УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТВЕРДЫХ ИЛИ ЖИДКИХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF ELECTRIC PARAMETERS FOR SOLID AND LIQUID GEOLOGICAL SPECIMEN

Данное изобретение относится к устройству для измерения электрических параметров твердых или жидких геологических образцов, таких как горные породы, предпочтительно из газовых или нефтяных пластов-коллекторов, и насыщающие их текучие среды.
Измерение полного комплексного сопротивления образцов горных пород из газовых или нефтяных пластов-коллекторов на низких частотах, то есть ниже 100 кГц, обычно выполняют при помощи двух взаимодополняющих измерительных способов с использованием соответственно двух или четырех электродов.
В настоящее время в устройствах для относительных измерений, содержащих два или четыре электрода, применяют отдельные способы. Это означает необходимость изменения конструкции в соответствии с применяемым способом и, следовательно, невозможность использования этих способов с их быстрым чередованием.
В измерительных устройствах с двумя электродами устанавливают электрический контакт между каждым электродом и частью поверхности образца, подают переменный электрический ток и измеряют разность потенциалов, установившуюся между указанными электродами.
Наиболее распространенная конструкция, используемая для цилиндрических образцов, представляет собой конденсатор, параллельные и плоские пластины которого находятся в контакте с поверхностями указанного образца.
При изменении частоты измеряют полное комплексное сопротивление заполненного таким образом конденсатора или проводимость с помощью анализатора полного сопротивления, который рассчитывает соотношение между разностью потенциалов на электродах и поданным током.
Полное комплексное сопротивление и проводимость определяют соответственно по следующим формулам:
0
Z(ω)=1/(iωСε),
0
Y(ω)=jωCε,
где
ω - частота,
0
С - емкость пустого конденсатора,
ε - диэлектрическая проницаемость образца, помещенного в конденсатор.
Спектр ε(ω) диэлектрической проницаемости образца получают из измеренного полного комплексного сопротивления Z(ω).
Несмотря на простоту изготовления данные известные измерительные устройства имеют различные недостатки.
В случае проведения измерений на горных породах, насыщенных соляным раствором, имеют место систематические ошибки, возникающие в случае, когда сопротивления соединительных проводов или контактов не являются пренебрежимо малыми по сравнению с внутренним сопротивлением образца, или при неудовлетворительном электрическом контакте между образцом и электродами.
Эти проблемы могут быть уменьшены с помощью обработки, которая сложна для выполнения, например путем напыления металлических слоев на поверхности образцов горных пород. Однако несмотря на такую обработку вышеупомянутые проблемы обычно не устраняются полностью вследствие неровности и рыхлости поверхности указанной породы.
Более того, на поверхности горной породы может присутствовать тонкий слой минерального масла с изолирующими или слабыми проводящими свойствами либо может иметь место частичное испарение воды, вызывающее полное или частичное высушивание поверхности образца. Это создает контактное сопротивление и падение напряжения в слое, результатом чего является завышенная оценка сопротивления субстрата образца, называемого также объемным сопротивлением.
Для устранения этих неудобств используются следующие известные решения, которые, однако, могут быть применены лишь в частных случаях:
(i) нанесение тонких металлических слоев на электроды, которые являются достаточно пластичными и гибкими для обеспечения их соответствия поверхности горной породы,
(ii) электрохимическое осаждение пористых слоев хлорида платины или серебра на электроды,
(iii) использование бумажных фильтров или пористых серебряных фильтров, вымоченных в насыщенном соляном растворе и вставляемых между образцом и электродами.
Последний указанный способ может обеспечивать пренебрежимо малую величину контактного сопротивления и сопротивления бумажного фильтра, но только до тех пор, пока уровень внутреннего насыщения соляного раствора остается высоким. Следовательно, должно быть исключено испарение жидкости из пористого фильтра.
Однако снижение полного контактного сопротивления не решает всех проблем, связанных с измерительными устройствами с двумя электродами, Например, эффекты электродной поляризации, в частности, при низкочастотных диэлектрических измерениях на горных породах, обладающих высокой степенью насыщения и/или насыщенных солевыми растворами с высокими концентрациями ионных носителей, могут быть чрезвычайно существенными.
