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高密度电性参数监测专用岩芯夹持器

阅读：1013发布：2020-05-14

专利汇可以提供高密度电性参数监测专用岩芯夹持器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明名称为“高密度电性参数监测专用岩芯夹持器”，属水文地质、地质工程、石油地质、水文水资源、土壤学、矿产资源等领域中的渗透率测定技术领域，它解决了在同一个岩芯上难以高密度的监测其实验过程的电性参数变化的问题，为在同一个岩芯不同尺度、方向甚至非均质下的渗透率参数的获得提供了重要手段。其技术方案为在夹持器内设置专用的衣袖安装套环，并在套环上设置多个导线引出孔，通过导线与岩芯表面电极的连接实现对岩芯电性参数的高密度监测，衣袖与围压通之间为围压室用于围压的施加与监测。本发明在不同围压下进行高密度的介质电性参数监测以及由此认识流体在介质中的渗流过程并提取相关参数的研究与应用中都具有广泛的用途。，下面是高密度电性参数监测专用岩芯夹持器专利的具体信息内容。

权利要求

1.由顶端部件、围压筒部件和底端部件三个特殊部分构成的岩芯夹持器的特殊结构，其技术特征包括：
(1)在顶端部件和底端部件上设置了用于套装衣袖的环形结构：该结构的设置不仅方便了衣袖的安装，同时还易于固定岩芯，并在岩芯上下游预留了可以调节大小的流体注入和流出空间，为适应不同的岩芯长度并在上下游内设置多种形式的滤膜、垫片、分流片等创造了条件；
(2)上端内缩底端外扩的特殊的围压筒结构和顶端部件从内部和围压筒连接的方式：
此特殊的围压筒结构使得围压筒的安装成为安装步骤的最后一步，就如最后盖帽一样，极大的方便了岩芯周围电极的设置、电线连接、衣袖套装等步骤的实施,同时它还方便了岩芯在轴向上的固定，有利于围压筒与顶底端结构之间的密封；
(3)围压注入孔设置在底端部件上，围压筒上去除了围压注入孔：这不仅方面了围压施加管的安装，保证了密封性，而且还为在围压筒内壁上设置其它传感器和信号发射装置创造了条件,例如，加热装置、磁场产生装置、声波发射装置等，为岩芯测试条件的改变和多种手段的利用的提供了重要条件；
(4)该型结构不仅适用于圆形的岩芯夹持器，同时还可方便的适用于方形的和多边形的岩芯夹持器。
2.含有多个导线引出孔的顶底端结构，其技术特征包括：
(1)在顶端和底端结构中设置了多个导线引出孔：电极不仅可以设置在岩芯的周围，同时还可以设置在岩芯的顶底两面，这使得在进行岩芯实验时，可以通过连接的导线全方位的高密度监测岩芯的电性参数变化过程，在监测流体在岩芯内的渗流过程和计算相关参数方面具有重要意义；
(2)导线孔的位置设置于衣袖和岩芯之间：这避免了对围压室密封性的干扰，从而使得本装置能够进行传统的围压施加和以压力测试为主的渗透实验。

说明书全文

高密度电性参数监测专用岩芯夹持器

技术领域

[0001] 岩芯夹持器是用于进行岩芯测定实验的一种专用装置，它固定岩芯，为岩芯提供孔隙压力、围压等的施加与测定通道，在岩芯的渗透率和相关参数测定实验中是一项核心装置。由于渗透率是水文地质、地质工程、石油地质、水文水资源、土壤学、矿产资源等领域的重要基础性参数，是后续模拟计算的重要输入变量，岩芯夹持器相应也成为本技术领域的一个核心部件。传统的岩芯夹持器仅仅提供固定岩芯和施加与测定压力的功能，而所发明的岩芯夹持器则不仅具备这些传统的功能，同时它还提供了进行高密度的电性参数监测的通道，为采用高密度电性参数监测获得多尺度和多方向条件下的岩芯渗透率创造了条件，在相关领域的科学研究和工程实践中都具有广泛的应用意义。

