Спосіб визначення крайового кута змочування пористих тіл

Спосіб визначення крайового кута змочування пористих тіл, який полягає у створенні перепаду тиску між внутрішніми об'ємами двох сполучених камер, в яких знаходяться відповідно досліджувані рідина і зразок пористого тіла, вимірюванні тиску в камері із зразком в момент торкання рідини до нижнього торця і в процесі підняття в ньому рідини, визначенні висоти підняття рідини у зразку, який відрізняється тим, що на протязі процесу підйому рідини у зразку визначають миттєву швидкість руху фронту рідини одночасно з вимірюванням тиску і визначенням висоти підняття, а після припинення процесу підняття проводять розрахунок крайового кута змочування згідно залежності: Винахід відноситься до контрольно-вимірювальної техніки в області досліджень фізикохімічних властивостей систем тверде тіло-рідинагаз і може бути використаний для вивчення змочуваності пористих тіл, зокрема гірських порід колекторів нафти і газу. Відомий спосіб визначення крайового кута змочування q на границі розділу тверде тілорідина-газ, що базується на даних капілярного заповнення рідиною пористого тіла, (Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир., 1979). Значення крайового кута змочування визначають за формулою: P r cosq = ¥ , (1) 2s де q - крайовий кут змочування на границі трифазного контакту; P¥ - капілярний тиск, що створюється в кінці величини для полікапілярних пористих тіл не завжди доцільно. Через випадкову закупорку деяких капілярів в процесі заповнення пористого тіла ефективний радіус змінюється. Використання величини ефективного радіусу, що є оцінкою геометричних та капілярних характеристик пористого тіла, збільшує похибку вимірювання. Найбільш близьким технічним рішенням до запропонованого винаходу є спосіб, в якому з метою підвищення точності вимірювання, позбуваються впливу гідростатичних сил, (а.с. СССР № 1516887, кл. G01N13/02, 1989, бюл. № 39). Даний спосіб реалізується за допомогою пристрою, що складається з двох сполучених між собою камер, у яких знаходяться досліджувана рідина і зразок. В процесі вимірювання проводять розрахунки середньої висоти підняття рідини в капілярах пористого тіла і вимірювання проводять в момент, коли рідина у камерах з досліджуваною рідиною і зразком знаходиться на одному рівні і відповідно, різниця гідростатичних сил у камерах рівна нулю. Крайовий кут змочування визначають при цьому таким чином: DP(1-Ф ) , (2) cosq = Фsr А де D Р - виміряний перепад тиску, 2 2 Vtht hP¥ , s (P¥ - rght ) 2 де Vt - миттєва швидкість руху рідини в момент часу t, ht - миттєва висота підняття фронту ріди UA (11) 28746 (13) A ни, P¥ - тиск в камері із зразком по закінченню процесу його заповнення рідиною, s - поверхневий натяг досліджуваної рідини, r - густина досліджуваної рідини, g - прискорення земного тяжіння. (19) процесу заповнення при t ®¥ ; r - ефективний радіус капіляру; s - міжфазний натяг на границі розділу контактуючих фаз. Даний спосіб потребує попереднього визначення величини ефективного радіусу капіляру за результатами порометрії або за допомогою досліджень питомої поверхні зразка. Використання цієї cos q = 28746 Ф - пористість зразка, r - густина скелета пористого матеріалу, А - питома площа поверхні пористого матеріалу. Визначення крайового кута змочування даним способом вимагає визначення питомої площі поверхні матеріалу скелета пористого тіла. Визначення цієї величини з достатньою для використання точністю вимагає застосування додаткової складної апаратури, що суттєво підвищує вартість і складність процесу визначення крайового кута змочування. Тому постає необхідність створення способу, який би шляхом враховування додаткової величини, такої як миттєва швидкість руху фронту рідини, при невисокій вартості вимірювання давав можливість визначати крайовий кут змочування з високою точністю без використання додаткової складної апаратури. Визначення крайового кута змочування пористих тіл з більшою точністю дозволить краще підбирати компоненти поверхнево-активних розчинів для впливу на продуктивні