RU2181883C1 - Procedure measuring permeability - Google Patents

Procedure measuring permeability Download PDF

Info

Publication number
RU2181883C1
RU2181883C1 RU2001103622/28A RU2001103622A RU2181883C1 RU 2181883 C1 RU2181883 C1 RU 2181883C1 RU 2001103622/28 A RU2001103622/28 A RU 2001103622/28A RU 2001103622 A RU2001103622 A RU 2001103622A RU 2181883 C1 RU2181883 C1 RU 2181883C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pressure
liquid
volume
pores
chamber
Prior art date
Application number
RU2001103622/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.Н. Белоненко
В.М. Троицкий
ев Ю.Э. Бел
Ю.Э. Беляев
Original Assignee
Белоненко Владимир Николаевич
Троицкий Владимир Михайлович
Беляев Юрий Эдуардович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Белоненко Владимир Николаевич, Троицкий Владимир Михайлович, Беляев Юрий Эдуардович filed Critical Белоненко Владимир Николаевич
Priority to RU2001103622/28A priority Critical patent/RU2181883C1/en
Priority to AU2001237844A priority patent/AU2001237844A1/en
Priority to PCT/RU2001/000059 priority patent/WO2001061306A2/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2181883C1 publication Critical patent/RU2181883C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measurement of permeability of materials under conditions of volumetric filtration. SUBSTANCE: procedure includes measurement of initial volume of material, placement of material into chamber with liquid, rise of pressure in chamber to force liquid into material, replacement of gas present in pores of material, measurement of time of replacement of gas by liquid, measurement of volume of liquid forced into material. Then permeability of material under conditions of volumetric filtration is found with due account of additional corrections related to compressibility of liquid and deformability of material, parameter of geometric dimensions and value of volume viscosity. EFFECT: increased accuracy and speed of measurement of permeability. 17 cl, 10 dwg \

Description

Изобретение относится к исследованию физических характеристик твердых тел и может быть использовано при измерении проницаемости материалов в условиях объемной фильтрации. The invention relates to the study of the physical characteristics of solids and can be used to measure the permeability of materials in volumetric filtration.

Известен способ измерения проницаемости материалов, находящихся непосредственно внутри углеводородного пласта [1]. A known method of measuring the permeability of materials located directly inside the hydrocarbon reservoir [1].

Этот способ заключается в измерении давления пластовой жидкости Pf, создании гидродинамического возмущения в пластовой жидкости путем подачи жидкости в специальную скважину с фиксированными размерами в первый период времени с расходом Q1, измерении давления P1 жидкости по истечении первого периода времени, создании второго гидродинамического возмущения в пластовой жидкости путем подачи жидкости во второй период времени с расходом Q2, измерении давления P2 к концу второго периода времени, определении значения вязкости жидкости в пласте и последующем расчете горизонтальной и вертикальной проницаемости.This method consists in measuring the pressure of the reservoir fluid P f , creating a hydrodynamic disturbance in the reservoir fluid by supplying the fluid to a special well with fixed dimensions in the first period of time with a flow rate of Q 1 , measuring the pressure P 1 of the fluid after the first period of time, creating a second hydrodynamic disturbance in formation fluid through the fluid in the second time period at a rate Q 2, the pressure measurement P 2 to the end of the second time period, determining the values of viscosity of the liquid in plas e and the subsequent calculation of the horizontal and vertical permeability.

К ограничениям способа можно отнести низкую точность определения проницаемости, обусловленную невозможностью определения параметра сдвиговой вязкости непосредственно с помощью этого способа, использование значений вязкости, полученных применением других методик, и последующий расчет проницаемости. The limitations of the method include the low accuracy of determining permeability due to the inability to determine the shear viscosity parameter directly using this method, the use of viscosity values obtained using other methods, and the subsequent calculation of permeability.

Известен способ измерения проницаемости материалов при нестационарном потоке [2]. A known method of measuring the permeability of materials in an unsteady flow [2].

Этот способ заключается в размещении образца керна в камере с замкнутым фиксированным объемом, составляющим приблизительно объем, равный 1-4 объема порового пространства образца, обжиме образца по боковой поверхности для исключения эффекта проскальзывания газа, подведении к одному из концов этого керна флюида (обычно газа) при фиксированном давлении, измерении временной зависимости нарастания давления на другом конце керна и расчете проницаемости. This method consists in placing a core sample in a chamber with a closed fixed volume of approximately 1-4 times the volume of the pore space of the sample, crimping the sample along the side surface to eliminate the effect of gas slipping, applying fluid (usually gas) to one of the ends of this core. at a fixed pressure, measuring the time dependence of the pressure rise at the other end of the core and calculating the permeability.

Ограничением этого способа является длительность измерения, обусловленная тем, что для корректного использования расчетной формулы необходимо производить измерение временной зависимости нарастания давления на другом конце керна до тех пор, пока возрастание давления не будет происходить с инкрементом менее 0,06 МПа. The limitation of this method is the measurement duration, due to the fact that for the correct use of the calculation formula, it is necessary to measure the time dependence of the pressure increase at the other end of the core until the pressure increases with an increment of less than 0.06 MPa.

Другим ограничением способа является недостаточная его точность, что обусловлено необходимостью при аппроксимации экспериментальной зависимости давления вводить большое количество свободных параметров. Кроме того, при подсчете проницаемости необходимо знать сдвиговую вязкость используемого флюида при заданных давлениях, информация о величине которой не всегда имеется. Another limitation of the method is its insufficient accuracy, which is due to the need to introduce a large number of free parameters when approximating the experimental pressure dependence. In addition, when calculating the permeability, it is necessary to know the shear viscosity of the fluid used at given pressures, information on the value of which is not always available.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения проницаемости, включающий измерение первоначального объема материала, размещение материала в камере с жидкостью, увеличение давления в камере для вдавливания жидкости в материал и замещения находящегося в порах материала газа, измерение времени замещения газа жидкостью, измерение объема вдавленной в материал жидкости, определение проницаемости [3]. The closest in technical essence and the achieved result is a method of measuring permeability, 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 and replacing the gas in the pores of the material, measuring the time of gas replacement with liquid, measuring volume of fluid pressed into the material, determination of permeability [3].

Этот способ заключается в помещении материала в камеру, заполненную жидкостью, приложении к жидкости фиксированного давления 50 ат с тем, чтобы вызвать замещение газа в порах материала жидкостью, измерении времени, необходимого для замещения газа в порах материала жидкостью, и измерении объема жидкости, необходимого для такого замещения. This method consists in placing the material in a chamber filled with liquid, applying a fixed pressure of 50 atm to the liquid in order to cause gas to replace the material in the pores of the liquid, measuring the time required to replace the gas in the pores of the material with liquid, and measuring the volume of liquid necessary for such a substitution.

Ограничением способа является возможность только грубой оценки проницаемости образцов материалов по времени заполнения пор. Указанный недостаток обусловлен тем, что заполнение пор образца происходит при непостоянном расходе и непостоянном перепаде давления, что позволяет только приблизительно использовать при расчетах линейный закон фильтрации Дарси:

Figure 00000002

где Q = ΔV/Δt - объемный расход жидкости, ΔV - объем профильтрованной жидкости за время Δt, ηs - сдвиговая вязкость жидкости, ΔP - перепад давления, L - длина материала, F - площадь поперечного сечения образца материала. Перепад давления ΔP в этом техническом решении задается в 50 ат и поддерживается вручную, что трудно осуществить на практике с высокой точностью.The limitation of the method is the possibility of only a rough estimate of the permeability of the samples of materials by the time of filling the pores. This drawback is due to the fact that the filling of the pores of the sample occurs at a variable flow rate and a variable pressure drop, which allows only approximately to use the linear Darcy filtering law in calculations:
Figure 00000002

where Q = ΔV / Δt is the volumetric flow rate of the liquid, ΔV is the volume of the filtered liquid over the time Δt, η s is the shear viscosity of the liquid, ΔP is the pressure drop, L is the length of the material, F is the cross-sectional area of the material sample. The pressure drop ΔP in this technical solution is set at 50 atm and is maintained manually, which is difficult to implement in practice with high accuracy.

Другим ограничением способа является необходимость использования образцов материалов с большими габаритными размерами. Объемы образцов варьировались от 6 до 25 см3, и, как следствие, возникает потребность в больших количествах ртути, используемой в качестве жидкости для заполнения пор.Another limitation of the method is the need to use samples of materials with large overall dimensions. The volumes of the samples ranged from 6 to 25 cm 3 , and, as a result, there is a need for large quantities of mercury, used as a liquid to fill the pores.

Следующим ограничением способа является то, что при расчете проницаемости kпр используется величина расхода жидкости без учета ее сжимаемости, а также сжимаемости материала, что вносит значительную погрешность в измеряемую величину расхода жидкости Q и соответственно проницаемости.A further limitation of the method is that when calculating the permeability k pr , the liquid flow rate is used without taking into account its compressibility, as well as the compressibility of the material, which introduces a significant error in the measured liquid flow rate Q and, accordingly, permeability.

Действительно, при давлении 50 ат как сама жидкость, так и материал испытывают всестороннее сжатие. Следовательно, в измеренный объем жидкости при заполнении порового пространства материала необходимо вносить соответствующие поправки. Indeed, at a pressure of 50 atm, both the liquid itself and the material undergo comprehensive compression. Therefore, in the measured volume of liquid when filling the pore space of the material, it is necessary to make appropriate corrections.

Другое существенное ограничение состоит в том, что момент полного заполнения пор в известном способе не определяется. В известном техническом решении полагают, что при давлениях 50 ат все поры материала уже заполнены. Поэтому в известном способе расход жидкости при заполнении пор материала определяется по объему жидкости, вдавленной в материал при давлении 50 ат. Однако для большинства материалов полное заполнение пор происходит при величинах давлений, значительно меньших значения 50 ат, или для ограниченного числа материалов при давлениях больших, чем 50 ат. В результате, при определении объема жидкости, необходимой для заполнения пор, а значит, и расхода жидкости Q вносится значительная ошибка. Another significant limitation is that the moment of complete filling of the pores in the known method is not determined. In the known technical solution, it is believed that at pressures of 50 atm all the pores of the material are already filled. Therefore, in the known method, the flow rate of the liquid when filling the pores of the material is determined by the volume of liquid pressed into the material at a pressure of 50 atm. However, for most materials, the pores are completely filled at pressures significantly less than 50 atm, or for a limited number of materials at pressures greater than 50 atm. As a result, a significant error is introduced in determining the volume of fluid needed to fill the pores, and hence the flow rate of fluid Q.

Следующим существенным ограничением известного способа является то, что при расчете проницаемости материала используется сдвиговая вязкость ηs фильтруемой жидкости; при этом, во-первых, не учитывается ее зависимость от давления, а во-вторых, при реализации способа происходит объемное вдавливание (сжатие) жидкости в материал образца. При реализации способа в условиях объемного сжатия в расчетных формулах должна фигурировать объемная вязкость жидкости ην, величина которой практически всегда значительно больше величины сдвиговой вязкости ηs. Во всех перечисленных способах величина ην объемной вязкости при определении проницаемости не учитывалась.Another significant limitation of the known method is that when calculating the permeability of the material used shear viscosity η s of the filtered fluid; in this case, firstly, its dependence on pressure is not taken into account, and secondly, when the method is implemented, there is a volumetric indentation (compression) of the liquid into the sample material. When implementing the method under conditions of volume compression, the volumetric viscosity of the liquid η ν , the value of which is almost always significantly greater than the shear viscosity η s, should appear in the calculation formulas. In all of the above methods, the value η ν of bulk viscosity was not taken into account when determining permeability.

