一种海底水合物监测方法及系统

本发明涉及水合物均匀性测量，尤其是涉及一种海底水合物监测方法及系统。

背景技术：

1、天然气水合物(natural gas hydrate)又称可燃冰，是由甲烷等小分子天然气体和水在特定的低温高压条件下形成的类冰状结晶物质，天然气水合物主要分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中。甲烷含量占80％～99.9％，燃烧污染比煤、石油都小得多，而且储量丰富，全球储量足够人类使用1000年，因而被各国视为未来石油天然气的替代能源。在我国，天然气水合物调查研究工作已取得一定成果，未来有望实现商业化开采。

2、介电常数作为材料的特性参数之一，能够很好的反映材料的性能，随着水合物勘探技术的发展以及对水合物沉积物特性研究的不断深入，介电常数成为水合物特性研究的重要参数。目前常用的介电常数测量方法有谐振腔法、自由空间法、传输线法和电容法等。相比于其它测量方法，其中电容法具有使用成本低、响应速度快、操作便利、能够用于多种介质的测量的优点，目前被广泛的使用。

3、cn108089062a公开了一种多孔介质介电常数的测量方法，其步骤包括，将含水率较低的样品研磨成粉，并使用自制的圆柱形不锈钢测量单元对不同质量下的粉末状样品进行压实。使用与网络分析仪相连的末端开路同轴探头对压实后的样品进行介电常数测量。运用回归分析方法得出样品介电常数与频率的关系，将样品介电常数实际测量值与预先选用的介电混合方程理论值进行拟合得到一定频率下适用于多孔介质介电常数测量的数学模型。但该方法测量的介电常数仅仅为某单一位置点的介电常数，而多孔介质中水合物的分布是不均匀的，仅仅获取单一位置点的介电常数无法全面反映多孔介质的介电特性，无法判断出水合物的分布情况，且目前应用该方法对水合物的研究相对较少，对含水合物多孔介质的介电常数空间分布检测尚未开展。

4、cn111458569a公布了一种基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及方法，该系统包括矢量网络分析仪、射频多路切换开关、反应釜、多路温度记录仪和开口同轴探头；矢量网络分析仪、切换开关控制器和多路温度记录仪均与上位机连接；射频多路切换开关与切换开关控制器连接；矢量网络分析仪通过稳相线缆与射频多路切换开关的动端连接，射频多路开关的不动端通过稳相线缆与开口同轴探头连接，开口同轴探头终端插入到反应釜内。该方法包括(1)设置与初始化校准；(2)多路数据的采集与补偿误差的计算；(3)反射系数的修正与介电常数的反演的步骤。该发明虽然可以在不破坏样品组分的前提下对水合物不同位置处的介电常数实现精确测量，但测量的不同的点都位于同一平面内，只能实现一个维度上的测量，测量系统对样品表面的平整度和对称性也有一定要求，如果样品表面不够平整或不够对称，可能会影响测量结果的准确性，从而无法准确的测量出水合物的空间分布情况和均匀性。

5、cn113406397a公布了一种低温固体介电常数测量方法，通过测试装置对具有待测固体介质的平板电容器进行降温，通过电容测量仪测量电容值，以及通过热应力仿真获得形变量，从而结合电容值及形变量，进行数据处理，可获得固体介质层在测试温度下的介电常数。该发明通过原位电容测量与低温形变仿真相结合的方式，可精确测试固体介质层在低温环境下的介电常数，测试方法简便，在低温环境下可行。该方法基于平行板电容传感器对固体介质的介电常数进行测量，可以测出低温下固体介质的介电常数，但使用平行板电容传感器存在边缘效应，影响测量结果，使灵敏度降低，且对测量物体的体积大小有限制。

6、海底水合物生成和分解过程具有不均匀性，监测其生成状态、评估其丰度和不均匀分布一直是需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种海底水合物监测方法及系统，在不破坏样品组分的前提下对水合物不同位置处的介电常数实现精确测量，实现了对水合物介电常数空间分布的精确评价，实现了对水合物介电常数空间分布的精确评价，由水合物饱和度与介电常数的关系式得到各区域水合物饱和度，从而得到各区域水合物不均匀性分布，从而判断水合物在沉积物中的分布情况。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种海底水合物监测方法及系统，包括电容传感器、信号调理电路、a/d转换器、d/a转换器、单片机、功率放大器、导线接通模块、上位机与介电常数测量单元，所述电容传感器安装在绝缘且耐腐蚀的介质基板上，所述电容传感器由平行板电容传感器和平面电容传感器组成，所述介电常数测量单元包括测量单元a与测量单元b，每个介电常数测量单元由两对电容组成，为了测量沉积物水合物的介电常数和电容值，将所述电容传感器放入到沉积物水合物中，所述单片机产生的激励信号经过所述d/a转换器和所述功率放大器后加载在激励电极上，所述导线接通模块可以通过控制多路开关的通断来选择所述介电常数测量单元，通过所述信号调理电路，可以将所述电容传感器中的电容信号转换为电压信号，电压信号通过所述a/d转换器转换为数字信号，所述单片机通过usb与所述上位机通讯。

