电声联合探测实验系统测试结冰-融冰动态过程

邢兰昌， 祁 雨， 刘昌岭， 孟庆国， 刘乐乐， 耿艳峰， 华陈权

(1. 中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院， 山东 青岛 266580； 2. 青岛海洋地质研究所 国土资源部天然气水合物重点实验室， 山东 青岛 266071； 3. 青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室， 山东 青岛 266071)

0 引 言

笼形水合物是指一些相对分子质量较低的气体和挥发性液体在一定的压力和温度条件下与水形成的内含笼形空隙的类冰状结晶化合物[1]。自然界中的水合物大多赋存于陆地永久冻土带和海底沉积层中、形成水合物的气体以甲烷为主，被称为天然气水合物或可燃冰[2-5]。天然气水合物的含量和分布状态显著地影响储层的物理特性，在实验室内开展水合物模拟实验并准确测试储层物性参数，将为天然气水合物的储层识别和储量估算提供不可或缺的模型参数[6]。国内外开展水合物研究的单位先后研制并不断升级各自的模拟实验测试系统，系统逐渐向多功能、自动化、高精度方向发展。在测试功能方面，从传统的单一参数测量到多参数测量，从宏观到介观甚至微观直接观测[7-9]。

电法和声波测井是目前水合物储层识别和定量评价的主要技术，最新研究也表明电阻率与声波测井组合是识别天然气水合物最有效的方法[10-12]。在实验室内全面准确地获取含水合物储层的电学和声学参数是开展电法和声波测井数据解释的首要任务。现有的实验测试系统尚存在两个突出的问题：① 电学和声学传感器空间测量区域不一致导致两者的测量数据不能严格对应，仅适用于各向同性介质；② 电学性质局限于电阻率参数，不能全面刻画被测介质的全阻抗电学特性[13]。

以开展天然气水合物模拟实验测试为最终目标，针对现有实验测试系统所存在的上述突出问题，本文首先开发了电声联合探测实验系统，实现了阻抗谱和超声传播参数的多参数联合测量，然后将此系统应用于水结冰-融冰动态演化过程的测试，通过对实验数据进行分析和讨论验证了所开发电声联合探测实验系统的可用性。

1 电声联合探测实验系统

1.1 结构组成

根据功能的不同，可将电声联合探测实验系统分为两大部分：环境模拟部分和测试部分。环境模拟部分的功能是为所研究的动态过程提供合适的环境条件，如结冰所需的低温、盛放被测介质和支撑传感器的容器等；测试部分的功能是获取、传输和处理信号以得到能够反映动态过程变化的信息，包括传感器、信号采集模块、测控软件等。所开发的电声联合探测实验系统的结构组成如图1所示。

图1 电声联合探测实验系统结构组成示意图

环境模拟部分包括反应釜和低温箱。反应釜为聚四氟乙烯材料制成的圆柱型筒体，内高和横截面内径均为11 cm。聚四氟乙烯材料具有优异的耐腐蚀性能，尤其能够承受四氢呋喃(THF)的强腐蚀性。反应釜侧面和顶盖各开有4个圆孔，开孔直径分别为30 mm和6 mm，分别安装电声复合传感器和温度传感器。低温箱采用冰柜，最低温度可达到-30°C。

测试部分包括电声复合传感器(图1中传感器阵列B)和温度传感器(图1中传感器阵列A)、信号切换模块、传感器激励模块、信号调理模块、数据采集模块(板卡)和工控机，工控机上安装有自行编制的测控软件。

设计并加工了新型的电声复合传感器，如图2所示，每个传感器包括电测试单元和声测试单元。传感器外壳采用聚甲醛材料，电测试单元主要为厚度0.5 mm的不锈钢电极片，声测试单元主要为压电陶瓷晶片，晶片通过厚度方向的振动产生纵波，其中心频率约为110 kHz，各部分通过环氧树脂牢固黏结。温度传感器采用A级热电阻Pt100，配用三线制温度变送器，准确度为±0.2%FS±0.1 °C，量程为-20～100 °C，输出为4～20 mA。

(a) 传感器(b) 反应釜(带传感器)

