專利名稱：：巖心夾持器、采用該巖心夾持器的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及地球物理科學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種巖心夾持器、采用該巖心夾持器的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
：動(dòng)電現(xiàn)象產(chǎn)生于孔隙介質(zhì)中固相和電解液邊界層之間存在雙電層條件下，孔道內(nèi)流動(dòng)的液流和電流之間的耦合作用，在化學(xué)、生物學(xué)、地球物理學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。Pride根據(jù)液體和固體各自服從基本物理原理，提出了孔隙介質(zhì)中彈性_電磁耦合效應(yīng)理論，用于描述孔隙介質(zhì)中的動(dòng)電現(xiàn)象，并建立了宏觀場(chǎng)量和微觀參數(shù)之間的關(guān)系，巖心zeta電勢(shì)〔5)是其中的關(guān)鍵參數(shù)，它是流體相對(duì)于固體流動(dòng)時(shí)，離固相表面最近的可流動(dòng)平面(剪切面)上的電勢(shì)，巖心zeta電勢(shì)對(duì)于分析孔隙介質(zhì)內(nèi)部微觀特性，研究孔隙介質(zhì)中的動(dòng)電現(xiàn)象及其在地球物理科學(xué)、生物化學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。但由于巖心內(nèi)部孔道非常窄，因此無法直接測(cè)量巖心孔道內(nèi)的zeta電勢(shì)，必需通過動(dòng)電實(shí)驗(yàn)中的宏觀場(chǎng)量計(jì)算得出，早期主要通過直流(DC)方式進(jìn)行測(cè)量，但直流(DC)測(cè)試方法受很多因素的限制，如噪聲、直流漂移、電極的穩(wěn)定性及其極化作用等，特別地，動(dòng)電信號(hào)一般都是很微弱的，對(duì)于巖心樣品而言，信號(hào)為微伏級(jí)是很普遍的，因而小信號(hào)測(cè)量過程中的低信噪比問題(使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確)更限制了直流(DC)測(cè)試方法的廣泛應(yīng)用，同時(shí)直流(DC)測(cè)試方法所使用的裝置不能獲得巖心樣品在不同頻率下的zeta電勢(shì)，無法分析巖心樣品zeta電勢(shì)的頻率響應(yīng)特性。
發(fā)明內(nèi)容為了解決目前在zeta電勢(shì)測(cè)量過程中僅通過直流測(cè)試方法以及采用直流測(cè)試方法測(cè)試頻率單一的問題，本發(fā)明提供了一種巖心夾持器、采用該巖心夾持器的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法。本發(fā)明的巖心夾持器，它由兩個(gè)電極、圍壓裝置、兩根形狀相同的管、水槽、振動(dòng)輸入水槽和振動(dòng)膜組成，所述圍壓裝置為圓筒狀結(jié)構(gòu)，該圍壓裝置的側(cè)壁為兩層結(jié)構(gòu)，兩層結(jié)構(gòu)之間的間隙為氣囊，該圍壓裝置的中間有一個(gè)進(jìn)氣孔，兩根管的一端分別從圍壓裝置的兩端插入，所述兩根管和圍壓裝置同軸，兩根管位于圍壓裝置內(nèi)的一端的端面上有凹槽，所述凹槽內(nèi)嵌入并固定有一個(gè)電極，每個(gè)電極的末端引出至管的外側(cè)，兩個(gè)電極、圍壓裝置和兩根管之間的空間為樣品池；兩根管中的一根管的另一端與水槽連通，在所述管的側(cè)壁上開有一個(gè)與外部連通的差壓接口，所述差壓接口位于水槽和圍壓裝置之間；另一根管的另一端與振動(dòng)輸入水槽連通，在所述振動(dòng)輸入水槽的側(cè)壁上開有振動(dòng)膜固定通孔，所述振動(dòng)膜固定通孔的中心軸線與所述另一根管的中心線重合，所述振動(dòng)模覆蓋該振動(dòng)膜固定通孔并固定在振動(dòng)輸入水槽的側(cè)壁上，在所述另一根管的側(cè)壁上，開有一個(gè)與外部連通的差壓接口，所述差壓接口位于振動(dòng)輸入水槽和圍壓裝置之間；在水槽上有第一進(jìn)水口，在振動(dòng)輸入水槽上有第二進(jìn)水口；所述圍壓裝置包括密封橡膠內(nèi)管、硬質(zhì)外管、兩個(gè)端部固定套管和兩個(gè)密封擋圈，所述硬質(zhì)外管套在密封橡膠內(nèi)管的外側(cè)，兩個(gè)端部固定套管分別套在兩個(gè)硬質(zhì)外管的兩端，兩個(gè)密封擋圈分別位于密封橡膠內(nèi)管的兩端和兩個(gè)端部密封套管之間，所述密封橡膠內(nèi)管、兩個(gè)密封擋圈和硬質(zhì)外管之間所形成的密閉空間為氣囊，進(jìn)氣口位于硬質(zhì)外管上，使氣囊內(nèi)部與外部連通。