（检测技术与自动化装置专业论文）天然气水合物电阻率测量方法的研究.pdf

摘要 天然气水合物( n a t u r a lg a sh y d r a t e ，n g h ) 被认为是2 l 世纪的一种优质、洁净能源， 目前已引起有关研究人员的广泛关注。在天然气水合物勘探开发之前，其电阻率特性及 其测量方法的研究对于确定天然气水合物的开发、储运方法以及提高采收率有着重要的 理论和现实意义。为此，本文针对天然气水合物电阻率测量这一问题深入研究并提出一 种解决方案。 首先，对天然气水合物探测技术的背景以及国内外发展状况做了简要介绍，并阐述 了课题的主要内容、技术路线及论文组织结构。 其次，在介绍了本课题的主体框架之后，详细介绍了本课题三个方面的研究内容： 电阻率测量中电极系测试单元的设计与标定、一维天然气水合物电阻率测量装置硬件设 计、安装及软件编制与调试。在电极系测试单元的设计与标定中，讨论了电极系测量电 阻率的特点，重点研究了电极系测量电阻率的基本工作原理、电极系测试单元标定的理 论数学模型推导以及电极系测试单元标定的实验方法，分析了电极系测量电阻率的方 法，并根据天然气水合物电阻率测量方法及其测试装置的特点，设计出了适于天然气水 合物特殊生长环境下的电极系主体及其供电模块；在测量装置硬件设计中，主要介绍了 一维天然气水合物电阻率测量装置的原理与特点，然后给出了测量装置总体设计方案及 系统工作流程，详细介绍了本方案所选用的数据采集模块、控制模块的特性，重点介绍 了数据采集控制单元，最后给出了它的硬件电路设计；在软件设计中，通过软件需求分 析，给出了应用软件的系统结构，重点讨论了关键功能模块的程序设计思想，包括数据 采集模块、控制模块、天平通信模块与数据库模块，完成了相关代码的编制和功能测试， 测试结果表明软件符合设计需求。 最后，利用研制出的一维天然气水合物电阻率测量装置，在天然气水合物生成与分 解的实验中，测量了天然气水合物区域内各测点电阻率变化，验证了该测量方法的可行 性，为天然气水合物的勘探提供了一种新的技术。 关键词：天然气水合物；电极系；电阻率；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 tm e t h o do fg a sh y d r a t e b a iy u n - f 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 t h eg a sh y d r a t e ( n a t u r a lg a sh y d r a t e ，n g h ) i sc o n s i d e r e da sak i n do fh i g h 删i t ) ra n d c l e a ne n e r g yi n21s tc e n t u r y ，w h i c hh a sa r o u s e dt h er e s e a r c h e r s w i d e s p r e a da t t e n t i o n s t h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dm e a s u r e m e n tm e t h o do fr e s i s t i v i t yh a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e sf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fd e v e l o p m e n t , s t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o nw a y s ，a n d e n h a n c i n go i lr e c o v e r yo ng a sh y d r a t eb e f o r ee x p l o r i n ga n dd e v e l o p i n gt h eg a sh y d r a t e s o t h ep r o b l e mo 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 sf u r t h e rr e s e a r c h e da n dp r o p o s e d as o l u t i o ni nt h i sa r t i c l e f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n do fd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u sq u o a th o m e a n da b r o a do ng a sh y d r a t ea r ei n t r o d u c e db r i e f l yi nt h i sa r t i c l e ，a n dt h e nt h em a i nc o n