专利名称：固体或液体地质样品的电性能的测量设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及优选地源自气藏或油藏的液体或固体地质样品，比如岩石，和气藏或 油藏的饱和流体的电性能的测量设备。
背景技术：
源自气藏或油藏的岩石样品的低频复阻抗(即低于100kHz)的测量通常是分别用 两个或四个电极，通过两种互补的测量技术实现的。目前用分别包含两个或四个电极的相关测量设备实现多种单一技术。这意味必须 按照要使用的技术改变构造，于是不可能快速连续地应用这些技术。在具有两个电极的测量设备中，在每个电极和样品表面部分之间建立电接触，注 入交流电流，并测量在相同电极之间形成的电势差。用于圆柱形样品的最常见构造是其平行的平板与所述样品的各个表面接触的电 容器的构造。当频率变化时，通过阻抗分析仪测量这样填充的电容器的复阻抗或其导纳，阻抗 分析仪计算在电极的电势差和注入的电流之间的比率。复阻抗和导纳分别由下面的等式定义Ζ(ω) = l/(jcoC0 ε )Y ( ω ) = j ω C0 ε其中ω是频率Ctl是空电容器的电容ε是置于电容器中的样品的介电常数。从测量的复阻抗Ζ(ω)获得样品的介电谱ε (ω)。尽管易于生产，不过这种已知的测量设备具有许多缺陷。在测量浸透盐水的岩石的情况下，当相对于样品内部的电阻，界面电阻或接触电 阻不可忽略时，或者当样品与电极之间的电接触不令人满意时，会产生系统误差。通过并不易于应用的处理，比如通过蒸发在岩石样品的表面的金属层，能够减轻 这些问题。然而，尽管采取这样的处理，由于岩石表面的粗糙和不连续，通常不能完全消除 上述问题。此外，在岩石表面可能存在具有绝缘或些微导电特性的矿物油薄层，或者一部分 的水会蒸发，从而完全或部分使样品的表面变干。这产生接触阻抗和穿过所述薄层的电势 降，从而导致样品基体的电阻(也称为体电阻)的过高估计。为了避免这些不便，提出了下述解决方案，不过这些方案只能在特定情况下应 用(i)对电极涂覆薄金属层，所述薄金属层具有充分的塑性和延展性，以适应岩石表
(ii)在电极上电化学沉积多孔的钼层或氯化银层，(iii)使用插在样品和电极之间的浸泡在饱和盐水中的纸滤器或者多孔银滤器。最后一种对策能够使接触电阻和纸滤纸的电阻忽略不计，不过只是在盐水的内部 饱和度较高的情况下才是如此。于是，必须避免液体从多孔滤器蒸发。不过，接触阻抗的降低不能解决与双电极测量设备相关的所有问题。例如，电极极 化效应，尤其是在关于具有高饱和度和/或被含有高浓度的离子载体的盐水饱和的岩石的 低频介电测量中的电极极化效应会具有特别重大的影响。就四电极测量设备来说，仅仅知道一些特殊的实施例，这些实施例可被用于测量 岩石的电性能。这些实施例具有利用电流注入电极和电势的测量电极测量阻抗的特定特 性，电流注入电极和电势的测量电极都位于样品的横向侧面。最后，已知一种测量设备，所述测量设备能够用相同的电池，在从ΙΟΗζ-ΙΟΜΗζ的 频率范围中利用双电极和四电极技术。该设备包括与样品表面接触以注入电流的两个扁平电极，和作为电压的测量电极 的两个环，所述两个环被放置在样品的横向侧面、沿圆柱轴彼此适当地间隔开，并且关于圆 柱中心对称的位置。于是，这些设备存在上面关于具有双电极的已知设备指出的缺陷，还存在由于环 的接触面有限，使得环的电容很小，因此当通过四电极技术在高频下进行测量时，测量结果 不精确的缺陷。
发明内容
本发明的一个目的是克服上述缺陷，具体地说，提供一种地质样品的电性能的测 量设备，所述测量设备使得能够足够精确、快速地连续应用双电极和四电极技术。本发明的另一个目的是提供一种地质样品的电性能的测量设备，当用于实现双电 极测量时，所述测量设备不存在基体电阻的系统误差或过高估计。本发明的另一个目的是提供一种地质样品的电性能的测量设备，当用于实现四电 极测量时，即使在高频下进行测量时，所述测量设备也可提供精确的测量结果。通过提供按照权利要求1所述的地质样品的电性能的测量设备，实现按照本发明 的这些和其它目的。所述设备的其它特征是附加权利要求的目标。
参考所附示意图，根据下面的非限制性举例说明，按照本发明的地质样品的电性 能的测量设备的特性和优点将变得更明显，其中图1是按照本发明的地质样品的电性能的测量设备的透视图；图2是在打开的配置下，图1的测量设备的上下半壳体的顶视图；图3是用在按照本发明的测量设备中的电极的放大图；图4是图1的测量设备的剖面图；图5是图4的测量设备的一组元件的分解剖面图；图fe是按照本发明的测量设备的环形元件的备选实施例的剖面图6a是当采用按照本发明的测量设备测量液体地质样品的电性能时使用的液体 样品支持器设备的组装配置下的透视图；图6b是图6的液体样品支持器设备的基座的透视图，其中外侧面朝上；图6c是图6的液体样品支持器设备的基座的透视图，其中内侧面朝上；图7是在图6a的组装配置下，液体样品支持器设备的剖面图。
具体实施例方式参考附图，图中表示了地质样品的电性能的测量设备(整体标为10)的一个非限 制性的优选实施例。测量设备10包括由两个半壳体11、12组成的优选为圆柱形的空心体，一个半壳体 同轴地在另一个半壳体上滑动，所述两个半壳体11、12与厚度减小的部分IlaUh相一致 地部分重叠。有利的是，一对共面的触头13、14位于半壳体11、12的每个基座上。每对共面的触头包括用于注入电流的第一电极14，第一电极14具有基本扁平的 形状，并且设置有通孔17，对应于通孔17，布置用于测量电压的第二电极(13)。电流的第一注入电极14优选呈圆形，通孔17被置于所述圆形的中心。此外，在优 选实施例中，第一电极14用镀金的黄铜制成。在第一电流注入电极14的面对测量设备内部的表面Ha上，焊接用贵金属，优选 是纯金制成的未因冷加工而被加工硬化的薄片15。有利的是，薄片15的塑性极高，当对电极14施加足够高的压力时，薄片15通过附 着于被测量的地质样品的表面而变形。薄片15还保护第一电极14免受盐水腐蚀。在第一电流注入电极14的另一侧，存在优选均勻分布的多个圆形容纳件18，供第 一弹性装置30，比如压缩弹簧之用。在所示的实施例中，存在彼此成120°布置的三个容纳件。在该优选实施例中，弹簧30由直径1. 25毫米的谐波钢丝制成，弹簧30具有9. 25 毫米的直径，22. 0毫米的自由长度，和10. 5毫米的最小工作长度(有效线圈5. 5)。这些弹 簧30的常数优选为8. 92牛/毫米。在该非限制性的优选实施例中，为了压缩4毫米(通常等于测量设备10的几何形 状允许的最大压缩的一半)，必须对每个弹簧30施加35. 68牛的作用力，即，与10. 9千克的 总重量对应的107牛的总作用力。假定样品表面约为5平方厘米，为了施加上述压缩，必须应用2个标准大气压的压 力。支持第一圆形电流注入电极14的弹簧30被置于用绝缘材料一优选是Teflon 制成的支持元件20内。同样用绝缘材料一优选是Teflon 制成的环形元件21被紧固到支持元件20 上，环形元件21的功能是把第一电流注入电极14保持在适当位置，并在通过压缩，在所述 电极14和样品之间建立接触的阶段中驱动所述第一电流注入电极14。环形元件21在其下部具有供第一电流注入电极14之用的第一容纳件22，在其上 部具有用于安放被测量的圆柱形岩石样品的第二容纳件23。
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在测量设备10之内，分别对应于两对电极13、14之一的两个相对的第二容纳件23 构成被测量的样品的容纳座。在图fe中图解说明的备选实施例中，环形元件21a具有尺寸达到足以安放大直径 圆柱形样品的程度的第二容纳件23a，和适合于使第二容纳件23a还适于安放直径较小的 样品的缩径环对。通过简单地插入或取出缩径环对，这种设备使得能够以简单的方式，从较小直径 的样品的测量变到较大直径的样品的测量。由于多个弹簧30，电流注入电极14能够完全自由地弯曲，以使它们适应于圆柱形 样品的表面，如果这些电极和圆柱形样品的表面不是完美地平行的话。与第一电流注入电极14同心的用于测量电压的第二电极13由优选镀金的弹性触 头或探头组成。所述探头13在其内部包括确保与样品接触的第二弹性装置。这些第二弹性装置 优选具有1. 2牛/毫米的弹性常数。探头13由插孔32和套管31或插头组成，插孔32优选由铜-铍、镀金的镍制成， 套管31或插头优选由金属镀金合金制成。探头13的总阻抗优选小于15毫欧姆。通过装入样品，使插孔32的在准备状况下超出第一电极14的平面的自由端部25 达到所述第一电极14的平面的水平。随后的插孔32的收缩确保探头13和样品之间的良 好接触。就如上所述选定尺寸的第二弹性装置来说，事实上，施加在插孔32的端部25上的 作用力等于6牛，并且由插孔32的自由端部25施加在样品上的压力约为10个大气压的量 级。为了保证与样品表面的良好接触，插孔的自由端部25被扩大，优选呈球形滴的形 式，或者作为替代地，采用有延展性的导电材料，优选是锡或铟的球形滴，对应于所述端部 25焊接所述球形滴。每次对着样品的表面压第二电极13时，扩大部分25变形并附着在样品的表面，从 而减小接触电阻。呈球形滴形状的插孔32的自由端部25的直径优选为2. 54毫米。第二电极13被同心地布置在第一电流注入电极14的孔17中，并与孔17隔开圆 形空间，所述圆形空间远远大于材料中，由电极的极化产生的双层电荷的范围(数量级为 纳米)。在优选实施例中，探头13具有铣削面，就粗糙的或者不连贯的样品来说，这有利 于更好的接触。具有铣削面的这种结构还证明特别适用于在样品表面累积有矿物油层的情况，因 为铣齿能够刺入最初的几层样品，接触样品的更同质的部分，并测量更精确的电势差。探头13被装配在由绝缘材料，优选Teflon 制成的支持体沈上，并且优选借助同 样由诸如尼龙之类绝缘材料制成的螺钉33刚性地组合到包含弹簧30和第一电流注入电极 14的支持元件20上。由支持元件20和环形元件21、支持体26，以及第一和第二电极13、14组成的单元 再通过由绝缘材料制成的恰当的固定装置19，被刚性地锚固到优选钢制的相关半壳体11、12。这样，由两个半壳体11、12组成的圆柱体起金属屏蔽的作用，并且按照要求能够 与重物连接，或者处于浮动状态。所述圆柱体11、12产生不同的功能，其中的主要功能是-保持电极13、14和样品始终对准；-使电极13、14可以相互接近，从而确保和保持与样品的电接触；-使样品和电极13、14与外部电磁噪声隔离；和-把样品保存在湿度受控的环境中。为了监控圆柱体11、12内的环境的条件，存在可通过在圆柱体11、12的下部的连 接器27，可从外部访问的温度传感器和相对湿度传感器。通过经应用于圆柱体的上部11的气体连接观，使圆柱体11、12的内部与具有规定 湿度的环境接触，控制测量环境的相对湿度。在一些测试中，申请人观察到一旦样品已被放入，并且关闭测量设备10，传感器测 得的相对湿度的水平会增大，直到达到稳定值为止。参考图6a_6c和7，图6a_6c和7表示当要确定液体样品的电性能时，能够放入按 照本发明的测量设备10中的液体样品保持器设备50。所述液体样品保持器设备50优选具有岩芯样品特有的外形尺寸，即，直径38毫 米，高度44毫米。所述设备50随后被放入测量原型10中，代替所述固体地质样品，并且除了用参比 液体校准之外，还允许以随后在其中实现各种测量的相同构造实现各种测试。侧面由用诸如尼龙之类的塑料材料制成的圆柱空心体51组成。一对触头52、53被布置在圆柱空心体51的两端的每一端。所述一对触头52、53 是用注入电流的第一外部有孔电极52，和第二同心电极53产生的，所述第一外部有孔电极 52和第二同心电极53由用绝缘材料，优选是Teflon 制成的环绝缘。第一和第二电极52、53优选分别具有38毫米和2毫米的尺寸。在空心体51内，第一金属电极52的直径优选为25. 4毫米。两对电极52、53之间 的距离优选为20. 3毫米。一系列螺丝允许进入空心体51的内部，从而使得能够充填和清空相关样品的液 体样品保持器设备50。两对触头52、53被用螺钉拧紧到圆柱空心体51上，并用橡胶0形环和/或 Teflon 胶带(未示出)确保密封封闭。按照本发明的地质样品的电性能的测量设备10的功能如下所述。就固体样品来说，固体样品的圆柱芯被放入金属体11、12内的两个第二容纳件23 之一中。另一方面，就液体样品来说，液体样品被输入液体样品保持器设备50，液体样品保 持器设备50随后被放入第二容纳件23中固体样品的芯的位置。随后关闭测量设备10，并且用液压对半壳体11、12的两个基座施加不断增大的压 力，例如2-4个大气压，直到在电极13、14和样品或液体样品保持器设备50之间形成良好 的电接触为止。
随后借助由圆柱体10电绝缘的四个连接器四(优选BNC型连接器)使外部阻抗 分析仪可获得信号。优选用受保护的同轴导线使连接器四与相应电极13、14连接。这样，与每个外部BNC导体四连接的每根导线的外部导体能够自由浮动，而不管 可被随意接地的圆柱体11、12的电势如何。通过对于支持样品并且与电极13、14接触的环形元件21使用诸如Teflon 之类 的绝缘材料，以及对于确保支持物20、21J6和电极13、14与金属圆柱体11、12的一致化的 其它绝缘材料，比如尼龙，来确保电极13、14之间以及对于重物的电绝缘。由绝缘材料(未示出)制成的在圆柱体11、12内滑动的另一个定心环可被用于朝 着测量电极13、14上的容纳件23导引更长样品的底部。根据上面的说明，本发明的设备的特征，本发明的目的，以及相关优点是显而易见 的。按照本发明的地质样品的电性能的测量设备使得能够对同一个样品进行采用双 电极和四电极的测量，而不必改变构造。于是能够快速地连续应用这两种测量技术。此外，电极的特殊形状使得当指令设备用双电极实现测量时，基体电阻的系统误 差和过高估计可忽略不计，另外当指令设备用四电极实现测量时，当在高频率下进行测量 时可提供精确的测量结果。最后，这样构想的设备显然能够做出各种修改和变化，所有这些修改和变化都包 括在本发明之中，此外，可用技术上等价的元件替换所有的细节。实际上，所使用的材料以 及尺寸可按照技术要求而改变。
权利要求
1.一种地质样品的电性能的测量设备(10)，包括空心体(11，12)，所述空心体(11，12) 包括第一上部半壳体(11)和第二下部半壳体(12)，上部和下部半壳体(11，12)同轴地一 个在另一个内滑动，在所述空心体(11，12)中，具有基本圆柱形样品的容纳座(23)，两对电 极(13，14)被设计成面对所述容纳座以用于把电流注入样品中和测量所述样品两端 的电压，所述测量设备(10)的特征在于，所述两对电极(13，14)是共面电极对，每个位于所 述容纳座03)的一端。
2.按照权利要求1所述的地质样品的电性能的测量设备(10)，其特征在于所述共面电 极对(13，14)的每对包括具有基本上扁平的形状并且具有通孔(17)的第一电流注入电极 (14)，和对应于所述通孔(17)设置的用于测量电压的第二电极(13)。
3.按照权利要求2所述的地质样品的电性能的测量设备(10)，其特征在于在所述第一 电流注入电极(14)的向内面对测量设备的表面(14a)上，焊接用贵金属制成的片(15)。
4.按照权利要求2或3所述的地质样品的电性能的测量设备(10)，其特征在于所述 第一圆形电流注入电极(14)由装在绝缘材料制成的支持元件00)内的多个第一弹性装置 (30)支持。
5.按照权利要求4所述的地质样品的电性能的测量设备(10)，其特征在于用绝缘材料 制成的环形元件Ol，21a)被紧固到所述支持元件00)上，所述环形元件Ql，21a)包括在 第一侧面的适合于安放所述第一电流注入电极(14)的第一容纳件(22)，在第二侧面的适 合于安放所述样品的第二容纳件(23，23a)，所述容纳座包括分别对应于所述两对共面电极 (13，14)之一的两个相对的第二容纳件Q3，23a)。
6.按照权利要求5所述的地质样品的电性能的测量设备(10)，其特征在于所述环形元 件(21a)包括适合于缩小所述第二容纳件(23a)的尺寸的缩径环04)。
7.按照权利要求2-6任意之一所述的地质样品的电性能的测量设备(10)，其特征在于 用于测量电压的所述第二电极(1 包括配备第二弹性装置的弹性触头(13)，所述第二弹 性装置作用于置于套管(31)中的插孔(32)的基部。
8.按照权利要求7所述的地质样品的电性能的测量设备(10)，其特征在于所述插孔的 自由端部0 包括由有延展性的导电材料制成的扩大部分。
9.按照权利要求7或8所述的地质样品的电性能的测量设备(10)，其特征在于所述弹 性触头(1 具有铣削面。
10.按照权利要求7-9任意之一所述的地质样品的电性能的测量设备(10)，其特征在 于所述弹性触头(1 被装配在由绝缘材料制成的支持体06)上，所述支持体06)被紧固 到所述第一电极(14)的所述支持元件00)。
11.按照权利要求10所述的地质样品的电性能的测量设备(10)，其特征在于由所述支 持元件00)、所述环形元件、所述支持体( )，和所述第一及第二电极(13，14)组成的 集合体被刚性地锚固到相关的下部或上部半壳体(11，12)。
12.按照前述任意权利要求所述的地质样品的电性能的测量设备(10)，其特征在于在 所述容纳座03)中，放置包括空心圆柱体(51)的液体样品保持器设备(50)，在所述空心圆 柱体(51)的每一端有一对触头(52，53)。
13.按照权利要求12所述的地质样品的电性能的测量设备(10)，其特征在于所述一对 触头(52，5；3)包括用于注入电流的第一外部有孔电极(52)，和与所述第一电极(52)同心并且借助绝缘材料制成的环与第一电极(5 绝缘的第二电极(53)。
14.按照前述任意权利要求所述的地质样品的电性能的测量设备(10)，其特征在于所 述空心体(11，12)包括用于外部连接传感器的连接器07)。
15.按照前述任意权利要求所述的地质样品的电性能的测量设备(10)，其特征在于它 包括适合于使所述空心体(11，12)的内部与预先形成的湿度环境接触，和/或与测量所述 空心体(11，12)内部的湿度的设备接触的气体连接08)。
全文摘要
本发明涉及优选源自气藏或油藏的液体或固体地质样品，比如岩石，和气藏或油藏的饱和流体的电性能的测量设备(10)，包括空心体(11，12)，所述空心体(11，12)由第一上部半壳体(11)和第二下部半壳体(12)组成，上部和下部半壳体(11、12)同轴地一个在另一个内滑动，在所述空心体(11，12)中，具有基本为圆柱形的样品的容纳座(23)，两对电极(13、14)被设计成面对所述容纳座(23)以用于把电流注入样品中和测量所述样品两端的电压，其特征在于所述各对电极(13、14)是共面电极对，各自位于所述容纳座(23)的一端。
文档编号G01N27/07GK102066913SQ200980123628
公开日2011年5月18日 申请日期2009年5月12日 优先权日2008年5月14日
发明者M·鲁克赫斯, N·G·博纳, S·卡帕科塞奥利 申请人:艾尼股份公司