本發(fā)明的采用上述巖心夾持器的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)，它包括信號(hào)源、功率放大器、激振器、巖心夾持器、壓力傳感器、第一鎖相放大器和第二鎖相放大器，激振器的激振桿的中心線與振動(dòng)輸入水槽的側(cè)壁上的振動(dòng)膜固定通孔的中心軸線重合，并且所述激振器的激振桿的末端與振動(dòng)模相接觸，用于驅(qū)動(dòng)所述振動(dòng)膜振動(dòng)；壓力傳感器用于測(cè)量水槽的差壓接口與振動(dòng)輸入水槽的差壓接口之間的壓力差；信號(hào)源的第一信號(hào)輸出端連接功率放大器的信號(hào)輸入端，所述功率放大器的信號(hào)輸出端連接激振器的信號(hào)輸入端，兩個(gè)電極分別與第一鎖相放大器的兩個(gè)測(cè)量信號(hào)輸入端連接，所述第一鎖相放大器的參考信號(hào)輸入端與信號(hào)源的另一個(gè)信號(hào)輸出端連接，所述信號(hào)源的另一個(gè)信號(hào)輸出端與第二鎖相放大器的參考信號(hào)輸入端連接，所述第二鎖相環(huán)放大器的測(cè)量信號(hào)輸入端連接壓力傳感器的信號(hào)輸出端。本發(fā)明的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量方法是基于上述巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，它的具體過程為步驟一將待測(cè)巖心樣品置于樣品池，使所述圓柱形的巖心樣品的兩個(gè)端面分別與兩個(gè)電極緊密連接，并確保橡膠內(nèi)管與樣品池內(nèi)待測(cè)巖心樣品的外側(cè)壁以及兩根管的末端的外側(cè)壁緊密接觸，然后通過進(jìn)氣口向氣囊中沖入高壓氣體，并維持所述氣囊中的氣壓穩(wěn)定，使巖心樣品穩(wěn)固，并且兩根管腔之間相互密閉，再從第一進(jìn)水口和第二進(jìn)水口向巖心夾持器的水槽和振動(dòng)輸入水槽注滿鹽水；步驟二利用巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)獲得巖心樣品兩端電位差I(lǐng)和壓強(qiáng)差A(yù)P,具體過程為信號(hào)源一方面輸出低頻信號(hào)至功率放大器，另一方面同時(shí)輸出同頻同相信號(hào)作為參考信號(hào)輸出至第一鎖相放大器和第二鎖相放大器，功率放大器將輸入的低頻信號(hào)放大后輸出至激振器，控制激振器的激振桿作周期往復(fù)振動(dòng)并推動(dòng)振動(dòng)膜同步振動(dòng)，所述振動(dòng)膜的振動(dòng)帶動(dòng)管中的鹽水產(chǎn)生振動(dòng)，此時(shí)，用壓力傳感器采集水槽的差壓接口與振動(dòng)輸入水槽的差壓接口之間的壓強(qiáng)差信號(hào)，并將采集到的壓強(qiáng)差信號(hào)發(fā)送至第二鎖相放大器進(jìn)行檢測(cè)，以獲得壓強(qiáng)差A(yù),同時(shí)采用第一鎖相放大器通過巖心夾持器的兩個(gè)電極采集樣品池內(nèi)巖心樣品兩端電位差信號(hào)，并將采集到的電位差信號(hào)送入第一鎖相放大器進(jìn)行檢測(cè)，以獲得電位差；步驟三根據(jù)獲得巖心樣品內(nèi)溶液粘度q、電導(dǎo)率以及步驟二獲得的壓強(qiáng)差值Δρ和電位差值計(jì)算巖心zeta電勢(shì)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>,其中，為介電常數(shù)。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明提供了一種巖心夾持器以及采用交流方式對(duì)巖心zeta電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法；本發(fā)明的巖心夾持器方便巖心樣品的安裝和拆卸，可以對(duì)不同巖心樣品進(jìn)行巖心zeta電勢(shì)測(cè)量；本發(fā)明的巖心夾持器內(nèi)電極不易發(fā)生電極極化，采用本發(fā)明的巖心夾持器的巖心電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法有效降低了測(cè)量誤差。