吳陳芋潼，徐同暉，邢蘭昌，賈寧洪，呂偉峰

(1.中國石油大學(xué) (華東)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.提高采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

二氧化碳是最主要的溫室氣體，占全球溫室效應(yīng)氣體的77%，目前通過各種方式轉(zhuǎn)化利用的CO2僅約占其排放量的10%[1]。CO2捕集與封存(CCS，carbon capture and storage)技術(shù)是一種能夠有效減少CO2向大氣排放的低成本溫室氣體控制技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)碳中和的托底技術(shù)之一。該技術(shù)指將工業(yè)或其它排放源中捕集的CO2輸送到地下等幾乎與大氣隔絕的地方進(jìn)行封存[2- 3]。封存于地層中的CO2泄漏風(fēng)險是CCS技術(shù)需要關(guān)注和解決的關(guān)鍵問題之一[4- 5]。監(jiān)測地層CO2封存狀況的技術(shù)主要包括示蹤劑法、酸堿度分析法、同位素法、聲波測井技術(shù)、中子測井技術(shù)、環(huán)空壓力監(jiān)測、3D/4D地震監(jiān)測、電阻率層析成像(ERT，electrical resistivity tomography)技術(shù)等[6]。ERT技術(shù)是醫(yī)學(xué)中廣泛應(yīng)用的電阻抗層析成像(EIT，electrical impedance tomography)技術(shù)的一種簡化形式，其繼承了EIT技術(shù)簡便靈活、高效準(zhǔn)確、不破壞和干擾物場的特點(diǎn)[7- 8]，目前已經(jīng)應(yīng)用于多個工程領(lǐng)域，如煤田勘探工程、水利水電工程、環(huán)境地質(zhì)工程、城市勘察工程等[9-11]。

Shima較早地實(shí)現(xiàn)了ERT技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，并開發(fā)了一種二維反演算法[12]。Sasaki和Loke采用平滑約束的最小二乘法對被測樣品的真實(shí)電阻率進(jìn)行了反演[13-14]。白登海等從Shima提供的方法出發(fā)，介紹了ERT技術(shù)的基礎(chǔ)理論、操作原理和解釋方法[15]。王興泰等對ERT中用于圖像重建的佐迪反演方法進(jìn)行了研究[16]。Chambers等基于2D和3D ERT技術(shù)繪制了垃圾填埋場造成淺部巖層污染的圖像，描述了該場地的地質(zhì)特征[17]。Maillol等綜合利用ERT的地面和井間工作模式對淺層廢棄富水礦井巷道進(jìn)行了探測[18]。劉斌等采用3D ERT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對深層礦井突水過程中巖層斷裂和滲流通道形成過程的實(shí)時監(jiān)測及前兆信息捕捉，為突水事故的預(yù)警提供了重要參考[19]。Fikos等運(yùn)用ERT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對深層干熱巖和地?zé)崽锏膶?shí)時動態(tài)成像與監(jiān)測[20]。蔣林城等對比分析了井間ERT技術(shù)的二極、三極、四極裝置的靈敏度，總結(jié)了適用于井間探測的電極排列方式[21]。

在地層CO2監(jiān)測領(lǐng)域，Nakatsuka等開展了模擬實(shí)驗(yàn)，基于電阻率指數(shù)建立了適用于高黏土含量巖層中CO2飽和度的評價方法[22]。Breen等利用模擬實(shí)驗(yàn)對CO2進(jìn)行了圖像重建和結(jié)果評估，驗(yàn)證了ERT技術(shù)用于監(jiān)測地層CO2泄漏的有效性[23]。ERT技術(shù)在美國Mansfield砂巖地層CCS項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用[24]。德國在CO2-SINK試驗(yàn)場布置了垂直電阻率陣列，采用井間ERT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對地質(zhì)封存CO2運(yùn)移的監(jiān)測[25]。美國在Cranfield項(xiàng)目中注入了100萬噸CO2，運(yùn)用井間ERT技術(shù)獲取了CO2飽和度分布隨時間變化的信息，實(shí)現(xiàn)了地層中CO2的運(yùn)移監(jiān)測[26]。西班牙在Hontomín CO2封存點(diǎn)進(jìn)行了多通道地-井和井間ERT監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)具有較低的誤差[27]。B?rner等利用模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了不同壓力、溫度和鹽度條件下CO2對孔隙水電導(dǎo)率的影響，并探討了運(yùn)用復(fù)電導(dǎo)率虛部優(yōu)化CO2飽和度模型的方法[28]。Kremer等通過分析模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相比于單一的電阻率參數(shù)，從譜激發(fā)極化(SIP，Spectral Induced Polarization)響應(yīng)中獲取的復(fù)電導(dǎo)率參數(shù)對CO2飽和度變化的敏感度更高[29]。

