（控制科学与工程专业论文）二维模型中天然气水合物电阻率测量的研究.pdf

1 。i r e s e a r c ho nt h er e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n to fg a sh y d r a t ei nt w o d i m e n s i o n a lmodelnale l at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：d o up e n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h a os h i - j u n c o l l e g eo f i n f o r m a t i o n & c o n t r o le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：望毖 一日期：砂f 年石月，o 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：塞蕉 指导教师签名： 日期：j 年 日期： 位i t 年 二月d 日 6 月ip 日 摘要 目前，天然气水合物作为一种新的能源受到了越来越多的重视。在自然环境中天然 气水合物主要分布于海底沉积层中，所以对多孔介质中天然气水合物的性质进行研究就 显得非常重要。电阻率是天然气水合物一项非常重要的性质参数，本论文主要讨论二维 多孔介质中天然气水合物的电阻率测量方法。 本论文分析了在一维天然气水合物电阻率测量装置中使用测量传感器的不足与欠 缺，提出了一种新的多孔介质中天然气水合物的电阻率测量方法，并对其数学模型进行 了分析研究，最终设计了一种新的测量传感器。通过实验标定的方法确定了该测量传感 器的系数，并且通过标定中的性能指标的比较发现该测量传感器在测量性能上的提高。 搭建了二维模型中天然气水合物电阻率测量装置，该测量装置的硬件部分包含高压 反应二维平板模型单元、稳压供液供气单元、数据采集单元、出入口计量单元、电阻率 测量及传感器选通单元、温度控制单元。对各个单元进行了详细的介绍，并且针对本装 置的特点，对硬件抗干扰措施进行了介绍。 针对该测量装置设计了相应的软件，根据该软件需要实现的功能要求对其进行了总 体设计，并且对关键功能模块进行了介绍。对软件抗干扰措施也进行了介绍，最后对整 个设计软件的性能进行了测试。 进行了多孔介质中天然气水合物的模拟生成、开采实验，并且对实验数据进行了分 析研究。与一维天然气水合物电阻率测量装置中的填砂管相比较，在二维平板模型中进 行的实验情况要复杂得多。根据二维平板模型的特点，对天然气水合物的生成和分解情 况进行了详细分析，并且进行了分类。 最后，对本论文中的内容进行了简略介绍，突出了创新点，并且对不足和需要改进 韵地方进行了展望。 关键词：多孔介质中天然气水合物；测量传感器；电阻率；数学模型：数据采集； 物理模型 r e s e a r c ho nt h er e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n to fg a sh y d r a t ei nt w o d i m e m mmodelenslon d o u p e n g ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f z h a os h i - j u n a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h eg a sh y d r a t e ，o n eo ft h en e we n e r g ys o u r c e s ，h a sb e e nm o r ea n dm o r e k n o w n i nt h en a t u r e ，t h eg a sh y d r a t em a i n l yi sd i s t r i b u t e di nt h eo c e a ns e d i m e n t s oi ti sv e r y i m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ep r o p e r t yo fg a sh y d r a t ei np o r o u sm e d i a r e s i s t i v i t yi s av e r y s i g n i f i c a n tp r o p e r t yp a r a m e t e ro fg a sh y d r a t e ，s ot