用于低速渗流实验的低渗流传感器设计*

秦孙巍, 李云安

(1.中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074；2.武汉工程大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430074)



用于低速渗流实验的低渗流传感器设计*

秦孙巍1,2, 李云安1

(1.中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074；2.武汉工程大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430074)

针对岩土体低速渗流实验中μL/min级别流量难于测量的问题，提出了一种利用电解极化示踪的低渗流流量测量方法。介绍了传感器的测量原理、结构及测控电路。制作了量程为10～100 μL/min的渗流传感器，并运用毛细管整体柱电渗泵进行了流量测定实验。结果表明:传感器结构简单、体积小，在10～60 μL/min的流量范围内，传感器的线性相关性大于0.998，能够满足岩土体低速渗流实验的要求，具有良好的实用价值。

低速渗流; 电解极化; 示踪法; 传感器

0 引 言

随着石油资源逐渐减少，低渗透油藏相继投入开发，开发过程中发现，低渗透油藏的渗流特征与中、高渗透油田的渗流特征显著不同，存在启动压力梯度，低速渗流阶段渗流曲线偏离达西定律等现象[1,2]。在低渗透岩的启用压力梯度和低速非达西渗流的实验研究过程中，往往需要观测岩体在μL/min级别流速时的渗流行为，但由于缺乏测量低速渗流的有效手段，实验过程中通常使用可调流速的商品化恒流泵来避免测量低速渗流流速，因商品化恒流泵流速分辨率多为0.001 mL/min[3]，使得低速渗流实验难于在μL/min级别流速下获得更多的实验数据，严重制约了低速非达西流的研究。

本文从电解极化示踪的角度出发，利用电解极化示踪法，设计了一种能在低速渗流实验中使用的渗流流速传感器。

1 测量原理

溶液中的离子会在施加电压后的电解电极表面富集，形成与溶液平衡浓度不同的具有高浓度区域和低浓度区域的离子层示踪源(如图1)，当电极上施加的电压消失后，离子层会向下流进行扩散迁移，当离子层示踪源迁移到下游测量端的电导电极时，离子层示踪源中的低浓度区域会形成一个电导极小峰，高浓度区域会形成一个电导极大峰，两峰的出峰时间与流速和扩散速度有关，当流速较大时可以忽略扩散速度，若示踪源与测量端间的距离不变，则出峰时间与流速成反比，当通道的截面积一定时，出峰时间与流量成反比，通过测量出峰时间即可求出流量。

离子层在水中的迁移可视为离子在一维条件下的扩散，其浓度为时间和距离的函数[4],即

(1)

图1 渗流传感器原理图Fig 1 Principle diagram of seepage sensor

式中 m为电解质质量；α为孔隙率；S为截面积；C为离子浓度；u为流速；t为时间；DL为扩散系数；x为测量位置与电解电极的距离。

当流速满足式(2)时，可以通过u=x/tpeak(式中tpeak为下游x处浓度出现极值的时间)计算实际流速[5]。

(2)

式中 u为流量；ε为测量允许相对误差；DL为离子的扩散系数；x为测量位置与电解电极的距离。

若通道截面积一定，则流量为

(3)

式中 Q为流量；u为流速；S为通道截面积；x为测量位置与电解电极的距离；DL为扩散系数；r为通道半径。

由式(3)可知，只要将一对电解电极和电导电极安装在具有固定内径的通道内就能够通过电解极化示踪法测量出流经通道流体的流量。当流速测量范围一定时，流量的测量范围可以通过通道内径进行调整，通道内径每扩大1倍，流量的测量范围扩大1倍。

2 传感器设计

2.1 结构设计

常温下离子的扩散系数一般在10-5cm2/s数量级，假设测量允许的相对误差为1 %，测量位置与电解电极的距离为2 cm，则由式(2)可知，最小的可测流速为5×10-4cm/s，考虑到扩散系数在一定温度范围内会发生小幅变化，在实际应用中可将流速的测量下限提高1～2个数量级以消除温度的影响。

