一种实验室岩样群自然电位自动控制测量系统及测量方法

摘要

本发明公开了一种实验室岩样群自然电位自动控制测量系统及测量方法，包含4个部分：岩样群装置及自然电位采样起始按键开关、测量放大和A/D采集电路、自动控制测量电路、液晶显示操作界面和PC计算机人机界面。本发明可同时测量一批岩样在两端不同浓度溶液下所形成的扩散吸附电位—自然电位，也可记录一批样品在两端溶液存在着压力差时所形成压渗电位的整个动态平衡过程并获得最终压渗电位。每块样品的测量都具备宽动态范围和高精度。本发明既可保证测量的高精度又避免了多路放大采集再进行比较选优的繁琐，也节约了单块样品的采集时间和数据存储空间，在不降低测量精度的情况下，有望进一步降低产品成本和采样效率，可同时测量的岩样也更多。

说明书

技术领域

本发明属于石油勘探勘测技术领域，涉及一种测量系统，具体是一种实 验室岩样群自然电位自动控制测量系统及测量方法。

背景技术

当可渗透性的岩样两边溶液浓度不相等时，便会产生扩散现象。在扩散 的同时，由于粘土颗粒的阴离子吸附性使溶液中的离子分布不均衡，由此形 成扩散──吸附电动势，此电动势反过来又阻止迁移率大的离子作进一步的积 累，即阻止电动势继续增大，从而达到一种动态平衡状态。这时在岩样两端 测得的电位即为自然电位(俗称薄膜电位)，它与两端溶液的浓度差及岩样的 阳离子交换量有关。

实验室的岩样自然电位记录的是岩样在两端不同溶液浓度下所形成的扩 散吸附电位，也即自然电位(俗称薄膜电位)。因为实验室不同样品的岩性不 同，所需达到扩散吸附平衡电位的时间也不同，有的疏松样品可能只需几分 钟，有的致密样品可能需要一天时间，这需要记录整个动态平衡过程并最终 获得岩样在两端不同溶液浓度下所形成的自然电位。

发明内容

本发明的目的是为室内和野外岩样群自然电位的测量提供一种宽动态范 围高精度且一批样品可以同时测量的实验室岩样群自然电位自动控制测量系 统及测量方法，该系统可同时记录一批样品的扩散或扩散——吸附电动势的 整个动态平衡过程并最终获得自然电位，也可记录一批样品在两端溶液存在 着压力差时所形成的压渗电位的整个动态平衡过程并最终获得压渗电位。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种实验室岩样群自然电位自动控制测量系统，包括带有第一测量电极 和第二测量电极的若干岩样装置、ADC、FPGA和DSP；第一测量电极和第 二测量电极均采用不易极化的可逆电极；每个岩样装置的测量电极分别连接 有差分放大滤波电路，第一测量电极和第二测量电极之间均设置有用于校零 测量和控制自然电位采样起始的按键开关；每个差分放大滤波电路的输出端 均连接到ADC的输入端上，ADC用于分时选择接通每道差分放大滤波后的 信号，并进行A/D数字转换后传送给FPGA；FPGA的输出端与DSP相连， 将ADC采样的信息传送给DSP；DSP将数据处理后传送给PC计算机或测量 仪面板上的液晶显示屏；PC计算机通过总线或USB接口与DSP相连。

所述的岩样装置包括岩样室、第一测量室、第二测量室、第一储液罐和 第二储液罐；第一测量室和第二测量室分别设置于岩样室两侧，并通过岩样 室中的岩样渗透相连；第一测量室与第一储液罐通过管道以及设置于管道上 的第一循环泵形成第一循环系统；第二测量室与第二储液罐通过连接管道以 及设置于管道上的第二循环泵形成第二循环系统。

所述的第一测量室与第一储液罐之间通过三条管道相连，其中一条管道 上安装第一循环泵；第二测量室与第二储液罐之间通过三条管道相连，其中 一条管道上安装第二循环泵；管道与第一测量室和第二测量室相连的部分均 安装有用于控制溶液流速的旋塞阀。

所述的第一储液罐和第二储液罐中装有盐溶液，且其中一个储液罐中盐 溶液的浓度与岩样饱和浓度相同，另一个储液罐中盐溶液的浓度小于岩样饱 和浓度。

所述的差分放大滤波电路包括四个级联的运算放大器及相应的滤波电 路；第一测量电极和第二测量电极分别连接到第一运算放大器和第二运算放 大器的正相输入端；第一测量电极和第二测量电极与地之间设置有第一滤波 电路；第一运算放大器和第二运算放大器的反相输入端之间设置有开关；

第一运算放大器的输出端连接到第三运算放大器的反相输入端上，第二 运算放大器的输出端连接到第三运算放大器的正相输入端上；第三运算放大 器的输出端通过第二滤波电路连接到第四运算放大器的正相输入端上，第四 运算放大器的输出端为信号输出端与ADC的输入端相连。

所述的第一滤波电路包括并联第一电容和第一电阻以及并联的第二电容 和第二电阻；第二滤波电路包括第三电容、第四电容以及依次串联的第三电 阻、第四电阻和第五电阻；第三电容和第四电容的一端均接地，第三电容的 另一端连接到第三电阻和第四电阻之间，第四电容的另一端连接到第五电阻 和第四运算放大器的正相输入端之间。