3、优选的，所述平行板电容传感器测量原理为所述电容传感器由两个彼此靠的比较近的平行金属极板所组成，两极板的面积相同均为s、两极板的间距为d，两极板间的电场是均匀电场，不考虑极板的边缘效应，当其中充满相对介电常数为εr的材料时，传感器电容ct为：

4、

5、式中：ε0—真空的介电常数；ε0＝8.854187817×10-12f/m；εr—介质材料的相对介电常数；s—电容传感器极板面积，m2；d—电容传感器极板间距，m。

6、优选的，所述平面电容传感器利用电容的边缘效应来实现对物体电容的检测，该传感器由激励电极、传感电极和基底组成，向所述激励电极施加一定电压，感应极板接地。在两板之间形成空间电场，平行板电容传感器内的电场均匀分布，电场线呈平行直线分布。在电容器极板的边缘，电极的形状将受到限制，电场线将从极板之间的区域扩展到外部空间，电场线将由平行线变为开放分布，电场分布集中在板的边缘，因此，当电容器板在同一侧时，利用上述边缘效应，电场线将扩展到更大的空间以形成边缘场。

7、当被测物进入该电场范围内，被测物内将会发生电位移以抵消施加的电场。该位移场改变存储在传感器电极之间的电荷，从而改变电极间电容，进而可用于推断出被测物的特性，并最终得出系统变量。平面电容传感器极板间的电容c可以由下式求得：

8、

9、其中δvij＝vi-vj是形成两个电极之间的电位差，qj是接收板上的感应电荷量，根据高斯定律：

10、

11、其中sj是包含感应极板的封闭区域，是与该封闭区域正交的单位向量。因为感应极板电压设计为0v，所以结合公式(2)和公式(3)可得到以下公式：

12、

13、其中ε(x，y)是介质的相对介电常数，是狄利克雷边界条件，v是形成电容的两个电极之间的电位差。从上式中可以得出结论，测量的电容c和相对介电常数ε之间存在着非线性关系，可以表示为：

14、c＝f(ε)；   (5)

15、当被测海底沉积物孔隙存在水合物时，空隙位置会被水合物或者游离气体填充，导致介电常数发生改变，相应的电容值也会产生变化，通过电容值的变化，可以对海底沉积物中的水合物或测量区域的水合物变化进行表征。

16、优选的，一个介电常数测量单元由两对电容组成，所述测量单元a包括电极板1、电极板2、电极板3与电极板4，所述测量单元b包括电极板5、电极板6、电极板7与电极板8，将电极板1、电极板2、电极板3与电极板4组成部分划分成四个区域，分别为区域1、区域2、区域3与区域4；首先，用平行板电容传感器测量沉积物的电容c12和c34，通过电容值的大小得到介电常数ε12和ε34，再使用平面电容传感器测量沉积物的电容，可以通过控制电压的大小，分别测量区域1与区域3组成的部分和区域2与区域4组成的部分，得到电容c13和c24，通过电容值的大小得到介电常数ε13和ε24，通过平面板电容测量对平行板电容的测量的修正和补偿，最终确定每个区域的介电常数，四个区域的介电常数分别用ε1、ε2、ε3和ε4表示，每个区域介电常数可以表示为：

17、

18、

19、

20、

21、同理测量单元b也是这样划分区域，区域介电常数表示也相同。

22、优选的，水合物饱和度与介电常数的关系模型：参考wright经验公式得到介电常数与体积含水量以及水合物饱和度之间的关系，沉积物含水率与介电常数之间的关系式由下式给出：

23、θv＝a+bk+ck2+dk3；   (10)

24、其中a、b、c、d代表常数，θv代表沉积物的含水率，k代表沉积物的介电常数。

25、沉积物水合物饱和度与含水率之间的关系式可以表示为：

26、

27、结合公式(6)和公式(7)可得水合物饱和度与介电常数的关系式，关系式由下式给出：

28、

29、其中sh代表水合物的饱和度，代表孔隙度

30、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。