基于磁性液体的岩样总体积测试方法

鲍云杰，鲍芳，李志明

（1.中石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏无锡214151；2.中石化油气成藏重点实验室，江苏无锡214151）

基于磁性液体的岩样总体积测试方法

鲍云杰1，2，鲍芳1，2，李志明1，2

（1.中石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏无锡214151；2.中石化油气成藏重点实验室，江苏无锡214151）

针对现有浮力法测定岩样总体积受人为因素影响大，以及丈量法测定岩样总体积对岩样外形严格限定的缺点，提出了岩样总体积测试的双密度测定计算公式。在实验验证的基础上，利用磁性液体在磁场作用下密度可变、可控的特性，探索设计了基于磁性液体的岩样总体积测定装置，建立了基于磁性液体的岩样总体积测定方法和流程。这种新方法对于减小测定岩样总体积过程中的人为误差、提高测试精度等方面均具有一定的优势，具有良好的推广应用前景。

岩样总体积；磁性液体；测定装置

0 引言

岩样孔隙度的分析测试是油气地质研究的一项重要基础工作。当前实验室岩样孔隙度测定过程中，应用较多的是测定岩样总体积、骨架体积和孔隙体积中的两个参数之后，按照孔隙度定义计算岩样孔隙度。岩样总体积的测定，是岩样孔隙度测定的重要环节，现有岩样总体积测定方法主要有以下两种。①浮力法：称取岩样在已知比重的煤油中的重量，将岩样从煤油中取出，擦除岩样表面的煤油，称取岩样在空气中的重量。岩样在空气中和在煤油中重量的差值，除以煤油的比重，就可以得到岩样的总体积。②丈量法：当待测岩样外形为规则形状时，丈量几何尺寸后按体积计算公式计算岩样的体积。

为提高岩样孔隙度测试精度、工作效率，前人进行了众多的研究探索。黄福堂等1995年公开了一种总体积测定气体法［1］：岩心夹持器内橡胶衬套，每次测量样品时，以抽真空的方法，使橡胶衬套贴紧岩样，尽量接近真实。用以波－马定律为基础的气体平衡法，测量出岩样和橡胶衬套的体积，再减去橡胶衬套的体积，就可以得到岩样的总体积。沈亚光 （2001）研制了数字自动滴定仪及与其配套的液位传感器，使岩屑体积测定过程实现了自动化［2］。

随着页岩油气勘探开发研究工作的深入，岩样总体积测量的对象发生了很大变化，泥岩、页岩等岩样的测试工作量越来越大。与泥岩、页岩易于破碎的特点相比，现有岩样总体积测定技术存在以下不足：①取得外形规则的岩样比较困难，使丈量法的应用受到限制；②在浮力法中，在称取液体浸泡后岩样在空气中的重量时，要擦除岩样表面的煤油，在此过程中，由于岩样表面形态复杂，擦除到什么程度，怎样擦除合理，受人为因素影响很大；③黄福堂等提出的气体法中，由于岩样表面形态复杂，岩心夹持器内橡胶衬套存在因有死角而不能贴紧岩样的风险，从而使岩样的总体积偏大；④沈亚光提出的方法中，其关键是以液位传感器控制液体滴定，“液滴”的大小对测定精度存在一定的影响，同时，没有考虑岩屑为多孔材料，会有一些水进入到孔隙系统中，从而造成误差。

1 岩样总体积双密度计算方法及原理性实验

1.1 岩样总体积双密度计算方法

依据阿基米德原理，浸没在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开液体的重量。

假设将岩样浸没到第一种液体中，则其受到的浮力为

假设再将同一岩样浸没到第二种液体中，则其受到的浮力为

式（1），（2）中：F1，F2为受到的浮力，g；D1，D2为第一、第二种液体的密度，g／cm3；V是岩样的总体积，cm3；G01，G02是岩样在空气中重量，g；G1，G2是岩样在第一、第二种液体中的重量，g。

由公式（1）和（2）可得

由公式 （3）可见，当G01＝G02时，测得岩样在密度分别为D1，D2的两种液体中的重量G1，G2，就可以计算岩样的总体积V。这一过程可以理解为将待测岩样放到两种不同密度液体中分别称重，进而计算岩样总体积，简称岩样总体积双密度测定方法。

1.2 实验与结果分析

为验证上述计算方法的合理性，开展了原理性实验。实验样品采用已知体积的7个不锈钢圆片，以电子天平分别称取不锈钢圆片在水中、煤油中的重量，水和煤油的密度分别为1.0，0.8 g／cm3。最后以公式（3）计算体积。