圖1為本發(fā)明的巖心夾持器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的A-A剖視圖；圖3為圖2的B-B剖視圖；圖4為本發(fā)明的電極4-1結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的管4-3的帶有槽的一端的端面結(jié)構(gòu)示意圖，圖6為本發(fā)明的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量方法的流程圖；圖8為具體實(shí)施方式六中的不同巖心樣品的巖心zeta電勢(shì)隨pH變化結(jié)果示意圖。具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式一根據(jù)說明書附圖1、2、3和5具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的巖心夾持器由兩個(gè)電極4-1、圍壓裝置4-2、兩根形狀相同的管4-3、水槽4-4、振動(dòng)輸入水槽4-5和振動(dòng)膜4-6組成，所述圍壓裝置4-2為圓筒狀結(jié)構(gòu)，該圍壓裝置4-2的側(cè)壁為兩層結(jié)構(gòu)，兩層結(jié)構(gòu)之間的間隙為氣囊4-22，該圍壓裝置4-2的中間有一個(gè)進(jìn)氣孔4-231，兩根管4-3的一端分別從圍壓裝置4-2的兩端插入，所述兩根管4-3和圍壓裝置4-2同軸，兩根管4-3位于圍壓裝置4-2內(nèi)的一端的端面上有凹槽4-32，所述凹槽4-32內(nèi)嵌入并固定有一個(gè)電極4-1，每個(gè)電極4-1的末端引出至管4-3的外側(cè)，兩個(gè)電極4-1、圍壓裝置4-2和兩根管4-3之間的空間為樣品池4-7；兩根管中的一根管4-3的另一端與水槽4-4連通，在所述管4-3的側(cè)壁上開有一個(gè)與外部連通的差壓接口4-31，所述差壓接口4-31位于水槽4-4和圍壓裝置4_2之間；另一根管4-3的另一端與振動(dòng)輸入水槽4-5連通，在所述振動(dòng)輸入水槽4-5的側(cè)壁上開有振動(dòng)膜固定通孔，所述振動(dòng)膜固定通孔的中心軸線與所述另一根管4-3的中心線重合，所述振動(dòng)模4-6覆蓋該振動(dòng)膜固定通孔并固定在振動(dòng)輸入水槽4-5的側(cè)壁上，在所述另一根管4-3的側(cè)壁上，開有一個(gè)與外部連通的差壓接口4-31，所述差壓接口4-31位于振動(dòng)輸入水槽4-5和圍壓裝置4-2之間；在水槽4-4上有第一進(jìn)水口4-41，在振動(dòng)輸入水槽4-5上有第二進(jìn)水口4-51；所述圍壓裝置4-2包括密封橡膠內(nèi)管4-21、硬質(zhì)外管4-23、兩個(gè)端部固定套管4_24和兩個(gè)密封擋圈4-25，所述硬質(zhì)外管4-23套在密封橡膠內(nèi)管4-21的外側(cè)，兩個(gè)端部固定套管4-24分別套在兩個(gè)硬質(zhì)外管4-23的兩端，兩個(gè)密封擋圈4-25分別位于密封橡膠內(nèi)管4_21的兩端和兩個(gè)端部密封套管4-24之間，所述密封橡膠內(nèi)管4-21、兩個(gè)密封擋圈4-25和硬質(zhì)外管4-23之間所形成的密閉空間為氣囊4-22，進(jìn)氣口4-231位于硬質(zhì)外管4_23上，使氣囊4-22內(nèi)部與外部連通。本實(shí)施方式中，硬質(zhì)外管4-23的材料為不銹鋼。具體實(shí)施方式二根據(jù)說明書附圖4具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一所述的巖心夾持器的區(qū)別在于，所述電極4-1為AgZAgCl電極，所述AgZAgCl電極是由銀絲繞制成的平面的螺旋環(huán)狀，所述銀絲的直徑為1.2mm,所述銀絲的純度為99.9%。本實(shí)施方式中Ag/AgCl電極是在lm0WHC1溶液中電鍍而成，具體為步驟A將一根銀絲繞制成的平面的螺旋環(huán)狀，所述銀絲的直徑為1.2mm,所述銀絲的純度為,然后對(duì)所述銀絲進(jìn)行清洗，除去所述銀絲表面雜質(zhì)、油污和硫化物；步驟B將清洗后的銀絲連接恒流電流源的正極輸出端，以鉬電極作為輔助電極與恒流電流源的負(fù)極輸出端相連；步驟C:以lmd/1HC1溶液作為鍍液，將清洗后的銀絲和鉬電極浸在所述渡液中，開啟恒流電流源使得鍍液中的電流密度為3-5mA/cm2，不斷攪拌渡液，以使AgGI均勻鍍于銀絲上，持續(xù)半小時(shí)，銀絲的表面變成紫褐色，關(guān)閉恒流電流源,獲得Ag/AgCl電極；步驟D利用電化學(xué)分析儀CHK60A在O.lmcMKC1溶液中測(cè)量Ag/AgCl電極相對(duì)于飽和甘汞電極SCE的電位差，當(dāng)所述電位差大于或等于35mV時(shí)，執(zhí)行步驟F，否則執(zhí)行步驟E;步驟E舍去已獲得的Ag/AgCl電極，返回步驟A，重新制作；步驟F獲得一個(gè)Ag/AgCl電極。