基于磁性液體的巖樣總體積測試方法

鮑云杰，鮑芳，李志明

（1.中石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無錫214151；2.中石化油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214151）

基于磁性液體的巖樣總體積測試方法

鮑云杰1，2，鮑芳1，2，李志明1，2

（1.中石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無錫214151；2.中石化油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214151）

針對現(xiàn)有浮力法測定巖樣總體積受人為因素影響大，以及丈量法測定巖樣總體積對巖樣外形嚴(yán)格限定的缺點(diǎn)，提出了巖樣總體積測試的雙密度測定計(jì)算公式。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，利用磁性液體在磁場作用下密度可變、可控的特性，探索設(shè)計(jì)了基于磁性液體的巖樣總體積測定裝置，建立了基于磁性液體的巖樣總體積測定方法和流程。這種新方法對于減小測定巖樣總體積過程中的人為誤差、提高測試精度等方面均具有一定的優(yōu)勢，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

巖樣總體積；磁性液體；測定裝置

0 引言

巖樣孔隙度的分析測試是油氣地質(zhì)研究的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室?guī)r樣孔隙度測定過程中，應(yīng)用較多的是測定巖樣總體積、骨架體積和孔隙體積中的兩個參數(shù)之后，按照孔隙度定義計(jì)算巖樣孔隙度。巖樣總體積的測定，是巖樣孔隙度測定的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)有巖樣總體積測定方法主要有以下兩種。①浮力法：稱取巖樣在已知比重的煤油中的重量，將巖樣從煤油中取出，擦除巖樣表面的煤油，稱取巖樣在空氣中的重量。巖樣在空氣中和在煤油中重量的差值，除以煤油的比重，就可以得到巖樣的總體積。②丈量法：當(dāng)待測巖樣外形為規(guī)則形狀時，丈量幾何尺寸后按體積計(jì)算公式計(jì)算巖樣的體積。

為提高巖樣孔隙度測試精度、工作效率，前人進(jìn)行了眾多的研究探索。黃福堂等1995年公開了一種總體積測定氣體法［1］：巖心夾持器內(nèi)橡膠襯套，每次測量樣品時，以抽真空的方法，使橡膠襯套貼緊巖樣，盡量接近真實(shí)。用以波－馬定律為基礎(chǔ)的氣體平衡法，測量出巖樣和橡膠襯套的體積，再減去橡膠襯套的體積，就可以得到巖樣的總體積。沈亞光 （2001）研制了數(shù)字自動滴定儀及與其配套的液位傳感器，使巖屑體積測定過程實(shí)現(xiàn)了自動化［2］。

隨著頁巖油氣勘探開發(fā)研究工作的深入，巖樣總體積測量的對象發(fā)生了很大變化，泥巖、頁巖等巖樣的測試工作量越來越大。與泥巖、頁巖易于破碎的特點(diǎn)相比，現(xiàn)有巖樣總體積測定技術(shù)存在以下不足：①取得外形規(guī)則的巖樣比較困難，使丈量法的應(yīng)用受到限制；②在浮力法中，在稱取液體浸泡后巖樣在空氣中的重量時，要擦除巖樣表面的煤油，在此過程中，由于巖樣表面形態(tài)復(fù)雜，擦除到什么程度，怎樣擦除合理，受人為因素影響很大；③黃福堂等提出的氣體法中，由于巖樣表面形態(tài)復(fù)雜，巖心夾持器內(nèi)橡膠襯套存在因有死角而不能貼緊巖樣的風(fēng)險，從而使巖樣的總體積偏大；④沈亞光提出的方法中，其關(guān)鍵是以液位傳感器控制液體滴定，“液滴”的大小對測定精度存在一定的影響，同時，沒有考慮巖屑為多孔材料，會有一些水進(jìn)入到孔隙系統(tǒng)中，從而造成誤差。

1 巖樣總體積雙密度計(jì)算方法及原理性實(shí)驗(yàn)