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, - повышение точности, экспрессности измерений проницаемости образцов материалов. The technical result that can be obtained by implementing the inventive method is to increase the accuracy and speed of measuring the permeability of samples of materials.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в способе измерения проницаемости, включающем измерение первоначального объема материала, размещение материала в камере с жидкостью, увеличение давления в камере для вдавливания жидкости в материал и замещения находящегося в порах материала газа, измерение времени замещения газа жидкостью, измерение объема вдавленной в материал жидкости, определение проницаемости материала, согласно изобретению перед размещением материала в камере с жидкостью в ней размещают эту жидкость, увеличивают давление в камере и измеряют сжимаемость жидкости, увеличивают давление в камере при двух различных скоростях изотермического сжатия для измерения объемной вязкости жидкости и ее барической зависимости, после размещения материала в камере увеличивают давление в камере при изотермическом вдавливании жидкости в материал, при измерении объема вдавленной в материал жидкости одновременно измеряют временную характеристику изменения давления и барическую зависимость объема жидкости с нахождением в них точки перегиба, по которой определяют момент полного заполнения пор материала жидкостью, временную зависимость изменения объема жидкости для определения расхода жидкости, после полного заполнения пор материала жидкостью дополнительно увеличивают давление в камере и измеряют деформируемость материала, учитывают в измеренном объеме жидкости дополнительные поправки, связанные с сжимаемостью жидкости и деформируемостью материала соответственно, определяют параметр геометрических размеров материала, определяют проницаемость материала в условиях объемной фильтрации жидкости с учетом дополнительных поправок, параметра геометрических размеров и величины объемной вязкости в диапазоне давлений до величины давления полного заполнения пор материала жидкостью. To solve the problem with the achievement of the specified technical result in a method of measuring permeability, 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 and replacing the gas in the pores of the material, measuring the time of gas replacement with liquid, measuring the volume of liquid pressed into the material, determining the permeability of the material according to the invention before placing the material in a chamber with liquid in it they place this liquid, increase the pressure in the chamber and measure the compressibility of the liquid, increase the pressure in the chamber at two different isothermal compression rates to measure the bulk viscosity of the liquid and its pressure dependence, after placing the material in the chamber, increase the pressure in the chamber when the isothermal indentation of the liquid into the material, measuring the volume of liquid pressed into the material, simultaneously measure the temporal response of the pressure change and the baric dependence of the volume of the liquid with t inflection points, which determine the moment when the material pores are completely filled with liquid, the time dependence of the change in the liquid volume to determine the liquid flow rate, after the material pores are completely filled with liquid, they additionally increase the pressure in the chamber and measure the deformability of the material, take into account additional corrections related to compressibility in the measured liquid volume fluid and deformability of the material, respectively, determine the parameter of the geometric dimensions of the material, determine the permeability of the material in terms of volume of fluid filter according to additional amendments, and geometrical dimensions of the parameter values of the bulk viscosity in the range of pressures to a pressure value of the total pore filling with liquid material.

При осуществлении изобретения возможны дополнительные варианты реализации способа, в которых целесообразно, чтобы:
- изотермическое вдавливание жидкости в материал производили при постоянном расходе жидкости;
- изотермическое вдавливание жидкости в материал производили при расходах, обеспечивающих ламинарное течение жидкости в материале;
- изотермическое вдавливание жидкости в материал производили при расходах, обеспечивающих турбулентное течение жидкости в материале;
- изотермическое вдавливание жидкости в материал и дополнительное увеличение давления производили при постоянной скорости изменения давления в камере;
- изотермическое вдавливание жидкости в материал и дополнительное увеличение давления производили скачкообразно;
- момент t* полного заполнения пор определяли по точке перегиба на временной зависимости производной давления ∂P/∂t при вдавливании жидкости в материал;
- давление Р* полного заполнения пор определяли по точке перегиба на барической зависимости производной от объема жидкости ∂V/∂t при вдавливании ее в материал;
- после полного заполнения пор материала жидкостью 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;
- объемную вязкость жидкости определяли по формуле

Figure 00000003

где σ12 - значения давлений для двух скоростей изотермического сжатия, соответственно, при одинаковых значениях объема камеры,
∂/∂t(ΔV/V)1, ∂/∂t(ΔV/V)2 - значения скоростей изменения деформации жидкости для двух скоростей изотермического сжатия, соответственно, при одинаковых значениях объема камеры;
- сжимаемость βж жидкости определяли по кривой барической зависимости объема жидкости от давления по формуле
Figure 00000004

где VL - объем жидкости при давлении Рср,
ΔVL - изменение объема жидкости при изменении давления на ΔP, где ΔP = P2-P1 - из всего диапазона измерения,
Pср=(Р21)/2 - среднее давление жидкости в камере;
- деформируемость βs материала определяли по формуле
Figure 00000005

где Pср= (P2+P1)/2 - среднее давление жидкости в камере из диапазона давлений, больших давления Р* полного заполнения пор,
Vs - объем материала при атмосферном давлении Рat,
ΔP(ΔP = P2-P1) - приращение давления, при давлениях P1 и Р2, соответственно, больших давления Р* полного заполнения пор,
ΔVм - деформируемость материала при увеличении давления на ΔP,
VΣ1,VΣ2 - суммарные объемы, включающие объем жидкости и объем помещенного в нее материала, при давлениях P1 и Р2, соответственно, из диапазона давлений, больших давления Р* полного заполнения пор,
Vl1 - объем жидкости при давлении P1, когда в камере размещены жидкость и материал,
VL1, VL2 - объемы жидкости для давлений P1 и Р2 соответственно, когда в камере размещена только жидкость;
- параметр α0 геометрических размеров образца материала определяли при атмосферном давлении по формуле α0= S0/Vs, где
S0 - площадь поверхности материала при атмосферном давлении Рat,
Vs - объем материала при атмосферном давлении Pat;
- барическую зависимость параметра геометрических размеров α для материала определяли по формуле
α(Pcp) = α0•[1+1/3•βs(Pcp)•ΔP],
где Pср=(p1+p2)/2 - среднее давление жидкости в камере для давлений p1, р2, меньших давления Р* полного заполнения пор,
βs - сжимаемость материала при давлении Рср, полученная аппроксимацией барической зависимости βs/ в диапазон давлений, меньших давления Р* полного заполнения пор,
ΔP(ΔP = p2-p1) - приращение давления за промежуток времени Δt;
- проницаемость kpr материала при ламинарном течении жидкости определяли по формуле
Figure 00000006

где ΔV - объем жидкости, вдавленной в поры за время Δt при изменении давления на ΔP, где ΔP = (p2-p1) - приращение давления за тот же промежуток времени Δt из диапазона давлений, меньших давления Р* полного заполнения пор,
Рср=(p21)/2 - среднее давление в промежутке времени Δt,
ΔVn= ΔVж+ΔVм - поправка на объем жидкости, вдавленной в поры при изменении давления на ΔP, обусловленная сжимаемостью ΔVж жидкости и деформируемостью ΔVм материала,
ΔVж= βж•Vж•ΔP,
ΔVм= βs•Vм•ΔP,
Vж - объем жидкости при Рср,
Vм - объем материала при Рср, Vм= Vs•[1-βs(Pcp)•ΔP],
ην - объемная вязкость жидкости при Рср,
α - параметр геометрических размеров материала при Рср,
- проницаемость kpr материала при турбулентном течении жидкости определяли из формулы
Figure 00000007

где ΔV - объем жидкости, вдавленной в поры за время Δt при изменении давления на ΔP, где ΔP = (p2-p1) - приращение давления за тот же промежуток времени Δt из диапазона давлений, меньших давления Р* полного заполнения пор,
Рср=(р2+p1)/2 - среднее давление в промежутке времени Δt,
ΔVn = ΔVж+ΔVм - поправка на объем жидкости, вдавленной в поры при изменении давления на ΔP, обусловленная сжимаемостью ΔVж жидкости и деформируемостью ΔVм материала,
ΔVж= βж•Vж•ΔP,
ΔVм= βs•Vм•ΔP,
Vж - объем жидкости при Рср,
Vм - объем материала при Рср, Vм= Vs•[1-βs(Pcp)•ΔP],
ην - объемная вязкость жидкости при Рср,
α - параметр геометрических размеров материала при Рср,
ρ - плотность жидкости при среднем давлении Рср, выбирается из справочных данных,
m - пористость материала, выбирается из справочных данных,
d - средний размер зерен материала, выбирается из справочных данных;
- определяли барическую зависимость проницаемости материала.When carrying out the invention, additional embodiments of the method are possible, in which it is advisable that:
- isothermal indentation of the liquid into the material was carried out at a constant flow rate;
- isothermal indentation of the liquid into the material was carried out at a flow rate ensuring a laminar flow of liquid in the material;
- isothermal indentation of the liquid into the material was carried out at a flow rate ensuring a turbulent flow of liquid in the material;
- isothermal indentation of the liquid into the material and an additional increase in pressure was performed at a constant rate of change in pressure in the chamber;
- isothermal indentation of the liquid into the material and an additional increase in pressure were made stepwise;
- the time t * of the full filling of the pores was determined by the inflection point on the time dependence of the pressure derivative ∂P / ∂t when the liquid is pressed into the material;
- pressure P * of the full filling of the pores was determined by the inflection point on the baric dependence of the derivative on the volume of the liquid ∂V / ∂t when it is pressed into the material;
- after complete filling of the pores of the material with liquid, the pressure in the chamber was additionally increased to a value exceeding the pressure of the full filling of pores by at least 5 times;
- an additional increase in pressure in the chamber was made up to pressures of 300 MPa;
- bulk viscosity of the liquid was determined by the formula
Figure 00000003

where σ 1 , σ 2 - pressure values for two isothermal compression rates, respectively, for the same values of the chamber volume,
∂ / ∂t (ΔV / V) 1 , ∂ / ∂t (ΔV / V) 2 are the values of the fluid deformation rate for two isothermal compression rates, respectively, at the same chamber volume;
- compressibility β W fluid was determined by the curve of the baric dependence of the fluid volume on pressure by the formula
Figure 00000004

where V L is the volume of liquid at a pressure P cf ,
ΔV L is the change in liquid volume when the pressure changes by ΔP, where ΔP = P 2 -P 1 - from the entire measurement range,
P cf = (P 2 + P 1 ) / 2 - the average pressure of the liquid in the chamber;
- deformability β s of the material was determined by the formula
Figure 00000005

where P cf = (P 2 + P 1 ) / 2 - the average pressure of the liquid in the chamber from the pressure range, large pressure P * full filling of the pores,
V s - the volume of the material at atmospheric pressure P at
ΔP (ΔP = P 2 -P 1 ) is the pressure increment, at pressures P 1 and P 2 , respectively, large pressure P * full filling of pores,
ΔV m - deformability of the material with increasing pressure by ΔP,
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, from a pressure range greater than pressure P * full filling of pores,
V l 1 - the volume of liquid at a pressure P 1 when liquid and material are placed in the chamber,
V L1 , V L2 - liquid volumes for pressures P 1 and P 2, respectively, when only liquid is placed in the chamber;
- parameter α 0 of the geometric dimensions of the material sample was determined at atmospheric pressure according to the formula α 0 = S 0 / V s , where
S 0 - the surface area of the material at atmospheric pressure P at
V s is the volume of the material at atmospheric pressure P at ;
- the pressure dependence of the geometric dimension parameter α for the material was determined by the formula
α (P cp ) = α 0 • [1 + 1/3 • β s (P cp ) • ΔP],
where P cf = (p 1 + p 2 ) / 2 is the average pressure of the liquid in the chamber for pressures p 1 , p 2 lower than the pressure P * full filling of the pores,
β s is the compressibility of the material at a pressure P cr obtained by approximating the pressure dependence β s / in the pressure range lower than the pressure P * of the full filling of pores,
ΔP (ΔP = p 2 -p 1 ) is the pressure increment over the period of time Δt;
- the permeability k pr of the material in the laminar flow of liquid was determined by the formula
Figure 00000006