一种实验室岩样群自然电位自动控制测量方法，包括以下步骤：

1)将测量过电极电位V_dj的测量电极分别放置于各个岩样装置的测量室 中，将已饱和浓溶液的岩样放置于岩样室中，岩样室加围压使得岩样两端的 溶液不能直接连通；

2)在岩样两端的储液罐中，一边加入与岩样饱和浓度一致的浓溶液，一 边加入淡溶液；

3)将各岩样的采样起始按键开关均处于闭合状态，使各Si、Pi输入端短 路；

4)打开自动测量仪和计算机，打开岩样自然电位自动控制测量软件至测 量等待状态，对不同样品选择不同的放大倍数；输入每块岩样的岩性参数、 环境因素参数；岩样参数包括井号、岩心长度以及岩心直径；环境因素包括 温度、电极电位Vdj、测量人员以及测量日期；

5)选择“人工监测”或“自动智能监测”；若选择“自动智能监测”，则 要设置自动智能控制参数，设置初始采样点间隔时间T₀、计算判断的数据点 数n、采样间隔时间调整步长⊿T、调整采样间隔时间的判定值x₀、测量结束 的判定值y₀、y₁或y₂；其中，计算判断的数据点数n为自动智能监测中所选 取的计算点数；

6)运行自动控制测量程序，开始采集数据，这时采集的数据即为测量系 统的零偏电位V_0i；

7)依次先后启动各岩样两端浓溶液和淡溶液的循环泵，当第i块岩样两 端的电极室充满溶液后，此时立即将其采样起始按键开关断开，其后采集的 数据即为自然电位与电极电位和零偏电位的总电位值V_xi(t)；

8)若选择“人工监测”，根据数据采集情况人工调整采样间隔时间和结 束采样；当采样的自然电位值由小变大，逐渐达到动态平衡不再增大，之后 可能再缓慢减小，这时结束测量；

若选择“自动智能监测”，当满足自动调整采样时间间隔的判定条件时， 程序自动调整采样时间间隔；当满足测量结束的判定条件时，则控制测量程 序将判定此时测量的自然电位值已趋于稳定达到动态平衡状态，测量系统自 动结束测量；

9)保存数据文件。

所述自然电位值的计算方法具体为：

测量系统第i块岩样的采集电位Vxi为：

Vxi(t)＝(Vspi(t)+Vdi)×Aij+Voi，i＝1,2,…n   (1)

Vspi(t)为自然电位平衡过程中的动态值，Vdi为该岩样测量电极对的电极 电位，Aij为宽动态范围高精度测量放大电路第j道的放大倍数，Voi为按键 开关闭合时测量系统采集到的零偏值；

数据处理中，当︱Vxi(t)-Voi︱≧0.1mv时该点即为自然电位有效测量点 的起始值；

第i块岩样的自然电位整个动态平衡过程为：

$\mathrm{Vspi}\left(t\right)=\frac{\mathrm{Vxi}\left(t\right)-\mathrm{Voi}}{\mathrm{Aij}}-\mathrm{Vdi},i=\mathrm{1,2},...n---\left(\text{2}\right)$

当测量满足结束判定条件时，自动智能监测数据采集便自动停止，自然 电位测量自动结束；

Vspti＝max{︱Vspi(t)︱}   (3)

Vspti值所对应的采集时间点为ti，第i块岩样的自然电位值Vspi为：

Vspi＝Vspi(ti)   (4)。

所述的自动调整采样时间间隔的判定条件为：

岩样的自然电位信号有效采样后，每间隔1分钟取10个连续采样点的数 据平均值进行对比，看是否满足调整采样间隔时间的判定条件，如满足条件， 则自动调整采样时间间隔，具体根据下式

$U_{x1}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{x}_i---\left(\text{5}\right)$

$U_{x2}=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{x}_j---\left(\text{6}\right)$

其中，x_i为第i点的采样值，x_j为第j点的采样值，U_x1为1分钟前n个连 续采样点的平均值，单位为mV；U_x2为当前n个连续采样点的平均值，单位 为mV；故实时调整自动采样间隔时间的判定条件为：

|U_x2-U_x1|≤x₀   (7)。

所述测量结束的判定条件为：

采样后，每间隔30分钟取n个采样点的数据进行对比，看是否满足测量 结束的判定条件，如满足测量结束的判定条件，则自动结束测量；

测量结束的判定条件为：

|U_z2-U_z1|≤y₀   (8)

或

$\frac{|U_{z2}-U_{z1}|}{\left|U_{z1}\right|+y_1}\le y_2---\left(9\right)$

其中，U_z1为30分钟前n个连续采样点的平均值，单位为mV；U_z2为当 前n个连续采样点的平均值，单位为mV。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明为室内和野外岩样自然电位的测量提供了一种宽动态范围高精度 且一批样品可以同时测量的智能自动控制测量仪器，通过将若干岩样装置同 时连接到同一测量仪上，可同时测量一批岩样在两端不同浓度溶液下所形成 的扩散吸附电位—自然电位，也可记录一批样品在两端溶液存在着压力差时 所形成压渗电位的整个动态平衡过程并获得最终压渗电位。每块样品的测量 都具备宽动态范围和高精度。本发明既可保证测量的高精度又避免了多路放 大采集再进行比较选优的繁琐，也节约了单块样品的采集时间和数据存储空 间，在不降低测量精度的情况下，有望进一步降低产品成本和采样效率，可 同时测量的岩样也更多。

