用于低速滲流實(shí)驗(yàn)的低滲流傳感器設(shè)計(jì)*

秦孫巍, 李云安

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

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用于低速滲流實(shí)驗(yàn)的低滲流傳感器設(shè)計(jì)*

秦孫巍1,2, 李云安1

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

針對(duì)巖土體低速滲流實(shí)驗(yàn)中μL/min級(jí)別流量難于測(cè)量的問(wèn)題，提出了一種利用電解極化示蹤的低滲流流量測(cè)量方法。介紹了傳感器的測(cè)量原理、結(jié)構(gòu)及測(cè)控電路。制作了量程為10～100 μL/min的滲流傳感器，并運(yùn)用毛細(xì)管整體柱電滲泵進(jìn)行了流量測(cè)定實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，在10～60 μL/min的流量范圍內(nèi)，傳感器的線性相關(guān)性大于0.998，能夠滿足巖土體低速滲流實(shí)驗(yàn)的要求，具有良好的實(shí)用價(jià)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(fā)，開發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，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(dòng)壓力梯度，低速滲流階段滲流曲線偏離達(dá)西定律等現(xiàn)象[1,2]。在低滲透巖的啟用壓力梯度和低速非達(dá)西滲流的實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，往往需要觀測(cè)巖體在μL/min級(jí)別流速時(shí)的滲流行為，但由于缺乏測(cè)量低速滲流的有效手段，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通常使用可調(diào)流速的商品化恒流泵來(lái)避免測(cè)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(shí)驗(yàn)難于在μL/min級(jí)別流速下獲得更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，嚴(yán)重制約了低速非達(dá)西流的研究。

本文從電解極化示蹤的角度出發(fā)，利用電解極化示蹤法，設(shè)計(jì)了一種能在低速滲流實(shí)驗(yàn)中使用的滲流流速傳感器。

1 測(cè)量原理

溶液中的離子會(huì)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(qū)域和低濃度區(qū)域的離子層示蹤源(如圖1)，當(dāng)電極上施加的電壓消失后，離子層會(huì)向下流進(jìn)行擴(kuò)散遷移，當(dāng)離子層示蹤源遷移到下游測(cè)量端的電導(dǎo)電極時(shí)，離子層示蹤源中的低濃度區(qū)域會(huì)形成一個(gè)電導(dǎo)極小峰，高濃度區(qū)域會(huì)形成一個(gè)電導(dǎo)極大峰，兩峰的出峰時(shí)間與流速和擴(kuò)散速度有關(guān)，當(dāng)流速較大時(shí)可以忽略擴(kuò)散速度，若示蹤源與測(cè)量端間的距離不變，則出峰時(shí)間與流速成反比，當(dāng)通道的截面積一定時(shí)，出峰時(shí)間與流量成反比，通過(guò)測(cè)量出峰時(shí)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(kuò)散，其濃度為時(shí)間和距離的函數(shù)[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(zhì)質(zhì)量；α為孔隙率；S為截面積；C為離子濃度；u為流速；t為時(shí)間；DL為擴(kuò)散系數(shù)；x為測(cè)量位置與電解電極的距離。

當(dāng)流速滿足式(2)時(shí)，可以通過(guò)u=x/tpeak(式中tpeak為下游x處濃度出現(xiàn)極值的時(shí)間)計(jì)算實(shí)際流速[5]。

(2)

式中 u為流量；ε為測(cè)量允許相對(duì)誤差；DL為離子的擴(kuò)散系數(shù)；x為測(cè)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(cè)量位置與電解電極的距離；DL為擴(kuò)散系數(shù)；r為通道半徑。

由式(3)可知，只要將一對(duì)電解電極和電導(dǎo)電極安裝在具有固定內(nèi)徑的通道內(nèi)就能夠通過(guò)電解極化示蹤法測(cè)量出流經(jīng)通道流體的流量。當(dāng)流速測(cè)量范圍一定時(shí)，流量的測(cè)量范圍可以通過(guò)通道內(nèi)徑進(jìn)行調(diào)整，通道內(nèi)徑每擴(kuò)大1倍，流量的測(cè)量范圍擴(kuò)大1倍。

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常溫下離子的擴(kuò)散系數(shù)一般在10-5cm2/s數(shù)量級(jí)，假設(shè)測(cè)量允許的相對(duì)誤差為1 %，測(cè)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(cè)流速為5×10-4cm/s，考慮到擴(kuò)散系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生小幅變化，在實(shí)際應(yīng)用中可將流速的測(cè)量下限提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)以消除溫度的影響。

