Пористость измеряется: Пористость пород — виды и формулы определения пористости

Пористость пород — виды и формулы определения пористости

Пористость горной породы – это наличие в ней незаполненных твердым веществом пор. Емкостные свойства пород–коллекторов обусловлены наличием в них пустотного пространства, способного заполняться нефтью, газом или водой.

Пустоты бывают трех видов: поры, каверны и трещины. Соответственно и коллекторы образуют три основных типа: поровый, каверновый и трещинный, а также различные сочетания этих типов. Различают полную (абсолютную) и открытую пористость.

Содержание

• Полная и открытая пористость
• Виды порового пространства и каналов
• Кавернозность и трещиноватость пород

Полная и открытая пористость

Полная пористость – это объем всех пор, находящихся в горной породе.

Открытая пористость – это объем пор, сообщающихся между  cобой. Количественно та и другая пористость выражается коэффициентом пористости, который представляет собой отношение объема пор к объему образца породы:

Поры в пемзе

коэффициент полной пористости равен:

коэффициент открытой пористости равен:

где Кп. п. и Ко.п. – соответственно коэффициенты полной и открытой пористости;

Vп.п. и Vо.п. — объем полной, открытой пористости, м³;

Vобр. – объем образца породы, м3³.

Коэффициент пористости измеряется в долях единицы (например, Кп=0,15) или в процентах (Кп=15 %).

В нефтегазопромысловой геологии более важен коэффициент открытой пористости, т.к. он характеризует объем углеводородов, содержащийся в породе. На практике коэффициент открытой пористости определяется в лабораторных условиях по методу Преображенского или по данным геофизических исследований в скважине (ГИС).

Метод Преображенского основан на насыщении пористого образца керосином под вакуумом. Определив объем керосина, заполнившего поры, и объем всего образца, получим возможность расчета коэффициента открытой пористости.

Виды порового пространства и каналов

По величине поровых каналов пористость условно подразделяется на три группы:

1. Сверхкапиллярные – диаметр 2 – 0,5 мм;
2. Капиллярные – диаметр 0,5 – 0,0002 мм;
3. Субкапиллярные – диаметр менее 0,0002 мм.

По крупным (сверхкапиллярным) порам движения нефти и газа происходит свободно, а по капиллярным – при значительном участии капиллярных сил.

Субкапиллярные каналы, независимо от величины пористости практически непроницаемы (глины, глинистые сланцы, плотные известняки и др.).

Открытая пористость коллекторов на практике изменяется в широких пределах – от нескольких процентов до 35 %, в большинстве случаев она изменяется от 6 – 8 до 25 %. Пограничные значения пористости между коллектором и неколлектором лежат в пределах 4 – 6 %.

На величину пористости влияет взаимное расположение зерен. Возможное расположение частиц в песчаной породе показано на рисунках 1, 2.

  Рисунок 1 – Возможное расположение частиц в песчаной породе.

Наименее плотная укладка зерен:

                                                                                                          а                                            б

 а — наиболее плотная мягкая укладка зерен; б — менее плотная укладка.

Рисунок 2 – Возможное расположение частиц в песчаной породе

В первом случае теоретическая величина пористости составляет 47,6 %, во втором – 25,9 %. Величина пористости не зависит от размера составляющих пород зерен. Виды пористого пространства пород представлены на рисунке 3.

а – хорошо окатанный и отсортированный песок с высокой пористостью; б – плохо отсортированный песок с низкой пористостью; в – хорошо отсортированная порода, зерна которой также пористы; г – хорошо отсортированная порода, пористость которой уменьшена отложениями минерального вещества в пространстве между зернами; д – поровое пространство трещиноватых известняков, частично расширенное растворением; е – порода, ставшая пористой вследствие возникновения трещин.

Рисунок 3 – Виды порового пространства пород (по В.Д. Ломтадзе)

Кавернозность и трещиноватость пород

Кавернозность характерна для карбонатных пород, подверженных растворению. Каверны от пор отличаются лишь размерами. Принято к кавернам относить пустоты с размерами не менее 2 мм, т.е. более чем размер сверхкапиллярных пор. Коэффициент полной кавернозности и открытой кавернозности определяется аналогично коэффициентам пористости.

