Vs/VL)•VL1 (18)
При сжатии отношения текущего объема жидкости к начальному объему одинаковы при равных давлениях и не зависят от начального объема жидкости (то есть от того, какая часть камеры 1 заполнена жидкостью). Поэтому отношение VL1/VL (для случая, когда весь объем камеры 1 заполнен жидкостью) равно отношению Vl 1/V1 (для случая, когда в жидкость камеры 1 погружен образец материала). Тогда с учетом соотношения V1 = VL - Vs получаем формулу (18).The absolute deformation of the combined medium (liquid with a sample of material placed in it) is equal to (Fig. 2, curve 2):
ΔV Σ = | V Σ2 -V Σ1 | = ΔV w + ΔV s (16)
where Δ V W = V l 2 - V l 1 , Δ V s = V s 2 - V s 1 , V s 1 is the volume of the material sample at pressure P 1 , V s 2 is the volume of the material sample at pressure P 2, respectively. Then, taking into account formulas (8) - (11) for the pressure range Δ P = P 2 - P 1 :
The value of V k 1 can be determined by the formula:
V l 1 = (1-V s / V L ) • V L1 (18)
When compressed, the ratios of the current volume of liquid to the initial volume are the same at equal pressures and do not depend on the initial volume of the liquid (that is, on what part of the
Подставляя полученное значение ΔVж в формулу (16), получим для деформации образца материала ΔVs
Таким образом, формулы (18)-(19) позволяют определить абсолютную деформацию материала в любом диапазоне гидростатического давления и, следовательно, деформация материала (сжимаемость образца) в соответствии с формулой (15) равна:
Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить деформацию материала, что используется в дальнейшем для уточнения окончательной пористости образца. Подсчитывая величину βs по формуле (20) и принимая в первом приближении, что деформация материала постоянна по крайней мере в интервале давлений от Pat до P*, после подстановки вычисленного значения βs из формулы (20) в (14) и далее в (13) получим окончательную формулу определения пористости образца материала:
V
и далее
Деформируемость (сжимаемость скелета образцов) материалов согласно справочным данным [Добрынин В. М. , Вендельштейн Б. Ю., Кожевников Д.А. "Петрофизика", М. , 1991, Недра, с. 368] колеблется от 1,17•10-5 МПа-1 (доломит) до 2,62•10-5 МПа-1 (песчаник кварцевый).Substituting the obtained value of ΔV W in the formula (16), we obtain for deformation of the sample material ΔV s
Thus, formulas (18) - (19) make it possible to determine the absolute deformation of the material in any range of hydrostatic pressure and, therefore, the deformation of the material (compressibility of the sample) in accordance with formula (15) is equal to:
Thus, the proposed method allows to determine the deformation of the material, which is used in the future to clarify the final porosity of the sample. Counting the value of β s according to formula (20) and assuming, to a first approximation, that the deformation of the material is constant at least in the pressure range from P at to P * , after substituting the calculated value of β s from formula (20) into (14) and then to (13) we obtain the final formula for determining the porosity of a sample of material:
V
and further
Deformability (compressibility of the skeleton of samples) of materials according to the reference data [Dobrynin V. M., Vendelstein B. Yu., Kozhevnikov D. A. "Petrophysics", M., 1991, Nedra, p. 368] ranges from 1.17 • 10 -5 MPa -1 (dolomite) to 2.62 • 10 -5 MPa -1 (quartz sandstone).
С учетом этого формула (22) может быть представлена в виде:
m*= m•[1+βs•(P*-Pat)] (23)
где βs - определяется по формуле (20) из кривых 1 и 2 (фиг. 2).With this in mind, formula (22) can be represented as:
m * = m • [1 + β s • (P * -P at )] (23)
where β s - is determined by the formula (20) from
Тогда при P* = 5 МПа поправка на деформируемость материала (2-й член формулы (23)) составит ~0.013% (для песчаника кварцевого) от полной пористости m материала.Then, at P * = 5 MPa, the correction for the deformability of the material (second term of formula (23)) will be ~ 0.013% (for quartz sandstone) of the total porosity m of the material.