h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e st h et w o d i m e n s i o nr e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n to fg a sh y d r a t ei np o r o u sm e d i a t h i sp a p e ra n a l y s e st h ei n s u f f i c i e n ta n ds h o r t c o m i n go ft h em e a s u r i n gt r a n s d u c e rw h i c h i su s e di nt h eo n ed i m e n s i o ng a sh y d r a t er e s i s t i v i t ym e a s u r i n ge q u i p m e n t , a n dc o m e su pw i t h an e wm e t h o dt om e a s u r et h er e s i s t i v i t yo fg a sh y d r a t ei np o r o u sm e d i at h i sp a p e ra l s o r e s e a r c h e st h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dd e s i g n st h es t r u c t u r eo fm e a s u r i n gt r a n s d u c e rb a s e d o nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h r o u g he x p e r i m e n ts t a n d a r d i z a t i o n , w ec a ng e tt h ec o e f f i c i e n to f m e a s u r i n gt r a n s d u c e r , a n df m dt h es u p e r i o r i t yo f t h i sn e wt r a n s d u c e r i nt h i s p a p e r , w ec o n s t r u c tt h e t w od i m e n s i o ng a sh y d r a t er e s i s t i v i t ym e a s u r i n g e q u i p m e n t t h i se q u i p m e n tc o n s i s t so ft w od i m e n s i o nf l a tm o d e l ，f e e d i n gl i q u i da n dg a su n i t , d a t ag a t h e r i n gu n i t ，i n l e ta n do u t l e tm e t e r i n gu n i t ，r e s i s t i v i t yg a t h e r i n ga n dt r a n s d u c e rg a t i n g u n i t , a n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gu n i t w ei n t r o d u c ea l lt h em o d u l e sa n dt h eh a r d w a r e a n t i i n t e r f e r e n c em e t h o d si nd e t a i l 一 w eh a v ed e s i g n e dt h es o f t w a r ef o rt h i se x p e r i m e n te q u i p m e n ta n df i n i s h e dt h et o t a l d e s i g nb a s e do nt h eg o a l st h es o f t w a r en e e d st oa c h i e v e w ea l s oi n t r o d u c et h ek e yf u n c t i o n m o d u l e sa n dt h es o f t w a r ea n t i - i n t e r f e r e n c ei nd e t a i l f i n a l l y , w et e s tt h ef u n c t i o n so