用于含水砂样激发极化效应测量的多功能测试装置制造方法

专利名称:用于含水砂样激发极化效应测量的多功能测试装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于含水砂样激发极化效应测量的多功能测试装置，包括两个电解室和一个试样室，试样室位于两个电解室中间，且电解室与试样室之间通过一个调整渗透参数的渗透板隔离，在所述的电解室内安装有在动水条件下完成含水砂样的激发极化效应测试的测试电极系，所述的试样室在旋转装置作用下带动试样旋转实现自动搅拌，且试样室的上部通过连接孔连接动水装置，所述的动水装置在试验过程中分别通过控制砂样中的水量与水位来模拟动水。
【专利说明】用于含水砂样激发极化效应测量的多功能测试装置

【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种在不同因素控制下的含水砂样的激发极化效应测试装置，尤其可以实现动水条件下含水砂样试样的激发极化效应测量。

【背景技术】
[0002]激发极化法的原理是根据岩石、矿石的激发极化效应来寻找金属和解决水文地质、工程地质等问题的一组电法勘探方法。它又分为直流激发极化法(时间域法)和交流激发极化法(频率域法)。在充电和放电过程中，由于电化学作用引起的这种随时间缓慢变化的附加电场现象，称为激发极化效应(IP效应)，激发极化法是以不同岩矿石的激电效应之差异为物质基础，通过观测和研宄大地激电效应，以探查地下地质情况的一种勘探方法。对于地球物理探测而言，水量的探测是一直以来难以解决的难题，近年来有学者尝试采用激发极化方法进行水量的探测，取得了一定的进展，但激发极化用于水量探测的机理仍不清楚，极大的制约了激发极化探测水量方法的发展。
[0003]对于激发极化探测水量机理的研宄，通过含水砂样的激发极化效应测试是一种行之有效的研宄方法，而激发极化效应的测试装置是关系到激发极化效应测量的核心问题，因此，很多研宄者提出了不同的激发极化效应测试装置。例如:王宏建、童茂松利用激发极化确定泥质砂岩渗透率的实验研宄中，选用方形水槽作为实验装置，岩芯作为试样，用夹持器夹持岩芯并将水槽分为左右两个溶液室，电极直接浸入电解液中，同时电解液与岩芯直接接触进行试验；蒋宇冰在岩石激发极化现象的实验研宄及理论分析中，选用密封容器，将电极、岩芯试样密封于容器内，通过对试样进行加压防止电解液经岩芯外渗，通过外设通入电流进行试验，；李金铭水污染的导电性和激电性与污染浓度变化关系的几个实验结果中选用长方形有机玻璃槽作为试验装置，将电极直接放入玻璃槽中与溶液进行接触，同时该试验装置是针对水污染的相关参数进行验证。从以上几种研宄激发极化原理的实验装置中可以看出，现有的大部分实验装置是针对岩芯进行测试的，而含水砂样与岩芯有着较大的区别，由于含水砂样的渗透系数大，测试溶液很容易进入砂样而导致测试结果不准确，使得用于岩芯测试的装置不能用于含水砂样的激发极化效应测试；另外现有试验装置大都较为简单，操作不便、效率较低，更为重要的是未考虑动水条件下砂样的激发极化效应的测试。
[0004]对于本实用新型而言，为实现在多种参数控制下含水砂样的激发极化效应测量，尤其是测量动水条件下砂样的激发极化效应并提高试验效率，激发极化效应测量装置面临如下的难题:
[0005](I)试验过程中如何保证含水砂样与测试溶液室隔开，既能保证电流的导通又不使溶液过多流入含水砂样，从而影响测试结果；
[0006](2)配置不同的含水量、粘土含量的砂样时，如何快速的使含水砂样混合均匀，提高测试结果的稳定性；
[0007](3)如何进行动水条件下实现含水砂样内部水位调控与定向流动，从而实现动水条件下含水砂样的激发极化效应测试。实用新型内容
