一种实验室岩样群自然电位自动控制测量系统及测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种实验室岩样群自然电位自动控制测量系统及测量方法，包含4个部分：岩样群装置及自然电位采样起始按键开关、测量放大和A/D采集电路、自动控制测量电路、液晶显示操作界面和PC计算机人机界面。本发明可同时测量一批岩样在两端不同浓度溶液下所形成的扩散吸附电位—自然电位，也可记录一批样品在两端溶液存在着压力差时所形成压渗电位的整个动态平衡过程并获得最终压渗电位。每块样品的测量都具备宽动态范围和高精度。本发明既可保证测量的高精度又避免了多路放大采集再进行比较选优的繁琐，也节约了单块样品的采集时间和数据存储空间，在不降低测量精度的情况下，有望进一步降低产品成本和采样效率，可同时测量的岩样也更多。
【专利说明】一种实验室岩样群自然电位自动控制测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于石油勘探勘测【技术领域】，涉及一种测量系统，具体是一种实验室岩样 群自然电位自动控制测量系统及测量方法。
【背景技术】
[0002] 当可渗透性的岩样两边溶液浓度不相等时，便会产生扩散现象。在扩散的同时，由 于粘土颗粒的阴离子吸附性使溶液中的离子分布不均衡，由此形成扩散一一吸附电动势， 此电动势反过来又阻止迀移率大的离子作进一步的积累，即阻止电动势继续增大，从而达 到一种动态平衡状态。这时在岩样两端测得的电位即为自然电位（俗称薄膜电位），它与两 端溶液的浓度差及岩样的阳离子交换量有关。
[0003] 实验室的岩样自然电位记录的是岩样在两端不同溶液浓度下所形成的扩散吸附 电位，也即自然电位（俗称薄膜电位）。因为实验室不同样品的岩性不同，所需达到扩散吸 附平衡电位的时间也不同，有的疏松样品可能只需几分钟，有的致密样品可能需要一天时 间，这需要记录整个动态平衡过程并最终获得岩样在两端不同溶液浓度下所形成的自然电 位。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为室内和野外岩样群自然电位的测量提供一种宽动态范围高精 度且一批样品可以同时测量的实验室岩样群自然电位自动控制测量系统及测量方法，该系 统可同时记录一批样品的扩散或扩散一一吸附电动势的整个动态平衡过程并最终获得自 然电位，也可记录一批样品在两端溶液存在着压力差时所形成的压渗电位的整个动态平衡 过程并最终获得压渗电位。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] 一种实验室岩样群自然电位自动控制测量系统，包括带有第一测量电极和第二测 量电极的若干岩样装置、ADC、FPGA和DSP;第一测量电极和第二测量电极均采用不易极化 的可逆电极；每个岩样装置的测量电极分别连接有差分放大滤波电路，第一测量电极和第 二测量电极之间均设置有用于校零测量和控制自然电位采样起始的按键开关；每个差分放 大滤波电路的输出端均连接到ADC的输入端上，ADC用于分时选择接通每道差分放大滤波 后的信号，并进行A/D数字转换后传送给FPGA;FPGA的输出端与DSP相连，将ADC采样的信 息传送给DSP;DSP将数据处理后传送给PC计算机或测量仪面板上的液晶显示屏；PC计算 机通过总线或USB接口与DSP相连。
[0007] 所述的岩样装置包括岩样室、第一测量室、第二测量室、第一储液罐和第二储液 罐；第一测量室和第二测量室分别设置于岩样室两侧，并通过岩样室中的岩样渗透相连； 第一测量室与第一储液罐通过管道以及设置于管道上的第一循环泵形成第一循环系统；第 二测量室与第二储液罐通过连接管道以及设置于管道上的第二循环泵形成第二循环系统。
