Плотность и объемная масса чем отличаются
Объемный вес и плотность
(Слайд1G3_3)
Объемным весом осадочной породы называется вес единицы ее объема (1 см3) вместе с порами, заполненными жидкой и газо-образной фазами.
Объемный вес породы зависит как от минералогического состава, так и от пористости породы, поэтому может служить характеристикой пористости для сцементированных пород в особенности, когда состав их известен. Объемный вес пород зависит также от степени влажности.
Наиболее точно объемный вес породы определяют путем гидростатического взвешивания ее образца. Расчет объемного веса породы производится по формуле:
где у— объемный вес породы;
Рс— вес сухого образца;
Ркв— вес образца, насыщенного керосином, в воздухе;
Рк— вес образца в керосине;
Ак—удельный вес керосина.
Точность метода ±0,02.
Объемный вес абсолютно сухой породы называют кажущимся, или объемным, весом скелета.
Объемный вес породы имеет ту же размерность и единицы измерения, что и удельный вес пород. Обычно он выражается в Г/см3.
Объемный вес породы в общем случае меньше ее удельного веса, но больше удельного веса жидкой и газообразной фаз, содержащихся в породах.
Объемный вес минералов вследствие незначительной пористости практически равен их удельному весу.
С глубиной залегания пород их объемный вес изменяется, обычно возрастает, что связано с уменьшением пористости пород. В особенности это относится к глинам и глинистым тонкозернистым песчаникам и алевролитам. Присутствие в породах цементов, характеризующихся высоким удельным весом, влияет на увеличение объемного веса.
Плотностью твердой (жидкой, газообразной) фазы называется отношение массы фазы к ее объему. Под плотностью породы подразумевают отношение массы породы с естественными влажностью и структурой к ее объему.
Объемной плотностью называют отношение массы сухой породы к ее объему.Плотность в системе СГС выражается в г/сма.Практически плотность пород соответствует объемному весу.
Пористость
(Слайд1G3_4)
Между твердыми частицами, слагающими горные породы, в результате неполного прилегания их поверхностей друг к другу образуются промежутки различной величины — поры. Суммарный объем всех пор в единице объема, независимо от их величины и заполнения, называется пористостью породы.
Пористость породы определяется отношением норового пространства породы к ее общему объему и выражается обычно в процентах.
Пористое пространство пород определяется не только размерами и конфигурацией составляющих породу минеральных зерен, но и наличием в ней трещин, плоскостей напластования и присутствием в порах цементирующих веществ.
Пористость пород может обусловливаться как процессами седиментации, так и процессами химического растворения. В большинстве карбонатных коллекторов, к числу которых относятся известняки и доломиты, пористость является следствием растворения кальцита пластовыми водами, содержащими растворенную углекислоту. Поровые пространства таких пород представлены обычно каналами и кавернами. Осадочная (межгранулярная) пористость обусловливается наличием промежутков между отдельными зернами породы.
Величина пористости различных пород изменяется в широких пределах — от долей процента до нескольких десятков процентов. Например, пористость бакинских нефтяных песков колеблется от 18 до 52%, ставропольских газоносных алевритов и алевролитов — от 30 до 40%, волгоградских нефтяных яснополянских песчаников — от 20 до 27 %. Чаще всего пористость карбонатных пород колеблется в пределах 3—30%. Пористость глин может достигать 40—50% и выше.
Породы-коллекторы песчано-алевритового типа с пористостью меньше 5%, не содержащие трещин, разломов и каверн, обычно не представляют практического значения. А. И. Леворсен (1958) приводит такую приблизительную полевую оценку пористости пород:
— пренебрежимо малая 0—5%,
— очень хорошая 20—25%.
Однако следует помнить, что не все гранулометрические типы песчано-алевритовых пород могут быть оценены по этой шкале.
(Слайд1G3_51)
В отличие от идеальной породы обломочные зерна, слагающие осадочные породы, обычно бывают разной формы. Даже хорошо окатанные обломочные зерна песчаников редко обладают правильной сферической формой. Пористость породы, состоящей из сферических зерен разной величины, может быть выше или ниже теоретической в зависимости от размеров составляющих зерен.