进一步的，本发明在测量电极之间设置按键开关，使得仪器校零和测量 融为一体，免去了人工单独校零和自然电位采样起始值的繁琐判定工序，而 且采集的数据中，零偏电位为一固定值，程序可以很容易以此为特征值判断 开始变化的自然电位的起始测量值，方便自动处理，节约了测量和数据处理 人员的大量时间。同时，设置各样品的起始按键开关也使得岩样群的测量容 易实现且互不干扰，一批样品的自然电位可用同一台电脑和自动控制测量仪 同时测量，虽然每台岩样装置循环泵的启动时间不同，而共用的测量软件是 一次性运行的，但在设置了各岩样起始按键开关后丝毫不会影响各岩样自然 电位的测量起始时间的判断，也不会影响岩样的测量结果。

进一步的，本发明DSP上连接有液晶显示屏，可通过测量仪面板上的液 晶显示操作界面进行控制、测量和数据处理，也可通过串行总线或USB接口 与PC计算机之间进行命令和数据的双向交换，通过人机界面方便地实施操作 和数据处理，使测量适应多种测量环境的需求。

进一步的，本发明第一测量电极和第二测量电极采用不易极化的可逆电 极，避免测量结果受不稳定电极电位的影响。

进一步的，本发明设计了两种工作模式，分为人工监测和自动智能监测 两种工作模式，通过人机界面可方便地实施操作和控制，采样时间间隔可在 测量过程中人工或自动智能实时修改，根据数据采样情况进行调整，以适应 不同岩性样品测量的需要。在自动智能监测工作模式下，通过设计实时调整 采样时间间隔的判定条件和测量结束的判定条件及计算方法，测量软件可自 动进行计算和判断，使得自动智能控制测量成为可能。

进一步的，本发明通过在储液罐中装入不同浓度的盐溶液，可用于在不 破坏岩样结构的状态下分析岩样的阳离子交换量，用于分析岩样的自然电位 与饱和水电阻率和阳离子交换量之间的关系，这一方面有助于使测井资料中 校正粘土对电阻率的影响成为现实，特别可用于水淹层评价和低电阻率油层 评价，另一方面可为钻井工作和开发中的油层保护提供设计依据。

附图说明

图1为本发明的连接关系示意图；

图2为本发明一个岩样装置的结构示意图；

图3为本发明差分放大滤波电路的电路图；

图4为本发明测试方法的流程图。

其中：1为第一测量电极；2为第二测量电极；3为岩样室；4为第一测 量室；5为第二测量室；6为第一储液罐；7为第二储液罐；8为第一循环泵； 9为第二循环泵；10为旋塞阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明由以下四个部分组成：岩样装置及自然电位采样起始按 键开关、测量放大和A/D采集电路、自动控制测量电路、液晶显示操作界面 和PC计算机人机界面。其特征在于：

1)在本发明的岩样群装置中，采用了不易极化的可逆电极，避免测量结 果受不稳定电极电位的影响。将岩样置于岩样室后，岩样室加围压使得岩样 两端的溶液不能直接连通，在岩样两端的储液罐中，一边加入与岩样饱和浓 度一致的浓溶液，一边加入淡溶液。对两端溶液进行循环，避免岩样端面附 近的溶液发生局部浓度变化而影响测量结果；

2)本发明设计了校零及自然电位采样起始按键开关(Kspi)，通过按键开 关将各岩样自然电位信号分别接入各自的宽动态范围高精度测量放大滤波电 路中，该起始按键开关使得仪器校零和测量融为一体，免去了人工单独校零 和自然电位采样起始值的繁琐判定工序。岩样自然电位的计算采用发明内容 里所描述的公式(1)至(4)；

3)本发明对每块岩样的测量都设计了宽动态范围高精度测量放大滤波电 路，该放大滤波电路有多个不同的放大倍数可选，针对不同岩样及其两端不 同的浓度差选择不同的放大倍数，或者也可采用多路放大滤波通道同时测量 并自动寻优取最佳放大倍数通道且未溢出的值，这样就可以获得较高的信噪 比，提高检测信号的精度，使每块样品的测量都具备宽动态范围和高精度。 但前一种方式比后一种方式更节约采集时间和数据存储空间，在不降低测量 精度的情况下，有望进一步降低产品成本和采样效率，可同时测量的岩样也 更多；

4)本发明设计将每个差分放大滤波电路的输出端均连接到ADC的输入 端上，ADC用于分时选择接通每道差分放大滤波后的信号，并进行A/D数字 转换后传送给FPGA；FPGA的输出端与DSP相连，将ADC采样的信息传送 给DSP；DSP将数据处理后传送给PC计算机或测量仪面板上的液晶显示屏。 本发明可通过测量仪面板上的液晶显示操作界面进行控制、测量和数据处理， 也可通过串行总线或USB接口与PC计算机之间进行命令和数据的双向交换， 通过人机界面方便地实施操作和数据处理，使测量适应多种测量环境的需求；