t e n t so f t h es u b j e c t , t e c h n i c a lp a t ha n do r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r ea r ea l le l a b o r a t e d s e c o n d l y , i tp r e s e n t st h er e s e a r c hi nt h r e e a r e a so nt h i st o p i ci nd e t a i la f t e rt h em a i nf r a m e o ft h i st o p i ci si n t r o d u c e d , w h i c ha r et h ed e s i g na n dc a l i b r a t i o no fe l e c t r o d ea r r a yt e s tu n i tf o r m e a s u r i n gt h er e s i s t i v i t y , t h e h a r d w a r e d e s i g n ，i n s t a l l a t i o n , s o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n d d e b u g g i n go fo n e - d i m e n s i o n a lr e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n td e v i c eo ng a sh y d r a t e i nt h ed e s i g n a n dc a l i b r a t i o no fe l e c t r o d ea r r a yt e s tu n i t , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e a s u r i n gr e s i s t i v i t y 、柝m e l e c t r o d ea r r a ya l ed i s c u s s e d t h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo fm e a s u r i n gr e s i s t i v i t yw i t h e l e c t r o d ea r r a y , t h ed e r i v a t i o no ft h e o r e t i c a lm o d e la n de x p e r i m e n t a lm e t h o d sf o rc a l i b r a t i n g t h ee l e c t r o d ea r r a yt e s tu n i ta r em a i n l yr e s e a r c h e d t h em e t h o do fm e a s u r i n gt h er e s i s t i v i t y w i t he l e c t r o d ea r r a yi sa n a l y z e d m e a n w h i l e ，t h eb o d yo fe l e c t r o d ea r r a ya n di t sp o w e rs u p p l y m o d u l ef o ras p e c i a ls u i t a b l el i v i n ge n v i r o n m e n to ft h eg a sh y d r a t e sh a sb e e nd e s i g n e d 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 fm e a s u r e m e n td e v i c eo ng a sh y d r a t e d u r i n gd e s i g n i n g h a r d w a r eo ft h em e a s u r e m e n td e v i c e ，t h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fo n e d i m e n s i o n a l r e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n td e v i c eo ng a sh y d r a t ea r em a i n l yi n t r o d u c e d , a n dt h e nt h eo v e r a l l d e s i g n i n gp r o g r a ma n ds y s t e mw o r k f l o wo f t h em e a s u r e m e n td e v i c