ft h i s s o f t - w a r e i na d d i t i o n , w ec o m p l e t et h eg a sh y d r a t ei np o r o u sm e d i ag e n e r a t i n ga n dd i s c o m p o s i n g e x p e r i m e n t s ，a n dg e tt h ei m p o r t a n te x p e r i m e n td a t a t h r o u g ha n a l y z i n gt h ed a t a , w ef r e dt h a t t h ee x p e r i m e n ti nt w od i m e n s i o nm o d e li sm o r ec o m p l e xt h a nt h ee x p e r i m e n ti no n e d i m e n s i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et w od i m e n s i o nm o d e l ，w er e s e a r c ha n d c l a s s i f yt h ep r o c e s so fg e n e r a t i n ga n dd i s c o m p o s i n g f i n a l l y , w ei n t r o d u c et h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri nb r i e f t h ei n n o v a t i v ep o i n t sa r e h i g h l i g h t e d w ea l s op r o s p e c tt h es h o r t a g e si nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：g a sh y d r a t ei np o r o u sm e d i a ；m e a s u r i n gt r a n s d u c e r ；r e s i s t i v i t y ； m a t h e m a t i c a lm o d e l ；d a t ag a t h e r i n g ；p h y s i c a lm o d e l 目录 第l 章绪论1 1 1 课题的研究目的1 1 2 多孔介质中天然气水合物的探测现状。1 1 3 课题的研究内容及技术路线3 1 3 1 课题的主要研究内容。3 1 3 2 课题的技术路线4 1 4 本论文章节简介4 第2 章二维模型中天然气水合物电阻率测量传感器6 2 1 电阻率测量传感器设计的意义及背景6 2 1 1 电阻率测量传感器设计的意义6 2 1 2 电阻率测量传感器设计的背景6 2 2 测量传感器的设计思想7 2 3 测量传感器的数学模型分析7 2 4 测量传感器的具体设计9 2 4 1 测量传感器的技术方案9 2 4 2 测量传感器的具体结构设计1 0 2 4 3 测量传感器的具体测量方法一1 2 2 5 测量传感器系数的实验标定1 3 2 5 1 测量传感器系数的标定步骤1 3 2 5 2 测量传感器数学模型的修正以及标定系数的线性回归分析。1 4 第3 章二维天然气水合物电阻率测量装置设计。1 6 3 1 测量装置原理及功能。1 6 3 1 1 测量装置设计原理。1 6 3 1 2 测量装置功能1 6 3 2 测量装置设计方案1 6 3 2 1 测量装置总体设计1 6 3 2 2 测量装置工作原理l7 3 2 3 测量装置工作流程1 8 3 3 测量装置主要构成单元18 3 3 1 高压反应二维平板模型单元1 8 3 3 2 稳压供液、供气单元1 9 3 3 3 出入口计量单元2 l 3 3 4 数据采集单元2 3 3 3 5 电阻率测量及传感器选通单元：2 4 3 3 6 温度控制单元2 8 第4 章二维天然气水合物电阻率测量装置的软件设计3 2 4 1 软件设计的背景3 2 4 2 软件的基本功能要求3 2 4 3 软件运行环境。3 2 4 4 软件的总体设计：3 3 4 5 软件抗干扰设计3 4 4 6 关键模块的设计3 5 4 6 1 温度、压力测量模块的设计3 5 4 6 2 电阻率测量模块的设计3 6 4 6 3 测量传感器控制模块的设计3 7 4 6 4 气体流量计通讯模块的设计。3 9 4 7 软件功能测试4 0 第5 章实验过程及实验数据分析。4 2 5 1 实验简介4 2 5 1 1 实验的目的4 2 5 1 2 实验的基本内容4 2 5 1 3 实验材料4 3 5 2 实验方法及步骤。