where ΔV is the volume of fluid pressed into the pores during the time Δt when the pressure changes by ΔP, where ΔP = (p 2 -p 1 ) is the pressure increment for the same time period Δt from the pressure range smaller than the pressure P * of the full filling of the pores,
P cf = (p 2 + p 1 ) / 2 - average pressure in the time interval Δt,
ΔV = ΔV n + ΔV w m - correction amount of fluid forced back into the pores when the pressure on ΔP, ΔV due to the compressibility of the fluid and g m ΔV deformability of the material,
ΔV W = β W • V W • ΔP,
ΔV m = β s • V m • ΔP,
V W - the volume of fluid at P cf ,
V m - the volume of material at R cf. , V m = V s • [1-β s (P cp ) • ΔP],
η ν is the bulk viscosity of the liquid at P cf ,
α is the parameter of the geometric dimensions of the material at R cf ,
- the permeability k pr of the material in a turbulent fluid flow was determined from the formula
Figure 00000007

where ΔV is the volume of fluid pressed into the pores during the time Δt when the pressure changes by ΔP, where ΔP = (p 2 -p 1 ) is the pressure increment for the same time period Δt from the pressure range smaller than the pressure P * of the full filling of the pores,
P cf = (p 2 + p 1 ) / 2 - average pressure in the time interval Δt,
ΔV = ΔV n + ΔV w m - correction amount of fluid forced back into the pores when the pressure on ΔP, ΔV due to the compressibility of the fluid and g m ΔV deformability of the material,
ΔV W = β W • V W • ΔP,
ΔV m = β s • V m • ΔP,
V W - the volume of fluid at P cf ,
V m - the volume of material at R cf. , V m = V s • [1-β s (P cp ) • ΔP],
η ν is the bulk viscosity of the liquid at P cf ,
α is the parameter of the geometric dimensions of the material at R cf ,
ρ is the density of the liquid at an average pressure P cf , is selected from the reference data,
m is the porosity of the material, is selected from the reference data,
d is the average grain size of the material, is selected from the reference data;
- determined the baric dependence of the permeability of the material.

За счет вдавливания жидкости в поровое пространство материала в реальном масштабе времени, определения сжимаемости жидкости и деформируемости материала, а также объемной вязкости жидкости, по характеру временных и барических зависимостей изменения объема жидкости с помещенным в нее материалом и временных зависимостей давления при вдавливании удалось решить поставленную задачу с достижением технического результата. Due to the indentation of the fluid into the pore space of the material in real time, the determination of the compressibility of the fluid and the deformability of the material, as well as the bulk viscosity of the fluid, by the nature of the time and pressure dependences of the change in the volume of the fluid with the material placed in it and the time dependences of pressure during indentation, it was possible to solve the problem with the achievement of the technical result.

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.

Фиг.1 изображает устройство для осуществления заявленного способа;
фиг. 2 - барическая зависимость суммарного объема жидкости в процессе вдавливания в поры материала;
фиг.3 - временная зависимость изменения объема жидкости в процессе вдавливания в поры материала;
фиг.4 - временная зависимость давления жидкости в процессе вдавливания в поры материала;
фиг. 5 - временная зависимость производной давления в процессе вдавливания в поры материала;
фиг. 6 - барическая зависимость производной суммарного объема в процессе вдавливания в поры материала;
фиг. 7 - барические зависимости относительного объема жидкости при двух скоростях изотермического сжатия;
фиг. 8 - временные зависимости относительного объема жидкости при двух скоростях изотермического сжатия;
фиг. 9 - зависимости скорости изменения деформации жидкости от относительного объема жидкости при двух скоростях изотермического сжатия;
фиг.10 - барическая зависимость объемной вязкости жидкости.
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;
figure 3 - time dependence of changes in the volume of fluid in the process of pressing into the pores of the material;
figure 4 - time dependence of the fluid pressure in the process of pressing into the pores of the material;
FIG. 5 - time dependence of the derivative of pressure 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 - baric dependence of the relative volume of the liquid at two isothermal compression rates;
FIG. 8 - time dependences of the relative volume of the liquid at two isothermal compression rates;
FIG. 9 - dependences of the rate of change of the fluid deformation on the relative volume of the fluid at two isothermal compression rates;
figure 10 - baric dependence of the bulk viscosity of the liquid.

Устройство (фиг.1) для осуществления заявленного способа содержит камеру 1 с помещенным в нее через герметично закрывающуюся крышку 2 образцом материала 3, заполняющую камеру 1 жидкость 4, датчики объема 5, давления б и температуры 7. Система для создания давления состоит из последовательно подключенных исполнительного устройства 8 с управляемым входом, электродвигателя 9, редуктора 10, цилиндра высокого давления 11 со штоком 12, поступательное перемещение которого через узел уплотнений 13 обеспечивает подъем давления в 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, управляет работой исполнительного устройства 8 и задает необходимые условия: скорость сжатия жидкости 4, частоту съема экспериментальных точек в режиме реального времени. The device (Fig. 1) for implementing the claimed method comprises a chamber 1 with a sample of material 3 placed in it through a hermetically sealed cover 2, a liquid 4 filling the chamber 1, volume 5, pressure b, and temperature sensors 7. A pressure generating system consists of series-connected an actuator 8 with a controlled input, an electric motor 9, a gearbox 10, a high-pressure cylinder 11 with a rod 12, the translational movement of which through the seal assembly 13 provides a pressure increase in the chamber 1. The device has a data receiving unit 14, to the input of which signals from sensors 5, 6, 7 are supplied, and the first output is connected to the data processing unit 15. The diagram also shows: a differentiating device 16 for differentiating time dependences of the volume and pressure from block 14, an information display unit 17 and a block 18 that synchronizes the operation of the entire device, controls the operation of the actuator 8 and sets the necessary conditions: liquid compression rate 4, removal rate experimental points in real time.

Вращательное движение шагового двигателя 9 через редуктор 10 преобразуется в поступательное движение штока 12. Количество шагов двигателя на один оборот вала составляет 50000. Линейное перемещение штока за один оборот вала двигателя - 2 мм. Таким образом, минимальное линейное перемещение штока двигателя за один шаг составляет 0,04 мкм. В результате такого управления работой двигателя давление в камере 1 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 дискретными скачками, приводящими к дискретньм изменениям объема жидкости 4 при вдавливании в поры материала 3. Кроме того, может быть реализован такой режим сжатия, при котором обеспечиваются изотермические условия. Поскольку в блок обработки данных 15 вводятся данные о температуре, то за счет введения обратной связи сжатие жидкости 4 можно производить с автоматической регулировкой скорости сжатия и обеспечить за счет этого изотермические условия процесса сжатия (To=const).The rotational movement of the stepper motor 9 through the gearbox 10 is converted into the translational motion of the rod 12. The number of motor steps per revolution of the shaft is 50,000. The linear movement of the rod per revolution of the motor shaft is 2 mm. Thus, the minimum linear displacement of the motor rod in one step is 0.04 microns. As a result of this control of the engine, the pressure in the chamber 1 can vary with a constant or variable speed from 0.1 MPa / s to 57 MPa / s, volume from 10 -3 mm 3 / s to 30 mm 3 / s, as well as discrete jumps leading to discrete changes in the volume of liquid 4 when pressed into the pores of the material 3. In addition, such a compression mode can be realized in which isothermal conditions are ensured. Since temperature data are entered into the data processing unit 15, due to the introduction of feedback, the compression of the liquid 4 can be carried out with automatic adjustment of the compression rate and due to this isothermal conditions of the compression process (T o = const).

Процесс измерения проницаемости производится следующим способом. The process of measuring permeability is performed as follows.

Камера 1 заполняется жидкостью 4 и при фиксированной температуре проводится измерение в реальном масштабе времени зависимости объема жидкости V от давления Р в интересующем диапазоне давлений. Полученные данные удобно представлять в виде зависимости относительного объема V/VL (V - текущий объем при данном давлении Р, VL - начальный объем жидкости 4 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 20oС показан на фиг.2, кривая 1.The chamber 1 is filled with liquid 4 and, at a fixed temperature, a measurement is made in real time of the dependence of the volume of liquid V on pressure P in the pressure range of interest. It is convenient to present the data obtained in the form of a dependence of the relative volume V / V L (V is the current volume at a given pressure P, V L is the initial volume of liquid 4 at atmospheric pressure equal to the volume V k of chamber 1, V L = V k ) on pressure or from time. An example of such a dependence for kerosene in the pressure range up to 50 MPa and a temperature of 20 o C is shown in figure 2, curve 1.

Если в камере 1, содержащей жидкость 4 (см.фиг.1), поместить образец материала 3 известных размеров и произвести измерения барической и временной зависимости суммарного объема жидкости 4 с помещенным в нее образцом (начальный объем жидкости V1 в данном случае равен объему сосуда высокого давления Vк за вычетом объема образца Vs:V1=Vк-Vs), то из полученных данных можно получить информацию о проницаемости образца материала 3. Характерный пример полученной зависимости относительного суммарного объема жидкости 4 с погруженным в нее образцом материала 3 от давления изображен на фиг.2, кривая 2. В качестве жидкости 4 использовался также керосин при температуре 20oС.If in a chamber 1 containing liquid 4 (see Fig. 1), place a sample of material 3 of known sizes and measure the pressure and time dependence of the total volume of liquid 4 with the sample placed in it (the initial volume of liquid V 1 in this case is equal to the volume of the vessel of the high pressure V k minus the volume of the sample V s : V 1 = V k -V s ), then from the obtained data one can obtain information on the permeability of the sample of material 3. A typical example of the obtained dependence of the relative total volume of the liquid 4 with the mat sample immersed in it rial 3 from the pressure shown in figure 2, curve 2. As the liquid 4 was also used kerosene at a temperature of 20 o C.

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 4. Резкое падение относительного объема на кривой 2 обусловлено заполнением пор материала 3 жидкостью 4. При дальнейшем повышении давления сверх 3 МПа зависимость относительного суммарного объема VΣ от давления выходит на плавную пологую кривую, что говорит о том, что поровое пространство материала 3 уже заполнено жидкостью 4 и при дальнейшем повышении давления происходит только сжатие жидкости 4 и самого материала 3 как целого под действием сил гидростатического давления. Используя зависимости, представленные на кривых 1 и 2, а также зависимости, представленные на фиг.3-6, можно вычислить с высокой точностью проницаемость образца.From figure 2 it can be seen that there is a significant difference between curves 1 and 2, namely: for curve 2 there is a sharp drop in the relative volume in the initial section of the curve. At pressures greater than 3 MPa, the dependence of the relative volume goes to a smooth curve similar to curve 1 for liquid 4. A sharp drop in the relative volume on curve 2 is due to the filling of the pores of material 3 with liquid 4. With a further increase in pressure over 3 MPa, the dependence of the relative total volume V Σ from pressure goes to a smooth gentle curve, which indicates that the pore space of material 3 is already filled with liquid 4 and with a further increase in pressure, only liquid 4 and material 3 are compressed to the whole under the influence of hydrostatic pressure forces. Using the dependencies shown in curves 1 and 2, as well as the dependencies shown in FIGS. 3-6, the permeability of the sample can be calculated with high accuracy.

В соответствии с законом Дарси для случая ламинарного течения жидкости 4 через торцевые поверхности образца материала 3

Figure 00000008

где ΔP - перепад давления на торцах образца материала 3 длиной L, ΔV - объем жидкости 4, профильтрованный через образец за время Δt, Δt - время фильтрации, S - площадь поперечного сечения образца материала 3, ηs - сдвиговая вязкость.In accordance with Darcy's law for the case of laminar flow of fluid 4 through the end surfaces of a sample of material 3
Figure 00000008

where ΔP is the pressure drop at the ends of the sample of material 3 with a length L, ΔV is the volume of liquid 4 filtered through the sample during Δt, Δt is the filtration time, S is the cross-sectional area of the sample of material 3, η s is the shear viscosity.