若允许的相对误差为1 %，测量位置与电解电极的距离为2 cm，限定传感器的流速范围为10-2～10-1cm/s，则不同内径通道传感器的流量测量范围如表1。由表可见，随着通道内径的增加，流量量程增加。

表1 不同通道内径时传感器量程

渗流传感器结构如图2所示，由2对电极(如图2中4)和通道(如图2中3)组成，其中一对电极用于电解极化，另一对电极用于测量电导，通道内径可以根据所测流量的范围按表1进行选取。

图2 渗流传感器结构示意图Fig 2 Structure diagram of seepage sensor

2.2 制作方法

在直径8 mm的有机玻璃棒上分别截取约1 mm长的有机玻璃片4片(图2中1)、20 mm长的有机玻璃棒一根(图2中3)，裁取4片10 mm×15 mm的锌片(图2中4)，将上述材料用AB胶按图2所示顺序依次黏结在一起，待黏结牢固后，根据测量流量范围在上述黏结体的断面开0.5～2 mm的贯穿孔作为过水通道，用清水冲洗2～3次晾干，晾干后在黏结体两端用AB胶或氯仿各黏结一段长度为10～20 mm，内经为6 mm，外径为8 mm的有机玻璃管(图2中2)用于连接水路，黏结牢固后即可。

2.3 测控系统

测控系统框图如图3。其中，上位机用于发送控制指令、接收电导测量结果及数据处理。单片机用于接收上位机指令、发送测量结果至上位机、控制电解的启停以及电导测量信号的模数变换。示踪源发生器由可调恒压电源及单片机控制的双路开关组成，用于控制电解的启停。电导测量采用经典的交流两电极分压法[6]，通过±2.5 V，频率为1 kHz的方波激励源测量电导，电导率测量采样频率约为7 Hz。

图3 测控系统框图Fig 3 Block diagram of measurement and control system

电解的启停控制通过单片机的定时器，定时发送启停信号到双路开关，由双路开关控制可调恒压电源的联通状态。双路开关由2个光电耦合模块组成(如图4)。

DJEN为电解控制输入端，通过单片机的数字控制信号控制电解的启停，VCC为数字电路+5 V电源，R1为上拉电阻增强DJEN端数字信号的驱动能力，R2和R3为限流电阻控制光电耦合器的输入电流，U2和U3为光电耦合器，本文采用线性光电耦合器PC817，VDD为可调恒压电源的正极输入端，R4为电解输出的保护性限流电阻，DJOUT+和DJOUT-为电解电源输出的正负极，GND为控制系统的数字地，AGND为电解电源的地连接调恒压电源的负极。当DJEN输入1时，R2和R3有电流通过，U2和U3中的光电二极管为点亮状态，DJOUT+与电解电源正极、DJOUT-与电解电源负极间呈联通状态，电解开始；当DJEN输入0时，R2和R3无电流通过，U2和U3中的光电二极管为关闭状态，DJOUT+与电解电源正极、DJOUT-与电解电源负极间呈开路状态，电解停止。

3 实验与结果

3.1 实验装置与方法

实验装置由恒流泵、渗流传感器、测控系统和微量进样器四部分组成(如图5)。为了获取μL/min级别的流量，恒流泵采用自制的毛细管整体柱电渗泵，毛细管整体柱采用内径330 μm石英毛细管，以硅酸钾为原料，利用甲酰胺改性方法制备[7]，该泵的最大输出流量为60 μL/min，最大输出压力为1 MPa。渗流传感器的通道内径为1.5 mm。微量进样器的最大体积为100 μL，去掉内部进样针用于标定流量。

图5 实验装置图Fig 5 Experimental equipment diagram

实验时首先将排尽水的微量进样器接入充满水的实验装置，开启测控系统，依据所需流量调整电渗泵高压电源电压，接通电渗泵电源开始测量，同时观察微量进样器，当液面到达微量进样器0刻度时开始计时，当液面到达微量进样器满刻度时停止计时，根据液面从0刻度上升到满刻度的时间计算标定流量。

