用于低速滲流實驗的低滲流傳感器設計*

秦孫巍, 李云安

(1.中國地質大學 工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學 化學與環境工程學院，湖北 武漢 430074)

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用于低速滲流實驗的低滲流傳感器設計*

秦孫巍1,2, 李云安1

(1.中國地質大學 工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學 化學與環境工程學院，湖北 武漢 430074)

針對巖土體低速滲流實驗中μL/min級別流量難于測量的問題，提出了一種利用電解極化示蹤的低滲流流量測量方法。介紹了傳感器的測量原理、結構及測控電路。制作了量程為10～100 μL/min的滲流傳感器，并運用毛細管整體柱電滲泵進行了流量測定實驗。結果表明:傳感器結構簡單、體積小，在10～60 μL/min的流量范圍內，傳感器的線性相關性大于0.998，能夠滿足巖土體低速滲流實驗的要求，具有良好的實用價值。

低速滲流; 電解極化; 示蹤法; 傳感器

0 引 言

隨著石油資源逐漸減少，低滲透油藏相繼投入開發，開發過程中發現，低滲透油藏的滲流特征與中、高滲透油田的滲流特征顯著不同，存在啟動壓力梯度，低速滲流階段滲流曲線偏離達西定律等現象[1,2]。在低滲透巖的啟用壓力梯度和低速非達西滲流的實驗研究過程中，往往需要觀測巖體在μL/min級別流速時的滲流行為，但由于缺乏測量低速滲流的有效手段，實驗過程中通常使用可調流速的商品化恒流泵來避免測量低速滲流流速，因商品化恒流泵流速分辨率多為0.001 mL/min[3]，使得低速滲流實驗難于在μL/min級別流速下獲得更多的實驗數據，嚴重制約了低速非達西流的研究。

本文從電解極化示蹤的角度出發，利用電解極化示蹤法，設計了一種能在低速滲流實驗中使用的滲流流速傳感器。

1 測量原理

溶液中的離子會在施加電壓后的電解電極表面富集，形成與溶液平衡濃度不同的具有高濃度區域和低濃度區域的離子層示蹤源(如圖1)，當電極上施加的電壓消失后，離子層會向下流進行擴散遷移，當離子層示蹤源遷移到下游測量端的電導電極時，離子層示蹤源中的低濃度區域會形成一個電導極小峰，高濃度區域會形成一個電導極大峰，兩峰的出峰時間與流速和擴散速度有關，當流速較大時可以忽略擴散速度，若示蹤源與測量端間的距離不變，則出峰時間與流速成反比，當通道的截面積一定時，出峰時間與流量成反比，通過測量出峰時間即可求出流量。

離子層在水中的遷移可視為離子在一維條件下的擴散，其濃度為時間和距離的函數[4],即

(1)

圖1 滲流傳感器原理圖Fig 1 Principle diagram of seepage sensor

式中 m為電解質質量；α為孔隙率；S為截面積；C為離子濃度；u為流速；t為時間；DL為擴散系數；x為測量位置與電解電極的距離。

當流速滿足式(2)時，可以通過u=x/tpeak(式中tpeak為下游x處濃度出現極值的時間)計算實際流速[5]。

(2)

式中 u為流量；ε為測量允許相對誤差；DL為離子的擴散系數；x為測量位置與電解電極的距離。

若通道截面積一定，則流量為

(3)

式中 Q為流量；u為流速；S為通道截面積；x為測量位置與電解電極的距離；DL為擴散系數；r為通道半徑。

由式(3)可知，只要將一對電解電極和電導電極安裝在具有固定內徑的通道內就能夠通過電解極化示蹤法測量出流經通道流體的流量。當流速測量范圍一定時，流量的測量范圍可以通過通道內徑進行調整，通道內徑每擴大1倍，流量的測量范圍擴大1倍。

2 傳感器設計

2.1 結構設計

常溫下離子的擴散系數一般在10-5cm2/s數量級，假設測量允許的相對誤差為1 %，測量位置與電解電極的距離為2 cm，則由式(2)可知，最小的可測流速為5×10-4cm/s，考慮到擴散系數在一定溫度范圍內會發生小幅變化，在實際應用中可將流速的測量下限提高1～2個數量級以消除溫度的影響。

若允許的相對誤差為1 %，測量位置與電解電極的距離為2 cm，限定傳感器的流速范圍為10-2～10-1cm/s，則不同內徑通道傳感器的流量測量范圍如表1。由表可見，隨著通道內徑的增加，流量量程增加。