Обычно при измерении проницаемости используют установившийся стационарный режим, при котором расход ΔV/Δt, среднее давление в образце материала 3 Pср, а также перепад давления ΔP постоянны во времени (стационарные условия). В этом случае используется образец цилиндрической или прямоугольной формы, фильтрация жидкости 4 осуществляется через торцы образца и в формуле (1) используется значение сдвиговой вязкости ηs. Этот режим соответствует ламинарному течению жидкости 4 и реализуется при небольших скоростях фильтрации, удовлетворяющих условию
Re<1, где Re = LUρs - число Рейнольдса, U - скорость течения жидкости 4, ρ - плотность жидкости 4.
Typically, when measuring permeability, a steady-state stationary mode is used, in which the flow rate ΔV / Δt, the average pressure in the material sample is 3 P cf , and the pressure drop ΔP is constant in time (stationary conditions). In this case, a cylindrical or rectangular sample is used, the liquid 4 is filtered through the ends of the sample, and the shear viscosity η s is used in formula (1). This mode corresponds to the laminar flow of fluid 4 and is realized at low filtration rates that satisfy the condition
Re <1, where Re = LU ρ / η s is the Reynolds number, U is the velocity of the fluid 4, ρ is the density of the fluid 4.

Существенным отличием предлагаемого способа по сравнению с существующими является то, что, во-первых, в предлагаемом способе используется объемная фильтрация жидкости 4 в поровый объем материала 3 через всю поверхность материала 3, а не через торцы. Во-вторых, эта фильтрация происходит в условиях непрерывно возрастающего давления от атмосферного Pat до давления Р* полного заполнения пор. В третьих, поскольку режим вдавливания сопровождается сжатием жидкости 4 и погруженного в нее материала 3, то при измерении расхода жидкости 4 можно учесть поправки, обусловленные сжимаемостью жидкости 4 и деформируемостью материала 3, а также подставить в расчетную формулу вместо сдвиговой вязкости ηs объемную вязкость ην. Кроме того, можно учесть барическую зависимость объемной вязкости ην при сжатии жидкости 4 до давления Р* полного заполнения пор материала 3.A significant difference of the proposed method compared to the existing ones is that, firstly, the proposed method uses volumetric filtration of the liquid 4 into the pore volume of the material 3 through the entire surface of the material 3, and not through the ends. Secondly, this filtration occurs under conditions of a continuously increasing pressure from atmospheric P at to pressure P * of complete filling of the pores. Thirdly, since the indentation mode is accompanied by compression of the liquid 4 and the material 3 immersed in it, when measuring the flow rate of the liquid 4, it is possible to take into account the corrections due to the compressibility of the liquid 4 and the deformability of the material 3, and also substitute the shear viscosity η s in the calculation formula for shear viscosity η s ν . In addition, it is possible to take into account the baric dependence of the bulk viscosity η ν when the liquid 4 is compressed to a pressure P * of completely filling the pores of the material 3.

Зависимости (фиг. 2-6) позволяют определить величину проницаемости для любого давления Рср из интервала давлений от атмосферного Pat до Р*. Вначале определяют давление Р* полного заполнения пор и момент t* полного заполнения пор.Dependencies (Fig. 2-6) allow us to determine the permeability for any pressure P cf from the pressure range from atmospheric P at to P *. First, the pressure P * of the full filling of the pores and the moment t * of the full filling of the pores are determined.

Как отмечалось выше, на кривой фиг.2 имеется характерный излом, который указывает на окончание заполнения пор жидкостью 4. Пусть Р* - давление полного заполнения пор; при этом давлении происходит резкое изменение характера барической зависимости относительного суммарного объема (см. фиг.2, кривая 2). Эта точка может быть также определена по излому на временной зависимости давления (см. фиг.4), по скачку первой производной зависимости давления от времени (см. фиг.5) или первой производной барической зависимости суммарного объема (см. фиг. 6). Так, для фиг.2 величина Р* равна приблизительно 3 МПа (ΔP = P*-Pat). Величина относительного суммарного объема V * Σ /VL, соответствующая давлению Р*, дает информацию об объеме жидкости ΔV, профильтрованной в поры. Действительно, произведение начального суммарного объема жидкости VL на величину изменения относительного суммарного объема [1-V * Σ /VL] равно объему ΔV жидкости 4, профильтрованной в поры, при перепаде давления ΔP = P*-Pat. Время фильтрации t*, затрачиваемое на полное заполнение пор жидкостью 4, легко определить из фиг.4 или фиг.5.As noted above, on the curve of figure 2 there is a characteristic kink that indicates the end of the filling of the pores with liquid 4. Let P * be the pressure of the full filling of pores; at this pressure, a sharp change in the nature of the pressure dependence of the relative total volume occurs (see figure 2, curve 2). This point can also be determined by a kink in the time dependence of pressure (see Fig. 4), by a jump in the first derivative of the pressure versus time (see Fig. 5) or in the first derivative of the pressure dependence of the total volume (see Fig. 6). So, for figure 2, the value of P * is approximately 3 MPa (ΔP = P * -P at ). The value of the relative total volume V * Σ / V L , corresponding to pressure P *, gives information about the volume of fluid ΔV filtered into the pores. Indeed, the product of the initial total fluid volume V L by the amount of change in the relative total volume [1-V * Σ / V L ] is equal to the volume ΔV of the liquid 4 filtered into the pores, with a pressure drop ΔP = P * -P at . The filtration time t * spent on completely filling the pores with the liquid 4 is easily determined from FIG. 4 or FIG. 5.

После нахождения давления Р* и момента t* полного заполнения пор временную зависимость изменения объема жидкости 4 (фиг.3) разбивают на дискретные интервалы времени Δtj в промежутке от 0 до t*. Этим дискретным интервалам времени Δtj соответствуют изменения объема ΔVj (фиг.3). Из временной зависимости давления (фиг.4) определяют дискретные перепады давлений ΔPj для средних давлений Pcpj(Pcpj=(р21)/2, где p1, p2 - давления из интервала давлений от атмосферного Pat до Р*), соответствующие указанным выше интервалам времени Δtj.
Подставляя полученные величины в формулу (1) для условия объемной фильтрации жидкости 4 в поры материала 3, получим формулу вычислений проницаемости при конкретном давлении Pcpj:

Figure 00000009

где α - параметр геометрических размеров материала 3,
ηv - объемная вязкость жидкости.After finding the pressure P * and the moment t * when the pores are completely filled, the time dependence of the change in the volume of liquid 4 (Fig. 3) is divided into discrete time intervals Δt j in the interval from 0 to t *. These discrete time intervals Δt j correspond to changes in the volume ΔV j (Fig.3). From the time dependence of the pressure (Fig. 4), discrete pressure drops ΔP j are determined for the average pressures P cpj (P cpj = (p 2 + p 1 ) / 2, where p 1 , p 2 are the pressures from the pressure range from atmospheric P at to P *) corresponding to the above time intervals Δt j .
Substituting the obtained values into formula (1) for the condition of volumetric filtration of liquid 4 into the pores of material 3, we obtain the formula for calculating the permeability at a specific pressure P cpj :
Figure 00000009

where α is the parameter of the geometric dimensions of the material 3,
η v is the bulk viscosity of the liquid.

Переходя к аналитической форме математического выражения (2), получим

Figure 00000010

где ΔV - объем жидкости 4, профильтрованный при вдавливании за время Δt при изменении давления на ΔP(ΔP = p2-p1 - приращение давления за тот же промежуток времени Δt, p1, p2 - давления из диапазона от атмосферного Pat до давления Р*,
Pср=(p2+p1)/2 - среднее давление в промежутке времени Δt,
ην - объемная вязкость жидкости 4 при данном среднем давлении Рср,
α - - параметр геометрических размеров материала 3 при среднем давлении Рср.Passing to the analytical form of mathematical expression (2), we obtain
Figure 00000010

where ΔV is the volume of liquid 4 filtered during indentation during the time Δt when the pressure changes by ΔP (ΔP = p 2 -p 1 is the pressure increment for the same period of time Δt, p 1 , p 2 is the pressure from the atmospheric P at to pressure P *,
P cf = (p 2 + p 1 ) / 2 - average pressure in the time interval Δt,
η ν is the bulk viscosity of the liquid 4 at a given average pressure P cf ,
α - is the parameter of the geometric dimensions of the material 3 at an average pressure P cf.

Так как при вдавливании жидкости 4 в поры материала 3 изменение объема жидкости 4 происходит не только за счет заполнения пор, но и за счет сжимаемости самой жидкости 4 и деформируемости материала 3, то в объеме жидкости ΔV, профильтрованном при вдавливании, за время

Figure 00000011
необходимо учесть поправки, обусловленные этими факторами.Since when the liquid 4 is pressed into the pores of the material 3, the change in the volume of the liquid 4 occurs not only due to the filling of the pores, but also due to the compressibility of the liquid 4 itself and the deformability of the material 3, then in the liquid volume ΔV filtered during the pressing, during
Figure 00000011
corrections due to these factors must be taken into account.

Поправка на профильтрованный в поры объем жидкости ΔVп при данном среднем давлении Рср, обусловленная сжимаемостью жидкости ΔVж и деформируемостью материала ΔVм, рассчитывается по формуле
ΔVn = ΔVж+ΔVм, (4)
где ΔVж - поправка, обусловленная сжимаемостью жидкости 4 и определяемая по формуле
ΔVж = βж•Vж•ΔP, (5)
ΔVм - поправка, обусловленная деформируемостью материала 3 и определяемая по формуле
ΔVм = βs•Vs•ΔP, (6)
βжs - сжимаемость жидкости 4 и материала 3 соответственно; Vж, Vs - объем жидкости 4 и материала 3 соответственно.
The correction for the fluid volume ΔV p filtered into the pores at a given average pressure P cf , due to the compressibility of the fluid ΔV w and the deformability of the material ΔV m , is calculated by the formula
ΔV n = ΔV w + ΔV m , (4)
where ΔV W - correction due to the compressibility of the liquid 4 and determined by the formula
ΔV W = β W • V W • ΔP, (5)
ΔV m - correction due to the deformability of the material 3 and determined by the formula
ΔV m = β s • V s • ΔP, (6)
β W , β s - compressibility of the fluid 4 and material 3, respectively; V W , V s - the volume of liquid 4 and material 3, respectively.

Предлагаемый способ позволяет определить указанные выше поправки. The proposed method allows to determine the above amendments.

Значение βж определяется из экспериментальных данных по сжатию для случая, когда камера 1 заполнена только жидкостью 4 (фиг.2, кривая 1). В этом случае выражение для сжимаемости жидкости βж будет рассчитываться так:

Figure 00000012

где VL - объем жидкости 4 при заполнении камеры 1 только жидкостью 4 (кривая 1, фиг.2).The value of β g is determined from the experimental data on compression for the case when the chamber 1 is filled only with liquid 4 (figure 2, curve 1). In this case, the expression for the compressibility of the liquid β W will be calculated as follows:
Figure 00000012

where V L is the volume of liquid 4 when filling the chamber 1 only with liquid 4 (curve 1, figure 2).

И, следовательно, подставляя βж из формулы (7) в формулу (5), определяем поправку, обусловленную сжимаемостью жидкости ΔVж.
Из формулы (6) следует, что для нахождения поправки, обусловленной деформируемостью материала 3 необходимо знать его сжимаемость βs. Эта величина может быть получена обработкой результатов измерений (фиг.2, кривая 2).
And, therefore, substituting β g from formula (7) into formula (5), we determine the correction due to the compressibility of the liquid ΔV g .
From formula (6) it follows that in order to find the correction due to the deformability of material 3, it is necessary to know its compressibility β s . This value can be obtained by processing the measurement results (figure 2, curve 2).

