一种页岩含水量测量装置及方法与流程

本发明涉及勘测技术领域，特别是涉及一种页岩含水量测量装置及方法。

背景技术：

随着工业的进步和科技的发展，人们对地下世界探索的需求达到了新的高度，例如，现在已经能够从页岩微纳空隙中开采出页岩气，从而引发世界页岩气革命，但是，由于页岩储气层埋深不同，以及页岩特殊性，页岩遇水会产生水化现象，尤其在页岩气钻井及大规模水力压裂中，水化导致井壁失稳、扩径、失径、甚至坍塌，不仅影响进度，还造成巨大的经济损失。

水化现象研究最重要的一点是对水在页岩含水量的测量；常用的含水量测量的方法有：热干燥法、蒸馏法、卡尔费修法、水分活度aw检测法等，这些方法需要取含水样本，经过脱水、称重或加化学试剂进行专门处理，才能获得测量结果，测量过程复杂，同时需要对岩样进行一系列的处理，破坏了岩样原有的物理特性，这样很有可能造成对岩样含水量测量的不准确。

申请号是201510562745.1提供的页岩含水量测试技术方案中，增加了岩样的粉碎功能，装置包含了底座机构、加热粉碎机构和集水机构，通过“时温原理”对页岩样品彻底进行彻底粉碎，破坏页岩水与空隙、矿物间的固着力，然后通过温度快速分离页岩中的水，达到收集和测量的目的，该发明提供了含水量测量的一体化方案，但该发明仍然延续了传统水份测量的方法，无法进行实时无损测量，测量获得的仅是所取岩样的含水量，无法测量岩样中不同区域的含水量微分布，无法获得含水量的时间分布函数。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供了一种利用电容层析技术实时测量水浸入岩样，在岩样中分布、扩散全过程中含水量变化的装置。使用该装置可以达到不中断测量、不破坏被测岩样、不干扰水浸入岩样物理过程的目的。

为了达到上述目的，本发明实施例提供了一种页岩含水量测量装置，所述装置包括：壳体、传感器测量阵列以及含水量测量模块；所述壳体包括箱体、托盘以及顶盖，所述托盘卡装于所述箱体底部的内壁上；所述箱体的底部为水箱，用于盛水；所述传感器测量阵列固定安装于所述托盘中心；所述传感器测量阵列与所述含水量测量模块电连接；所述含水量测量模与计算机通信连接。

进一步改进的，所述传感器测量阵列包括：预设数量的氧化锆传感器的阵列、传感器安装架以及顶进螺栓，每一所述氧化锆传感器均通过同轴屏蔽信号线与所述含水量测量模块通信，每一所述氧化锆传感器均通过弹簧安装于所述传感器安装架上；所述顶进螺栓与所述传感器安装架连接。

进一步改进的，所述传感器安装架设置有弹簧限位架，通过旋转所述顶进螺栓，使得所述氧化锆传感器处在同一平面上。

进一步改进的，所述氧化锆传感器的顶面设置有金属基材电极，工作状态下，每一所述金属基材电极与岩样贴合。

进一步改进的，所述氧化锆传感器相邻两金属基材电极之间的距离至少是所述金属基材电极厚度的十倍。

进一步改进的，所述顶盖中心设置压紧装置，在所述岩样放置于所述传感器测量阵列的情况下，通过所述压紧装置将所述岩样固定压紧。

进一步改进的，所述壳体以及顶盖为金属材质制成；所述传感器测量阵列、所述压紧装置为非金属工程塑料。

进一步改进的，所述含水量测量模块包括：芯片组、数据选择器、ecu以及usb端口，所述芯片组、所述数据选择器、所述ecu以及所述usb端口依次连接，其中，所述芯片组与所述传感器测量阵列电连接；所述usb端口通过相适配的usb数据线与计算机通信连接。

为了达到上述目的，本发明实施例还提供了一种页岩含水量测量方法，该方法应用上述任一项页岩含水量测量装置，所述测量方法包括步骤：

打开所述顶盖，在所述壳体的底部倒入水，并放入岩样；

旋转所述传感器测量阵列的每一所述顶进螺栓，使得每一氧化锆传感器与所述岩样贴合；

盖上顶盖，旋紧压紧装置；

将所述页岩含水量测量模块分别于所述传感器测量阵列和计算机建立通信；

测量所述岩样的含水量。

进一步改进的，所述方法还包括：

根据所测量的含水量，计算所述岩样的含水量分布。

本发明相比现有技术具有以下优点：

将岩样放入装有水的壳体底部，通过传感器测量阵列将岩样可靠固定，在不破坏岩样、不干扰岩样水侵入物理过程的前提下，对水浸入岩样的过程进行全程测量，，并通过与传感器测量阵列电连接的含水量测量模块，对传感器测量阵列测量的数据进行计算和处理，最终得到岩样的含水量测量结果。应用本发明实施例提供的页岩含水量测量装置及方法，能够简化对岩样含水量测量的步骤，同时能够提高对岩样含水量测量的准确度；可以实时监测渗入页岩中的水在页岩中的各区域含量分布变化的全过程，同时，结果通过预设的颜色，在pc界面上由彩色图形显示。