背景技术

[0002] 传统的岩芯夹持器是针对有限长度的岩芯设计的，一般都是Hassler岩芯夹持器模型的改进型。该装置多为园桶状，圆形的岩芯固定在中心，岩芯外围套上被称为衣袖的橡胶膜，再在岩芯外部安装一园桶并使其和橡胶膜之间形成具有一定大小的密闭空间，对该空间的施压（充气或注入流体）即实现对岩芯承受围压的模拟，而对岩芯顶面或底面的施压则实现对岩芯孔隙压力的施加和渗透实验。例如，测定岩芯渗透率的定水位法和变水位法以及定流量法和压力脉冲法即是通过在岩芯的两端或一端施加一定的或变化的压力，通过测量渗透流量和压力及其随时间的变化来计算岩芯的渗透率参数。由此可见，传统的岩芯夹持器仅仅提供测定岩芯两端压力（或压力差）和围压的通道，根据所测压力获得的参数是一个关于该岩芯整体的综合渗透率值，是一个单一方向和尺度上的参数。它不能或难以获得同一个岩芯在不同方向和不同测定尺度上的渗透率参数，更难以获得该岩芯渗透率场或空间分布的信息。

[0003] 然而实测资料表明，岩石渗透率的空间分布是高度非均质的，并随测定样品尺度的变化而变化，为此在某一固定的样品尺度上获得的渗透率参数很难在其它尺度上应用。同时，岩石渗透率还是高度各向异性的，在某一单一方向上获得的渗透率也难以推广到其它方向上应用。因此，迫切需要一种能够针对低渗透岩芯特点可在同一个岩芯上进行多尺度和多个方向上测定岩石渗透率参数的突破性技术，而该技术的核心和基础就是岩芯夹持器，以解决本领域科学研究和工程应用中的瓶颈问题。正是在此技术背景下，本发明设计出了可用于同时进行高密度电性参数监测的岩芯夹持器，为在同一个岩芯上实现对岩石渗透率不同尺度和方向上的变化分析提供了一种新的手段，可在各种生产工程的岩芯渗透率测定中广泛应用。相关技术，国内外均还未见报道。

[0004] 本发明中所指的岩芯不仅是通过钻孔采芯所获得的岩石样品，而是更广泛意义上的圆柱体形状或多棱柱形状的多孔介质，其直径在厘米级至米级范围，高度也在厘米级至米级范围。因此，除岩石样品之外，还包括土壤、混凝土、木材等凡是能让流体渗透的多孔介质。本发明中所指的流体包括液体和气体，在液体中包括无极溶液和有机液体，如水、盐水、油类等凡是能够渗透到多孔介质中并引起介质电性差异的液体，气体中包括空气、氮气、二氧化碳等凡是能够渗透到多孔介质中的气体。本发明中的流体包括不同温度条件下的流体。本发明中所指的电性参数包括充电率值或极化率值、自然电位值以及不同测定频率下的电阻值、阻抗值和电容值。本发明中所指的渗透（或水力）实验是让流体进入岩芯或从岩芯中释出的实验。

发明内容

[0005] 设计制作了能够在岩芯周围高密度的布置电极从而实现对实验过程中岩芯电性参数高密度监测的专用岩芯夹持器（图1）。与传统岩芯夹持器的最大区别就是它不仅具备传统岩芯夹持器的功能，同时它还提供了在岩芯周围高密度布置电极的引线通道，它由三部分组成（图1中的1、2和3）。

[0006] 能够安装衣袖、固定岩芯、具有孔隙压力通道和导线通道的顶端部件（图2）。其中衣袖可以套装在该部件向下伸出的环上（图2中5），岩芯则可以固定在向下伸出的环内，环有一定的高度，因此可以通过在环内添加适合的垫片针对不同的岩芯长度进行实验，同时也用于调整上游注入室的体积。环内中心处有一流体注入孔（图2中4），可用于流体的注入和压力的施加与测试。环有一定的肉厚，其中竖向均匀布置8个导线孔（图2中6），测定岩芯的导线可以由此通过专用电极与岩芯接触，实现对岩芯电性参数的测定。部件顶面有密封槽和固定用螺孔（图2中7和8），便于与围压筒部件之间的密封。

