Пористость

Соотношение объема пустот и общего объема пористого материала

Пористость или доля пустот является мерой количества пустот (т.е. «пустых») пространств в материале и представляет собой долю объема пустот по отношению к общему объему в диапазоне от 0 до 1 или в процентах от 0% до 100%. . Строго говоря, в некоторых тестах измеряется «доступная пустота», общий объем пустот, доступных с поверхности ( см . пенопласт с закрытыми порами ).

Существует множество способов проверки пористости вещества или детали, например, промышленное компьютерное сканирование .

Термин «пористость» используется во многих областях, включая фармацевтику , керамику , металлургию , материалы , производство , петрофизику , гидрологию , науки о земле , механику грунтов , механику горных пород и инженерию . ^[1]

Доля пустот в двухфазном потоке

В двухфазном потоке газ-жидкость фракция пустот определяется как доля объема проточного канала, занимаемая газовой фазой, или, альтернативно, как доля площади поперечного сечения канала, занимаемая газовой фазой. газовая фаза. ^[2]

Доля пустот обычно варьируется от места к месту в проточном канале (в зависимости от схемы двухфазного потока). Он колеблется со временем, и его значение обычно усреднено по времени. В разделенном (т. е. неоднородном ) потоке он связан с объемными расходами газовой и жидкой фаз, а также с соотношением скоростей двух фаз (так называемым коэффициентом скольжения ).

Пористость в науках о земле и строительстве

Пористость пористой среды (такой как горная порода или отложения ), используемая в геологии , гидрогеологии , почвоведении и строительстве , описывает долю пустого пространства в материале, где пустота может содержать, например, воздух или воду. Оно определяется соотношением :

${\displaystyle \phi ={\frac {V_{\mathrm {V} }}{V_{\mathrm {T} }}}}$

где V _V — объем пустотного пространства (например, жидкости), а V _T — общий или объемный объем материала, включая твердые и пустотные компоненты. Оба математических символа и используются для обозначения пористости. ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle n}$

Пористость представляет собой долю от 0 до 1, обычно от менее 0,005 для твердого гранита до более 0,5 для торфа и глины .

Пористость породы или осадочного слоя является важным фактором при попытке оценить потенциальный объем воды или углеводородов, которые она может содержать. Седиментационная пористость представляет собой сложную функцию многих факторов, включая, помимо прочего: скорость захоронения, глубину захоронения, природу родственных флюидов , природу вышележащих отложений (которые могут препятствовать вытеснению жидкости). Одно из часто используемых соотношений между пористостью и глубиной определяется уравнением Ати (1930): ^[3]

${\displaystyle \phi (z)=\phi _{0}e^{-kz}\,}$

где – поверхностная пористость, – коэффициент уплотнения (м ^-1 ), – глубина (м). ${\displaystyle \phi _{0}}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle z}$

Альтернативно значение пористости можно рассчитать на основе объемной плотности , плотности насыщающей жидкости и плотности частиц : ${\displaystyle \rho _{\text{bulk}}}$ ${\displaystyle \rho _{\text{fluid}}}$ ${\displaystyle \rho _{\text{particle}}}$

${\displaystyle \phi ={\frac {\rho _{\text{particle}}-\rho _{\text{bulk}}}{\rho _{\text{particle}}-\rho _{\text{fluid}}}}}$

Если пустое пространство заполнено воздухом, можно использовать следующую более простую форму:

${\displaystyle \phi =1-{\frac {\rho _{\text{bulk}}}{\rho _{\text{particle}}}}}$

Предполагается, что нормальная плотность частиц составляет примерно 2,65 г/см ³ ( кремнезем ), хотя более точную оценку можно получить, исследуя литологию частиц .