能够均匀地对目标水域中的水源进行采集，使得到的检测结果更加准确，同时，通过将得到的检测结果通过预设的颜色应映射规则到目标水域对应的平面图上，能够清直观地得到对目标水域的水污染程度进行判断，为后期对水污染进行合理地治理提供了可靠的保证。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种页岩含水量测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种页岩含水量测量装置的具体的传感器测量阵列的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的氧化锆传感器的一种具体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的含水量测量模块的结构示意图；

图5为本发明实施例提供一种页岩含水量测量方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1，为本发明实施例提供的一种页岩含水量测量装置的结构示意图；由图可见，该页岩含水量测量装置包括：壳体01、传感器测量阵列02以及含水量测量模块03；所述壳体01包括箱体04、托盘05以及顶盖06，所述托盘06卡装于所述箱体04底部的内壁上；所述箱体04的底部为水箱，用于盛水；所述传感器测量阵列02固定安装于所述托盘05中心；所述传感器测量阵列02与所述含水量测量模块03电连接；所述含水量测量模03与计算机通信连接。

需要说明的是，图1所示的箱体04底部的虚线为水，该箱体04底部所装水的水量不超过托盘05的下沿，以防止传感器测量阵列因浸入水中而造成短路、烧毁等现象的发生。

进一步改进的，所述传感器测量阵列，可以包括：预设数量的氧化锆传感器07的阵列、传感器安装架08以及顶进螺栓09，每一所述氧化锆传感器07均通过同轴屏蔽信号线10与所述含水量测量模块03通信，每一所述氧化锆传感器07均通过弹簧11安装于所述传感器安装架08上；所述顶进螺栓09与所述传感器安装架08连接。

本领域技术人员能够理解的是，上述的传感器测量阵列可以在东、西、南、北四个方向上对称设置，这样能够更加均匀地对岩样的表面进行含水量测量，进而提高对岩样含水量测量的准确度。当岩样放入装有水的箱体04中之后，通过测量人员手动旋转顶进螺栓09来将岩样有效固定，并将每一氧化锆传感器07与岩样的表面可靠贴合。

在本发明实施例中，传感器测量阵列可以包括4×2的氧化锆传感器的矩阵，具体的传感器测量阵列的结构示意图如图2所示。

为了保证氧化锆与岩样的可靠贴合，在本发明实施例提供的一种实现方式，参见图3，为本发明实施例提供的氧化锆传感器的一种具体结构示意图；在所述氧化锆传感器07的顶面设置有金属基材电极12，在工作状态下，每一所述金属基材电极12与岩样贴合，能够有效的防止金属基材电极与岩样之间的空气隙，提高测量的精度。

为了减少上述金属基材电极之间的边缘效应，提高抗电磁干扰的能力，在本发明实施例提供的方案中，所述氧化锆传感器相邻两金属基材电极之间的距离至少是所述金属基材电极厚度的十倍。

需要说明的是，在本发明实施例中，上述提及的金属基材电极可以但不限定为：铝基材电极、铜基材电极以及锡箔基材电极；而对于金属基材电极的形状可以设置为矩形、圆形、菱形等等，因此，在本发明实施例提供的方案中，对金属基材电极的具体形式，以及金属基材电极的具体形状不做进一步限定。

通常被测量岩样都是具有标准的形状，在本发明实施例提供的方案中，岩样可以为50mm(毫米)见方的柱状体，表面都是平的，右上可知的是，顶进螺栓09分别是与所述传感器安装架08的上下连接，而人为的旋转顶进螺栓09可能会造成上下方向上的氧化锆传感器与岩样表面的贴合程度不同的情况。

考虑到上述现象，为了保证每一氧化锆传感器对岩样施加的压力相同，在本发明实施例提供的一种具体实现方式中，所述传感器安装架设置有弹簧限位架13，通过旋转所述顶进螺栓，使得所述氧化锆传感器处在同一平面上。

这样即使测量人员手动的旋转顶进螺栓09，也能够保证每一氧化锆传感器07上穿过的弹簧11形变程度相同，因此，能够使得每一氧化锆传感器07处于同一平面上，进而保证了每一氧化锆传感器与岩样的贴合程度相同，保证队岩样含水量测量的准确性，即能够使得每一氧化锆传感器07对岩样的顶紧压力都相同，而与具体的岩样尺寸的大小无关，进而可以为含水量和测量值之间的校定提供统一的压力基准。

为了防止岩样放入箱体后上下方向的晃动，本发明实施例提供的方案中，在顶盖05中心设置压紧装置14，在所述岩样放置于所述传感器测量阵列的情况下，通过所述压紧装置14将所述岩样固定压紧。

不难理解的是，压紧装置14可以是螺旋式的，也可以是弹簧式的，还可以是锁紧式的，参见图1，该实施例中的压紧装置为螺旋式的，该压紧结构14的顶部通过旋转手柄来进行旋转，进而压紧岩样。

为了防止一部分电荷通过寄生电容从屏蔽层接地流失，保证对微弱信号的有效拾取，本发明实施例提供的方案中，传感器周围不铺设金属屏蔽层，除上述的壳体为金属材质制成；上述的传感器测量阵列、压紧装置、顶进装置、托盘全为非金属工程塑料。

参见图4，为本发明实施例提供的含水量测量模块的结构示意图，该含水量测量模块包括：芯片组、数据选择器、ecu以及usb端口，所述芯片组、所述数据选择器、所述ecu以及所述usb端口依次连接，其中，所述芯片组与所述传感器测量阵列电连接；所述usb端口通过相适配的usb数据线与计算机通信连接。

示例性的，在本发明实施例提供的方案中，芯片组可以为pcap01芯片组，本领域技术人员能够理解的是，pcap01是一种专用于高精密小电容测量芯片，内置dsp，测量精度高达22位有效位，4afrms的测量精度，使得它能够测量小至几af的电容。pcap01可以补偿传感器测量阵列的分布电容，消除分布电容对测量结果的影响。

综上可见，将岩样放入装有水的壳体底部，通过传感器测量阵列将岩样可靠固定，在不破坏岩样、不干扰岩样水侵入物理过程的前提下，对岩样的含水量进行测量，并通过与传感器测量阵列电连接的含水量测量模块，对传感器测量阵列测量的数据进行计算和处理，最终得到岩样的含水量测量结果。应用本发明实施例提供的页岩含水量测量装置及方法，能够简化对岩样含水量测量的步骤，同时能够提高对岩样含水量测量的准确度。

另一方面，相应于上述实施例提供的页岩含水量测量装置，本发明实施例还提供了一种页岩含水量测量方法，参见图5，该方法应用上述任一实施例提供的页岩含水量测量装置，所述测量方法包括步骤：

s101：打开所述顶盖，在所述壳体的底部倒入水，并放入岩样；

s102：旋转所述传感器测量阵列的每一所述顶进螺栓，使得每一氧化锆传感器与所述岩样贴合；

s103：盖上顶盖，旋紧压紧装置；

s104：将所述页岩含水量测量模块分别于所述传感器测量阵列和计算机建立通信；

s105：测量所述岩样的含水量。

进一步改进的，所述方法还包括步骤：

根据所测量的含水量，计算所述岩样的含水量分布。

所述传感器测量方案：分南北方向阵列和东西方向阵列，平行板电容电极阵列对将截面为方形的岩样条四周紧紧夹住，岩样被分成阵列下的不同测量区块，每对平行电极的电容测量值和岩样的介电常数成正比，由于岩样内部致密程度不同，以及裂隙的存在，水浸入的速度、强弱、扩散和分布会造成影响，因此岩样介电常数的空间分布可以表征岩样分布区域内含水量的变化，电容值和含水量关系经过标定，所测页岩空间内电介常数值随时间变化，经过反演能实时获得水在岩样中扩散和分布的变化过程。

综上可见，将岩样放入装有水的壳体底部，通过传感器测量阵列将岩样可靠固定，在不破坏岩样、不干扰岩样水侵入物理过程的前提下，对岩样的含水量进行测量，并通过与传感器测量阵列电连接的含水量测量模块，对传感器测量阵列测量的数据进行计算和处理，最终得到岩样的含水量测量结果。应用本发明实施例提供的页岩含水量测量装置及方法，能够简化对岩样含水量测量的步骤，同时能够提高对岩样含水量测量的准确度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。