本发明涉及用于岩心含水孔隙度及矿化度，定域测量系统及方法属于岩石电性测试及分析。
背景技术：
1、微波波段的介电常数已被证明是表征地层特性的重要参数之一，在储层测井反演、遥感或岩土工程等各种应用中发挥着关键作用，作为关键的岩石物理参数，介电常数历史上一直被用来量化水分含量，建立介电常数与地球物理参数之间精确且稳健的关系，对于介电测井反演和微波遥感数据解释等是基本前提。研究岩石样品的介电特性可以通过实验室或现场测试，在井场对新鲜钻取的全尺寸岩心进行介电特性的快速测试，能够在最接近于地层原始状态下获得含水孔隙度、孔隙水矿化度、泥浆侵入等关键地质信息。
2、目前，对于岩石的介电、含水等测试方法有多种，如cn117571798a公开的《一种利用频域反射技术原位获取岩石含水率的方法及系统》，利用探针反射技术获得野外地表岩石的含水率监测。cn114252926a公开的《一种岩心介电性质测量装置》借鉴井下仪器设计思路，能够适用于实验室等场地环境下对较大尺寸的岩心样本的介电测量。cn116660328a公开的《一种通过岩石介电常数获得岩石体积含水率的方法和装置》通过在岩石表面打孔，获得介电常数进而得到岩石体积含水率。cn109444174a公开的《一种高频岩石介电常数测量方法及测量用夹具》利用传输反射特性，对岩心样本进行打孔加工后，测量高频介电常数。cn105699787a公开的《基于阻抗分析仪的煤岩介电常数测量方法》利用阻抗分析仪和平行板电容测量掺有岩石的煤的介电常数。cn1064548公开的《岩石介电常数自动测量系统》采用密闭谐振腔作为传感器，实现小尺寸岩心及容器加载的液体介电常数测试。
3、上述公开技术存在的问题是，要么需要接触岩心进行测量，要么对岩心破坏后(打孔加工)进行测量，不能在不接触岩心、不对岩心造成破坏的前提下实现全尺寸岩心的轴向/径向含水率(含水孔隙度)和矿化度等的定域测量，也不能同时实现轴向定域测量和径向定域测量。
技术实现思路
1、本发明针对现有全尺寸岩心微波介电特性、含水率(含水孔隙度)测量技术存在的不足，提供一种能够在宽频带实现全尺寸岩心含水孔隙度、矿化度定域测量的自动测量方法，同时提供该系统的测量系统。
2、本发明的多频宽带全尺寸岩心含水孔隙度定域测量方法，包括以下步骤：
3、(1)准备工作：
4、①将岩心划分为m个长度均等的轴向区域，m≥1；将每个轴向区域划分为p个径向区域，各个径向区域为从内到外的同轴圆环，p≥1；
5、②设置n个传感器，n≥1，所述传感器为开放谐振腔式传感器(为具有中空结构、两底面开口的圆柱谐振腔)，传感器同时工作在对岩心内部区域敏感的tm010谐振模式和对岩心表层区域敏感的tm110谐振模式；
6、(2)测量获得相应的参数：
7、①测量每个轴向区域的直径和温度，获得第i个轴向区域的直径φi和温度ti；
8、②将岩心无接触依次通过各个传感器，进行各个传感器的响应测试；各个传感器依次工作，分别获得各自在两个谐振模式下的频率偏移△fij-1和△fij-2以及品质因数(q值)倒数的相对变化量△1/qij-1和△1/qij-2，其中，△fij-1和△fij-2分别代表第i个轴向区域第j个传感器的两种谐振模式(tm010模式和tm110模式)下的频率偏移，△1/qij-1和△1/qij-2分别代表第i个轴向区域第j个传感器的两种谐振模式下的品质因数倒数的相对变化量；
9、③将岩心向前推进一个轴向区域，重复从步骤②到步骤④的直径、温度、各个传感器响应测试，直到第m个区域已被第n个传感器检测完毕，完成岩心微波响应及其它参数的测量步骤；
10、(3)岩心复介电常数定域反演；
11、①根据第j个传感器频率偏移△fij-1和△fij-2以及品质因数倒数的相对变化量△1/qij-1和△1/qij-2获得第i个轴向区域的视复介电常数ε*ij-1和ε*ij-2；
12、②对第i个轴向区域，划分p个径向区域，构建各径向区域复介电常数ε*ip与i区2n个视复介电常数之间的p元一次方程组；
13、③求解第i个轴向区域p个径向区域的复介电常数ε*i1到ε*ip，直到全部m个轴向区域的p个径向区域的复介电常数都已求解完毕；
14、(4)岩心含水孔隙度和孔隙水矿化度定域反演：