Пористость и гидравлическая проводимость

Пористость может быть пропорциональна гидравлической проводимости ; для двух одинаковых песчаных водоносных горизонтов тот, у которого более высокая пористость, обычно будет иметь более высокую гидравлическую проводимость (более открытую площадь для потока воды), но в этом отношении есть много сложностей. Основная сложность заключается в том, что между пористостью и гидравлической проводимостью существует не прямая пропорциональность, а скорее предполагаемая пропорциональность. Существует четкая пропорциональность между радиусами поровых каналов и гидравлической проводимостью. Кроме того, существует тенденция к пропорциональности между радиусом горловины пор и объемом пор. Если существует пропорциональность между радиусами поровых каналов и пористостью, то может существовать пропорциональность между пористостью и гидравлической проводимостью. Однако по мере того, как размер зерна или сортировка уменьшаются, пропорциональность между радиусами поровых каналов и пористостью начинает ухудшаться, а, следовательно, и пропорциональность между пористостью и гидравлической проводимостью. Например: глины обычно имеют очень низкую гидравлическую проводимость (из-за небольшого радиуса порового канала), но также имеют очень высокую пористость (из-за структурированной природы глинистых минералов ), что означает, что глины могут удерживать большой объем воды на объем массы. материал, но они не выделяют воду быстро и поэтому имеют низкую гидравлическую проводимость.

Сортировка и пористость

Влияние сортировки на аллювиальную пористость. Черный цвет представляет твердые вещества, синий — поровое пространство.

Хорошо отсортированные (зерна примерно одного размера) материалы имеют более высокую пористость, чем плохо отсортированные материалы аналогичного размера (где более мелкие частицы заполняют промежутки между более крупными частицами). На графике показано, как некоторые более мелкие зерна могут эффективно заполнять поры (где происходит весь поток воды), резко снижая пористость и гидравлическую проводимость, хотя они составляют лишь небольшую часть общего объема материала. Таблицы общих значений пористости земных материалов см. в разделе «Дальнейшая литература» статьи «Гидрогеология » .

Пористость горных пород

Консолидированные породы (например, песчаник , сланец , гранит или известняк ) потенциально обладают более сложной «двойной» пористостью по сравнению с аллювиальными отложениями . Ее можно разделить на связанную и несвязанную пористость. Связанную пористость легче измерить по объему газа или жидкости, который может втекать в породу, тогда как жидкости не могут получить доступ к несвязанным порам.

Пористость – это отношение объема пор к их общему объему. Пористость контролируется: типом породы, распределением пор, цементацией, диагенетической историей и составом. Пористость не зависит от размера зерна, так как объем межзеренного пространства связан только со способом упаковки зерен.

Пористость пород обычно уменьшается с возрастом и глубиной захоронения. Песчаники третичного возраста на побережье Мексиканского залива в целом более пористые, чем песчаники кембрийского возраста. Из этого правила есть исключения, обычно из-за глубины захоронения и термической истории.

Пористость почвы

Пористость поверхностной почвы обычно уменьшается по мере увеличения размера частиц. Это происходит из-за образования почвенных агрегатов в почвах с более мелкой текстурой поверхности под воздействием почвенных биологических процессов. Агрегация предполагает прилипание частиц и более высокую устойчивость к уплотнению. Типичная объемная плотность песчаной почвы составляет от 1,5 до 1,7 г/см ³ . Это соответствует пористости от 0,43 до 0,36. Типичная объемная плотность глинистой почвы составляет от 1,1 до 1,3 г/см ³ . Это рассчитано на пористость от 0,58 до 0,51. Это кажется нелогичным, поскольку глинистые почвы называются тяжелыми , что подразумевает более низкую пористость. «Тяжелый», по-видимому, относится к эффекту гравитационного содержания влаги в сочетании с терминологией, которая восходит к относительной силе, необходимой для протягивания почвообрабатывающего орудия через глинистую почву при влажности поля по сравнению с песком.

Пористость подземного грунта ниже, чем поверхностного, из-за уплотнения под действием силы тяжести. Пористость 0,20 считается нормальной для несортированного гравийного материала на глубинах ниже биомантии . Можно ожидать, что пористость более тонкого материала ниже агрегирующего влияния педогенеза будет примерно равна этому значению.