信号切换模块用以实现电声复合传感器电测试单元、声测试单元与激励源、数据采集卡之间分时连通的功能，以达到对各个电声复合传感器及其电和声测试单元进行分时轮流激励与采集的目的。该模块包括一个两槽LXI机箱(LXI-104)、一块低压PXI开关板卡(PXI-632)和一块高压PXI开关板卡(PXI-320)，两块板卡分别插入LXI机箱的两个插槽中，机箱通过USB线缆与工控机连接，工控机通过测控软件对板卡上多路开关的动作进行控制。

传感器激励模块主要指电声复合传感器的激励源，具体包括低压激励源和高压激励源，分别用于对电测试单元和声测试单元进行激励。基于自动平衡电桥法对被测介质的阻抗进行测量，采用PCI-1721模拟量输出板卡作为低压激励源，板卡插入工控机主板的PCI插槽，工控机通过测控软件对其输出信号的频率和幅值进行控制，从而产生测量阻抗谱所需的低压正弦扫频信号。采用具有计算机远程控制功能的超声脉冲发生接收器DPR300作为高压激励源，工控机通过控制软件(JSR Control Pane1)对其输出脉冲信号的幅值和能量进行控制。

信号调理与采集模块的功能为对温度测量信号的转换、对超声接收信号的放大和滤波以及对阻抗测量信号的转换，经以上调理后的各路电压信号由数据采集卡来采集。温度变送器输出的4～20 mA电流信号经250 Ω精密电阻转换为1～5 V电压信号；DPR300同时带有高增益放大和滤波功能，通过对JSR Control Pane1的参数进行配置实现对超声接收电压信号的放大和滤波；基于自动平衡电桥法所开发的阻抗测量电路输出2路电压信号[14]。4路温度信号由数据采集卡PCI-1713来采集，一路超声接收信号和两路阻抗测量信号由同步高速数据采集卡PCI-1714来采集。两块数据采集卡均插入工控机主板的PCI插槽，工控机通过测控软件对采集频率、采样点数等参数进行配置。

测控软件的功能为对测试系统硬件的控制和对所获取数据的处理，包括基于LabVIEW自行编制的软件和JSR Control Pane1。JSR Control Pane1实现对DPR300的脉冲发生器和接收器参数的配置；其余功能，如对PCI-1721、PXI-632、PXI-320、PCI-1713、PCI-1714等的控制以及对数据的预处理、显示和保存等均由自主编制的LabVIEW软件来实现[15-16]。

1.2 工作模式

针对电声复合传感器阵列设计了特殊的工作模式，从而在测控软件的控制下能够可靠地实现对电学和声学参数的测试。为了避免电学和声学参数测试过程之间的相互影响，通过软件控制多路切换开关的动作以保证电和声测试单元分时工作；为了对测量区域的各向异性进行测试，传感器阵列中各复合传感器轮流工作；为了保证测试过程的稳定性和降低随机噪声对测量数据的干扰，对每次工作的传感器实施多次信号激励和数据采集操作。

以下主要讨论电声复合传感器的工作模式，如图3所示。参照图1和图3，B1～B4分别代表4个电声复合传感器，B1-E和B1-U分别表示复合传感器B1的电测试单元和声测试单元，其他符号的含义依此类推。参照图3所示的传感器工作模式，对于每个测试点(即被测试动态过程的一个状态点)设计了6个工作步骤，具体解释如下：

(1) 分别将B1-E和B2-E、B1-E和B3-E、B1-E和B4-E作为电极对，测量各个电极对的阻抗谱，每对测量3次；

(2) 先后9次激励B1-U使之发出超声波，分别采集B2-U、B3-U和B4-U接收到的信号各3次；

(3)分别将B2-E和B3-E、B2-E和B4-E作为电极对，测量各个电极对的阻抗谱，每对测量3次；

(4) 先后6次激励B2-U使之发出超声波，分别采集B3-U和B4-U接收到的信号各3次；

(5) 将B3-E和B4-E作为电极对，3次测量该电极对的阻抗谱；

(6) 先后3次激励B3-U使之发出超声波，3次采集B4-U接收到的信号。

(a) 工作中的传感器对

(b) 工作步骤

对于每个测试点均实施上述6个步骤，然后再更换测试点并重复以上步骤。对于每一个测试点，采用以上工作模式则先后共有12个传感器对(电极对和超声发射-接收对)工作，每对传感器均连续工作3次，因此对于每一测试点可获取36组电和声测试数据。对于电学测试数据，每一组数据为一个阻抗谱，即扫频的工作方式使得每个阻抗谱包含多个测试频率点的阻抗数据。