在現(xiàn)有的地質(zhì)封存CO2監(jiān)測項(xiàng)目中，由于存在地質(zhì)條件、CO2注入操作條件等的差異性，所以采用的ERT電極陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作模式、安裝位置等均有所不同，需要針對特定的CO2封存需求對擬采用的ERT監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此需要開發(fā)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來研究ERT監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在ERT數(shù)據(jù)處理方面，目前大多數(shù)系統(tǒng)基于電阻率/電導(dǎo)率來計(jì)算地層中的CO2飽和度，這種方法不適用于黏土含量較高的地層，而反映泥質(zhì)地層介質(zhì)儲存電荷能力的復(fù)電導(dǎo)率虛部對黏土含量和CO2飽和度均比較敏感[30-31]，基于復(fù)電導(dǎo)率虛部的CO2飽和度評價方法還需進(jìn)一步深入研究。

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)一套井間ERT監(jiān)測模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。首先構(gòu)建有限元數(shù)值模型對電極陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作模式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立電極陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，然后對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分分別進(jìn)行開發(fā)，最后通過模擬實(shí)驗(yàn)對所開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行測試以驗(yàn)證系統(tǒng)的可用性。

1 井間ERT監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能分析與總體設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理及功能分析

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的ERT監(jiān)測系統(tǒng)組成主要包括以下4個部分：模擬地層、電極陣列、數(shù)據(jù)采集模塊、測控計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)工作原理如圖1所示，通過在模擬地層中安裝電極陣列，由激勵電極發(fā)射電流信號，產(chǎn)生電場，再由測量電極采集電壓信號，從而獲取相關(guān)參數(shù)。當(dāng)敏感場內(nèi)電導(dǎo)率分布發(fā)生變化時，場域內(nèi)電勢分布將會改變，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成對變化后場域邊界電壓值的采集，并通過反演算法和繪圖程序得到電導(dǎo)率的分布圖，最后獲得監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的介質(zhì)空間分布。

圖1 實(shí)驗(yàn)室ERT監(jiān)測系統(tǒng)工作原理圖

以下對井間ERT監(jiān)測模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析。為了排除溫度變化可能對采集數(shù)據(jù)產(chǎn)生的虛假影響，需保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度的相對穩(wěn)定。為了實(shí)現(xiàn)對復(fù)電導(dǎo)率相關(guān)參數(shù)的計(jì)算以及建立CO2飽和度評價模型，則需要測量監(jiān)測區(qū)域的寬頻電阻抗。此外，需要開發(fā)測控軟件以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)硬件部分的自動控制，保障監(jiān)測系統(tǒng)能夠長期無人值守地進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動化采集、處理、顯示以及保存。

綜上所述，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)能夠保持樣品溫度恒定并實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部溫度；

2)能夠按照工作模式需求選通相應(yīng)的工作電極，獲取大量獨(dú)立的測量數(shù)據(jù)；

3)能夠?qū)Σ杉脑紨?shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和保存；

4)實(shí)驗(yàn)過程可由測控軟件控制，實(shí)現(xiàn)各功能模塊的自動化運(yùn)行。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在借鑒前人實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上[24-27，32]，設(shè)計(jì)了用于室內(nèi)測試的井間ERT監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件和軟件部分，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)的硬件部分包括樣品容器(圖2虛線方框所示)、恒溫裝置、激勵/采集單元、電極選通單元、溫度采集單元、電極陣列、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)的軟件部分包括激勵/采集單元控制模塊、電極選通單元控制模塊和數(shù)據(jù)處理、顯示及保存模塊。

圖2 ERT監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

樣品容器用于盛放模擬地層樣品、安裝溫度傳感器和帶電極陣列的模擬套管。溫度采集單元實(shí)時獲取樣品溫度。激勵/采集單元和電極選通單元由工控機(jī)上測控軟件的控制模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動選通工作電極并完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。恒溫裝置能夠?yàn)槟M地層樣品提供穩(wěn)定的溫度條件。

