Способ определения коэффициента диффузии Советский патент 1993 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в геологии, нефтяной и газовой промышленности для исследования влияния напряжений на массоиерёнос в горных породах и оптимизации свойств буровых растворов.

Известен способ определения коэффициента диффузии жидкости в полимерный материал путем введения образца в контакт с жидкостью одной его поверхностью и измерения зависимости высоты прогиба образца от времени для определения продолжительности полного насыщения образца и нахождения искомого параметра.

Известен Способ определения коэффициента диффузии жидкостей и паров через полимерные материалы путем нагружения образца постоянной сжимающей нагрузкой, меньшей по величине нагрузки разрушения образца в сухом виде, приведения образца в контакт с жидкостью, последую- щего измерения параметров и подсчета коэффициента диффузии.

Недостаток известного способа в его сложности и оТpaHWeHffb ctй ббласти при: менения Сложность обусловлена тем, что коэффициент диффузии подсчитывают по результатам измерения мйкротвердости в определенных точках образца во времени в процессе набухания, для ч его необходимы неоднократные периодические погружения индентора в материал в разлйчных местах полимерного образца, ввиду того, что мик- ротвердость характеризуется глубиной этого погружения. Область применения ограничена пШйме р ами 1/| распространенйе известного способа на материалы, например минералы, внутрь которых может проEJUSSM

XJ

никать влага .и вызывать сильные изменения их механических характеристик, невозможно, так как минералы с большой пористостью и проницаемостью за короткий промежуток времени прописывается влагой за счет капиллярных сил, затем происходит диффузионное проникновение жидкости в межкристаллйче- скЬе opoetpaHCtBO, при этом размер диффузионной области равен размеру площади с4ёмёйтй}36ванных зерен минералов; вслед- ствйё:чётЪ |5азупрочнение идет по всему объему оДнШрёменно и измерять индентором проникновение влаги на каком-то расстоянии от зоны контакта образца с жидкостью бессмысленно: у непроницаемых минералов изменение Механических свойств идет только в области контакта образца с жидкостью, где образец полностью теряет свою прочность, и если к этой области приложено напряже-, ние, то происходит разрушение ее, получается движение1 границы разрушения от области контакта образца с жидкостью к центру образца. ; .

Цель изобретения-упрощение способа и расширение области его применения. : ;

Ожидаемый от использования изобре- тения, положительный эффект: способ прост в лабораторном исполнении и доступен для осуществления в любой лаборатории, так как исключено непреры вное слежение и контроль кинетики процесса проникновения жидкости в образец вследствие автоматической фиксаций окончания процесса и уменьшено количество контролируемых параметров; расширена область применения способа - способ работает не только для полимеров, но и для мало- и высокопроницаемых пород, -стало возможным определение коэффициента диффузии жидкости в горные породы, включая глины, при подR2

-In62

Счете его по формуле D -«---- -, -...... -.. яг(т2 -и) °1 .

где R - для полимеров и малопроницаемых лород соизмеримо с геометрическим размером образца, а для высокопронйцаёмых пород равен размеру области контакта зерен, слагающих минерал; ожидаемая экономия от использования изобретения при определении коэффициента диффузии горных пород составит в год 5 млн, рублей.

В способе определения коэффициента диффузии путем нагружения образца постоянной сжимающей нагрузкой, меньшей по величине нагрузки разрушения образца в сухом виде, приведения образца в контакт с жидкостью, последующего измерения параметров и подсчета коэффициента диффузии, измеряют время диффузии от начала

контакта нагруженного образца и жидкости до момента разрушения образца, при этом используют два одинаковых образца, нагруженных разными нагрузками, а подсчет ко- эффициёнта диффузии ведут по формуле

R2

&

°(П)

10

где R- радиус образцов;

1 , &2 - напряжение сжимающих натру- . зок, приложенных к первому и второму образцу соответственно;

15 ti. t2 - время диффузии от начала контакта нагруженного образца и жидкости до момента разрушения образца, для первого и второго образца соответственно.

Зависимость получена эксперименталь2о но. -;,:. :x:-v ..;:.; , . . . ...

Для осуществления способа используют устройство, схема которого приведена на рисунке. Устройство включает термостатированную камеру 1 с выемкой 2 на дне,

25 крышку 3 с центральным отверстием 4, вставляемый в центральное отверстие 4 стержень 5 с закрепленной на нем подставкой 6 для установки нагрузки 7, нижнюю накладку 8, вставляемую в выемку 2 дна

30 камеры 1, верхнюю накладку 9с углублением 10 для установки стержня 5, воронку 11. Стержень 5 и подставка 6 представляют собой плунжерную пару..