После заполнения пор (при давлениях выше Р*) кривая 2 дает суммарное изменение объема жидкости 4 (начальное значение объема V1 жидкости) и объема материала 3 (начальное значение объема Vs образца материала 3). Используем два близких значения давления P1 и Р2 с небольшой разницей давлений между ними ΔP в диапазоне давлений между Р* и Рмах (фиг.2). Пусть VL1, VL2 - объемы жидкости 4 при давлениях P1 и Р2 соответственно для 1-й кривой (фиг.2) - случай, при котором вся камера 1 объемом Vk заполняется жидкостью 4, Vl1, Vl2 - объемы жидкости 4 при давлениях P1 и Р2 соответственно для случая, когда камера 1 заполняется жидкостью 4 и содержит в себе образец материала 3, a VΣ1,VΣ2 - суммарные объемы, включающие объем жидкости 4 и объем помещенного в нее образца материала 3 при давлениях P1 и Р2 соответственно, как это представлено на фиг.2, кривая 2.After filling the pores (at pressures above P *), curve 2 gives the total change in the volume of liquid 4 (initial value of volume V 1 of liquid) and volume of material 3 (initial value of volume V s of sample material 3). We use two close pressure values P 1 and P 2 with a small pressure difference between them ΔP in the pressure range between P * and P max ( figure 2). Let V L1 , V L2 be the volumes of liquid 4 at pressures P 1 and P 2 for the 1st curve, respectively (Fig. 2) is the case in which the entire chamber 1 with a volume of V k is filled with liquid 4, V l1 , V l2 are the volumes liquid 4 at pressures P 1 and P 2, respectively, for the case when the chamber 1 is filled with liquid 4 and contains a sample of material 3, and V Σ1 , V Σ2 are the total volumes, including the volume of liquid 4 and the volume of the sample of material 3 placed in it at pressures P 1 and P 2, respectively, as shown in figure 2, curve 2.

Абсолютная деформация комбинированной среды ΔVΣ (жидкость 4 с помещенным в нее образцом материала 3) равна (фиг.2, кривая 2):
ΔVΣ |VΣ2-VΣ1| = ΔVж+ΔVм, (8)
где ΔVж = V12-V11, ΔVм = Vs2-Vs1, где Vs1,Vs2 - объем образца материала 3 при давлении P1, Р2 соответственно.
The absolute deformation of the combined medium ΔV Σ (liquid 4 with a sample of material 3 placed in it) is equal to (figure 2, curve 2):
ΔV Σ | V Σ2 -V Σ1 | = ΔV w + ΔV m , (8)
where ΔV W = V 12 -V 11 , ΔV m = V s2 -V s1 , where V s1 , V s2 is the volume of the sample of material 3 at a pressure of P 1 , P 2, respectively.

Тогда с учетом формул (5), (7), для давлений ΔP = P2-P1:

Figure 00000013

Величину Vl1 можно определить по формуле
Vl1=(1-Vs/VL)•VL1. (10)
Действительно, при сжатии отношение текущего объема жидкости 4 к начальному объему одинаково при равных давлениях и не зависит от начального объема жидкости 4 (то есть от того, какая часть камеры 1 заполнена жидкостью 4). Поэтому отношение VL1/VL (для случая, когда весь объем камеры 1 заполнен жидкостью 4) равно отношению Vl1/Vl (для случая, когда в жидкость 4 камеры 1 погружен образец материала 3). Тогда с учетом соотношения Vl=VL-Vs получаем формулу (10).Then, taking into account formulas (5), (7), for pressures ΔP = P 2 -P 1 :
Figure 00000013

The value of V l 1 can be determined by the formula
V l 1 = (1-V s / V L ) • V L1 . (10)
Indeed, under compression, the ratio of the current volume of liquid 4 to the initial volume is the same at equal pressures and does not depend on the initial volume of liquid 4 (that is, on what part of chamber 1 is filled with liquid 4). Therefore, the ratio V L1 / V L (for the case when the entire volume of chamber 1 is filled with liquid 4) is equal to the ratio V l 1 / V l (for the case when a sample of material 3 is immersed in the liquid 4 of chamber 1). Then, taking into account the relation V l = V L −V s, we obtain formula (10).

Подставляя полученное значение ΔVж из формулы (9) в формулу (8), получим для деформации ΔVм образца материала 3

Figure 00000014

Таким образом, формулы (8)-(11) позволяют определить абсолютную деформацию ΔVм материала 3 в любом диапазоне гидростатического давления, а также сжимаемость материала 3 в соответствии с формулой (6) равна:
Figure 00000015

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить деформацию ΔVм материала 3, что используется в дальнейшем для уточнения окончательной величины проницаемости. Сжимаемость материала 3 можно определить по формуле (12) только для давлений Рср, больших давления Р* полного заполнения пор. В области давлений Рср, меньших давления Р* полного заполнения пор, используются значения βs, полученные аппроксимацией барической зависимости βs, рассчитанной по формуле (12). Кроме того, учитывая слабую зависимость βs от давления, в диапазоне от Pat до Р* можно принять значение βs равным βs(P*). После подстановки вычисленного значения βs в формулу (6) и далее в (4) и (3) получим уточненную формулу определения проницаемости материала 3:
Figure 00000016

Указанная формула справедлива при медленном вдавливании жидкости 4 в материал 3, т.е. при малых скоростях фильтрации в условиях ламинарного течения.Substituting the obtained value ΔV W from formula (9) into formula (8), we obtain for deformation ΔV m of material sample 3
Figure 00000014

Thus, formulas (8) - (11) make it possible to determine the absolute deformation ΔV m of material 3 in any range of hydrostatic pressure, as well as the compressibility of material 3 in accordance with formula (6) is equal to:
Figure 00000015

Thus, the proposed method allows to determine the deformation ΔV m of material 3, which is used in the future to clarify the final value of permeability. The compressibility of the material 3 can be determined by the formula (12) only for pressures P cf , large pressure P * full filling of the pores. In the range of pressures P cr lower than the pressure P * of the full filling of pores, the values of β s obtained by approximating the pressure dependence β s calculated by formula (12) are used. In addition, given the weak pressure dependence of β s , it is possible to take β s equal to β s (P * ) in the range from P at to P *. After substituting the calculated value of β s in the formula (6) and then in (4) and (3) we obtain an updated formula for determining the permeability of material 3:
Figure 00000016

This formula is valid when slowly squeezing the liquid 4 into the material 3, i.e. at low filtration rates under conditions of laminar flow.

Параметр геометрических размеров материала α в формуле (13) при атмосферных условиях будет равен отношению площади материала S0 к его объему Vs: α0 = S0/Vs, где S0 - площадь поверхности материала 3 при атмосферном давлении, Vs - объем материала 3 при атмосферном давлении. Так как фильтрация жидкости 4 в поровое пространство материала 3 происходит при увеличении давления от атмосферного до давления полного заполнения пор Р*, то необходимо учесть барическую зависимость параметра геометрических размеров материала α. Барическая зависимость параметра геометрических размеров α для изотропного материала 3 произвольной формы определяется по формуле
α = α0•[1+1/3•βs(Pcp)•ΔP], (14)
где βs - сжимаемость материала 3 при давлении Рср, определяемая по формуле (12).
The parameter geometric dimensions of the material α in formula (13) under atmospheric conditions will be equal to the ratio of the area of the material S 0 to its volume V s : α 0 = S 0 / V s , where S 0 is the surface area of the material 3 at atmospheric pressure, V s - volume of material 3 at atmospheric pressure. Since the filtration of liquid 4 into the pore space of material 3 occurs with increasing pressure from atmospheric to full filling pressure P *, it is necessary to take into account the pressure dependence of the parameter of the geometric dimensions of the material α. The pressure dependence of the geometric dimension parameter α for an isotropic material 3 of arbitrary shape is determined by the formula
α = α 0 • [1 + 1/3 • β s (P cp ) • ΔP], (14)
where β s is the compressibility of the material 3 at a pressure P cf determined by the formula (12).

Вместо сдвиговой вязкости ηs для предлагаемого способа должна использоваться объемная вязкость ην. Действительно, всестороннее сжатие жидкости 4 при заполнении пор материала 3 сопровождается диссипативными потерями, которые ассоциируются феноменологически с параметром объемной вязкости (см. Л. Д. Ландау, В. М. Лифшиц. Гидродинамика, М.: Наука, Т.6, 1988, 730 с.). Для определения объемной вязкости жидкости ην в камеру 1 помещают жидкость 4 и производят ее изотермическое сжатие при двух различных скоростях увеличения давления (см.фиг.7). Одновременно измеряются временные зависимости изменений объема жидкости 4 при сжатии (см.фиг.8) и определяются временные производные этих зависимостей при двух скоростях сжатия. Так, на фиг.8 представлены временные зависимости относительного объема жидкости 4 при двух скоростях сжатия: 0,7 МПа/с (кривая 1) и 7 МПа/с (кривая 2), а на фиг.9 - зависимости первых производных относительного объема жидкости 4 (скорости изменения объемной деформации) при двух скоростях сжатия от относительного объема (положения поступательно перемещающегося штока 12 в камере 1). Последующий расчет значений объемной вязкости ην и ее барической зависимости производится по формуле

Figure 00000017

где σ12 - значения давлений при двух скоростях изотермического сжатия и одинаковых значениях объема камеры 1; ∂/∂t(ΔV/V)1,∂/∂t(ΔV/V)2 - значения скоростей изменения деформации жидкости 4 при двух скоростях изотермического сжатия и одинаковых значениях объема камеры 1.Instead of shear viscosity η s for the proposed method should be used bulk viscosity η ν . Indeed, the comprehensive compression of liquid 4 when filling the pores of material 3 is accompanied by dissipative losses, which are phenomenologically associated with the bulk viscosity parameter (see L. D. Landau, V. M. Lifshits. Hydrodynamics, M .: Nauka, T.6, 1988, 730 s.). To determine the bulk viscosity of the fluid η ν , fluid 4 is placed in chamber 1 and isothermally compressed at two different pressure increase rates (see Fig. 7). At the same time, the time dependences of changes in the volume of liquid 4 under compression are measured (see Fig. 8) and the time derivatives of these dependencies are determined at two compression rates. So, Fig. 8 shows the time dependences of the relative volume of liquid 4 at two compression rates: 0.7 MPa / s (curve 1) and 7 MPa / s (curve 2), and Fig. 9 shows the dependences of the first derivatives of the relative volume of liquid 4 (rate of change of volumetric deformation) at two compression rates from the relative volume (position of the translationally moving rod 12 in the chamber 1). The subsequent calculation of the values of bulk viscosity η ν and its baric dependence is performed according to the formula
Figure 00000017

where σ 1 , σ 2 - pressure values at two speeds of isothermal compression and the same values of the volume of the chamber 1; ∂ / ∂t (ΔV / V) 1 , ∂ / ∂t (ΔV / V) 2 are the values of the rates of change of the deformation of fluid 4 at two speeds of isothermal compression and the same values of the volume of chamber 1.

Таким образом, измерение относительного объема жидкости 4 при различных скоростях изотермического сжатия в реальном масштабе времени позволяет рассчитать значение объемной вязкости жидкости 4 при любом Рср, рассчитать барическую зависимость объемной вязкости и использовать эти данные для корректного расчета проницаемости образцов материалов 3 по формуле (13).Thus, the measurement of the relative volume of liquid 4 at various isothermal compression rates in real time allows us to calculate the bulk viscosity of fluid 4 at any P cf , to calculate the pressure dependence of the bulk pressure and use this data to correctly calculate the permeability of samples of materials 3 by the formula (13) .

Как следует из формул (3)-(13), точность определения проницаемости материала 3 в основном определяется точностью определения объема жидкости V и давления Р. Точность определения V составляет ~10-3 мм3 и обеспечивается соответственно выбранным высоким разрешением датчика 5 объема, давления 6 и высокой точностью работы блока 15 обработки данных.As follows from formulas (3) - (13), the accuracy of determining the permeability of material 3 is mainly determined by the accuracy of determining the volume of liquid V and pressure R. The accuracy of determining V is ~ 10 -3 mm 3 and is ensured by the correspondingly selected high resolution of volume, pressure sensor 5 6 and high accuracy of the data processing unit 15.