15、①为获得第i个轴向区域的含水孔隙度和孔隙水矿化度信息，先根据第i个轴向区域的温度ti计算该区域n个传感器谐振频率下水的复介电常数ε*werter-ni-1和ε*werter-ni-2；
16、②结合第i个轴向区域的p个径向区域的复介电常数ε*i1到ε*ip，应用有效介质理论(effective medium theory-emt)模型对各个轴向和径向区域ε*ip进行建模拟合得到含水孔隙度和孔隙水矿化度信息；
17、③重复上述步骤①和②，获得其它轴向区域的含水孔隙度和孔隙水矿化度空间分布信息。
18、所述步骤(2)②中，两个谐振模式下的频率偏移△fij-1和△fij-2为两个谐振模式下的空载谐振频率与实际样品谐振频率的差值，谐振频率由该谐振模式下谐振频率点s21幅值最高值点计算确定，亦即△fij-1＝f1空-fij-1，△fij-2＝f2空-fij-2；品质因数倒数的相对变化量△1/qij-1和△1/qij-2，为两个谐振模式下的空载谐振品质因数与实际样品谐振品质因数的差值，其中品质因数的确定是根据谐振频率点s21幅值的3db频率范围△fij-1-3db和△fij-2-3db及谐振频率fij-1和fij-2计算确定，亦即qij-1＝fij-1/△fij-1-3db和qij-2＝fij-2/△fij-2-3db。
19、所述步骤(3)①中视复介电常数的获得，是基于传感器两个谐振模式下对样品复介电常数响应曲线获得的，其中ε*ij-1＝ε’ij-1+jε”ij-1和ε*ij-2＝ε’ij-2+jε”ij-2，响应曲线采用s阶多项式拟合，s≥2，如下式所示：
20、ε’ij-1＝c0+c1(△fij-1)1+c2(△fij-1)2+…+cs(△fij-1)s，
21、ε”ij-1＝d0+d1(△1/qij-1)1+d2(△1/qij-1)2+…+ds(△1/qij-1)s，
22、ε’ij-1＝e0+e1(△fij-1)1+e2(△fij-1)2+…+es(△fij-1)s，
23、ε”ij-2＝f0+f1(△1/qij-2)1+f2(△1/qij-2)2+…+fs(△1/qij-2)s，
24、其中各s阶多项式的系数矩阵c0/c1/c2…cs、d0/d1/d2…ds、e0/e1/e2…es、f0/f1/f2…fs由电磁场数值仿真确定，或用已知介电常数实部虚部的标准材料(如聚四氟乙烯、聚氯乙烯、硅等)制造与岩心直径相同的校准件，进行s阶多项式拟合，获得上述s阶多项式的系数矩阵。
25、所述步骤(3)②中，对第i个轴向区域，共有n个传感器获得2n个视复介电常数ε*ij-1和ε*ij-2，j≤n，p个径向区域对应p个区域的待求解介电常数ε*i1到ε*ip，规定p≤2n，构建如下式所示的p元一次方程组：
26、ε*i1＝a1-1ε*i1-1+a1-2ε*i2-1…+a1-nε*in-1+b1-1ε*i1-2+b1-2ε*i2-2…+b1-nε*in-2，
27、ε*i2＝a2-1ε*i1-1+a2-2ε*i2-1…+a2-nε*in-1+b2-1ε*i1-2+b2-2ε*i2-2…+b2-nε*in-2，
28、……
29、ε*ip＝ap-1ε*i1-1+ap-2ε*i2-1…+ap-nε*in-1+bp-1ε*i1-2+bp-2ε*i2-2…+bp-nε*in-2，
30、方程组系数矩阵由电磁场数值仿真确定，或用分层人工岩心进行模拟实验确定。
31、所述步骤(4)①中水的复介电常数ε*werter-ni-1和ε*werter-ni-2；是通过德拜(debye)或者cole-cole模型给出，即或其中εs、ε∞、τ、α、ω与j分别为零频介电常数、光频介电常数、德拜弛豫时间、cole-cole因子、测试角频率和虚数符号，ω＝2πf，f为测试频率，其中零频介电常数、光频介电常数、德拜弛豫角频率可分别建立与岩心温度ti如εs＝a1+b1×ti、ε∞＝a2+b2×ti、τ＝a3+b3×ti的线性关系，其中系数a1、a2、a3、b1、b2和b3通过参考已公开实验素材或实验室控制温度标定获得。
32、所述步骤(4)②中，有效介质理论模型可以是负折射率模型，也可以是maxwell-wagner模型，但不限于上述模型。