Теоретическая пористость агрегатов, составленных из сфер одинакового диаметра, может колебаться от 25,96% (рис. 1) до 47,6% (рис 2). Эти пределы хорошо совпадают с пределами пористости песков, пористость которых при их естественном залегании составляет 30—50%.
Слихтер (1899 г.) указывал, что значения теоретической пористости не зависят от величины зерен. Так, пористость гравия, состоящего исключительно из зерен правильной сферической формы диаметром 2 мм, имеет то же значение, что и у глины, сложенной тоже из зерен правильной сферической формы, но диаметром 0,05 мм. Однако в обоих случаях пористость неравноценна: гравий хороший коллектор, а глина для нефти и газа практически непроницаема.
И. М. Губкин (1932) указывал, что понятие «высокая пористость» обычно подразумевает обилие в породе различных отверстий, понятие же «низкая пористость» указывает не столько на отсутствие или незначительное количество пор, сколько на недостаток пор, могущих вмещать и отдавать нефть. Для накопления нефти или газа в породе или извлечения их из нее имеет значение не только относительное количество пор, но и их абсолютные размеры.
Зерна реального грунта по своей форме не являются сферическими. Наличие в породе глинистых, карбонатных и других цементирующих веществ, размеры зерен которых меньше преобладающей фракции песка, ведет к уменьшению пористости песчаной породы. Чем больше поверхность соприкосновения между зернами породы, тем меньше ее пористость.
Коэффициент однородности обломочных зерен различных песков нефтеносных районов СССР колеблется от 1 до 20. Чем больше коэффициент неоднородности, тем менее однороден песок, тем меньше коэффициент пористости.
(Слайд1G3_52)
Угловатые, неправильной формы зерна могут укладываться или более плотно, или более рыхло, чем сферические. В связи с этим они могут характеризоваться в том или ином случае как наименьшей, так и наибольшей пористостью по сравнению с идеально сферическими зернами. При наименьшей пористости зерна неправильной формы должны иметь одну и ту же угловатую форму и соответственно укладываться со смещением поверхностей, достигая наиболее плотной упаковки. В природных условиях довольно часто наблюдается сравнительно рыхлая укладка зерен, обладающих неправильной, угловатой формой, что отражается на величине пористости.
Поверхность соприкосновения зерен меняется в зависимости от горного давления, геометрического расположения зерен и их формы. Форма порового пространства пород более извилиста при менее окатанном и отсортированном обломочном материале.
Поры ячеистой и каналовидной формы встречаются у известняков.
Поры, близкие к ромбоидальным и тетраэдрическим, часто наблюдаются у пород с хорошо отсортированными и окатанными зернами.
Трещиновидные поры характерны для пород с жесткими связями, испытавших действие тектонических сил, процессов выветривания, кристаллизации и т. п.
Обычно с увеличением глубины залегания пласта пористость уменьшается. Особенно это относится к глинистым породам, тогда как песчаные отложения в случае давлений, не приводящих к скалыванию граней зерен породы (не более 300 кГ/см2), встречаются на относительно больших глубинах с достаточно высокой пористостью.
Общая пористость подразделяется на макропористость и микро-пористость. Под микропористостью понимаются поры размером менее 1 мм, под макропористостью поры более 1 мм.
Среди микропор выделяют поры ультракапиллярные (субкапиллярные) размером меньше 0,1 мк. Размеры капиллярных пор колеблются от 0,0002 до 0,1 мм. Жидкости в этих порах движутся по капиллярным законам, преодолевая силу тяжести. В субкапиллярных порах пере-движение воды под действием капиллярных сил затруднено или отсутствует, так как поры сечением менее 0,1 мк при смачивании полностью заполняются связанной водой (прочно связана со стенками пор).
Трещиновидные поры Е.М. Смеховым (Смехов и др., 1958) под-разделяются па микротрещины с раскрытостью от 0,01 до 0,1 мм и макротрещины с раскрытостью больше 0,1 мм; последние хорошо видимы невооруженным глазом. Мегапоры присущи карстовым полостям карбонатных пород.
