超快湿度传感器及其制备方法和气体钻井地层出水监测方法

本发明属于湿度传感器，具体涉及一种超快湿度传感器及其制备方法和一种气体钻井地层出水监测方法。

背景技术：

1、随着能源需求的不断增长，气体钻井作业在地质勘探和资源开发中扮演着至关重要的角色，其通过在地下注入气体以推动液体或其他物质上升到地表，以便进行地质勘探或资源开采。然而，在气体钻井过程中，地层出水的监测一直是一个具有挑战性的问题。

2、现有技术中的利用排砂管线湿度监测反演气体地层出水的方法通过湿度传感器对排砂管线中的湿度进行监测，从而反演地层出水的情况。然而在监测突发性或爆发性地层出水事件时，该技术仍面临显著挑战。主要困难在于现有湿度传感器的响应速度不足以实时捕捉突发性或爆发性出水时湿度的快速变化，导致无法及时提供监测数据，这对于确保气体钻井作业的安全性和效率至关重要。此外，突发性出水事件往往伴随着高压和大流量的特点，这要求湿度传感器不仅要快速响应，还要具备足够的稳定性以抵抗极端条件下的物理和化学影响。因此，开发能够适应这些苛刻条件的传感器，是提高监测准确性和可靠性的关键。

技术实现思路

1、基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的是提供一种超快湿度传感器及其制备方法和气体钻井地层出水监测方法。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种超快湿度传感器，包括依次层叠的硅衬底、二氧化硅层、电极层和聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖交联薄膜层，聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖交联薄膜层包裹有二氧化硅微球，聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖交联薄膜层的表面附着有富勒醇；

4、其中，电极层包括间距分布的正电极和负电极，聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖交联薄膜层的底部填充正电极与负电极之间的间隔。

5、作为优选方案，以间距分布的正电极和负电极为阵列单元，阵列式分布于二氧化硅层之上；其中，相邻的正电极与负电极之间的间距不大于50μm。

6、作为优选方案，所述正电极和负电极为金或银。

7、本发明还提供如上任一项方案所述的超快湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

8、步骤1：将富勒醇粉末超声分散于水中，得到0.1～10mg/ml的富勒醇溶液；

9、将壳聚糖溶解于1～10wt％稀醋酸水溶液中形成壳聚糖溶液；

10、将聚二烯丙基二甲基氯化铵按照预设质量比超声分散于壳聚糖溶液中，形成0.1～10mg/ml的聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖复合溶液；

11、将二氧化硅微球按照预设质量比超声分散于聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖复合溶液中，得到浓度为0.1～10mg/ml的聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖/二氧化硅复合溶液；

12、步骤2：在硅衬底上生长二氧化硅作为绝缘层，再通过真空镀膜法在二氧化硅层上通过光刻和刻蚀方法形成正电极和负电极，得到电极基片；将电极基片清洗干净待用；

13、步骤3：将电极基片浸入聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖/二氧化硅复合溶液中1～30分钟，之后取出干燥，并在110～150℃的温度下进行热交联反应1小时，之后再在电极基片上加入浓度为1～10wt％的戊二醛进行化学交联1小时，得到附有聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖/二氧化硅复合薄膜的电极基片；

14、步骤4：将附有聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖/二氧化硅复合薄膜的电极基片浸入富勒醇溶液中1～30分钟，之后取出干燥，得到自组装有富勒醇/聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖/二氧化硅复合薄膜的电极基片，即超快湿度传感器。

15、作为优选方案，所述步骤1中，富勒醇粉末的粒径为1～100nm，富勒醇粉末的羟基数为5～40个。

16、作为优选方案，所述步骤1中，聚二烯丙基二甲基氯化铵与二氧化硅微球的质量比为1：(0.1～10)，所述二氧化硅微球的粒径为50nm～5μm，所述聚二烯丙基二甲基氯化铵的浓度为0.05～10wt％，所述壳聚糖的浓度为0.05～10wt％。