5)本发明设计了两种工作模式，分为人工监测和自动智能监测两种工作 模式，通过人机界面可方便地实施操作和控制，采样时间间隔可在测量过程 中人工或自动智能实时修改，根据数据采样情况进行调整，以适应不同岩性 样品测量的需要。在自动智能监测工作模式下，通过设计实时调整采样时间 间隔的判定条件和测量结束的判定条件及计算方法，测量软件可自动进行计 算和判断，使得自动智能控制测量成为可能。

6)本发明可同时记录一批样品在两端不同浓度溶液下所形成的扩散或扩 散——吸附电位整个动态平衡过程并获得最终自然电位，也可记录一批样品 在两端溶液存在着压力差时所形成压渗电位的整个动态平衡过程并获得最终 压渗电位。

具体的，本发明包括带有第一测量电极1和第二测量电极2的若干岩样 装置、ADC、FPGA和DSP；每个岩样装置的测量电极分别连接有差分放大 滤波电路，每个差分放大滤波电路的输出端均连接到ADC的输入端上，ADC 用于分时选择接通每道差分放大滤波后的信号，并进行A/D数字转换后传送 给FPGA；第一测量电极1和第二测量电极2均采用不易极化的可逆电极，且 第一测量电极1和第二测量电极2之间均设置有用于校零测量和控制自然电 位采样起始的按键开关Kspi。FPGA的输出端与DSP相连，将ADC采样的信 息传送给DSP；DSP将数据处理后传送给PC计算机或测量仪面板上的液晶显 示屏，通过PC计算机或者液晶显示屏的操作界面进行控制、测量和数据处理。 DSP和PC计算机或者液晶显示屏之间可进行命令和数据的双向交换，通过总 线或USB接口与DSP相连。

如图2所示，本发明岩样装置包括岩样室3、第一测量室4、第二测量室 5、第一储液罐6和第二储液罐7；第一测量室4和第二测量室5分别设置于 岩样室3两侧，并通过岩样室3中的岩样渗透相连；第一测量室4与第一储 液罐6通过管道以及设置于管道上的第一循环泵8形成第一循环系统；第二 测量室5与第二储液罐7通过连接管道以及设置于管道上的第二循环泵9形 成第二循环系统。第一测量室4与第一储液罐6之间通过三条管道相连，其 中一条管道上安装第一循环泵8；第二测量室5与第二储液罐7之间通过三条 管道相连，其中一条管道上安装第二循环泵9。管道与第一测量室4和第二测 量室5相连的部分均安装有用于控制溶液流速的旋塞阀10。第一储液罐6和 第二储液罐7中装有盐溶液，且其中一个储液罐中盐溶液的浓度与岩样的饱 和溶液的浓度相同，另一个储液罐中盐溶液的浓度小于岩样的饱和溶液的浓 度。其中，第一储液罐6和第二储液罐7中加入的盐溶液均为具有游离离子 的盐溶液。

如图3所示，本发明差分放大滤波电路包括四个级联的运算放大器及相 应的滤波电路；第一测量电极1和第二测量电极2分别连接到第一运算放大 器A1和第二运算放大器A2的正相输入端；第一测量电极1和第二测量电极 2与地之间设置有第一滤波电路；第一运算放大器A1和第二运算放大器A2 的反相输入端之间设置有开关Ki；第一滤波电路包括并联第一电容C1和第 一电阻R2以及并联的第二电容C2和第二电阻R3；

第一运算放大器A1的输出端连接到第三运算放大器A3的反相输入端 上，第二运算放大器A2的输出端连接到第三运算放大器A3的正相输入端上； 第三运算放大器A3的输出端通过第二滤波电路连接到第四运算放大器A4的 正相输入端上，第四运算放大器A4的输出端为信号输出端与ADC的输入端 相连。第二滤波电路包括第三电容C3、第四电容C5以及依次串联的第三电 阻R10、第四电阻R11和第五电阻R12；第三电容C3和第四电容C5的一端 均接地，第三电容C3的另一端连接到第三电阻R10和第四电阻R11之间， 第四电容C5的另一端连接到第五电阻R10和第四运算放大器A4的正相输入 端之间。

如图4所示，本发明实验室岩样群自然电位自动控制测量方法，包括以 下步骤：

1)将测量电极在测量了它们之间的电极电位Vdj后，分别放置于各个岩 样装置的测量室中，将已饱和浓溶液的岩样放置于岩样室中，岩样室加围压 使得岩样两端的溶液不能直接连通。

2)在岩样两端的储液罐中，一边加入与岩样饱和浓度一致的浓溶液，一 边加入淡溶液。

3)将各岩样的采样起始按键开关均处于闭合状态，使各Si、Pi输入端短 路。

4)打开自动测量仪和计算机，打开岩样自然电位自动控制测量软件至测 量等待状态，对不同样品选择不同的放大倍数。输入每块岩样的岩性参数、 环境因素参数。岩样参数输入井号、岩心长度和岩心直径等。环境因素输入 温度、电极电位Vdj、测量人员、测量日期等。

5)可选择“人工监测”或“自动智能监测”。若选择“自动智能监测”， 则要设置自动智能控制参数，设置初始采样点间隔时间T₀、计算判断的数据 点数n(自动智能监测中所选取的计算点数)、采样间隔时间调整步长⊿T、调 整采样间隔时间的判定值x₀、测量结束的判定值y₀或测量结束的判定值y₁、 y₂。