Величина пор песчано-алевритовых пород сильно колеблется в зависимости от величины и формы зерен, плотности укладки и сцементированности обломочных зерен.
(Слайд1G3_53)
Пористая среда характеризуется рядом геометрических свойств:
— пористостью открытой (учитывающей объем только взаимосвязанного порового пространства),
— удельной внутренней поверхностью и извилистостью.
Изложение понятий о видах пористости приводится ниже.
Удельная внутренняя поверхность поровой системы определяется отношением внутренней поверхности твердой фазы породы к вмещающему объему и выражается в единицах, обратных длине.
Понятие извилистость ранее вводилось как кинематическая характеристика, равная относительной средней длине пути, пройденного жидкой частицей от одной стороны пористой среды к другой. Она выражается в безразмерных величинах.
Некоторые исследователи (Archie, 1942; Wyllie a. Spangler, 1952 и др.) считали возможным определять извилистость путем измерения электрического сопротивления, в силу того, что ток должен протекать по системе капилляров, составляющих поры. Исходя из этого, можно полагать, что извилистость должна быть такой же в случае движения частиц жидкости по системе тех же капилляров.
Кроме приведенных выше геометрических свойств, существует понятие о геометрической величине размеров пор любой пористой среды. Однако система пор пористых тел образует сложную поверхность, которую геометрически трудно представить.
В определении размера пор удобной мерой является их диаметр. Но представление о диаметре возможно в случае круглых пор, что бывает весьма редко. Помимо этого, поры вследствие того, что стенки их расходятся и сходятся, не обладают нормальным сечением. Тем не менее приближенно размер и распределение их определяют.
Виды пористости
(Слайд1G3_5)
Отношение объема пустот к общему объему породы называется пористостью. Однако в практике наибольший интерес представляет взаимосвязанное поровое пространство. В связи с этим различают пористость:
4 общую, или абсолютную (полную) — kп.абс[n, mабс, m, p]
4 открытую (взаимосвязанную) — kп.о[mo, mэ, kо]
Под общей пористостью понимают пористость, характеризуемую общим объемом всех пустот породы, включая поры, каверны, трещины, связанные и не связанные между собой.
Плотность и объемная масса чем отличаются
Из этих определений вытекает, что различие между объемным весом и плотностью определяется наличием в твердом материале пор. Поэтому в технической практике используют понятие объемного веса лишь для материалов с большой пористостью, таких как бумага, пенопласт и т. п.
Полная пористость материала, г. е. отношение объема пор к полному объему:
может быть определена точным измерением объема целого образца и того же образца, измельченного в тонкий порошок; разность обоих объемов, отнесенная к объему целого образца, дает величину П.
При определении плотности с помощью пикнометра и гидростатического взвешивания можно определить плотность только твердых тел, не реагирующих с водой и не растворяющихся в ней.
Метод гидростатического взвешивания. Метод основан на уменьшении веса твердого тела, погруженного в жидкость, в соответствии с законом Архимеда.
Метод гидростатического взвешивания обладает простотой и быстротой выполнения измерения. Его погрешность при достаточно высокой точности поддержания температуры жидкости и образца не превышает 0.1 %. Погрешность взвешивания не должна превосходить ±0.2 мг при массе образца от 0.2 до 5.0 г.
Искомая плотность вычисляется по формуле:
Затем снимают образец с проволочки и определяют вес g проволочки, которая должна быть погружена в воду приблизительно на ту же глубину, что и при предыдущем взвешивании.
Плотность рассчитывается по формуле:
При массовом измерении плотности жидкостей методом гидростатического взвешивания применяют специальные коромысловые гидростатические весы (весы Вестфаля—Мора); их устройство показано на рис. 1.
Рис. 1. Гидростатические весы (весы Вестфаля—Мора).
Если пикнометр применяют для определения плотности жидкости, то путем взвешивания на точных аналитических весах находят: массу пустого пикнометра М1, массу пикнометра, залитого дистиллированной водой М2, массу пикнометра, залитого испытуемой жидкостью М3. Плотность жидкости при 20 0 С:
В чем различие между плотностью и объемным весом?
