CN106018237B - 一种岩心动电渗透率测量系统 - Google Patents

Abstract

一种岩心动电渗透率测量系统，它涉及一种测量系统，具体涉及一种岩心动电渗透率测量系统。本发明为了解决现有岩心动电测量系统测量准确性较差的问题。本发明包括激励压力源、压力传感器组件、岩心夹持器、高压气瓶、数据采集装置、信号发生器、电流源、电阻、第一平台、第二平台和两个双刀单掷开关，所述激励压力源设置在第一平台上，所述压力传感器组件、岩心夹持器、高压气瓶、数据采集装置、信号发生器、电流源、电阻均设置在第二平台上，所述激励压力源与所述压力传感器组件连接。本发明属于地球物理学领域。

Description

一种岩心动电渗透率测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量系统，具体涉及一种岩心动电渗透率测量系统，属于地球物理学领域。

背景技术

动电耦合系数可用于地震预警及石油勘探领域。灾害性地震是人类十分关注、但认识尚不充分的自然现象。国内外曾多次测到地震诱导的电磁信号，两者在波形上具有良好的相关性。由于电磁波速度远大于地震波，因此有望利用地震诱导电磁信号来完善和提升目前的地震预警系统，而动电耦合系数是反演地震强度的关键参数之一。

随钻测井是目前石油勘探的研究热点之一，它能够快速的探测周围的地层，从而提升油气开采效率。但是随钻测井要求钻铤保持较高的结构强度，因此不能应用传统的刻槽方法来抑制钻铤波，这对声发送-声接收的声波测井造成了极大干扰，而声发送-电接收的动电测井能够有效的避免钻铤波的干扰，动电耦合系数是动电测井中反演地层参数的关键之一。

渗透率是评价油气开采速度的一个重要参数。目前常见的渗透率测量的方法有气测法、达西法和瞬态压力阀。气测法测的是气渗透率，由于气体和液体有较大的差异，因此气渗透率不能很好地评价液体的渗流能力；达西法是直流、单向的液渗透率测量方法。一方面由于液体长时间单向流动，极易发生微小孔隙的堵塞，因此测得的渗透率会随着测量时间而明显变小；另一方面，当渗透率较小时，需要加载较大的压力差，这会破坏岩心的孔道结构，改变岩心的渗透率。瞬态压力法是瞬态、单向的液渗透率测量方法。首先，它加载的压力差较大，极易破坏岩心的孔道结构，从而改变渗透率；其次，当渗透率较大时，压力差的衰减过快，以至于难以测量；最后，液体是单向流动的，虽然测量时间要小于达西法，但仍然会引起一定程度的孔隙堵塞。动电耦合法的是交流、低压力差的液渗透率测量方法。这种方法完全避免了高压力差对孔道结构的破坏，是一种前沿的渗透率测量方法。

然而，目前的岩心动电渗透率测量系统存在着如下四个问题：

1.在流动电势实验中，激励压力作用于单侧堵头，使得该侧堵头的压力恒高于另一侧，进而使渗流在总体上呈单向流动，这会引起孔隙堵塞，降低渗透率。

2.带橡胶膜的流动电势实验的堵头和不允许带橡胶膜的电渗堵头存在差异，两者不能使用相同的堵头，所以在动电测量的过程中需要拆卸并更换堵头。在拆卸前后，电极的形状及位置发生了变化、电解质的参数也发生了变化，这削弱了动电实验的对称性，破坏了Onsager互易定理，使得测得的动电耦合系数及动电渗透率存在着误差。

3.在流动电势实验中，使用激振器直接接触岩心夹持器进行激励压力驱动。这使得岩心夹持器发生明显的震动，并导致激励压力的波形非正弦且不可控。过强的震动会干扰激励压力的测量；由于动电效应与频率有关，所以激励压力波形的不可控性会干扰流动电势的测量。震动还会导致测量线路切割磁力线产生同频干扰，由于动电信号很微弱且依赖于频率检测，这样的噪声也是无法忽略的。

4.在流动电势实验中，需要获得的是系统在低频极限上的流动电势系数，而激振器的原理使得其在1Hz以下即发生严重失真，更加无法达到0.1Hz以下，这降低了流动电势测量的准确性。