ea r ep r o p o s e d m e a n w h i l e ， t h ef e a t u r e so fd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n dc o n t r o l l i n gm o d u l ew h i c ha r ec h o s e ni nt h i s d e v i c ea l ei n t r o d u c e di nd e t a i l i tf o c u s e so nt h ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o l l i n gu n i t , a n d f m a l l yt h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i ti sg i v e n d u r i n gd e s i g n i n gt h es o r w a r e ，t h es y s t e m a t i c a r c h i t e c t u r eo fa p p l i c a t i o ns o r w a r ei s g i v e nt h r o u g ha n a l y z i n g t h e r e q u i r e m e n t t h e p r o c e d u r a ld e s i g n i n gi d e ao ft h ek e yf u n c t i o n a lm o d u l e sh a sb e e nd i s c u s s e d , i n c l u d i n gt h e d a t ac o l l e c t i o nm o d u l e ，t h ec o n t r o l l i n gm o d u l e ，t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l eo ft h eb a l a n c ea n d t h ed a t a b a s em o d u l e ，a n dt h e nt h ep r e p a r a t i o no ft h er e l e v a n tc o d ea n df u n c t i o n a lt e s th a s c o m p l e t e d t h et e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h es o r w a r ci si nl i n e 、撕t l lt h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , d u r i n gt h ee x p e r i m e n to ft h ef o r m a t i o na n dd e c o m p o s i t i o no nt h eg a sh y d r a t e ， t h er e s i s t i v i t yc h a n g e so nt h em e a s u r i n gp o i n to ft h eg a sh y d r a t er e g i o nh a sb e e nm e a s u r e d w i t ht h eo n e - d i m e n s i o n a lr e s i s t i v i t ym e a s u r e m e md e v i c eo ng a sh y d r a t e t h ef e a s i b i l i t yo f t h e m e a s u r e m e n tm e t h o dh a sb e e nv e r i f i e d , w h i c hp r o v i d e san e wt e c h n o l o g yf o rt h ee x p l o r a t i o n o ft h eg a sh y d r a t e k e yw o r d s ：g a sh y d r a t e ；e l e c t r o d ea r r a y ；r e s i s t i v i t y ；d a t aa c q u i s i t i o n ；p h y s i c a lm o d e l 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：叠互! 丑 日期：卅年，月彳日 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：叁墨基 指导教师签名：堡三竺埤 日期：2 研年，月幺日 日期：纠 年户月砂乡日 l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 在中科院广州能源所课题“天然气水合物模拟开采技术研究和中国石油大学( 华 东) 石油工程学院“一维天然气水合物电阻率测量模型设计 项目的研制中，都涉及到 了天然气水合物电阻率的测量。