Трещиноватость горных пород обусловлена наличием трещин, не заполненных твердым веществом. Трещиноватостью обладают в основном плотные, крепкие, низкопоровые хрупкие породы. Наличие в такой породе разветвленной системы трещин обеспечивает коллекторскую емкость.

Трещинную емкость можно определить в шлифе под микроскопом по формуле:

где Кт – трещинная емкость, см³;

b – раскрытость трещин в шлифе, т.е. расстояние между стенками трещины, см;

l – суммарная протяженность всех трещин в шлифе;

F – площадь шлифа, см².

По степени раскрытости трещин выделяются макротрещины, видимые невооруженным глазом с раскрытостью более 0,1 мм, и микротрещины, различимые лишь в шлифах под микроскопом с раскрытостью менее 0,1 мм. Трещинный тип коллектора в чистом виде встречается редко. Как правило, микротрещинные участки породы имеют дополнительную емкость за счет пористости и кавернозности. На практике коллектора делят на поровые, каверновые, трещинные и смешанного типа: трещинно – поровые, трещинно – каверновые, трещинно – порово – каверновые, каверно – поровые и др.

Измерение пористости | Порометры | Оборудование для измерения размера пор

Добро пожаловать на сайт, посвященный методам исследования микроструктуры поверхности.

Здесь вы сможете найти полезную и актуальную информацию о различных методах анализа пористых материалов, катализаторов, образцов с разветвлённой пористой структурой и высокими значениями удельной поверхности.

Мы предлагаем самые современные и хорошо себя зарекомендовавшие готовые решения для исследования структуры твердых материалов наиболее доступными и широко известными методами с использованием последних инновационных разработок в данной области.

Существует несколько основных подходов к измерению пористости и анализу структуры поверхности:

• Метод газовой адсорбции (физической и химической)
• Метод ртутной проникающей порозиметрии
• Газодинамический метод (метод «точки пузырька»)

Каждый из этих методов демонстрирует максимальную эффективность при измерении пор в строго определенном диапазоне. Поэтому выбор способа анализа очень сильно зависит от предполагаемой структуры материала, а также от типа и формы пор.

Данная схема поможет выбрать наиболее подходящий метод исследования:

Важно отметить, что все вышеуказанные методы относятся к неразрушающим методам исследования, что может иметь значение при анализе особо ценных материалов*.

*После анализа на ртутном порозиметре образец часто становится не пригодным для дальнейших исследований из-за остаточных следов ртути в структуре материала.

Кроме того, все поры можно классифицировать на закрытые, открытые («слепые»), и сквозные.

Закрытые поры можно оценить только методами, разрушающими структуру материала. Например, образец можно измельчить таким образом, чтобы в нем не осталось никаких пустот, и затем измерить реальную плотность образца на Гелиевом Пикнометре и сравнить ее с плотностью образца до измельчения.

Открытые поры, в зависимости от их размера, можно измерить либо газо-адсорбционными методами либо методом ртутной порозиметрии.

Для измерения условного диаметра сквозных пор прекрасно зарекомендовал себя газодинамический метод. Он позволяет измерить размер максимальной сквозной поры (точки пузырька) в образце (например, в фильтрах, мембранах, пористой проницаемой керамике), а также получить гистограмму распределения пор по размерам.

Основные физические величины, определяемые на порометрическом оборудовании:

Область применения данных приборов не ограничивается измерением пористости и оценкой размеров пор. Многие из представленных на сайте приборов способны полностью охарактеризовать структуру поверхности материалов.

Некоторые из предлагаемых приборов будут незаменимы в отделах контроля качества продукции, поскольку они позволяют максимально быстро и точно определить основные характеристики твердых материалов. Важно отметить, что приборы, предназначенные для данной области применения, внесены в Государственный Реестр Средств Измерений и имеют все необходимые методики поверки.