[0008] 所述的第一测量室与第一储液罐之间通过三条管道相连，其中一条管道上安装第 一循环泵；第二测量室与第二储液罐之间通过三条管道相连，其中一条管道上安装第二循 环泵；管道与第一测量室和第二测量室相连的部分均安装有用于控制溶液流速的旋塞阀。
[0009] 所述的第一储液罐和第二储液罐中装有盐溶液，且其中一个储液罐中盐溶液的浓 度与岩样饱和浓度相同，另一个储液罐中盐溶液的浓度小于岩样饱和浓度。
[0010] 所述的差分放大滤波电路包括四个级联的运算放大器及相应的滤波电路；第一测 量电极和第二测量电极分别连接到第一运算放大器和第二运算放大器的正相输入端；第一 测量电极和第二测量电极与地之间设置有第一滤波电路；第一运算放大器和第二运算放大 器的反相输入端之间设置有开关；
[0011] 第一运算放大器的输出端连接到第三运算放大器的反相输入端上，第二运算放大 器的输出端连接到第三运算放大器的正相输入端上；第三运算放大器的输出端通过第二滤 波电路连接到第四运算放大器的正相输入端上，第四运算放大器的输出端为信号输出端与 ADC的输入端相连。
[0012] 所述的第一滤波电路包括并联第一电容和第一电阻以及并联的第二电容和第二 电阻；第二滤波电路包括第三电容、第四电容以及依次串联的第三电阻、第四电阻和第五电 阻；第三电容和第四电容的一端均接地，第三电容的另一端连接到第三电阻和第四电阻之 间，第四电容的另一端连接到第五电阻和第四运算放大器的正相输入端之间。
[0013] 一种实验室岩样群自然电位自动控制测量方法，包括以下步骤：
[0014] 1)将测量过电极电位vdj的测量电极分别放置于各个岩样装置的测量室中，将已 饱和浓溶液的岩样放置于岩样室中，岩样室加围压使得岩样两端的溶液不能直接连通；
[0015] 2)在岩样两端的储液罐中，一边加入与岩样饱和浓度一致的浓溶液，一边加入淡 溶液；
[0016] 3)将各岩样的采样起始按键开关均处于闭合状态，使各Si、Pi输入端短路；
[0017] 4)打开自动测量仪和计算机，打开岩样自然电位自动控制测量软件至测量等待状 态，对不同样品选择不同的放大倍数；输入每块岩样的岩性参数、环境因素参数；岩样参数 包括井号、岩心长度以及岩心直径；环境因素包括温度、电极电位Vdj、测量人员以及测量 日期；
[0018] 5)选择"人工监测"或"自动智能监测";若选择"自动智能监测"，则要设置自动智 能控制参数，设置初始采样点间隔时间I；、计算判断的数据点数n、采样间隔时间调整步长ZlT、调整采样间隔时间的判定值Xd、测量结束的判定值ypy2;其中，计算判断的数据 点数n为自动智能监测中所选取的计算点数；
[0019] 6)运行自动控制测量程序，开始采集数据，这时采集的数据即为测量系统的零偏 电位V〇i;
[0020] 7)依次先后启动各岩样两端浓溶液和淡溶液的循环泵，当第i块岩样两端的电极 室充满溶液后，此时立即将其采样起始按键开关断开，其后采集的数据即为自然电位与电 极电位和零偏电位的总电位值vxi (t);
[0021] 8)若选择"人工监测"，根据数据采集情况人工调整采样间隔时间和结束采样；当 采样的自然电位值由小变大，逐渐达到动态平衡不再增大，之后可能再缓慢减小，这时结束 测量；
[0022] 若选择"自动智能监测"，当满足自动调整采样时间间隔的判定条件时，程序自动 调整采样时间间隔；当满足测量结束的判定条件时，则控制测量程序将判定此时测量的自 然电位值已趋于稳定达到动态平衡状态，测量系统自动结束测量；
[0023] 9)保存数据文件。
[0024] 所述自然电位值的计算方法具体为：
[0025] 测量系统第i块岩样的采集电位Vxi为：
【权利要求】
