含水合物沉積物復電導率測試實驗系統設計與開發

張樹立， 邢蘭昌， 魏 偉， 韓維峰， 魏周拓

（1.中國石油大學（華東）a.控制科學與工程學院；1b.地球科學與技術學院，山東 青島 266580；2.中國石油勘探開發研究院新能源研究所，河北 廊坊 065007）

0 引 言

天然氣水合物是指在低溫高壓條件下由相對質量分數較低的氣體和水結合形成的類冰狀、籠型化合物［1］。天然氣水合物廣泛存在于陸域永久凍土帶和海域水深大于300 m的海底沉積物中，由于具有分布廣、資源量大、能量密度高、清潔無污染等特點，成為未來的戰略性新能源［2-3］。

水合物飽和度是天然氣水合物資源儲量估算、勘探和開發過程中的關鍵參數之一［4］。含水合物沉積物地層比普通巖層具有更高的電阻率，由于地層電阻率大小與水合物含量密切相關，目前電阻率測井成為定量評價水合物儲層的重要手段［5］。鉆探過程會對天然氣水合物地層產生一定擾動作用（如壓力下降、溫度升高、鉆井液侵入等）［6］，從而破壞水合物的相平衡條件，引起水合物的分解和二次形成等現象，從而導致水合物儲層孔隙水礦化度發生不可預測性變化。由于電阻率測井響應受到地層水礦化度變化的直接影響，所以利用電阻率測井數據計算儲層水合物飽和度時遇到極大困難。含水合物沉積物的電學性質既包括電阻性又包括電容性，需要同時采用電導率和介電常數來進行描述，而且兩者受到激勵電場頻率的影響，所以可以采用復電導率頻譜或復介電常數頻譜來對其進行全面綜合地描述［7］。利用復電導率法可以實現頻率域的高密度測量，能夠獲得被測介質的復電導率幅值、相角、實部和虛部等多個電學參數［8］。孔隙水礦化度對復電導率幅值和實部影響較大，而對虛部、相角以及頻散特性參數影響較小，所以復電導率法能夠在一定程度上有效克服地層水礦化度的影響［9］。

本文以開展天然氣水合物模擬實驗與低頻電學參數測試為目標，開發了一套可用于測量含水合物沉積物低頻復電導率參數的實驗系統。利用該系統開展了天然海沙中四氫呋喃水合物生成和分解模擬實驗與復電導率頻譜測試，通過對不同水合物飽和度條件下復電導率參數的變化規律進行理論分析，進而驗證了所開發系統的可用性。

1 水合物復電導率測試實驗系統設計

1.1 總體功能分析

由于天然氣水合物（如甲烷水合物）生成時需要高壓和低溫環境，則需要設計耐高壓的樣品夾持器（即水合物反應釜），并提供低溫恒溫條件。開展四氫呋喃水合物模擬實驗需要加入氯化鈉水溶液來模擬地層水，而氯化鈉水溶液和四氫呋喃的存在會對樣品夾持器產生腐蝕作用，所以需要樣品夾持器具有一定的抗腐蝕性能。為獲得含天然氣水合物模擬沉積物的復電導率參數數據，則需要對樣品進行阻抗譜測量，通過轉換計算可以獲得復電導率參數。由于天然氣水合物實驗過程較長，一個輪次的水合物生成分解實驗可持續2～3周，為了保證實驗過程中參數測量的連續性，則需要開發測控軟件實現對參數測量模塊硬件的自動控制，能夠自動完成數據采集以及后續數據的處理、顯示和保存工作。綜上所述，對擬開發的實驗系統提出以下基本功能要求：①樣品夾持器耐高壓、耐腐蝕，可以開展天然氣水合物和四氫呋喃水合物模擬實驗。②阻抗頻率測量范圍為1 mHz～500 kHz并且提供多種頻率掃描方式。③整個實驗測試過程由測控軟件操控，自動化程度高。

1.2 硬件與軟件功能設計

天然氣水合物復電導率測試實驗系統硬件部分主要包括樣品夾持器、低溫恒溫控制裝置、阻抗分析儀、溫度傳感器、壓力傳感器、電極、信號調理電路、數據采集卡和工業控制計算機。實驗系統結構圖如圖1所示。其中T為溫度傳感器；P為壓力傳感器。

樣品夾持器為水合物生成和分解提供場所，用于盛放含水合物沉積物樣品、安裝溫度和壓力傳感器。阻抗分析儀用來對樣品進行阻抗譜測量。溫度和壓力傳感器的輸出信號經過信號調理電路后由數據采集卡采集。阻抗分析儀和數據采集卡由安裝于工控機的測控軟件進行控制。低溫恒溫控制裝置能夠為水合物的生成和分解提供較低且穩定的環境溫度條件。