Что касается измерительных устройств с четырьмя электродами, то известны только отдельные варианты выполнения, которые могут использоваться для измерения электрических параметров горных пород. Характерная особенность этих вариантов выполнения заключается в том, что полное сопротивление измеряют с помощью токоподводящих электродов и электродов, измеряющих напряжение, причем все они расположены на боковой поверхности образца.
Наконец, известно измерительное устройство, в котором могут использоваться способы с применением как двух, так и четырех электродов с одним и тем же гальваническим элементов на частотах в интервале от 10 Гц до 10 МГц.
Данное устройство содержит два плоских электрода, находящихся в контакте с поверхностями образца для обеспечения подвода тока, и два кольца, служащих в качестве электродов для измерения напряжения, размещенных на боковой поверхности образца и соответствующим образом разнесенных вдоль оси цилиндра симметрично по отношению к центру цилиндра.
Следовательно, эти устройства обладают отмеченными выше недостатками, присущими устройствам с двумя электродами, а также недостатком, связанным с неточностью измерений на высоких частотах при использовании способа с применением четырех электродов вследствие ограниченной контактной поверхности колец, которая обеспечивает им очень малую емкость.
Целью данного изобретения является преодоление вышеуказанных недостатков и, в частности, создание устройства для измерения электрических параметров геологических образцов, которое обеспечивает возможность применения способов с использованием двух и четырех электродов с их быстрым чередованием и достаточной точностью.
Другой целью данного изобретения является создание устройства для измерения электрических параметров геологических образцов, которое при выполнении измерений с помощью двух электродов не подвержено возникновению систематических ошибок или завышенной оценки сопротивления субстрата.
Еще одной целью данного изобретения является создание устройства для измерения электрических параметров геологических образцов, которое при выполнении измерений с помощью четырех электродов обеспечивает точные измерения даже при использовании на высокой частоте.
Эти и другие цели в соответствии с данным изобретением достигаются путем создания устройства для измерения электрических параметров геологических образцов, описанного в п.1 формулы изобретения.
Дополнительные характеристики устройства являются объектом зависимых пунктов формулы изобретения.
Характеристики и преимущества предложенного устройства для измерения электрических параметров геологических образцов станут более очевидны из нижеследующего иллюстративного и неограничивающего описания, приведенного со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг.1 изображает вид в аксонометрии устройства для измерения электрических параметров геологических образцов в соответствии с данным изобретением,
- фиг.2 изображает вид сверху верхней и нижней половин корпуса устройства, показанного на фиг.1, в открытом состоянии,
- фиг.3 изображает увеличенный вид электродов, используемых в измерительном устройстве в соответствии с данным изобретением,
- фиг.4 изображает разрез измерительного устройства, показанного на фиг.1,
- фиг.5 изображает разрез ряда элементов измерительного устройства, показанного на фиг.4, в разобранном виде,
- фиг.5а изображает разрез альтернативного варианта выполнения кольцевого элемента измерительного устройства в соответствии с данным изобретением,
- фиг.6а изображает вид в аксонометрии собранного держателя жидкого образца, используемого в случае, когда измерительное устройство в соответствии с данным изобретением предназначено для измерения электрических параметров жидких геологических образцов,
- фиг.6b изображает вид в аксонометрии оснований держателя жидкого образца, показанного на фиг.6а, на котором внешние стороны обращены вверх,
- фиг.6с изображает вид в аксонометрии оснований держателя жидкого образца, показанного на фиг.6а, на котором внутренние стороны обращены вверх,
- фиг.7 изображает разрез держателя жидкого образца, показанного на фиг.6а, в собранном виде.
На чертежах изображен предпочтительный неограничивающий вариант выполнения устройства для измерения электрических параметров геологических образцов, обозначенного в целом номером 10 позиции.
Измерительное устройство 10 содержит полый корпус, предпочтительно цилиндрический, выполненный из двух половин 11, 12, одна из которых коаксиально скользит поверх другой и которые частично перекрывают друг друга в соответствии с частью 11а, 12а уменьшенной толщины.
На каждом основании половин 11, 12 корпуса преимущественно размещена пара копланарных контактов 13, 14.
Каждая пара копланарных контактов содержит первый электрод 14 для подвода тока, который имеет по существу плоскую форму и снабжен проходным отверстием 17 и в соответствии с которым расположен второй электрод 13 для измерения напряжения.