[0007] 用于向岩芯施加围压的围压筒部件（图3）。该部件的最大特点是顶端向内缩小与顶端部件的顶面密封（图3中7），而其底端则向外延伸与底端部件密封（图3中10），部件上没有设置用于提供围压的侧向流体注入孔（图3中9），但有导线通孔和与顶端部件密封用的通孔（图3中8）。这一设计思想是我们多次反复实验的结果，其优点是方便实际操作，使整个装置的安装成为可能。同时该设计思想还为进行环岩芯的加热实验创造了条件，从而实现对岩芯在围岩和温度变化条件下的测试。

[0008] 能够安装衣袖、固定岩芯、具有孔隙压力与围压通道和导线通道的底端部件（图4）。与顶端部件相对应，衣袖可以套装在向上伸出的环的外侧（图4中15），岩芯则可以固定在环的内侧，环厚中仍均匀布置8个导线孔（图4中14），因此整个装置有16个导线孔，可在岩芯表面最多布置16个电极进行测试。部件底部有三个螺孔，中心处为流体流出孔（图4中
11），两侧为施加围压的流体注入（图4中13）和流出孔（图4中12）。底端部件通过密封槽和螺孔与围压筒部件连接和密封（图4中10）。同时，其底部还有4个螺孔用于将整个装置固定在工作台上。
附图说明

[0009] 图1为该发明的整体结构剖面图。装置平面为圆形或方形对称结构，中心放置测试岩芯样品，岩芯顶部安装顶端部件1，下端固定在底端部件3上，导线分别从顶底端导线孔引出，外套衣袖，围压筒和顶底端部件一起和岩芯之间形成密闭空间，用作围压的施加。

[0010] 图2为该发明的顶端部件的剖面图。其中4为孔隙压力施加孔，5为衣袖套装和固定岩芯的环形部件，6是环内的导线引出孔，7为密封槽，8为固定用螺孔。

[0011] 图3是用于施加围压的围压筒剖面图。其中7和10是密封槽，8是固定装置和导线引出用的通孔，9是围压筒主体。

[0012] 图4是该发明的底端部件的剖面图。其中15是在底端套装衣袖的环形部件，14是导线引出孔，10是密封槽，11是下游流体流出孔，13和12分别是用于围压施加的流体进入和流出的螺孔。

[0013] 图5是采用本装置获得的水体入渗过程中设置在岩芯上部的电极之间的部分电阻值（归一化后的数值）随时间的变化过程。

具体实施方式

[0014] 事先在需要测试的岩芯上进行电极设置，然后用适当粗细的绝缘导线与电极连接。电极和导线数量最多可接16个。固定底端部件于工作台上，将8根导线分别穿过底端部件上的导线引出孔，固定岩芯于底端部件的环内。然后再将剩余8根导线分别穿过顶端部件上的导线引出孔，根据需要通过添加垫片调整上下游流体注入室的大小，安装好顶端部件。

[0015] 在岩芯周围和顶底端部件的环上套装上衣袖。对于安装上电极和导线后的岩芯表面会凸凹不平，可通过注胶等方法消除，以便实现岩芯与衣袖之间的密实连接。

[0016] 在顶底端部件上加上密封环，由上至下放上围压筒，紧固螺丝，完成对测试岩芯的安装。

[0017] 孔隙压力的施加通过顶端部件上的流体注入孔进行，下游流体的排出则通过底端部件的中心孔实现。围压的施加和调节通过底端部件上底部的两个螺孔实现（图4中12和13）。岩芯电性参数的测定通过引出的导线进行，通过对两两电极之间的或4个电极之间的电阻、电容、自然电位等参数的扫描监测，实现对流体在岩芯中渗透过程的全面监测。

[0018] 对岩芯电性参数的监测采用本公司研制的ERT21系统进行，对岩芯孔隙压力和围压的施加采用本公司研制的G-Pressor系统实现。图5是采用本装置获得的水体入渗过程中设置在岩芯上部的电极之间的部分电阻值（归一化后的数值）随时间的变化过程，根据由此获得的电性参数随时间的变化曲线，可以获得同一个岩芯在不同尺度（高度）和方向上的渗透率参数，并计算出该岩芯的渗透率场。

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