Другие приборы могут быть востребованы в научных учреждениях, поскольку имеют более широкие возможности и включают расширенные опции, предназначенные для проведения экспериментов в нестандартных условиях с необычными материалами. Все дополнительные опции представлены на нашем сайте, и вы можете ознакомиться с ними в соответствующих подразделах:

• ПОРОМЕТР, Дополнительные опции
• ПОРОЗИМЕТР, Дополнительные опции
• SURFER, Дополнительные опции
• META SORBI, Дополнительные опции

Как измерить пористость материалов

16 Фев. 2021 | Характеристика | 0 комментариев

Contenido:

На свойства материала может сильно влиять наличие пористости в его внутренней структуре или на поверхности, что в конечном итоге определяет его применение. Один из наиболее показательных примеров можно привести в системах доставки лекарств, где пористость вектора оказывает решающее влияние на его нагрузочную способность, практически полностью определяя его конечное применение. Еще одна область, где пористость играет решающую роль, — это строительство, поскольку пористость материала определяет его стойкость в неблагоприятных условиях. В сегодняшнем блоге мы расскажем вам все секреты пористости и как анализировать это. Не пропусти это!

Что такое пористость материала?

Пористость — объемная доля пор в материале. Эти поры могут располагаться на его поверхности или в его внутренней структуре. Пористость связана как с плотностью материала, так и с характером его соединений и наличием между ними пустот.

Типы пористости

Поры имеют разные свойства. Наиболее важными являются его форма и размер , его местоположение , его связность и его химические свойства , связанные с поверхностью .

• Размер : Основным свойством, определяющим пору, является ее размер , то есть ее пространственное измерение. Поэтому из-за простоты анализа размер пор часто является основным инструментом для характеристики пористого материала. Размер пор оказывает большое влияние на свойства пористого материала и, как следствие, на его конечную применимость. Чем больше размер пор, тем более крупные частицы могут проходить через них, повышая реакционную способность материала. Размер пор материала часто называют его распределение пор , а согласно IUPAC (Международный союз теоретической и прикладной химии) его можно классифицировать следующим образом:

• • • Микропоры: их размер менее 2 нанометров.
    • Мезопоры: они имеют размер пор от 2 до 50 нанометров.
    • Макропоры: они имеют размер более 50 нанометров.

• Местоположение : поры можно обнаружить на поверхности материала или в его внутренней структуре. Это свойство тесно связано со свойством связность , так как есть пористые материалы, распределение пор которых изолировано, в то время как есть другие материалы, которые имеют поры, соединенные с образованием более или менее извилистого каркаса. Связность может быть частичной, так как она возникает только между порами внутренней структуры материала, или полной, когда поры внутренней структуры соединяются с порами поверхности.

• Химические свойства : подразумевают реакционную способность, которую материал может проявлять в различных условиях окружающей среды. Если распределение пор взаимосвязано, материал может сильно деградировать в неблагоприятных условиях. Однако, если поры изолированы, материалы могут подвергаться точечной деградации или даже не разрушаться.

Влияние пористости материала

Пористость материала имеет решающее значение при оценке его долговечности и устойчивости к неблагоприятным условиям. Распределение пор и их характеристики определяют проницаемость материала , то есть его способность накапливать флюиды, обусловливая тем самым его физико-химические свойства.

Чтобы понять, как пористость может влиять на материал, мы собираемся изучить два конкретных случая, где мы увидим, что пористость может давать преимущества и недостатки нашему материалу.

• Одним из наиболее типичных случаев, когда пористость вносит положительный вклад в применимость материала, является случай систем контролируемого высвобождения лекарств . В этом случае цель разработки систем контролируемого высвобождения лекарственного средства состоит в том, чтобы иметь возможность контролировать высвобождение лекарственного средства с течением времени. Когда вектор доставки является пористым, нагрузочная способность больше, чем у непористого вектора, поскольку пористая внутренняя структура представляет собой доступные отложения для лекарственного средства. Таким образом, в данном случае пористость дает преимущество, заключающееся в увеличении нагрузочной способности вектора, что обеспечивает более продолжительное высвобождение лекарственного средства с течением времени.

