Р. Коллинз - Течения жидкостей через пористые материалы (1132348), страница 3
Текст из файла (страница 3)
1.32. Влияние на пористость консолидации н уплотнения Уплотнение — это процесс уменыпения объема под действием приложенного внешнего давления. Консолидацией называется процесс соединения элементов основного материала цементирующим веществом. У некоторых природных пористых тел, таких, как глины и илы, а также у волокнистых материалов типа сукна и бумаги уплотнение может вызывать значительные изменения пористости.
Напротив, пористость очень твердых материалов типа кварцевого песка меняется весьма мало даже под действием довольно болыпих давлений. Под действием очень высоких давлений все материалы испытывают некоторые необратимые изменения пористости вследствие деформации и разрушения зерен нли элементов основной породы, а иногда и вследствие перекристаллизации. Наиболее важным фактором, влияющим на пористость горных пород, является ихсцементированность. Полагают, что сцементированные осадочные породы возникли из рыхлых песков, подвергшихся значительной цементации в течение геологического периода.
Цемент, который преимущественно располагается в местах бывших контактов между зернами, в большинстве случаев удается отличить от первоначальных зерен материала по его химическому составу. 15 Заполнение порового пространства цементирующим материалом приводит к сильному понижению пористости. Сцементированными бывают также и искусственные пористые материалы. К ним относятся керамики, пеностекло, пенометаллы. Все это — материалы, подвергшиеся значительной консолидации под действием плавления. Среди всех встречающихся в природе материалов наибольший диапазон изменения пор истости обнаруживают глины. Их естественное строение — слоистое. Вообще говоря, они очень гигроскопичиы. Некоторые глины, такие, как монтмориллонит, могут поглотить количество воды, равное нескольким их собственным объемам; при этом они сильно набухают.
Так как зерна глины представляют собой очень мелкие пластинки, то следует ожидать, что онн окажутся весьма восприимчивыми к сжатию. Поэтому пористость глин должна уменьшаться с увеличением глубины их залегания под поверхностью земли. Действительно, Эси 11) установил, что изменение пористости глин с глубиной описывается формулой (1.3) т=т г — "', а где т — средняя пористость поверхностных глин, а— постоянная, г — глубина под поверхностью земли. Из этих данных следует, что в то время как пористость поверхностных глин заключена между 0,40 и 0,50, пористость глинистого сланца(который представляет собой сильно сжатую глину) на глубине 1800 и составляет всего лишь 0,05.
Если сцементированность и сжатие приводят к понижению пористости горных пород, то другие, вторичные факторы, стремятся увеличить порнстость. К ним относятся процессы выщелачивания н физической эрозии, которыми сопровождается течение грунтовых вод в пористых породах. Примеры крайней степени проявления вторичных процессов мояспо наблюдать в естественных кавернах, подобных карлсбадским кавернам в Нью-Мехико. 1.33. Измерение пористости Из определения пористости следует, что для ее нахождения достаточно измерить любые две из трех величин: общего объема, порового объема и собственного объема материала (объема твердой фазы). 1Е П р я м о й м е т о д.
Паиболее непосредственный способ состоит в том, что сначала измеряется общий объем образца, затем образец разрушается, все поры уничтожаются и измеряется объем твердой фазы, Этот прием часто применяют для определения пористости кирпича и керамики. Измеряемая таким способом пористость — это общая пористость. Метод, основанный на расширении г а з а. Это, пожалуй, самый распространенный метод измерения активной пористости.
Он заключается в том, что образец помещают в сосуд, наполненный воздухом или газом. Общий объем образца, объем сосуда и давление в сосуде должны быть известны. Затем сосуд, в который помещен образец, соединяют с другим эвакуированным сосудом. Объем этого сосуда также должен быть известен. Измерив изменение давления, которое произойдет в результате такого соединения, можно, используя закон Бойля — Мариотта, подсчитать поровый объем по формуле 2 Поровый объем = У, — У вЂ” "г'Р— — — — —, (Е4) а ьр р где Г,, — общий обьем образца; 12, — объем сосуда, в который помещен образец, )ьь — объем второго (эвакуированного) сосуда, Р, — начальное давление, Р, — конечное давление.
Расширение газа используется во многих разнообразных приборах для измерения активной пористости. Метод, основанный на расширении газа, менее точен, чем другие методы. Метод нагнетания ртути. Этотметодоснован на том, что при атмосферном давлении ртуть не проникает в погруженный в нее образец, так как она его ие смачивает. Следовательно, общий объем образца может быть определен по изменению уровня ртути в мерном сосуде. Если сосуд с ртутью и погруженным в ртуть образцом герметически закрыть и сильно увеличить давление, то ртуть войдет в поры, сжав запертый в них воздух до пренебрежимо малого объема; тогда вошедший внутрь образца объем ртути будет равен объему пор.