Как следует из формул (2), (7), (13), (23), точность определения пористости вещества в основном определяется точностью определения объема жидкости V*, вдавленной в поры, и давления P*, при котором заполнение пор заканчивается. Точность определения V* составляет ~10-3 мм3 и обеспечивается соответственно выбранными высоким разрешением датчика 5 объема и высокой точностью работы блока 15 обработки данных.As follows from formulas (2), (7), (13), (23), the accuracy of determining the porosity of a substance is mainly determined by the accuracy of determining the volume of liquid V * pressed into the pores and the pressure P * at which the filling of the pores ends. The accuracy of determining V * is ~ 10 -3 mm 3 and is ensured by the correspondingly selected high resolution of the
Основная погрешность измерения пористости обусловлена неопределенностью определения давления P*, при котором поры материала полностью заполнены рабочей жидкостью. Предлагаемый способ позволяет определять параметр P* с высокой степенью точности по характерному излому на барической зависимости суммарного объема (фиг. 2) или барической зависимости производной от суммарного объема ∂V/∂t (фиг. 6), а также по моменту времени t* полного заполнения пор (моменту времени t* однозначно соответствует давление P* полного заполнения пор на временной зависимости давления (фиг. 3)), регистрируемому по точке перегиба (резкого излома) на временной зависимости первой производной давления ∂P/∂t (фиг. 4), или на временной зависимости первой производной суммарного объема ∂V/∂t (фиг. 5). Введенное на вход блока 15 обработки данных дифференцирующее устройство 16 позволяет определить момент t* с высокой точностью по характерному излому на временной зависимости. Значение t* направляется в блок 15 обработки данных, в котором производится нахождение V
Сжимаемость рабочей жидкости по формуле (10) определяется для данной жидкости только один раз, а затем запоминается и используется блоком 15 данных, как для используемой жидкости. The compressibility of the working fluid according to the formula (10) is determined only once for a given fluid, and then it is stored and used by the data block 15, as for the fluid used.
Увеличивают давление в камере и/или дополнительно увеличение давление в камере 1 для величин, больших P*, можно производить с постоянной скоростью, что позволяет работать в реальном масштабе времени. Однако для увеличения скорости определения пористости целесообразно увеличивать давление в камере 1 скачкообразно для более полного и быстрого заполнения пор.The pressure in the chamber is increased and / or an additional increase in pressure in the
Как отмечалось, за счет автоматического регулирования, можно увеличивать давление в камере 1 и/или дополнительно увеличивать давление в камере 1 со скоростью, обеспечивающей изотермическое условие вдавливания жидкости в материал, поскольку устройство (фиг. 1) снабжено датчиком 7 температуры. As noted, due to automatic control, it is possible to increase the pressure in the
В таблице представлены сравнительные данные измерения пористости заявленным способом и традиционным способом в соответствии с известным источником информации (2). The table presents comparative data on the measurement of porosity of the claimed method and the traditional method in accordance with a known source of information (2).
Результаты сравнения свидетельствуют о высокой точности предлагаемого способа. Следует заметить, что для повышения точности определения пористости и сокращения времени эксперимента лучше использовать жидкость, не смачивающую образец. При использовании смачивающей жидкости требуется предварительная пропитка образца и нахождение начальной насыщенности. Так, если в качестве рабочей жидкости использовать керосин, то для повышения точности измерения пористости образец предварительно пропитывается в керосине в течение нескольких часов, взвешиванием определяется начальное насыщение керосином, а затем определяется пористость образца с помощью предлагаемого выше способа измерения и по формулам (22)-(23). Время эксперимента в этом случае составляет несколько часов. При использовании жидкости, не смачивающей образец, время эксперимента значительно сокращается и составляет всего несколько минут. The comparison results indicate the high accuracy of the proposed method. It should be noted that to improve the accuracy of determining porosity and reduce the experiment time, it is better to use a liquid that does not wet the sample. When using a wetting liquid, preliminary impregnation of the sample and finding the initial saturation are required. So, if kerosene is used as the working fluid, then to increase the accuracy of porosity measurement, the sample is pre-impregnated in kerosene for several hours, weighing determines the initial saturation with kerosene, and then the porosity of the sample is determined using the measurement method proposed above and according to formulas (22) - (23). The experiment time in this case is several hours. When using liquid that does not wet the sample, the experiment time is significantly reduced and is only a few minutes.