由此可见，目前的岩心动电测量系统有必要进一步完善。

发明内容

本发明为解决现有岩心动电测量系统测量准确性较差的问题，进而提出一种岩心动电渗透率测量系统。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括激励压力源、压力传感器组件、岩心夹持器、高压气瓶、数据采集装置、信号发生器、电流源、电阻、第一平台、第二平台和两个双刀单掷开关，所述激励压力源设置在第一平台上，所述压力传感器组件、岩心夹持器、高压气瓶、数据采集装置、信号发生器、电流源、电阻均设置在第二平台上，所述激励压力源与所述压力传感器组件连接，岩心夹持器与所述压力传感器组件连接，岩心夹持器还与数据采集装置连接，高压气瓶的气体出口与岩心夹持器连接，电流源的正极通过线路与岩心夹持器连接，且所述线路上设有双刀单掷开关，电流源的负极通过线路与电阻连接，且所述线路上设有双刀单掷开关，电阻通过线路与岩心夹持器连接，电流源与信号发生器连接，两个双刀单掷开关设置在第二平台上。

本发明的有益效果是：本发明解决了现有岩心动电渗透率测量系统存在着的四个问题。1.在流动电势实验中，本发明的激励压力对称得作用于岩心的两侧，使得岩心中渗流为严格的往复交流运动，避免了孔隙堵塞引起的渗透率下降。2.由于本发明中的流动电势实验的堵头不再使用橡胶膜，所以可以将流动电势和电渗实验的堵头合二为一，并进行优化设计，从而避免了动电测量过程中的堵头更换，以及由此引起的对动电实验对称性的削弱。3.在本发明中，我们将激励压力源放置在第一平台上，将岩心夹持器等其他设备放置在第二平台上，两者仅通过柔性管道进行连接。从而避免了岩心夹持器和测量线路的震动，降低了测量误差和干扰噪声。4.步进电机驱动的激励压力源，能很好地输出低至1mHz的正弦信号，从而能容易的获得流动电势系数的低频极限值。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是岩心夹持器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种岩心动电渗透率测量系统包括激励压力源、压力传感器组件、岩心夹持器16、高压气瓶17、数据采集装置18、信号发生器19、电流源20、电阻22、第一平台33、第二平台34和两个双刀单掷开关21，所述激励压力源设置在第一平台33上，所述压力传感器组件、岩心夹持器16、高压气瓶17、数据采集装置18、信号发生器19、电流源20、电阻22均设置在第二平台34上，所述激励压力源与所述压力传感器组件连接，岩心夹持器16与所述压力传感器组件连接，岩心夹持器16还与数据采集装置18连接，高压气瓶17的气体出口与岩心夹持器16连接，电流源20的正极通过线路与岩心夹持器16连接，且所述线路上设有双刀单掷开关21，电流源20的负极通过线路与电阻22连接，且所述线路上设有双刀单掷开关21，电阻22通过线路与岩心夹持器16连接，电流源20与信号发生器19连接，两个双刀单掷开关21设置在第二平台34上。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种岩心动电渗透率测量系统的激励压力源包括第一阀门1、第二阀门2、电机驱动器7、步进电机8、带针圆盘9、轭10、双活塞杆双向气缸11、第一缓冲室12和第二缓冲室13，步进电机8与电机驱动器7连接，带针圆盘9套装在步进电机8的转动轴上，双向活塞杆双气缸11通过轭10与带针圆盘9连接，第一缓冲室12和第二缓冲室13均与双向活塞杆双向气缸11连接，第一缓冲室12上设有第一阀门1，第二缓冲室13上设有第二阀门2。本实施方式中采用使用双活塞杆双向气缸11作为激励源替代传统的振动器，且激励压力源与岩心夹持器16分别放置在第一平台33和第二平台34上，本实施方式还能够提供纯正弦、双向的激励压力。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种岩心动电渗透率测量系统的岩心夹持器16包括第一堵头23、第二堵头24、不锈钢外壳25、围压接口26、橡胶密封套27、两个激励电极28、两个测量电极29、橡胶环30和两个水槽32，橡胶密封套27设置在不锈钢外壳25内，岩心31通过橡胶环30固定安装在橡胶密封套27内，两个水槽32对称设置在岩心31的两侧，第一堵头23和第二堵头24分别插装在不锈钢外壳25两端的通孔内，每个水槽32内设有一个激励电极28和一个测量电极29，一个激励电极28通过电阻22与电流源20的负极连接，另一个激励电极28与电流源20的正极连接，两个测量电极29均与数据采集装置18连接，不锈钢外壳25内侧壁与橡胶密封套27外侧壁之间的腔体通过围压接口26与高压气瓶17连接。本实施方式中岩心夹持器16同时适用于流动电势实验和电渗实验，在整个动电实验测量过程中无需更换堵头；水槽32的直径和岩心31的直径相当，避免岩心两端在不同位置上压力差不同；本实施方式还使用匹配岩心的橡胶环30来弥补堵头的增大；第一堵头23和第二堵头24是透明的，可以透过堵头的端面看到水槽32里是否有剩余气泡。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种岩心动电渗透率测量系统的第一堵头23上设有第五阀门5，第二堵头24上设有第六阀门6。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种岩心动电渗透率测量系统的压力传感器组件包括第三阀门3、第四阀门4、第一压力传感器14和第二压力传感器15，第一缓冲室12和第二缓冲室13均与第一压力传感器14连接，第二压力传感器15的一端通过第三阀门3与岩心夹持器16的第一堵头23连接，第二压力传感器15的另一端能通过第四阀门4与岩心夹持器16的第二堵头24连接，第一压力传感器14和第二压力传感器15均与数据采集装置18连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

