基于分段涂层TDR-两电极法联合的含水合物多孔介质宽频电学参数测试仿真研究

来源：计算机测量与控制杂志2025年第10期北京时间：

作者：王永辉,邢兰昌,朱作飞,魏伟,韩维峰,王云龙,武晓菲

单位：中国石油大学华东 控制科学与工程学院

摘要：含水多孔介质在不同频段主导极化机制的差异导致介电常数发生频散，宽频段介电常数谱蕴含了多孔介质的多尺度结构特性及组分含量等重要信息。电磁波时域反射法（TDR）适用于MHz~GHz频段、电极法适用于MHz以下的频段，然而TDR探头和电极法中电极的结构差异导致两者的测试对象不一致，所以测试数据无法联合解释。针对含水合物海洋沉积物的宽频电学参数测试需求提出了一种基于分段涂层TDR法和两电极法联合的测试新方案。设计了内嵌式分段涂层TDR探头并建立了用于TDR仿真测试的有限元数值模型，设计正交实验确定了涂层最优参数为间隙数量3、间隙长度2mm、涂层厚度0.5mm。建立了用于两电极法仿真测试的有限元数值模型，确定了用以将电阻抗转换为复电导率的探头几何因子；根据仿真数据建立了针对内嵌式分段涂层影响的电学参数测量值校正模型。以不同水合物饱和度条件下的多孔介质为被测对象开展TDR-两电极法联合仿真测试，获得了宽频段（mHz~GHz）电学参数。结果表明：利用TDR法测量得到的高频介电常数和电导率均随水合物饱和度的增大而减小，校正后的平均相对误差分别为2.44%和6.22%；利用两电极法测量得到低频等效介电常数随水合物饱和度的增大而减小，在双电层极化主导的频段校正后平均相对误差为2.20%。该研究成果为将来开发含水合物海洋沉积物宽频电学参数测试实验装置提供了理论和技术支撑。

关键词：含水合物多孔介质;宽频电学参数;时域反射法;两电极法;有限元法

基金资助：国家科技重大专项（2024ZD140660408）；国家留学基金项目（202106455003）；山东省自然科学基金项目（ZR2024ME090）；中石油“十四五”前瞻性基础性重大科技项目（2024DJ9601）；三亚市“崖州湾”菁英人才科技专项项目（SCKJ-JYRC-2023-06）