6)运行自动控制测量程序，开始采集数据，这时采集的数据即为测量系 统的零偏电位Voi。

7)依次先后启动各岩样两端浓溶液和淡溶液的循环泵，当第i块岩样两 端的电极室充满溶液后，此时立即将其采样起始按键开关断开，其后采集的 数据即为自然电位与电极电位和零偏电位的总电位值Vxi(t)。

8)若选择“人工监测”，可根据数据采集情况人工调整采样间隔时间和 结束采样。当采样的自然电位值(扩散吸附电位)由小变大，逐渐达到动态 平衡不再增大，之后甚至有可能再缓慢减小，这时可结束测量。

9)若选择“自动智能监测”，当满足自动调整采样时间间隔的判定条件 时，程序自动调整采样时间间隔。当满足测量结束的判定条件时，则控制测 量程序将判定此时测量的自然电位值已趋于稳定达到动态平衡状态，测量系 统自动结束测量。

10)测量程序利用公式(1)～(4)式对采集值进行计算处理便可自动得 出各样品的自然电位值。

11)保存数据文件。

测后工作

12)停泵后将左、右测量室中的氯化钠溶液分别放入左、右储液罐中。

13)出测量电极放入饱和氯化钾溶液中待用。

14)泄围压，从岩样室内取出岩样，放入岩样罐中保存。

本发明的原理：

1.岩样装置及自然电位采样起始按键开关

图1为岩样群自然电位自动控制测量仪连接示意图。岩样群自然电位自 动控制测量仪主要由岩样群装置、校零和自然电位采样起始按键开关、宽动 态范围高精度测量放大滤波电路、切换电路及A/D采集、FPGA和控制信号、 DSP和液晶驱动电路、液晶显示操作界面和PC计算机组成。

图2为单台岩样装置——岩样室及溶液循环系统示意图。每个岩样室及 溶液循环系统主要由旋塞阀10、第一测量电极1、第二测量电极2、岩样室3、 第一测量室4、第二测量室5、第一循环泵8、第二循环泵9、第一储液罐6 和第二储液罐7组成。通过调节旋塞阀10可控制水流的大小。

在岩样群装置中，各台装置的第一测量电极1和第二测量电极2均采用 不易极化的可逆电极，在测量了它们之间的电极电位Vdj后，分别放于第一 测量室4和第二测量室5中，将已饱和浓溶液的岩样置于岩样室3中，岩样 室加围压使得岩样两端的溶液不能直接连通，在岩样两端的第一储液罐6和 第二储液罐7中，一边加入与岩样饱和浓度一致的浓溶液，一边加入淡溶液。

如图2的校零和自然电位采样起始按键开关所示，在各个岩样装置的测 量电极Si、Pi之间设置一独立按键开关Kspi(i＝1,2,……n)，先将各岩样的按 键开关均处于闭合状态，使Si、Pi输入端短路，运行自动控制测量程序开始 测量采集，这时采集的数据即为测量系统的零偏电位Voi。再依次先后启动各 岩样两端浓溶液和淡溶液的循环泵，将溶液进行循环，以免岩样端面附近的 溶液发生局部浓度变化而影响测量结果，当第i块岩样两端的溶液浸没岩样及 测量电极后，岩样两端便会产生扩散或扩散——吸附电位，也即自然电位(俗 称薄膜电位)。此时立即将其按键开关断开，其后采集的数据即为自然电位与 电极电位和零偏电位的总电位值Vxi(t)。

在自然电位的测量过程中，如果先装好各岩样并启动循环泵使溶液浸没 至测量电极后，再去运行测量程序，则对于那些渗透性较好的岩样，可能会 错过了岩样自然电位最大值的采样时机，因渗透性好的岩样，浓溶液会很快 扩散到淡溶液一端使得淡溶液一端的溶液多少会发生一些改变而使自然电位 值逐步降低。所以实际测量过程中，需要在溶液循环之前先运行测量程序， 以保证测量结果的可靠。

如果没有设置起始按键开关Kspi，则不仅要先进行测量系统的零偏测量， 且起始数据均为无规律可寻的干扰信号，需要人工去除干扰信号并非常困难 的去判断自然电位的起始测量值，这很容易出错也会影响自然电位的处理结 果。

测量系统第i块岩样的采集电位Vxi为：

Vxi(t)＝(Vspi(t)+Vdi)×Aij+Voi，i＝1,2,…n   (1)

Vspi(t)为自然电位平衡过程中的动态值，Vdi为该岩样测量电极对的电极 电位，Aij为宽动态范围高精度测量放大电路第j道的放大倍数，Voi为按键 开关闭合时测量系统采集到的零偏值。

数据处理中，当︱Vxi(t)-Voi︱≧0.1mv时该点即为自然电位有效测量点 的起始值。

第i块岩样的自然电位整个动态平衡过程为：

$\mathrm{Vspi}\left(t\right)=\frac{\mathrm{Vxi}\left(t\right)-\mathrm{Voi}}{\mathrm{Aij}}-\mathrm{Vdi},i=\mathrm{1,2},...n---\left(2\right)$