本實(shí)施方式中，在步驟A中，除去表面雜質(zhì)、油污及硫化物等地方法可以采用下述方法先用細(xì)砂紙打磨銀絲剔除表面氧化物，然后再用去污粉等清洗銀絲表面去除油污及硫化物等。在上述的電極制作方法中，步驟D中，在利用電化學(xué)分析儀CHI660A在O.lmd/1EC1溶液中測(cè)量Ag/AgCl電極相對(duì)于飽和甘汞電極SCE的電位差之前，可以先從外觀上觀察銀絲表面致密的Aga膜層是否均勻，是否存在明顯凸起和凹陷點(diǎn)，當(dāng)Aga膜層均勻，且無明顯凸起和凹陷點(diǎn)時(shí)，再利用電化學(xué)分析儀進(jìn)行檢測(cè)。在實(shí)際操作中，采用上述電極的制作方法制備多個(gè)Ag/Aga電極，將所制備的所有Ag/AgCl電極連在一起放入O.lmcMKC1溶液中浸泡1-2天，然后測(cè)量任意兩根電極之間的電位差，選取所述電位差小于或等于O.lmV的兩根電極作為本實(shí)施方式中的兩根電極4-1。本實(shí)施方式中，電極4-1為平面螺旋狀，既不影響電流、液流的流通性，又增大了電極接觸面積從而避免因電流密度過大引起的電極化影響。具體實(shí)施方式三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二所述的巖心夾持器的區(qū)別在于，每根管4-3為有機(jī)玻璃管。本實(shí)施方式中，水槽4-4和振動(dòng)輸入水槽4-5容積約為〗7ml，與兩根管4_3用膠結(jié)，有機(jī)玻璃管4-3避免了裝置材料可壓縮性引起的誤差。具體實(shí)施方式四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一、二或三所述的夾持器的區(qū)別在于，所述水槽4-4和振動(dòng)輸入水槽4-5均為有機(jī)玻璃水槽，且為圓柱體。具體實(shí)施方式五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一、二、三或四所述的夾持器的區(qū)別在于，所述水槽4-4上有第一出水口4-42，振動(dòng)輸入水槽4-5上有第二出水口。本實(shí)施方式在兩個(gè)水槽上分別增加了出水口，在測(cè)試過程中注水后的測(cè)試的過程中，除了4-4上的進(jìn)水口4-41與大氣相通，其他進(jìn)水口和出水口同時(shí)密封，在測(cè)試完成后，打開進(jìn)水口和出水口，方便排水。具體實(shí)施方式六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五任一實(shí)施方式所述的夾持器的區(qū)別在于，一根管4-3的一端與水槽4-4膠結(jié)，所述管4-3另一端與圍壓裝置4-2采用螺紋連接；另一根管4-3的一端與振動(dòng)輸入水槽4-5膠結(jié)，所述管4-3的另一端與圍壓裝置4-2采用螺紋連接。具體實(shí)施方式七根據(jù)說明書附圖6具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是采用具體實(shí)施方式一所述的巖心夾持器的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)，它包括信號(hào)源1、功率放大器2、激振器3、巖心夾持器4、壓力傳感器5、第一鎖相放大器6和第二鎖相放大器7，激振器3的激振桿的中心線與振動(dòng)輸入水槽4-5的側(cè)壁上的振動(dòng)膜固定通孔的中心軸線重合，并且所述激振器3的激振桿的末端與振動(dòng)模4-6相接觸，用于驅(qū)動(dòng)所述振動(dòng)膜4-6振動(dòng)；壓力傳感器5用于測(cè)量水槽4-4的差壓接口4-31與振動(dòng)輸入水槽4-5的差壓接口4_31之間的壓力差；信號(hào)源1的第一信號(hào)輸出端連接功率放大器2的信號(hào)輸入端，所述功率放大器2的信號(hào)輸出端連接激振器3的信號(hào)輸入端，兩個(gè)電極4-1分別與第一鎖相放大器6的兩個(gè)測(cè)量信號(hào)輸入端連接，所述第一鎖相放大器6的參考信號(hào)輸入端與信號(hào)源1的另一個(gè)信號(hào)輸出端連接，所述信號(hào)源1的另一個(gè)信號(hào)輸出端與第二鎖相放大器7的參考信號(hào)輸入端連接，所述第二鎖相環(huán)放大器7的測(cè)量信號(hào)輸入端連接壓力傳感器5的信號(hào)輸出端。