Способ определения коэффициента диффузии

1791756 А оюз советскихоциАлистическиЕСПУБЛИК 1)5 0 01 И 13/О Б ЛЬСТВ 2 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Западно-Сибирский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт технологии глубокого разведочногобурения(57) Использование: изобретение относитсяк измерительной технике, Сущность: способвключает приведение образца в контакт с Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в геологии, нефтяной и газовой промышленности для исследования влияния напряже. ний на массоперенос в горных породахи оптимизации свойств буровых растворов.Известен способ определения коэффициента диффузии жидкости в полимерный материал путем введения образца в контакт с жидкостью одной его йоверхностью и измерения зависимости высоты прогиба образца от времени для определения продолжительности полного насыщения образца и нахождения искомого параметра,Известен Способ определения коэффи- циента диффузии жидкостей и паров через полимерные материалы путем нагружения образца постоянной сжимающей нагрузкой, меньшей по величине нагрузки разружидкостью, 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 сжимающей 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. 1 ил,Мшения образца в сухом виде, приведения образца в контакт с жидкостью, последую-" щего измерения параметров и подсчета коэффициента диффузии. , ОНедостаток известного способа в его ъ сложности и ограниченйбстй области применения, Сложность обусловлена тем, что Л коэффициент диффузии подсчитывают по О, результатам измерения микротвердости в определенных точках образца во времени в процессе набухания, для чего необходимы неоднократные периодические погружения индентора в материалеразличных местах полимерного образца, ввиду того, что микротвердость характеризуется глубиной этого погружения; Область применения ограничейа полимерамийраспространенйе известного способа на материалы, например минералы, внутрь которых может пройикать 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 происходитдиффузионное проникновение жидкости в межкристаллическое пространство, при этом размвр диффузионной области равен размеру площадисцементйровайных зерен минералов, вследствие.чЫгЪразупрочнение идет по всему объему одновременно и измерять индентором проникновение влаги на каком-то расстоянии от зоны контакта образца с жидкостью бессмысленно; у непроницаемых минералов изменение механических свойств идет только вобласти контакта образца с жидкостью, гдеобразец полностью теряет свою прочность, и если к этой области приложено напряжение, то происходит разрушение ее, получается движение границы разрушения отобласти контакта образца с жидкостью кцентру образца,10 20 Цель изобретения - уйрощейие способа 25и расширение областй его применения.,Ожидаемый от использования изобретения положительный эффект: способ прост . . в лабораторном исполнении и доступен дляосуществления в любой лаборатории, так 30 как исключено непрерывное слежение и контроль кинетики процесса проникновения жидкости в образец вследствие автоматической фиксации окончания процесса иуменьшено количество контролируемых параметров; расширена область применения способа - способ работает не только для полимеров, но и для мало- и высокопроницаемых йород, - стало возможным определение коэффициента диффузии жидкости в 40 горные породы,включая глины, при подВгсчете его по формуле О - .и - ,лгтг - и) "1где В - для полимеров и малопроницаемых 45 пород соизмеримо с геометрическим размером образца; а для высокопроницаемых пород равен размеру области контакта зерен, слатающих минерал; ожидаемая зкономия от использования изобретения при опреде лении коэффициента диффузии горных пород составит в год 5 млн, рублей.В способе определения коэффициентадиффузии путем нагружения образца посто.янной сжимающей нагрузкой, меньшей по величине нагрузкй разрушения образца всухом виде, приведения образца в контактс 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 коэффициента диффузии ведут по формуле Вг, бг(и - )где В - радиус образцов;61, 82 - напряжение сжимающих нагрузок, приложенных к первому и второму образцу соответственно;т 1 лг - время диффузии от начала контакта нагруженного образца и жидкости до момента разрушения образца, для первого и второго образца соответственно.Зависимость получена экспериментально.