нафтогазоносні пласти. Задача вирішується наступним чином. У відомому способі, що полягає у створенні перепаду тиску між внутрішніми об'ємами двох сполучених камер, в яких знаходяться відповідно досліджувані рідина і зразок пористого тіла, вимірюванні тиску в камері із зразком в момент торкання рідини до нижнього торця і в процесі підняття в ньому рідини, визначенні висоти підняття рідини у зразку на протязі підйому рідини одночасно з вимірюванням тиску і визначенням висоти підйому визначають миттєву швидкість руху фронту рідини. Швидкість підняття рідини в пористому тілі пов'язана з крайовим кутом змочування такою залежністю (Чураев Н.В. Физико-химия процессов массопереноса в пористых телах - М.: Химия, 1990): æ r 2 ö æ 2 scos q ö ÷ V =ç (3) - r gh ÷ , ç 8 hh ÷ ç r ø è øè де V - швидкість руху рідини у вертикальному циліндричному капілярі; h - динамічна в'язкість рідини, яка рухається; h - висота підняття рідини; r - густина рідини; g - прискорення земного тяжіння. Визначення величини cosq за допомогою залежності (3) також потребує попереднього визначення ефективного радіусу капілярів, тому необхідно позбутися її використання. Виражаючи з рівняння (1) величину r і підставляючи у рівняння (3), можна отримати вираз. В результаті вираз для визначення cosq матиме вигляд: cosq = 2 2 Vt ht hP¥ , s2 (P¥ - r ght ) індекс t вказує на те, що величини беруться під час підйому рідини в один момент, а індекс ¥ - по його закінченні. Вираз (4) дає змогу визначати крайовий кут через величини, які можна виміряти з достатньою точністю. Запропонований спосіб дозволяє позбутися попереднього вимірювання величин, використання яких приводило б до значних похибок або ускладнювало би процес вимірювання. Крім того з'являється можливість визначення зміни крайового кута змочування під час заповнення зразка досліджуваною рідиною із-за адсорбції компонентів із рідини на границі розділу фаз. Спосіб дозволяє вимірювати крайовий кут змочування для зразків, у яких змінюється базова величина r і не потребує попереднього її визначення. Запропонований спосіб може бути реалізований за допомогою пристрою, структурна схема якого зображена на фіг. В посудині 1 знаходиться досліджувана рідина 2, крайовий кут змочування якою визначається. В герметичній камері 3 знаходиться досліджуваний зразок пористого тіла 4 (керн гірської породи). Величина надлишкового тиску в камері 5 за допомогою первинного перетворювача тиску 6 перетворюється в електричний сигнал. Сигнал подається на аналогово-цифровий перетворювач 7. Далі сигнал у цифровій формі поступає на однокристальну мікроЕОМ 8. Результати вимірювання крайового кута змочування виводяться на цифровий індикатор 9. Відлік часу здійснюється за допомогою таймеру 10. Результати вимірювання крайового кута змочування виводяться на цифровий індикатор 9. За допомогою крану 11 роз'єднуються посудина 2 з камерою для зразка. Визначення крайового кута змочування пористого тіла за допомогою описаного вище пристрою відбувається в такій послідовності. Встановлюють досліджуваний зразок пористого тіла в камеру 3. Заповнюють досліджуваною рідиною посудину 2. При цьому кран 2 перекритий. Відкривають кран 2, досліджувана рідина починає поступати до зразка. По різкому скачку тиску в камері 5 фіксується момент торкання рідини до зразка. В цей момент включається таймер 10, який веде відлік часу. МікроЕОМ, використовуючи значення тиску, які поступають з датчика тиску 6, і значення часу, що поступають з таймера, проводить розрахунки за залежністю (4) згідно із закладеною програмою. Результати розрахунків виводяться на цифровому індикаторі 9. Процес вимірювання відбувається до моменту досягнення рідиною максимальної висоти підняття, що фіксується по припиненню зміни тиску в камері 5. Описаний вище спосіб і пристрій дають можливість спростити процес вимірювання крайового кута змочування пористих тіл, що має важливе значення у галузі дослідження нафтоносних колекторів. (4) де 2 28746 Фіг. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 34 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 3