• Совершенно противоположный предыдущему случай, когда пористость проявляется как дефект материала, имеет место в случае металлов. Когда металл имеет поры на своей поверхности и находится в коррозионных условиях, может иметь место поверхностная и внутренняя коррозия металла, приводящая к точечной коррозии или выделению ионов из металла. Во многих случаях металлы, подверженные коррозии в рабочих условиях, защищают слоями благородных металлов, которые служат барьером от неблагоприятных условий окружающей среды. Однако было обнаружено много случаев, когда барьер, который обеспечивает благородный металл, неэффективен. Это связано с тем, что пористость этого защитного барьера позволила проникновению коррозионно-активных веществ и их контакту с металлом, который мы хотим защитить, что привело к его коррозии в виде поверхностных дефектов.

Методы анализа пористости

Как мы видели, параметры, характеризующие пористость материала, связаны с его структурными свойствами. Следовательно, методы анализа, которые позволяют нам оценить пористость материала, — это те, которые позволяют нам изучать его поверхность, распределение слоев в его структуре или проницаемость по отношению к различным элементам. Далее мы увидим наиболее важные методы:

• Методы микроскопии : они предлагают нам информацию о поверхности материалов с высоким разрешением, будучи в состоянии различать детали поверхности порядка нанометров. Наиболее часто используются:
  • • SEM и TEM : оба метода позволяют наблюдать поверхность образца посредством взаимодействия электронного луча. Кроме того, они позволяют проводить анализ состава поверхностей.
    • FIB-SEM: Этот метод очень полезен, поскольку ионный пучок создает точное отверстие на поверхности образца, что позволяет нам наблюдать распределение слоев внутри него с помощью СЭМ.
    • Конфокальная микроскопия, профилометр и АСМ: эти методы считаются одними из наиболее полезных для анализа пористости, поскольку они позволяют получить информацию о топографии и шероховатости поверхности, что позволяет получить профили нанометровых участков поверхности материала.

• Методы физической адсорбции газа : В образец вводят газ (обычно азот или двуокись углерода) при постоянной температуре, определяя гравиметрическим или объемным методами изотерму адсорбции, то есть количество газа который был способен адсорбировать материал. Анализируя изотерму адсорбции материала, можно определить его площадь поверхности, объем пор и распределение по размерам. В зависимости от используемого газа можно получить информацию о порах разного размера. При использовании азота можно определить поры от 3,5 до 400 нанометров, а использование углекислого газа дает нам информацию о микропористости.

• Ртутная порометрия: этот метод основан на внедрении ртути в пористую структуру материала посредством приложения изостатического давления. Этот метод основан на уравнении Уошберна. Это уравнение связывает приложенное давление с диаметром поры, в которую вводится ртуть. Ртутная порометрия дает информацию о порах размером от 900 микрон до 4 нанометров в диаметре.

• Гелиевая пикнометрия . Гелиевая пикнометрия — это метод определения удельного веса или объемной плотности материала путем объемного смещения. В этом методе газообразный гелий расширяется до ячейки известного объема, занятой образцом для анализа внутри этой ячейки, определяя кажущуюся плотность материала. По этой мере мы можем узнать пористость материала.

Параметры анализа пористости

В общем, характеристика пористости обычно происходит в отношении следующих параметров, все они в соответствии с ее структурным характером:

• Статистическое распределение размера пор . Она обычно дается в среднем значении и называется эффективной порой.
• Поверхностная плотность пор , то есть количество пор на единицу площади
• Пористость по объему, , которая относится к доле общего объема материала, занятой порами или пустотами
• Морфология пор поверхности и профиль шероховатости.
• Извилистость , в случае материалов со взаимосвязанными порами, где оцениваются морфологические различия между ними.

Примеры пористых материалов

Далее мы покажем вам некоторые материалы с высокой степенью пористости, для которых обычно измеряется это свойство, что не означает, что можно измерить любой материал, если это свойство необходимо для знать:

• Минералы, горные породы и другие пористые геологические материалы . Эти материалы являются примером следствия пористой структуры материала при неблагоприятных условиях с течением времени.

• Биологические материалы . Одним из наиболее показательных примеров являются кости, внутренняя пористость которых очень высока. Как следствие, кости являются легкими материалами. Другим очень распространенным случаем является кожа, пористость которой связана с ее проницаемостью.