若允許的相對(duì)誤差為1 %，測(cè)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(nèi)徑通道傳感器的流量測(cè)量范圍如表1。由表可見，隨著通道內(nèi)徑的增加，流量量程增加。

表1 不同通道內(nèi)徑時(shí)傳感器量程

滲流傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，由2對(duì)電極(如圖2中4)和通道(如圖2中3)組成，其中一對(duì)電極用于電解極化，另一對(duì)電極用于測(cè)量電導(dǎo)，通道內(nèi)徑可以根據(jù)所測(cè)流量的范圍按表1進(jìn)行選取。

圖2 滲流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Structure diagram of seepage sensor

2.2 制作方法

在直徑8 mm的有機(jī)玻璃棒上分別截取約1 mm長(zhǎng)的有機(jī)玻璃片4片(圖2中1)、20 mm長(zhǎng)的有機(jī)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(jié)在一起，待黏結(jié)牢固后，根據(jù)測(cè)量流量范圍在上述黏結(jié)體的斷面開0.5～2 mm的貫穿孔作為過(guò)水通道，用清水沖洗2～3次晾干，晾干后在黏結(jié)體兩端用AB膠或氯仿各黏結(jié)一段長(zhǎng)度為10～20 mm，內(nèi)經(jīng)為6 mm，外徑為8 mm的有機(jī)玻璃管(圖2中2)用于連接水路，黏結(jié)牢固后即可。

2.3 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)框圖如圖3。其中，上位機(jī)用于發(fā)送控制指令、接收電導(dǎo)測(cè)量結(jié)果及數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)用于接收上位機(jī)指令、發(fā)送測(cè)量結(jié)果至上位機(jī)、控制電解的啟停以及電導(dǎo)測(cè)量信號(hào)的模數(shù)變換。示蹤源發(fā)生器由可調(diào)恒壓電源及單片機(jī)控制的雙路開關(guān)組成，用于控制電解的啟停。電導(dǎo)測(cè)量采用經(jīng)典的交流兩電極分壓法[6]，通過(guò)±2.5 V，頻率為1 kHz的方波激勵(lì)源測(cè)量電導(dǎo)，電導(dǎo)率測(cè)量采樣頻率約為7 Hz。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)框圖Fig 3 Block diagram of measurement and control system

電解的啟?？刂仆ㄟ^(guò)單片機(jī)的定時(shí)器，定時(shí)發(fā)送啟停信號(hào)到雙路開關(guān)，由雙路開關(guān)控制可調(diào)恒壓電源的聯(lián)通狀態(tài)。雙路開關(guān)由2個(gè)光電耦合模塊組成(如圖4)。

DJEN為電解控制輸入端，通過(guò)單片機(jī)的數(shù)字控制信號(hào)控制電解的啟停，VCC為數(shù)字電路+5 V電源，R1為上拉電阻增強(qiáng)DJEN端數(shù)字信號(hào)的驅(qū)動(dòng)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(diào)恒壓電源的正極輸入端，R4為電解輸出的保護(hù)性限流電阻，DJOUT+和DJOUT-為電解電源輸出的正負(fù)極，GND為控制系統(tǒng)的數(shù)字地，AGND為電解電源的地連接調(diào)恒壓電源的負(fù)極。當(dāng)DJEN輸入1時(shí)，R2和R3有電流通過(guò)，U2和U3中的光電二極管為點(diǎn)亮狀態(tài)，DJOUT+與電解電源正極、DJOUT-與電解電源負(fù)極間呈聯(lián)通狀態(tài)，電解開始；當(dāng)DJEN輸入0時(shí)，R2和R3無(wú)電流通過(guò)，U2和U3中的光電二極管為關(guān)閉狀態(tài)，DJOUT+與電解電源正極、DJOUT-與電解電源負(fù)極間呈開路狀態(tài)，電解停止。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置由恒流泵、滲流傳感器、測(cè)控系統(tǒng)和微量進(jìn)樣器四部分組成(如圖5)。為了獲取μL/min級(jí)別的流量，恒流泵采用自制的毛細(xì)管整體柱電滲泵，毛細(xì)管整體柱采用內(nèi)徑330 μm石英毛細(xì)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(nèi)徑為1.5 mm。微量進(jìn)樣器的最大體積為100 μL，去掉內(nèi)部進(jìn)樣針用于標(biāo)定流量。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig 5 Experimental equipment diagram