實驗系統測控軟件的主要功能包括：對阻抗分析儀的相關參數進行配置，以得到準確的阻抗參數測量結果；配置數據采集卡以實時采集溫度和壓力傳感器的測量值；對所采集的數據進行預處理、顯示以及存儲；對測試過程時序邏輯的整體控制。

2 水合物復電導率測試實驗系統開發

2.1 硬件部分開發

2.1.1 樣品夾持器

采用圓筒形樣品夾持器以便于將阻抗測量數據轉換為復電導率參數。樣品直徑為30 mm，最大長度為45 mm。樣品夾持器的結構如圖2所示，主要由不銹鋼外筒、樣品夾持器端蓋和聚醚醚酮（PEEK）內襯組成。PEEK材料具有良好的傳熱性、抗壓性以及耐腐蝕性。樣品夾持器外筒與內襯之間存在空隙，作為冷卻水循環通道。采用低溫恒溫水槽對夾持器內樣品的溫度進行控制，采用的恒溫水槽為THD0530型，其溫度控制為－5～100℃，溫度控制精度為±0.05℃，具有內／外循環泵系統，能夠滿足本系統中水合物生成對溫度條件的要求。

圖2 樣品夾持器結構圖

樣品夾持器內部安裝有兩個金屬電極（可動電極5和固定電極6），電極5可視為活塞，能夠隨著軸向壓力增加而對樣品（如松散海沙、模擬沉積物等）進行壓實。在注氣9和注水導管10上分別安裝壓力傳感器（P2和P3），對樣品的孔隙壓力進行實時測量，在軸壓流體導管8上安裝壓力傳感器（P1）測量施加在樣品上的軸向壓力。在樣品夾持器固定電極一側插入帶有盲端的導管11，可以將溫度傳感器插入其中（如熱電阻、熱電偶等），用來監測水合物生成和分解過程中溫度的變化。

2.1.2 參數測量模塊

參數測量模塊主要包括阻抗測量單元、溫度和壓力測量單元以及數據采集單元。

阻抗測量單元主要包括電極、阻抗分析儀以及連接線纜（連接阻抗分析儀與電極、連接阻抗分析儀與工控機）。阻抗分析儀選用Zurich MFIA型阻抗分析儀，其最大頻率測量范圍為1 mHz～500 kHz，阻抗測量范圍為1 mΩ～1 TΩ，在1Ω～1 MΩ范圍內具有0.05%的基本精度。MFIA配有LabOne儀器控制軟件，可在網絡瀏覽器上運行圖形化操作界面，同時提供適用于C、MATLAB、LabVIEW、Python的LabOne API，為測控軟件的開發提供了多種開發環境。采用USB2.0連接線纜實現阻抗分析儀與工控機的通信，利用測控軟件對其進行控制并及時將樣品的阻抗參數傳送至工控機內進行處理。

溫度和壓力測量單元主要包括溫度傳感器、壓力變送器、供電電源以及電流／電壓轉換模塊。壓力測量選擇兩線制壓力變送器（型號為UNIK 5000），測量范圍為0～10 MPa，輸出信號為4～20 mA，精度為±0.1%。溫度傳感器采用熱電阻Pt100，配用的溫度變送器測量范圍為－20～100℃，溫度測量誤差不超過0.25℃。溫度和壓力變送器所需的供電電壓DC分別為20～30 V和7～28 V，本系統采用輸出為24 V的電源模塊統一供電。開發電流／電壓轉換模塊將變送器輸出的4～20 mA電流轉換為1～5 V電壓，以便于數據采集卡進行電壓信號采集。

為實現對溫度和壓力數據的實時準確采集，需要選擇符合系統要求的數據采集卡。考慮到水合物生成和分解實驗過程持續時間較長，溫度和壓力變化較為平緩，從而確定溫度和壓力的最高采樣頻率為1 kHz［10］。本系統選擇USB-4716數據采集卡，該采集卡采用USB2.0連接線纜連接工控機，支持熱拔插。采集卡具有16位分辨率A／D轉換器，可以實現16個單端／8個差分（或組合方式）模擬量輸入（AI），最高采樣速度為200 kS／s，每個通道的增益可單獨編程調節，具有可用于所有采樣通道的1 kB板載內存。