33、实现上述多频宽带全尺寸岩心含水孔隙度定域测量方法的系统，采用以下技术方案：
34、该系统，包括岩心推进装置、岩心直径测量装置、温度记录仪、传感器组、微波多路切换装置、微波散射参数扫频测量装置和主控计算机；岩心推进装置、岩心直径测量装置和传感器组依次设置；传感器组包括n个传感器，n≥1(若n≠1，则n个传感器工作在不同频率)；各个传感器均与微波多路切换装置连接，微波多路切换装置与微波散射参数扫频测量装置连接，岩心推进装置、岩心直径测量装置、温度记录仪、微波多路切换装置和微波散射参数扫频测量装置均与主控计算机连接。
35、所述岩心推进装置用于实现将岩心沿轴向推送步进的功能，可以采用现有技术，如cn213205610u中公开的《岩心顶推装置》。
36、所述岩心直径测量装置用于实现对岩心直径的实时测量，获得岩心特定轴向位置直径φ。可以采用现有技术，可通过光学、超声或其它物理方式测量轴向区域的直径，如激光测径仪。
37、所述温度记录仪通过外接热电阻或热电偶式传感器与岩心接触，测量岩心的温度t，或通过非接触式测量(红外、比色等)对岩心特定轴向位置的温度t进行实时采集和记录。
38、所述传感器为开放谐振腔式传感器，具有中空结构。所述开放谐振腔式传感器为两底面开口的圆柱谐振腔，同时工作在对岩心内部区域敏感的tm010模式和对岩心表层区域敏感的tm110模式。
39、所述传感器预留两个端口，分别与两套微波多路切换装置的动端连接(经同轴稳相电缆连接)；两套微波多路切换装置的不动端分别与微波散射参数扫描测量装置的两个端口连接(经同轴稳相电缆连接)。
40、所述微波多路切换装置，为单刀多掷结构，配置有一个固定端和n个自由端，固定端每次只与一个自由端连通，与其它自由端隔离，自由端分别通过同轴稳相电缆与传感器中的一个端口连接，第二套微波多路切换装置的自由端分别通过同轴稳相电缆与n个开放谐振腔式传感器的另一个端口连接。两套微波多路切换装置的固定端分别通过同轴稳相电缆连接微波散射参数扫频测量装置的两个端口。
41、所述微波散射参数扫频测量装置采用现有技术，可以为矢量网络分析仪，需要具备对两端口微波散射参数矩阵中正向传输(s11)、正向反射(s21)或反向传输(s12)、反向反射(s22)的幅值、相位获取能力。
42、岩心推进装置推动全尺寸岩心依次经过岩心直径测量装置和传感器组，全尺寸岩心在进入传感器之前先经过岩心直径测量装置完成岩心直径测量，并将数据输送至计算机，然后从传感器的中空部分非接触穿过，每个谐振腔式传感器均可工作在tm010和tm110两个横磁模式。温度记录仪通过外接热电阻或热电偶或通过非接触式测温对岩心的温度进行实时采集和记录。主控计算机可以采用可编程控制器，实现对开放谐振腔式传感器、微波散射参数扫频测量装置、微波多路切换装置、岩心推进装置、岩心直径测量装置的自动控制，并采集各装置的监测数据、对数据进行分析处理，实现孔隙水信息计算。
43、本发明在不接触岩心、不对岩心造成破坏的前提下，岩心轴向步进式通过传感器组合，实现轴向定域测量；不同传感器测试敏感区域不同，构建岩心轴向固定区域含水孔隙度、矿化度与传感器响应之间的定量关联，实现径向定域测量；最后经过标准材料和人工岩心定标刻度，建立含水孔隙度、矿化度等与仪器响应、岩心视介电常数之间定量映像，最终实现全尺寸岩心的轴向/径向含水率(含水孔隙度)和矿化度等的定域测量。
44、测试时岩心被推进装置将岩心步进式推送通过各个传感器，岩心含水孔隙度、矿化度等地质参数改变引发传感器谐振参数差异，使其tm010和tm110两个模式的谐振频率和品质因数(q值)变化，通过微波散射参数扫频测量装置获得传输、反射系数的幅值和相位信息，结合标准材料校准件完成对系统的响应补偿校准，利用不同传感器、不同工作模式的电场分布及穿透深度差异，构建岩心轴向固定区域含水孔隙度、矿化度与传感器谐振频率和品质因数(q值)之间的定量关联。
45、本发明能够实现全尺寸岩心介电特性定域、步进式全自动测量，并对岩心直径干扰进行补偿，能够满足全尺寸岩心井场分析需求，排除泥浆侵入影响获得原状地层的含水孔隙度、矿化度信息，可提高井场现场岩心分析准确度和效率。
