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研究院無錫石油地質研究所，江蘇無錫214151；2.中石化油氣成藏重點實驗室，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研究院無錫石油地質研究所，江蘇無錫214151；2.中石化油氣成藏重點實驗室，江蘇無錫214151）

針對現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格限定的缺點，提出了巖樣總體積測試的雙密度測定計算公式。在實驗驗證的基礎上，利用磁性液體在磁場作用下密度可變、可控的特性，探索設計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勢，具有良好的推廣應用前景。

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研究的一項重要基礎工作。當前實驗室巖樣孔隙度測定過程中，應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之后，按照孔隙度定義計算巖樣孔隙度。巖樣總體積的測定，是巖樣孔隙度測定的重要環節，現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：當待測巖樣外形為規則形狀時，丈量幾何尺寸后按體積計算公式計算巖樣的體積。

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。用以波－馬定律為基礎的氣體平衡法，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現了自動化［2］。

隨著頁巖油氣勘探開發研究工作的深入，巖樣總體積測量的對象發生了很大變化，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相比，現有巖樣總體積測定技術存在以下不足：①取得外形規則的巖樣比較困難，使丈量法的應用受到限制；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，由于巖樣表面形態復雜，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，由于巖樣表面形態復雜，巖心夾持器內橡膠襯套存在因有死角而不能貼緊巖樣的風險，從而使巖樣的總體積偏大；④沈亞光提出的方法中，其關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，會有一些水進入到孔隙系統中，從而造成誤差。

1 巖樣總體積雙密度計算方法及原理性實驗

1.1 巖樣總體積雙密度計算方法

依據阿基米德原理，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。

假設將巖樣浸沒到第一種液體中，則其受到的浮力為

假設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，F2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，進而計算巖樣總體積，簡稱巖樣總體積雙密度測定方法。

1.2 實驗與結果分析

為驗證上述計算方法的合理性，開展了原理性實驗。實驗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）計算體積。

從表1和圖1來看，測量計算體積值與標稱體積接近，最大誤差5.2%，復相關系數達0.9993，說明這種方法是可行的。但也應該注意到，上述實驗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，這一點與巖樣存在明顯差異。為將該方法應用于巖樣，本文引入磁性液體并設計了配套裝置。

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，其密度可以按照預期進行變化［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。

關于磁性液體表觀密度的調節和控制，前人已有很多實驗研究成果，通過調節電源的電流可以使磁液體的表觀密度達到設計值［6］，如圖2所示。

由于磁性液體具有較強的穩定性，故在配制或購置磁性液體后，可以用實驗的方法建立電流 （或電壓）與磁性液體表觀密度的定量關系。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到預期的設計值，而不需重復、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中一對磁極與可調電源連接，通過計算機控制調節電源，實現磁性液體槽中磁性液體表觀密度達到設計值的目的。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。計算機 （或單片機）用于電源控制、重量數據采集、總體積計算等。

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，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，調節電源使磁性液體表觀密度達到設計值D2；

7）測定此時巖樣的重量，記為G2；

8）計算巖樣總體積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，特別是規避了擦除樣品表面水 （或煤油）這一最容易導致人為誤差的環節，從而提高測試精度。

3 結論

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行測定，具有較明顯的技術優勢。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。規避了人工擦除巖樣表面液體的環節，避免了人為誤差的產生，提高了巖樣總體積測試精度。可以對碎屑狀巖樣進行總體積測試，使巖樣孔隙度測試由塊狀擴展到碎屑狀，更好地滿足地質研究工作的需要。

［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驗［J］.大慶石油地質與開發，1995，14（3）：72－74.

［2］沈亞光.巖屑體積自動測量裝置［J］.錄井技術，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模型［J］.礦山機械，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］.實驗技術與管理，2013，30（6）：28－30.

［6］李學惠，張萍，袁學德，等.磁流體表觀密度與外磁場間變化規律研究［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。