實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將排盡水的微量進(jìn)樣器接入充滿水的實(shí)驗(yàn)裝置，開啟測(cè)控系統(tǒng)，依據(jù)所需流量調(diào)整電滲泵高壓電源電壓，接通電滲泵電源開始測(cè)量，同時(shí)觀察微量進(jìn)樣器，當(dāng)液面到達(dá)微量進(jìn)樣器0刻度時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)液面到達(dá)微量進(jìn)樣器滿刻度時(shí)停止計(jì)時(shí)，根據(jù)液面從0刻度上升到滿刻度的時(shí)間計(jì)算標(biāo)定流量。

3.2 數(shù)據(jù)處理

在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，測(cè)量端的電導(dǎo)率曲線(如圖6)會(huì)因?yàn)槭聚櫾措x子中高、低濃度區(qū)域遷移而產(chǎn)生一個(gè)電導(dǎo)極小峰(high resistance peak,HRP)和一個(gè)電導(dǎo)極大峰(low resistance peak,LRP)，HRP和LRP為兩個(gè)相鄰的峰，兩峰均可用于測(cè)量。

圖6 峰擬合結(jié)果Fig 6 Result of peak fitting

在采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用高斯函數(shù)雙峰擬合求取HRP和LRP的出峰時(shí)間。為了保證高斯雙峰擬合不陷入局部極小而導(dǎo)致擬合錯(cuò)誤，擬合前采用統(tǒng)計(jì)方式預(yù)估出峰時(shí)間、基線作為擬合初始值。統(tǒng)計(jì)估值的基本原理是，在測(cè)量周期內(nèi)峰值數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率要遠(yuǎn)小于均值出現(xiàn)的概率，將一個(gè)周期內(nèi)的所有測(cè)量數(shù)據(jù)從大到小排序，計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)的累積概率，累積概率小于5 %的數(shù)據(jù)應(yīng)位于極大峰，累積概率大于95 %的數(shù)據(jù)應(yīng)位于極小峰，累積概率等于50 %的數(shù)據(jù)應(yīng)在基線附近，假設(shè)極大峰和極小峰均為對(duì)稱峰，則數(shù)據(jù)累積概率等于5 %和95 %的時(shí)間平均值為對(duì)應(yīng)峰的出峰時(shí)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(shí)間，將其作為初值進(jìn)行高斯雙峰擬合，結(jié)果如圖6。由結(jié)果可見，該方法對(duì)采集數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果較好，極小峰的中心位置與原始數(shù)據(jù)誤差較小，極大峰的中心位置比原始數(shù)據(jù)略小，極大峰擬合結(jié)果偏小的主要原因是高斯峰位對(duì)稱峰而擴(kuò)散形成的遷移峰不是對(duì)稱峰，由式(1)可知擴(kuò)散遷移峰右側(cè)比左側(cè)寬，存在拖尾現(xiàn)象，極小峰由于緊鄰極大峰，低濃度區(qū)域與高濃度區(qū)域間存在擴(kuò)散，使得極小峰拖尾現(xiàn)象不明顯，而極大峰隨流速的降低拖尾現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)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(nèi)，測(cè)試了不同流量時(shí)傳感器的出峰時(shí)間，結(jié)果如圖7，在10～60 μL/min的流量范圍內(nèi)，LRP的出峰時(shí)間倒數(shù)與流量的回歸方程為Q=2 692/tLRP-4.373，線性相關(guān)性系數(shù)R2=0.996 8，HRP的出峰時(shí)間倒數(shù)與流量的回歸方程為Q=1 484/tHRP-1.023，線性相關(guān)性系數(shù)R2=0.998 7。結(jié)果表明LRP,HRP出峰時(shí)間倒數(shù)均與標(biāo)定流量呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，通過(guò)內(nèi)徑1.5 mm的滲流傳感器可以用于測(cè)量10～60 μL/min內(nèi)的流量。

圖7 滲流傳感器標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig 7 Standard curve of seepage sensor

4 結(jié) 論

本文利用電解極化示蹤法的原理，設(shè)計(jì)了一種用于巖體低速滲流實(shí)驗(yàn)低流量測(cè)量的傳感器、相關(guān)測(cè)控電路及數(shù)據(jù)處理方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、線性相關(guān)性好，可以用于測(cè)量10～60 μL/min范圍內(nèi)的流量，為解決低速滲流實(shí)驗(yàn)中低流量測(cè)定提供了一種可行方法，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

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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(xué)技術(shù)研究項(xiàng)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究。