4 3 5 2 1 天然气水合物生成实验4 3 5 2 2 天然气水合物降压开采实验。4 4 5 3 天然气水合物生成过程数据分析4 5 5 4 天然气水合物降压开采过程数据分析5 0 5 5 实验总结5 1 第6 章结论与展望5 2 6 1 本论文完成内容5 2 6 2 本论文中的创新点5 2 6 3 本论文存在的不足与展望5 3 参考文献5 4 p 付录：。：5 8 致谢。6 1 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的研究目的 第1 章绪论 天然气水合物作为一种未被有效开发的能源目前受到了高度重视，尤其在能源危机 的今天。像石油、天然气和煤炭等化石能源的消耗量与日俱增，现在全球都已陷入一种 能源危机【l 】。一旦上述化石能源被消耗殆尽，社会的正常运转将受到毁灭性威胁。 目前，各种新型能源己被人们重视，其中就包括天然气水合物 2 1 。天然气水合物的 储量非常巨大，且与传统化石能源相比较而言是一种相对清洁高效的新能源。在全面开 发利用天然气水合物之前，需要对天然气水合物的各项性质进行研究，从而可以为开发 利用提高有力的参考和帮助。其中，天然气水合物的电阻率就是一项非常重要的特性参 数，因此对其电阻率进行相应的研究就显得非常必要和迫切。 在实验条件下对天然气水合物电阻率进行动态实时测量是一个至关重要而又十分 复杂的难题。本课题主要提出来了新的测量多孔介质中天然气水合物电阻率的测量思 想，并且建立了测量传感器的数学模型，最终提出了改进后测量传感器的结构组成，设 计出了一种新的测量传感器。同时，搭建构造了二维模型中天然气水合物电阻率测量实 验装置，并且用该实验装置进行一系列的天然气水合物实验，从而验证该改进后测量传 感器的准确性是否得到了提升。 1 2 多孔介质中天然气水合物的探测现状 天然气水合物的探测一直是制约其开发利用的瓶颈，水合物在高纬度、高海拔的冻 土地区分布比较少，绝大多数都分布于海洋中的沉积物中，因此沉积物中的探测是关键， 也是难点【3 - 5 】。 一、原位自然环境中的探测 在原位自然环境中主要的探测手段有以下几种： l 、地震反射法探测 天然气水合物对声波的传导速度要比海底沉积物快，可以利用这个特性进行天然气 水合物的海洋探测。在海洋中天然气水合物主要分布与海底沉积物中，且其对生成以及 存在条件有特殊限制，必须在一定的温度和压力条件下才能够存在。由于其存在环境的 温度、压力都有特殊要求，所以天然气水合物大都存在于一个大致的沉积物层中。所以 第1 章绪论 可以通过对该层沉积物区域的地震发射资料进行分析，得出天然气水合物存在与否。 2 、超声波探测法1 6 - 7 天然气水合物与周围介质对超声波的传播速度迥然不同，所以可以利用其传播超声 波的特性在原位自然环境下对天然气水合物进行探测。目前该项技术也得到了很好的应 用。 3 、电阻率探测法 天然气水合物的电阻率要相对较高一些，可以利用其电阻率的固有属性对其分布进 行探测。目前电法测井在油气田勘探中已被广泛应用【引，可以使用测井中的电法测井仪 器对原位自然环境中的底层进行探测，从而通过对测井资料的分析得出天然气水合物的 分布情况。 4 、井径探测法 天然气水合物在一定条件下会发生分解反应，从而可以导致井径的扩大，根据这一 特点可以通过井径法探测天然气水合物的存在情况。 在由美国组织的大洋钻探计划( o d p ) 第1 6 4 次航行中，分别在布莱克海岭处钻了 三口探测井，并且使用了上述各种方法进行原位自然环境下天然气水合物的探测，结果 显示电阻率法和超声波探测法效果相对较好，并采用电阻率探测资料，粗略估算出了天 然气水合物的饱和度，以及天然气的储量。 二、实验室模拟环境中的探测 天然气水合物在实验室中的的探测方法目前主要有四种：超声探测技术、温压法探 测技术、电阻率法探测技术【9 】。 l 、超声探测技术 与原位自然环境中的超声波探测法相类似，在实验室环境下同样可以利用天然气水 合物对超声波的特殊传播特性进行其相应的研究工作。 2 、温压法探测技术 在实验室环境下模拟天然气水合物的生成和分解过程，并且对整个过程中的温度、 压力参数进行观察和记录。通过分析可以发现天然气水合物的生成以及分解过程中，温 度和压力的变化可以有效地指示出天然气水合物的存在状态。所以，通过对温度、压力 的测量可以得出天然气水合物的相平衡状态【1 0 1 1 】。 4 、电阻率法探测技术 在实验室环境下模拟天然气水合物的生成和分解过程，并且对整个过程中的电阻率 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 参数进行观察和记录。