天然气水合物电阻率的测量是大规模勘探开发天然气水 合物前的基础性研究工作，其测量原理是根据点电源在天然气水合物区域内形成电场的 强弱来间接完成对天然气水合物电阻率的测量，从而通过对电阻率数据的分析来判定是 否有天然气水合物生成，同时也可根据电阻率的变化定性地分析天然气水合物的分布情 况，还可以根据电阻率的大小定量地分析出天然气水合物的储量。当前，随着计算机、 自动化技术的广泛应用，天然气水合物实验装置的自动化程度和测试速度以及测量精度 越来越高，因此，研究一种适用于测量天然气水合物电阻率的测量技术与装置显得尤为 迫切。 天然气水合物电阻率的测量是当前勘探技术中至关重要的方面，本课题就是针对天 然气水合物电阻率的测量而利用先进工艺技术设计了一套电极系，并根据建立的电极系 系数k 理论模型独自设计实验的方法进行电极系的标定，同时提出了合理的测量方法， 设计了天然气水合物电阻率测量装置，最后通过该装置验证了测量方法的可行性。 1 2 天然气水合物探测技术现状 关于天然气水合物的探测方法，国内外均有学者做过大量的研究工作，所采用的方 法也是多种多样的，主要包括超声探测技术、温压探测技术、电阻探测技术、时域反射 技术以及钻孔取心技术等【l , 2 1 。 1 2 1 超声探测技术 国外有些天然气水合物实验室应用过超声探测技术。日本地质调查所1 9 9 8 年就在实 验室内试用过超声探测技术，但没有成功。美国地质调查局的天然气水合物及沉积物测 试实验装置( g h a s t l i ) 也有声速测量仪器，用于测量所取沉积物岩心的声速以确定含有 或不含天然气水合物。g h a s t l i 测量了取自m a l l i l 【2 l 3 8 井的含天然气水合物的岩心样 品，样品中水合物分解前，纵波速度为2 3 7 0m s ，而分解后，纵波速度大幅度降低，且 波形亦发生明显变化 3 1 。然而g h a s t l i 未进行松散沉积物中天然气水合物的探测实验。 我国在自行研制的高压釜中使用超声波探测了松散沉积物中天然气水合物的生成 第1 章绪论 和分解。实验过程中，测量并实时记录纵波速度、首波幅度及接收主频3 个参数，并通 过温度的升降来控制沉积物中天然气水合物的生成和分解。在一定压力下，温度对声速 的影响较大，常温时含水沉积物( 2 0 - - 4 0 目的天然石英砂) 的声速为1 8 0 0 m s 左右，温度在 冰点以上相对快速降低和升高时，声速也随之降低和升高，且声速与温度基本呈线性相 关，这说明声速的变化主要由温度引起。由于在实验过程中不再往高压釜内补充气体， 而一定压力下甲烷在水中的溶解量有限，因此生成的水合物充填沉积物孔隙的比例很 小。b e 唱e 等【4 】使用r l l ( c c l 3 f ) 制冷剂作为水合物生成物在砂中所做实验表明，当孔隙中 水合物饱和度超过3 5 时，声速才会发生明显变化。 由此可见，利用超声方法探测沉积物中少量天然气水合物的生成和分解，其探测灵 敏度不够，因此，要探测固态天然气水合物的存在，超声探测并不是十分有效的方法。 1 2 2 温压探测技术 近年来，有些科学家仅利用温度和压力两个参数来研究多孔介质中天然气水合物的 p t 平衡条件5 , 6 1 。他们通过分析实验过程中高压反应釜内温度、压力曲线的变化，以及 气相与多孔介质中温度的微小差异来确定天然气水合物的生成和分解，从而得出不同介 质中天然气水合物的p t 平衡条件。某些实验结果在o d p 钻孔和m a l l i k2 l 3 8 天然气水合 物研究井中得到了良好的印证。 然而利用温压法确定沉积物中天然气水合物的p t 平衡条件，对温度、压力的控制 精度和测量精度要求极高，而且此方法的耗时很长，尤其在细粒沉积物中的模拟实验耗 时更长，通常做一次实验需要6 0 0 h 左右，因此可以考虑使用其他手段( 如震动或搅拌) 增 加天然气水合物生成的驱动力，加快天然气水合物的生成。 1 2 3 电阻探测技术 任何一种物质的导电性是指这种物质传导电流的能力，常用电阻的大小来表示物质 导电性能。天然气水合物的形成经历了一个成核- 微晶- 结晶- 聚集的过程，在后两个过 程中，由于体积较大，使用超声探测技术可以检测到，但是对于前两个过程中，由于超 声技术受到频率和能量衰减的制约，可能不十分有效，频率高分辨率高，但能量衰减太 大，穿不透沉积物；若频率高可穿透沉积物的情况下，分辨率则降低。电阻法是目前能 测试成核微晶的唯一有效手段。 oy ez a t s e p i n a 和bab u f f e t t 使用电阻法研究多孔介质中c 0 2 水合物的p t 平衡条 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 件，取得了较为满意的实验结果【7 ，引。