Таким образом, заявленный способ измерения пористости позволяет проводить измерения экспрессно, учесть поправки, обусловленные сжимаемостью жидкости и деформируемостью материала. Thus, the claimed method of measuring porosity allows you to measure quickly, to take into account the corrections due to the compressibility of the fluid and the deformability of the material.
Процесс измерения распределения пор по размерам осуществляется следующим образом. Выбирается жидкость, не смачивающая образец материала. Пористая среда образца рассматривается как сочетание капиллярных цилиндрических каналов различного диаметра. The process of measuring the distribution of pore size is as follows. A fluid is selected that does not wet the material sample. The porous medium of the sample is considered as a combination of capillary cylindrical channels of various diameters.
При вдавливании жидкости в пористую среду несмачивающей жидкостью требуется преодолеть капиллярное давление Pi, при достижении которого происходит заполнение жидкостью капилляров с радиусом ri. Капиллярное давление Pi, зависит от величины поверхностного натяжения σ жидкости и угла смачивания θ ею поверхности образца материала и выражается формулой Лапласа (24):
Для вычисления распределения пор по размерам можно использовать зависимость относительного суммарного объема от давления, но только в диапазоне давлений, при которых происходит насыщение образца жидкостью. В качестве жидкости в этом случае желательно применять жидкость, которая не смачивает образец и для которой известен угол смачивания θ. В качестве примера кривой насыщения пор материала (фиг. 7) приведен участок барической зависимости относительного суммарного объема в диапазоне давлений, при которых происходит заполнение пор. С ростом давления происходит заполнение все новых и новых пор, причем с ростом давления в соответствии с формулой (24) заполняются поры все меньшего диаметра. Кривая насыщения образца горной породы (фиг. 7) и формула (24) в предположении, что поры имеют цилиндрическую форму и известен угол смачивания θ позволяет проводить расчет распределения пор по размерам.When a liquid is pressed into a porous medium with a non-wetting liquid, it is necessary to overcome the capillary pressure P i , upon reaching which the liquid is filled with capillaries with a radius r i . The capillary pressure P i depends on the magnitude of the surface tension σ of the liquid and the wetting angle θ by it of the surface of the material sample and is expressed by the Laplace formula (24):
To calculate the pore size distribution, one can use the dependence of the relative total volume on pressure, but only in the pressure range at which the sample is saturated with liquid. As a liquid in this case, it is desirable to use a liquid that does not wet the sample and for which the contact angle θ is known. As an example, the pore saturation curve of the material (Fig. 7) shows a section of the pressure dependence of the relative total volume in the pressure range at which pore filling occurs. With increasing pressure, more and more pores are filled, and with increasing pressure in accordance with formula (24), pores of ever smaller diameter are filled. The saturation curve of the rock sample (Fig. 7) and formula (24) under the assumption that the pores have a cylindrical shape and a contact angle θ is known allows calculating the pore size distribution.
Определение распределения пор по размерам проводится следующим образом. По кривой вдавливания (фиг. 7) определяется минимальное Pmin и максимальное Pmax давления, в диапазоне которых происходит заполнение пор, а также величина V
На основе полученных значений ρ(ri) , рассчитанных по формуле (25), строится гистограмма распределения пор по размерам в виде дифференциальных кривых распределения пор по размерам.The determination of pore size distribution is as follows. The indentation curve (Fig. 7) determines the minimum P min and maximum P max pressure, in the range of which the pores are filled, as well as the value V
Based on the obtained ρ (r i ) values calculated by formula (25), a histogram of the pore size distribution is constructed in the form of differential curves of pore size distribution.