由于天然气水合物的电阻率值相对较大，所以在整个过程中电阻 率值会发生明显变化，通过对其变化的分析可以得出天然气水合物的一系列变化情况 1 2 - 1 3 l 。所以，可以通过电阻率法进行天然气水合物的探测。 可以看到，天然气水合物的开发及探测方法的多样性，必将对我国能源发展及经济 的繁荣产生重大影响，同时也对基础研究提出了更高的要求，并为之提供了更广阔的天 地。近年来，在国家有关部门的支持下，我国已初步形成一支基础研究队伍。 天然气水合物生成条件的参数测量在探测天然气资源的过程中起到了举足轻重的 作用，由于天然气水合物特殊的属性，在其不同的状态下电阻率的差别很大，因此通过 设计精确的测量装置完全可以通过其电阻率的变化准确的探测到天然气的存在。 1 3 课题的研究内容及技术路线 1 3 1 课题的主要研究内容 本课题的主要目标是在二维天然气水合物电阻率测量装置中，消除特殊待测环境对 电阻率测量准确性的干扰，减小误差，得到尽可能真实的电阻率值：同时实现二维天然 气水合物电阻率测量模型的智能化测量，包括对测量传感器的自动控制和数据的自动存 储。 为了实现上述目标，本课题的主要研究内容为如下几点。 1 、设计能够更加准确地测量多孔介质中天然气水化合物电阻率的测量传感器。多 孔介质中天然气水合物电阻率测量装置有其自身的特点，对测量传感器的要求比较高。 测量传感器本身与待测多孔介质的接触缝隙、实验模型内部空间的相当狭小以及金属材 料模型壁对电流造成的干扰等，都对测量传感器的设计提出了非常高的要求。 2 、消除测量过程中发生于测量传感器上电极环之间电解作用的干扰。实验中测量 传感器被放置在盐水溶液中的多孑l 介质环境，电解反应对测量传感器电极环的腐蚀和对 实验结果的干扰非常明显。 3 、完成测量传感器系数的标定工作。测量传感器在实际使用过程中每支都需要进 行单独标定，导致测量传感器系数很难与理论分析中的相符，所以需要进行实验标定。 4 、智能化控制和数据采集。容器中会排列许多测量传感器( 1 6 个) ，形成二维分布 的测量传感器网络，需要对各个测量传感器进行控制，进行分别导通，以消除彼此之间 的干扰。测量工作要持续相当长的时间，智能化的控制和数据采集处理非常关键。 5 、多孔介质找天然气水合物模拟生成、开采实验装置的构造。天然气水合物的生 3 一 第l 章绪论 成需要特殊的条件，在实验室中必须模拟其生成环境( 压力l o m p a ，温度o c i o 。c ) ， 才能得到天然气水合物，并需要进行开采实验，且全程实时同步记录反应中的温度、压 力、电阻率值等数据。 1 3 2 课题的技术路线 针对上述研究内容，提出如下技术路线。 1 、重新设计了测量传感器的基本构造，力图从结构上避免测量传感器本身与待测 多孔介质的接触缝隙、实验模型内部空间的相当狭小以及金属材料模型壁对测量电流造 成的干扰。 2 、考虑从改变测量电场的性质入手，使用交流测量电流，并且寻找合适的测量频 率消除电解作用的发生；同时，改变测量传感器电极环的材料，提高材料的耐腐蚀性。 3 、精确控制测量传感器标定时的温度，消除温度的干扰作用，并且溶液配制力求 精益求精，保证配制的溶液浓度准确，并且采取多次标定取平均值的方法以期得到更加 准确的测量传感器系数。 4 、考虑使用计算机完成控制和采集工作，控制部分使用计算机和数字量输出模块、 电磁继电器板卡，采集部分使用计算机和数据采集模块、数据采集板卡共同完成。 5 、使用适合二维研究的平板模型为实验模型，并且参照一维实验装置的模块化设 计思想进行设计。 1 4 本论文章节简介 现将本论文的章节做如下简单介绍。 第1 章绪论，主要介绍了本课题的研究目的、研究现状、课题内容以及其相应的 技术路线。其中研究现状分为原位自然环境下的研究现状和实验室环境下的研究现状两 部分。 第2 章二维模型中天然气水合物电阻率测量传感器，主要讨论了测量传感器设计 的背景和意义、测量传感器的主要设计思想、数学模型、具体实施方法以及最终的测量 传感器系数标定。 第3 章二维天然气水合物电阻率测量装置的硬件设计，主要介绍了二维天然气水 合物电阻率测量装置的组成部分，包括多孔介质中天然气水合物模拟生成、开采部分和 测量及控制部分。其中，多孔介质中天然气水合物模拟生成、开采部分包括高压反应二 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 维平板模型单元、稳压供液供气单元。测量及控制部分包括数据采集单元、出入口计量 单元、电阻率测量及传感器选通单元和温度控制单元。对各个部分进行了详细描述。 第4 章二维天然气水合物电阻率测量装置的软件设计，主要介绍了软件设计的背 景、软件需要实现的功能、软件的运行环境以及软件的总体设计思路。并且对关键设计 环节进行了详细介绍，最后进行了软件测试工作。 第5 章实验过程及实验数据分析，主要介绍了多孔介质中天然气水合物模拟生成、 开采实验的意义以及实验材料，并且介绍了实验的基本流程，最后对实验数据进行了详 尽的分析。 