表1 不同通道內徑時傳感器量程

滲流傳感器結構如圖2所示，由2對電極(如圖2中4)和通道(如圖2中3)組成，其中一對電極用于電解極化，另一對電極用于測量電導，通道內徑可以根據所測流量的范圍按表1進行選取。

圖2 滲流傳感器結構示意圖Fig 2 Structure diagram of seepage sensor

2.2 制作方法

在直徑8 mm的有機玻璃棒上分別截取約1 mm長的有機玻璃片4片(圖2中1)、20 mm長的有機玻璃棒一根(圖2中3)，裁取4片10 mm×15 mm的鋅片(圖2中4)，將上述材料用AB膠按圖2所示順序依次黏結在一起，待黏結牢固后，根據測量流量范圍在上述黏結體的斷面開0.5～2 mm的貫穿孔作為過水通道，用清水沖洗2～3次晾干，晾干后在黏結體兩端用AB膠或氯仿各黏結一段長度為10～20 mm，內經為6 mm，外徑為8 mm的有機玻璃管(圖2中2)用于連接水路，黏結牢固后即可。

2.3 測控系統

測控系統框圖如圖3。其中，上位機用于發送控制指令、接收電導測量結果及數據處理。單片機用于接收上位機指令、發送測量結果至上位機、控制電解的啟停以及電導測量信號的模數變換。示蹤源發生器由可調恒壓電源及單片機控制的雙路開關組成，用于控制電解的啟停。電導測量采用經典的交流兩電極分壓法[6]，通過±2.5 V，頻率為1 kHz的方波激勵源測量電導，電導率測量采樣頻率約為7 Hz。

圖3 測控系統框圖Fig 3 Block diagram of measurement and control system

電解的啟?？刂仆ㄟ^單片機的定時器，定時發送啟停信號到雙路開關，由雙路開關控制可調恒壓電源的聯通狀態。雙路開關由2個光電耦合模塊組成(如圖4)。

DJEN為電解控制輸入端，通過單片機的數字控制信號控制電解的啟停，VCC為數字電路+5 V電源，R1為上拉電阻增強DJEN端數字信號的驅動能力，R2和R3為限流電阻控制光電耦合器的輸入電流，U2和U3為光電耦合器，本文采用線性光電耦合器PC817，VDD為可調恒壓電源的正極輸入端，R4為電解輸出的保護性限流電阻，DJOUT+和DJOUT-為電解電源輸出的正負極，GND為控制系統的數字地，AGND為電解電源的地連接調恒壓電源的負極。當DJEN輸入1時，R2和R3有電流通過，U2和U3中的光電二極管為點亮狀態，DJOUT+與電解電源正極、DJOUT-與電解電源負極間呈聯通狀態，電解開始；當DJEN輸入0時，R2和R3無電流通過，U2和U3中的光電二極管為關閉狀態，DJOUT+與電解電源正極、DJOUT-與電解電源負極間呈開路狀態，電解停止。

3 實驗與結果

3.1 實驗裝置與方法

實驗裝置由恒流泵、滲流傳感器、測控系統和微量進樣器四部分組成(如圖5)。為了獲取μL/min級別的流量，恒流泵采用自制的毛細管整體柱電滲泵，毛細管整體柱采用內徑330 μm石英毛細管，以硅酸鉀為原料，利用甲酰胺改性方法制備[7]，該泵的最大輸出流量為60 μL/min，最大輸出壓力為1 MPa。滲流傳感器的通道內徑為1.5 mm。微量進樣器的最大體積為100 μL，去掉內部進樣針用于標定流量。

圖5 實驗裝置圖Fig 5 Experimental equipment diagram

實驗時首先將排盡水的微量進樣器接入充滿水的實驗裝置，開啟測控系統，依據所需流量調整電滲泵高壓電源電壓，接通電滲泵電源開始測量，同時觀察微量進樣器，當液面到達微量進樣器0刻度時開始計時，當液面到達微量進樣器滿刻度時停止計時，根據液面從0刻度上升到滿刻度的時間計算標定流量。

3.2 數據處理

在一個測量周期內，測量端的電導率曲線(如圖6)會因為示蹤源離子中高、低濃度區域遷移而產生一個電導極小峰(high resistance peak,HRP)和一個電導極大峰(low resistance peak,LRP)，HRP和LRP為兩個相鄰的峰，兩峰均可用于測量。