选用c 0 2 作为生成水合物的实验气体，主要出于 以下3 种原因： ( 1 ) c 0 2 水合物在比较低的压力下能够产生与天然气水合物同样的晶体结构，实验 的标准压力为2 m p a ，而天然气水合物在海底形成时所需的压力通常超过1 0 m p a ； ( 2 ) c 0 2 n 2 0 混合物的相图非常接近c h 4 u 2 0 混合液的相图，因此c 0 2 对于天然产 出的水合物来说是很有用的模拟物质； ( 3 ) 也是最重要的原因，选用c 0 2 是因为它有独特的物理特性，少量溶解状的c 0 2 发生电离，这就能够通过电阻变化探测出水合物生成时气体含量的变化。 1 2 4 时域反射( ) r ) 技术 时域反射技术是根据电磁波在介质中的传播速度来测试介质的介电常数，该技术最 初应用于电缆线损坏位置的测量。在1 个已知长度的共轴线上，表观介电常数与脉冲电 压的传播速度、时间及线长有一确定的函数关系式，由此可计算体系的表观介电常数的 变化，这是该技术的基础。在2 0 世纪8 0 年代，t d r 被土壤科学家作为测量未冻土或冻土 中的液体水分含量的1 个重要方法，对野外和室内扰动的或未扰动的样品都适用，理论 上，温度、盐度、密度及矿物学等对水含量的估算影响很小。 t d r 技术不用考虑体系p - v - t 的关系，通过测定体系的表观介电常数的变化来估算 沉积物中孔隙水的含量。加拿大地质调查局实验室的实验表明，天然气水合物晶体的表 观介电常数与冰的接近。在0 以上，随着含溶解气体的液体水( 介电常数为8 0 ) 转化为 天然气水合物( 介电常数为3 ) ，介电常数不断地降低。因此，在沉积物中水合物生成 分解时，体系的介电常数有明显的变化，因此天然气水合物的生长过程可通过监测体系 中介电常数来探测。另外，对一些特定的介质，可通过在整个湿度范围内( 从干态到水 全饱和) 的一系列的介电常数的测定，来获得更精确的含水量与介电常数的关系，从而 更加方便地快速、准确地测定实验样品中的液体水，进而通过体系中液体水含量的变化 来获取天然气水合物的生成分解信息。t d r 探测技术在近2 年才被应用到天然气水合 物的探测上，有广阔的发展前景，然而由于天然气水合物特殊的生存环境，对于t d r 探测仪器适应性差的不足对其发展产生了一定的障碍。 1 2 5 钻孔取心技术 随着钻探技术和海洋深水取样技术的提高，给人们提供了直接对自然界中天然形成 3 第1 章绪论 的天然气水合物进行研究的机会。同时，钻孔取芯资料也是证明地下天然气水合物存在 的最直观和最直接的方法之一【9 l o l 。通常采用钻杆岩芯或用活塞式取样器、恒压取样器 采集海底含天然气水合物的样品。在实验室内，一般取一定量的样品( 1 0 0 2 0 0 9 ) 放入无 污染的密封金属罐中，再在罐中注入足够的水，并保留一定的空间( 1 0 0 c m 3 ) 存放罐顶气。 通过对罐顶气、样品经机械混和后释出的气及样品经酸抽提后释放出气的甲烷至正丁烷 的组分进行气相色谱分析，以及对罐顶气进行甲烷8 c 和8 d 分析，不但可以推测天然气 水合物的类型，还可以确定其气体成因，因此此种方法可用于天然气水合物生成后的后 续分析。 1 3 课题主要研究内容及理论技术路线 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 研制一种适用于测量天然气水合物电阻率的电极系测试单元，能够实时测量天 然气水合物区域内任一点电阻率的动态变化； ( 2 ) 建立均匀天然气水合物区域内电极系测试单元标定的理论数学模型，同时根据 理论模型设计电极系测试单元实验标定的方法，实现对测量装置所用电极系的实验标 定； ( 3 ) 研制一维天然气水合物电阻率测量装置作为测量天然气水合物电阻率的硬件平 台，开发实验装置配套的应用软件，用于数据采集、存储、分析及处理； ( 4 ) 建立一种测量天然气水合物电阻率的测量方法，设计合理的实验方案，通过一 维天然气水合物电阻率测量装置观察及分析天然气水合物生成前后电阻率的变化； ( 5 ) 利用研制出的一维天然气水合物电阻率测量装置，在天然气水合物生成及各种 方式下的分解实验过程中，测量天然气水合物区域内不同位置电阻率的变化过程，验证 测量方法的可行性。 1 3 2 理论方法和技术路线 电阻率法探测天然气水合物是以天然气水合物生成前后电阻率变化很大作为理论 基础，电极系测试单元的设计以电法测井知识作为理论基础。 在具体研究过程中，电极系测试单元的设计是以电阻率测量原理为基础，用先进的 双模压制技术对其制作完成的。对电极系测试单元标定的理论数学模型进行深入研究， 建立电极系测试单元标定的参考理论公式，并设计电极系测试单元标定的实验方法完成 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 对电极系测试单元的实验标定。电极系测试单元中供电模块的设计是以天然气水合物区 域内的电极极化条件优化而完成的；以一维天然气水合物电阻率测量装置作为硬件平 台，其中数据采集控制单元为该装置的核心部分，该单元采用研华公司数据采集模块、 数字量i o 模块、继电器板及p c 组成；最后确立实验方案验证该测量方法的可行性， 并进一步解释测得的数据。 1 4 论文组织结构 本文的组织结构如下： 第1 章，绪论，主要阐述了本课题研究背景，简要分析了其研究意义，介绍了国内 外相关探测技术现状，给出了本课题的主要研究内容及理论技术路线。 