ĆWICZENIE NR 2a

Wyznaczanie współczynnika porowatości efektywnej metodą naftową.

1. Część teoretyczna.

1.1. Wstęp.

Porowatość jest to własność skał wynikająca z występowania w skałach pomiędzy poszczególnymi ziarnami mineralnymi lub kryształami wolnych przestrzeni zwanych porami.

Pory mogą być:

• otwarte, gdy łączą się ze sobą tworząc system specjalnych kanalików, mają one bardzo ważne znaczenie w hydrogeologii gdyż umożliwiają przewodzenie wody przez skałę,

• zamknięte, gdy nie łączą się ze sobą czyli są całkowicie otoczone substancją skalną.

Ze względu na ruch wody i działanie sił międzycząsteczkowych pory dzieli się w zależności od ich wymiarów na:

• nadkapilarne, o średnicy większej od 0.5 [mm] (woda wolna może poruszać się w nich pod działaniem siły ciężkości),

• kapilarne, o średnicy od 0.5 do 0.0002 [mm] (woda może odbywać w nich jedynie ruchy kapilarne w wyniku działania sił wytwarzających się na granicy dwóch ośrodków tzn. skały i wody,

• subkapilarne, o średnicy mniejszej od 0.0002 [mm] (woda zostaje w nich związana i unieruchomiona działaniem sił międzycząsteczkowych - skały mogą chłonąć wodę, nie mogą jej jednak przewodzić i oddawać).

Średnica porów oznacza tutaj tzw. średnicę zastępczą tzn. średnicę rurki, do której przyrównuje się pory o nieregularnych kształtach.

Miarą porowatości skały jest współczynnik porowatości.

Współczynnikiem porowatości rzeczywistej n - nazywamy stosunek objętości wszystkich porów zawartych w skale V_p do objętości całej skały V.

V - V_z V_p

n = --------- _* 100 = ------ _*100 [%]

V V

gdzie:

V_z - objętość szkieletu skalnego.

Współczynnikiem porowatości efektywnej n_e nazywamy stosunek objętości porów biorących czynny udział w procesie filtracji V_e do objętości całej skały V.

V - V_ze V_e

n_e = --------- _* 100 = ------- _* 100 [%]

V V

gdzie:

V_ze - objętość szkieletu skalnego i porów zamkniętych.

W zależności od wielkości współczynnika porowatości skały dzielą się na:

• szczelne n<1%,

• o małej porowatości 1%<n<5%,

• o średniej porowatości 5%<n<15%,

• o dużej i bardzo dużej porowatości n>15%.

Poniżej w tablicy zestawiono wartości współczynnika porowatości najbardziej pospolitych skał.

Geneza skały	Klasa skały		Rodzaj skały	Współczynnik porowatości n[%]
		sypkie	pyły piaski równoziarniste piaski różnoziarniste żwiry	30 - 50 26 - 48 20 - 45 20 - 40
osadowe	luźne	spoiste	gliny lessy iły plastyczne iły półzwarte iły zwarte	20 - 35 40 - 60 40 - 70 35 - 50 18 - 35
	półzwięzłe		iłołupki margle węgiel	5 - 8 20 - 49 0.1 -6
	zwięzłe		piaskowce łupki piaszczyste łupki ilaste wapienie i dolomity	0.5 - 28 2 - 13 4 - 20 0.5 - 13
magmowe	zwięzłe		bazalt porfir granit	0.2 - 3 0.4 - 6 0.2 - 2
metamorficzne	zwięzłe		marmur kwarcyt gnejs	0.1 - 6 0.2 - 0.8 0.02 - 2.5

1.2. Metody badań.

1.2.1. Aparatura.

W skład zestawu do oznaczenia współczynnika porowatości efektywnej metodą naftową wchodzą:

- komora próżniowa z pompą próżniową oraz naczynie szklane z naftą (zamiast nafty może być stosowana również inna ciecz łatwo zwilżająca skałę).

1.2.2. Podstawy teoretyczne.

Oznaczenie współczynnika porowatości efektywnej metodą naftową wykonuje się przy użyciu nafty.

Aby określić współczynnika porowatości efektywnej danej skały należy zmierzyć objętość porów czynnych V_e oraz całkowitą objętość próbki V.

Objętość porów czynnych (otwartych) oznaczamy nasycając próbkę naftą. Przeprowadza się to przez zanurzenie próbki w nafcie, wówczas nafta wypełnia pory w skale komunikujące się ze sobą, wypierając z nich powietrze.

Całkowite i szybkie nasączenie porów naftą uzyskuje się dzięki uprzedniemu odprowadzeniu z nich powietrza (dlatego nasączanie przeprowadza się w próżni).