3.2 数据处理

在一个测量周期内，测量端的电导率曲线(如图6)会因为示踪源离子中高、低浓度区域迁移而产生一个电导极小峰(high resistance peak,HRP)和一个电导极大峰(low resistance peak,LRP)，HRP和LRP为两个相邻的峰，两峰均可用于测量。

图6 峰拟合结果Fig 6 Result of peak fitting

在采集数据的基础上，利用高斯函数双峰拟合求取HRP和LRP的出峰时间。为了保证高斯双峰拟合不陷入局部极小而导致拟合错误，拟合前采用统计方式预估出峰时间、基线作为拟合初始值。统计估值的基本原理是，在测量周期内峰值数据出现的概率要远小于均值出现的概率，将一个周期内的所有测量数据从大到小排序，计算每个数据的累积概率，累积概率小于5 %的数据应位于极大峰，累积概率大于95 %的数据应位于极小峰，累积概率等于50 %的数据应在基线附近，假设极大峰和极小峰均为对称峰，则数据累积概率等于5 %和95 %的时间平均值为对应峰的出峰时间。

采用上述方法可以估算出基线值、极大峰和极小峰的出峰时间，将其作为初值进行高斯双峰拟合，结果如图6。由结果可见，该方法对采集数据的拟合结果较好，极小峰的中心位置与原始数据误差较小，极大峰的中心位置比原始数据略小，极大峰拟合结果偏小的主要原因是高斯峰位对称峰而扩散形成的迁移峰不是对称峰，由式(1)可知扩散迁移峰右侧比左侧宽，存在拖尾现象，极小峰由于紧邻极大峰，低浓度区域与高浓度区域间存在扩散，使得极小峰拖尾现象不明显，而极大峰随流速的降低拖尾现象越来越严重，峰拟合引起的误差也将逐渐增大。

3.3 线性误差

在200～800 V的电渗泵工作电压范围内，测试了不同流量时传感器的出峰时间，结果如图7，在10～60 μL/min的流量范围内，LRP的出峰时间倒数与流量的回归方程为Q=2 692/tLRP-4.373，线性相关性系数R2=0.996 8，HRP的出峰时间倒数与流量的回归方程为Q=1 484/tHRP-1.023，线性相关性系数R2=0.998 7。结果表明LRP,HRP出峰时间倒数均与标定流量呈现良好的线性关系，通过内径1.5 mm的渗流传感器可以用于测量10～60 μL/min内的流量。

图7 渗流传感器标准曲线Fig 7 Standard curve of seepage sensor

4 结 论

本文利用电解极化示踪法的原理，设计了一种用于岩体低速渗流实验低流量测量的传感器、相关测控电路及数据处理方法，并通过实验进行了验证。结果表明:该传感器结构简单、成本低廉、线性相关性好，可以用于测量10～60 μL/min范围内的流量，为解决低速渗流实验中低流量测定提供了一种可行方法，具有良好的实用价值。

[1] 汪全林,唐 海,吕栋梁，等.低渗透油藏启动压力梯度实验研究[J].油气地质与采收率,2011(1):101-104,121-122.

[2] 吕成远,王 建,孙志刚.低渗透砂岩油藏渗流启动压力梯度实验研究[J].石油勘探与开发,2002(2):86-89.

[3] 张 铭.低渗透岩石实验理论及装置[J].岩石力学与工程学报,2003(6):919-925.

[4] Planchon O,Silvera N,Gimenez R,et al.An automated salt-tra-cing gauge for flow-velocity measurement[J].Earth Surface Processes and Landforms,2005,30(7):833-844.

[5] 秦孙巍,李云安.基于电解极化原理的岩土渗流传感器设计与实验[J].传感器与微系统,2015,34(11):78-81.

[6] 周明军,尤 佳,秦 浩,等.电导率传感器发展概况[J].传感器与微系统,2010,29(4):9-11.

[7] 严逢川,陈 波.干凝胶无机整体柱的制备及评价[J].色谱,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

湖北省教育厅科学技术研究项目(B2015326)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0086—03

TH 764

A

1000—9787(2016)10—0086—03

秦孙巍(1978-)，男，湖北武汉人，博士研究生，讲师,主要从事渗流监测系统设计和研究。