Указанные первые токоподводящие электроды 14 предпочтительно имеют форму колец, причем указанное проходное отверстие 17 расположено в их центре. Кроме того, в предпочтительном варианте выполнения первые электроды 14 выполнены из позолоченной латуни.
На поверхности 14а первого токоподводящего электрода 14, которая обращена внутрь измерительного устройства, приварена пластина 15, выполненная из благородного металла, предпочтительно из чистого золота, не подверженного упрочнению путем низкотемпературной обработки.
Пластина 15 преимущественно является чрезвычайно пластичной и деформируется вследствие прилипания к поверхности геологического образца, подвергаемого измерению, при приложении к электроду 14 достаточно высокого давления. Данная пластина также защищает электрод 14 от коррозии, вызываемой соляным раствором.
На другой стороне первого токоподводящего электрода 14 расположено несколько круглых пазов 18 для первых упругих средств 30, таких как, например, пружины сжатия, предпочтительно расположенные равномерно.
В изображенном варианте выполнения имеется три таких паза, разнесенных на 120° друг от друга.
В данном предпочтительном варианте выполнения пружины 30 выполнены из гармониковой стальной проволоки диаметром 1,25 мм и имеют диаметр 9,25 мм, длину в свободном состоянии 22,0 мм и минимальную рабочую длину 10,5 мм (используемое число витков составляет 5,5). Жесткость указанных пружин 30 предпочтительно составляет 8,92 Н/мм.
В данном предпочтительном и неограничивающем варианте выполнения для сжатия на 4 мм, обычно составляющего половину максимального сжатия, допускаемого геометрией измерительного устройства 10, к каждой пружине 30 необходимо приложить усилие в 30,68 Н, то есть общее усилие величиной 107 Н, соответствующее общей силе веса в 10,9 кг.
2
Если предположить, что площадь поверхности образца составляет приблизительно 5 см, то для создания вышеуказанного сжатия необходимо приложить давление в 2 атм.
Пружины 30, которые поддерживают первый кольцевой токоподводящий электрод 14, размещены в опорном элементе 20, выполненном из изоляционного материала, предпочтительно из Тефлона.
На опорный элемент 20 посажен с натягом кольцевой элемент 21, который также выполнен из изоляционного материала, предпочтительно из Тефлона, и назначение которого заключается в удерживании электрода 14 на месте и приведении его в действие во время фазы установления контакта между указанным электродом 14 и образцом вследствие сжатия.
В нижней части кольцевого элемента 21 имеется первый паз 22 для первого токоподводящего электрода 14, а в его верхней части имеется второй паз 23 для размещения цилиндрических образцов горной породы, подвергаемых измерению.
Два противолежащих вторых паза, каждый из которых соответствует одной из указанных двух пар электродов 13, 14, образуют в измерительном устройстве 10 гнездо для размещения образцов, подвергаемых измерению.
В альтернативном варианте выполнения, изображенном на фиг.6а, кольцевой элемент 21а имеет второй паз 23а, размеры которого обеспечивают размещение цилиндрических образцов большого диаметра, и содержит уменьшающее кольцо 24, предназначенное для обеспечения возможности размещения в указанном втором пазу 23а также образцов меньшего диаметра.
Данное устройство обеспечивает возможность перехода простым образом от измерений образцов меньшего диаметра к измерениям образцов больших диаметров путем простого вставления или удаления уменьшающего кольца 24.
Благодаря наличию нескольких пружин 30 токоподводящие электроды 14 достаточно свободно изгибаются с обеспечением их соответствия поверхностям цилиндрического образца в случае, если указанные поверхности не являются строго параллельными.
Второй электрод 13 для измерения напряжения, расположенный концентрично с первым токоподводящим электродом 14, содержит пружинный контакт или головку, предпочтительно покрытую золотом.
Внутри указанной головки 13 содержатся вторые упругие средства, которые обеспечивают контакт с образцом. Постоянная упругости указанных средств предпочтительно составляет 1,2 Н/мм.
Головка 13 содержит штекер 32, предпочтительно выполненный из бериллиевой бронзы с золочением по никелю, и установочный патрубок 31 или штепсель, предпочтительно выполненный из металлического сплава с позолотой. Общее сопротивление головки 13 предпочтительно составляет меньше 15 мОм.