第6 章结论与展望，主要介绍了论文的内容以及论文中的创新点，最后提出了论 文中不足的地方，并且对下一步的工作进行了展望。 第2 章二维模型中天然气水合物电阻率测量传感器 第2 章二维模型中天然气水合物电阻率测量传感器 2 1 电阻率测量传感器设计的意义及背景 2 1 1 电阻率测量传感器设计的意义 如何准确测得多孔介质中天然气水合物的电阻率值具有非常重要的意义。天然气水 合物生成过程中其电阻率值会发生明显变化，根据这种变化可以判断水合物的生成情 况，并且通过其电阻率值可以反演出天然气水合物的饱和度。 所以，急需设计一种在石油天然气勘探开发领域【1 4 1 ，尤其是在天然气水合物模拟勘 探开发试验中，能够准确测量多孔介质中天然气水合物电阻率的传感器。 2 1 2 电阻率测量传感器设计的背景 目前的多孔介质中天然气水合物模拟实验，其电阻率的测量主要采用一种三电极传 感器【1 5 1 。在一维模型中就曾使用这种三电极传感器进行多孔介质中天然气水合物的电阻 率测量。该三电极传感器通过供电电极在被测介质中建立电流场，测量流过该电流场的 电流和测量电极与其中一个供电电极的电位差，通过公式就可计算得出该小区域内的电 阻率( 如图2 1 所示) 。 am n ( b ) 瑟翟纛黧鬟鞘蔗纛篡 刀硼 幽 l 图2 - 1 三电极传感器示意图 f i 9 2 - 1s c h e m a t i c so ft h r e ep o l et r a n s d u c e r 上述天然气水合物电阻率测量传感器存在两个主要问题。首先，测量传感器置于多 孔介质中，与多孔介质产生相对较大的空隙，同时空隙中会填满电解质溶液，其电阻率 较低，导致测量电流沿固定电极的绝缘杆轴向分流严重，从而影响测量电流进入待测多 孔介质，降低了测量的准确性；其次，对于多孔介质中天然气水合物的生成、开采二维 平面实验模型，它是一金属的密闭容器，由于实验模型上下壁之间的距离较小，当传感 器处于狭小的模型空间时，最外层的两供电电极会与实验模型上下壁距离很近，此时由 于两供电电极之间存在电势差，极容易沿实验模型壁形成电流场，降低了测量精度，同 时还容易引入外界干扰。 因此，需要设计一种测量多孔介质中天然气水合物电阻率的传感器，该传感器亟需 解决两个问题：第一，尽量减弱测量传感器与多孔介质接触造成的测量电流分流现象， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 也就是说，最大程度地使测量电流流入待测多孔介质中；第二，使测量传感器最外层的 两个电极之间的电势差为零，消除沿实验模型壁形成电流场的发生条件。 2 2 测量传感器的设计思想 在天然气水合物实验模型中，测量传感器是被全部掩埋于沙粒之中的，传感器的用 于固定各个电极相对位置的注塑杆会与周围的沙粒产生隙缝。同时实验模型中的盐水溶 液会填满隙缝，从而导致测量时从电极发出的电流过多地流经这个隙缝，而反映不出真 实待测的天然气水合物生成介质的电阻率数值。 而且，在电极比较接近实验模型壁时可能发生最外层的两供电电极会与实验模型上 下壁距离很近，此时由于两供电电极之间存在电势差，极容易沿实验模型壁形成电流场， 因为其最外层的两个电极并不是按照等电位设计的。 为了克服上述三电极传感器存在的不足，在此基于电磁场理论提出一种新的测量方 法以及基于这种方法设计一种多孔介质中天然气水合物的电阻率测量传感器。 该传感器不仅可以减弱测量传感器与多孔介质接触造成的测量电流分流现象，而且 可以有效消除沿实验模型壁形成电流场的发生条件，克服狭小空间中容器上下壁对测量 的干扰，从而有效提高多孔介质中天然气水合物的电阻率测量精确度。 测量传感器的设计思想简述如下：通过固定在绝缘杆上的环状电极在待测多孔介质 中建立电流场，然后测得流经待测区域的测量电流值，以及形成该测量电流的电势差值， 最后通过计算得出其电阻率值。为了防止测量电流从电极流出后会大量沿绝缘杆轴向直 接流回回流电极，而不是流经待测多孔介质然后流回回流电极，所以，考虑在测量中若 能同时形成两个同性电流场，一个电流场为主电流场负责流入待测多孔介质，为测量提 供有用信息，另一个电流场为聚焦电流场，能够将主电流场挤压进待测多孔介质，这样 即可减少测量电流沿绝缘杆轴向的分流。另外，如果绝缘杆上起相同作用的电极成对称 结构排列，并将起相同作用的电极内部用导线短路，就可以保证最外层两个起回流作用 的电极之间电势差为零，有效避免沿实验模型内壁形成电流场。 2 3 测量传感器的数学模型分析 基于上述发明思想建立的多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器数学模型，作 如下分析。 给绝缘杆上的两个环状电极供电，在电极间距不大的情况下可以形成球形电场。