Пористость почвы сложная. Традиционные модели рассматривают пористость как непрерывную. Это не учитывает аномальные особенности и дает лишь приблизительные результаты. Более того, он не может помочь смоделировать влияние факторов окружающей среды , влияющих на геометрию пор. Был предложен ряд более сложных моделей, включая фракталы , теорию пузырей , теорию растрескивания , булев процесс зерна, упакованную сферу и множество других моделей. Характеристика порового пространства в почве является сопутствующим понятием.

Типы геологической пористости

Первичная пористость

Основная или исходная система пористости в горной породе или безнапорном аллювиальном отложении .

Вторичная пористость

Последующая или отдельная система пористости в породе, часто увеличивающая общую пористость породы. Это может быть результатом химического выщелачивания минералов или образования системы трещин. Она может заменять первичную пористость или сосуществовать с ней (см. двойную пористость ниже).

Пористость разрушения

Это пористость, связанная с системой трещин или разломами. Это может создать вторичную пористость в горных породах, которые в противном случае не были бы резервуарами для углеводородов из-за разрушения их первичной пористости (например, из-за глубины захоронения) или в породах типа, которые обычно не считаются резервуарами (например, магматические интрузии или метаотложения).

Пустотная пористость

Это вторичная пористость, возникающая в результате растворения крупных элементов (таких как макрофоссилии ) в карбонатных породах , оставляющих большие дыры, каверны или даже пещеры .

Эффективная пористость (также называемая открытой пористостью )

Относится к части общего объема, в которой эффективно протекает поток жидкости, и включает цепные и тупиковые (поскольку эти поры не могут быть промыты, но они могут вызвать движение жидкости за счет сброса давления, например расширения газа ^[4] ) поры и исключает закрытые поры (или несвязанные полости). Это очень важно для потока грунтовых вод и нефти, а также для транспорта растворенных веществ.

Неэффективная пористость (также называемая закрытой пористостью )

Относится к части общего объема, в которой присутствуют жидкости или газы, но в которой поток жидкости не может эффективно происходить, и включает закрытые поры. Таким образом, понимание морфологии пористости очень важно для определения потоков грунтовых вод и нефти.

Двойная пористость

Относится к концептуальной идее о том, что существуют два перекрывающихся и взаимодействующих резервуара. В водоносных горизонтах с трещиноватыми породами массив горных пород и трещины часто моделируются как два перекрывающихся, но отдельных тела. Решения по задержке добычи и негерметичному потоку водоносного горизонта математически аналогичны решениям, полученным для двойной пористости; во всех трех случаях вода поступает из двух математически разных резервуаров (независимо от того, различны они физически или нет).

Макропористость

В твердых телах (т.е. за исключением агрегированных материалов, таких как почвы) термин «макропористость» относится к порам  диаметром более 50 нм . Течение через макропоры описывается объемной диффузией.

Мезопористость

В твердых телах (т.е. за исключением агрегированных материалов, таких как почвы) термин «мезопористость» относится к порам диаметром более 2 нм и менее 50 нм. Поток через мезопоры описывается диффузией Кнудсена.

Микропористость

В твердых телах (т.е. за исключением агрегированных материалов, таких как почвы) термин «микропористость» относится к порам диаметром менее 2 нм. Движение в микропорах активируется диффузией.

Пористость ткани или аэродинамическая пористость

Соотношение дырок и твердого тела, которое «видит» ветер. Аэродинамическая пористость меньше визуальной пористости на величину, которая зависит от сужения отверстий.

Пористость при литье под давлением

Пористость отливки является следствием одного или нескольких из следующих факторов: газификация загрязняющих веществ при температуре расплавленного металла; усадка, происходящая по мере затвердевания расплавленного металла; и неожиданные или неконтролируемые изменения температуры или влажности.