Предлагается следующая последовательность операций при измерении проницаемости материала 3:
1) размещение жидкости 4 в камере 1 и измерение барической зависимости ее объема (кривая 1, фиг.2), определение сжимаемости жидкости βж и ее барической зависимости;
2) деформация жидкости 4 при двух циклах изотермического сжатия с небольшой и большой скоростью сжатия (фиг.7);
3) измерение временных зависимостей изменения объема при двух циклах изотермического сжатия жидкости 4 (фиг.8);
4) измерение скорости изменения деформации жидкости 4 в двух циклах изотермического сжатия (фиг.9) и подсчет объемной вязкости по формуле (15) (фиг.10);
5) измерение объема материала Vм и площади его поверхности S0 при атмосферных условиях, расчет параметра геометрических размеров материала 3 при атмосферном давлении;
6) помещение материала 3 в камеру 1 с жидкостью 4 и измерение барической зависимости объема вдавленной жидкости 4 (фиг.2, кривая 2). Определение сжимаемости материала βs по формуле (12);
7) измерение временной зависимости объема и давления при вдавливании жидкости 4 в поры материала 3 (фиг.3, 4);
8) определение давления полного заполнения пор материала 3 жидкостью Р* по точке перегиба на барической зависимости суммарного объема (фиг.2, кривая 2) или на барической зависимости скорости изменения объема (фиг.6);
9) определение момента полного заполнения пор материала 3 жидкостью t* на временной зависимости давления (фиг.4) или на временной зависимости производной давления ∂P/∂t (фиг.5);
10) разбиение временной зависимости давления (фиг.4) из интервала от Рat до Р* на дискретные участки ΔPj = (pj+1-pj), которым соответствуют дискретные отрезки времени Δtj из интервала от 0 до t* сек. Определяют среднее давление Рср=(pj+1+pj)/2 в каждом отрезке времени

Figure 00000018

11) разбивают временную зависимость объема жидкости (фиг.3) на такие же дискретные отрезки времени Δtj, которым соответствуют дискретные значения изменения объема ΔVj. Для данной операции можно использовать барическую зависимость объема (фиг.2), разбивая ее на те же, как и в пункте 10, дискретные участки ΔPj;
12) для каждого дискретного участка ΔPj по формулам (4)-(6) рассчитывается поправка ΔVn и параметр геометрических размеров α по формуле (14);
13) для каждого среднего значения Рср (из диапазона от Pat до Р*) и каждого интервала ΔPj рассчитывается значение проницаемости по формуле (13).The following sequence of operations is proposed for measuring the permeability of material 3:
1) the placement of the liquid 4 in the chamber 1 and the measurement of the pressure dependence of its volume (curve 1, figure 2), the determination of the compressibility of the liquid β W and its pressure dependence;
2) the deformation of the fluid 4 during two cycles of isothermal compression with a small and high compression rate (Fig.7);
3) measurement of time dependences of volume changes during two cycles of isothermal compression of a liquid 4 (Fig. 8);
4) measuring the rate of change of the deformation of the liquid 4 in two cycles of isothermal compression (Fig.9) and the calculation of bulk viscosity according to the formula (15) (Fig.10);
5) measurement of the volume of the material V m and its surface area S 0 under atmospheric conditions, calculation of the parameter of the geometric dimensions of the material 3 at atmospheric pressure;
6) placing the material 3 in the chamber 1 with the liquid 4 and measuring the pressure dependence of the volume of the pressed liquid 4 (figure 2, curve 2). Determination of the compressibility of the material β s according to the formula (12);
7) measuring the time dependence of volume and pressure when indenting fluid 4 into the pores of material 3 (Figs. 3, 4);
8) determination of the pressure of the complete filling of the pores of material 3 with liquid P * at the inflection point on the baric dependence of the total volume (Fig. 2, curve 2) or on the baric dependence of the rate of change of volume (Fig. 6);
9) determining the moment when the pores of material 3 are completely filled with liquid t * on the time dependence of pressure (Fig. 4) or on the time dependence of the derivative of pressure ∂P / ∂t (Fig. 5);
10) dividing the time dependence of pressure (Fig. 4) from the interval from P at to P * into discrete sections ΔP j = (p j + 1- p j ), which correspond to discrete time intervals Δt j from the interval from 0 to t * sec . Determine the average pressure P cf = (p j + 1 + p j ) / 2 in each time interval
Figure 00000018

11) divide the time dependence of the liquid volume (Fig. 3) into the same discrete time intervals Δt j , to which the discrete values of the volume change ΔV j correspond. For this operation, you can use the pressure dependence of the volume (figure 2), dividing it into the same, as in paragraph 10, discrete sections ΔP j ;
12) for each discrete section ΔP j using the formulas (4) - (6), the correction ΔV n and the geometric dimension parameter α are calculated by the formula (14);
13) for each average value of P cf (from the range from P at to P *) and each interval ΔP j , the permeability value is calculated by the formula (13).

При разбиении временной зависимости давления можно использовать вариант разбиения Р (из интервала от Pat до Р*) на равные отрезки ΔPj (в этом случае временные отрезки Δtj могут быть не обязательно равными) либо вариант разбиения t - времени (из интервала от 0 до t* сек) на равные отрезки. Во втором случае ΔPj могут оказаться неравными.When dividing the time dependence of pressure, you can use the option of dividing P (from the interval from P at to P *) into equal segments ΔP j (in this case, the time intervals Δt j may not necessarily be equal) or the option of dividing t - time (from the interval from 0 to t * sec) into equal segments. In the second case, ΔP j may turn out to be unequal.

Предлагаемый способ позволяет определять параметр Р*, при котором поры материала 3 полностью заполнены жидкостью 4, с высокой степенью точности по характерному излому на барической зависимости суммарного объема (фиг.2) или барической зависимости производной ∂V/∂t от суммарного объема (фиг.6), а также по моменту времени t* полного заполнения пор материала 3 жидкостью 4 (моменту времени t* однозначно соответствует давление Р* полного заполнения пор) на временной зависимости давления (фиг. 4), или по точке перегиба (резкого излома) на временной зависимости первой производной давления ∂P/∂t (фиг.5). The proposed method allows to determine the parameter P *, at which the pores of the material 3 are completely filled with liquid 4, with a high degree of accuracy by the characteristic fracture in the pressure dependence of the total volume (Fig. 2) or pressure dependence of the derivative ∂V / ∂t on the total volume (Fig. 6), as well as at the time t * of the complete filling of the pores of the material 3 with the liquid 4 (the time t * uniquely corresponds to the pressure P * of the full filling of the pores) on the time dependence of the pressure (Fig. 4), or at the inflection point (sharp break) at time curl imosti first ∂P / ∂t pressure derivative (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 Р*. Аналогично, блоком обработки данных 15 производится подсчет объема ΔVj жидкости 4, вдавленной в поры материала 3, поправки ΔVn на сжимаемость жидкости 4 и деформируемость материала 3, подсчет объемной вязкости, параметра геометрических размеров, а также окончательный подсчет проницаемости материала 3 по формуле (13) и выдача данных в табличной и графической форме на блок 17 отображения. Блок 18 синхронизирует работу устройства, управляет работой исполнительного устройства 8 и задает необходимые условия осуществления способа: скорость сжатия жидкости 4, частоту съема экспериментальных точек в режиме реального времени.The differentiating device 16 introduced to the input of the data processing unit 15 makes it possible to determine the moment t * with high accuracy from a characteristic break in the time dependence. The value of t * is sent to the data processing unit 15, in which P * is found. Similarly, the data processing unit 15 calculates the volume ΔV j of the liquid 4 pressed into the pores of the material 3, corrects ΔV n for the compressibility of the liquid 4 and the deformability of the material 3, calculates the bulk viscosity, the geometric dimension parameter, and also the final calculation of the permeability of the material 3 by the formula ( 13) and the issuance of data in tabular and graphical form on the display unit 17. Block 18 synchronizes the operation of the device, controls the operation of the actuator 8 and sets the necessary conditions for the implementation of the method: the compression rate of the liquid 4, the frequency of removal of experimental points in real time.

Сжимаемость жидкости 4 по формуле (7) определяется для данной жидкости 4 только один раз, а затем запоминается и используется блоком 15 обработки данных как константа для данной жидкости 4. The compressibility of the fluid 4 by the formula (7) is determined for a given fluid 4 only once, and then it is stored and used by the data processing unit 15 as a constant for this fluid 4.

Поскольку устройство (фиг.1) снабжено датчиком 7 температуры, то за счет автоматического регулирования можно увеличивать давление в камере 1 и/или дополнительно увеличивать давление в камере 1 со скоростью, обеспечивающей изотермическое вдавливания жидкости 4 в материал 3. Причем изотермическое вдавливание жидкости 4 в поры материала 3 можно производить при постоянном расходе, обеспечивающем как стационарную фильтрацию при малых расходах и отсутствии влияния ускорения потока при ламинарном течении, так и нестационарную фильтрацию при больших скоростях фильтрации и турбулентном течении жидкости 4. Кроме того, вдавливание жидкости 4 в поры можно производить при постоянной скорости увеличения давления, а также при скачкообразном изменении давления. Since the device (Fig. 1) is equipped with a temperature sensor 7, due to automatic control it is possible to increase the pressure in the chamber 1 and / or additionally increase the pressure in the chamber 1 at a speed that provides isothermal indentation of the liquid 4 into the material 3. Moreover, the isothermal indentation of the liquid 4 into the pores of material 3 can be produced at a constant flow rate, which provides both stationary filtration at low flow rates and the absence of the influence of flow acceleration in laminar flow, as well as non-stationary filtration at large lower filtration rates and turbulent flow of fluid 4. In addition, the indentation of fluid 4 into the pores can be performed at a constant rate of increase in pressure, as well as with a sudden change in pressure.

При малых скоростях фильтрации условие ламинарности заполнения пор жидкостью 4 соблюдается и для расчета проницаемости и ее барической зависимости используется формула (13). Барическая зависимость проницаемости рассчитывается только до давлений Р*, соответствующих полному заполнению пор. При давлениях, больших чем Р*, течение жидкости 4 в поры отсутствует. At low filtration rates, the condition of laminar filling of pores with liquid 4 is observed and formula (13) is used to calculate the permeability and its pressure dependence. The baric dependence of permeability is calculated only up to pressures P * corresponding to the full filling of pores. At pressures greater than P *, the flow of fluid 4 into the pores is absent.