Для осуществления способа используют устройство, схема которого приведена на рисунке. Устройство включает термостатированную камеру 1 с выемкой 2 на дне; 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 камеры 1, верхнюю накладку 9 с углублением 10 для установки стержня 5, воронку 11, Стержень 5 и подставка 6 представляют собой плунжерную пару.Сйособ оСуществляют следующим образом.Два одинаковых образца 12 горной породы с известным радиусом помещают в отдельные- термостатированные камеры 1 для соблюдения одинаковых условий воздействия 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 крышкой 3, в отверстие 4 которой вставляют стержень 5 до упора в углубление 10 верхней накладки 10, на подставку 6 устанавливают груз 7, масса кото- . рого меньше нагрузки разрушения образца в сухом виде; Образец 12 под сжимающей нагрузкой 7 приводят в контакт с дистиллированной водой 13, заливаемой в камеру 1 через воронку 11; в момент йачала контакта образца и жидкости включают реле времени для отсчета времени диффузии, По мере диффузии прочность породы падает, наступает момент, когда приложенная нагрузка разрушает образец и реле времени автоматически отключается, После разрушения образцов и отключения реле времени по значениям параметров подсчитывают в со1791756 Значения коэффициента диффузии О дистиллированной воды в образцы, приготовленные из йа -монтмориллонита и полиакриламида (ПАА) марки "Декадрил А - 1"Коэффициент.диффузии, О,м/с) 10 Номер опыта Об азе 2 Образе 1 продолжительность диффузии, тг,с величина сжимающей нагрузки О 1 МПапродолжительность диффузии, ц,с величина сжимающей нагрузки сц,МПаЬ/В=З 2200 4800 1330 8402200840 В=510 м2,43,22,4 П/В=З 3070 2680 3070 Щ/=6 %4,14,13,8 Пример 2,123 1740 1740 2370 ответствии с формулой коэффициент диффузии О,Изобретение иллюстрируется следующими примерами.Для опреДеления коэффициента диффузии жидкости в горные породы брали два одинаковых цилиндрических образца горной породы с известным радиусом В и отношением 1/В = 3 (где 1 - высота образца), спрессованных их На - монтмориллонита под давлением Р = 240 МПа и выдержанных в течение 10 суток в эксикаторе. Все условия, кроме величины сжимающих нагрузок д 1 и дг, в обоих случаях одинаковы: радиус В, высота Ь и влажность И образцов, применяемая жидкость, температура системы ТК, формула подсчета коэффициента дифВ 2 дфузии О - 1 пд-.д (тг - с 1)Для определения коэффициента диффузии жидкости в полимерах брали два одинаковых цилиндрических образца полиакриламида.ПААз) марки "Декадрил А" радиусом В = 5 10 м, Данные представлены в таблице.Как видно из таблицы, значение коэффициента диффузии О воды в образцы из полиакриламида (ПАА) марки "Декадрил А" при температуре системы Т = 294 К удовлетворительно согласуется со значением коэффициента диффузии воды в полимерах, а значение коэффициента диффузии О воды в образцы из йа - монтмориллонита при температуре системы Т = 294 К и Т = 313 К, определенный при разных сжимающих нагрузках д 1 и ог, и разной исходной влажности образцов, соответствует литературным данным. Это подтверждает достоверность предлагаемого "Способа определения коэффициента диффузйи" и для полимеров, и 5 для горных пород, в том числе глинистых,т,е, налицо расширение области примене. ния способа и его упрощение,Формула изобретения10 Способ определения коэффициентадиффузии путем нагружения образца постоянной сжимающей нагрузкой, меньшей повеличине нагрузки разрушеййя образца всухом виде, приведения образца в контакт с15 жидкостью, последующего измерения параметров и подсчета коэффициента диффузии,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюупрощения способа и расширения областиего применения, измеряют время диффузии20 от начала контакта нагруженного образца ижидкости до момента разрушейия образца,при этом используютдва одинаковых образца, нагруженных разными нагрузками, аподсчет коэффициента диффузии ведут по25 формулеО = п-,дг(тг - т 1) где В - радиус образцов;д 1, дг - напряжение сжимающих нагрузок, приложенных к первому Ивторому образцу соответственно;т 1 лг - время диффузии от начала контак та нагруженного образца и жидкости до момента разрушения образца для первого и второго образца соответственно,1791756 7 Продолжение таблицы Составитель Е,ПетриашвилиТехред М,Моргентал КРедактор Н,Коляда ектор О.Густи ГКНТ ССС Госуд изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 каз 149 ВНИИ Тиражвенного комитета по изобре 113035, Москва, Ж, Рауш Подпйсноениям и открыая наб., 4/5