第2 章，电极系测试单元的设计与标定，讨论了电极系测量电阻率的理论基础，重 点研究了电极系主体及供电模块的设计方法，建立了电极系测试单元标定的理论数学模 型，并根据天然气水合物测量装置的特点，设计了电极系测试单元标定的实验方法，从 而实现对电极系测试单元的实验标定。 第3 章，一维天然气水合物电阻率测量装置硬件设计，介绍了该测量装置的原理及 特点，给出了实验装置总体设计方案及关键技术，分析了系统工作流程，最后给出了测 量装置的硬件电路设计。在详细介绍本方案所选用的数据采集模块、控制模块特性的基 础上，重点进行了电极系选通控制单元和数据采集单元的设计工作。 第4 章，一维天然气水合物电阻率测量装置软件设计，简单介绍了软件采用的编程 环境，并通过软件需求分析，给出了软件总体设计方案及算法说明，重点讲述了测量装 置关键功能模块程序设计思想，包括数据采集模块、控制模块、天平通信模块、数据库 模块等，完成了相关代码的编制和功能测试，测试结果表明软件符合设计需求。 第5 章，数据分析与处理，给出了实验原理与方法，同时利用研制的一维天然气水 合物电阻率测量装置进行天然气水合物生成与分解实验，并对采集的数据进行了分析与 处理，得出的结论验证了电阻率测量方法对于天然气水合物勘探的可行性。 第6 章，结论与展望，本章对论文工作进行了概括性总结，列出本文的创新点，指 出了课题的不足并对下一步的工作进行了展望。 5 第2 章电极系测试单元的设计与标定 第2 章电极系测试单元的设计与标定 2 1电极系测量电阻率的理论基础 2 1 1 普通电阻率测井原理 普通电阻率法测井，是根据自然界中各种不同矿物的电阻率不同这一特点，来区别 矿物性质的一种测井方法【l l 】。矿物电阻率足是反映岩石在外加电场中导电能力强弱的物 理量，因此须在外加电场的条件下才能测定出来。由普通物理学理论得知，用均匀材料 制成的规则形状的导体，其电阻p 与导体的横截面积s 成反比，与导体的长度三成正比。 其表达式为： p 础专 ：(2-0 式中灭比例系数，也叫电阻率。它只与导体的材料性质有关而与导体的几何形 状无关【1 2 1 。由式( 2 1 ) 得电阻率的表达式为： 尺：p了s(2-2) 由上式可以导出矿物电阻率的单位为q m ( 欧姆米) ，在数值上相当于横截面积为 lm 2 ，长度为lm 的单位体积矿物的电阻值。物体的电阻率越高说明其导电能力越差， 反之结论亦反。： 在实验室内常用“四电极法 测定矿物的电阻率【1 3 1 。如图2 1 所示为矿物岩样电阻 率测量原理。 图2 - 1 矿物岩样电阻率测量原理图 f i 9 2 - 1s c h e m a t i c so fm e a s u r i n g t h em i n e r a lr o c kr e s i s t i v i t y 取一块钻井取心岩样磨成如图2 1 中所示的规则圆柱体，在岩样的两端接上金属板 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 状电极a 和b ，在岩样的中i 司部分接上两个环状电极m 和n ，它们之间的距离为l ( 以 m 为单位) ，将岩样按图2 1 所示接入电路。合上电源开关k 后，通过电极a 、b 给岩 样供电，电流强度为i ，由毫伏表g 测出电极m ，n 之间的电位差的值，根据欧 姆定律，m 、n 之间的介质电阻应为： 户：华 ( 2 3 ) l 、 根据式( 2 2 ) 得知： r ：华辱( 2 - 4 ) i l 一般三和s 均取固定值，令k = s 三，则有： r ：k 华 ( 2 5 ) i 、。 式中k 装置系数。 上述测定矿物电阻率方法的实现，为天然气水合物电阻率测量方法的研究提供了实 现的理论可能。 2 1 2 天然气水合物电阻率测量原理 电阻率法探测天然气水合物，是根据自然界中不同物质的导电能力不同这一特点来 区别天然气水合物形成前后性质的一种方法。天然气水合物导电能力通常采用电阻率这 个物理量来表示。 因埋藏在深层的天然气水合物的电阻率不易直接测量，故采取间接测量的方法，即 通过给天然气水合物供电后测量其电位降。如图2 2 所示，在进行天然气水合物电阻率 测量时，回路电极b 接地，电源通过供电电极a 供给电流j ，在天然气水合物区域内建 立电场，受电场感应，在测量电极m 、n 之间存在电位差，用测量仪器测出电位 差，所测的电位差与电流，比值的大小决定于周围天然气水合物区域的电阻 率r ，即 r ：k a u ，u u ( 2 6 ) i 、 其中k 称为电极系系数，它只与电极系的尺寸、类型有关。因此，理想状态下电极 系尺寸等参数一旦确定，其电极系系数一般是固定不变的。 研究型笋的变化即反映了该区域天然气水合物电阻率的变化，故电阻率法探测天 7 第2 章电极系测试单元的设计与标定 然气水合物与研究天然气水合物介质中电场分布问题密切相关。 须指出的是，在多孔介质中实际测量天然气水合物电阻率时，由于电极系周围水合 物区域分布的不均匀性，显然得到的并非真实电阻率，而是在综合条件影响下测出的电 阻率，通常被称之为视电阻率恐。