同 7 ， 第2 章二维模型中天然气水合物电阻率测量传感器 时，聚焦电流场必须位于主电流场内部才能够起到将主电流挤压进待测介质的目的，换 言之，主电流场必须绕过聚焦电流场才能够减弱沿绝缘杆轴向的分流现象。根据电磁场 理论，同时为了减少计算复杂性，可做如下假设【1 6 1 7 1 。 假设1 ：聚焦电流场为一个实心球体，主电流场为聚焦电流场实心球体外的空心球 体； 假设2 ：假设1 中的聚焦电流场实心球体和主电流场空心球体的直径不变； h 假设3 ：假设1 中的聚焦电流场实心球体和主电流场空心球体为同心球体。 如果绝缘杆上的电极环按照上下对称结构排列，让聚焦电流场分布在主电流场内， 这样聚焦电流场和主电流场也两两成对称分布，整个电流场应为上下排列的两个上述同 心球体电流场1 8 1 9 1 。 因为对称关系，只取上半部电流场进行分析。设流经整个电流场的主电流为i ，形 成整个电流场的电位差为u ，流经上半部分主电流场的主电流为，的一半，而电位差依 然是u ，聚焦电流场实心球体直径为b ，主电流场空心球体直径为口，得该上半部分主 电流场的平均电流密度为j ，则 _ ，= 虿i 巧2 ( 2 - 1 ) 产砑 旺。1 该上半部分主电流场可看作由无数的球面累积而成，就其中一个球面而言，这个球 面上的平均场强大小满足下式。 e ：u ( 2 2 ) 三痧 其中，为对应球面的直径。 云：鹦 其中，p 为电阻率。 8 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 将( 2 1 ) 、( 2 3 ) 带入( 2 - 4 ) 中得 p = 一u 3 ( a 广- - b ) ( _ a + b t ) 2 ( 2 5 ) 夕= 一i 瓦万瓦面 旺o 设k 为电阻率测量传感器系数，则 扣渊 亿6 ， 且有 p ：七c r ( 2 7 ) 上述各式中，a 、b 的单位为聊聊，后的单位为m 朋，i 的单位为m a ，u 的单位为矿。 上述分析说明，基于电磁场理论提出的多孔介质中天然气水合物的电阻率测量方法 以及基于这种方法的电阻率测量传感器，待测介质电阻率p 与u i 值之间满足一定的比 例关系，而且该比例系数k 由形成的两种电流场的直径大小确定。 基于上述设计思想建立的多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器数学模型，可 做为传感器设计和测量电阻率计算的理论依据。 2 4 测量传感器的具体设计 2 4 1 测量传感器的技术方案 前面叙述了测量传感器的研究意义及背景、设计思想，并且对测量传感器的数学模 型进行了分析，现根据以上内容确定测量传感器的主要技术方案 2 0 l 。 该传感器的技术方案是：所设计的多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器，该 传感器由五个电极构成【2 1 1 ，包括一个主电极、一对聚焦电极和一对回流电极。主电极位 于中间位置，两聚焦电极对称地排列在主电极两侧，两回流电极对称地排列在最外边。 两聚焦电极通过导线短路，两回流电极通过导线短路。通过给聚焦电极和回流电极供电 在被测介质内部建立电流场，形成聚焦电流场。通过电流计将主电极与聚焦电极连接， 主电极和聚焦电极可看做短路，则主电极亦有电流流向回流电极，形成主电流场。由于 主电极与聚焦电极之间没有电位差，沿测量传感器轴向的电位梯度为零( 即百o u = 0 ) ， d 厶 则主电极流出的电流不会向聚焦电极方向流动，而是绕过聚焦电极流回回流电极。如此 以来，可以减弱主电流沿绝缘杆轴向的分流，同时由于最外层的两回流电极短路，其电 位相同，从而消除了实验模型上下壁对测量的干扰( 如图2 2 所示) 。 。 9 _ ， 第2 章二维模型中天然气水合物电阻率测量传感器 电流场 主电流场 图2 2 多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器电流场分布示意图 f i 9 2 - 2s c h e m a t i c so fc u r r e n t o fr e s i s t i v i t yt r a n s d u c e ro fg a sh y d r a t ei np o r o u sm e d i a 实际测量时，用电流计检出主电极流出的主电流，用电位差计检出主电极与回流 电极之间的电位差u ，电阻率测量传感器系数髓过实验前的标定可以得到，用公式 ( 2 7 ) 就可以计算得出传感器探测区域内被测介质的电阻率。 2 4 2 测量传感器的具体结构设计 上述技术方案只是对测量传感器设计的总体设计，现根据上述技术方案，并参考测 量传感器的数学模型，对其具体结构设计如下。 