1.2. Ситовой анализ гранулометрического состава горных пород
Ситовый анализ сыпучих горных пород применяют для определения содержания фракций частиц размером от 0,05 до 6 –7 мм, а иногда и до 100 мм.
В лабораторных условиях обычно пользуются набором проволочных или шелковых сит с размерами отверстий (размер стороны квадратного отверстия) 0,045; 0,056; 0,063; 0,1; 0,149; 0,125; 0,14; 0,16; 0,2; 0,25; 0,315 мм. Существуют и другие системы сит и всевозможных механических приспособлений для рассева.
Сита располагают при рассеве таким образом, чтобы вверху было сито с наиболее крупными размерами отверстий (рис.1.1). Для определения механического состава керна берут навеску образца 50 г, хорошо проэкстрагированного и высушенного при температуре 107° С до постоянной массы. Просеивание проводят в течение 15 мин. Увеличение или уменьшение продолжительности просева может привести к неправильным результатам.
Рис. 1.1. Принципиальная схема ситового анализа горных пород
Для определения процентного содержания полученных фракций в исследуемом образце проводят их взвешивание на технических весах с точностью до 0,01 г (рис.1.2) . Сумма масс всех фракций после просеивания не должна отличаться от первоначальной массы образца более чем на 2%.
Р
ис.
1.2. Комплект оборудования для ситового
анализа горных пород
Типичный комплект оборудования для проведения ситового анализа включает в себя:
набор проволочных или шелковых сит с размерами отверстий (размер стороны квадратного отверстия) в диапазоне 0,045 – 0,315мм;
вибропривод с блоком управления;
лабораторные весы для измерения массы фракций.
1.3. Седиментационный анализ гранулометрического состава горных пород
Седиментационное разделение частиц по фракциям происходит вследствие различия скоростей оседания зерен неодинакового размера в вязкой жидкости. По формуле Стокса скорость осаждения в жидкости частиц сферической формы
(1.1)
где g – ускорение свободного падения;
d – диаметр частиц;
v – кинематическая вязкость;
ρж – плотность жидкости;
ρп – плотность вещества частицы.
Формула (1.1) справедлива при свободном нестесненном движении зерен. Чтобы концентрация частиц не влияла на скорость их осаждения в дисперсной среде, массовое содержание твердой фазы в суспензии не должно превышать 1%.
В институте геологии и нефтегазового дела Томского политехнического университета разработан принципиально новый прибор анализа гранулометрического состава горных пород и буровых растворов на основе слоевой седиментации частиц из стартового слоя, который обеспечивает прямое измерение скорости осаждения частиц и веса накопленного осадка на приемной чашке (рис.1.3).
Рис. 1.3. Принципиальная схема программно-измерительного
комплекса SDM-4:
1 – осадительный цилиндр; 2 – чувствительная система; 3 – датчик микроперемещений; 4 – чашка сбора осадка;5 – штанги передвижения датчика относительно чашки;6 – блок сопряжения седиментометра; 7 – сервер; 8 – дисплей;
9 – принтер
По сравнению с приборами седиментации из объема весовая седиментация из стартового слоя значительно расширяет диапазон измеряемых размеров частиц (0,001 – 0,5 мм), обеспечивает запись непрерывной кумулятивной функции накопления осадка и, соответственно, непрерывное распределение частиц по размерам без аппроксимации эмпирическими уравнениями, прямое измерение скорости осаждения частиц, в том числе и частиц неправильной формы.
Частицы анализируемой пробы оседают в жидкости с постоянной скоростью, которая в свою очередь зависит от размера частицы, плотности ее материала, плотности и вязкости жидкости. В процессе осаждения на приемную чашку частицы непрерывно взвешиваются высокочувствительной системой. Данные измерений запоминаются компьютером во времени.
Компьютер через блок связи анализирует сигнал, пропорциональный количеству осевших частиц в зависимости от времени и в соответствии с физически обоснованными законами сопротивления и методами аппроксимации рассчитывает гранулометрический состав пробы. Расчет размеров частиц ведется не только по закону Стокса, но и по другим, более точными, законам в соответствии со скоростью осаждения частиц. Чувствительная система прибора, измеряющая количество осевших частиц во времени, работает строго в диапазоне закона Гука, когда микроперемещение чашки приема осадка прямо пропорционально весу осевших частиц.
Расчет процентного содержания фракции каждого размера ведется компьютером относительно общей массы данной пробы. Поэтому не требуется точное взвешивание пробы перед анализом.