激勵/采集單元控制模塊可對LCR精密電橋儀的工作參數(shù)進(jìn)行配置，并獲取阻抗測量數(shù)據(jù)；電極選通單元控制模塊對多路切換開關(guān)的通道進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動選通工作電極的功能；數(shù)據(jù)處理、顯示及保存模塊可將采集的電學(xué)和溫度數(shù)據(jù)以圖表或曲線等形式直觀展示，方便實(shí)驗(yàn)人員觀察數(shù)據(jù)變化、了解實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，同時將采集的數(shù)據(jù)按照指定位置進(jìn)行儲存，便于后期使用。

2 井間ERT電極參數(shù)及工作模式優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 有限元數(shù)值仿真

2.1.1 電場控制方程

根據(jù)麥克斯韋方程和似穩(wěn)場假設(shè)，對于ERT系統(tǒng)電極陣列工作時所產(chǎn)生的敏感場，其內(nèi)部任意一點(diǎn)的電流密度J、電導(dǎo)率σ與電場強(qiáng)度E滿足以下關(guān)系[33]：

▽·J=0

(1)

J=σE

(2)

假設(shè)敏感場內(nèi)電勢分布為φ，則：

E=-▽φ

(3)

根據(jù)以上關(guān)系式可以得到ERT系統(tǒng)的敏感場數(shù)學(xué)模型：

▽·(σ·▽φ)=0

(4)

▽σ·▽φ+σ▽2φ=0

(5)

在均勻、線性、各向同性的介質(zhì)中，σ為常量，即▽σ=0，根據(jù)Laplace方程，可將式(5)簡化為如下方程：

▽2φ=0

(6)

采用“電流激勵、電壓檢測”工作模式的ERT系統(tǒng)滿足Neumann邊界條件[34]：

(7)

式中，n為邊界S的單位法向矢量；J為電流密度。

2.1.2 數(shù)值模擬

首先以樣品容器的內(nèi)表面、容器內(nèi)承裝的模擬地層介質(zhì)和帶有電極陣列的模擬套管為研究對象，按照等比例原則建立模型的幾何結(jié)構(gòu)(如圖3(a)所示)。容器內(nèi)側(cè)面和底面對應(yīng)模型結(jié)構(gòu)的外側(cè)邊界，將其設(shè)置為絕緣面。模型內(nèi)部兩個較小的圓筒表示帶電極陣列的模擬套管，模擬套管與模擬地層介質(zhì)接觸的面代表內(nèi)側(cè)邊界，將其設(shè)置為絕緣面(除去電極后的剩余部分)，電極材料定義為紫銅。

將安裝有電極的兩個模擬套管中心線所在平面作為主要研究區(qū)域，對模擬套管上的每個電極按照從上到下的順序進(jìn)行編號(如圖3(b)所示)。井間ERT系統(tǒng)中上下兩端的電極之間的距離L視為垂向(電極軸向)的有效監(jiān)測范圍，井間距為D，在L和D固定的前提條件下情況下，通過改變電極軸向間距l(xiāng)(電極中心之間的軸向距離)和電極軸向?qū)挾萪來開展一系列數(shù)值模擬工作。

圖3 模型的幾何結(jié)構(gòu)

在完成幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，對模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，模型內(nèi)側(cè)邊界附近區(qū)域的網(wǎng)格單元較小，數(shù)量較多，模型外側(cè)邊界附近區(qū)域的網(wǎng)格單元較大，數(shù)量較少。其中，剖分的網(wǎng)格單元總數(shù)為801 271，最大和最小網(wǎng)格單元的尺寸分別為7.25 mm和0.08 mm。容器內(nèi)的樣品定義為電導(dǎo)率σ=0.01 S/m的均勻物質(zhì)，設(shè)定激勵電極發(fā)射的信號為1 mA的直流電信號。按照預(yù)先設(shè)定的電極選通方式對工作電極進(jìn)行控制，獲取整個模型內(nèi)的電勢分布。在此基礎(chǔ)上，利用靈敏度計(jì)算式(式8所示)計(jì)算得到靈敏度的空間分布，為后續(xù)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作模式提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。靈敏度計(jì)算函數(shù)由互易定理推導(dǎo)所得[35]，其計(jì)算公式如下：