当测量满足结束判定条件时，自动智能监测数据采集便自动停止，自然 电位测量自动结束。

Vspti＝max{︱Vspi(t)︱}   (3)

Vspti值所对应的采集时间点为ti，第i块岩样的自然电位值Vspi为：

Vspi＝Vspi(ti)   (4)

2.测量放大和A/D采集电路

如图1，每块岩样的测量信号通过各自的校零及自然电位采样起始按键开 关分别接入各自的宽动态范围高精度测量放大滤波电路中，针对不同岩样及 其两端溶液不同的浓度差选择不同的放大倍数，低通滤波电路用来消除工频 干扰。或者每块岩样都采用多路放大滤波通道同时测量，通过通道切换开关， 采用分时方式选择接通每道差分放大滤波后的信号并进行A/D数字转换后传 送给FPGA，FPGA接收ADC采样的信息后将信息传送给DSP，在DSP系统 中对每块岩样采集的数值进行自动寻优处理，取最佳放大倍数通道且未溢出 的值进行还原处理并传送到液晶屏或PC计算机，由此就可获得较高的信噪 比，使每块样品的测量都具备宽动态范围和高精度。

3.自动控制测量电路

如图1，该测量系统采用DSP和FPGA自动控制岩样群自然电位的同时 测量，DSP是测量系统的通讯中心，也是测量电路的控制中心，由DSP发送 控制指令给FPGA，再由FPGA控制通道切换开关的选通及接收A/D转换数 字信号。

DSP自动控制测量电路既可通过串行总线或USB接口与PC计算机之间 进行命令和数据的双向交换，通过PC计算机人机界面方便地实施操作和数据 处理。DSP也可与液晶显示器之间进行命令和数据的双向交换，通过触摸屏 实现人机交互，DSP对检测数据进行相应的数值处理和图形处理后，通过液 晶屏对采集的数据实时显示，使测量能适应多种测量环境的需求。

4.液晶显示操作界面和PC计算机人机界面

实验室岩样群自然电位自动控制测量仪的操作界面包括液晶显示操作界 面和PC计算机人机界面两种管理方式，PC计算机人机界面又分为人工监测 和自动智能监测两种工作模式。

液晶显示操作界面和PC计算机人机界面主要有人工监测参数设置、自动 智能监测参数设置、岩样参数及环境因素输入、控制参数设置、数据处理及 保存等。岩石参数主要包括岩石井号、阳离子交换量、岩样两端溶液浓度、 孔隙度、渗透率、岩心长度和岩心直径等，环境因素主要包括测量温度、电 极电位Vdj、各样品的测量放大倍数、压力、测量人员、测量日期等。控制参 数主要包括初始采样点间隔时间T₀、计算判断的数据点数n(自动智能监测 中所选取的计算点数)、采样间隔时间调整步长⊿T、调整采样间隔时间的判 定值x₀、测量结束的判定值y₀或测量结束的判定值y₁、y₂。

这两种人机界面的人工监测方式下，控制参数设置主要完成每块岩样的 预设采样间隔时间等，通过人工方式开始测量，测量过程中可根据当前数据 采集的情况人工设定新的采样间隔时间，根据测量结果判断是否人工结束测 量。自然电位测量可以结束的人工判定依据为：采样的自然电位值(扩散或 扩散——吸附电位)由小变大，逐渐达到动态平衡不再增大，之后甚至有可 能再缓慢减小，这时采样可人工结束并保存整个扩散——吸附电位的动态平 衡过程中的测量数据。

该系统具有一定的智能性，在自动智能监测方式下，需要输入所有的控 制参数，测量系统自动依据当前采集的数据自动判断是否需要调整新的采样 间隔时间，根据测量结束条件进行判断，如果符合条件则自动结束测量，这 对于自然电位动态平衡时间较长的岩样的测量为测量人员带来了方便。自动 智能监测方式下，测量结束命令也可由人工实施，以适应不同岩性样品测量 的需要，操作灵活方便。

测量系统可自动记录自然电位测量仪的零偏值及整个扩散——吸附电位 的动态平衡过程，自然电位的最终结果在进行数字滤波及自动测量仪的零偏 和电极电位校正后，其最大幅度值即为该岩样在该状态下的自然电位值。

本发明为室内和野外岩样群自然电位的测量提供一种宽动态范围高精度 且一批样品可以同时测量的智能自动控制测量仪。该仪器可同时记录一批样 品的扩散或扩散——吸附电动势的整个动态平衡过程并最终获得自然电位， 也可记录一批样品在两端溶液存在着压力差时所形成的压渗电位的整个动态 平衡过程并最终获得压渗电位。该仪器的测量方法可用于在不破坏岩石结构 的状态下分析岩样的阳离子交换量，用于分析岩样的自然电位与饱和水电阻 率和阳离子交换量之间的关系，这一方面有助于使测井资料中校正粘土对电 阻率的影响成为现实，特别可用于水淹层评价和低电阻率油层评价，另一方 面可为钻井工作和开发中的油层保护提供设计依据。

实施例：

在实施例1中，选择10块岩样同时测量的例子，并选择图3的差分放大 滤波电路以及自动智能监测方式。图3为单块样品的宽动态范围高精度测量 放大电路，其自然电位信号的放大倍数可独立选择，在此种差动放大电路时， 控制参数设置中需要输入所选择的放大倍数。如图中所示，采用波段开关Ki， 针对不同的岩样，根据岩样两端的浓度差来选择测量通道的放大倍数，简单 实用。