工作原理

激励压力源置于第一平台33上，电机驱动器7通过步进电机8使带针圆盘9匀速转动；带针圆盘9通过轭10使双活塞杆双向气缸11中的活塞做正弦运动；活塞驱动气体压缩及膨胀，产生压力差；活塞的行程固定，压力差的幅值受第一缓冲室12和第二缓冲室13内溶液多少的控制；压力差的频率受步进电机8转速的控制；压力差的相位受步进电机8相位的控制；最终向外界输出接近纯正弦的激励压力信号。

岩心31在使用前需要对其进行预处理，其处理步骤为：

步骤一、洗油：洗油是为了除去岩心内外附着的脂溶性物质，将岩心置于索氏提取器的萃取室内，在下部烧瓶中装入1/2至2/3的四氯化碳溶液；使用水浴锅定温加热；注意通风和维持冷凝水不中断。如果岩心的油脂不多，可以换用污染少的丙酮溶液；

步骤二、洗盐：洗盐是为了除去岩心中的水溶性物质，将索氏提取器的烧瓶换成装有苯和甲醇和混合物，混合物的体积比为1:3；重复操作步骤一；

步骤三、除尽油脂和盐之后，将岩心至于通风处晾干，然后放入烘箱内烘干；

步骤四、配制NaCl溶液：去离子水用孔隙直径为0.45微米的尼龙膜负压过滤；一方面是为了去除水中的固体杂质，另一方面通过负压过滤，降低水中气体的溶解度；称量一定量的NaCl，用容量瓶配制溶液；再一次负压过滤，移至密封的容器内存放，存放时间不宜过长；

步骤五、抽空加压饱和：抽空加压饱和是为了使干燥的孔隙岩心基质成为流体饱孔隙介质，防止岩心内的孔道含有气体；先将岩心置于一个耐高压的密闭容器内，将容器抽真空几个小时；这时岩心孔隙内的气压很低；再向岩心容器内灌入一定矿化度的溶液，用高压泵加压至几百个大气压。静置几个小时后再取出即可。

流动电势实验：

断开双刀单掷开关21；第三阀门3连通气缸式激励压力源和岩心夹持器16；第四阀门4也连通气缸式激励压力源和岩心夹持器16；气缸式激励压力源输出激励压力信号；第一压力传感器14测量激励压力信号，并将测量结果输送至数据采集装置18；激励压力通过第三阀门3、第四阀门4及管道，输出至岩心夹持器16，并作用于岩心两端；岩心通过第一类动电耦合效应产生电信号，即流动电势信号；流动电势信号通过测量电极及屏蔽电缆，传送至数据采集装置18；数据采集装置18将两个模拟信号转换为数字信号，并保存。当信号稳定时，流动电势信号与激励压力信号的比值，就是流动电势系数。