Процедура измерения распределения пор по размерам включает следующие шаги:
(а) - измерение объема Vs образца материала с высокой точностью и помещение его в камеру 1;
(б) - заполнение камеры 1 через герметично закрывающуюся крышку 2 жидкостью 3 (фиг. 1) объема Vi и получение зависимости относительного суммарного объема от давления (фиг. 7) при вдавливании жидкости в поровое пространство материала;
(в) - из полученной зависимости определение величины минимального Pmin и максимального Pmax давления, в диапазоне которых происходит заполнение пор материала образца, а также величины V
(г) - по формуле (24) определяется максимальный rmax и минимальный rmin радиус капилляров, которые соответствуют давлениям Pmin и Pmax соответственно;
(д) - диапазон радиусов между rmax и rmin разбивается, например, на равномерные промежутки (число участков выбирается из соображения необходимого числа точек в гистограмме распределения пор по размерам);
(е) - для каждого из полученных значений радиуса пор ri по формуле (24) определяются давления Pi, при которых заполняются поры определенного радиуса;
(ж) - по зависимости относительного объема от давления, построенной в пункте (б), определяется зависимость вдавленного объема Vвд жидкости от давления Pi (фиг. 8);
(з) - по зависимости относительного объема от давления, построенной в пункте (ж), определяется зависимость вдавленного объема Vвд жидкости от размера пор ri (фиг. 9);
(и) - на основании данных, полученных в пункте (з), с использованием дифференциальной формулы: f(r) = dV/dr строится дифференциальная кривая распределения пор по размерам для данного материала (фиг. 10).The procedure for measuring pore size distribution includes the following steps:
(a) measuring the volume V s of a sample of material with high accuracy and placing it in
(b) filling the
(c) - from the obtained dependence, the determination of the minimum P min and maximum P max pressure, in the range of which the pores of the sample material are filled, as well as V
(d) - according to formula (24), the maximum r max and minimum r min radius of the capillaries are determined, which correspond to pressures P min and P max, respectively;
(e) - the range of radii between r max and r min is divided, for example, into uniform intervals (the number of sections is selected from considerations of the required number of points in the histogram of pore size distribution);
(e) - for each of the obtained values of the radius of the pores r i according to the formula (24), the pressures P i are determined at which the pores of a certain radius are filled;
(g) - according to the dependence of the relative volume on the pressure constructed in paragraph (b), the dependence of the indented volume V in liquid on the pressure P i is determined (Fig. 8);
(h) - according to the dependence of the relative volume on the pressure constructed in paragraph (g), the dependence of the depressed volume V in liquid on the pore size r i is determined (Fig. 9);
(i) - based on the data obtained in paragraph (h), using the differential formula: f (r) = dV / dr, a differential pore size distribution curve is constructed for this material (Fig. 10).
(к) - определяется нормированная функция распределения g(r) путем деления дифференциальной функции распределения f(r) на общий объем пор Vвд, полученный либо интегрированием дифференциальной функции распределения f(r) (фиг. 10), либо из фиг. 9 (фиг. 11).(k) - the normalized distribution function g (r) is determined by dividing the differential distribution function f (r) by the total pore volume V in obtained by either integrating the differential distribution function f (r) (Fig. 10), or from Fig. 9 (Fig. 11).
Наиболее успешно заявленные способы измерения пористости и распределения пор по размерам могут быть промышленно использованы в геологии, в геофизике, в почвоведении при изучении процесса набухания глин, грунтов, в горной и нефтегазодобывающей промышленности при определении пористости и насыщенности горных пород, в строительстве, в медицине и фармакологии при производстве таблеток и определении пористости и механических свойств костей, хрящей, суставов, при производстве минерального гранулированного сырья, полимерных пленок, при изготовлении керамических или отражательных поверхностей, фильтров, мембран, определении пористости и распределении пор по размерам адсорбентов и катализаторов, а также в других областях, в которых используются капиллярно-пористые среды. The most successfully claimed methods for measuring porosity and pore size distribution can be industrially used in geology, geophysics, soil science when studying the process of swelling of clays, soils, in the mining and oil and gas industries in determining porosity and saturation of rocks, in construction, in medicine and pharmacology in the production of tablets and determination of porosity and mechanical properties of bones, cartilage, joints, in the production of granular mineral raw materials, polymer films, in the production of ceramic or reflective surfaces, filters, membranes, the determination of porosity and pore size distribution of adsorbents and catalysts, as well as in other areas in which capillary-porous media are used.