При больших скоростях фильтрации, реализуемых при больших скоростях вдавливания жидкости 4 в поры (т.е. при больших расходах ΔV/Δt), формула (13) перестает быть справедливой, так как за счет ряда расширений и сужений потока жидкости 4 при заполнении порового пространства материала 3 возможны образования завихрений. В этом случае в предлагаемом способе используется двучленное уравнение фильтрации, аналогичное уравнению Рейнольдса в прямой трубе, но учитывающее объемную вязкость жидкости 4 и наличие объемной, а не линейной фильтрации, геометрию фильтрации. Проницаемость kpr определяют из формулы

Figure 00000019

где ΔV - объем жидкости 4 при вдавливании за время Δt при изменении давления на ΔP, где ΔP = (p2-p1) - приращение давления за тот же промежуток времени Δt из диапазона давлений, меньших давления Р* полного заполнения пор,
Pcp = (p2-p1)/2 - среднее давление в промежутке времени Δt,
ΔVn = ΔVж+ΔVм - поправка на объем жидкости 4, вдавленной в поры при изменении давления на ΔP, обусловленная сжимаемостью ΔVж жидкости 4 и деформируемостью ΔVм материала 3,
ΔVж = βж•Vж•ΔP,
ΔVм = βs•Vм•ΔP,
Vж - объем жидкости 4 при Рср,
Vм - объем материала 3 при Рср, Vм = Vs•[1-βs(Pcp)•ΔP],
ην - объемная вязкость жидкости 4 при Рср,
α - параметр геометрических размеров материала 3 при Рср,
ρ - плотность жидкости 4 при среднем давлении Рср, выбирается из справочных данных,
m - пористость материала 3, выбирается из справочных данных,
d - средний размер зерен материала 3, выбирается из справочных данных.At high filtration rates, which are realized at high rates of liquid 4 being pushed into the pores (i.e., at high ΔV / Δt flow rates), formula (13) ceases to be valid, since due to a number of expansions and narrowings of the liquid flow 4 when filling the pore space material 3 possible formation of twists. In this case, the proposed method uses a two-term filtration equation, similar to the Reynolds equation in a straight pipe, but taking into account the bulk viscosity of the liquid 4 and the presence of volumetric, rather than linear filtration, filtration geometry. The permeability k pr is determined from the formula
Figure 00000019

where ΔV is the volume of liquid 4 during indentation during the time Δt when the pressure changes by ΔP, where ΔP = (p 2 -p 1 ) is the pressure increment over the same time period Δt from the pressure range smaller than the pressure P * of the full filling of pores,
P cp = (p 2 -p 1 ) / 2 - average pressure in the time interval Δt,
ΔV n = ΔV W + ΔV m is the correction for the volume of liquid 4 pressed into the pores when the pressure changes by ΔP, due to the compressibility ΔV W of liquid 4 and deformability ΔV m of material 3,
ΔV W = β W • V W • ΔP,
ΔV m = β s • V m • ΔP,
V W - the volume of fluid 4 at P cf ,
V m - the volume of material 3 at P cf , V m = V s • [1-β s (P cp ) • ΔP],
η ν is the bulk viscosity of the liquid 4 at P cf ,
α is the parameter of the geometric dimensions of the material 3 at P cf ,
ρ is the density of the liquid 4 at an average pressure P cf , is selected from the reference data,
m is the porosity of the material 3, is selected from the reference data,
d is the average grain size of the material 3, is selected from the reference data.

По аналогии с течением жидкости 4 по трубам для условий вдавливания (течения) жидкости 4 в поры материала 3 вводится безразмерный коэффициент Rev (число Рейнольдса для объемного течения жидкости), характеризующий сопротивление потоку жидкости 4:

Figure 00000020

При Rev≤10-13 скорость движения штока 12 составляет ~ 1 мм/с, в этом случае реализуется ламинарное течение жидкости 4, и проницаемость рассчитывается по соответствующей формуле (13). При Rev>10-13 нарушается условие ламинарного вдавливания жидкости 4, и в этом случае необходимо пользоваться нелинейной формулой (16) определения проницаемости.By analogy with the flow of fluid 4 through pipes for the conditions of indentation (flow) of fluid 4, the dimensionless coefficient Re v (Reynolds number for the volume flow of fluid) is introduced into the pores of material 3, which characterizes the resistance to fluid flow 4:
Figure 00000020

When Re v ≤10 -13, the speed of the rod 12 is ~ 1 mm / s, in this case a laminar flow of liquid 4 is realized, and the permeability is calculated by the corresponding formula (13). When Re v > 10 -13, the condition of laminar indentation of fluid 4 is violated, and in this case it is necessary to use the nonlinear formula (16) for determining permeability.

В таблице представлены сравнительные данные измерения проницаемости заявленным способом и традиционным способом. The table presents comparative data on the measurement of permeability of the claimed method and the traditional method.

Результаты сравнения свидетельствуют о высокой точности предлагаемого способа. Следует заметить, что для повышения точности определения проницаемости и сокращения времени эксперимента лучше использовать жидкость 4, не смачивающую образец. При использовании смачивающей жидкости 4 материал 3 перед погружением в камеру 1 необходимо покрывать специальным гелем, который предохраняет образец от смачивания при атмосферном давлении, но обеспечивает фильтрацию жидкости 4 через поверхность материала 3 при увеличении давления выше атмосферного. Время эксперимента по измерению проницаемости предлагаемым способом значительно сокращается и составляет всего несколько минут в случае больших расходов. The comparison results indicate the high accuracy of the proposed method. It should be noted that to improve the accuracy of determining permeability and reduce the time of the experiment, it is better to use a liquid 4 that does not wet the sample. When using a wetting liquid 4, the material 3 must be coated with a special gel before immersion in the chamber 1, which protects the sample from wetting at atmospheric pressure, but allows the liquid 4 to be filtered through the surface of the material 3 with an increase in pressure above atmospheric. The time of the experiment for measuring permeability of the proposed method is significantly reduced and is only a few minutes in case of high costs.

Предлагаемый способ может быть также использован для измерения фазовой проницаемости частично насыщенных образцов. В этом случае материал 3 в течение некоторого времени частично насыщают первой жидкостью, например водой, и затем определяют фазовую проницаемость второй жидкости, например нефти, используя ее в качестве жидкости 4 для фильтрации в поры материала 3 в соответствии с указанным способом. The proposed method can also be used to measure the phase permeability of partially saturated samples. In this case, the material 3 is partially saturated for some time with the first liquid, for example water, and then the phase permeability of the second liquid, for example oil, is determined using it as a liquid 4 for filtering into the pores of the material 3 in accordance with the specified method.

Наиболее успешно заявленный способ измерения проницаемости может быть промышленно использован в геологии, в геофизике, в почвоведении при изучении процесса проницаемости глин, грунтов, в горной и нефтегазодобывающей промышленности при определении проницаемости горных пород, в строительстве, а также в других областях, в которых используются капиллярно-пористые среды. The most successfully claimed method of measuring permeability can be industrially used in geology, geophysics, soil science in studying the process of permeability of clays, soils, in the mining and oil and gas industry in determining the permeability of rocks, in construction, as well as in other areas in which capillary is used porous media.

Источники информации
1. Европейская заявка EP 0520903, E 21 B 49/00, опубл. 1992 г.
Sources of information
1. European application EP 0520903, E 21 B 49/00, publ. 1992

2. Заявка Великобритании 2127559, G 01 N 13/08, опубл. 1984 г. 2. Application of Great Britain 2127559, G 01 N 13/08, publ. 1984 year

3. Патент США 2327642, 73-38, опубл. 1943 г. 3. US patent 2327642, 73-38, publ. 1943

Claims (18)

1. Способ измерения проницаемости, включающий измерение первоначального объема материала, размещение материала в камере с жидкостью, увеличение давления в камере для вдавливания жидкости в материал и замещение находящегося в порах материала газа, измерение времени замещения газа жидкостью, измерение объема вдавленной в материал жидкости, определение проницаемости материала, отличающийся тем, что перед размещением материала в камере с жидкостью в ней размещают эту жидкость, увеличивают давление в камере и измеряют сжимаемость жидкости, увеличивают давление в камере при двух различных скоростях изотермического сжатия для измерения объемной вязкости жидкости и ее барической зависимости, после размещения материала в камере увеличивают давление в камере при изотермическом вдавливании жидкости в материал, при измерении объема вдавленной в материал жидкости одновременно измеряют временную характеристику изменения давления и барическую зависимость объема жидкости с нахождением в них точки перегиба, по которой определяют момент полного заполнения пор материала жидкостью, временную зависимость изменения объема жидкости для определения расхода жидкости, после полного заполнения пор материала жидкостью дополнительно увеличивают давление в камере и измеряют деформируемость материала, учитывают в измеренном объеме жидкости дополнительные поправки, связанные с сжимаемостью жидкости и деформируемостью материала соответственно, определяют параметр геометрических размеров материала, определяют проницаемость материала в условиях объемной фильтрации жидкости с учетом дополнительных поправок, параметра геометрических размеров и величины объемной вязкости в диапазоне давлений до величины давления полного заполнения пор материала жидкостью. 1. A method of measuring permeability, 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 and replacing the gas in the pores of the material, measuring the time it takes for the gas to replace the liquid, measuring the volume of liquid pressed into the material, determining the permeability of the material, characterized in that before placing the material in the chamber with the liquid in this fluid is placed in it, increase the pressure in the chamber and measure the compressibility of the fluid increase the pressure in the chamber at two different speeds of isothermal compression to measure the bulk viscosity of the liquid and its pressure dependence, after placing the material in the chamber, increase the pressure in the chamber when isothermally indenting the liquid into the material, while measuring the volume of the liquid pressed into the material, the temporal characteristic of the pressure change is simultaneously measured and the baric dependence of the liquid volume with finding the inflection point in them, by which the moment of complete filling of the pores of the liquid material is determined Accordingly, the time dependence of the change in the volume of the liquid to determine the liquid flow rate, 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; , determine the permeability of the material in terms of volumetric fluid filtration, taking into account additional amendments, parameter and geometric sizes and quantities of bulk viscosity in the range of pressures to a pressure value of the total pore filling with liquid material. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изотермическое вдавливание жидкости в материал производят при постоянном расходе жидкости. 2. The method according to p. 1, characterized in that the isothermal indentation of the liquid into the material is carried out at a constant flow rate. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изотермическое вдавливание жидкости в материал производят при расходах, обеспечивающих ламинарное течение жидкости в материале. 3. The method according to p. 1, characterized in that the isothermal indentation of the liquid into the material is carried out at a cost that provides a laminar flow of liquid in the material. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изотермическое вдавливание жидкости в материал производят при расходах, обеспечивающих турбулентное течение жидкости в материале. 4. The method according to p. 1, characterized in that the isothermal indentation of the liquid into the material is carried out at a cost that ensures a turbulent flow of liquid in the material. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изотермическое вдавливание жидкости в материал и дополнительное увеличение давления производят при постоянной скорости изменения давления в камере. 5. The method according to p. 1, characterized in that the isothermal indentation of the liquid into the material and an additional increase in pressure are produced at a constant rate of change of pressure in the chamber. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изотермическое вдавливание жидкости в материал и дополнительное увеличение давления производят скачкообразно. 6. The method according to p. 1, characterized in that the isothermal indentation of the liquid into the material and an additional increase in pressure are produced stepwise. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что момент t* полного заполнения пор определяют по точке перегиба на временной зависимости производной давления ∂P/∂t при вдавливании жидкости в материал.7. The method according to p. 1, characterized in that the moment t * of the full filling of the pores is determined by the inflection point on the time dependence of the pressure derivative ∂P / ∂t when the liquid is pressed into the material. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что давление Р* полного заполнения пор определяют по точке перегиба на барической зависимости производной от объема жидкости ∂V/∂t при вдавливании ее в материал.8. The method according to p. 1, characterized in that the pressure P * full filling of the pores is determined by the inflection point on the pressure dependence of the derivative of the volume of the liquid ∂V / ∂t when it is pressed into the material. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после полного заполнения пор материала жидкостью дополнительно увеличивают давление в камере до величины, превышающей величину давления полного заполнения пор не менее чем в 5 раз. 9. The method according to p. 1, characterized in that after the pores are completely filled with liquid, the pressure in the chamber is additionally increased to a value that exceeds the pore filled pressure by at least 5 times. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительное увеличение давления в камере производят до давлений 300 МПа. 10. The method according to p. 1, characterized in that the additional increase in pressure in the chamber is produced up to pressures of 300 MPa. 11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что объемную вязкость жидкости определяют по формуле
Figure 00000021

где σ1, σ2 - значения давлений для двух скоростей изотермического сжатия соответственно при одинаковых значениях объема камеры;
∂/∂t(ΔV/V)1, ∂/∂t(ΔV/V)2 - значения скоростей изменения деформации жидкости для двух скоростей изотермического сжатия соответственно при одинаковых значениях объема камеры.
11. The method according to p. 1, characterized in that the bulk viscosity of the liquid is determined by the formula
Figure 00000021

where σ 1 , σ 2 - pressure values for two isothermal compression rates, respectively, at the same chamber volume;
∂ / ∂t (ΔV / V) 1 , ∂ / ∂t (ΔV / V) 2 are the values of the fluid deformation rate for two isothermal compression rates, respectively, for the same chamber volume.
12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сжимаемость βж жидкости определяют по кривой барической зависимости объема жидкости от давления по формуле
Figure 00000022