本實(shí)施方式中，第一鎖相放大器6和第二鎖相放大器7的型號(hào)均為SR830，所述第一鎖相放大器6和第二鎖相放大器7作為微弱信號(hào)檢測(cè)儀能夠檢測(cè)出埋藏于噪聲中的微弱信號(hào)，是動(dòng)電測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵儀器，它通過對(duì)被測(cè)信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)以及低通濾波等處理，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)微弱信號(hào)的功能。本實(shí)施方式中，將同一個(gè)信號(hào)源1發(fā)出的兩個(gè)相同信號(hào)分別供給了激振器3、第一鎖相放大器6和第二鎖相放大器7，使得巖心夾持器4中產(chǎn)生的動(dòng)電信號(hào)與參考信號(hào)具有相同的頻率，滿足了第一鎖相放大器6和第二鎖相放大器7在正常工作時(shí)對(duì)被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)具有相同頻率的需求。本實(shí)施方式中，壓力傳感器5的型號(hào)為26PC(10VDC，lpsi)。具體實(shí)施方式八根據(jù)說明書附圖7具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是基于具體實(shí)施方式七所述的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)的，本實(shí)施方式所述的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量方法，它的具體過程為步驟一將待測(cè)巖心樣品置于樣品池4-7，使所述圓柱形的巖心樣品的兩個(gè)端面分別與兩個(gè)電極4-1緊密連接，并確保橡膠內(nèi)管4-21與樣品池4-7內(nèi)待測(cè)巖心樣品的外側(cè)壁以及兩根管的末端的外側(cè)壁緊密接觸，然后通過進(jìn)氣口4-231向氣囊4-22中沖入高壓氣體，并維持所述氣囊4-22中的氣壓穩(wěn)定，使巖心樣品穩(wěn)固，并且兩根管腔之間相互密閉，使液流、電流僅從巖心樣品內(nèi)部通過，再從第一進(jìn)水口4-41和第二進(jìn)水口4-51向巖心夾持器4的水槽4-4和振動(dòng)輸入水槽4-5注滿鹽水；步驟二利用巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)獲得巖心樣品兩端電位差和壓強(qiáng)差Δρ,具體過程為信號(hào)源1一方面輸出低頻信號(hào)至功率放大器2，另一方面同時(shí)輸出同頻同相信號(hào)作為參考信號(hào)輸出至第一鎖相放大器6和第二鎖相放大器7，功率放大器2將輸入的低頻信號(hào)放大后輸出至激振器3，控制激振器3的激振桿作周期往復(fù)振動(dòng)并推動(dòng)振動(dòng)膜4-6同步振動(dòng)，所述振動(dòng)膜4-6的振動(dòng)帶動(dòng)管4-3中的鹽水產(chǎn)生振動(dòng)，此時(shí)，用壓力傳感器5采集水槽4-4的差壓接口4-31與振動(dòng)輸入水槽4-5的差壓接口4-31之間的壓強(qiáng)差信號(hào)，并將采集到的壓強(qiáng)差信號(hào)發(fā)送至第二鎖相放大器7進(jìn)行檢測(cè)，以獲得壓強(qiáng)差值~,同時(shí)采用第一鎖相放大器6通過巖心夾持器4的兩個(gè)電極4-1采集樣品池4-7內(nèi)巖心樣品兩端電位差信號(hào)，并將采集到的電位差信號(hào)送入第一鎖相放大器6進(jìn)行檢測(cè)，以獲得電位差值「義_；步驟三根據(jù)巖心樣品內(nèi)溶液粘度^、電導(dǎo)率％以及步驟二獲得的壓強(qiáng)差值A(chǔ)p和電位差計(jì)算巖心她電勢(shì)其中，為介電常數(shù)。U麵sAp本實(shí)施方式中，在步驟一中，從第一進(jìn)水口4-41和第二進(jìn)水口4-51向巖心夾持器4的水槽4-4和振動(dòng)輸入水槽4-5注滿鹽水的鹽水濃度為0.lmol/1。本測(cè)量系統(tǒng)在使用過程中，將待測(cè)巖心樣品放置在樣品池4-7中，電極4-1與樣品池4-7中待測(cè)巖心樣品端面的間隙越小越好，理想狀態(tài)下應(yīng)當(dāng)沒有間隙，本實(shí)施方式中兩者的間距小于1mm。本實(shí)施方式中，圍壓裝置4-2保證了液流、電流只從巖心內(nèi)部而不從巖心外側(cè)柱面流過，避免了測(cè)量數(shù)據(jù)存在較大誤差。