Источники информации:
1. Патент США N 2874565, н. 73-38, опубл. 1959 г.Sources of information:
1. US patent N 2874565, n. 73-38, publ. 1959
2. Поляков Е.Н. "Методика изучения физических свойств коллекторов нефти и газа" М, 1981, Недра, с. 181. 2. Polyakov E.N. "Methodology for the study of the physical properties of oil and gas reservoirs" M, 1981, Nedra, p. 181.
3. Патент США N 3882714, G 01 N 15/08, опубл. 1975 г. 3. US patent N 3882714, G 01 N 15/08, publ. 1975
Claims (25)
где VL - объем жидкости при атмосферном давлении Pat;
V*L - объем жидкости при величине давления Р* в точке перегиба барической зависимости относительного суммарного объема;
ΔP=P*-Pat - приращение давления.11. The method according to claim 1, characterized in that the compressibility β W liquid is determined by the formula
where V L is the volume of fluid at atmospheric pressure P at ;
V * L is the volume of liquid at a pressure value of P * at the inflection point of the pressure dependence of the relative total volume;
ΔP = P * -P at - pressure increment.
где Vs - объем материала при атмосферном давлении Pat;
VΣ1,VΣ2 - суммарные объемы, включающие объем жидкости и объем помещенного в нее материала, при давлении P1 и P2, соответственно, с небольшой разницей давлений из находящихся в диапазоне давлений больших Р*;
Vl 1 - объем жидкости при давлении P1 для случая, когда в камере размещена жидкость и материал;
VL1, VL2 - объемы жидкости для давления P1 и P2, соответственно.12. The method according to claim 11, characterized in that the deformability β s of the material is determined by the formula
where V s is the volume of the material at atmospheric pressure P at ;
V Σ1 , V Σ2 - total volumes, including the volume of liquid and the volume of the material placed in it, at a pressure of P 1 and P 2 , respectively, with a small pressure difference from those in the pressure range of large P *;
V l 1 is the volume of liquid at a pressure of P 1 for the case when liquid and material are placed in the chamber;
V L1 , V L2 - fluid volumes for pressure P 1 and P 2 , respectively.
m* = m•[1+βs•(P*-Pat)],
где
где V
V1 = VL - VS.13. The method according to p. 12, characterized in that the porosity m * of the material is determined by the formula
m * = m • [1 + β s • (P * -P at )],
Where
where v
V 1 = V L - V S.
где VL - объем жидкости при атмосферном давлении Pat;
V*L - объем жидкости при величине давления Р* в точке перегиба барической зависимости относительного суммарного объема;
ΔP=P*-Pat - приращение давления.24. The method according to claim 14, characterized in that the fluid compressibility β w is determined by the formula
where V L is the volume of fluid at atmospheric pressure P at ;
V * L is the volume of liquid at a pressure value of P * at the inflection point of the pressure dependence of the relative total volume;
ΔP = P * -P at - pressure increment.