Po całkowitym nasączeniu się próbki wszystkie pory czynne (komunikujące się ze sobą) będą wypełnione naftą, tak więc objętość porów czynnych będzie równa objętości nafty wypełniającej te pory. Objętość porów czynnych V_e możemy więc obliczyć ze wzoru:

G_p - G

V_e = ----------

_n

gdzie:

G - masa próbki nienasyconej naftą,

G_p - masa próbki nasyconej naftą,

_n - gęstość przestrzenna nafty,

(G_p -G) - masa nafty wypełniającej pory.

Objętość szkieletu skalnego (łącznie z porami zamkniętymi) V_ze obliczamy wykorzystując prawo Archimedesa. W tym celu należy nasyconą już próbkę skalną zważyć na wadze hydrostatycznej (przy zanurzeniu w nafcie).

G - G_n

V_ze = ----------

_n

gdzie:

G_n - masa próbki nasyconej naftą ważona na wadze hydrostatycznej,

(G - G_n) - masa nafty wypartej przez szkielet skalny i pory zamknięte (czyli zawartej w objętości V_ze).

Pozostałe oznaczenia jak wyżej.

Całkowita objętość próbki wynosi V = V_ze + V_e czyli po zsumowaniu otrzymamy:

G_p - G_n

V = ----------

_n

Podstawiając dalej do wzoru na n_e otrzymamy:

G_p - G

n_e = ---------- _*100 [%]

G_p - G_n

2. Część praktyczna.

2.1. Wyposażenie stanowiska badawczego.

Stanowisko powinno być wyposażone w następujące urządzenia i przyrządy:

- komora próżniowa z pompą próżniową,

- waga laboratoryjna,

- waga hydrostatyczna,

- naczynie z naftą.

2.2. Zakres czynności.

2.2.1. Przygotowanie próbek.

Badanie wykonuje się na próbkach o kształtach nieregularnych. Próbki obrabia się młotkiem zwracając szczególną uwagę na to aby próbka nie posiadała ostrych kantów i większych nierówności powierzchni.

2.2.2. Przebieg badań.

Przygotowaną próbkę ważymy na wadze laboratoryjnej a wyniki ważenia (G) wpisujemy do tabeli. Następnie wkładamy próbkę do naczynia z naftą tak aby próbka była całkowicie zanurzona. Naczynie z próbką umieszczamy w komorze próżniowej
i odpompowujemy powietrze za pomocą pompy próżniowej. Przed włączeniem pompy próżniowej należy odkręcić zawór łączący komorę próżniową z pompą próżniową a zakręcić zawór łączący komorę próżniową z atmosferą. W trakcie pompowania powietrza obserwujemy pęcherzyki powietrza ulatniające się z próbki co jest szczególnie intensywne w początkowym okresie, kiedy to występuje zjawisko burzenia (gotowania) się już uchodzących z próbki pęcherzyków powietrza.

UWAGA: W momencie wyłączania pompy próżniowej należy przy manewrowaniu zaworami komory próżniowej przestrzegać następującej zasady: POMPĘ PRÓŻNIOWĄ WYŁĄCZAMY DOPIERO WTEDY GDY ZOSTANIE ZAKRĘCONY ZAWÓR ŁĄCZĄCY POMPĘ Z KOMORĄ. Następnie odkręcamy zawór łączący komorę z atmosferą.

Naczynie z próbką wyjmujemy z komory i próbkę ważymy na wadze hydrostatycznej. Wyniki ważenia wpisujemy do tabeli (G_n). Następnie próbkę wyjmujemy z nafty i lekko odsączamy z kropelek nafty utrzymujących się na powierzchni próbki (najlepiej odłożyć próbkę na 2 - 3 minuty na papier). Nasączoną naftą próbkę ważymy ponownie tym razem na wadze laboratoryjnej (w powietrzu). Wyniki zapisujemy w tabeli (G_p). Można wykonać jednocześnie oznaczenia dla większej ilości próbek.

2.3.2. Obliczanie wyników.

Po zakończeniu badań na podstawie danych zestawionych w tabeli przeprowadzamy obliczenia wyników, korzystając z odpowiednich wzorów przedstawionych w części pierwszej. Wyniki obliczeń wpisujemy do tabeli.

3.Uwagi końcowe.

Wykonane ćwiczenie należy zamknąć sprawozdaniem, które powinno zawierać:

- część opisową przedstawiającą metodę badań,

- tabelaryczne zestawienie wyników badań,

- interpretację wyników badań,

- załącznik tabelaryczny - zestawienie wszystkich parametrów z prowadzonych

badań, łącznie z wynikami.

Na stronie tytułowej powinien być umieszczony:

- temat ćwiczenia,

- data jego wykonania,

- imiona i nazwiska wykonawców,

- grupa,

- semestr,

- specjalność.

1

---