[0008]本实用新型涉及一种在不同因素控制下的含水砂样的激发极化效应测试装置，尤其可以实现动水条件下含水砂样试样的激发极化效应测量。主要是为了解决现有的激发极化装置仅能开展岩芯的测试试验，不能进行动水条件下试样的测试试验，且操作不便、效率低下的问题，提供一种在不同矿化度、孔隙度、粘土含量与含水率等多种参数下试样的激发极化效应测量装置，可以实现岩石试样与松散砂样的激发极化效应测试，重要的可以实现在动水条件下含水砂样的激发极化效应测量。
[0009]本实用新型采用以下技术方案解决其所要解决的技术问题:
[0010]本实用新型涉及一种在不同矿化度、孔隙度、粘土含量与含水率等多种参数控制下的含水砂样的激发极化效应测试装置，包括两个封闭的电解室和一个封闭的试样室，所述的试样室位于两个电解室中间，且电解室与试样室之间通过一个调整渗透参数的渗透板隔离，在所述的电解室内安装有完成含水砂样的激发极化效应测试的测试电极系，所述的试样室在旋转装置作用下沿水平轴线旋转，进而带动试样旋转实现试样的自动搅拌；且所述的试样室和电解室分别与压力控制装置相连。
[0011]上述的试样室和两个电解室均为圆柱形，三个圆柱均水平设置，且相连圆柱之间通过连接环连接在一起，且彼此之间通过渗透板隔离，所述的试样室沿着水平线旋转。
[0012]所述电解室内存放饱和溶液，并安装有测试电极系，测试电极系包括供电电极A、B，测量电极M、N，其中供电电极是由铅板做成与电解室截面大小相等的圆板，测量电极采用Ag/AgCl参比电极，其中供电电极安装在电解室外侧壁的内侧，测量电极安装在电解室内侧壁的内侧。
[0013]所述试样室填充试验试样，可以开展岩芯的试验尤其可以开展含水砂样的激发极化效应测试试验。
[0014]试样室的两侧设有可调整渗透参数的渗透板，既能保证含水砂样与电解室内溶液的接触并传导测试电流，同时又可以避免电解室内溶液过多流入含水砂样而影响测试精度。试样室两端外壁安装有被动齿轮，与旋转装置连接，可以实现试样室内含水砂样的自动化搅拌。
[0015]所述的压力控制装置为用于控制试样室和电解室压力的真空泵，所述的真空泵导管经阀门、压力表分别与试样室和两个电解室的顶部相连通。
[0016]所述渗透板是一种能调整渗透参数的渗透板，是由粉煤灰、水泥、木肩、水配制而成，其质量比为1:0.2:0.1:0.15，水泥增加了渗透板的强度，木肩增加了渗透板的通透性，实现电解室与试样室的电流导通，并使电解室中的溶液不过多渗入到试样室中，从而解决了常规测试装置无法进行含水砂样激发极化效应测试的问题。
[0017]所述旋转装置包含电动机、驱动齿轮和被动齿轮，其中驱动齿轮固定安装在连接环上，并与被动齿轮相互啮合，被动齿轮固定连接在试样室的两端，通过电动机的通断，控制驱动齿轮的转动，进而控制试样室的转动，通过试样室的转动，配合真空泵将试样室抽真空，可以实现试样室内的砂样与粘土、水等混合均匀；从而提高了试验数据准确度。开展含水砂样在不同含水率、粘土含量等参数下的测试试验时，采用旋转装置实现自动化搅拌，极大的提高了工作效率。
[0018]所述的用于含水砂样激发极化效应测量的多功能测试装置，还包括动水装置，所述的动水装置通过连接孔与试样室内部连通，在试验过程中分别通过控制动水装置中的水量实现控制砂样中的水量与水位，进而模拟动水。
[0019]所述的动水装置包括2个控制试样室水量的水槽；所述的2个水槽分别安装在试样室上方且与试样室连通。
[0020]利用所述的测试装置进行矿化度、孔隙度、粘土含量、供电电流参数的测试方法，如下:
[0021](I)、装置安装与电极、砂样安放填装，具体如下:
[0022]首先，配制电解液与砂样；其次，将供电电极与测量电极安装在电解室上，左侧电解室与连接环一侧连接，渗透板、旋转装置依次安置，连接环的另一侧与安装好的一侧拼接在一起，将配置好的砂样放入到与被动齿轮连接的试样室中，右侧电解室安装与上述安装步骤相同；最后，通过电解室上方的小孔注入电解液，将电动机与旋转装置连接，安放真空栗;