где VS - объем материала при атмосферном давлении Pat;
VΣ1,VΣ2 - суммарные объемы, включающие объем жидкости и объем помещенного в нее материала, при давлении P1 и P2, соответственно, с небольшой разницей давлений из находящихся в диапазоне давлений больших Р*;
Vl 1 - объем жидкости при давлении P1 для случая, когда в камере размещена жидкость и материал;
VL1, VL2 - объемы жидкости для давления P1 и P2, соответственно.25. The method according to paragraph 24, wherein the deformability β s of the material is determined by the formula
where V S is the volume of material at atmospheric pressure P at ;
V Σ1 , V Σ2 - total volumes, including the volume of liquid and the volume of the material placed in it, at a pressure of P 1 and P 2 , respectively, with a small pressure difference from those in the pressure range of large P *;
V l 1 is the volume of liquid at a pressure of P 1 for the case when liquid and material are placed in the chamber;
V L1 , V L2 - fluid volumes for pressure P 1 and P 2 , respectively.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000103519/28A RU2172942C1 (en) | 2000-02-15 | 2000-02-15 | Method measuring porosity and method measuring distribution of pores according to sizes |
AU2001237844A AU2001237844A1 (en) | 2000-02-15 | 2001-02-14 | Method for measuring a physical parameter of a porous material |
PCT/RU2001/000059 WO2001061306A2 (en) | 2000-02-15 | 2001-02-14 | Method for measuring a physical parameter of a porous material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000103519/28A RU2172942C1 (en) | 2000-02-15 | 2000-02-15 | Method measuring porosity and method measuring distribution of pores according to sizes |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2172942C1 true RU2172942C1 (en) | 2001-08-27 |
Family
ID=48228283
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000103519/28A RU2172942C1 (en) | 2000-02-15 | 2000-02-15 | Method measuring porosity and method measuring distribution of pores according to sizes |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2172942C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2543698C1 (en) * | 2011-02-28 | 2015-03-10 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Analysis of petrographic images for detection of capillary pressure in porous media |
CN108458945A (en) * | 2018-06-27 | 2018-08-28 | 吉林大学 | A kind of porosity of porous material measuring device and its control method |
-
2000
- 2000-02-15 RU RU2000103519/28A patent/RU2172942C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2543698C1 (en) * | 2011-02-28 | 2015-03-10 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Analysis of petrographic images for detection of capillary pressure in porous media |
CN108458945A (en) * | 2018-06-27 | 2018-08-28 | 吉林大学 | A kind of porosity of porous material measuring device and its control method |
CN108458945B (en) * | 2018-06-27 | 2023-11-17 | 吉林大学 | Porous material porosity measuring device and control method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ahmed et al. | Pore sizes and strength of compacted clay | |
Vachaud et al. | Effects of air pressure on water flow in an unsaturated stratified vertical column of sand | |
Danielson et al. | Porosity | |
Bishop et al. | Some aspects of effective stress in saturated and partly saturated soils | |
Lacasse et al. | Triaxial testing methods for soils | |
Webb | Volume and density determinations for particle technologists | |
US8413488B2 (en) | Measuring procedure and measuring device for measuring physical quantities of non-compressible media | |
US20050216223A1 (en) | Method of evaluating the capillary pressure curve of an underground deposit rocks based on rock cuttings measurements | |
Winslow | Advances in experimental techniques for mercury intrusion porosimetry | |
Milatz et al. | A new simple shear apparatus and testing method for unsaturated sands | |
Adams et al. | Air volume change measurement in unsaturated soil testing using a digital pressure-volume controller | |
Hughes et al. | The effect of pressure on the reduction of pore volume of consolidated sandstones | |
Nagpal et al. | Pore size distributions of soils from mercury intrusion porosimeter data | |
RU2172942C1 (en) | Method measuring porosity and method measuring distribution of pores according to sizes | |
US4170129A (en) | Method of determining pore volume distribution of a powder sample by mercury intrusion | |
Penumadu et al. | Strain-rate effects in pressuremeter testing using a cuboidal shear device: experiments and modeling | |
US2874565A (en) | Porosimeter and method of measuring porosity | |
RU2181883C1 (en) | Procedure measuring permeability | |
Perroux et al. | Wetting moisture characteristic curves derived from constant‐rate infiltration into thin soil samples | |
Yamamuro et al. | B-value measurements for granular materials at high confining pressures | |
SU1661627A1 (en) | Method for determining ground filtration coefficient | |
Davison et al. | Continuous loading oedometer testing of soils | |
Di Mariano et al. | Retention curves and 1-D behaviour of a compacted tectonised unsaturated clay | |
Pirjalili et al. | Experimental study on the coefficient of lateral earth pressure in unsaturated soils | |
Collis-George et al. | The effect of height of sample and confinement on the moisture characteristic of an aggregated swelling clay soil |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060216 |