本測(cè)量系統(tǒng)在使用過程中，在不加壓時(shí)密封橡膠內(nèi)管4-21與樣品池4-7中待測(cè)巖心樣品緊密接觸，兩者之間不存在擠壓作用；當(dāng)將高壓氣體從圍壓裝置4-2的進(jìn)氣口4-231注入氣囊4-22時(shí)，保持氣囊4_22內(nèi)氣壓穩(wěn)定，使圍壓裝置4-2緊緊“握住”待測(cè)巖心樣品，從而迫使液流、電流只能從待測(cè)巖心樣品內(nèi)部通過，此外，圍壓裝置4-2還起到嚴(yán)格的密封作用，確保兩根管4-3與圍壓裝置4-2連接處不會(huì)漏水、漏氣。本實(shí)施方式中的巖心zeta電勢(shì)5"=,是基于下述理論獲得的<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>當(dāng)孔道(巖心)兩端存在壓差時(shí)，孔道內(nèi)流體在壓差作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，由于雙電層效應(yīng)的影響，擴(kuò)散層中凈剩正電荷會(huì)伴隨溶液一起向壓強(qiáng)低的一端運(yùn)移，并在這一端累積，正電荷的定向運(yùn)移會(huì)在溶液中形成對(duì)流電流(亦稱為流動(dòng)電流)，并使孔道兩端產(chǎn)生電位差，稱之為流動(dòng)電勢(shì)，流動(dòng)電流可表示為其中，R為孔道半徑，P{r)為擴(kuò)散層中電荷分布，由靜電場(chǎng)Poisson方程給出，v(r)為電荷的運(yùn)動(dòng)速度，可由N-S方程得出，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(2)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>其中，r，7分別為零階和一階貝塞爾函數(shù)，1/K一為雙電層厚度，為剪切面電勢(shì)，即zeta電勢(shì)。為介電常數(shù)，％為孔道兩端的壓力梯度”為溶液粘度，將(2)式和(3)式代入(1)式，采用分部積分得孔道中流動(dòng)電流為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>假定雙電層的厚度遠(yuǎn)小于孔道半徑時(shí)，'i!'J—‘)j可以被忽略，并考慮到kRIqIJTit！Vp=^,φ為孔道兩端壓力差，，為孔道長(zhǎng)度，在忽略孔道附加電導(dǎo)的情況下，電流流過孔道時(shí)形成的電壓差表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>Ow為孔道內(nèi)溶液的電導(dǎo)率，則剪切面上的f電勢(shì)可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(6)本實(shí)施方式中^7,可通過常規(guī)方法獲得，巖心兩端電位差1/_和壓強(qiáng)差Δρ則需要通過動(dòng)電方法得到。本實(shí)施方式中，功率放大器2的工作電壓為3V，獲得的電位差CZsfrgaw為幾十#，壓強(qiáng)差^p為幾Jtia,如表1所示，表1巖心zeta電勢(shì)測(cè)量數(shù)據(jù)表<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表24塊不同巖心樣品在不同PH值下的電勢(shì)f數(shù)據(jù)表<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表2為4塊巖心樣品的巖心zeta電勢(shì)f隨溶液pH變化的數(shù)據(jù)，根據(jù)表2繪制4塊巖心樣品的巖心zeta電勢(shì)f隨溶液pH變化曲線I、II、III和IV，如圖8所示。利用本實(shí)施方式可以分析巖心zeta電勢(shì)的頻率響應(yīng)特性，并可分析溶液ph值對(duì)巖心zeta電勢(shì)的影響。具體實(shí)施方式九本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式七或八的進(jìn)一步說明，具體實(shí)施方式七或八中步驟一中，通過進(jìn)氣口4-231向氣囊4-22中沖入高壓氣體，使所述氣囊4-22內(nèi)的氣壓維持在1.2MPa。