圖6 峰擬合結果Fig 6 Result of peak fitting

在采集數據的基礎上，利用高斯函數雙峰擬合求取HRP和LRP的出峰時間。為了保證高斯雙峰擬合不陷入局部極小而導致擬合錯誤，擬合前采用統計方式預估出峰時間、基線作為擬合初始值。統計估值的基本原理是，在測量周期內峰值數據出現的概率要遠小于均值出現的概率，將一個周期內的所有測量數據從大到小排序，計算每個數據的累積概率，累積概率小于5 %的數據應位于極大峰，累積概率大于95 %的數據應位于極小峰，累積概率等于50 %的數據應在基線附近，假設極大峰和極小峰均為對稱峰，則數據累積概率等于5 %和95 %的時間平均值為對應峰的出峰時間。

采用上述方法可以估算出基線值、極大峰和極小峰的出峰時間，將其作為初值進行高斯雙峰擬合，結果如圖6。由結果可見，該方法對采集數據的擬合結果較好，極小峰的中心位置與原始數據誤差較小，極大峰的中心位置比原始數據略小，極大峰擬合結果偏小的主要原因是高斯峰位對稱峰而擴散形成的遷移峰不是對稱峰，由式(1)可知擴散遷移峰右側比左側寬，存在拖尾現象，極小峰由于緊鄰極大峰，低濃度區域與高濃度區域間存在擴散，使得極小峰拖尾現象不明顯，而極大峰隨流速的降低拖尾現象越來越嚴重，峰擬合引起的誤差也將逐漸增大。

3.3 線性誤差

在200～800 V的電滲泵工作電壓范圍內，測試了不同流量時傳感器的出峰時間，結果如圖7，在10～60 μL/min的流量范圍內，LRP的出峰時間倒數與流量的回歸方程為Q=2 692/tLRP-4.373，線性相關性系數R2=0.996 8，HRP的出峰時間倒數與流量的回歸方程為Q=1 484/tHRP-1.023，線性相關性系數R2=0.998 7。結果表明LRP,HRP出峰時間倒數均與標定流量呈現良好的線性關系，通過內徑1.5 mm的滲流傳感器可以用于測量10～60 μL/min內的流量。

圖7 滲流傳感器標準曲線Fig 7 Standard curve of seepage sensor

4 結 論

本文利用電解極化示蹤法的原理，設計了一種用于巖體低速滲流實驗低流量測量的傳感器、相關測控電路及數據處理方法，并通過實驗進行了驗證。結果表明:該傳感器結構簡單、成本低廉、線性相關性好，可以用于測量10～60 μL/min范圍內的流量，為解決低速滲流實驗中低流量測定提供了一種可行方法，具有良好的實用價值。

[1] 汪全林,唐 海,呂棟梁，等.低滲透油藏啟動壓力梯度實驗研究[J].油氣地質與采收率,2011(1):101-104,121-122.

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[3] 張 銘.低滲透巖石實驗理論及裝置[J].巖石力學與工程學報,2003(6):919-925.

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[5] 秦孫巍,李云安.基于電解極化原理的巖土滲流傳感器設計與實驗[J].傳感器與微系統,2015,34(11):78-81.

[6] 周明軍,尤 佳,秦 浩,等.電導率傳感器發展概況[J].傳感器與微系統,2010,29(4):9-11.

[7] 嚴逢川,陳 波.干凝膠無機整體柱的制備及評價[J].色譜,2011(5):426-429.

Design of slow flow sensor for low-velocity seepage experiment*

QIN Sun-wei1,2, LI Yun-an1

(1.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China;2.School of Chemistry and Environmental Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430074,China)

Aiming at problem that flow of μL/min level is difficult to measure in low-velocity seepage experiment,a slow flow measurement method using electrolytic polarization tracing is proposed.The measuring principle,structure and control circuit for the sensor are introduced.A flow sensor with the range of 10～100 μL/min is made,and using monolithic electroosmotic pump， flow measurment experiment is conducted.The results show that the sensor has simple structure and small size.At the range of 10～60 μL/min,the linear correlation of sensor is greater than 0.998.The sensor can meet requirement of low-velocity seepage experiment and has good practical value.

low-velocity seepage; electrolysis polarization; tracer method; sensor

2016—07—17

湖北省教育廳科學技術研究項目(B2015326)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0086—03

TH 764

A

1000—9787(2016)10—0086—03

秦孫巍(1978-)，男，湖北武漢人，博士研究生，講師,主要從事滲流監測系統設計和研究。