Свободная контактная часть 25 штекера 32, в положении готовности выступающая из плоскости первого электрода 14, переводится на уровень плоскости указанного электрода 14 при загрузке образца. Возникающее в результате сжатие штекера 32 обеспечивает хороший контакт между головкой 13 и образцом.
В случае когда вторые упругие средства имеют указанные выше размеры, фактически усилие, прикладываемое к концевой части 25 штекера 32, составляет 6 H, а давление, оказываемое на образец свободной концевой частью 25 штекера 32, составляет порядка десяти атмосфер.
Для обеспечения хорошего контакта с поверхностью образца часть 25 штекера увеличена и предпочтительно выполнена в форме сферической капли или, как вариант, сферической капли из ковкого проводящего материала, предпочтительно олова или индия, приваренной в соответствии с указанной частью 25.
Каждый раз, когда второй электрод 13 прижимается к поверхности образца, утолщение 25 деформируется и примыкает к поверхности образца, что приводит к уменьшению контактного сопротивления.
Диаметр свободной концевой части 25 штекера 32 в форме сферической капли предпочтительно составляет 2,54 мм.
Второй электрод 13 размещен концентрично в отверстии 17 первого токопроводящего электрода 14 и отделен от него кольцевым пространством гораздо большей протяженности в материале двойного заряженного слоя, созданного поляризацией электродов и имеющего размер порядка нанометров.
В предпочтительном варианте выполнения головки 13 имеют фрезерованную поверхность, которая способствует лучшему контакту в случае шероховатых или рыхлых образцов.
Данная конфигурация с фрезерованной поверхностью также является особенно подходящей в случае присутствия слоев минерального масла, скопившегося на поверхности образца, поскольку зубец фрезеровки может проникать через первые слои образца, входить в контакт с более однородными частями образца и обеспечивать более точное измерение разности потенциалов.
Головка 13 собрана на опорном корпусе 26, выполненном из изоляционного материала, предпочтительно из Тефлона, и жестко прикреплена, предпочтительно с помощью винтов 33, также выполненных из изоляционного материала, такого как, например, нейлон, к опорному элементу 20, содержащему пружины 30 и первый токопроводящий электрод 14.
Узел, в состав которого входят опорные элементы 20 и кольцевые элементы 21, опорный корпус 26, а также первый и второй электроды 13, 14, в свою очередь, жестко прикреплен к соответствующей половине 11, 12 корпуса, предпочтительно выполненной из стали, с помощью подходящих крепежных средств 19, выполненных из изоляционного материала.
Таким образом, цилиндрический корпус, содержащий две половины 11, 12, действует в качестве металлического экрана и в соответствии с требованиями может быть присоединен к массе или оставлен незакрепленным.
Указанный цилиндрический корпус 11, 12 выполняет различные функции, основными среди которых являются следующие:
- постоянное поддержание электродов 13, 14 и образца выровненными относительно друг друга,
- обеспечение возможности приближения электродов 13, 14 друг к другу для создания и поддержания электрического контакта с образцом,
- изолирование образца и электродов 13, 14 от внешних электромагнитных шумов и
- содержание образца в окружающей среде с контролируемой влажностью.
Для осуществления текущего контроля условий окружающей среды в цилиндрическом корпусе 11, 12 имеются датчик температуры и датчик относительной влажности, доступные снаружи через соединитель 27, расположенный в нижней части цилиндрического корпуса 11, 12.
Относительная влажность окружающей среды, в которой производятся измерения, регулируется путем введения внутренней полости цилиндрического корпуса 11, 12 в контакт со средой, имеющей определенную влажность, при помощи газового соединения 28, выполненного в верхней части 11 цилиндрического корпуса.
Заявителем во время испытаний было установлено, что уровень относительной влажности, измеряемый датчиком, после установки образца и закрытия измерительного устройства возрастает до тех пор, пока не достигнет устойчивого значения.
На фиг.6а-6с и 7 изображен держатель 50 жидкого образца, который может быть уставлен в предложенное устройство 10 при необходимости определения электрических параметров жидкого образца.
Указанный держатель 50 предпочтительно имеет внешние размеры, типичные для образца в виде стержня горной породы, то есть диаметр 38 мм и высоту 44 мм.