2.2 軟件部分開發

測試系統軟件實現對系統參數測量模塊的完全控制以及對數據進行采集與處理等功能［11］。本系統所使用的阻抗分析儀和數據采集卡均支持多種開發環境，如MATLAB、LabVIEW、C等。由于LabVIEW平臺提供了簡明、直觀、易用的圖形編程方式，而且內置可視化工具用于顯示數據［12-13］，考慮到編程效率較高，所以本系統利用LabVIEW平臺開發測控軟件。

本系統測控軟件的功能主要包括對阻抗分析儀基本參數配置，對數據采集卡的配置，對阻抗數據以及溫度和壓力數據的實時采集、處理、顯示和保存。阻抗分析儀參數配置部分人機交互界面如圖3所示。

圖3 基于LabVIEW所開發測控軟件的人機交互界面

2.2.1 總體控制模塊

軟件的總體控制模塊主要包括初始化、開始測試、停止測試以及退出系統。在軟件內部對各參數設定了默認值，只需點擊“初始化”按鈕即可完成所有參數的初步設定，包括阻抗分析儀地址、掃頻開始頻率、結束頻率、掃頻點數、掃頻類型等。在完成參數配置的基礎上，才可以點擊“開始測試”按鈕，使軟件完成阻抗數據、溫度和壓力數據的采集、顯示以及保存。點擊“停止測試”按鈕可終止當前軟件的運行狀態。退出整個軟件系統可以通過點擊“退出系統”按鈕來實現。

2.2.2 參數配置模塊

參數配置模塊主要實現對阻抗分析儀基本參數、溫度和壓力測試參數配置。阻抗分析儀基本參數包括阻抗測量參數以及掃頻參數。在配置阻抗分析儀基本參數時，需要調用ziOpen.vi使工控機與阻抗分析儀建立通信，通信成功建立后軟件會在前面板中顯示儀器地址。

阻抗測量參數主要包括激勵電壓幅值、等效電路模型、電壓量程以及電流量程，調用ziSetValue.vi對阻抗測量參數進行設定。激勵電壓幅值是儀器進行阻抗測量時輸出的電壓幅值，程序中設定默認值為1 V，測控軟件提供了手動輸入修改功能。儀器提供了10種等效電路模型（如R、C并聯模型，R、L串聯模型，R、C串聯模型等），軟件提供下拉列表以供選擇。在進行阻抗測量時，儀器可以將阻抗值轉化為等效電路模型，軟件會在前面板中顯示計算得到的等效電路模型參數。電壓量程和電流量程代表儀器在進行阻抗測量時輸入的電壓信號以及電流信號范圍，通過軟件可以選擇固定的測量范圍，也可以選擇自動模式使儀器在測量過程中根據輸入量的大小自動調節量程。在阻抗測量參數配置完成后通過ziClose.vi結束對各子vi的調用，釋放內存資源。阻抗測量參數配置部分程序如圖4所示。

圖4 阻抗測量參數配置程序框圖

掃頻參數主要包括頻率掃描類型、掃頻開始頻率、掃頻結束頻率和掃頻點數。進行掃頻參數配置時，首先調用ziModStart.vi打開掃頻模塊，然后調用ziModSetValue.vi對參數進行配置。阻抗分析儀提供兩種頻率掃描方式，分別為線性掃描和對數掃描，軟件在前面板提供下拉列表以供選擇。系統所用阻抗分析儀的掃頻工作范圍為1 mHz～500 kHz，在設定掃頻開始頻率和結束頻率時必須在此范圍之內。實驗人員可以根據實驗的需要輸入掃頻點數，也可以設置儀器掃頻的工作周期，單位為min。在掃頻參數配置完成之后，調用ziModClear.vi來停止掃頻參數配置任務并且清除所占用的內存。掃頻參數配置程序框圖如圖5所示。

圖5 掃頻參數配置程序框圖

溫度和壓力參數設置主要包括設置數據采集參數，如采集通道、輸入電壓范圍、采樣頻率和采樣點數。本系統共有4個傳感器，為了抑制共模干擾則采用差分輸入接線方式，從而選擇8個連續的通道作為采集通道（如AI0～AI7）。溫度和壓力變送器輸出的電流信號經過電流／電壓轉換模塊轉換為1～5 V，所以將采集通道的電壓輸入范圍設置為0～5 V。每個通道的采樣頻率默認設定為1 kS／s，采樣點數默認設定為500。

