Пористость

Соотношение объема пустот и общего объема пористого материала

Пористость или доля пустот является мерой пустот (т. е. «пустых») пространств в материале и представляет собой долю объема пустот по отношению к общему объему, между 0 и 1, или в процентах между 0% и 100%. Строго говоря, некоторые тесты измеряют «доступную пустоту», общий объем пустотного пространства, доступного с поверхности ( ср. пенопласт с закрытыми ячейками ).

Существует множество способов проверки пористости вещества или детали, например, промышленная компьютерная томография .

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

Объемная доля в двухфазном потоке

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

Доля пустот обычно меняется от места к месту в канале потока (в зависимости от модели двухфазного потока). Она колеблется со временем, и ее значение обычно усредняется по времени. В разделенном (т.е. неоднородном ) потоке она связана с объемными расходами газовой и жидкой фаз, а также с отношением скоростей двух фаз (называемым коэффициентом скольжения ).

Пористость в науках о Земле и строительстве

Используемая в геологии , гидрогеологии , почвоведении и строительной науке пористость пористой среды (например, горной породы или осадка ) описывает долю пустотного пространства в материале, где пустота может содержать, например, воздух или воду. Она определяется соотношением :

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

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

Пористость — это дробь от 0 до 1, обычно в диапазоне от менее 0,005 для цельного 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 он может содержать. Осадочная пористость является сложной функцией многих факторов, включая, но не ограничиваясь: скоростью залегания, глубиной залегания, природой реликтовых жидкостей , природой вышележащих осадков (которые могут препятствовать вытеснению жидкости). Одной из часто используемых зависимостей между пористостью и глубиной является убывающая экспоненциальная функция , заданная уравнением Ати (1930): ^[3]

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

где, - пористость осадка на заданной глубине ( ) (м), - начальная пористость осадка на поверхности почвы (до его захоронения), - коэффициент уплотнения (м ⁻¹ ). Буква с отрицательным показателем степени обозначает убывающую экспоненциальную функцию. Пористость осадка экспоненциально уменьшается с глубиной, как функция его уплотнения. ${\displaystyle \phi (z)}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle \phi _{0}}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle e}$

Значение пористости можно также рассчитать из 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:

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

Средняя нормальная плотность частиц может быть принята равной приблизительно 2,65 г/см ³ ( кремнезем , кремнистые отложения или агрегаты) или 2,70 г/см ³ ( кальцит , карбонатные отложения или агрегаты), хотя более точную оценку можно получить, изучив литологию частиц.

Пористость и гидравлическая проводимость

Пористость может быть пропорциональна гидравлической проводимости ; для двух похожих песчаных водоносных горизонтов тот, у которого пористость выше, как правило, будет иметь более высокую гидравлическую проводимость (большая открытая площадь для потока воды), но в этой взаимосвязи есть много осложнений. Главное осложнение заключается в том, что между пористостью и гидравлической проводимостью нет прямой пропорциональности, а скорее предполагаемая пропорциональность. Существует четкая пропорциональность между радиусами поровых каналов и гидравлической проводимостью. Кроме того, существует тенденция к пропорциональности между радиусами поровых каналов и объемом пор. Если существует пропорциональность между радиусами поровых каналов и пористостью, то может существовать пропорциональность между пористостью и гидравлической проводимостью. Однако по мере уменьшения размера зерна или сортировки пропорциональность между радиусами поровых каналов и пористостью начинает нарушаться, и, следовательно, пропорциональность между пористостью и гидравлической проводимостью. Например: глины обычно имеют очень низкую гидравлическую проводимость (из-за малого радиуса поровых каналов), но также имеют очень высокую пористость (из-за структурированной природы глинистых минералов ), что означает, что глины могут удерживать большой объем воды на единицу объема сыпучего материала, но они не выделяют воду быстро и поэтому имеют низкую гидравлическую проводимость.

Сортировка и пористость

Влияние сортировки на пористость аллювиальных отложений. Черный цвет представляет твердые частицы, синий цвет представляет 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). Графика иллюстрирует, как некоторые более мелкие зерна могут эффективно заполнять поры (где происходит весь поток воды), радикально снижая пористость и гидравлическую проводимость, при этом составляя лишь малую часть от общего объема материала. Таблицы общих значений пористости для грунтовых материалов см. в разделе «Дополнительное чтение» в статье «Гидрогеология» .

Пористость горных пород

Консолидированные породы (например, песчаник , сланец , гранит или известняк ) потенциально имеют более сложную «двойную» пористость по сравнению с аллювиальными отложениями . Ее можно разделить на связанную и несвязанную пористость. Связанную пористость легче измерить через объем газа или жидкости, который может течь в породу, тогда как флюиды 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 контролируется размером зерна, так как объем межзернового пространства связан только со способом упаковки зерен.

Пористость горных пород обычно уменьшается с возрастом и глубиной залегания. Третичные песчаники побережья Мексиканского залива в целом более пористые, чем песчаники кембрийского возраста. Из этого правила есть исключения, обычно из-за глубины залегания и термической истории.