[0023](2)砂样的矿化度指的是在砂样中的溶液(或水)中含有的阴阳离子，在配制不同的矿化度砂样时选取含等量的KCl、GaC12、FeC13的溶液加入到砂样中，然后加入到试样室中；
[0024](3)准备工作完成后，打开与真空泵连接导管上的三个阀门，启动真空泵将试样室和电解室中抽成真空，抽真空结束后，关闭三个阀门，启动电动机带动驱动齿轮转盘使试样室均匀旋转，几分钟后停止电动机，并控制压力阀缓慢对试样室进行加压，观看仪表盘当内部压强与外部压强相等时，停止加压，进行试验；
[0025](4)砂样的孔隙度通过改变砂样自身的粒径来改变砂样的不同孔隙度，砂样样品配制完成后装入到试样室后，重复进行步骤(3);
[0026](5)砂样的粘土含量是通过往砂样中加入定量的粘土来改变砂样的粘土含量，砂样样品配制完成后装入到试样室后，重复进行步骤(3);
[0027](6)砂样的供电电流是通过改变供电电压来改变砂样的供电电流，选取12V、24V、36V分别进行试验；
[0028](7)试验结束，停止电动机、真空泵，拆卸实验装置并进行清洗为下次试验做好准备。
[0029]利用所述的测试装置进行动水参数的测试方法，如下:
[0030](1)、装置安装与电极、砂样安放填装，实施步骤为:首先，配制电解液与砂样；其次，将供电电极与测量电极安装在电解室上，左侧电解室与连接环一侧连接，渗透板、旋转装置依次安置，连接环的另一侧与安装好的一侧拼接在一起，将配置好的砂样放入到与旋转装置连接的试样室中，右侧电解室安装与上述安装步骤相同；最后，通过电解室上方的小孔注入电解液，将电动机与旋转装置连接，安放真空泵与水槽；
[0031 ] (2)砂样的动水测试时通过改变水槽的液面差实现砂样样品中水的定向流动，通过真空泵来实现砂样样品中水位高度的控制；
[0032](3)准备工作完成后，进行试验前的装置设定；首先，将配置好的砂样样品装入到试样室中，连接好真空泵、电动机、水槽，并将控制水槽的阀门关上并在两侧水槽分别注入不等量的水，形成水位差，并在实验开始时持续对高水位的水槽注水，以保持其水位不变，从而控制在砂样样品中动水的流速；其次，打开水槽的阀门使水槽中的水在水位差的作用下流经砂样样品，随着试样室中的水量不断增加，其水位不断上升，此时只打开与真空泵连接处的阀门，启动真空泵，控制真空泵不断对试样室加压，使得试样室中的水位控制在指定的位置；进行动水参数的测试；
[0033](4)控制水位的高低与流速，进行多种情况下的动水测试；
[0034](5)试验结束，关闭水槽阀门，停止电动机，拆卸实验装置并进行清洗为下次试验做好准备。
[0035]本实用新型的工作过程如下:
[0036]安装试验装置，将砂样装入样品室，分别加入占砂样质量3%、6%、10%、15%的粘土，打开与真空泵连接导管上的三个阀门，用真空泵将试样室抽真空，启动电动机驱动驱动齿轮带动被动齿轮使试样室匀速转动，5分钟后停止电动机，再加入占砂样质量2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%、24%、28%、32%的蒸馏水，再对试样室进行抽真空，启动电动机使样品室匀速转动，10分钟后停止电动机，对试样室逐渐加压至正常大气压，最后使得砂样、粘土、水混合均匀；
[0037]2个安装在相同位置的水槽分别装有不同量的水，由于存在水位差，因此，水会从高水位处经砂样留到低水位处，实现砂样中的动水现象，同时通过改变两个水槽的水量，使得流经砂样的水流速改变；由于在砂样中的水会随着水的流动不断向上积累，为了对不同水位砂样动水激发极化响应进行研宄，采用压控方式进行控制，即真空泵经控制阀、压力表，通过导管与试样室连接，对试样室进行加压，由于加入到试样室中的气流，会从试样室顶端向两端扩散，并使得同一层的压降相等时才会继续向下运动，使得下一层压降增加，正是由于这个原理，通过加压来控制砂样中的水位高，解决常规试验装置无法模拟动水的难题，从而可实现在动水条件下含水砂样的激发极化效应测试。