Хотя пористость присуща производству литья под давлением, ее присутствие может привести к выходу из строя компонентов, где целостность под давлением является критической характеристикой. Пористость может принимать различные формы: от взаимосвязанных микропор, складок и включений до макропористости, видимой на поверхности детали. Конечным результатом пористости является создание пути утечки через стенки отливки, который не позволяет детали удерживать давление. Пористость также может привести к выделению газов во время процесса окраски, выщелачиванию гальванических кислот и вибрации инструмента при обработке прессованных металлических деталей. ^[5]

Измерение пористости

Оптический метод измерения пористости: на шлифе под гипсовой пластиной пористость имеет фиолетовый цвет, контрастирующий с зернами карбоната других цветов. Плейстоценовый эолианит с острова Сан-Сальвадор , Багамы. Масштабная линейка 500  мкм .

Для измерения пористости можно использовать несколько методов:

• Прямые методы (определение объемного объема пористого образца, а затем определение объема скелетного материала без пор (объем пор = общий объем − объем материала).
• Оптические методы (например, определение площади материала по сравнению с площадью пор, видимых под микроскопом). «Площадная» и «объемная» пористости равны для пористых сред с хаотичной структурой. ^[6]
• Метод компьютерной томографии (использование промышленной компьютерной томографии для создания 3D-рендеринга внешней и внутренней геометрии, включая пустоты. Затем выполнение анализа дефектов с использованием компьютерного программного обеспечения)
• Методы пропитки ^[6] , т.е. погружение пористого образца под вакуумом в жидкость, которая преимущественно смачивает поры.
  • Метод водонасыщения (объем пор = общий объем воды − объем воды, оставшейся после замачивания).
• Метод испарения воды (объем пор = (вес насыщенного образца − вес высушенного образца)/плотность воды)
• Порозиметрия с применением ртути (несколько методов внедрения без использования ртути были разработаны из-за токсикологических проблем и того факта, что ртуть имеет тенденцию образовывать амальгамы с несколькими металлами и сплавами).
• Метод расширения газа. ^[6] Образец известного объёма помещают в контейнер известного объёма. Он соединен с другим контейнером известного объема, из которого вакуумируют (т.е. давление, близкое к вакууму). Когда клапан, соединяющий два контейнера, открыт, газ проходит из первого контейнера во второй до тех пор, пока не будет достигнуто равномерное распределение давления. Используя закон идеального газа , объем пор рассчитывается как

${\displaystyle V_{V}=V_{T}-V_{a}-V_{b}{P_{2} \over {P_{2}-P_{1}}}}$,

где

V _V – эффективный объем пор,

V _T – объемный объем образца,

V _a – объем контейнера, содержащего образец,

V _b – объем вакуумируемой емкости,

P ₁ - начальное давление при начальном давлении в объеме V _a и V _V , а

P ₂ — конечное давление во всей системе.

Пористость напрямую следует из ее правильного определения.

${\displaystyle \phi ={\frac {V_{V}}{V_{T}}}}$.

Обратите внимание, что этот метод предполагает, что газ сообщается между порами и окружающим объемом. На практике это означает, что поры не должны быть закрытыми полостями.

• Термопорометрия и криопорометрия. Небольшой кристалл жидкости плавится при более низкой температуре, чем объемная жидкость, как указано уравнением Гиббса-Томсона . Таким образом, если жидкость впитывается в пористый материал и замораживается, температура плавления предоставит информацию о распределении пор по размерам. Обнаружение плавления может быть осуществлено путем измерения переходных тепловых потоков во время фазовых переходов с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии – (термопорометрия ДСК), ^[7] измерения количества подвижной жидкости с помощью ядерного магнитного резонанса – (криопорометрия ЯМР) ^[8] или измерение амплитуды рассеяния нейтронов от напитанной кристаллической или жидкой фазы – (НД-криопорометрия). ^[9]

Смотрите также

• Коэффициент пустотности
• Нефтяная геология
• Поромеханика
• Объемная плотность
• Плотность частиц (плотность упаковки)
• Плотность упаковки
• Пустота (композиты)
• Когерентная дифракционная визуализация