где VL - объем жидкости при давлении Рср;
ΔVL - изменение объема жидкости при изменении давления на ΔP(ΔP = P2-P1), P1, P2 - из всего диапазона измерения давления;
Рср= (Р21)/2 - среднее давление жидкости в камере.
12. The method of claim. 1, characterized in that the fluid compressibility β w is determined by the pressure dependence of the liquid volume curve of pressure according to the formula
Figure 00000022

where V L is the volume of liquid at a pressure P cf ;
ΔV L is the change in the volume of the liquid when the pressure changes by ΔP (ΔP = P 2 -P 1 ), P 1 , P 2 - from the entire range of pressure measurement;
P cf = (P 2 + P 1 ) / 2 - the average pressure of the liquid in the chamber.
13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что деформируемость βs материала определяют по формуле
Figure 00000023

где Рср= (Р21)/2 - среднее давление жидкости в камере из диапазона давлений, больших давления Р* полного заполнения пор;
Vs - объем материала при атмосферном давлении Pat,
ΔP(ΔP = P2-P1) - приращение давления, при давлениях Р1 и Р2 соответственно, больших давления Р* полного заполнения пор;
ΔVм - деформируемость материала при увеличении давления на ΔP;
VΣ1, VΣ2 - суммарные объемы, включающие объем жидкости и объем помещенного в нее материала, при давлениях Р1 и Р2 соответственно, из диапазона давлений, больших давления Р* полного заполнения пор;
Vl1 - объем жидкости при давлении Р1, когда в камере размещена жидкость и материал;
VL1, VL2 - объемы жидкости для давлений Р1 и Р2 соответственно, когда в камере размещена только жидкость.
13. The method according to p. 1, characterized in that the deformability β s of the material is determined by the formula
Figure 00000023

where P cf = (P 2 + P 1 ) / 2 - the average pressure of the liquid in the chamber from the pressure range, large pressure P * full filling of pores;
V s - the volume of the material at atmospheric pressure P at
ΔP (ΔP = P 2 -P 1 ) is the pressure increment, at pressures P 1 and P 2, respectively, greater than pressure P * of the full filling of pores;
ΔV m - deformability of the material with increasing pressure by ΔP;
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, from a pressure range greater than pressure P * of full filling of pores;
V l 1 is the volume of liquid at a pressure of P 1 when liquid and material are placed in the chamber;
V L1 , V L2 - fluid volumes for pressures P 1 and P 2, respectively, when only liquid is placed in the chamber.
14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что параметр α0 геометрических размеров образца материала определяют при атмосферном давлении по формуле
α0 = S0/Vs,
где S0 - площадь поверхности материала при атмосферном давлении Рat;
Vs - объем материала при атмосферном давлении Рat.
14. The method according to p. 1, characterized in that the parameter α 0 the geometric dimensions of the sample material is determined at atmospheric pressure by the formula
α 0 = S 0 / V s ,
where S 0 is the surface area of the material at atmospheric pressure P at ;
V s - the volume of the material at atmospheric pressure P at .
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что барическую зависимость параметра геометрических размеров α для материала определяют по формуле
α (Pср) = α0•[1+1/3•βs(Pср)•ΔP],
где Рср= (р12)/2 - среднее давление жидкости в камере для давлений р1, р2, меньших давления Р* полного заполнения пор;
βs - сжимаемость материала при давлении Рср, полученная аппроксимацией барической зависимости βs в диапазон давлений, меньших давления Р* полного заполнения пор;
ΔP = (p2-p1) - приращение давления.
15. The method according to p. 14, characterized in that the pressure dependence of the parameter of geometric dimensions α for the material is determined by the formula
α (P cf ) = α 0 • [1 + 1/3 • β s (P cf ) • ΔP],
where P cf = (p 1 + p 2 ) / 2 - the average pressure of the liquid in the chamber for pressures p 1 , p 2 less than the pressure P * full filling of pores;
β s is the compressibility of the material at a pressure P cr obtained by approximating the pressure dependence β s to a pressure range lower than the pressure P * of the full filling of pores;
ΔP = (p 2 -p 1 ) is the pressure increment.
16. Способ по п. 3, отличающийся тем, что проницаемость kpr материала при ламинарном течении жидкости определяют по формуле
Figure 00000024

где ΔV - объем жидкости, вдавленной в поры материала за время Δt при изменении давления на ΔP, где ΔP = (p2-p1) - приращение давления за тот же промежуток времени Δt из диапазона давлений, меньших давления Р* полного заполнения пор;
Рср= (р21)/2 - среднее давление в промежутке времени Δt;
ΔVn = ΔVж+ΔVм - поправка на объем жидкости, вдавленной в поры при изменении давления на ΔP, обусловленная сжимаемостью ΔVж жидкости и деформируемостью ΔVм = материала;
ΔVж = βж•Vж•ΔP;
ΔVм = βs•Vм•ΔP;
Vж - объем жидкости при Рср;
Vм - объем материала при Рср, Vм = Vs•[1-βs(Pср)•ΔP];
ην - объемная вязкость жидкости при Рср;
Vs - объем материала при атмосферном давлении Pat;
α - параметр геометрических размеров материала при Рср.
16. The method according to p. 3, characterized in that the permeability k pr of the material during a laminar flow of liquid is determined by the formula
Figure 00000024

where ΔV is the volume of liquid pressed into the pores of the material during the time Δt when the pressure changes by ΔP, where ΔP = (p 2 -p 1 ) is the pressure increment for the same time period Δt from the pressure range smaller than the pressure P * of the full filling of the pores;
P cf = (p 2 + p 1 ) / 2 - average pressure in the time interval Δt;
ΔV = ΔV n + ΔV w m - correction amount of fluid forced back into the pores when the pressure on ΔP, ΔV due to the compressibility of the fluid and g m = ΔV deformability of the material;
ΔV W = β W • V W • ΔP;
ΔV m = β s • V m • ΔP;
V W - the volume of fluid at P cf ;
V m - the volume of material at R cf , V m = V s • [1-β s (P cf ) • ΔP];
η ν is the bulk viscosity of the liquid at P cf ;
V s is the volume of the material at atmospheric pressure P at ;
α is the parameter of the geometric dimensions of the material at R cf.
17. Способ по п. 4, отличающийся тем, что проницаемость kpr материала при турбулентном течении жидкости определяют из формулы
Figure 00000025

где ΔV - объем жидкости, вдавленной в поры материала за время Δt при изменении давления на ΔP, где ΔP = (p2-p1) - приращение давления за тот же промежуток времени Δt из диапазона давлений, меньших давления Р* полного заполнения пор;
Рср= (р21)/2 - среднее давление в промежутке времени Δt;
ΔVn = ΔVж+ΔVм - поправка на объем жидкости, вдавленной в поры при изменении давления на ΔP, обусловленная сжимаемостью ΔVж жидкости и деформируемостью ΔVm материала;
ΔVж = βж•Vж•ΔP;
ΔVм = βs•Vм•ΔP;
Vж - объем жидкости при Рср;
Vм - объем материала при Рср, Vм = Vs•[1-βs(Pср)•ΔP];
ην - объемная вязкость жидкости при Рср;
α - параметр геометрических размеров материала при Рср;
ρ - плотность жидкости при среднем давлении Рср, выбирается из справочных данных;
m - пористость материала, выбирается из справочных данных;
d - средний размер зерен материала, выбирается из справочных данных.
17. The method according to p. 4, characterized in that the permeability k pr of the material in a turbulent fluid flow is determined from the formula
Figure 00000025

where ΔV is the volume of liquid pressed into the pores of the material during the time Δt when the pressure changes by ΔP, where ΔP = (p 2 -p 1 ) is the pressure increment for the same time period Δt from the pressure range smaller than the pressure P * of the full filling of the pores;
P cf = (p 2 + p 1 ) / 2 - average pressure in the time interval Δt;
ΔV = ΔV n + ΔV w m - correction amount of fluid forced back into the pores when the pressure on ΔP, ΔV due to the compressibility of the fluid and g ΔV m deformability of the material;
ΔV W = β W • V W • ΔP;
ΔV m = β s • V m • ΔP;
V W - the volume of fluid at P cf ;
V m - the volume of material at R cf , V m = V s • [1-β s (P cf ) • ΔP];
η ν is the bulk viscosity of the liquid at P cf ;
α is the parameter of the geometric dimensions of the material at R cf ;
ρ is the density of the liquid at an average pressure P cf , is selected from the reference data;
m is the porosity of the material, is selected from the reference data;
d is the average grain size of the material, is selected from the reference data.
18. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют барическую зависимость проницаемости материала. 18. The method according to p. 1, characterized in that they determine the baric dependence of the permeability of the material.
RU2001103622/28A 2000-02-15 2001-02-09 Procedure measuring permeability RU2181883C1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001103622/28A RU2181883C1 (en) 2001-02-09 2001-02-09 Procedure measuring permeability
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
RU2001103622/28A RU2181883C1 (en) 2001-02-09 2001-02-09 Procedure measuring permeability

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2181883C1 true RU2181883C1 (en) 2002-04-27

Family

ID=20245805

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001103622/28A RU2181883C1 (en) 2000-02-15 2001-02-09 Procedure measuring permeability

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2181883C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2447424C2 (en) * 2006-09-19 2012-04-10 Экстрасолюшн С.Р.Л. Method and apparatus for measuring gas permeability through film or container walls
RU199066U1 (en) * 2019-12-09 2020-08-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) Cell for measuring the permeability of ionic electrolyte components through sheet materials

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2447424C2 (en) * 2006-09-19 2012-04-10 Экстрасолюшн С.Р.Л. Method and apparatus for measuring gas permeability through film or container walls
RU199066U1 (en) * 2019-12-09 2020-08-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) Cell for measuring the permeability of ionic electrolyte components through sheet materials

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20200072914A1 (en) Laboratory test device for permeation grouting of impermeable material
Murphy III Effects of partial water saturation on attenuation in Massilon sandstone and Vycor porous glass
CN1826455B (en) Downhole pv tests for bubble point pressure
US6223588B1 (en) Dew point and bubble point measurement
EP2256475A2 (en) Measuring procedure and measuring device for measuring physical quantities of non-compressible media
US4890482A (en) Method and apparatus for measuring fluid viscosity
US7779672B2 (en) Method and device for measuring the minimum miscibility pressure of two phases
JPH07198583A (en) Water permeability measuring apparatus and water permeability measuring method using the same
RU2181883C1 (en) Procedure measuring permeability
US5858791A (en) Method and device for the continuous measurement of variations in the overall saturation of a sample with incompressible immiscible fluids
US4170129A (en) Method of determining pore volume distribution of a powder sample by mercury intrusion
US20030164027A1 (en) Method for determining surface tension of a comminuted solid
Kulisiewicz et al. High-pressure rheological measurement methods: A review
Penumadu et al. Strain-rate effects in pressuremeter testing using a cuboidal shear device: experiments and modeling
RU2172942C1 (en) Method measuring porosity and method measuring distribution of pores according to sizes
RU2434223C1 (en) Method of measuring permeability of materials
CN111693676B (en) System and method for measuring bubble point pressure of crude oil in porous medium
EP0201118B1 (en) Method and apparatus for determining saturation and permeability of a rock sample using mercury capillary pressure curves
Sanyal et al. A novel liquid permeameter for measuring very low permeability
RU2216007C2 (en) Method measuring volume viscosity
RU2781413C1 (en) Method for determining the complex of petrophysical properties of a rock sample when modeling reservoir conditions
Read et al. Permeability measurement techniques under hydrostatic and deviatoric stress conditions
EP1445599B1 (en) U-tube rheometer for the dynamic measurement of elasticity
RU2396426C2 (en) Method for determination of oil well yield (&#34;weight increment&#34;)
US4272994A (en) Constant pressure apparatus and method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20050210