[0038]本实用新型的有益效果:
[0039](I)本实用新型提出了一种可以测量试样不同矿化度、孔隙度、粘土含量与含水率的激发极化效应测量装置，适应于常规的岩芯测量。通过一种可调节渗透参数的渗透板，实现含水砂样的激发极化响应测量，突破了常规测量装置仅适用于岩芯测量的局限性，同时渗透板实现电流导通与阻断溶液渗流的特性提高了测量的精度。
[0040](2)本实用新型提出了一种含水砂样动水测试的试验装置，通过控制含水砂样中水量与水位，实现动水条件下的激发极化效应测试，同时解决了常规实验装置无法模拟动水的难题。
[0041](3)本实用新型提出了一种试样自动搅拌的旋转装置，实现含水砂样在不同参数下的激发极化效应的测量，改变了常规装置中试样的人工搅拌，提高工作效率。

【附图说明】

[0042]图1是本实用新型一种用于含水砂样激发极化效应测量的多功能测试装置示意图；
[0043]图2是本实用新型的渗透板结构示意图；
[0044]图3 (a)-图3 (b)是本实用新型旋转装置结构示意图；
[0045]图4是本实用新型动水参数实验的结构示意图；
[0046]图中:1.供电电极A、B，2.电解室，3.测量电极M、N，4.渗透板，5.试样室，6.电动机，7.真空泵，8.水槽，9.旋转装置，10.被动齿轮，11.驱动齿轮，12.连接环。

【具体实施方式】
[0047]下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。
[0048]如图1所示，为本实用新型的一种测试矿化度、孔隙度、粘土含量、供电电流及动水等用于含水砂样激发极化效应测量的多功能测试装置示意图，可以实现岩石试样与松散砂样的激发极化效应测试，重要的可以实现在动水条件下含水砂样的激发极化效应测量。整个装置包括供电电极1，测量电极2，电解室2、试样室5，渗透板4，电动机6，真空泵7，水槽8，旋转装置9。
[0049]上述的试样室和两个电解室均为圆柱形，三个圆柱均水平设置，且相连圆柱之间通过连接环连接在一起，且彼此之间通过渗透板隔离，所述的试样室沿着水平线旋转。
[0050]所述试验装置采用透明有机玻璃制作而成，其形状为半径5cm、长60cm的圆柱形结构，分为左右电解室2和试样室5，其长度自左到右分别为10cm、40cm、10cm。
[0051]所述供电电极1、测量电极3分别采用铅板电极与Ag/AgCl参比电极，铅板电极制作成与装置剖面大小相等的圆板，一方面铅板具有良好的导电性，可做供电电极使用，另一方面增加电极的表面积，提高电极与溶液的接触面积；Ag/AgCl参比电极具有很好的稳定性，并且其极差电位小<lmv，24小时极差漂移小〈0.1mv0
[0052]所述旋转装置9，包括被动齿轮10，驱动齿轮11，连接环12。被动齿轮10与驱动齿轮11之间通过齿进行拼接，驱动齿轮11由电动机6驱动并固定在连接环12上，被动齿轮固定在试样室两侧，试验时，电动机运行时，驱动驱动齿轮11，驱动齿轮11带动被动齿轮10，使得试样室5匀速转动。
[0053]所述连接环12，由两部分对接而成。
[0054]如图2所示，渗透板4是一种可以调整渗透参数的渗透板，主要是由质量配比为粉煤灰:水泥:木肩:水按=1:0.2:0.1:0.15的比例配制而成的多孔渗透版，满足本实用新型中渗透板的要求，使得电流能够供入试样，又不至于电解室内的溶液过多渗入到试样室内，影响激发极化的测试精度。