Объемный вес и плотность
(Слайд1G3_3)
Объемным весом осадочной породы называется вес единицы ее объема (1 см3)
вместе с порами, заполненными жидкой и газо-образной фазами.
Объемный вес породы зависит как от минералогического состава, так и от пористости породы, поэтому может служить характеристикой пористости для сцементированных пород в особенности, когда состав их известен. Объемный вес пород зависит также от степени влажности.
Наиболее точно объемный вес породы определяют путем гидростатического взвешивания ее образца. Расчет объемного веса породы производится по формуле:
где у— объемный вес породы;
Рс— вес сухого образца;
Ркв— вес образца, насыщенного керосином, в воздухе;
Рк— вес образца в керосине;
Ак—удельный вес керосина.
Точность метода ±0,02.
Объемный вес абсолютно сухой породы называют кажущимся, или объемным, весом скелета.
Объемный вес породы имеет ту же размерность и единицы измерения, что и удельный вес пород. Обычно он выражается в Г/см3.
Объемный вес породы в общем случае меньше ее удельного веса, но больше удельного веса жидкой и газообразной фаз, содержащихся в породах.
Объемный вес минералов вследствие незначительной пористости практически равен их удельному весу.
С глубиной залегания пород их объемный вес изменяется, обычно возрастает, что связано с уменьшением пористости пород. В особенности это относится к глинам и глинистым тонкозернистым песчаникам и алевролитам. Присутствие в породах цементов, характеризующихся высоким удельным весом, влияет на увеличение объемного веса.
Плотностью твердой (жидкой, газообразной) фазы называется отношение массы фазы к ее объему. Под плотностью породы подразумевают отношение массы породы с естественными влажностью и структурой к ее объему.
Объемной плотностью называют отношение массы сухой породы к ее объему.Плотность в системе СГС выражается в г/сма.
Практически плотность пород соответствует объемному весу.
Пористость
(Слайд1G3_4)
Между твердыми частицами, слагающими горные породы, в результате неполного прилегания их поверхностей друг к другу образуются промежутки различной величины — поры. Суммарный объем всех пор в единице объема, независимо от их величины и заполнения, называется пористостью породы.
Пористость породы определяется отношением норового пространства породы к ее общему объему и выражается обычно в процентах.
Пористое пространство пород определяется не только размерами и конфигурацией составляющих породу минеральных зерен, но и наличием в ней трещин, плоскостей напластования и присутствием в порах цементирующих веществ.
Пористость пород может обусловливаться как процессами седиментации, так и процессами химического растворения. В большинстве карбонатных коллекторов, к числу которых относятся известняки и доломиты, пористость является следствием растворения кальцита пластовыми водами, содержащими растворенную углекислоту. Поровые пространства таких пород представлены обычно каналами и кавернами. Осадочная (межгранулярная) пористость обусловливается наличием промежутков между отдельными зернами породы.
Величина пористости различных пород изменяется в широких пределах — от долей процента до нескольких десятков процентов. Например, пористость бакинских нефтяных песков колеблется от 18 до 52%, ставропольских газоносных алевритов и алевролитов — от 30 до 40%, волгоградских нефтяных яснополянских песчаников — от 20 до 27 %. Чаще всего пористость карбонатных пород колеблется в пределах 3—30%. Пористость глин может достигать 40—50% и выше.
Породы-коллекторы песчано-алевритового типа с пористостью меньше 5%, не содержащие трещин, разломов и каверн, обычно не представляют практического значения. А. И. Леворсен (1958) приводит такую приблизительную полевую оценку пористости пород:
— пренебрежимо малая 0—5%,
— очень хорошая 20—25%.
Однако следует помнить, что не все гранулометрические типы песчано-алевритовых пород могут быть оценены по этой шкале.
(Слайд1G3_51)
В отличие от идеальной породы обломочные зерна, слагающие осадочные породы, обычно бывают разной формы. Даже хорошо окатанные обломочные зерна песчаников редко обладают правильной сферической формой. Пористость породы, состоящей из сферических зерен разной величины, может быть выше или ниже теоретической в зависимости от размеров составляющих зерен.