17、本发明还提供一种气体钻井地层出水监测方法，包括以下步骤：

18、s1、把如上任一项方案所述的超快湿度传感器安装在排砂管线上；

19、s2、利用如上任一项方案所述的超快湿度传感器检测排砂管中返出气体湿度的变化，从而监测地层出水情况；其中，利用超快湿度传感器的阻抗、电容或电阻变化以测量湿度；

20、本发明与现有技术相比，有益效果是：

21、本发明的超快湿度传感器具有极快的响应/恢复速度，这与聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖交联薄膜层的静电吸附作用有效缓解了c60-oh的聚集以及sio2微球的引入增加了水分子的扩散空间密切相关；由于所使用的富勒醇拥有适度的羟基化程度(羟基数为5-40个)，其兼具出色的亲水性和水溶性的同时，还保持着优异的化学稳定性和高的电子迁移率；这种富勒醇的引入，不仅显著提升了传感器的长期稳定性，同时还增强了富勒醇/聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖/二氧化硅复合薄膜的导电性，进而提升了传感器的灵敏度；另外，聚二烯丙基二甲基氯化铵与壳聚糖薄膜形成了具有交联网络结构的亲水复合薄膜层。这不仅提高了富勒醇/聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖/二氧化硅复合薄膜的热稳定性和化学稳定性，使得传感器的性能在长期使用中更加稳定。而且，这种多孔的交联网络结构更利于水分子在复合薄膜中的扩散，从而增大了传感器对湿度的响应灵敏度。利用该超快湿度传感器检测排砂管中返出气体湿度的变化，从而能够快速地捕捉地层出水的情况。相比于响应速度相对较慢的湿度传感器，使用该超快湿度传感器对爆发性的、突变的地层出水情况能有更好的检测效果。

技术特征：

1.一种超快湿度传感器，其特征在于，包括依次层叠的硅衬底、二氧化硅层、电极层和聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖交联薄膜层，聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖交联薄膜层包裹有二氧化硅微球，聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖交联薄膜层的表面附着有富勒醇；

2.根据权利要求1所述的超快湿度传感器，其特征在于，以间距分布的正电极和负电极为阵列单元，阵列式分布于二氧化硅层之上；其中，相邻的正电极与负电极之间的间距不大于50μm。

3.根据权利要求1所述的超快湿度传感器，其特征在于，所述正电极和负电极为金或银。

4.如权利要求1-3任一项所述的超快湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，富勒醇粉末的粒径为1～100nm，富勒醇粉末的羟基数为5～40个。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，聚二烯丙基二甲基氯化铵与壳聚糖的质量比为1：（0.1～10），聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖复合溶液与二氧化硅微球的质量比为1：（0.1～10），所述二氧化硅微球的粒径为50nm～5μm，所述聚二烯丙基二甲基氯化铵的浓度为0.05～10wt%，所述壳聚糖的浓度为0.05～10wt%。

7.一种气体钻井地层出水监测方法，其特征在于，以下步骤：

技术总结本发明涉及超快湿度传感器及其制备方法和气体钻井地层出水监测方法，超快湿度传感器，包括依次层叠的硅衬底、二氧化硅层、电极层和聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖交联薄膜层，聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖交联薄膜层包裹有二氧化硅微球，聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖交联薄膜层的表面附着有富勒醇；电极层包括间距分布的正电极和负电极，聚二烯丙基二甲基氯化铵/壳聚糖交联薄膜层的底部填充电极之间的间隔。本发明的超快湿度传感器具有极快的响应/恢复速度和良好的长期稳定性。利用该湿度传感器可以检测排砂管中返出气体湿度的变化，进而来监测气体钻井地层出水的情况。传感器优越的性能使其对突变或爆发性地层出水有更好的检测效果。技术研发人员：陈向东,唐坤,丁星受保护的技术使用者：西南交通大学技术研发日：技术公布日：2024/8/16