Пористость почвы

Пористость поверхностной почвы обычно уменьшается с увеличением размера частиц. Это происходит из-за образования почвенных агрегатов в более мелкозернистых поверхностных почвах при воздействии почвенных биологических процессов. Агрегация включает в себя адгезию частиц и более высокую устойчивость к уплотнению. Типичная насыпная плотность песчаной почвы составляет от 1,5 до 1,7 г/см ³ . Это соответствует пористости от 0,43 до 0,36. Типичная насыпная плотность глинистой почвы составляет от 1,1 до 1,3 г/см ³ . Это соответствует пористости 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 орудия для обработки почвы через глинистую почву при полевой влажности по сравнению с песком.

Пористость подповерхностной почвы ниже, чем поверхностной из-за уплотнения под действием силы тяжести. Пористость 0,20 считается нормальной для несортированного гравийного материала на глубинах ниже биомантии . Можно ожидать, что пористость в более тонком материале ниже агрегирующего влияния педогенеза будет приближаться к этому значению.

Пористость почвы сложна. Традиционные модели рассматривают пористость как непрерывную. Это не учитывает аномальные особенности и дает только приблизительные результаты. Кроме того, это не может помочь смоделировать влияние факторов окружающей среды , которые влияют на геометрию пор. Было предложено несколько более сложных моделей, включая фракталы , теорию пузырьков , теорию растрескивания , процесс булевых зерен, упакованную сферу и множество других моделей. Характеристика порового пространства в почве является связанной концепцией.

Типы геологической пористости

Первичная пористость

Основная или первоначальная система пористости в горной породе или неограниченном аллювиальном месторождении .

Вторичная пористость

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

Трещиноватая пористость

Это пористость, связанная с системой трещин или сбросов. Это может создать вторичную пористость в породах, которые в противном случае не были бы резервуарами для углеводородов из-за того, что их первичная пористость была разрушена (например, из-за глубины залегания) или из-за типа породы, который обычно не считается резервуаром (например, магматические интрузии или метаосадки).

Кавернозная пористость

Это вторичная пористость, образующаяся в результате растворения крупных структур (например, макроокаменелостей ) в карбонатных породах, в результате чего образуются большие отверстия, каверны или даже пещеры .

Эффективная пористость (также называемая открытой пористостью )

Относится к доле общего объема, в котором поток жидкости фактически происходит, и включает цепные и тупиковые (поскольку эти поры не могут быть промыты, но они могут вызывать движение жидкости путем сброса давления, например, расширения газа ^[4] ) поры и исключает закрытые поры (или несоединенные полости). Это очень важно для потока грунтовых вод и нефти, а также для переноса 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. Понимание морфологии пористости, таким образом, очень важно для потока грунтовых вод и нефти.

Двойная пористость

Относится к концептуальной идее о том, что существуют два перекрывающихся резервуара, которые взаимодействуют. В водоносных горизонтах с трещиноватыми породами скальный массив и трещины часто моделируются как два перекрывающихся, но отдельных тела. Решения с отложенным выходом и протекающим водоносным горизонтом являются математически аналогичными решениям, полученным для двойной пористости; во всех трех случаях вода поступает из двух математически различных резервуаров (независимо от того, являются ли они физически различными).

Макропористость

В твердых телах (т.е. за исключением агрегированных материалов, таких как почвы) термин «макропористость» относится к порам диаметром более 50  нм . Поток 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

Отношение отверстий к твердому телу, которое «видит» ветер. Аэродинамическая пористость меньше визуальной пористости на величину, которая зависит от сужения отверстий.

Пористость литья под давлением

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

Хотя пористость присуща литью под давлением, ее наличие может привести к отказу компонента, где целостность давления является критической характеристикой. Пористость может принимать различные формы от взаимосвязанной микропористости, складок и включений до макропористости, видимой на поверхности детали. Конечным результатом пористости является создание пути утечки через стенки отливки, что не позволяет детали удерживать давление. Пористость также может привести к выделению газа во время процесса окраски, выщелачиванию гальванических кислот и вибрации инструмента при обработке прессованных металлических компонентов. ^[5]

Измерение пористости

Оптический метод измерения пористости: тонкий срез под гипсовой пластиной показывает пористость в виде фиолетового цвета, контрастирующего с карбонатными зернами других цветов. Плейстоценовый эолианит с острова Сан-Сальвадор , Багамы. Масштабная линейка 500  мкм .

Для измерения пористости можно использовать несколько методов:

• Прямые методы (определение насыпного 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» пористость равны для пористых сред со случайной структурой. ^[6]
• Метод компьютерной томографии (использование промышленного КТ-сканирования для создания 3D-визуализации внешней и внутренней геометрии, включая пустоты. Затем выполняется анализ 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)
• Ртутная интрузионная порометрия (из-за токсикологических проблем и того факта, что ртуть склонна образовывать амальгамы с несколькими металлами и сплавами, было разработано несколько методов интрузии без использования ртути).
• Метод расширения газа. ^[6] Образец известного насыпного объема заключен в контейнер известного объема. Он соединен с другим контейнером с известным объемом, который вакуумирован (т.е., с давлением, близким к вакууму). Когда клапан, соединяющий два контейнера, открывается, газ переходит из первого контейнера во второй, 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 — общий объем образца,

V _a — объем контейнера, содержащего образец,

V _б - объем откачиваемого контейнера,

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

P ₂ — конечное давление во всей системе.