2.2.3 數據處理、顯示與保存模塊

測試過程中軟件以指示燈顯示阻抗分析儀的掃頻工作狀態，處于掃頻測量狀態時指示燈為綠色；當掃頻結束時，指示燈為紅色。采用波形圖方式將掃頻測量得到的阻抗模值、相角、阻抗實部、阻抗虛部以及溫度和壓力傳感器的測量值顯示在前面板中，從而使實驗人員在實驗過程中能夠實時掌握樣品測量參數的變化趨勢，同時采用數值顯示方式實時顯示最近一次采集的溫度和壓力數據。

當實驗人員點擊“開始保存”按鈕之后，軟件將溫度、壓力以及阻抗參數以文本格式保存到硬盤，便于后續數據處理軟件的讀取并做進一步詳細分析。

2.3 阻抗參數測試

為了測試所開發實驗系統的阻抗參數測量性能，利用電阻和電容的串并聯電路作為被測對象，并將測量結果與理論計算值（由元件的標稱值得到）進行對比。測試所采用的電路圖如圖6所示。

圖6 測試電路圖

測量所得到的阻抗模值和相角以及理論計算值隨頻率變化的曲線如圖7所示。實驗過程中測量頻率范圍為1 mHz～500 kHz，頻率掃描方式為對數掃描，掃頻點數為200個。

由圖7可見，阻抗模值在頻率較低時保持穩定值（接近10 kΩ），然后隨著頻率的增大而減小，最后保持穩定值（接近244Ω）；而相角（取負值）隨頻率增大，首先減小到極小值后持續增大，直至趨近于0，通過兩種方式得到的阻抗模值和相角具有相同的變化趨勢。通過測量所得到的阻抗模值最大絕對誤差為215Ω，此時頻率為1 mHz，相對誤差為2.15%，相角最大絕對誤差為0.05 rad，此時頻率為10 Hz，相對誤差為3.97%。分析誤差出現的原因為：①被測電路中電阻和電容的實際值與標稱值不嚴格相等；②被測電路與阻抗分析儀之間的連接線纜存在分布電容。

圖7 阻抗模值和相角的測量值與理論值對比曲線

3 水合物模擬實驗與參數測試

3.1 實驗方法

為測試所開發實驗系統的參數測試性能，在實驗室開展了水合物飽和度為0.50、0.70和0.90的四氫呋喃（THF）水合物模擬實驗，采用質量分數為1%的氯化鈉水溶液模擬地層水，模擬沉積物選用粒徑為60～80目、孔隙度為39.5%的天然海沙。

每一輪實驗均包含THF水合物的生成和分解過程，為保證實驗數據的可靠性，對每一輪實驗重復兩次。每一輪的實驗步驟如下：

（1）篩選出60～80目的天然海沙，然后用去離子水對海沙進行多次沖洗，以去除海沙中的雜質和鹽分，利用高溫烘干箱將沖洗后的沙子烘干待用。

（2）按照實驗計劃設定的THF水合物飽和度分別計算出所需的THF和去離子水的質量，按照質量分數為1%計算所需的NaCl的質量。首先根據飽和度的設定要求配制NaCl水溶液，然后取出對應質量的THF。將兩者裝入同一燒杯中，利用玻璃棒進行攪拌，使其混合均勻，得到THF水溶液。

（3）取出經過上述處理后的海沙32 mL和THF水溶液12.8 mL，將海沙均勻地填入樣品夾持器中，并用橡膠棒壓實。然后，將THF水溶液緩慢地注入樣品夾持器內的海沙中，直至海沙處于水飽和狀態。蓋上樣品夾持器端蓋，將整個裝置靜置24 h，確保THF水溶液均勻的分布在孔隙中。

（4）待靜置完成后開始實驗測試。開啟測控軟件記錄實驗數據，設置激勵電壓為1 V，掃頻方式為對數掃描，頻率范圍為1 Hz～500 kHz，掃頻點數為100，數據采集電壓范圍為0～5 V，采樣點數為500，工作周期為15 min。對恒溫水槽進行逐級降溫至－2℃，開始測試THF水合物的生成過程。

（5）持續降溫至溫度和阻抗數據均達到并保持穩定的狀態，此時認為THF水合物完全生成。然后關閉恒溫水槽，使樣品夾持器在室溫（20℃左右）條件下進行升溫，實現THF水合物的分解過程。待溫度上升至20℃左右，再次打開恒溫水槽并逐級降溫至－2℃，重復以上步驟一次，進行重復實驗測試。

3.2 結果分析與討論

通過對測試數據處理得到實驗過程中溫度、壓力、復電導率實部、虛部和相角等參數隨著實驗進程的推進而變化的情況。圖8展示了水合物飽和度為0.70條件下18 Hz頻率時復電導率實部和溫度隨時間變化的曲線，從圖中可以觀察出THF水合物的生成和分解過程。