理论分析认为式( 2 6 ) 仍然适用于此种情况，只是此时 r 表示为视电阻率尼。 电源电流枪涮仅器电压枪涮仪器 图2 - 2 电阻率测量原理图 f i 9 2 - 2s c h e m a t i c so fm e a s u r i n gr e s i s t i v i t y 2 2电极系主体的设计 2 2 1 电极系的基本概念 如图2 2 所示，a 、b 、m 、n 四个电极中的三个形成一个相对位置不变的结构体系， 通常称之为电极系。按照成对电极和不成对电极的距离之不同，可把电极系分为电位电 极系和梯度电极系两大类【1 4 1 。 1 电位电极系 不成对电极到靠近它成对电极之间的距离，小于成对电极间的距离( a m m n ) ， 这种电极系称为梯度电极系。见表2 1 的右边部分的电极系。梯度电极系的成对电极m 、 n ( 或a 、b ) 的中点为梯度电极系的深度记录点，用d 表示，不成对电极a ( 或m ) 到 记录点d 的距离叫梯度电极系的电极距，记作l = a o ( 或l = m o ) 。当电极系中m n ( 或 面) 接近于零时，这个电极系叫做理想梯度电极系，此时成对电极m 、n 和记录点o 可看作一点。 根据成对电极和不成对电极的相对位置不同可把梯度电极系分成两类。成对电极在 不成对电极下方的叫正装电极系，用正装梯度电极系测出的视电阻率曲线，以明显的极 大值显示出高阻岩层的底界面，所以这种电极系又叫底部梯度电极系；成对电极在不成 对电极上方的叫倒装电极系。用倒装梯度电极系所测出的视电阻率曲线，以明显的极大 值显示出高阻岩层的项界面，所以这种电极系又叫做顶部梯度电极系。 根据电极系中供电电极的个数又可以将电极系分成两类。电极系中只有一个供电电 9 第2 章电极系测试单元的设计与标定 极a 的称为单极供电电极系。如由电极a 、m 、n 组成的电极系。电极系中有两个供 电电极a 和b 的称为双极供电电极系。如由电极b 、a 、m 组成的电极系。 综上所述，根据梯度或电位，正装或倒装，单极供电或双极供电，可以分为八种不 同的电极系，各种电极系的全名列于表2 1 的下部。 根据用不同电极系对同一岩层剖面所测出的电阻率曲线划分剖面时，必须首先弄清 楚曲线是用那种类型的电极系测出来的，在每条电阻率曲线上端都标有所使用电极系的 书写符号。电极系的书写方法，是按照电极在井内自上而下的顺序写出电极的名称和电 极之间的距离( 以m 为单位) 。例如m 2 2 5 a 0 5 b 表示双极供电正装( 底部) 梯度电 极，工：而：2 5 m 。 2 2 2 电极系的性质 1 互换原理。把电极系中的电极的功能互换( 原供电电极改为测量电极；原测量电 极改为供电电极) ，而各电极的相对位置不变，并且保持测量条件不变时，则所得到的 视电阻率曲线和原来的完全相同，这叫做电极系的互换原理。 根据互换原理，表2 1 右边四种梯度电极系实质上为两种类型，而左边四种电位电 极系实质上是一种类型。这是因为电位电极系所测的视电阻率曲线对地层中点是对称 的，如成对电极间的距离足够大时，正装和倒装的差别也没有了。 2 探测深度。为了定性地判断测量的视电阻率主要反映的介质范围，引用了电极系 探测深度( 或探测半径) 概念【1 5 】。在均匀介质中，以供电电极为中心，以某一半径做一 球面，如果球面内包括的介质对电极系测量结果的贡献占总结果的5 0 时，则此半径就 定义为该电极系的探测深度( 或探测半径) 。经计算电位电极系的探测半径为2 三 ( = 2 a m ) ；梯度电极系的探测半径为1 4 l ( = 1 4 a o 或1 4 m o ) 。在一般情况下，随着 电极距的加大，电极系的探测深度将加大，但当介质分布改变时，探测半径也会有所改变， 所以目前各地区的探测半径也不完全一致，应根据所测对象合理地选择，以利于解释中 进行地层对比，准确地划分油、气、水层。 电极系测试单元的设计主要包括电极系主体与电极系供电模块两部分的设计，下面 分别介绍电极系主体与电极系供电模块的设计工作。 2 2 3电极系主体的设计与加工 本文所述电极系是基于上述天然气水合物电阻率测量原理，根据特殊应用环境设计 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 而成的。如图2 3 所示，电极系主体包含一根绝缘细长杆，在细长杆探入天然气水合物 部分的外圆周上间隔一定距离布置有三个环形电极a 、m 和n ，三个环形电极分别有导 线引出至电极系的端部。a 为供电电极，m 和n 为测量电极。由于电极系设计尺寸的 需要，将接地电极b 放置于测量电极n 处共同作为电极系的基准电位。在电极系的制 作过程中，根据上述条件先制造出一套模具，然后采用双模压制技术加工出电极系主体 部分。电极系中绝缘细长杆采用耐氧化、耐腐蚀的高强度有机材料，三环形电极均采用 合金材料制作。实验测试表明：为在有限水合物区域内准确测量电阻率，要求电极系设 计尺寸不要太大并具有一定的机械强度和绝缘性【1 6 1 。 