• Пористые полимеры. В настоящее время разрабатываются новые пористые полимеры, поскольку поры обеспечивают возможность хранения различных типов молекул в зависимости от типа полости. Такое применение может иметь будущий потенциал в области химического катализа или молекулярного обмена.

• Еда . Пористость пищевых продуктов напрямую связана с условиями их хранения и обслуживания.

3.2.1: Пористость по лабораторным измерениям

Одним из методов определения пористости являются лабораторные измерения образцов керна, доставленных на поверхность во время бурения. Измерение пористости в лаборатории является частью стандартного анализа керна , иногда называемого анализом PKS (анализ пористости, проницаемости и насыщения).

Образцы керна представляют собой образцы горных пород, которые вырезаются из пласта-коллектора с помощью специальных буровых коронок . Извлечение образцов керна — очень сложный процесс, требующий тщательного планирования. При вырезании керна необходимо учитывать все этапы процесса отбора керна, чтобы гарантировать, что пористость не изменится до его доставки в лабораторию. Эти этапы включают резку керна, обработку керна, консервацию керна, транспортировку керна, отбор керна и тестирование керна. Как правило, Специалист по оценке пласта берет на себя ведущую роль в разработке программы керна, работая с геологом-разработчиком, инженером-разработчиком и инженером по бурению.

После извлечения репрезентативных образцов керна и доставки их в лабораторию существует несколько методов, которые можно использовать для определения пористости. Как показано в уравнениях с 3.01 по 3.03 , для определения пористости нам необходимо определить два из трех объемов, Vb, Vp или Vg. Как только они определены, становятся известны пористость и третий объем.

Объемный объем, Vb, определение

Объемный объем можно определить одним из двух методов: физическим измерением и перемещением. Использование физических измерений применимо только к образцам керна правильной геометрической формы. Как следует из названия, физические измерения включают в себя измерение размеров образца керна (обычно это цилиндрическая пробка керна) и расчет объема по стандартным объемным формулам.

Методы вытеснения включают погружение образца керна в ртуть внутри пикнометра или градуированного цилиндра. Ртуть используется в методах вытеснения для предотвращения проникновения в поровое пространство. Общий объем образца представляет собой кажущееся изменение объема ртути в пикнометре или градуированном цилиндре. В качестве альтернативы можно использовать принцип Архимеда для определения общего объема образца керна по кажущемуся изменению веса из-за плавучести при полном погружении.

Объем зерна, Vg, определение

Самый прямой метод определения объема зерна заключается в измерении веса высушенного образца и делении на плотность скелета горной породы. К сожалению, плотность горных пород часто не известна точно.

Второй метод, аналогичный методу погружения для определения общего объема, может использоваться для определения объема зерна. В этом методе образец керна измельчается, а полученные зерна породы помещаются в пикнометр или градуированный цилиндр вместе с известным объемом жидкости. Затем объем зерен породы можно определить по кажущемуся изменению объема жидкости (метод Рассела) после погружения или по кажущемуся изменению веса (метод Мелчера-Наттинга) погруженного образца из-за плавучести с использованием закона Архимеда.

К сожалению, недостатком этого метода является его деструктивность. После того, как образец измельчен, его нельзя использовать для дальнейшего тестирования. Поскольку мы раздробили образец керна на составляющие его зерна породы, пористость, определяемая по погружению этих зерен, представляет собой общую пористость ϕt.

Третий метод — закон Бойля. Как следует из названия, для определения объема зерна используется закон Бойля:

p1V1=p2V2

Уравнение 3.04

В этом методе образец керна помещается в одну камеру экспериментальной установки, состоящей из двух камер известного объема, соединенных закрытым клапаном. В камеры вводят инертный газ (гелий или азот) при различных, но известных давлениях. В этот момент общее число молей n _T в аппарате можно определить по формуле:

Уравнение 3.07

Для изотермических условий это сводится к закону Бойля:

pfVT=p1V1+p2V2

Уравнение 3.08

Клапан между камерами открывается и давление стабилизируется до конечного давления, p _f и записывается. Если предположить, что образец керна был помещен в камеру 1, то имеем:

pf(V1+V2−Vg)=p1(V1−Vg)+p2V2

Уравнение 3.09

Пример 3.01

Учитывая следующее данные:

• Вес образца измельченного керна в воздухе: Wtсух. = 20,0 г
• Вес образца измельченного керна в воде: Wtimm=15,0 г
• Плотность воды: ρw=1,0 г/куб.см

Используйте принцип Архимеда для расчета объема зерна образца.