權(quán)利要求巖心夾持器，其特征在于所述巖心夾持器由兩個(gè)電極(4-1)、圍壓裝置(4-2)、兩根形狀相同的管(4-3)、水槽(4-4)、振動(dòng)輸入水槽(4-5)和振動(dòng)膜(4-6)組成，所述圍壓裝置(4-2)為圓筒狀結(jié)構(gòu)，該圍壓裝置(4-2)的側(cè)壁為兩層結(jié)構(gòu)，兩層結(jié)構(gòu)之間的間隙為氣囊(4-22)，該圍壓裝置(4-2)的中間有一個(gè)進(jìn)氣孔(4-231)，兩根管(4-3)的一端分別從圍壓裝置(4-2)的兩端插入，所述兩根管(4-3)和圍壓裝置(4-2)同軸，兩根管(4-3)位于圍壓裝置(4-2)內(nèi)的一端的端面上有凹槽(4-32)，所述凹槽(4-32)內(nèi)嵌入并固定有一個(gè)電極(4-1)，每個(gè)電極(4-1)的末端引出至管(4-3)的外側(cè)，兩個(gè)電極(4-1)、圍壓裝置(4-2)和兩根管(4-3)之間的空間為樣品池(4-7)；兩根管中的一根管(4-3)的另一端與水槽(4-4)連通，在所述管(4-3)的側(cè)壁上開有一個(gè)與外部連通的差壓接口(4-31)，所述差壓接口(4-31)位于水槽(4-4)和圍壓裝置(4-2)之間；另一根管(4-3)的另一端與振動(dòng)輸入水槽(4-5)連通，在所述振動(dòng)輸入水槽(4-5)的側(cè)壁上開有振動(dòng)膜固定通孔，所述振動(dòng)膜固定通孔的中心軸線與所述另一根管(4-3)的中心線重合，所述振動(dòng)模(4-6)覆蓋該振動(dòng)膜固定通孔并固定在振動(dòng)輸入水槽(4-5)的側(cè)壁上，在所述另一根管(4-3)的側(cè)壁上，開有一個(gè)與外部連通的差壓接口(4-31)，所述差壓接口(4-31)位于振動(dòng)輸入水槽(4-5)和圍壓裝置(4-2)之間；在水槽(4-4)上有第一進(jìn)水口(4-41)，在振動(dòng)輸入水槽(4-5)上有第二進(jìn)水口(4-51)；所述圍壓裝置(4-2)包括密封橡膠內(nèi)管(4-21)、硬質(zhì)外管(4-23)、兩個(gè)端部固定套管(4-24)和兩個(gè)密封擋圈(4-25)，所述硬質(zhì)外管(4-23)套在密封橡膠內(nèi)管(4-21)的外側(cè)，兩個(gè)端部固定套管(4-24)分別套在兩個(gè)硬質(zhì)外管(4-23)的兩端，兩個(gè)密封擋圈(4-25)分別位于密封橡膠內(nèi)管(4-21)的兩端和兩個(gè)端部密封套管(4-24)之間，所述密封橡膠內(nèi)管(4-21)、兩個(gè)密封擋圈(4-25)和硬質(zhì)外管(4-23)之間所形成的密閉空間為氣囊(4-22)，進(jìn)氣口(4-231)位于硬質(zhì)外管(4-23)上，使氣囊(4-22)內(nèi)部與外部連通。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖心夾持器，其特征在于電極(4-1)為Ag/AgCl電極，所述Ag/AgCl電極是由銀絲繞制成的平面的螺旋環(huán)狀，所述銀絲的直徑為1.2mrn,所述銀絲的純度為99.9%。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的巖心夾持器，其特征在于每根管(4-3)為有機(jī)玻璃管。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的巖心夾持器，其特征在于水槽(4-4)和振動(dòng)輸入水槽(4-5)均為有機(jī)玻璃水槽，且為圓柱體。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的巖心夾持器，其特征在于水槽(4-4)上有第一出水口(4-42)，振動(dòng)輸入水槽(4-5)上有第二出水口。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的巖心夾持器，其特征在于，一根管(4-3)的一端與水槽(4-4)膠結(jié)，所述管(4-3)另一端與圍壓裝置(4-2)采用螺紋連接；另一根管(4-3)的一端與振動(dòng)輸入水槽(4-5)膠結(jié)，所述管(4-3)的另一端與圍壓裝置(4-2)采用螺紋連接。7.采用權(quán)利要求1所述的巖心夾持器的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于它包括信號(hào)源(1)、功率放大器(2)、激振器(3)、巖心夾持器(4)、壓力傳感器(5)、第一鎖相放大器(6)和第二鎖相放大器(7)，激振器(3)的激振桿的中心線與振動(dòng)輸入水槽(4-5)的側(cè)壁上的振動(dòng)膜固定通孔的中心軸線重合，并且所述激振器(3)的激振桿的末端與振動(dòng)模(4-6)相接觸，用于驅(qū)動(dòng)所述振動(dòng)膜(4-6)振動(dòng)；壓力傳感器(5)用于測(cè)量水槽(4-4)的差壓接口(4-31)與振動(dòng)輸入水槽(4-5)的差壓接口(4-31)之間的壓力差；信號(hào)源(1)的第一信號(hào)輸出端連接功率放大器(2)的信號(hào)輸入端，所述功率放大器(2)的信號(hào)輸出端連接激振器(3)的信號(hào)輸入端，兩個(gè)電極(4-1)分別與第一鎖相放大器(6)的兩個(gè)測(cè)量信號(hào)輸入端連接，所述第一鎖相放大器(6)的參考信號(hào)輸入端與信號(hào)源(1)的另一個(gè)信號(hào)輸出端連接，所述信號(hào)源(1)的另一個(gè)信號(hào)輸出端與第二鎖相放大器(7)的參考信號(hào)輸入端連接，所述第二鎖相環(huán)放大器(7)的測(cè)量信號(hào)輸入端連接壓力傳感器(5)的信號(hào)輸出端。