2 实验方法

2.1 实验步骤

水结冰-融冰动态过程测试的实验分为3个步骤，即传感器标定、结冰与融冰过程测试以及实验数据分析与讨论。

标定温度传感器时，利用恒温水槽提供稳定的环境温度，分别将玻璃管水银温度计和Pt100热电阻插入水槽中，在-20～40 °C范围内均匀取点并进行上行程和下行程实验，最后通过线性拟合确定标定系数。标定电声复合传感器的电测试单元时，将电阻与电容并联或电阻与电感串联作为被测对象，通过与网络分析仪E5061B的测量结果进行对比来确定本系统测量结果的准确度。标定声测试单元时，分别将一对传感器紧贴于不同长度的圆柱形聚甲醛棒的两个端面，基于透射法测量超声波传播时间，利用时距曲线法标定获得超声波收发系统的固有延时t0。

进行水结冰实验时，首先将自来水装入反应釜中，水面高度超过电声复合传感器上沿2 cm，盖上反应釜顶盖，启动测控软件开始采集数据，然后将反应釜放入冰柜中降温，通过观察温度变化曲线、声速、阻抗模值等参数确定是否开始结冰以及是否完全结冰；水完全结冰并等待温度稳定一段时间后即开始融冰实验，首先开启实验室空调以保证室温稳定，然后将反应釜从冰柜中取出置于室温环境，通过观察温度曲线、声速、阻抗模值等参数判断反应釜内的冰是否融化。

通过实验测试所保存的数据，包括温度、阻抗谱、接收到的超声信号波形以及相应的特征参数。首先对数据进行滤波处理，如算术平均值滤波、滑动平均滤波、FIR滤波等，然后利用阻抗谱计算阻抗模值和相角，利用超声信号波形获取声速、峰值和主频等特征参数，最后联合分析温度、阻抗和超声传播参数与结冰-融冰动态演化过程之间的对应关系。

2.2 软件配置

启动测控软件之后，需要根据实验要求对其一系列参数进行配置，所需配置的主要参数类别有：激励源参数(PCI-1721、DPR300脉冲发生器)、信号调理和采集参数(DPR300接收器、PCI-1713、PCI-1714)、数据预处理和数据保存等。

对PCI-1721进行参数配置，设置扫频范围为0.1～100 kHz，在扫频范围内设置21个线性等间隔的频率点，正弦电压信号变化范围为-1～1 V，即幅值为1 V。设置DPR300脉冲发生器发出高能量且幅值为580 V的高压脉冲。

设置脉冲接收器的放大倍数为20 dB、低通滤波模式。配置PCI-1713为软件触发采集方式、差分输入模式，利用8个通道采集四路温度信号，输入范围为0～5 V，每分钟对四路信号均采集10次，每路信号每次采样100个点、采样频率为1 kS/s。配置PCI-1714的3个输入通道，输入范围为-5～5 V，其中通道0和通道1为阻抗测量信号输入，通道2为超声接收信号输入。按照前述的传感器工作模式每隔8 min对以上3个通道进行一次信号采集，阻抗信号采集采用软件触发方式、超声接收信号采集采用外部触发方式。DPR300发出高压脉冲的同时发出一个同步信号并送至PCI-1714触发端口，继而触发PCI-1714对超声信号进行采样。阻抗测量信号的采样频率随测试频率的升高而升高，其变化范围为1～10 MS/s，超声接收信号的采样频率设定为10 MS/s。