1.1 巖樣總體積雙密度計(jì)算方法

依據(jù)阿基米德原理，浸沒在液體中的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于物體排開液體的重量。

假設(shè)將巖樣浸沒到第一種液體中，則其受到的浮力為

假設(shè)再將同一巖樣浸沒到第二種液體中，則其受到的浮力為

式（1），（2）中：F1，F(xiàn)2為受到的浮力，g；D1，D2為第一、第二種液體的密度，g／cm3；V是巖樣的總體積，cm3；G01，G02是巖樣在空氣中重量，g；G1，G2是巖樣在第一、第二種液體中的重量，g。

由公式（1）和（2）可得

由公式 （3）可見，當(dāng)G01＝G02時，測得巖樣在密度分別為D1，D2的兩種液體中的重量G1，G2，就可以計(jì)算巖樣的總體積V。這一過程可以理解為將待測巖樣放到兩種不同密度液體中分別稱重，進(jìn)而計(jì)算巖樣總體積，簡稱巖樣總體積雙密度測定方法。

1.2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述計(jì)算方法的合理性，開展了原理性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)樣品采用已知體積的7個不銹鋼圓片，以電子天平分別稱取不銹鋼圓片在水中、煤油中的重量，水和煤油的密度分別為1.0，0.8 g／cm3。最后以公式（3）計(jì)算體積。

從表1和圖1來看，測量計(jì)算體積值與標(biāo)稱體積接近，最大誤差5.2%，復(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9993，說明這種方法是可行的。但也應(yīng)該注意到，上述實(shí)驗(yàn)所用樣品為不銹鋼圓片，是一種無孔的材料，能夠滿足G01＝G02的要求，這一點(diǎn)與巖樣存在明顯差異。為將該方法應(yīng)用于巖樣，本文引入磁性液體并設(shè)計(jì)了配套裝置。

2 裝置的原理與測試流程

2.1 裝置的原理

磁性液體是一種特殊的流體，既有一般流體的流動性、穩(wěn)定性，又具有磁性。特別是在外加磁場的作用下，其密度可以按照預(yù)期進(jìn)行變化［3－6］，變化之后的密度稱為表觀密度，去掉外加磁場后，其密度又恢復(fù)到原有密度，即滿足G01－G02＝0的條件。利用磁性液體的這種特性，即可以用雙密度法測定巖樣的總體積。

關(guān)于磁性液體表觀密度的調(diào)節(jié)和控制，前人已有很多實(shí)驗(yàn)研究成果，通過調(diào)節(jié)電源的電流可以使磁液體的表觀密度達(dá)到設(shè)計(jì)值［6］，如圖2所示。

由于磁性液體具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，故在配制或購置磁性液體后，可以用實(shí)驗(yàn)的方法建立電流 （或電壓）與磁性液體表觀密度的定量關(guān)系。這樣在操作過程中，只需合理選擇電流和 （或電壓）就可以使磁性液體表觀密度達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)值，而不需重復(fù)、頻繁測定。按照上述思路，測試裝置包括以下單元，如圖3所示。

圖3中一對磁極與可調(diào)電源連接，通過計(jì)算機(jī)控制調(diào)節(jié)電源，實(shí)現(xiàn)磁性液體槽中磁性液體表觀密度達(dá)到設(shè)計(jì)值的目的。巖樣盤用于盛裝巖樣，由非磁性材料加工而成，如塑料、玻璃等。懸掛繩是非磁性材料，如尼龍等，懸掛繩與巖樣稱重儀表連接，稱取巖樣的重量，系統(tǒng)有扣除巖樣盤和巖樣盤懸掛繩重量的功能，自動記錄巖樣的重量。計(jì)算機(jī) （或單片機(jī)）用于電源控制、重量數(shù)據(jù)采集、總體積計(jì)算等。

