공극률의 실험적 측정 방법

안녕하세요.

엔지니어앤트맨 입니다!

 

오늘은 공극률을 측정하는 방법에 대해서 정리하겠습니다.

공극률의 정의 및 수학적 계산에 대해서 궁금하신 분은 아래와 같이 지난 포스팅을 참고하세요.

 

2023.10.26 - [Oil & Gas] - [Oil & Gas] 공극률의 정의 및 수학적 계산 방법

[Oil & Gas] 공극률의 정의 및 수학적 계산 방법

앞서 배운 공극률의 정의에 따르면 공극률을 계산하기 위해서는 총 부피, 고체 부피, 공극 부피 중 두 가지만 측정하면 된다.

 

총 부피의 측정

일반적으로 실험으로 공극률을 측정하게 되는 경우에는 시료로 암석 코어를 사용하게 된다.

그림 1. 암석 코어 시료

 

암석 코어 시료는 그 크기에 따라 온직경 코어(Full Diameter Core)와 코어 플러그(Core Plug)로 나눌 수 있다.

원활한 물성 측정을 위해서는 일반적으로 온직경 코어를 사용하는 것을 추천한다.

 

온직경 코어는 일반적으로 직경 5 inch (12.7 cm), 길이 10 inch (25.4 cm) 이다.

 

총 부피 측정을 위해서는 준비된 코어의 직경 및 길이를 마이크로미터(Micrometer)로 측정하여 총 부피를 계산한다.

 

고체 부피 측정

가장 보편적으로 사용되는 고체 부피 측정법은 보일의 법칙을 이용한 것이다.

 

아래와 같이 기체를 사용하는 실험을 통해 쉽게 고체 부피를 측정 할 수 있다.

그림 2. 보일의 법칙을 이용한 공극률 측정 실험 장치 모식도

 

측정을 수행하는 기체는 아래와 같은 특징으로 헬륨을 주소 사용한다.

• 헬륨 분자의 크기가 아주 작기 때문에 가스가 급속히 작은 공극으로 침투한다.
• 헬륨은 암석 표면에 흡착되지 않기 때문에 오차 발생을 최소화 한다.

이 실험의 원리는 아래와 같다.

구하고자 하는 고체 부피를 포함한 코어가 담긴 알고 있는 부피의 Chamber로부터 부피를 알고 있는 Chamber로 기체가 팽창한다.

초기 압력과 최종 압력을 기록하고 기체의 등온 팽창을 가정하면 미지의 고체 부피를 얻기 위해 보일의 법칙을 적용할 수 있다.

 

• V = Sample Chamber의 부피
• Vs = 코어의 고체 부피
• Vr = Reference Chamber의 부피

 

p1 = Sample Chamber의 초기 압력

p2 = 전체 시스템의 최종 압력

1. 진행 순서를 다시 자세히 설명하면 아래와 같다.
2. Pressure Source를 통해서 Sample Chamber에 기체를 가압한 후 압력을 측정한다.
3. 중간 벨브를 닫고 Reference Chamber는 완전히 vent한다.
4. 후단 벨브를 닫고 중간벨브를 열어 기체가 팽창하도록 한 후 시스템의 압력을 측정한다.

위 과정에 보일의 법칙을 적용하면 아래와 같은 식이 나온다.

 

• (V-Vs)p1 = (V-Vs+Vr)p2
• p1V - p2V - p2Vr = p1Vs - p2Vs
• Vs = V - {p2/(p1 - p2)}Vr

 

오늘은 공극률의 측정방법에 대해서 알아보았습니다.

포스팅 관련해서 궁금한 점이 있으신 분은 자유롭게 댓글로 남겨주세요!

감사합니다.

 

마지막 수정: '24년 9월 19일