1. 一种实验室岩样群自然电位自动控制测量系统，其特征在于：包括带有第一测量电 极（1)和第二测量电极（2)的若干岩样装置、ADC、FPGA和DSP;第一测量电极（1)和第二 测量电极（2)均采用不易极化的可逆电极；每个岩样装置的测量电极分别连接有差分放大 滤波电路，第一测量电极（1)和第二测量电极（2)之间均设置有用于校零测量和控制自然 电位采样起始的按键开关（Kspi);每个差分放大滤波电路的输出端均连接到ADC的输入 端上，ADC用于分时选择接通每道差分放大滤波后的信号，并进行A/D数字转换后传送给 FPGA;FPGA的输出端与DSP相连，将ADC采样的信息传送给DSP;DSP将数据处理后传送给 PC计算机或测量仪面板上的液晶显示屏；PC计算机通过总线或USB接口与DSP相连。
2. 根据权利要求1所述的实验室岩样群自然电位自动控制测量系统，其特征在于：所 述的岩样装置包括岩样室（3)、第一测量室（4)、第二测量室（5)、第一储液罐（6)和第二储 液罐（7);第一测量室⑷和第二测量室（5)分别设置于岩样室⑶两侧，并通过岩样室（3) 中的岩样渗透相连；第一测量室（4)与第一储液罐（6)通过管道以及设置于管道上的第一 循环泵（8)形成第一循环系统；第二测量室（5)与第二储液罐（7)通过连接管道以及设置 于管道上的第二循环泵（9)形成第二循环系统。
3. 根据权利要求2所述的实验室岩样群自然电位自动控制测量系统，其特征在于：所 述的第一测量室（4)与第一储液罐（6)之间通过三条管道相连，其中一条管道上安装第一 循环泵⑶；第二测量室（5)与第二储液罐（7)之间通过三条管道相连，其中一条管道上安 装第二循环泵（9);管道与第一测量室（4)和第二测量室（5)相连的部分均安装有用于控 制溶液流速的旋塞阀（10)。
4. 根据权利要求2或3所述的实验室岩样群自然电位自动控制测量系统，其特征在于： 所述的第一储液罐（6)和第二储液罐（7)中装有盐溶液，且其中一个储液罐中盐溶液的浓 度与岩样饱和浓度相同，另一个储液罐中盐溶液的浓度小于岩样饱和浓度。
5. 根据权利要求1或2或3所述的实验室岩样群自然电位自动控制测量系统，其特征 在于：所述的差分放大滤波电路包括四个级联的运算放大器及相应的滤波电路；第一测量 电极（1)和第二测量电极（2)分别连接到第一运算放大器（Al)和第二运算放大器（A2)的 正相输入端；第一测量电极（1)和第二测量电极（2)与地之间设置有第一滤波电路；第一 运算放大器（Al)和第二运算放大器（A2)的反相输入端之间设置有开关（Ki); 第一运算放大器（Al)的输出端连接到第三运算放大器（A3)的反相输入端上，第二运 算放大器（A2)的输出端连接到第三运算放大器（A3)的正相输入端上；第三运算放大器 (A3)的输出端通过第二滤波电路连接到第四运算放大器（A4)的正相输入端上，第四运算 放大器（A4)的输出端为信号输出端与ADC的输入端相连。
6. 根据权利要求5所述的实验室岩样群自然电位自动控制测量系统，其特征在于：所 述的第一滤波电路包括并联第一电容（Cl)和第一电阻（R2)以及并联的第二电容（C2)和 第二电阻（R3);第二滤波电路包括第三电容（C3)、第四电容（C5)以及依次串联的第三电阻 (RlO)、第四电阻（Rll)和第五电阻（R12);第三电容（C3)和第四电容（C5)的一端均接地， 第三电容（C3)的另一端连接到第三电阻（RlO)和第四电阻（Rll)之间，第四电容（C5)的 另一端连接到第五电阻（RlO)和第四运算放大器（A4)的正相输入端之间。
7. -种基于权利要求6所述测量系统的实验室岩样群自然电位自动控制测量方法，其 特征在于，包括以下步骤： 1) 将测量过电极电位Vtu的测量电极分别放置于各个岩样装置的测量室中，将已饱和 浓溶液的岩样放置于岩样室中，岩样室加围压使得岩样两端的溶液不能直接连通； 2) 在岩样两端的储液罐中，一边加入与岩样饱和浓度一致的浓溶液，一边加入淡溶 液； 3) 将各岩样的采样起始按键开关均处于闭合状态，使各Si、Pi输入端短路； 4) 打开自动测量仪和计算机，打开岩样自然电位自动控制测量软件至测量等待状态， 