如图3，选取5路差分放大，其放大增益为30、55、105、205和505。 该放大滤波电路的电阻设置为：R5＝R6＝R9＝R10＝10KΩ，R7＝R8＝2KΩ，对于 样品i，其放大增益公式为：

$\mathrm{Aij}=(1+\frac{R5+R6}{\mathrm{Rij}})\frac{R9}{\text{R7}}---\left(5\right)$

取电阻Ri1＝4KΩ，则增益Ai1＝30；

Ri2＝2KΩ，则增益Ai2＝55；

Ri3＝1KΩ，则增益Ai3＝105；

Ri4＝500Ω，则增益Ai4＝205；

Ri5＝200Ω，则增益Ai5＝505。

实验室测得的纯砂岩的自然电位为：

$E_d=K_d\lg \frac{C_w}{C_m}---\left(\text{6}\right)$

当温度为18℃时，对于NaCl溶液，K_d＝－11.6mV。

砂泥岩的自然电位为：

$E_{\mathrm{da}}=K_{\mathrm{da}}\lg \frac{C_w}{C_m}---\left(\text{7}\right)$

极限情况下，当岩样为泥岩Qv→∞时，在温度为18℃时，K_da的上限等 于58mV，当C_w和C_m相差10000倍时，泥岩的自然电位等于232mV，这种 情况下，放大倍数就可选择30倍档。一般情况下，K_da在－11.6mV(Qv＝0) 和58mV(Qv→∞)之间变化。对含泥量较少的样品，当C_w和C_m相差100 倍时，放大倍数就可选择205倍档。其它也依此类推，按公式(6)或公式(7) 计算，估算选择放大倍数。

在本实施例中，在此采用PC计算机自动智能监测方式，每块岩样自动智 能监测的控制参数设置可以不同，实时调整自动采样间隔时间的判定条件和 测量结束的判定条件也可以不同，但方法同理。取一块岩样为例，本例的自 动智能监测的参数设置为：

预设初始采样点间隔时间T₀：30mS

计算判断的数据点数n(自动智能监测中所选取的计算点数)：10

采样间隔时间调整步长⊿T：50mS

调整采样间隔时间的判定值x₀：1.5mV

测量结束的判定值y₀：0.5mV

测量结束的判定值y₂：5％

实时调整自动采样间隔时间的判定条件和测量结束的判定条件采用以下 方法进行计算和判断。

自动智能调整采样时间间隔的判定条件和判定方法：

岩样的自然电位信号有效采样5分钟(该时间可任意设定)后，每间隔1分 钟取10个连续采样点的数据平均值进行对比，看是否满足调整采样间隔时间 的判定条件，如满足条件，则自动调整采样时间间隔。

$U_{x1}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{x}_i---\left(\text{8}\right)$

$U_{x2}=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{x}_j---\left(\text{9}\right)$

x_i为第i点的采样值，x_j为第j点的采样值，此例中n取10，U_x1为1分 钟前10个连续采样点的平均值，单位为mV；U_x2为当前10个连续采样点的 平均值，单位为mV。

实时调整自动采样间隔时间的判定条件为

|U_x2-U_x1|≤x₀   (10)

x₀值可以根据需要来设定。此例设定为1.5mV。

此例的初始采样时间间隔T₀设为30mS，当采样满足公式(8)时，则自 动调整采样时间间隔T，新的采样时间间隔T调整为：

T＝T₀+⊿T   (11)

之后即在程序中执行：

T₀＝T   (12)

如此不断循环。⊿T为自动采样间隔时间调整步长，可依据各地区的岩性 特征来设定。此例设为50mS。

测量结束的判定条件和判定方法：

采样2小时(该时间可任意设定)后，每间隔30分钟(该时间可任意设定) 取10～20个采样点(此例设为10个采样点)的数据进行对比，看是否满足测量 结束的判定条件，如满足测量结束的判定条件，则自动结束测量。

测量结束的判定条件为：

|U_z2-U_z1|≤y₀   (13)

或

$\frac{|U_{z2}-U_{z1}|}{\left|U_{z1}\right|+y_1}\le y_2---\left(14\right)$

其中，U_z1为30分钟前10个连续采样点的平均值，单位为mV。U_z2为当 前10个连续采样点的平均值，单位为mV。

y₀、y₂值可以根据需要来设定。建议y₀设定为0.5mV，y₂设定为5％。y₁值可根据需要来设定。建议当岩样两端浓度差小于或等于20倍时，y₁设定为 20mV；当岩样两端浓度差大于20倍时，建议设定为30mV。加入y₁是为了 避免U_z1和U_z2为零值的情况，或者处在零值附近时，由于还有干扰和溶液循 环造成的微小波动，也可能会使得测量值出现零的情况，从而使得式(14) 出现奇异点而发生死机现象。自然电位测量过程中，当测量满足结束的判定 条件时，则可认为此时测量的自然电位值已趋于稳定达到动态平衡状态，测 量系统自动结束测量。

