4. Определение остаточной водонасыщенности образца пористой среды методом Мессера.

Метод испарения предложен Е.Мессером (1950). Он основан на действии паров жидкости, вызывающих испарение воды из породы. Определение остаточной водонасыщенности этим метолом проводится в следующем порядке. Из куска породы вытачивают образец цилиндрической формы, высушивают при 105 ˚С и взвешивают. Порода насыщается водой под вакуумом после предварительной эвакуации из нее воздуха и затем взвешивается. Образец, боковая поверхность которого изолируется с помощью резиновой рубашки, устанавливается торцом к току воздуха. Периодически, через каждые 10 минут обдувания, образец взвешивают. Обработка результатов опыта заключается в построении графика изменения водонасыщенности во времени. Для установления участка кривой, на которой водонасыщенность стабилизируется, строится дополнительный график изменения удельной потери воды в процентах от объема порового пространства во времени. Ордината точки перегиба кривой соответствует остаточной водонасыщенности. Определение остаточной воды данным методом требует мало времени (1-1,5 ч).

Однако, следует иметь в виду в результате проведения опыта, по-видимому, фиксируется главным образом физически связанная вода, составляющая часть остаточной.

Выполнение работы.

Приборы и материалы:

1. весы.

2. вакуумный насос.

3. сушильный шкаф.

Порядок выполнения.

1. Образец высушивается в сушильном шкафу до постоянного веса при температуре 105 ˚С и после охлаждения взвешивается на весах с точностью до 5-го знака.

2. Образец насыщается под вакуумом жидкостью (керосином или водой). Насыщение производят в сосуде, полностью залитым жидкостью. Сосуд с образцом помещают под колпак вакуумного насоса. Откачивают до прекращения выделения пузырьков.

3. Подсохнувший образец взвешивают и помещают в шкаф. Периодически, через каждые 5 минут сушки в шкафу, образец взвешивают (не менее 10 раз).

Алгоритм вычисления водонасыщенности по методу Мессера.

1) По значениям водонасыщенности в течении часа строится график, по осям которого откладываются значения водонасыщенности и время.

2) Касательная 1: по лучшему коэффициенту корреляции находится и строится на графике касательная к наиболее вертикальной части графика, которая показывает уровень наибольшей водонасыщенности.

3) Касательная 2: по такому же принципу находится и строится касательная к наиболее горизонтальной части графика, которая показывает уровень наименьшей водонасыщенности.

4) Точка пересечения: находится точка пересечения этих касательных.

5) Уравнение биссектрисы: находится и строится биссектриса из точки пересечения касательных.

6) Аппроксимация кривой в данном диапазоне.

7) Коэффициент остаточной водонасыщенности: определяется коэффициент остаточной водонасыщенности. Он соответствует точке пересечения биссектрисы с кривой.

Дополнитнльный материал к главе 1.2. Методы определения карбонатности горных пород.

Для учета содержания СО₂ при определении карбонатности пород существует три способа.

Первый способ основан на титровании раствора HCl при взаимодействии его с карбонатами по реакции:

Техника определения карбонатности по этому способу состоит в следующем. Навеску измельченной породы массой 2 г помещают в мерную колбу емкостью 500 см³, заливают 50 см³ Н титрированного раствора HCl и разбавляют до 400 см³ водой. Колбу вместе с содержимым нагревают сначала на слабом огне, а затем на более сильном, доводя раствор до кипения. После прекращения выделения из раствора СО₂ (обычно через 15-20 мин) колбе дают остыть, затем ее заполняют водой до метки. Взбалтывают и дают содержимому отстояться. По окончании отстаивания из колбы отбирают 100 см³ раствора, соответствующих 10 см³ первоначального прибавленного 0,1% раствора HCl и титруют 0,1% раствором NaOH в присутствии индикатора метилового оранжевого. Количество HCl, израсходованное на разложение карбонатов вычисляется по результатам титрования с 0,1 Н раствора NaOH.

По расходу HCl на разложение карбонатов судят о количестве выделившегося углекислого газа, а, следовательно, о содержании карбонатов в данной породе в переводе на CaCO₃.

Второй способ определения карбонатности пород основан на весовом определении СО₂.

Взвешивают остаток породы, освобожденный от СО₂, либо сам СО₂, который для этого улавливают специальным прибором с известью. В обоих случаях определения могут производиться "сухим" или "мокрым" способом.

Сущность определения СО₂ "сухим" способом по остатку породы после разложения в ней карбонатов заключается в следующем.

Подлежащую исследованию навеску породы массой 1-2 г помещают в тигель и медленно нагревают на горелке до постоянной массы. Разница масс породы до и после прокаливания дает количество выделившегося из него СО₂. Оба способа определения карбонатности пород сухим способом страдают тем недостатком, что они применимы только для анализа тех пород, которые не содержат, кроме СО₂, никаких других летучих веществ.