Преимуществом этого метода является непосредственное определение как общего, так ипоровогообъемов. С другой стороны, этот метод не очень точен, так как объем, занятый сжатым воздухом, остается неопределенным. Еще один З«К. 599 17 в«лм«ете«л ««4 еаьл~ «Рекете««а„иск недостаток этого метода состоит в том, что после проведения измерений образец оказывается загрязненным ртутью (несмотря на различные меры по очистке) и, слсдсвательно, непригодным для дальнейших испытаний. Метод, основанный па измерении и л о т н о с т и.
Так как масса пористого материала целиком сосредоточена в зернах и связующем материале, то л'1 = Рт г т = Р0 "0 (1.5) где М вЂ” масса образна, о.„— собственная плотность мгтериала, р, — общая плотность образца. Отсюда и из уравнения (1.2) получаем т =- 1 — — '' .
(1.6) ав Общая плотность может быть легко найдена путгм взвешивания образца и определения его общего объема при помощи обычных измерений, основанных на погружении образца в жидкость. При этом в качестве жидкости может быть использована ртуть, но лучше применять водонепроницаемые покрытия и использовать воду. Если образец разрушить, взвесить и измерить объем порошка все тем же способом погружения в жидкость, то можно будет определить собственную плотность материала. В результате применения этого метода определяется общая порнстость.
М е т о д п р о и и т к и. Это метод прямого определения активного порового объема и, следовательно, активной пористости, нашедший широкое применение в нефтяной промышленности. Он основан на том, что большинство чистых горных пород хорошо смачивается водой и поэтому впитывает воду. Таким образом, если образец, из которого откачан воздух, погрузить в воду, то примерно через неделю его активное поровое пространство будет целиком заполнено водой и масса насыщенного образца будет равна (1.7) Л'( = лт + Рв.
)'и. где р, — плотность воды (= 1) и М вЂ” масса сухого образца. Отсюда М' — М (1.8) Рв. 18 Необходимый для вычисления пористости общий объем Г, измеряется без применения какого-либо защитного покрытия по вытеснению воды насыщенным водой образцом. Если не считать большого промежутка времени, нужного для полного насыщения образца, то можно сказать, что этот метод измерения пористости один из лучших в современной практике, Статистический метод. Так как встречающиеся в природе пористые материалы обладают неупорядоченной поровой структурой, то поверхностная пористость (просветность) произвольного сечения образца должна совпадать с его объемной пористостью.
Просветность определяется как доля площади плоского сечения, приходящаяся на пустоты. С другой стороны, она равна вероятности случайного попадания точки в область, занятую пустотами. Измеряя эту вероятность, можно определить пористость пь Этот принцип был применен Чокли, Корнфилдом и Парком 15!. Они использовали увеличенную микрофотографию произвольного сечения пористого материала, на которую много раз случайным образом бросали иголку. Можно показать, что предел, к которому стремится отношение числа попаданий острия иголки в область, занятую пустотами, к общему числу бросаний иголки, когда это последнее безгранично увеличивается, равен гп.
Заметим, что так как на фотографии изображены сообщающиеся и несообщающиеся поры, этот метод дает общую пористость. 1.40. Удельная поверхность Удельная поверхность Х порисгого материала определяется как площадь внутренних поверхностей пор, приходящаяся на единицу объема материала. Очевидно, что у материалов, обладающих мелкозернистой структурой, удельная поверхность намного больше, чем у материалов с крупнозернистой структурой. Удельная поверхность играет болыпую роль при проектировании фильтровальных, реакторных и ионообменных копонн. Она является также важным параметром, определяющим проницаемость — способность пористого материала пропускать через себя жидкость.
С этой точки зрения ее значение будет подробно обсуждено ниже в связи с уравнением Козени 1п. 1.51). 2* 19 Удельная поверхность представляет собой отношение площади к объему и имеет размерность à — '. 1.41. Измерение удельной поверхности Так как строение внутренней поверхности любого природного пористого материала очень сложно, то удельная поверхность может быть определена только статистическим или каким-нибудь косвенным методом. Ниже дается описание трех таких методов. Статистический метод.
Разработанный Чокли, Корнфилдом и Парком (5) статистический метод определения пористости был распространен ими также и на определение удельной поверхности. В этом способе, как и прежде, использовалась увеличенная в и раз микрофотография произвольного сечения пористого материала. На эту фотографию много раз случайно бросали иголку длины 1 и подсчитывали число Ь случаев попадания конца иголки внутрь поры и число с случаев пересечения иголкой контура поры. Удельная поверхность ~ определялась по формуле ~~ = — и, 4тс 1Л (1.9) которая получается из теории вероятностей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