从表1和图1来看，测量计算体积值与标称体积接近，最大误差5.2%，复相关系数达0.9993，说明这种方法是可行的。但也应该注意到，上述实验所用样品为不锈钢圆片，是一种无孔的材料，能够满足G01＝G02的要求，这一点与岩样存在明显差异。为将该方法应用于岩样，本文引入磁性液体并设计了配套装置。

2 装置的原理与测试流程

2.1 装置的原理

磁性液体是一种特殊的流体，既有一般流体的流动性、稳定性，又具有磁性。特别是在外加磁场的作用下，其密度可以按照预期进行变化［3－6］，变化之后的密度称为表观密度，去掉外加磁场后，其密度又恢复到原有密度，即满足G01－G02＝0的条件。利用磁性液体的这种特性，即可以用双密度法测定岩样的总体积。

关于磁性液体表观密度的调节和控制，前人已有很多实验研究成果，通过调节电源的电流可以使磁液体的表观密度达到设计值［6］，如图2所示。

由于磁性液体具有较强的稳定性，故在配制或购置磁性液体后，可以用实验的方法建立电流 （或电压）与磁性液体表观密度的定量关系。这样在操作过程中，只需合理选择电流和 （或电压）就可以使磁性液体表观密度达到预期的设计值，而不需重复、频繁测定。按照上述思路，测试装置包括以下单元，如图3所示。

图3中一对磁极与可调电源连接，通过计算机控制调节电源，实现磁性液体槽中磁性液体表观密度达到设计值的目的。岩样盘用于盛装岩样，由非磁性材料加工而成，如塑料、玻璃等。悬挂绳是非磁性材料，如尼龙等，悬挂绳与岩样称重仪表连接，称取岩样的重量，系统有扣除岩样盘和岩样盘悬挂绳重量的功能，自动记录岩样的重量。计算机 （或单片机）用于电源控制、重量数据采集、总体积计算等。

2.2 操作流程

1）岩样烘干；

2）将岩样放入干燥器，冷却至室温；

3）将岩样放入磁性液体中浸泡，磁性液体密度为D1，已知；

4）将岩样放到样品盘中，将样品盘放到盛有同种磁性液体的槽中，并保持被磁性液体浸没状态，放入深度值固定；

5）测定此时岩样的重量，记为G1；

6）施加磁场，调节电源使磁性液体表观密度达到设计值D2；

7）测定此时岩样的重量，记为G2；

8）计算岩样总体积V＝（G2－G1）／（D1－D2）。

从操作过程来看，这一方法只需将岩样放置到磁性液体中，分别测定岩样在施加磁场前后岩样的重量，即可完成岩样总体积测定。对岩样外形没有特定要求，特别是规避了擦除样品表面水 （或煤油）这一最容易导致人为误差的环节，从而提高测试精度。

3 结论

基于磁性液体的双密度岩样总体积测定方法可以对岩样总体积进行测定，具有较明显的技术优势。对岩样的外形没有特殊要求，对于泥岩、页岩等岩样具有广泛的适用性。规避了人工擦除岩样表面液体的环节，避免了人为误差的产生，提高了岩样总体积测试精度。可以对碎屑状岩样进行总体积测试，使岩样孔隙度测试由块状扩展到碎屑状，更好地满足地质研究工作的需要。

［1］黄福堂，吴西湖，程先梅.KXD－1型孔隙度自动测定仪的研制与实验［J］.大庆石油地质与开发，1995，14（3）：72－74.

［2］沈亚光.岩屑体积自动测量装置［J］.录井技术，2001，12（1）：55－56，70.

［3］吴健，夏聪，王松，等.非磁性颗粒在磁流体选矿中的动力学模型［J］.矿山机械，2010，38（11）：91－94.

［4］郭铁梁，李海宝.磁流体静力选矿中非磁性矿粒的磁浮力分析［J］.金属矿山，2009（4）：35－39.

［5］李艳琴，董桂馥.横向磁场中磁性液体表观密度研究［J］.实验技术与管理，2013，30（6）：28－30.

［6］李学惠，张萍，袁学德，等.磁流体表观密度与外磁场间变化规律研究［J］.稀有金属材料与工程，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

鲍云杰 （1963－），男，内蒙古赤峰人，高级工程师，主要从事储盖层测试等方面的研究。