[0055]如图3所示旋转装置9，包括被动齿轮10、驱动齿轮11、连接环12。旋转装置9是进行砂样均匀混合时，在真空泵7将试样室5抽真空的情况下，电动机6驱动驱动齿轮11时，迫使被动齿轮10匀速转动，从而带动试样室匀速转动，使砂样样品混合均匀。
[0056]如图4所示动水参数试验结构，水槽8分别装有不同水量，产生水位差，控制试样室5内水流流速，实现水流流速控制。实验时通过控制阀控制真空泵7对试样室5进行加压，使得试样室5内水位上升到一定的位置而保持不变，实现水位的控制。
[0057]本实用新型的工作过程如下:
[0058]安装试验装置，将砂样装入样品室，分别加入占砂样质量3%、6%、10%、15%的粘土，打开与真空泵连接导管上的三个阀门，用真空泵将试样室抽真空，启动电动机驱动驱动齿轮带动被动齿轮使试样室匀速转动，5分钟后停止电动机，再加入占砂样质量2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%、24%、28%、32%的蒸馏水，再对试样室进行抽真空，启动电动机使样品室匀速转动，10分钟后停止电动机，对试样室逐渐加压至正常大气压，最后使得砂样、粘土、水混合均匀；
[0059]2个安装在相同位置的水槽分别装有不同量的水，由于存在水位差，因此，水会从高水位处经砂样留到低水位处，实现砂样中的动水现象，同时通过改变两个水槽的水量，使得流经砂样的水流速改变；由于在砂样中的水会随着水的流动不断向上积累，为了对不同水位砂样动水激发极化响应进行研宄，采用压控方式进行控制，即真空泵经控制阀、压力表，通过导管与试样室连接，对试样室进行加压，由于加入到试样室中的气流，会从试样室顶端向两端扩散，并使得同一层的压降相等时才会继续向下运动，使得下一层压降增加，正是由于这个原理，通过加压来控制砂样中的水位高，解决常规试验装置无法模拟动水的难题，从而可实现在动水条件下含水砂样的激发极化效应测试。
[0060]实验操作的具体步骤:
[0061]1、矿化度、孔隙度、粘土含量、供电电流参数的测试步骤:
[0062](1)、装置安装与电极、砂样安放填装，实施步骤为:首先，配制电解液与砂样；其次，将供电电极I与测量电极3安装在电解室2上，左侧电解室2与连接环12 —侧连接，渗透板4、旋转装置9依次安置，连接环12的另一侧与安装好的一侧拼接在一起，将配置好的砂样放入到与被动齿轮10连接的试样室5中，右侧电解室2安装与上述安装步骤相同?’最后，通过电解室2上方的小孔注入电解液，将电动机6与旋转装置9连接，安放真空泵7与水槽8。
[0063](2)砂样的矿化度指的是在砂样中的溶液(或水)中含有的阴阳离子，在配制不同的矿化度砂样时选取含等量的KCl、GaC12、FeC13的溶液加入到砂样中，然后加入到试样室5中。
[0064](3)准备工作完成后，将与真空泵连接的导管上的三个阀门打开，启动真空泵7将试样室和两个电解室中抽成真空，抽空结束后，启动电动机6带动驱动齿轮转盘11使试样室4均匀旋转，3-5分钟后停止电动机6，并控制压力阀缓慢对试样室5进行加压，观看仪表盘当内部压强与外部压强相等时，停止加压，进行试验。
[0065](4)砂样的孔隙度通过改变砂样自身的粒径来改变砂样的不同孔隙度，砂样样品配制完成后装入到试样室5后，重复进行步骤(3 )。
[0066](5)砂样的粘土含量是通过往砂样中加入定量的粘土来改变砂样的粘土含量，砂样样品配制完成后装入到试样室5后，重复进行步骤(3)。
[0067](6)砂样的供电电流是通过改变供电电压来改变砂样的供电电流，选取12V、24V、36V分别进行试验。
[0068](7)试验结束，停止电动机6、真空泵7，拆卸实验装置并进行清洗为下次试验做好准备。
[0069]2、动水参数的测试步骤:
[0070](I)、装置安装与电极、砂样安放填装，实施步骤为:首先，配制电解液与砂样；其次，将供电电极I与测量电极3安装在电解室2上，左侧电解室2与连接环12 —侧连接，渗透板4、旋转装置9依次安置，连接环12的另一侧与安装好的一侧拼接在一起，将配置好的砂样放入到与旋转装置连接的试样室5中，右侧电解室2安装与上述安装步骤相同；最后，通过电解室2上方的小孔注入电解液，将电动机6与旋转装置9连接，安放真空泵7与水槽8。
[0071](2)砂样的动水测试时通过改变水槽8的液面差实现砂样样品中水的定向流动，通过真空泵7来实现砂样样品中水位高度的控制。
[0072](3)准备工作完成后，进行试验前的装置设定。首先，将配置好的砂样样品装入到试样室5中，连接好真空泵7、电动机6、水槽8，并将控制水槽8的阀门关上并在两侧水槽8分别注入不等量的水，形成水位差，并在实验开始时持续对高水位的水槽8注水，以保持其水位不变，从而控制在砂样样品中动水的流速。其次，打开水槽8的阀门使水槽中的水在水位差的作用下流经砂样样品，随着试样室5中的水量不断增加，其水位不断上升，此时只打开与真空连接的阀门，启动真空泵7，控制真空泵7不断对试样室5加压，使得试样室5中的水位控制在指定的位置。进行动水参数的测试。
[0073](4)控制水位的高低与流速，进行多种情况下的动水测试。
[0074](5)试验结束，关闭水槽8阀门，停止电动机6，拆卸实验装置并进行清洗为下次试验做好准备。
[0075]上述虽然结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
【权利要求】
1.用于含水砂样激发极化效应测量的多功能测试装置，其特征在于:包括两个封闭的电解室和一个封闭的试样室，所述的试样室位于两个电解室中间，且电解室与试样室之间通过一个调整渗透参数的渗透板隔离，在所述的电解室内安装有完成含水砂样的激发极化效应测试的测试电极系，所述的试样室在旋转装置作用下沿水平轴线旋转，进而带动试样旋转实现试样的自动搅拌；且所述的试样室和电解室分别与压力控制装置相连。2.如权利要求1所述的用于含水砂样激发极化效应测量的多功能测试装置，其特征在于:所述电解室用于存放饱和溶液，并安装有测试电极系，所述的测试电极系包括供电电极A、B，测量电极M、N。3.如权利要求2所述的用于含水砂样激发极化效应测量的多功能测试装置，其特征在于:所述的供电电极是由铅板做成与电解室截面大小相等的圆板，其安装在电解室外侧壁的内侧；所述的测量电极采用Ag/AgCl参比电极，其安装在电解室内侧壁的内侧。4.如权利要求1所述的用于含水砂样激发极化效应测量的多功能测试装置，其特征在于:所述的压力控制装置为用于控制试样室和电解室压力的真空泵，所述的真空泵导管经阀门、压力表分别与试样室和两个电解室的顶部相连通。5.如权利要求4所述的用于含水砂样激发极化效应测量的多功能测试装置，其特征在于: 所述旋转装置包括电动机、驱动齿轮和被动齿轮，其中驱动齿轮通过连接环支撑，并与被动齿轮相互啮合，被动齿轮套装在试样室的两端，通过电动机的通断，控制试样室的转动，且配合真空泵将试样室抽真空，实现试样室内试样的混合均匀。6.如权利要求1所述的用于含水砂样激发极化效应测量的多功能测试装置，其特征在于: 还包括动水装置，所述的动水装置通过连接孔与试样室内部连通，在试验过程中分别通过控制动水装置中的水量实现控制砂样中的水量与水位，进而模拟动水。7.如权利要求6所述的用于含水砂样激发极化效应测量的多功能测试装置，其特征在于: 所述的动水装置包括2个控制试样室水量的水槽；所述的2个水槽分别安装在试样室上方且与试样室连通。
【文档编号】G01V3-02GK204287503SQ201420747976
【发明者】刘斌, 聂利超, 田明禛, 杨为民, 李术才, 郭谦, 王传武, 崔宇鹏 [申请人]山东大学