Теоретическая пористость агрегатов, составленных из сфер одинакового диаметра, может колебаться от 25,96% (рис. 1) до 47,6% (рис 2). Эти пределы хорошо совпадают с пределами пористости песков, пористость которых при их естественном залегании составляет 30—50%.
Слихтер (1899 г.) указывал, что значения теоретической пористости не зависят от величины зерен. Так, пористость гравия, состоящего исключительно из зерен правильной сферической формы диаметром 2 мм,
имеет то же значение, что и у глины, сложенной тоже из зерен правильной сферической формы, но диаметром 0,05
мм.
Однако в обоих случаях пористость неравноценна: гравий хороший коллектор, а глина для нефти и газа практически непроницаема.
И. М. Губкин (1932) указывал, что понятие «высокая пористость» обычно подразумевает обилие в породе различных отверстий, понятие же «низкая пористость» указывает не столько на отсутствие или незначительное количество пор, сколько на недостаток пор, могущих вмещать и отдавать нефть. Для накопления нефти или газа в породе или извлечения их из нее имеет значение не только относительное количество пор, но и их абсолютные размеры.
Зерна реального грунта по своей форме не являются сферическими. Наличие в породе глинистых, карбонатных и других цементирующих веществ, размеры зерен которых меньше преобладающей фракции песка, ведет к уменьшению пористости песчаной породы. Чем больше поверхность соприкосновения между зернами породы, тем меньше ее пористость.
Коэффициент однородности обломочных зерен различных песков нефтеносных районов СССР колеблется от 1 до 20. Чем больше коэффициент неоднородности, тем менее однороден песок, тем меньше коэффициент пористости.
(Слайд1G3_52)
Угловатые, неправильной формы зерна могут укладываться или более плотно, или более рыхло, чем сферические. В связи с этим они могут характеризоваться в том или ином случае как наименьшей, так и наибольшей пористостью по сравнению с идеально сферическими зернами. При наименьшей пористости зерна неправильной формы должны иметь одну и ту же угловатую форму и соответственно укладываться со смещением поверхностей, достигая наиболее плотной упаковки. В природных условиях довольно часто наблюдается сравнительно рыхлая укладка зерен, обладающих неправильной, угловатой формой, что отражается на величине пористости.
Поверхность соприкосновения зерен меняется в зависимости от горного давления, геометрического расположения зерен и их формы. Форма порового пространства пород более извилиста при менее окатанном и отсортированном обломочном материале.
Поры ячеистой и каналовидной формы встречаются у известняков.
Поры, близкие к ромбоидальным и тетраэдрическим, часто наблюдаются у пород с хорошо отсортированными и окатанными зернами.
Трещиновидные поры характерны для пород с жесткими связями, испытавших действие тектонических сил, процессов выветривания, кристаллизации и т. п.
Обычно с увеличением глубины залегания пласта пористость уменьшается. Особенно это относится к глинистым породам, тогда как песчаные отложения в случае давлений, не приводящих к скалыванию граней зерен породы (не более 300 кГ/см2),
встречаются на относительно больших глубинах с достаточно высокой пористостью.
Общая пористость подразделяется на макропористость и микро-пористость. Под микропористостью понимаются поры размером менее 1 мм,
под макропористостью поры более 1
мм.
Что есть плотность
В первом приближении определение плотности кажется простым и понятным: плотность есть скалярная физическая величина (характеристика вещества), задаваемая как отношение собственной массы тела к общему объёму, этим телом занимаемому. Однако намётанный глаз сразу подметит «скользкое» место, а именно: о каком именно состоянии тела идёт речь, насколько оно однородно? Действительно, газ или жидкость (с некоторыми ограничениями) — тела в бытовом понимании по сути своей изотропные (то есть с характеристиками, одинаковыми в пределах интересующего физического объёма и не зависящими от выбранного направления в этом объёме), однако как быть с твёрдыми телами?
В предельном случае это можно продемонстрировать на твёрдом сыпучем материале, где в одном общем объёме находятся и частички самого материала, и пустоты между ними (хорошо учившие физику в школе попутно возразят, что примерно такую же картину можно получить и с газами/жидкостями, если начать «дробить» их до молекулярного/атомного уровня). Поэтому вышеприведённое определение подразумевает среднюю (иначе — усреднённую) характеристику тела для выбранного характеристического размера, а для сыпучих тел отдельно вводятся понятия «истинной плотности» (усреднённая характеристика, рассчитываемая только по фактическому объёму самих частиц) и «насыпной плотности» (расчётная характеристика для сыпучего материала с учётом всех его пустот — но без дополнительного уплотнения).