Пористость прямо 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 основная часть жидкости, как указано в уравнении Гиббса-Томсона . Таким образом, если жидкость впитана в пористый материал и заморожена, температура плавления предоставит информацию о распределении размеров пор. Обнаружение плавления может быть выполнено путем измерения переходных тепловых потоков во время фазовых переходов с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии – (DSC термопорометрия), ^[7] измерения количества подвижной жидкости с использованием ядерного магнитного резонанса – (ЯМР криопорометрия) ^[8] или измерения амплитуды рассеяния нейтронов от впитанных кристаллических или жидких фаз – (ND криопорометрия). ^[9]

Смотрите также

• Коэффициент пустотности
• Геология нефти
• Поромеханика
• Насыпная плотность
• Плотность частиц (плотность упаковки)
• Плотность упаковки
• Пустота (композиты)
• Когерентная дифракционная визуализация

Ссылки

• Glasbey, CA; GW Horgan; JF Darbyshire (сентябрь 1991 г.). «Анализ изображений и трехмерное моделирование пор в почвенных агрегатах». Journal of Soil Science . 42 (3): 479–86. doi :10.1111/j.1365-2389.1991.tb00424.x.
• Horgan, GW; BC Ball (1994). «Моделирование диффузии в булевой модели почвенных пор». European Journal of Soil Science . 45 (4): 483–91. Bibcode :1994EuJSS..45..483H. doi : 10.1111/j.1365-2389.1994.tb00534.x .
• Horgan, Graham W. (1996-10-01). "Обзор моделей пор почвы" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2005-05-15 . Получено 2006-04-16 . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
• Horgan, GW (июнь 1998 г.). «Математическая морфология для анализа изображений почвы». European Journal of Soil Science . 49 (2): 161–73. doi :10.1046/j.1365-2389.1998.00160.x. S2CID  97042651.
• Horgan, GW (февраль 1999). "Исследование геометрических влияний на диффузию в поровом пространстве". Geoderma . 88 (1–2): 55–71. Bibcode :1999Geode..88...55H. doi :10.1016/S0016-7061(98)00075-5.
• Nelson, J. Roy (январь 2000 г.). "Физика пропитки" (PDF) . Microscopy Today . 8 (1): 24. doi : 10.1017/S1551929500057114 . Архивировано из оригинала (PDF) 2009-02-27.
• Рукерол, Жан (декабрь 2011 г.). «Жидкостное проникновение и альтернативные методы характеристики макропористых материалов (Технический отчет ИЮПАК)*» (PDF) . Pure Appl. Chem . 84 (1): 107–36. doi :10.1351/pac-rep-10-11-19. S2CID  10472849.

Сноски

1. Mohammadizadeh, SeyedMehdi; Moghaddam, Mehdi Azhdary; Talebbeydokhti, Naser (2021). «Анализ потока в пористых средах с использованием комбинированной сети поверхностей под давлением и без него». Журнал пористых сред . 24 (10). Begel House Inc.: 1–15. doi : 10.1615/JPorMedia.2021025407. S2CID  235877042.
2. GF Hewitt, GL Shires, YVPolezhaev (редакторы), «Международная энциклопедия тепло- и массообмена», CRC Press, 1997.
3. Athy LF, 1930. Плотность, пористость и уплотнение осадочных пород, Bull. Amer. Assoc. Petrol. Geol. т. 14, стр. 1-24.
4. Эффективная и неэффективная пористость или общая и эффективная пористость, объясненная на сайте E&P Geology.com. Архивировано 13.03.2012 на Wayback Machine.
5. «Как устранить пористость при литье под давлением?». Godfrey & Wing .
6. FAL Dullien, «Пористые среды. Транспорт жидкости и структура пор», Academic Press , 1992.
7. Брун, М.; Лаллеманд, А.; Квинсон, Дж. Ф.; Эйро, К. (1977). «Новый метод одновременного определения размера и формы пор: термопорометрия». Thermochimica Acta . 21. Elsevier Scientific Publishing Company, Амстердам: 59–88. doi :10.1016/0040-6031(77)85122-8.
8. Митчелл, Дж.; Веббер, Дж. Бо В.; Стрэндж, Дж. Х. (2008). «Ядерно-магнитно-резонансная криопорометрия» (PDF) . Phys. Rep . 461 (1): 1–36. Bibcode : 2008PhR...461....1M. doi : 10.1016/j.physrep.2008.02.001.
9. Веббер, Дж. Бо В.; Доре, Джон К. (2008). «Нейтронная дифракционная криопорометрия – метод измерения для изучения мезопористых материалов и фаз содержащихся жидкостей и их кристаллических форм» (PDF) . Nucl. Instrum. Methods A . 586 (2): 356–66. Bibcode :2008NIMPA.586..356W. doi :10.1016/j.nima.2007.12.004. S2CID  28074381.

Внешние ссылки

• Расчет абсолютной и эффективной пористости
• Геология Buzz: Пористость