圖8 18 Hz時水合物生成／分解過程復電導率實部和溫度變化曲線

通過對溫度和復電導率實部曲線進行分析可以將整個水合物生成和分解過程分為以下6個階段：

（1）溫度降低水合物未生成階段。第0～2 h，溫度的降低使得孔隙水中導電離子做定向運動的速度有所降低，則樣品的整體導電能力下降，復電導率實部呈現減小趨勢。

（2）水合物生成階段。第2～6 h，水合物生成過程中會放出熱量，使得樣品溫度有所升高，但隨著水合物生成過程的結束，在冷卻水的作用下樣品溫度降低。隨著水合物不斷生成，水合物對孔隙的堵塞作用增強，樣品的導電能力減弱，復電導率實部減小。

（3）水合物完全生成后溫度穩定階段。第6～21.3 h，在上一階段水合物已經完全生成，此階段溫度保持為－2℃，樣品的復電導率實部保持不變。

（4）溫度上升水合物未分解階段。第21.3～21.7 h，樣品溫度從－2℃開始上升，但尚未達到THF水合物的分解溫度4.4℃，因此水合物未開始分解。隨著溫度的升高，孔隙溶液中導電離子活性增強，定向遷移速度增大，樣品的導電能力增強，所以復電導率實部略有增大。

（5）水合物分解階段。第21.7～22.5 h，THF水合物開始并持續分解，水合物對孔隙的堵塞作用逐漸減弱，樣品的導電能力增強，復電導率的實部急劇增大。

（6）水合物分解后溫度上升階段。第22.5～24 h，樣品的溫度不斷升高，復電導率實部主要受溫度的影響而逐漸增大。

圖9為不同水合物飽和度sh條件下模擬沉積物復電導率實部、虛部及相角在1 Hz～500 kHz測試頻率范圍內的頻散特性曲線。通過對圖9分析可得到以下結論。

圖9 不同水合物飽和度條件下復電導率參數頻散曲線

（1）在1 Hz～500 kHz范圍內，復電導率實部隨著水合物飽和度的增大而減小。水合物的電導率約為50μS／m，遠低于實驗中孔隙流體的電導率，因此隨著模擬沉積物中水合物含量的增多，孔隙中電流的傳導路徑逐漸變窄甚至被堵塞，從而降低了模擬沉積物整體的導電能力。

（2）在10 Hz～500 kHz范圍內，復電導率虛部和相角均隨著頻率的增大而不斷減小，到達極小值后再隨著頻率的增大而持續增大［14］。分析出現該現象的原因如下：在500 kHz以下范圍內存在雙電層極化和界面極化兩種極化機制，兩者在低頻和高頻段分別起主導作用［15］。

（3）在1 Hz～1 kHz范圍內，復電導率虛部隨著水合物飽和度的增大而減小。其原因在于水合物飽和度越高，海沙顆粒與水合物接觸面積越大（飽和度較高時），導致顆粒與孔隙水接觸面積減少，則雙電層極化效應減弱［16］。在40～500 kHz范圍內復電導率虛部隨著水合物飽和度的增大而增大。分析其原因為水合物含量越高，模擬沉積物中被堵塞的孔隙越多，導致孔隙水中導電離子定向遷移量減少，顆粒表面堆積電荷增多，使得界面極化效應增強［17］。

4 結 語

為了在實驗室內開展天然氣水合物模擬實驗，準確獲取含水合物模擬沉積物的復電導率參數，開發了天然氣水合物復電導率測試實驗系統，分別以電阻／電容串并聯電路和含四氫呋喃水合物模擬沉積物為被測對象進行了實驗測試，測試結果驗證了所開發系統的可用性。復電導率實部反映了含水合物模擬沉積物的導電性，水合物飽和度越高則沉積物導電能力越弱；復電導率虛部反映了模擬沉積物的電極化強度，水合物飽和度越高則雙電層極化作用越弱、界面極化作用越強。

所開發的實驗測試系統下一步將用于開展甲烷水合物生成／分解實驗以及復電導率參數測試，從而研究軸向加壓、孔隙水礦化度、黏土含量等因素的影響，通過探討復電導率及其頻散特性參數與水合物飽和度之間的關系來建立水合物飽和度評價模型，從而為測井數據的解釋提供理論模型、為開發新型的測井方法（如針對天然氣水合物儲層評價的復電阻率測井）提供實驗平臺。