8.基于權(quán)利要求7的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量方法，它的具體過程為步驟一將待測(cè)巖心樣品置于樣品池(4-7)，使所述圓柱形的巖心樣品的兩個(gè)端面分別與兩個(gè)電極(4-1)緊密連接，并確保橡膠內(nèi)管(4-21)與樣品池(4-7)內(nèi)待測(cè)巖心樣品的外側(cè)壁以及兩根管的末端的外側(cè)壁緊密接觸，然后通過進(jìn)氣口(4-231)向氣囊(4-22)中沖入高壓氣體，并維持所述氣囊(4-22)中的氣壓穩(wěn)定，使巖心樣品穩(wěn)固，并且兩根管腔之間相互密閉，再從第一進(jìn)水口(4-41)和第二進(jìn)水口(4-51)向巖心夾持器(4)的水槽(4-4)和振動(dòng)輸入水槽(4-5)注滿鹽水；步驟二利用巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)獲得巖心樣品兩端電位差和壓強(qiáng)差Δρ,具體過程為信號(hào)源(1)一方面輸出低頻信號(hào)至功率放大器(2)，另一方面同時(shí)輸出同頻同相信號(hào)作為參考信號(hào)輸出至第一鎖相放大器(6)和第二鎖相放大器(7)，功率放大器(2)將輸入的低頻信號(hào)放大后輸出至激振器(3)，控制激振器(3)的激振桿作周期往復(fù)振動(dòng)并推動(dòng)振動(dòng)膜(4-6)同步振動(dòng)，所述振動(dòng)膜(4-6)的振動(dòng)帶動(dòng)管(4-3)中的鹽水產(chǎn)生振動(dòng)，此時(shí)，用壓力傳感器(5)采集水槽(4-4)的差壓接口(4-31)與振動(dòng)輸入水槽(4-5)的差壓接口(4_31)之間的壓強(qiáng)差信號(hào)，并將采集到的壓強(qiáng)差信號(hào)發(fā)送至第二鎖相放大器(7)進(jìn)行檢測(cè)，以獲得壓強(qiáng)差值Δρ,同時(shí)采用第一鎖相放大器(6)通過巖心夾持器⑷的兩個(gè)電極(4-1)采集樣品池(4-7)內(nèi)巖心樣品兩端電位差信號(hào)，并將采集到的電位差信號(hào)送入第一鎖相放大器(6)進(jìn)行檢測(cè)，以獲得電位差值巧_；步驟三根據(jù)巖心樣品內(nèi)溶液粘度”電導(dǎo)率Otf以及步驟二獲得的壓強(qiáng)差值Δρ和電位差值計(jì)算巖心zeta電勢(shì)^=-CTw,其中，為介電常數(shù)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量方法，其特征在于步驟一中，通過進(jìn)氣口(4-231)向氣囊(4-22)中沖入高壓氣體，使所述氣囊(4-22)內(nèi)的氣壓維持在1.2MPa。全文摘要巖心夾持器、采用該巖心夾持器的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法,它涉及地球物理科學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
，它解決了目前在zeta電勢(shì)測(cè)量過程中僅通過直流測(cè)試方法以及采用直流測(cè)試方法測(cè)試頻率單一的問題。本發(fā)明的巖心夾持器包括兩個(gè)電極、圍壓裝置、兩根管、水槽、振動(dòng)輸入水槽和振動(dòng)膜；本發(fā)明的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)包括信號(hào)源、功率放大器、激振器、巖心夾持器、壓力傳感器、第一鎖相放大器、第二鎖相放大器；本發(fā)明的巖心zeta電勢(shì)測(cè)量方法利用巖心zeta電勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)獲得巖心兩端電位差和壓強(qiáng)差，進(jìn)而計(jì)算巖心zeta電勢(shì)。本發(fā)明為動(dòng)電技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。文檔編號(hào)G01R19/00GK101799485SQ201010144460公開日2010年8月11日申請(qǐng)日期2010年4月12日優(yōu)先權(quán)日2010年4月12日發(fā)明者楊光,王軍,胡恒山申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)