(8)

式中，Si，j(x，y，z)表示選通第i和j電極對時，場域內(nèi)某坐標(biāo)點(diǎn)處的靈敏度；Ei(x，y，z)和Ej(x，y，z)分別表示利用序號為i和j的電極對施加激勵時，場域內(nèi)某坐標(biāo)點(diǎn)處的電場強(qiáng)度；Ii和Ij分別表示利用序號為i和j的電極對向樣品施加的激勵電流幅值。

2.1.3 靈敏度分析方法

電學(xué)成像系統(tǒng)的敏感場分布是非均勻的，在靠近激勵電極處，敏感場的靈敏度較高，而在遠(yuǎn)離激勵電極處，敏感場的靈敏度則較低。敏感場靈敏度的高低可用靈敏度系數(shù)來定量表示。靈敏度系數(shù)矩陣的元素值越大，則表示敏感場靈敏度越高。靈敏度系數(shù)矩陣中各元素值之間差異越小，則敏感場均勻性越好。敏感場的均勻性可由靈敏度系數(shù)矩陣的標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值來表示(式9)[36-37]。敏感場的均勻性指標(biāo)表示為P，其為偏小型指標(biāo)，即P值越小則說明均勻性越好。

(9)

(10)

式中，n為敏感場的單元剖分?jǐn)?shù)，Si，j(e)為n剖分的單元中第e個單元處的靈敏度系數(shù)。

計(jì)算一種工作模式條件下的敏感場均勻性指標(biāo)，即求解一個N×n的矩陣，每一列n個數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差與均值之比為變異系數(shù)，N個變異系數(shù)之和即為均勻性指標(biāo)P。

2.2 電極參數(shù)優(yōu)化

結(jié)合實(shí)驗(yàn)容器的尺寸，設(shè)置L為120 mm、D為40 mm，在電極間距(l)和電極軸向?qū)挾?d)取不同值條件下，分別計(jì)算并分析敏感場靈敏度的均勻性指標(biāo)(P)，進(jìn)而確定最優(yōu)的電極參數(shù)。

以1 mm軸向?qū)挾鹊碾姌O為例，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時，對于兩個模擬井筒的電極陣列，設(shè)定電極對的數(shù)量分別為6、7、8、9、10、11、12，即l/L的值為0.200、0.167、0.143、0.125、0.110、0.100、0.090、0.080時，分別計(jì)算其敏感場的均勻性指標(biāo)。如圖4所示，隨著電極對數(shù)量的增加，P值先增大后減小，模型的所有網(wǎng)格單元靈敏度的離散化程度先增大后減小，敏感場的均勻性先降低后增強(qiáng)。

圖4 電極間距與監(jiān)測范圍比值不同時被測區(qū)域敏感場的均勻性指標(biāo)

以6對電極為例，當(dāng)電極軸向?qū)挾确謩e取1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm，即d/L的值分別為0.008、0.017、0.025、0.033、0.042、0.050、0.058時，隨著電極軸向?qū)挾鹊脑黾?，P值呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的趨勢(圖5)，模型的網(wǎng)格單元靈敏度的離散化程度先減小后增大，被測區(qū)域敏感場的均勻性先增強(qiáng)后降低。該敏感場均勻性的變化趨勢與已有文獻(xiàn)所報道的結(jié)果相一致[38]。

圖5 電極軸向?qū)挾扰c監(jiān)測范圍比值不同時被測區(qū)域敏感場的均勻性指標(biāo)

綜上所述，電極間距和電極軸向?qū)挾葘γ舾袌鼍鶆蛐缘挠绊懢尸F(xiàn)出非線性趨勢。通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，l/L的值取0.010～0.080或大于0.167、d/L的值取0.025～0.033或大于0.058時，敏感場均勻性較好。在實(shí)際選擇電極參數(shù)時，還需要綜合考慮電極加工成本、安裝合理性和數(shù)據(jù)量等因素。

由于加工條件等其他因素的限制，在本系統(tǒng)中每個模擬套管采用6個電極(l/L=0.200)。電極寬度每增加1 mm，加工成本增加約15%，與寬度為3 mm和4 mm的電極相比，寬度為7 mm時，雖然敏感場均勻性有小幅度提升，但加工成本增加約45～60%，而寬度為3 mm和4 mm時，敏感場均勻性接近。綜合考慮性能和成本，在本系統(tǒng)中選用寬度為3 mm的電極(d/L=0.025)。