实验过程中需要通过测控软件对采集的信号进行实时预处理，主要包括滤波和特征参数计算，继而通过波形图或波形图表以及数值方式进行显示，其主要目的在于使实验人员能够实时监视实验进程。第一步，对四路温度信号、两路阻抗测量信号和一路超声接收信号进行软件滤波。对每次采样的温度信号进行算术平均值滤波，对阻抗测量信号采用具有线性相位特性的FIR滤波器进行带通滤波，滤波器的截止频率由软件根据已知的测试频率(PCI-1721输出信号的频率为已知)自动设定，超声接收信号的前50个点(时间长度5 μs)进行置零处理后采用FIR滤波器进行带通滤波。第二步，将经上述滤波处理后的温度信号进行标度变换转换为温度值后进行显示，采用FFT谱分析法对阻抗测量信号进行处理得到阻抗模值和相角并进行显示，对超声接收信号则采用FFT变换得到信号主频、利用初达波法获得声速、利用波形波峰检测算法获得信号的峰值，继而将这些特征参数进行显示。

数据保存的功能为把实验数据实时保存到指定的目录下，以供后续详细分析与处理，实时保存的数据包括：原始测量信号(四路温度信号、两路阻抗测量信号和一路超声接收信号)和经上述预处理后获得的特征参数(如阻抗模值、相角、声速、超声接收信号的主频和峰值等)。开始保存数据之前需要完成对拟保存路径、文件名以及格式的设置。

3 实验结果分析与讨论

3.1 超声测试单元标定

采用直径为4.6 cm,长度分别为5.03、6.01、10.00、12.01、13.57和14.96 cm的聚甲醛棒，对3对电声复合传感器的声测试单元进行了标定。

图4所示为B2-U发射、B4-U接收得到的超声信号波形(注：为了便于观察和对比，逐条曲线沿纵轴向上偏移2 V)。通过对聚甲醛棒的长度与超声波传播时间进行线性拟合，即可得到超声波收发系统的固有延时t0。图5所示为两对电声复合传感器声测试单元(B1-U和B4-U、B2-U和B4-U)的标定结果(注：聚甲醛棒长度为14.96 cm时超声接收信号幅值过小，因此图5中未采用)，由拟合方程可以得到固有延时t0为3 μs。

图4 B2-U发射B4-U接收到的超声信号波形

图5 B1-U和B4-U、B2-U和B4-U的标定结果

3.2 结冰-融冰动态过程分析

首先根据温度曲线特征判断结冰和融冰过程的演化进程，然后分析超声传播参数和阻抗变化与结冰-融冰动态过程之间的对应关系。

图6为温度T1～T4(参见图1)随时间变化的曲线。尽管T1～T4的测量位置不同，但是由于被测体系为均匀介质且温度的空间分布比较均匀，所以各条曲

图6 结冰-融冰过程中温度的变化

线几乎重合，下文仅选取T4进行分析。根据温度变化特征将曲线划分为Ta～Tg7个阶段。Ta阶段为水降温但未开始结冰的过程；Tb和Tc阶段为冰的成核、生长以及水逐渐全部结成冰的过程；Td阶段中冰的温度稳定在设定温度；Te阶段中冰升温但未分解；Tf阶段为冰逐渐融化的过程；Tg阶段为水自然升温的过程。

图7对照显示了超声波传播速度和温度(T4)随时间变化的情况，根据声速变化特征将声速曲线划分为Ua～Ue5个阶段。

图7 结冰-融冰过程中超声波传播速度的变化

参照图7，在Ua阶段(对应Ta)声速随着水温的下降而稍微下降；Ub阶段(对应Tb和Tc)声速持续上升，在温度几乎不变的Tb阶段由于釜内含冰量较少则声速较低，而在温度逐渐下降的Tc阶段由于水结冰逐渐增多导致声速急剧上升；在Uc阶段(对应Td和Te)反应釜内全部为冰，所以声速最高且比较稳定；在Ud阶段(对应Tf)由于冰逐渐融化，声速随着融化过程的推进而逐渐降低；在Ue阶段(对应Tg)水温上升引起声速稍微升高。

图8(a)对照显示了不同测试频率下的阻抗模值和温度(T4)随时间变化的情况，根据阻抗模值的变化特征将曲线划分为Ea～Ee5个阶段，图8(b)为分别从各个阶段中选取的典型阻抗谱。