对不同样品选择不同的放大倍数；输入每块岩样的岩性参数、环境因素参数；岩样参数包 括井号、岩心长度以及岩心直径；环境因素包括温度、电极电位Vdj、测量人员以及测量日 期； 5) 选择"人工监测"或"自动智能监测";若选择"自动智能监测"，则要设置自动智能控 制参数，设置初始采样点间隔时间Ttl、计算判断的数据点数n、采样间隔时间调整步长ZT、 调整采样间隔时间的判定值χ〇、测量结束的判定值yQ、丫:或y2;其中，计算判断的数据点数 η为自动智能监测中所选取的计算点数； 6) 运行自动控制测量程序，开始采集数据，这时采集的数据即为测量系统的零偏电位 V0i; 7) 依次先后启动各岩样两端浓溶液和淡溶液的循环泵，当第i块岩样两端的电极室充 满溶液后，此时立即将其采样起始按键开关断开，其后采集的数据即为自然电位与电极电 位和零偏电位的总电位值Vxi (t); 8) 若选择"人工监测"，根据数据采集情况人工调整采样间隔时间和结束采样；当采 样的自然电位值由小变大，逐渐达到动态平衡不再增大，之后可能再缓慢减小，这时结束测 量； 若选择"自动智能监测"，当满足自动调整采样时间间隔的判定条件时，程序自动调整 采样时间间隔；当满足测量结束的判定条件时，则控制测量程序将判定此时测量的自然电 位值已趋于稳定达到动态平衡状态，测量系统自动结束测量； 9) 保存数据文件。
8.根据权利要求7所述的实验室岩样群自然电位自动控制测量方法，其特征在于：所 述自然电位值的计算方法具体为： 测量系统第i块岩样的采集电位Vxi为： Vxi (t) = (Vspi (t)+Vdi) XAij+Voi，i = 1，2,…n (I) Vspi(t)为自然电位平衡过程中的动态值，Vdi为该岩样测量电极对的电极电位，Aij为宽动态范围高精度测量放大电路第j道的放大倍数，Voi为按键开关闭合时测量系统采 集到的零偏值； 数据处理中，当IVxi(t)-VoiI3 0.Imv时该点即为自然电位有效测量点的起始值； 第i块岩样的自然电位整个动态平衡过程为：
当测量满足结束判定条件时，自动智能监测数据采集便自动停止，自然电位测量自动 结束； Vspti = max{ | Vspi⑴| } (3) Vspti值所对应的采集时间点为ti，第i块岩样的自然电位值Vspi为： Vspi=Vspi(ti) (4) 〇
9. 根据权利要求7所述的实验室岩样群自然电位自动控制测量方法，其特征在于：所 述的自动调整采样时间间隔的判定条件为： 岩样的自然电位信号有效采样后，每间隔1分钟取10个连续采样点的数据平均值进行 对比，看是否满足调整采样间隔时间的判定条件，如满足条件，则自动调整采样时间间隔， 具体根据下式
其中，Xi为第i点的采样值，X#第j点的采样值，Uxl为1分钟前η个连续采样点的 平均值，单位为mV;Ux2为当前η个连续采样点的平均值，单位为mV;故实时调整自动采样间 隔时间的判定条件为： Iux2-UxlI^x0 (7)。
10. 根据权利要求7所述的实验室岩样群自然电位自动控制测量方法，其特征在于：所 述测量结束的判定条件为： 采样后，每间隔30分钟取η个采样点的数据进行对比，看是否满足测量结束的判定条 件，如满足测量结束的判定条件，则自动结束测量； 测量结束的判定条件为：
其中，Uzl为30分钟前η个连续采样点的平均值，单位为mV;Uζ2为当前η个连续采样点 的平均值，单位为mV。
【文档编号】G01N27/00GK104458811SQ201410650648
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】曾花秀, 郭用梅, 何三宇, 于华, 郭庆明, 章海宁, 彭慧琴, 阳晓红, 方荣贵, 李艳婷 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油集团测井有限公司