Перед переходом ко второму интересующему определению не лишним будет напомнить, что также существует и иногда практически используется на производстве термин «удельная плотность«, задаваемый как отношение плотности интересующего объекта к плотности вещества-эталона (для газов и жидкостей таковыми эталонами типично служат вода и воздух). Для оперирования удельной плотностью важно, чтобы и объект, и эталон находились при одинаковой температуре/давлении (причина в том, что в различных системах измерений эти «стандартные величины» могут браться за условную «точку отсчёта» по-разному).
Что есть удельный вес
Под удельным весом понимается векторная физическая величина, определяемая как отношение веса тела (веса его вещества) к занимаемому телом объёму. Иначе говоря, удельный вес численно равен произведению между ускорением свободного падения и плотностью вещества (на всякий случай напомним, что вес тела — это сила действия тела на опору/подвес либо иное его крепление в гравитационном поле).
Изредка также используется не имеющее отношения к вышеуказанному частное определение, где под удельным весом понимается безразмерное число, указывающее, во сколько раз интересующая субстанция тяжелее воды (в условиях её максимальной плотности, при 4 °C) при равном объёме.
Помимо привычной бытовой неразберихи в виде отождествления массы и веса, применительно к рассматриваемому случаю нужно упомянуть ошибочное отождествление, вытекающее из использования похожей размерности в технической системы единиц МКГСС, где удельный вес задаётся как [килограмм-сила / метр кубический] (кгс/м³).
Применение в медицине
В ряде случаев искомая характеристика определяется как коэффициент сравнения массы некого объема вещества с таким же объемом воды при 4 °C. Известно, что при этой температуре чистая дистиллированная вода имеет удельный вес, равный единице. Чем больше примесей, тем больше вес. Зная этот показатель, можно определить, насколько высока концентрация веществ в жидкости.
Это положение используется в медицине при проведении анализа мочи. Первая приведенная формула описывает, как найти удельный вес мочи. Для этого необходимо разделить вес образца на его объем.
Различия между удельным весом/плотностью
Из сказанного выше видно, что исключительно мнимая схожесть плотности и удельного веса порождается минимум двумя факторами: общей похожестью построения их определений и типичным ошибочным бытовым отождествлением веса и массы. Плотность и удельный вес — это кардинально различающиеся понятия.
Вот их наиболее важные отличия, которые следует знать (помимо определений):
Общие сведения
Плотность — свойство, которое определяет какое количество вещества по массе приходится на единицу объема. В системе СИ плотность измеряют в кг/м³, но также используются и другие единицы, например г/см³, кг/л и другие. В обиходе наиболее часто используют две равнозначные величины: г/см³ и кг/мл.
Факторы, влияющие на плотность вещества
Плотность одного и того же вещества зависит от температуры и давления. Обычно, чем выше давление, тем более плотно утрамбованы молекулы, что увеличивает плотность. В большинстве случаев увеличение температуры, наоборот, увеличивает расстояние между молекулами и уменьшает плотность. В некоторых случаях эта зависимость — обратная. Плотность льда, например, меньше плотности воды, несмотря на то, что лед холоднее воды. Объяснить это можно молекулярной структурой льда. Многие вещества, при переходе от жидкого к твердому агрегатному состоянию меняют молекулярную структуру так, что расстояние между молекулами уменьшается, и плотность, соответственно, увеличивается. Во время образования льда, молекулы выстраиваются в кристаллическую структуру и расстояние между ними, наоборот, увеличивается. При этом притяжение между молекулами также изменяется, плотность уменьшается, а объем увеличивается. Зимой необходимо не забывать про это свойство льда — если вода в водопроводных трубах замерзает, то их может разорвать.
Лед плавает на границе между водой и менее плотным изопропиловым спиртом, окрашенным синим цветом.