分析图8(a)可知：Ea阶段(对应Ta)阻抗模值随着温度下降而稍微升高；Eb阶段阻抗模值随着结冰过程的推进而升高，对于较低(0.1 kHz)和较高(100 kHz)的两个测试频率，阻抗模值均呈现出两个上升子阶段，频率较低时第一子阶段阻抗模值上升速率相对较高，而频率较高时第二子阶段阻抗模值上升速率相对较高；Ec阶段反应釜内冰的量较大，因此阻抗模值保持在相对较高值；在Ed阶段(对应Tf)由于冰逐渐融化为水，阻抗模值随着融化过程的推进而降低，降低过程也分为两个子阶段，第一子阶段的下降速率较高；Ee阶段(对应Tg)水温上升引起阻抗模值稍微降低。

图8(b)展示了阻抗模值随测试频率变化而变化的情况，每条阻抗谱曲线均有21个等间隔分布于0.1～100 kHz范围内的测试频率点。由图可见：在水未结成冰的条件下(Ea和Ee阶段)，阻抗模值随着频率的升高而单调减小，在结冰(Eb阶段)和融冰(Ed阶段)过程中以及全部为冰(Ec阶段)的条件下阻抗模值呈现出非单调性变化，当测试频率在70 kHz附近时其阻抗模值均出现极大值。

(a) 不同测试频率下阻抗模值的变化

(b) 不同阶段的典型阻抗谱

3.3 讨 论

上文利用温度、声速和阻抗模值3个参数对结冰-融冰动态演化过程进行了分析，由于热、声和电三类特征参数的测量原理迥异，所以通过这三类参数能够从不同的角度对结冰-融冰过程进行描述，所获得的信息也能够相互佐证和补充。

随着结冰-融冰过程的推进，温度、声速和阻抗模值随时间变化的曲线均出现了能够反映其中物理过程或物质状态转变的特征，根据曲线特征可以将其划分为几个阶段，这些阶段与结冰-融冰过程相契合。值得注意的是，根据三者的曲线特征所划分的阶段以及各阶段所对应的物理过程并不完全对应，根本原因在于这三类参数的测量原理不同，其所刻画的物理过程理应有所差异。

温度和声速的变化均能够指示结冰-融冰过程和水-冰状态之间的转变，但是，由于冰中的声速高于水中声速的2倍，声速对水-冰状态的变化更加敏感，因此在水逐渐结为冰或者冰逐渐融化为水的过程中，声速产生连续的变化，通过声速则可以刻画冰或水的量并且判断水是否完全结为冰，这些信息从温度曲线难以准确获得。有所不同的是，由于冰的电阻率远高于自来水，所以阻抗模值对冰的存在极其敏感，少量冰的存在即可引起阻抗模值急剧增大，因此可以通过阻抗模值的变化来判断是否开始结冰或冰是否完全融化。与单一的电阻率参数相比，通过测试一定频率范围内的阻抗谱能够获得较多的电学参数，如阻抗模值、相角、实部、虚部等，此外通过比较分析还可以获得对被测体系相对更加敏感的测试频率(如图8中的70 kHz)，这将为深入研究所测试的物理过程提供更多的电学信息。

考虑到水结冰-融冰与四氢呋喃水合物以及甲烷水合物合成-分解过程的相似性以及冰与水合物在电声等物理特性方面的相似性[13,17-20]，通过对本实验测试系统中传感器的耐腐蚀性、反应釜的承压性等方面进行改良，则可将其用于四氢呋喃水合物以及甲烷水合物的模拟实验测试。

4 结 语

为了在实验室内开展天然气水合物模拟实验测试，全面而准确地获取水合物以及含水合物多孔介质的电学和声学特性参数，针对现有实验测试系统所存在的突出问题，首先开发了电声联合探测实验系统，实现了阻抗谱和超声传播参数的多参数联合测量，然后将此系统应用于水结冰-融冰动态演化过程的测试，进而验证了所开发系统的可用性。

通过对结冰-融冰实验过程中温度、声速和阻抗模值3个参数的变化规律进行分析和讨论，得到以下两点认识：① 热、声和电三类物理参数能够从不同的角度对结冰-融冰过程进行描述，测量原理的迥异使得温度、声速和阻抗模值分别刻画了不同的物理过程，根据这些参数随时间变化曲线的特征所划分的阶段不完全对应；② 温度和声速的变化均能够指示结冰-融冰过程和水-冰状态之间的转变，通过声速可以刻画冰或水的量并且判断水是否完全结冰，通过阻抗模值能够判断水是否开始结冰或冰是否完全融化，测试得到的阻抗谱能够提供更加全面的电学信息。

水结冰-融冰物理过程与四氢呋喃水合物以及甲烷水合物合成-分解过程类似，此外冰与水合物在电声等物理特性方面相似，通过对本系统进行改良升级(如提高耐腐蚀和承压性能)即可将其应用于四氢呋喃水合物以及甲烷水合物的模拟实验测试。

参考文献(References)：

[1] Sloan E D. Clathrate hydrates of natural gases[M]. thed. New York: CRC Press, 2007.

[2] Makogon Y F. Natural gas hydrates-A promising source of energy[J]. Journal of Natural Gas Science & Engineering, 2010, 2(1):49-59.

[3] Chong Z R, Yang S H B, Babu P,etal. Review of natural gas hydrates as an energy resource: prospects and challenges [J]. Applied Energy, 2015, 162:1633-1652.

[4] 张洪涛, 张海启, 祝有海. 中国天然气水合物调查研究现状及其进展[J]. 中国地质, 2007, 34(6):953-961.

[5] 吴能友, 张海启, 杨胜雄,等. 南海神狐海域天然气水合物成藏系统初探[J]. 天然气工业, 2007, 27(9):1-6.

[6] 业渝光, 刘昌岭.天然气水合物实验技术及应用[M]. 北京: 地质出版社, 2011.

[7] 刘昌岭, 孟庆国. 天然气水合物实验测试技术[M]. 北京: 科学出版社, 2016.

[8] 刘 瑜, 宋永臣, 李清平. 四氢呋喃水合物形成及饱和度的MRI检测[J]. 波谱学杂志, 2010, 27(4):623-629.

[9] 吕晓方, 史博会, 王 莹,等. 基于PVM的可视化水合物生成实验[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(11):6-9.

[10] 宁伏龙, 刘 力, 李 实,等. 天然气水合物储层测井评价及其影响因素[J]. 石油学报, 2013, 34(3):591-606.

[11] 范宜仁, 朱学娟. 天然气水合物储层测井响应与评价方法综述[J]. 测井技术, 2011, 35(2):104-111.

[12] Shankar U, Riedel M. Gas hydrate saturation in the Krishna-Godavari basin from P-wave velocity and electrical resistivity logs[J]. Marine & Petroleum Geology, 2011, 28(10):1768-1778.

[13] 邢兰昌, 陈 强, 刘昌岭. 基于电化学阻抗谱测试方法研究四氢呋喃水合物的生成和分解过程[J]. 岩矿测试, 2015, 34(6):704-711.

[14] 祁 雨, 邢兰昌, 刘昌岭, 等. 基于虚拟仪器技术的阻抗分析仪设计与开发[J]. 电子测量技术, 2017, 40(6):19-24.

[15] 葛亚明, 于 鑫, 吕淑平, 等. 基于LabVIEW和PCI-1711的过程控制实验系统设计[J]. 实验技术与管理,2015(1): 108-111.

[16] 孙卓辉, 章大海, 王振波, 等. 基于研华DAQNavi的LabVIEW虚拟仪器设计[J]. 实验室研究与探索,2016(6):71-73+130.

[17] 赵 洁, 孙始财, 孔亚运,等. 天然海沙中水动态结冰与渗透率研究[J]. 应用化工, 2017(5):862-866.

[18] 田慧会, 魏厚振, 颜荣涛,等. 低场核磁共振在研究四氢呋喃水合物形成过程中的应用[J]. 天然气工业, 2011, 31(7):97-100.

[19] Johnson J, Kunerth D C, Weinberg D M,etal. Acoustic laboratory measurements during the formation of a THF-hydrate in unconsolidated porous media[J]. Journal of Seismic Exploration, 2001, 9(4):337-354.

[20] Yun T S, Santamarina J C, Ruppel C. Mechanical properties of sand, silt, and clay containing tetrahydrofuran hydrate[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2007, 112(B4):93-101.