技术领域
[0001] 本
发明的原位岩芯夹持器是指能够应用于现场采集的未作专
门加工处理的长度较长岩芯的岩芯夹持器，是进行岩芯测定实验的一种专用装置，它与传统岩芯夹持器的主要区别在于它能够用于测定长度较长的岩芯，无需对岩芯进行分段切割，而传统的岩芯夹持器却仅能够测定经过切割的有限长度（一般10cm左右）的岩芯。由于原位岩芯夹持器用于测定的主要参数仍然是岩芯渗透率，而渗透率是
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，因此所发明的原位岩芯夹持器属于本技术领域，是其中的一个核心部件。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，而所发明的原位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，因此它为针对超长岩芯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] 原位岩芯是指在现场采集的未作专门加工处理的长度较长的岩芯，其长度从数十厘米到数米范围，大大超过了传统岩芯夹持器所能够测试的长度。为此，一般会根据需要对现场采集的岩芯进行切割或再取芯，以便能够获得满足岩芯夹持器所要求尺寸的岩芯。虽然这种岩芯切割加工使测试岩芯满足了测试条件，但它却具有如下几个方面的不足：1.它破坏了测试岩芯的完整性，使测试结果仅限于表征某个局部岩芯段的特性，使本来就已经是局部的岩芯样品测试更加限于局部的一个小区域，这既不利于岩芯参数连续变化的研究，更难以在较大的尺度上反映
岩石的特性。2.它增加了岩芯参数测试的程序和成本。岩芯切割加工一般在实验室内进行，因此需要额外的运输成本，为了便于运输一些超长的岩芯还会因此而被切断。切割加工本身会大大降低岩芯的利用率，也会改变岩芯原有的物理和化学状态。3.它延长了对岩芯进行及时测试的时间，不利于获得岩芯在原位条件下的参数。尽管会在运输等过程中，对岩芯采取专门的保护措施，但难以避免岩芯在此期间发生的各种状态的改变，使本来就已经受到钻孔和采芯影响的岩芯，更加受到后期多种因素的影响。
4.它不利于对珍贵岩芯的完整保存，限制了对珍贵岩芯的参数测定工作。因此，迫切需要一种能够在不切断岩芯的条件下实现对较长的岩芯测试的原位岩芯夹持装置，以便能够为岩芯渗透率等参数的连续获取和研究创造条件。
[0003] 针对岩芯渗透率的测试目前主要有定水位法和变水位法以及定流量法和压力脉冲法。前者通过在岩芯的两端施加一定的或变化的水压差，通过测量渗透流量来计算岩芯的渗透率参数。后者则在岩芯的一端以一定的流量注水或直接施加压力脉冲，通过测量岩芯两端间压力差随时间的变化来计算岩芯的渗透率参数。但无论是前者还是后者，都以测定岩芯两端的压力（或压力差）为主，再通过一维的
流体动力学方程的求解及其和实验结果的拟合来获得参数。因此，所得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。然而，大量的研究已经表明，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多尺度和多个方向上测定岩石渗透率参数的突破性技术，以解决本领域科学研究和工程应用中的
瓶颈问题。
[0004] 正是针对岩芯渗透率测定中上述两个方面的不足，我们发明了可用于高密度电性参数监测的专用原位岩芯夹持器，针对长度无限制的岩芯，提出了基于高密度的电性参数监测条件下的水力学实验获得其不同尺度和方向上的岩芯渗透率参数的技术，为在不切断损坏岩芯的条件下研究岩石渗透率的空间分布、尺度变化和各向异性特征提供了重要手段，在各种科研和工程应用中都具有重要意义。相关技术和方法，国内外均还未见报道。
[0005] 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，长度上没有限制。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
[0006] 针对长度没有限制的岩芯，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原位岩芯夹持器（其剖面结构如图1，装置为圆形结构）。与传统岩芯夹持器的最大区别就是它不是从岩芯的上下两端进行流体的注入而是从从岩芯的环状侧面上进行流体的注入，具备两个对称的围压室，提供了在岩芯周围高密度布置电极的引线通道，它由三种构件共五个部分组成。
[0007] 1.流体从岩芯环状侧面上注入的贯穿式结构，岩芯并不被夹持器全部密封在内（图1）。流体通过中心部件1从其环状侧面上加压注入，在中心部件1的两侧通过部件2施加围压，设置在岩芯周围的电极通过