2.3 電極工作模式優(yōu)化

井間ERT技術(shù)實(shí)施的工作模式主要有3種：AM-BN、AB-MN和AMN-B/A-BMN，其中電極A和B為激勵電極、電極M和N為測量電極?；谏鲜鲇邢拊Ｐ蛯?種工作模式進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到各種模式條件下的靈敏度分布(圖6)。

AM-BN模式也稱為Bipole-Bipole模式，電極A和M位于同一井內(nèi)、電極B和N位于另一井內(nèi)，改變選通的工作電極時，始終維持電極A和M之間的距離等于電極B和N之間的距離。該模式下靈敏度分布如圖6(a)所示。靈敏度為正代表區(qū)域內(nèi)電阻率上升，測量的電位差減?。欢`敏度為負(fù)則代表區(qū)域內(nèi)電阻率下降，測量的電位差增大。在靠近井壁的區(qū)域，靈敏度的絕對值較大，而井間靠近中心的區(qū)域，靈敏度絕對值較小。

AB-MN模式也稱為Dipole-Dipole模式，工作時激勵電極A和B、測量電極M和N分別位于不同的井內(nèi)，始終維持電極A和B之間的距離等于電極M和N之間的距離。圖6(b)所示的靈敏度分布圖表明，以電極A和M水平線、電極B和N水平線作為近似分界線，上部和下部區(qū)域的靈敏度大部分為負(fù)，而中間區(qū)域的靈敏度大部分為正，這使得在該工作模式下，電極陣列對井間的非均勻性介質(zhì)的響應(yīng)趨于復(fù)雜化。

AMN-B/A-BMN模式也稱為Pole-Tripole模式，激勵電極A和B分別位于不同的井中，測量電極M和N位于相同的井中，始終維持電極A和B保持在同一水平位置。如圖6(c)所示，該工作模式下井間的靈敏度正負(fù)分布更加不均勻，電極陣列對于非均勻性介質(zhì)的響應(yīng)更加復(fù)雜。

圖6 井間ERT技術(shù)常用的3種工作模式靈敏度圖

靈敏度的值越大，獲取的電壓數(shù)據(jù)對樣品的電學(xué)參數(shù)變化越敏感，越有利于獲取監(jiān)測區(qū)域的有效信息。靈敏度分布的均勻程度將影響反演成像的效果，分布越均勻則越有利[39]。AM-BN模式的靈敏度值較大、分布較為均勻，靈敏度正負(fù)突變區(qū)域遠(yuǎn)離井間監(jiān)測區(qū)域的中心且范圍較??；AB-MN模式的靈敏度較小，井間監(jiān)測范圍內(nèi)存在兩處靈敏度正負(fù)突變的區(qū)域；A-BMN/AMN-B的靈敏度在局部區(qū)域較大，分布非常不均勻，且井間中心的部分區(qū)域存在靈敏度正負(fù)突變?，F(xiàn)有研究也表明，在3種工作模式中，AM-BN模式和A-BMN/AMN-B模式具有較高的信噪比，但是重建圖像的分辨率較差，AB-MN模式和A-BMN/AMN-B模式，圖像重建的分辨率較高，但重建圖像存在多處偽影[40]。

綜上所述，AM-BN模式適用于井間距較大、對重建圖像分辨率要求較低的場合，如野外井間跨度較大的地質(zhì)勘探工程、監(jiān)測工程等；AB-MN模式適用于井間距較小、對重建圖像分辨率較高的場合，如進(jìn)行探索研究的實(shí)驗(yàn)室、需要高分辨率圖像的監(jiān)測中心等；A-BMN/AMN-B模式具有較高信噪比和重建圖像分辨率，但是敏感場均勻性較差，通常與其它模式結(jié)合使用。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用AM-BN模式，以最終實(shí)現(xiàn)對模擬地層的高分辨率成像。

3 井間ERT監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

3.1 硬件部分開發(fā)

3.1.1 模擬地層和模擬套管

采用圓筒形樣品容器承裝模擬地層樣品，容器上部由頂蓋封閉。樣品容器內(nèi)徑為15 cm，內(nèi)高為15 cm，底部和側(cè)壁厚度均為2 cm，頂蓋上預(yù)留模擬套管和溫度傳感器的安裝孔，如圖7所示。樣品容器的材料為聚醚醚酮，該材料具有良好的傳熱性和耐腐蝕性。本系統(tǒng)采用空氣浴恒溫箱對容器內(nèi)的樣品進(jìn)行溫度控制，恒溫箱可控制溫度范圍為-35～185 ℃，控制精度為±0.5 ℃。

圖7 樣品容器及模擬套管結(jié)構(gòu)示意圖

環(huán)狀電極的結(jié)構(gòu)可參見圖7，一個電極陣列由6個環(huán)狀電極所構(gòu)成，若干不同長度的管段構(gòu)成模擬套管，采用AB膠進(jìn)行連接固定，如圖8所示。管段材料為聚醚醚酮，電極材料為紫銅。每一個環(huán)形電極與多路切換開關(guān)之間采用外加屏蔽層的導(dǎo)線進(jìn)行連接，通過電極選通模塊進(jìn)行控制，可指定一個模擬套管上的任意電極都可以選通為激勵電極A或測量電極M，另一根模擬套管上的任意電極可以選通為激勵電極B或測量電極N。

圖8 安裝有電極陣列的模擬套管

3.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊由激勵/采集單元和電極選通單元組成。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以型號為Agilent 4284A的LCR精密電橋儀作為激勵/采集單元，其頻率測量范圍為20 Hz到1 MHz，具有8610個可選擇頻率點(diǎn)，阻抗測量范圍為0.01 Ω到100 MΩ，測量精度為0.05%。

以多路切換開關(guān)作為電極選通單元，由相應(yīng)的軟件控制模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動選通工作電極的功能。多路切換開關(guān)的4個共用端口分別與精密電橋儀的2個電流端口和2個電勢端口相連接，開關(guān)的多路通道接口與所有電極分別連接。工作時，依照設(shè)定的電極選通方式，利用多路切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)與相應(yīng)電極的連通。與電流端口連通的電極則為激勵電極(A和B)，與電勢端口連通的電極則為測量電極(M和N)。

溫度采集單元主要包括溫度傳感器、溫度變送器、電流電壓轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)采集卡。傳感器采用A級Pt100熱電阻，溫度變送器為二線/三線制溫度變送器，測量范圍為-20～80 ℃，測量誤差不超過0.25 ℃。變送器輸出的4～20 mA電流信號通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成1～5 V的電壓信號，利用數(shù)據(jù)采集卡采集，采集卡型號為PCI-1713。

3.2 軟件部分開發(fā)

3.2.1 激勵/采集單元控制模塊

精密電橋儀通過GPIB接口與工控機(jī)進(jìn)行通信，基于LabVIEW平臺編寫控制程序，實(shí)現(xiàn)對精密電橋儀的參數(shù)配置與儀器控制，從而完成電極激勵和信號采集工作，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)?？蛇x的頻率范圍設(shè)定為20 Hz～1 MHz，可以對激勵電流幅值、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、測量周期等參數(shù)進(jìn)行靈活設(shè)置。

圖9 LCR精密電橋儀控制模塊部分程序圖

3.2.2 電極選通單元控制模塊

該模塊依照所設(shè)定的工作模式來控制電極選通單元[41]，設(shè)定的電極選通方式如圖10所示。首先選通位于最上方的第一對電極作為激勵電極A和B，施加設(shè)定的激勵電流，同時選通激勵電極下方的某一對電極作為測量電極M和N，并進(jìn)行電壓信號采集，然后再自動選通下一對電極作為測量電極，直到所有電極上的電壓信號采集完畢。繼續(xù)選通下方的另一對電極作為激勵電極并重復(fù)上述步驟進(jìn)行電壓信號采集，如此持續(xù)，遍歷6對電極作為激勵電極，到此則完成了一組測量和數(shù)據(jù)采集工作。

圖10 電極選通方式示意圖

3.2.3 數(shù)據(jù)處理、顯示及保存模塊

圖11 電極選通單元控制模塊部分程序圖

該模塊將采集到的電壓數(shù)據(jù)傳送到工控機(jī)，通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將電壓信號轉(zhuǎn)換為阻抗和溫度參數(shù)，并在軟件圖形用戶界面上以曲線和數(shù)字的方式進(jìn)行顯示，實(shí)時反映被測參數(shù)的變化。在設(shè)置文件保存路徑和保存格式的前提下，將數(shù)據(jù)存儲為txt、xls等格式的文件，自動保存到設(shè)定的目錄下，用于長期的數(shù)據(jù)保存和后續(xù)分析處理。