В частности, они не могут быть применены для определения карбонатности керна, поскольку прокаливание кернов до 800-1000⁰ С может вызвать удаление из них не только углекислого газа, но и какого-то количества содержащейся в них адсорбционной и кристаллизационной воды. Этих недостатков лишено определение карбонатности пород "мокрым" способом.

Карбонатность пород "мокрым" способом, так же как и "сухим", определяется двояко: взвешиванием остатка породы до и после разложения в ней карбонатов или взвешиванием самого углекислого газа.

Метод весового определения углекислого газа в карбонатных породах "мокрым" способом достаточно точен. В отличие от способа титрования здесь не требуется больших затрат времени. Однако точность этого способа достижима только в том случае, если в породах содержится большое количество углекислого газа. При малом же содержании углекислого газа, как, например, иногда это бывает в терригенных породах, этот способ может оказаться менее точным, чем способ, основанный на титровании.

В этом отношении большим преимуществом обладает третий способ – объемный или газометрический способ определения содержания углекислого газа в породах, получивший весьма широкое распространение при исследовании почв. Для определения содержания углекислых солей в породах объемным способом существует много приборов. К числу таких приборов относится, в частности, прибор Кларка, сравнительно широко применяемый при анализе кернов (Рис. 1).

Описание прибора Кларка.

Основными частями прибора для определения карбонатности являются: цилиндрический сосуд - 1, реакционная колба - 8, змеевик - 3, мерная колба - 6.

Бюретка при помощи резиновой трубки соединяется со стеклянной трубкой изогнутой в виде змеевика и служащей холодильником. Конец трубки выведен через крышку прибора вверх и резиновой трубкой соединяется со стеклянной трубкой, вставленной на пробке в реакционную колбу. Колба при помощи пробки и втулки вставляется в крышку.

Рис.1. Прибор Кларка для определения карбонатности горных пород

Порядок выполнения работы.

Образец породы измельчают в порошок и взвешивают на технических весах. В зависимости от содержания карбонатов в породе навеску берут 0,5 - 5 г. В фарфоровый тигелек наливают 3-6 см³ соляной кислоты (1:2) и помещают в колбу. Края колбы вокруг трубки тщательно обмазывают, добиваясь герметичности процесса. С помощью склянки, служащей для установления уровня жидкости во внутреннем цилиндре, в бюретке, опускают уровень воды до нуля. Затем колбу наклоняют, чтобы перелить кислоту из тигля в колбу. При соединении образца с кислотой выделяющийся углекислый газ поступает по змеевику в бюретку, вытесняя из нее воду в кольцевидное пространство. Для установления уровней воды в кольцевидном пространстве и в бюретке на одинаковой высоте склянку опускают, после чего открывают кран, и часть воды из цилиндра снова перепускают в склянку. Эту операцию повторяют до тех пор, пока не прекратится выделение углекислого газа из исследуемого образца.

По разности расчетов уровней в бюретке до и после проведения опыта определяют объем (в см³) выделившегося углекислого газа. Записывают температуру воды в термостате и показания барометра. Содержание карбонатов в породе в пересчете на СаСО₃ по найденному объему СО₂ в процентах определяют по формуле:

Здесь К - содержание СаСО₃ (карбонатов) в породе, %; V - найденный объем углекислого газа, в см³; Р - масса 1 см³ углекислого газа в мг при температуре и барометрическом давлении в момент отсчета, мг; а - масса исследуемого образца породы, г. Для определения Р пользуются таблицей, в которой приводится его значения при различных температурах и барометрических давлениях.

Предположим, что при действии соляной кислоты на породу, взятую в количестве 2 г, из последней выделилось 50 см³ углекислого газа и, что температура воды в термостате в момент определения объема углекислого газа в бюретке была 20 ⁰С, а барометрическое давление 753,5 мм рт.ст.

Тогда согласно таблице Р=1,860 и соответственно содержание СаСО₃ в породе составит:

Вывод формулы для вычисления карбонатности.

Рассмотрим происходящую при титровании химическую реакцию: СаСО₃ + 2НСl = СО₂ + СаСl₂ + Н₂О

с учетом атомных весов кальция (Са)=40, углерода (С)=12, кислорода (О)=16, имеем: 40 + 12 + 3 х 16 = 100, 12 + 2 х 16 = 44.

Согласно реакции между НСl и СаСО₃ на 100 весовых единиц СаСО₃ получается 44 весовых единицы СО₂. Следовательно, чтобы определить процентное содержание СаСО₃ в породе надо найденный объем СО₂ при температуре и барометрическом давлении во время опыта Р, разделить на 44, умножить на 100, разделить на вес навески а в граммах, умножить на 100. В результате получим: