一種實驗室巖樣群自然電位自動控制測量系統及測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種實驗室巖樣群自然電位自動控制測量系統及測量方法，包含4個部分：巖樣群裝置及自然電位采樣起始按鍵開關、測量放大和A/D采集電路、自動控制測量電路、液晶顯示操作界面和PC計算機人機界面。本發明可同時測量一批巖樣在兩端不同濃度溶液下所形成的擴散吸附電位—自然電位，也可記錄一批樣品在兩端溶液存在著壓力差時所形成壓滲電位的整個動態平衡過程并獲得最終壓滲電位。每塊樣品的測量都具備寬動態范圍和高精度。本發明既可保證測量的高精度又避免了多路放大采集再進行比較選優的繁瑣，也節約了單塊樣品的采集時間和數據存儲空間，在不降低測量精度的情況下，有望進一步降低產品成本和采樣效率，可同時測量的巖樣也更多。
【專利說明】一種實驗室巖樣群自然電位自動控制測量系統及測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于石油勘探勘測【技術領域】，涉及一種測量系統，具體是一種實驗室巖樣 群自然電位自動控制測量系統及測量方法。
【背景技術】
[0002] 當可滲透性的巖樣兩邊溶液濃度不相等時，便會產生擴散現象。在擴散的同時，由 于粘土顆粒的陰離子吸附性使溶液中的離子分布不均衡，由此形成擴散一一吸附電動勢， 此電動勢反過來又阻止迀移率大的離子作進一步的積累，即阻止電動勢繼續增大，從而達 到一種動態平衡狀態。這時在巖樣兩端測得的電位即為自然電位（俗稱薄膜電位），它與兩 端溶液的濃度差及巖樣的陽離子交換量有關。
[0003] 實驗室的巖樣自然電位記錄的是巖樣在兩端不同溶液濃度下所形成的擴散吸附 電位，也即自然電位（俗稱薄膜電位）。因為實驗室不同樣品的巖性不同，所需達到擴散吸 附平衡電位的時間也不同，有的疏松樣品可能只需幾分鐘，有的致密樣品可能需要一天時 間，這需要記錄整個動態平衡過程并最終獲得巖樣在兩端不同溶液濃度下所形成的自然電 位。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是為室內和野外巖樣群自然電位的測量提供一種寬動態范圍高精 度且一批樣品可以同時測量的實驗室巖樣群自然電位自動控制測量系統及測量方法，該系 統可同時記錄一批樣品的擴散或擴散一一吸附電動勢的整個動態平衡過程并最終獲得自 然電位，也可記錄一批樣品在兩端溶液存在著壓力差時所形成的壓滲電位的整個動態平衡 過程并最終獲得壓滲電位。
[0005] 為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：
[0006] 一種實驗室巖樣群自然電位自動控制測量系統，包括帶有第一測量電極和第二測 量電極的若干巖樣裝置、ADC、FPGA和DSP;第一測量電極和第二測量電極均采用不易極化 的可逆電極；每個巖樣裝置的測量電極分別連接有差分放大濾波電路，第一測量電極和第 二測量電極之間均設置有用于校零測量和控制自然電位采樣起始的按鍵開關；每個差分放 大濾波電路的輸出端均連接到ADC的輸入端上，ADC用于分時選擇接通每道差分放大濾波 后的信號，并進行A/D數字轉換后傳送給FPGA;FPGA的輸出端與DSP相連，將ADC采樣的信 息傳送給DSP;DSP將數據處理后傳送給PC計算機或測量儀面板上的液晶顯示屏；PC計算 機通過總線或USB接口與DSP相連。
[0007] 所述的巖樣裝置包括巖樣室、第一測量室、第二測量室、第一儲液罐和第二儲液 罐；第一測量室和第二測量室分別設置于巖樣室兩側，并通過巖樣室中的巖樣滲透相連； 第一測量室與第一儲液罐通過管道以及設置于管道上的第一循環泵形成第一循環系統；第 二測量室與第二儲液罐通過連接管道以及設置于管道上的第二循環泵形成第二循環系統。
[0008] 所述的第一測量室與第一儲液罐之間通過三條管道相連，其中一條管道上安裝第 一循環泵；第二測量室與第二儲液罐之間通過三條管道相連，其中一條管道上安裝第二循 環泵；管道與第一測量室和第二測量室相連的部分均安裝有用于控制溶液流速的旋塞閥。
[0009] 所述的第一儲液罐和第二儲液罐中裝有鹽溶液，且其中一個儲液罐中鹽溶液的濃 度與巖樣飽和濃度相同，另一個儲液罐中鹽溶液的濃度小于巖樣飽和濃度。
[0010] 所述的差分放大濾波電路包括四個級聯的運算放大器及相應的濾波電路；第一測 量電極和第二測量電極分別連接到第一運算放大器和第二運算放大器的正相輸入端；第一 測量電極和第二測量電極與地之間設置有第一濾波電路；第一運算放大器和第二運算放大 器的反相輸入端之間設置有開關；
[0011] 第一運算放大器的輸出端連接到第三運算放大器的反相輸入端上，第二運算放大 器的輸出端連接到第三運算放大器的正相輸入端上；第三運算放大器的輸出端通過第二濾 波電路連接到第四運算放大器的正相輸入端上，第四運算放大器的輸出端為信號輸出端與 ADC的輸入端相連。
[0012] 所述的第一濾波電路包括并聯第一電容和第一電阻以及并聯的第二電容和第二 電阻；第二濾波電路包括第三電容、第四電容以及依次串聯的第三電阻、第四電阻和第五電 阻；第三電容和第四電容的一端均接地，第三電容的另一端連接到第三電阻和第四電阻之 間，第四電容的另一端連接到第五電阻和第四運算放大器的正相輸入端之間。
[0013] 一種實驗室巖樣群自然電位自動控制測量方法，包括以下步驟：
[0014] 1)將測量過電極電位vdj的測量電極分別放置于各個巖樣裝置的測量室中，將已 飽和濃溶液的巖樣放置于巖樣室中，巖樣室加圍壓使得巖樣兩端的溶液不能直接連通；
[0015] 2)在巖樣兩端的儲液罐中，一邊加入與巖樣飽和濃度一致的濃溶液，一邊加入淡 溶液；
[0016] 3)將各巖樣的采樣起始按鍵開關均處于閉合狀態，使各Si、Pi輸入端短路；
[0017] 4)打開自動測量儀和計算機，打開巖樣自然電位自動控制測量軟件至測量等待狀 態，對不同樣品選擇不同的放大倍數；輸入每塊巖樣的巖性參數、環境因素參數；巖樣參數 包括井號、巖心長度以及巖心直徑；環境因素包括溫度、電極電位Vdj、測量人員以及測量 日期；
[0018] 5)選擇"人工監測"或"自動智能監測";若選擇"自動智能監測"，則要設置自動智 能控制參數，設置初始采樣點間隔時間I；、計算判斷的數據點數n、采樣間隔時間調整步長ZlT、調整采樣間隔時間的判定值Xd、測量結束的判定值ypy2;其中，計算判斷的數據 點數n為自動智能監測中所選取的計算點數；
[0019] 6)運行自動控制測量程序，開始采集數據，這時采集的數據即為測量系統的零偏 電位V〇i;
[0020] 7)依次先后啟動各巖樣兩端濃溶液和淡溶液的循環泵，當第i塊巖樣兩端的電極 室充滿溶液后，此時立即將其采樣起始按鍵開關斷開，其后采集的數據即為自然電位與電 極電位和零偏電位的總電位值vxi (t);
[0021] 8)若選擇"人工監測"，根據數據采集情況人工調整采樣間隔時間和結束采樣；當 采樣的自然電位值由小變大，逐漸達到動態平衡不再增大，之后可能再緩慢減小，這時結束 測量；
[0022] 若選擇"自動智能監測"，當滿足自動調整采樣時間間隔的判定條件時，程序自動 調整采樣時間間隔；當滿足測量結束的判定條件時，則控制測量程序將判定此時測量的自 然電位值已趨于穩定達到動態平衡狀態，測量系統自動結束測量；
[0023] 9)保存數據文件。
[0024] 所述自然電位值的計算方法具體為：
[0025] 測量系統第i塊巖樣的采集電位Vxi為：
【權利要求】
1. 一種實驗室巖樣群自然電位自動控制測量系統，其特征在于：包括帶有第一測量電 極（1)和第二測量電極（2)的若干巖樣裝置、ADC、FPGA和DSP;第一測量電極（1)和第二 測量電極（2)均采用不易極化的可逆電極；每個巖樣裝置的測量電極分別連接有差分放大 濾波電路，第一測量電極（1)和第二測量電極（2)之間均設置有用于校零測量和控制自然 電位采樣起始的按鍵開關（Kspi);每個差分放大濾波電路的輸出端均連接到ADC的輸入 端上，ADC用于分時選擇接通每道差分放大濾波后的信號，并進行A/D數字轉換后傳送給 FPGA;FPGA的輸出端與DSP相連，將ADC采樣的信息傳送給DSP;DSP將數據處理后傳送給 PC計算機或測量儀面板上的液晶顯示屏；PC計算機通過總線或USB接口與DSP相連。
2. 根據權利要求1所述的實驗室巖樣群自然電位自動控制測量系統，其特征在于：所 述的巖樣裝置包括巖樣室（3)、第一測量室（4)、第二測量室（5)、第一儲液罐（6)和第二儲 液罐（7);第一測量室⑷和第二測量室（5)分別設置于巖樣室⑶兩側，并通過巖樣室（3) 中的巖樣滲透相連；第一測量室（4)與第一儲液罐（6)通過管道以及設置于管道上的第一 循環泵（8)形成第一循環系統；第二測量室（5)與第二儲液罐（7)通過連接管道以及設置 于管道上的第二循環泵（9)形成第二循環系統。
3. 根據權利要求2所述的實驗室巖樣群自然電位自動控制測量系統，其特征在于：所 述的第一測量室（4)與第一儲液罐（6)之間通過三條管道相連，其中一條管道上安裝第一 循環泵⑶；第二測量室（5)與第二儲液罐（7)之間通過三條管道相連，其中一條管道上安 裝第二循環泵（9);管道與第一測量室（4)和第二測量室（5)相連的部分均安裝有用于控 制溶液流速的旋塞閥（10)。
4. 根據權利要求2或3所述的實驗室巖樣群自然電位自動控制測量系統，其特征在于： 所述的第一儲液罐（6)和第二儲液罐（7)中裝有鹽溶液，且其中一個儲液罐中鹽溶液的濃 度與巖樣飽和濃度相同，另一個儲液罐中鹽溶液的濃度小于巖樣飽和濃度。
5. 根據權利要求1或2或3所述的實驗室巖樣群自然電位自動控制測量系統，其特征 在于：所述的差分放大濾波電路包括四個級聯的運算放大器及相應的濾波電路；第一測量 電極（1)和第二測量電極（2)分別連接到第一運算放大器（Al)和第二運算放大器（A2)的 正相輸入端；第一測量電極（1)和第二測量電極（2)與地之間設置有第一濾波電路；第一 運算放大器（Al)和第二運算放大器（A2)的反相輸入端之間設置有開關（Ki); 第一運算放大器（Al)的輸出端連接到第三運算放大器（A3)的反相輸入端上，第二運 算放大器（A2)的輸出端連接到第三運算放大器（A3)的正相輸入端上；第三運算放大器 (A3)的輸出端通過第二濾波電路連接到第四運算放大器（A4)的正相輸入端上，第四運算 放大器（A4)的輸出端為信號輸出端與ADC的輸入端相連。
6. 根據權利要求5所述的實驗室巖樣群自然電位自動控制測量系統，其特征在于：所 述的第一濾波電路包括并聯第一電容（Cl)和第一電阻（R2)以及并聯的第二電容（C2)和 第二電阻（R3);第二濾波電路包括第三電容（C3)、第四電容（C5)以及依次串聯的第三電阻 (RlO)、第四電阻（Rll)和第五電阻（R12);第三電容（C3)和第四電容（C5)的一端均接地， 第三電容（C3)的另一端連接到第三電阻（RlO)和第四電阻（Rll)之間，第四電容（C5)的 另一端連接到第五電阻（RlO)和第四運算放大器（A4)的正相輸入端之間。
7. -種基于權利要求6所述測量系統的實驗室巖樣群自然電位自動控制測量方法，其 特征在于，包括以下步驟： 1) 將測量過電極電位Vtu的測量電極分別放置于各個巖樣裝置的測量室中，將已飽和 濃溶液的巖樣放置于巖樣室中，巖樣室加圍壓使得巖樣兩端的溶液不能直接連通； 2) 在巖樣兩端的儲液罐中，一邊加入與巖樣飽和濃度一致的濃溶液，一邊加入淡溶 液； 3) 將各巖樣的采樣起始按鍵開關均處于閉合狀態，使各Si、Pi輸入端短路； 4) 打開自動測量儀和計算機，打開巖樣自然電位自動控制測量軟件至測量等待狀態， 對不同樣品選擇不同的放大倍數；輸入每塊巖樣的巖性參數、環境因素參數；巖樣參數包 括井號、巖心長度以及巖心直徑；環境因素包括溫度、電極電位Vdj、測量人員以及測量日 期； 5) 選擇"人工監測"或"自動智能監測";若選擇"自動智能監測"，則要設置自動智能控 制參數，設置初始采樣點間隔時間Ttl、計算判斷的數據點數n、采樣間隔時間調整步長ZT、 調整采樣間隔時間的判定值χ〇、測量結束的判定值yQ、丫:或y2;其中，計算判斷的數據點數 η為自動智能監測中所選取的計算點數； 6) 運行自動控制測量程序，開始采集數據，這時采集的數據即為測量系統的零偏電位 V0i; 7) 依次先后啟動各巖樣兩端濃溶液和淡溶液的循環泵，當第i塊巖樣兩端的電極室充 滿溶液后，此時立即將其采樣起始按鍵開關斷開，其后采集的數據即為自然電位與電極電 位和零偏電位的總電位值Vxi (t); 8) 若選擇"人工監測"，根據數據采集情況人工調整采樣間隔時間和結束采樣；當采 樣的自然電位值由小變大，逐漸達到動態平衡不再增大，之后可能再緩慢減小，這時結束測 量； 若選擇"自動智能監測"，當滿足自動調整采樣時間間隔的判定條件時，程序自動調整 采樣時間間隔；當滿足測量結束的判定條件時，則控制測量程序將判定此時測量的自然電 位值已趨于穩定達到動態平衡狀態，測量系統自動結束測量； 9) 保存數據文件。
8.根據權利要求7所述的實驗室巖樣群自然電位自動控制測量方法，其特征在于：所 述自然電位值的計算方法具體為： 測量系統第i塊巖樣的采集電位Vxi為： Vxi (t) = (Vspi (t)+Vdi) XAij+Voi，i = 1，2,…n (I) Vspi(t)為自然電位平衡過程中的動態值，Vdi為該巖樣測量電極對的電極電位，Aij為寬動態范圍高精度測量放大電路第j道的放大倍數，Voi為按鍵開關閉合時測量系統采 集到的零偏值； 數據處理中，當IVxi(t)-VoiI3 0.Imv時該點即為自然電位有效測量點的起始值； 第i塊巖樣的自然電位整個動態平衡過程為：
當測量滿足結束判定條件時，自動智能監測數據采集便自動停止，自然電位測量自動 結束； Vspti = max{ | Vspi⑴| } (3) Vspti值所對應的采集時間點為ti，第i塊巖樣的自然電位值Vspi為： Vspi=Vspi(ti) (4) 〇
9. 根據權利要求7所述的實驗室巖樣群自然電位自動控制測量方法，其特征在于：所 述的自動調整采樣時間間隔的判定條件為： 巖樣的自然電位信號有效采樣后，每間隔1分鐘取10個連續采樣點的數據平均值進行 對比，看是否滿足調整采樣間隔時間的判定條件，如滿足條件，則自動調整采樣時間間隔， 具體根據下式
其中，Xi為第i點的采樣值，X#第j點的采樣值，Uxl為1分鐘前η個連續采樣點的 平均值，單位為mV;Ux2為當前η個連續采樣點的平均值，單位為mV;故實時調整自動采樣間 隔時間的判定條件為： Iux2-UxlI^x0 (7)。
10. 根據權利要求7所述的實驗室巖樣群自然電位自動控制測量方法，其特征在于：所 述測量結束的判定條件為： 采樣后，每間隔30分鐘取η個采樣點的數據進行對比，看是否滿足測量結束的判定條 件，如滿足測量結束的判定條件，則自動結束測量； 測量結束的判定條件為：
其中，Uzl為30分鐘前η個連續采樣點的平均值，單位為mV;Uζ2為當前η個連續采樣點 的平均值，單位為mV。
【文檔編號】G01N27/00GK104458811SQ201410650648
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月14日 優先權日:2014年11月14日
【發明者】曾花秀, 郭用梅, 何三宇, 于華, 郭慶明, 章海寧, 彭慧琴, 陽曉紅, 方榮貴, 李艷婷 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油集團測井有限公司