4 井間ERT監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了測試所開發(fā)井間ERT監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可用性，開展了系列的模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析工作。在樣品容器中裝入粒徑0.18～0.25 mm的天然海砂，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaCl水溶液使海砂充分飽和，在不同深度的井間位置處埋放不導(dǎo)電的異常物來模擬注入地層的CO2。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)使用去離子水沖洗海砂3～5次，去除海砂中的鹽分和雜質(zhì)，然后放入高溫烘干箱進(jìn)行烘干備用。配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaCl水溶液500 mL備用。

2)將2根裝有電極的模擬套管放入容器內(nèi)對應(yīng)的凹槽內(nèi)，將以上準(zhǔn)備的海砂和NaCl水溶液分層填入容器，裝填完畢后將樣品壓實(shí)。

3)靜置20分鐘后，打開測控軟件，設(shè)置激勵電壓為0.05 V，頻率為100 Hz，開始數(shù)據(jù)采集。

4)在某一對電極(如第4對電極)所在深度的井間區(qū)域，埋放一塊較小體積的不導(dǎo)電圓柱體，如圖13(a)所示，將樣品壓實(shí)后，重復(fù)步驟3)。

5)在某兩對軸向相鄰的電極(如第4和第5對電極)所在深度的井間區(qū)域，埋放一塊較大體積的不導(dǎo)電圓柱，如圖13(b)所示，將樣品壓實(shí)后，重復(fù)步驟3)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)過程中獲取了埋放絕緣圓柱體前后測量電極之間的阻抗數(shù)據(jù)，通過分析阻抗值的變化情況可以辨識出所埋放絕緣物體的位置。

通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了在不同電極對激勵條件下通過其余電極對測量的阻抗幅值變化曲線。圖14所示為分別將第1對和第6對電極(如圖14所示)作為激勵電極對時測試所得到的數(shù)據(jù)。

圖12 數(shù)據(jù)顯示及保存模塊部分程序圖

圖13 絕緣圓柱體埋放位置示意圖

圖14 不同電極對作為激勵電極時的阻抗測量數(shù)據(jù)

通過對圖14的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行分析可知：

1)埋放絕緣的圓柱體之后，所有電極測量的阻抗幅值均出現(xiàn)不同程度的升高。這是因?yàn)榻^緣物體代替了原來飽和氯化鈉水溶液的海砂，引起監(jiān)測區(qū)域局部以及整體導(dǎo)電性的降低，從而引起測量得到的阻抗幅值的升高。

2)與埋放體積較小的圓柱體相比較，當(dāng)埋放的圓柱體體積較大時，所有電極測量的阻抗幅值升高程度更加顯著，可見測試數(shù)據(jù)靈敏地反映了監(jiān)測區(qū)域電參數(shù)的變化情況。

3)在埋放絕緣的圓柱體之后，越接近圓柱體所在位置的電極，測量的阻抗幅值變化越顯著，圓柱體所在位置附近電極測量的阻抗幅值升高約17～25 Ω，其余電極測量的阻抗幅值升高越3～10 Ω?？梢娡ㄟ^分析測試數(shù)據(jù)變化幅度來獲得絕緣體所在的位置信息。

5 結(jié)束語

基于COMSOL平臺構(gòu)建了模擬井間ERT響應(yīng)的有限元數(shù)值模型，利用數(shù)值模型對電極陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作模式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了電極陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行功能分析和總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別對硬件部分和軟件部分進(jìn)行了開發(fā)，利用以LabVIEW為平臺所開發(fā)的測控軟件實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的自動化控制，形成了一套井間ERT監(jiān)測模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了所開發(fā)系統(tǒng)的可用性。

下一步將利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展地層中CO2運(yùn)移模擬以及井間ERT監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，在獲取實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立復(fù)電導(dǎo)率參數(shù)與CO2飽和度的關(guān)系模型，完善基于復(fù)電阻率參數(shù)的井間成像算法，為開發(fā)現(xiàn)場適用的井間ERT監(jiān)測系統(tǒng)提供理論支撐。