a m n ( m f ，、啊一，二、二ull r j i j 图2 - 3 电极系示意图 f i g2 - 3s c h e m a t i c so ft h ee l e c t r o d ea r r a y 2 3电极系供电模块的设计 2 3 1 电极系供电模块的需求分析 由于天然气水合物特殊的存在环境，因此需要对电极系供电才能测量天然气水合物 的电阻率，从而实现对天然气水合物的有效探测。由于天然气水合物在溶液环境中存在， 为避免电化学和电极极化反应，因此电极系供电模块需要采用稳定的交流矩形波信号供 电【1 7 - 1 9 1 。 仪器供电工作方式的选择对于仪器测量结果的准确性有其重要的影响，因此应予以 充分重视。当前仪器供电主流的工作方式有恒流式、恒压式、自由式和恒功率式四种。 这四种方式的特点如下： 1 恒流式：保持供电电流，恒定，通过监测电极m 、n 之间的电位差a 来反映 电阻率的变化，显然在一定范围内，测量地层的电阻率越高，提供测量的电位差越大， 测量误差越小。因此恒流式仪器适于对高阻地层的测量。 由于供电电流川亘定，在地层电阻率变化范围很大时，要求仪器电压检测系统的动 态范围要很大，这在电路设计是很困难的。比如地层电阻率从1q m 变到1 0 0 0 0 m ， 即变化了1 0 0 0 0 倍，要求电位差检测系统能跟踪测量是很难办到的。设计时，若照顾中 间则兼顾不了两头，往往对于小信号显得放大不足，而对大信号又会出现饱和失真。因 第2 章电极系测试单元的设计与标定 此恒流式仪器对于高阻和低阻地层的测量误差都比较大，甚至使测量结果不能使用。总 之，恒流式仪器测量动态范围小，这是恒流式仪器的主要缺点，而其优点是电路相对比 较简单，易于设计和制作。 2 恒压式：采用恒压式，供电两极电位恒定，主要检测电流的变化大小。显然测量 地层的电阻率越低，提供测量的电流信号越大，相应测量误差小，因此，恒压式仪器适 于对低阻地层的测量。恒压式与恒流式仪器一样，仪器电路简单，但动态范围小。 3 自由式( 求商式) ：因自由式电流和电压都是浮动的，测井时，同时测量电流、 电压两个量，因此可以得到较宽的测量动态范围。比如地层电阻率仍从1q 脚变到 1 0 0 0 0 q m ，自由式仪器只要测量电压和电流各变化1 0 0 倍即能满足测量要求。国产 8 0 1 双测向和引进的1 2 2 9 双测向均采用这种工作方式。须指出的是，这种工作方式的仪 器在测量地层电阻率很高和很低时，仪器分别相当于恒流式和恒压式，其测量误差较大。 4 恒功率式由式( 2 6 ) 视电阻率公式可知，要确定电阻率，我们并不一定要测得电压 和电流的实际值，只要知道他们的比值即可。但要测量准确，务必使测量电压和电流都 处于测量仪器的可测范围之内，若超过仪器测量范围，测量结果就失真了。由于自由式 测量的u 和，不受任何限制，很难使测量仪器的测量系统跟踪a u 和，的全部变化。因 此限制了仪器测量动态范围的进一步扩展，一般自由式仪器测量动态范围只能达到1 0 4 倍。恒功率式在测量过程中保持a u i 不变，只要选定最高和最低电阻率的两个极点保 持功率不变，就使测量电压和电流始终处在仪器可测量的范围之内，也就不会出现测量 电压和电流被限幅的情况。因此，可以获得比自由式仪器更宽的测量动态范围。但与自 由式仪器比较，恒功率式仪器电路复杂，如果不使用计算机控制，进行恒功率测量是不 可能的。 通过上述各种主流工作方式的分析，综合天然气水合物的相关条件做出如下结论： 该天然气水合物电阻率测量装置是模拟低温高压状态下天然气水合物自然形成的过程， 由于不使用外在搅拌装置加快其反应过程，故在该套测量装置中采用恒压供电工作方 式，这也是本实验装置与其它相关测井仪器的不同点之一。选择恒压供电工作方式的原 因如下： 1 在一定的时间范围内该测量装置很难使天然气水合物自由充分形成，而只是小部 分反应完全，故其电阻率变化范围很小。 2 实验结束后天然气水合物区域仍以大部分溶液的形式存在，故电阻率均处在低阻 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 状态。 3 在该测量装置中电阻率变化较为敏感，应尽可能降低干扰源的干扰能力，力争使 电路简单。 为验证理论分析的结论，在该测量装置中分别采用恒压源和恒流源进行电极系的线 性标定实验1 2 0 ，电极系标定过程及结果见2 4 2 小节。 2 3 2 供电模块的设计方案 在确定恒压电源供电后，下一步主要是进行波形产生电路的设计。由于避免工频 5 0 h z 交流电对电极系所测电阻率的影响，在本装置中拟采用1 5 0 h z 左右的低频矩形波 对电极系供电。 本文在频率可调对称方波电路的设计上选择一种由l m 5 5 5 芯片组成的简单却具有优 良性能的信号发生器。 首先介绍一下5 5 5 定时器的电路结构与功能。 由图2 4 所示，定时器由电阻分压器、比较器、基本r s 触发器、放电管丁组成。其 功能见表2 2 所示。由电路原理图和功能表可以看出，当 3 ，s = 0 ，此时触电器复 位，q - - - - - 0 。放电管丁导通，7 端接地；当 3 ，s = 0 时，触 发器保持原状态。同样放电管丁也处于保持状态【2 1 1 。 砾 u r r ( 口) ( 6 ) 图2 - 45 5 5 定时器电路原理图及逻辑符号 f i g2 4c i r c u i ts c h e m a t