1.一种多频宽带全尺寸岩心含水孔隙度定域测量方法，其特征是，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的多频宽带全尺寸岩心含水孔隙度定域测量方法，其特征是，所述步骤(2)②中，两个谐振模式下的频率偏移△fij-1和△fij-2为两个谐振模式下的空载谐振频率与实际样品谐振频率的差值，谐振频率由该谐振模式下谐振频率点s21幅值最高值点计算确定，亦即△fij-1＝f1空-fij-1，△fij-2＝f2空-fij-2；品质因数倒数的相对变化量△1/qij-1和△1/qij-2，为两个谐振模式下的空载谐振品质因数与实际样品谐振品质因数的差值，其中品质因数的确定是根据谐振频率点s21幅值的3db频率范围△fij-1-3db和△fij-2-3db及谐振频率fij-1和fij-2计算确定，亦即qij-1＝fij-1/△fij-1-3db和qij-2＝fij-2/△fij-2-3db。
3.根据权利要求1所述的多频宽带全尺寸岩心含水孔隙度定域测量方法，其特征是，所述步骤(3)①中视复介电常数的获得，是基于传感器两个谐振模式下对样品复介电常数响应曲线获得的，其中ε*ij-1＝ε’ij-1+jε”ij-1和ε*ij-2＝ε’ij-2+jε”ij-2，响应曲线采用s阶多项式拟合，s≥2，如下式所示：
4.根据权利要求1所述的多频宽带全尺寸岩心含水孔隙度定域测量方法，其特征是，所述步骤(3)②中，对第i个轴向区域，共有n个传感器获得2n个视复介电常数ε*ij-1和ε*ij-2，j≤n，p个径向区域对应p个区域的待求解介电常数ε*i1到ε*ip，规定p≤2n，构建如下式所示的p元一次方程组：
5.根据权利要求1所述的多频宽带全尺寸岩心含水孔隙度定域测量方法，其特征是，所述步骤(4)①中水的复介电常数ε*werter-ni-1和ε*werter-ni-2；是通过德拜(debye)或者cole-cole模型给出，即或其中εs、ε∞、τ、α、ω与j分别为零频介电常数、光频介电常数、德拜弛豫时间、cole-cole因子、测试角频率和虚数符号，ω＝2πf，f为测试频率，其中零频介电常数、光频介电常数、德拜弛豫角频率可分别建立与岩心温度ti如εs＝a1+b1×ti、ε∞＝a2+b2×ti、τ＝a3+b3×ti的线性关系，其中系数a1、a2、a3、b1、b2和b3通过参考已公开实验素材或实验室控制温度标定获得。
6.根据权利要求1所述的多频宽带全尺寸岩心含水孔隙度定域测量方法，其特征是，所述步骤(4)②中，有效介质理论模型是负折射率模型或者是maxwell-wagner模型。
7.一种实现权利要求1-6任一项所述方法的多频宽带全尺寸岩心含水孔隙度定域测量方法的系统，其特征是：包括岩心推进装置、岩心直径测量装置、温度记录仪、传感器组、微波多路切换装置、微波散射参数扫频测量装置和主控计算机；岩心推进装置、岩心直径测量装置和传感器组依次设置；传感器组包括n个传感器，n≥1，各个传感器均与微波多路切换装置连接，微波多路切换装置与微波散射参数扫频测量装置连接，岩心推进装置、岩心直径测量装置、温度记录仪、微波多路切换装置和微波散射参数扫频测量装置均与主控计算机连接。
8.根据权利要求7所述的多频宽带全尺寸岩心含水孔隙度定域测量方法的系统，其特征是：所述传感器为开放谐振腔式传感器，具有中空结构；所述开放谐振腔式传感器为两底面开口的圆柱谐振腔，同时工作在对岩心内部区域敏感的tm010模式和对岩心表层区域敏感的tm110模式。
9.根据权利要求7所述的多频宽带全尺寸岩心含水孔隙度定域测量方法的系统，其特征是：所述传感器预留两个端口，分别与两套微波多路切换装置的动端连接；两套微波多路切换装置的不动端分别与微波散射参数扫描测量装置的两个端口连接。
10.根据权利要求7所述的多频宽带全尺寸岩心含水孔隙度定域测量方法的系统，其特征是：所述微波多路切换装置，配置有一个固定端和n个自由端，固定端每次只与一个自由端连通，与其它自由端隔离，自由端分别通过同轴稳相电缆与传感器中的一个端口连接，第二套微波多路切换装置的自由端分别通过同轴稳相电缆与n个开放谐振腔式传感器的另一个端口连接；两套微波多路切换装置的固定端分别通过同轴稳相电缆连接微波散射参数扫频测量装置的两个端口。