实施例1中，10块岩样自然电位同时测量的实施步骤为：

1)在10套岩样装置中，各台装置的测量电极均采用不易极化的可逆电 极(建议采用Ag—AgCl可逆电极)，在测量了它们之间的电极电位Vdj后， 分别放于测量室中，将已饱和浓溶液的岩样置于岩样室中，岩样室加围压使 得岩样两端的溶液不能直接连通，建议围压加1.0MPa～1.2MPa。在岩样两端 的储液罐中，一边加入与岩样饱和浓度一致的浓溶液，一边加入淡溶液。

2)打开岩样自然电位自动控制测量软件至测量等待状态，输入每块岩样 的岩性参数、环境因素及控制测量参数。岩样参数输入岩样井号、阳离子交 换量、岩样两端溶液浓度、岩样饱和溶液浓度、孔隙度、渗透率、岩心长度 和岩心直径等。环境因素输入测量温度、电极电位Vdj、各样品的测量放大倍 数、压力、测量人员、测量日期等。此实施例中，选择“自动智能监测控制测 量参数设置”，控制参数设置初始采样点间隔时间T₀、计算判断的数据点数n (自动智能监测中所选取的计算点数)、采样间隔时间调整步长⊿T、调整采 样间隔时间的判定值x₀、测量结束的判定值y₀或测量结束的判定值y₁、y₂。

3)将各岩样的采样起始按键开关均处于闭合状态，使各Si、Pi输入端短 路，运行自动控制测量程序开始采集数据，这时采集的数据即为测量系统的 零偏电位Voi。依次先后启动各岩样两端浓溶液和淡溶液的循环泵，当第i块 岩样两端的电极室充满溶液后，岩样两端便会产生扩散或扩散——吸附电位， 也即自然电位(俗称薄膜电位)。此时立即将其采样起始按键开关断开，其后 采集的数据即为自然电位与电极电位和零偏电位的总电位值Vxi(t)。

4)当测量满足结束的判定条件时，则可认为此时测量的自然电位值已趋 于稳定达到动态平衡状态，测量系统自动结束测量。

5)测量程序利用公式(1)～(4)式对采集值进行计算处理便可自动得 出各样品的自然电位值。

6)自动实时数据保存，可以图示方式随时回放测量数据。

本发明硬件包含四个部分：岩样装置及自然电位采样起始按键开关、测 量放大和A/D采集电路、自动控制测量电路、液晶显示操作界面和PC计算 机人机界面，具体的：

1)在岩样群装置中，各岩样装置的第一测量电极1和第二测量电极2均 采用不易极化的可逆电极，避免测量结果受不稳定电极电位的影响。将岩样 置于岩样室3后，岩样室加围压使得岩样两端的溶液不能直接连通，在岩样 两端的第一储液罐6和第二储液罐7中，一边加入与岩样饱和浓度一致的浓 溶液，一边加入淡溶液。对两端溶液进行循环如，避免岩样端面附近的溶液 发生局部浓度变化而影响测量结果；

2)将各岩样自然电位信号通过各自的校零及自然电位采样起始按键开关 Ksp分别接入各自的宽动态范围高精度测量放大滤波电路中，针对不同岩样及 其两端不同的浓度差选择不同的放大倍数，可在很宽的动态范围内获得较高 的测量精度；该起始按键开关使得仪器校零和测量融为一体，免去了人工单 独校零和自然电位采样起始值的繁琐判定工序。岩样自然电位的计算采用公 式(1)至(4)；

3)自动控制测量系统自动控制一批岩样自然电位的同时测量，在每块岩 样的宽动态范围高精度测量放大滤波电路中，每路差分放大的放大倍数不同， 针对不同岩样及其两端不同的浓度差选择不同的放大倍数，或者多路放大滤 波通道同时测量并自动寻优取最佳放大倍数通道且未溢出的值，就可以获得 较高的信噪比，提高检测信号的精度，使每块样品的测量都具备宽动态范围 和高精度，极大提高了岩样自然电位的测量效率；

4)该仪器可通过测量仪面板上的液晶显示操作界面进行控制、测量和数 据处理，也可通过串行总线或USB接口与PC计算机之间进行命令和数据的 双向交换，通过人机界面方便地实施操作和数据处理，使测量适应多种测量 环境的需求；

5)该仪器具有一定的智能性，液晶显示操作界面和PC计算机人机界面 都具备两种工作模式——分为人工监测和自动智能监测两种工作模式，通过 人机界面可方便地实施操作和控制，采样时间间隔可在测量过程中人工或自 动智能实时修改，根据数据采样情况进行调整，以适应不同岩性样品测量的 需要(有的岩样测量只需半小时，有的岩样则需八小时以上才能达到动态平 衡值)。在自动智能监测工作模式下，实时调整采样间隔时间的判定条件和测 量结束的判定条件采用发明内容里所描述的方法进行计算和判断。公式(8) 至(10)作为自动调整采样间隔时间的判定条件，公式(13)或(14)作为 测量结束的判定条件；

6)该仪器可同时记录一批样品在两端不同浓度溶液下所形成的扩散或扩 散——吸附电位整个动态平衡过程并获得最终自然电位，也可记录一批样品 在两端溶液存在着压力差时所形成压渗电位的整个动态平衡过程并获得最终 压渗电位。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围， 凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落 入本发明权利要求书的保护范围之内。