Затем держатель 50 вставляется в измерительный прототип 10 на место твердого геологического образца с обеспечением возможности проведения различных испытаний в дополнение к калибровкам в соответствии с эталонными жидкостями в той же конфигурации, в которой впоследствии проводятся измерения.
Боковая поверхность содержит цилиндрический полый корпус 51, выполненный из пластмассы, например нейлона.
На каждом из двух концов указанного корпуса 51 расположена пара контактов 52, 53. Указанная пара контактов 52, 53 содержит первый внешний перфорированный электрод 52 для подвода тока и второй концентрический электрод 53, изолированный с помощью кольца, выполненного из изоляционного материала, предпочтительно из Тефлона.
Размеры указанных первого и второго электродов 52, 53 предпочтительно составляют соответственно 38 мм и 2 мм.
Диаметр первого металлического электрода 52 в пределах полого корпуса 51 предпочтительно составляет 25,4 мм. Расстояние между двумя парами электродов 52, 53 предпочтительно составляет 20,3 мм.
Доступ к внутренней части корпуса 51 осуществляется с помощью ряда винтов, благодаря чему обеспечивается возможность заполнения держателя 50 сравнительными образцами и их извлечения из него.
Указанные две пары контактов 52, 53 привинчены к корпусу 51, при этом с помощью резинового уплотнительного кольца и/или ленты из Тефлона (не показаны) обеспечивается герметичное закрытие.
Предложенное устройство 10 для измерения электрических параметров геологических образцов работает следующим образом.
В случае твердого образца цилиндрический стержень данного образца вставляют в один из двух вторых пазов 23, выполненных в металлическом корпусе 11, 12.
Или же, в случае жидкого образца, указанный образец вводят в держатель 50, который затем устанавливают во вторые пазы 23 на место стержня твердого образца.
Затем измерительное устройство 10 закрывают и прикладывают нарастающее давление, например от 2 до 4 атмосфер, к двум основаниям половин 11, 12 корпуса с помощью гидравлического пресса до установления хорошего электрического контакта между электродами 13, 14 и образцом или держателем 50 жидкого образца.
Сигналы делают доступными для внешнего анализатора полного сопротивления при помощи четырех соединителей 29, предпочтительно байонетных соединителей, электрически изолированных цилиндрическим корпусом 10.
Указанные соединители 29 предпочтительно присоединены к соответствующим электродам 13, 14 с помощью покрытых оболочкой коаксиальных проводов.
Таким образом, внешний проводник каждого провода, соединенный с каждым внешним проводником 29 байонетного соединителя, может свободно перемещаться независимо от потенциала цилиндрического корпуса 11, 12, который может быть свободно заземлен.
Электрическая изоляция между электродами 13, 14 в направлении массы обеспечивается путем использования таких изоляционных материалов, как, например, Тефлон, для кольцевых элементов 21, которые поддерживают образец и находятся в контакте с электродами 13, 13, и другого изоляционного материала, такого как, например, нейлон, для крепежных средств 19, которые обеспечивают объединение опор 20, 21, 26 и электродов 13, 14 с металлическим цилиндрическим корпусом 11, 12.
Для направления оснований более длинных образцов к пазам 23 на измерительных электродах 13, 14 может использоваться дополнительное центрирующее кольцо из изоляционного материала (не показано), которое скользит внутри цилиндрического корпуса 11, 12.
Характеристики устройства и цель данного изобретения очевидны из приведенного выше описания, так же как и соответствующие преимущества.
Предложенное устройство для измерения электрических параметров геологических образцов обеспечивает возможность проведения измерений с использованием как двух, так и четырех электродов для одного и того же образца без необходимости изменения конфигурации. Таким образом, указанные два способа измерения могут применяться с их быстрым чередованием.
Кроме того, специальная форма электродов делает пренебрежимо малыми систематические ошибки и завышение оцениваемого сопротивления субстрата, когда устройство настроено на выполнение измерений с использованием двух электродов, а также обеспечивает точные измерения при работе на высокой частоте, когда устройство настроено на выполнение измерений с использованием четырех электродов.
Наконец, очевидно, что выполненное таким образом устройство может быть подвергнуто многочисленным модификациям и изменениям, все из которых находятся в рамках объема изобретения, более того, все элементы могут быть заменены их техническими эквивалентами. На практике используемые материалы, а также размеры, могут изменяться в соответствии с техническими требованиями.