RU2181883C1 - Procedure measuring permeability - Google Patents
Procedure measuring permeability Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Abstract
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:
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:
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
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;
- сжимаемость βж жидкости определяли по кривой барической зависимости объема жидкости от давления по формуле
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=(Р2+Р1)/2 - среднее давление жидкости в камере;
- деформируемость βs материала определяли по формуле
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,
Vl 1 - 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
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=(p2+р1)/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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
В соответствии с законом Дарси для случая ламинарного течения жидкости 4 через торцевые поверхности образца материала 3
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
where ΔP is the pressure drop at the ends of the sample of
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 = LUρ/ηs - 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
Re <1, where Re = LU ρ / η s is the Reynolds number, U is the velocity of the
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
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
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=(р2+р1)/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:
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
where α is the parameter of the geometric dimensions of the
η v is the bulk viscosity of the liquid.
Переходя к аналитической форме математического выражения (2), получим
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
where ΔV is the volume of
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
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 необходимо учесть поправки, обусловленные этими факторами.Since when the
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)
βж,βs - 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
ΔV W = β W • V W • ΔP, (5)
ΔV m - correction due to the deformability of the
ΔV m = β s • V s • ΔP, (6)
β W , β s - compressibility of the
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:
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
where V L is the volume of
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
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 *),
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
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
Тогда с учетом формул (5), (7), для давлений ΔP = P2-P1:
Величину Vl 1 можно определить по формуле
Vl 1=(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 Vl 1/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 :
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
Подставляя полученное значение ΔVж из формулы (9) в формулу (8), получим для деформации ΔVм образца материала 3
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:
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:
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
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
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
This formula is valid when slowly squeezing the
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
α = α 0 • [1 + 1/3 • β s (P cp ) • ΔP], (14)
where β s is the compressibility of the
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
где σ1,σ2 - 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
where σ 1 , σ 2 - pressure values at two speeds of isothermal compression and the same values of the volume of the
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
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
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
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
2) the deformation of the
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
6) placing the
7) measuring the time dependence of volume and pressure when indenting
8) determination of the pressure of the complete filling of the pores of
9) determining the moment when the pores of
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
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
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
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
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
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
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
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
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
where ΔV is the volume of
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
ΔV W = β W • V W • ΔP,
ΔV m = β s • V m • ΔP,
V W - the volume of
V m - the volume of
η ν is the bulk viscosity of the liquid 4 at P cf ,
α is the parameter of the geometric dimensions of the
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
d is the average grain size of the
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:
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
When Re v ≤10 -13, the speed of the rod 12 is ~ 1 mm / s, in this case a laminar flow of
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
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
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)
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
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.
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= (Р2+Р1)/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
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.
где Рср= (Р2+Р1)/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;
Vl 1 - 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
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.
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 .
α (Pср) = α0•[1+1/3•βs(Pср)•ΔP],
где Рср= (р1+р2)/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.
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= (р2+р1)/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
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.
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= (р2+р1)/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
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.
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)
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 |
-
2001
- 2001-02-09 RU RU2001103622/28A patent/RU2181883C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
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 ("weight increment") | |
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 |