2.2 操作流程

1）巖樣烘干；

2）將巖樣放入干燥器，冷卻至室溫；

3）將巖樣放入磁性液體中浸泡，磁性液體密度為D1，已知；

4）將巖樣放到樣品盤中，將樣品盤放到盛有同種磁性液體的槽中，并保持被磁性液體浸沒狀態(tài)，放入深度值固定；

5）測定此時巖樣的重量，記為G1；

6）施加磁場，調(diào)節(jié)電源使磁性液體表觀密度達(dá)到設(shè)計(jì)值D2；

7）測定此時巖樣的重量，記為G2；

8）計(jì)算巖樣總體積V＝（G2－G1）／（D1－D2）。

從操作過程來看，這一方法只需將巖樣放置到磁性液體中，分別測定巖樣在施加磁場前后巖樣的重量，即可完成巖樣總體積測定。對巖樣外形沒有特定要求，特別是規(guī)避了擦除樣品表面水 （或煤油）這一最容易導(dǎo)致人為誤差的環(huán)節(jié)，從而提高測試精度。

3 結(jié)論

基于磁性液體的雙密度巖樣總體積測定方法可以對巖樣總體積進(jìn)行測定，具有較明顯的技術(shù)優(yōu)勢。對巖樣的外形沒有特殊要求，對于泥巖、頁巖等巖樣具有廣泛的適用性。規(guī)避了人工擦除巖樣表面液體的環(huán)節(jié)，避免了人為誤差的產(chǎn)生，提高了巖樣總體積測試精度?？梢詫λ樾紶顜r樣進(jìn)行總體積測試，使巖樣孔隙度測試由塊狀擴(kuò)展到碎屑狀，更好地滿足地質(zhì)研究工作的需要。

［1］黃福堂，吳西湖，程先梅.KXD－1型孔隙度自動測定儀的研制與實(shí)驗(yàn)［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，1995，14（3）：72－74.

［2］沈亞光.巖屑體積自動測量裝置［J］.錄井技術(shù)，2001，12（1）：55－56，70.

［3］吳健，夏聰，王松，等.非磁性顆粒在磁流體選礦中的動力學(xué)模型［J］.礦山機(jī)械，2010，38（11）：91－94.

［4］郭鐵梁，李海寶.磁流體靜力選礦中非磁性礦粒的磁浮力分析［J］.金屬礦山，2009（4）：35－39.

［5］李艷琴，董桂馥.橫向磁場中磁性液體表觀密度研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（6）：28－30.

［6］李學(xué)惠，張萍，袁學(xué)德，等.磁流體表觀密度與外磁場間變化規(guī)律研究［J］.稀有金屬材料與工程，2005，34（5）：688－690.

M ethod of M easuring Total Volume of Rock Samp les Based on M agnetic Fluid

BAO Yunjie1，2，BAO Fang1，2，LIZhim ing1，2
（1.Wuxi Research Institute of Petroleum Geology，Sinopec，Wuxi214151，China；2.Sinopec Key Laboratory of Petroleum Accumulation Mechanisms，Wuxi214151，China）

The existing buoyancymethod ofmeasuring the total volume of rock samples is artificially influenced and the dimensionmeasurementmethod for determining the total volume of rock samples has strict limitation on the shape of rock samples.For solving these problems，a dual density determination formula is proposed to test the total volume of rock samples.Based on experiments，the properties thatmagnetic fluid density is variable and controllable in themagnetic field is used to design ameasuring device for testing total volume of rock samples based on magnetic fluid and to establish methods and processes formeasuring the total volume of rock samples based on magnetic fluid.This new method has some advantages in reducing the artificial errors and improving testaccuracy in themeasurementprocess，and has good application prospects.

total volume of rock sample；magnetic fluid；measuring device

TE135.1

B

1674－5795（2014）01－0039－03

10.11823／j.issn.1674－5795.2014.01.11

2013－11－03

鮑云杰 （1963－），男，內(nèi)蒙古赤峰人，高級工程師，主要從事儲蓋層測試等方面的研究。