Способ осуществляют следующим об35 разом. : ;:.:-.-;:

Два одинаковых образца 12 горной породы с известным радиусом помещают в отдельные термостатированные камеры 1 для соблюдения одинаковых условий воз- 40 действия на них жидкости 13. Образец 12 помещают между двумя накладками 8 и 9 и вставляют в выемку 2 дна.камеры 1. Сверху камеру 1 закрывают крышкрй 3, в отверстие 4 которой вставляют стержень 5 до упора в

45 углубление 10 верхней накладки 10, на подставку 6 устанавливают груз 7, масса которого меньше нагрузки разрушения образца в сухом виде. Образец 12 под сжимающей нагрузкой 7 приводят в контакт с дистилли50 рованной водой 13, заливаемо1й в камеру 1 через воронку 11; в момент начала контакта образца и жидкости включают реле времени для отсчета времени диффузии. По мере диффузии прочность породы падает, насту55 п ает момент, когда приложенная нагрузка разрушает образец тл реле времени автоматически отключается. После разрушения образцов и отключения реле времени по значениям параметров подсчитывают в соответствии с формулой коэффициент диффузии D,

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Для определения коэффициента диффузии жидкости в горные породы брали два одинаковых цилиндрических образца горной породы с известным радиусом R и отношением h/R 3 (где h - высота образца), спрессованных их Na - монтмориллонита под давлением Р 240 МПа и выдержанных в течение 10 суток в эксикаторе. Все условия, кроме величины сжимающих нагрузок di лдг, в обоих случаях одинаковы: радиус R, высота h и влажность W образцов, применяемая жидкость, температура системы Т°К, формула подсчета коэффициента диффузии D -

R2 .(32.

Для определения коэффициента диффузий жидкости в полимерах брали два одина- ковых цилиндрических образца полиакриламида-(ПАА) марки Декадрил А- 1 радиусом R 5 10м, Данные представлены в таблице.

Как видно из таблицы, значение коэффициента диффузии D воды в образцы из полиакриламида (ПАА) марки Декадрил А- 1 при температуре системы Т 294°К удовлетворительно согласуется со значением коэффициента диффузии воды в полимерах, а значение коэффициента диффузии Ь воды в образцы из Na - монтмориллонита при температуре системы Т 294°К и Т 313°К, определенный при разных сжимающих нагрузках di и &, и разной исходной влажно0

5

0

5

сти образцов, соответствует литературным данным. Это подтверждает достоверность предлагаемого Способа определения коэффициента диффузии и для полимеров, и для горных пород, в том числе глинистых, т.е. налицо расширение области применения способа и его упрощение.

Формула изобретения Способ определения коэффициента диффузии путем нагружения образца постоянной сжимающей нагрузкой, меньшей rio величине нагрузки разруШёТЖя образ ца в сухом виде, приведения образца в контакте жидкостью, последующего измерения параметров и подсчета коэффициента диффузии, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и расширения области его применения, измеряют время диффузии от начала контакта нагруженного образца и жидкости до момента разрушения образца, при этом используют два одинаковых образца, нагруженных разными нагрузками, а подсчет коэффициента диффузии ведут по формуле : .

R

А

П % ;:

где R-радиус образцов;

5i , 62 -напряжение сжимающих нагрузок, приложенных к перейму и второму образцу соответственно;

ti дг - время диффузии от начала крнтак- та нагруженного образца и жидкости до момента разрушения образца для первого и второго образца соответственно.

Использование: изобретение относится к измерительной технике. Сущность: способ включает приведение образца в контакт с жидкостью, воздействие на образец одновременно с жидкостью постоянной сжимающей нагрузки, При этом используют два одинаковых образца/нагруженных разными нагрузками, измеряют время диффузии: Для осуществления способа каждый образец помещают в отдельную термостатированную камеру, нагружают; сжим ающей нагрузкой и заливают жидкостью. В результате диффузии жидкости и воздействия нагрузки образец разрушается.. Время диффузии от начала контакта образца и жидкости до момента разрушения образца фиксируется реле времени. Коэффициент диффузии подсчитывают по формуле. Способ прост в исполнении, можно определить коэффициент диффузии жидкости в горные породы, включая глинистые, f ил;

Значения коэффициента диффузии D дистиллированной

воды в образцы, приготовленные из Na -монтмориллонита и

полиакриламида (ПАА) марки Декадрил А-1

Продолжение таблицы