Щелкните для ответа…

РЕШЕНИЕ:

Вес вытесненной воды – это просто видимое изменение веса образца из-за плавучести:

Wtdisplaced=Wtdry−Wtimm

Wtdisplaced=20,0 г·м−15,0 г·м=5,0 г·м

Объем зерен горной породы становится объемом вытесненной воды: :

Vg=V1(pf-p1)+V2(pf-p2)(pf-p1)

Уравнение 3.10

Преимущества этого метода в том, что он неразрушающий и может быть очень точным. Недостатком этого метода является то, что для образцов керна с низкой проницаемостью может потребоваться длительное время для стабилизации давления. Поскольку газы могут входить или выходить только через соединенные поры, пористость, полученная с помощью метода закона Бойля, представляет собой эффективную пористость ϕe.

Объем пор, Vp, определение

Ранние методы, использовавшиеся для определения объема пор, такие как Метод Уошберна-Бантинга , использовали введение ртути в поры образца керна. В этих методах введения ртути ртуть под высоким давлением вводилась в образец керна, и измерялся объем ртути, попадающей в керн. Эти методы имели ряд недостатков, в том числе разрушительный характер испытания и сжатие любых газов в образце керна с сохранением остаточного объема, что приводило к неточностям измерений.

Пример 3.02

Учитывая данные:

• V1=100cc
• V2=100cc
• p1=15,0 фунт/кв. дюйм
• p2=60,0 фунтов на квадратный дюйм

Когда клапан между камерой 1 и камерой 2 открыт, давление стабилизируется на уровне pf=39,0 фунтов на квадратный дюйм. Каков объем зерна образца керна?

Щелкните для ответа…

РЕШЕНИЕ:

Из уравнения 3.10 имеем:

Vg=100 куб..0 psi−60,0 psi)(39,0 psi−15,0 psi)

vg=12,5 см3

Второй метод, метод повторного насыщения , использует чистый сухой образец керна и повторно насыщает его жидкостью известной плотности. Затем изменение веса образца можно использовать для определения объема пор, V _p , образца

. Поскольку флюид может входить или выходить только из связанных пор, пористость, полученная методом повторного насыщения, является эффективной пористостью. , фэ.

Третий метод определения порового объема – Метод суммирования флюидов . В этом методе образец керна в исходном состоянии (не очищенный и не высушенный) делится пополам. В одной из половин впрыск ртути используется для оценки объема газа, а вторая половина используется в процессе ретортации (дистилляции) для определения объемов нефти и воды. Затем поровый объем устанавливается равным сумме объемов жидкости. Преимущество этого метода в том, что насыщенность фаз (доля порового пространства, занятая каждой фазой – нефтью, газом и водой) может быть определена одновременно с пористостью. Недостатками метода являются разрушающий характер испытания и предположение о том, что обе половины образца керна содержат одинаковые объемы жидкости.

Опять же, в методе суммирования флюидов флюиды могут входить или выходить только из связанных пор. Следовательно, пористость, полученная этим методом, представляет собой эффективную пористость ϕe.

Пример 3.03

Учитывая следующие данные:

• Вес чистого высушенного образца керна на воздухе: Wtсух.=20,0 г
• Вес образца керна, насыщенного водой: Wtsat=22,5 г
• Плотность воды: ρw=1,0 г/куб.см

Каков объем пор образца керна?

Щелкните для ответа…

РЕШЕНИЕ:

Вес воды, насыщающей образец:

vgp=Wtwaterρw=2,5 г/м1,0 г/куб.см=2,5 см3

Таблица 3.