电渗实验：

闭合双刀单掷开关21；第三阀门3连通第二压力传感器15和岩心夹持器16；第四阀门4也连通第二压力传感器15和岩心夹持器16；信号发生器19通过电流源20输出电势差；激励电流的频率和相位受信号发生器19的控制；激励电流的幅值受电流源20的控制；已知阻值的电阻22测量激励电流，测量信号输送至数据采集装置18；激励电流在岩心两端通过欧姆效应产生激励电压，激励电压通过测量电极及屏蔽电缆，传送至数据采集装置18；岩心通过第二类动电耦合效应产生压力差信号，即电渗压力信号；电渗压力信号通过第三阀门3、第四阀门4及管道传送至第二压力传感器15；第二压力传感器15测量电渗压力信号，并将测量结果输送至数据采集装置18；数据采集装置18将三个模拟信号转换为数字信号，并保存。当信号稳定时，电渗压力信号与激励电压信号的比值就是电渗压力系数；激励电压信号与激励电流信号的比值就是岩心阻抗，通过岩心阻抗和岩心的几何尺寸，就能求出岩心的电导率。测量溶液温度并查表，可以获得溶液的粘滞系数。通过流动电势系数和岩心电导率，可以获得动电耦合系数。通过流动电势系数、电渗压力系数、岩心电导率和溶液的粘滞系数这四个参数，可以获得动电渗透率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种岩心动电渗透率测量系统，它包括激励压力源、压力传感器组件、岩心夹持器(16)、高压气瓶(17)、数据采集装置(18)、信号发生器(19)、电流源(20)、电阻(22)、第一平台(33)、第二平台(34)和两个双刀单掷开关(21)，所述激励压力源设置在第一平台(33)上，所述压力传感器组件、岩心夹持器(16)、高压气瓶(17)、数据采集装置(18)、信号发生器(19)、电流源(20)、电阻(22)均设置在第二平台(34)上，所述激励压力源与所述压力传感器组件连接，岩心夹持器(16)与所述压力传感器组件连接，岩心夹持器(16)还与数据采集装置(18)连接，高压气瓶(17)的气体出口与岩心夹持器(16)连接，电流源(20)的正极通过线路与岩心夹持器(16)连接，且所述线路上设有双刀单掷开关(21)，电流源(20)的负极通过线路与电阻(22)连接，且所述线路上设有双刀单掷开关(21)，电阻(22)通过线路与岩心夹持器(16)连接，电流源(20)与信号发生器(19)连接，两个双刀单掷开关(21)设置在第二平台(34)上；其特征在于：所述激励压力源包括第一阀门(1)、第二阀门(2)、电机驱动器(7)、步进电机(8)、带针圆盘(9)、轭(10)、双活塞杆双向气缸(11)、第一缓冲室(12)和第二缓冲室(13)，步进电机(8)与电机驱动器(7)连接，带针圆盘(9)套装在步进电机(8)的转动轴上，双向活塞杆双气缸(11)通过轭(10)与带针圆盘(9)连接，第一缓冲室(12)和第二缓冲室(13)均与双向活塞杆双向气缸(11)连接，第一缓冲室(12)上设有第一阀门(1)，第二缓冲室(13)上设有第二阀门(2)；岩心夹持器(16)包括第一堵头(23)、第二堵头(24)、不锈钢外壳(25)、围压接口(26)、橡胶密封套(27)、两个激励电极(28)、两个测量电极(29)、橡胶环(30)和两个水槽(32)，橡胶密封套(27)设置在不锈钢外壳(25)内，岩心(31)通过橡胶环(30)固定安装在橡胶密封套(27)内，两个水槽(32)对称设置在岩心(31)的两侧，第一堵头(23)和第二堵头(24)分别插装在不锈钢外壳(25)两端的通孔内，每个水槽(32)内设有一个激励电极(28)和一个测量电极(29)，一个激励电极(28)通过电阻(22)与电流源(20)的负极连接，另一个激励电极(28)与电流源(20)的正极连接，两个测量电极(29)均与数据采集装置(18)连接，不锈钢外壳(25)内侧壁与橡胶密封套(27)外侧壁之间的腔体通过围压接口(26)与高压气瓶(17)连接。

2.根据权利要求1所述一种岩心动电渗透率测量系统，其特征在于：第一堵头(23)上设有第五阀门(5)，第二堵头(24)上设有第六阀门(6)。

3.根据权利要求1所述一种岩心动电渗透率测量系统，其特征在于：所述压力传感器组件包括第三阀门(3)、第四阀门(4)、第一压力传感器(14)和第二压力传感器(15)，第一缓冲室(12)和第二缓冲室(13)均与第一压力传感器(14)连接，第二压力传感器(15)的一端通过第三阀门(3)与岩心夹持器(16)的第一堵头(23)连接，第二压力传感器(15)的另一端能通过第四阀门(4)与岩心夹持器(16)的第二堵头(24)连接，第一压力传感器(14)和第二压力传感器(15)均与数据采集装置(18)连接。