测量传感器主要由航空插头、两个聚焦电极、主电极和两个回流电极组成。主电极 位于中间，两个聚焦电极( 稍长一些) 对称地排列在主电极的左右，两个回流电极( 稍 长一些) 对称地排列在最外层。两个聚焦电极用导线短路，向航空插头引出一根线，主 电极向航空插头引出一根线，两个回流电极用导线短路，向航空插头引出一根线。采用 注塑技术将航空插头与各个电极做成相对位置固定的一个整体，导线全部被包裹到塑料 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 杆内部，不可见( 如图2 3 所示) 。 航 插 图2 - 3 多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器结构图 f i 9 2 - 3s c h e m a t i c so fs t r u c t u r eo fr e s i s t i v i t yt r a n s d u c e ro fg a sh y d r a t ei np o r o u sm e d i a 在图2 3 所示结构图中，整个测量传感器包括如下几个部分：航空插头、a b s 塑料、 漆包线、主电极、聚焦电极a 、聚焦电极b 、回流电极a 、回流电极b 。 其中，聚焦电极a 通过漆包线与聚焦电极b 连接，然后与航空插头引脚连接。 主电极通过漆包线与航空插头一引脚连接。回流电极a 通过漆包线与回流电极b 连接， 然后与航空插头- 7 1 脚连接。用a b s 塑料将各个电极与航空插头浇铸成一个整体，漆 包线包裹在a b s 塑料之中。聚焦电极a 和聚焦电极b 的长度相同，回流电极a 和回流 电极b 的长度相同。c 与d 长度相同，g 与厂长度相同，从而保证各个环状电极为对称 结构排列。 我们使用焊锡将各个电极环、漆包线以及航空插头焊接完毕，然后放入提前刻好的 模具中，用a b s 塑料浇铸成型。其中，电极环由于尺寸很小，需使用线切割工艺加工完 成。选择电极环用什么材料制作时，主要考虑是否适合在高腐蚀性环境中的应用，我们 比较了各种不同的材料，包括不锈钢、黄铜、紫铜等。在各种材料中，因为不锈钢的耐 腐蚀性比较好，所以选用不锈钢为制作电极环的材料。但是由于焊锡对不锈钢材料的附 着性很差，几乎不能完成焊接，所以最终选用不锈钢做电极环材料的同时，在其表面镀 了一层金。这样既保证了焊接工作的顺利进行，又能进一步增强电极环的耐腐蚀性能。 依据测量传感器数学模型，并综合考虑实际加工工艺的难易以及应用环境的限制 ( 最小环境高度仅有2 0 m m ) ，尺寸设计如下： 聚焦电极a 和聚焦电极b 的长度相同，全部为1 5 姗，回流电极a 和回流电极b 的长度相同，全部为1 5 m l n ，主电极长度为l m m ，c 与d 长度相同，全部为2 m m ，p 与 厂长度相同，全部为2 m m 。 第2 章二维模型中天然气水合物电阻率测量传感器 根据测量传感器的数学模型，可知待测介质电阻率p 与u i 值之间满足一定的比例 关系，而且该比例系数k 由形成的两种电流场的直径大小确定。依据该尺寸信息可近似 估算得a 、b 的值分别为7 5 m m 、3 5 m m ，将其代入数学模型中，计算k 的值为7 6 6 2 3 。 由于采用了估算值进行计算，该测量传感器系数只作为参考使用。 由于测量传感器本身尺寸很小，所以制作过程中的些微误差对测量传感器系数的影 响较大，所以在实际应用中需使用每支测量传感器的实验标定系数。 2 4 3 测量传感器的具体测量方法 多孔介质中天然气水合物的模拟实验需要在盐水溶液中进行，实验需要的盐水浓度 为2 。如果在盐水溶液中建立直流电流场，则不可避免地将会发生电解反应。电解反 应不仅产生极化效应从而导致测量结果存在误差，而且会对加速浸泡于盐水溶液中的环 状电极的腐蚀，降低测量传感器使用寿命。所以，我仇必须有效地减弱由于电流场存在 而产生的电解作用。 为了解决上述电解反应所产生的问题，我们考虑电阻率的测量过程中使用交流电流 场。交流电流场可以有效地减弱电解反应，而经过试验对比发现，交流电流场的频率越 高则减弱电解反应的效果越好。但是，交流信号的检测要比直流信号困难，且信号频率 越高则检测难度也相应越高。综合考虑，我们选用频率为3 0 0 0 h z 的交流信号，作为该 测量传感器的激励信号。且由试验比较得出，正弦波的抗电解效果最明显，因此需选用 正弦波作为激励信号。 由上可知，两个聚焦电极用漆包线线短路，向航空插头引出一根导线，主电极通过 漆包线向航空插头引出一根导线，两个回流电极用漆包线短路，向航空插头引出一根导 线。各个电极环通过漆包线与航空插头连接，总共引出了三个导线，现将如何通过这三 根导线在待测多孔介质中建立交流电流场，以及如何检测出我们需要的电压、电流信息 介绍如下。 我们