导线经位于两端的部件3引出。岩芯贯穿整个夹持器，无需切断加工，长度没有限制。由此，可对岩芯中的任何一段进行测试，通过顺次移动岩芯或夹持器，重复测定，即可获得岩芯参数随岩芯长度的变化值。整个装置可以水平放置，也可以垂直放置。可以固定夹持器移动岩芯，也可以固定岩芯移动夹持器。当测定目标体是无限长度的介质时（此时夹持器无法从两端传入），夹持器可将其环形结构改为可开闭的方式，便于测定目标体的穿入。
[0008] 2.提供流体注入或流出口并能够安装衣袖、固定岩芯、向岩芯施加孔隙压力的中心部件（图2）。该部件为圆形，上下对称，来自于两个围压室的衣袖可分别套装在该部件上下伸出的环上（图2中5），岩芯穿过该部件。部件圆周上有两个流体注入孔（图2中4），可用于流体的注入和压力的施加与测试，也可以一个孔注入流体另一个孔流出流体，进行流动条件下的测试。部件内侧有凹槽，因此在部件和岩芯之间存在一个圆形的空间，是流体注入室的上游，可以通过在该凹槽内添加适合的
垫片针对不同的实验要求，调整上游注入室的体积，改变流体注入岩芯的面积和形状。部件顶底面上都有密封槽和固定用螺孔（图2中6），便于与围压筒部件之间的密封。
[0009] 3.用于向岩芯施加围压的围压筒部件（图3）。与传统岩芯夹持器仅有一个围压室不同，本发明装置具有两个围压室，分别位于中心部件的两侧，围压施加孔位于其顶端或底端。实验中两个围压室的压力与流体特性可以完全不同，从而为进行不同条件下的岩芯测试创造了条件。围压室侧面没有出入孔，因此可方便设置加热、电磁发射等构件，从而为改变岩芯实验条件和提供新的测定手段创造了条件。
[0010] 4.能够安装衣袖、固定岩芯、具有围压和导线通道的末端部件（图4）。该部件位于两个围压室的末端，岩芯穿过其中心，衣袖可以套装在其向内伸出的环上（图4中9），围压的施加可以通过流体注入和流出孔（图4中10和11）进行，有密封槽（图4中8）和螺孔（图5中13）使该部件与围压筒部件密封。在该部件靠近岩芯的环形边沿上，设置了多个导线引出孔（图5中12），因此设置在岩芯上的电极，可经导线通过这些引出孔与外部测试仪器相连，从而实现实验过程中对岩芯电性参数的高密度监测。
附图说明
[0011] 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，岩芯穿过整个夹持器，流体从中心部件1注入或流出，其两侧通过围压筒2施加围压，导线分别从两个末端部件3引出，在实验过程中进行电性参数监测。
[0012] 图2为该发明的中心部件的剖面图。其中4为流体注入或流出孔，5为套装衣袖的环形构建，6为密封槽。
[0013] 图3是用于施加围压的围压筒剖面图。其中6是密封槽，7是围压筒主体。
[0014] 图4是该发明的末端部件的剖面图。其中8是密封槽，9是套装衣袖的环形构件， 10和11分别是用于围压施加的流体进入和流出的孔。
[0015] 图5是该发明的末端部件的平面图。其中8、9、10和11与图4中的说明相同。12是半圆形的导线引出孔，13是固定部件用的螺孔。
具体实施方式
[0016] 1.将需要测试的长度较长的岩芯固定于某一
支架上，可以水平放置岩芯，也可以垂直放置岩芯。
[0017] 2.将该夹持器的中心部件1安装在需要测试的岩芯的某一个
位置上，在中心部件的左右两侧的岩芯上标记出需要设置电极的位置。
[0018] 3.在岩芯上进行电极设置，选择适当粗细的绝缘导线与电极连接，将导线顺岩芯轴向向两侧延伸并固定。
[0019] 4.在中心部件上套装衣袖，安装围压筒2。
[0020] 5.安装末端部件3，同时在末端部件上套装上衣袖。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。
[0021] 6.连接并固定部件1、2和3，安装上流体注入和流出管道，并与施压系统连接，确认密封。孔隙压力的施加通过中心部件上的流体注入和流出孔进行，围压的施加和调节通过末端部件上的两个螺孔实现。
[0022] 7.连接导线和电性参数测定仪器，启动高密度的电性参数监测。对岩芯电性参数的监测采用本公司研制的ERT21系统进行，它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。
[0023] 8. 启动施压设备，进行水力学实验。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。实验完成后，再根据需要，移动夹持器至岩芯下一段，重复上述测试。
[0024] 9.根据所测的电性参数资料，计算岩芯的渗透率参数。具体计算方法见名为“基于高密度电性参数监测的多尺度和多方向的岩芯渗透率测定技术”的发明
申请书中的说明。