Рекомендации

• Глэсби, Калифорния; Г.В. Хорган; Дж. Ф. Дарбишир (сентябрь 1991 г.). «Анализ изображений и трехмерное моделирование пор в почвенных агрегатах». Журнал почвоведения . 42 (3): 479–86. doi :10.1111/j.1365-2389.1991.tb00424.x.
• Хорган, ГВ; BC Болл (1994). «Моделирование диффузии в булевой модели почвенных пор». Европейский журнал почвоведения . 45 (4): 483–91. Бибкод : 1994EuJSS..45..483H. дои : 10.1111/j.1365-2389.1994.tb00534.x .
• Хорган, Грэм В. (1 октября 1996 г.). «Обзор моделей почвенных пор» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 мая 2005 г. Проверено 16 апреля 2006 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
• Хорган, GW (июнь 1998 г.). «Математическая морфология для анализа изображений почвы». Европейский журнал почвоведения . 49 (2): 161–73. дои : 10.1046/j.1365-2389.1998.00160.x. S2CID  97042651.
• Хорган, GW (февраль 1999 г.). «Исследование геометрического влияния на диффузию порового пространства». Геодерма . 88 (1–2): 55–71. Бибкод : 1999Geode..88...55H. дои : 10.1016/S0016-7061(98)00075-5.
• Нельсон, Дж. Рой (январь 2000 г.). «Физика пропитки» (PDF) . Микроскопия сегодня . 8 (1): 24. дои : 10.1017/S1551929500057114 . Архивировано из оригинала (PDF) 27 февраля 2009 г.
• Рукерол, Жан (декабрь 2011 г.). «Вторжение жидкости и альтернативные методы определения характеристик макропористых материалов (Технический отчет IUPAC) *» (PDF) . Чистое приложение. Хим . 84 (1): 107–36. doi : 10.1351/pac-rep-10-11-19. S2CID  10472849.

Сноски

1. Мохаммадизаде, Сейед Мехди; Могаддам, Мехди Аждари; Талеббейдохти, Насер (2021). «Анализ потока в пористой среде с использованием комбинированной сети на поверхности без давления». Журнал пористых медиа . Begel House Inc. 24 (10): 1–15. дои : 10.1615/JPorMedia.2021025407. S2CID  235877042.
2. Г. Ф. Хьюитт, Г. Л. Шайрс, Ю. В. Полежаев (редакторы), «Международная энциклопедия тепло- и массообмена», CRC Press, 1997.
3. ATHY LF, 1930. Плотность, пористость и уплотнение осадочных пород, Bull. амер. доц. Бензин. геол. т. 14, стр. 1–24.
4. Эффективная и неэффективная пористость или общая и эффективная пористость, объясненные на сайте E&P Geology.com. Архивировано 13 марта 2012 г. на Wayback Machine.
5. «Как исправить пористость при литье под давлением?». Годфри и Винг .
6. FAL Dullien, «Пористая среда. Транспорт жидкости и структура пор», Academic Press , 1992.
7. Брун, М.; Лаллеманд, А.; Куинсон, Дж. Ф.; Эйро, К. (1977). «Новый метод одновременного определения размера и формы пор: термопорометрия». Термохимика Акта . Научное издательство Elsevier, Амстердам. 21 : 59–88. дои : 10.1016/0040-6031(77)85122-8.
8. Митчелл, Дж.; Уэббер, Дж. Бо В.; Странно, Дж. Х. (2008). «Ядерно-магнитно-резонансная криопорометрия» (PDF) . Физ. Представитель . 461 (1): 1–36. Бибкод : 2008PhR...461....1M. doi :10.1016/j.physrep.2008.02.001.
9. Уэббер, Дж. Бо В.; Доре, Джон К. (2008). «Нейтронная дифракционная криопорометрия – метод измерения для изучения мезопористых материалов, фаз содержащихся в них жидкостей и их кристаллических форм» (PDF) . Нукл. Инструмент. Методы А. 586 (2): 356–66. Бибкод : 2008NIMPA.586..356W. дои :10.1016/j.nima.2007.12.004. S2CID  28074381.

Внешние ссылки

• Расчет абсолютной пористости и эффективной пористости
• Геологические новости: пористость