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原文传递用于岩石孔隙尺度多相流运动特性研究的试验装置及方法

专利名称：	用于岩石孔隙尺度多相流运动特性研究的试验装置及方法
摘要：	本发明公开了一种用于岩石孔隙尺度多相流运动特性研究的试验装置及方法，该装置包括流量控制系统、可视化观测成像系统、微观模型和数据采集分析系统；本发明采用天然土体孔隙复制品微观模型作为研究对象；流量控制系统由三台高精度可编程微量注射泵及管路组成，可以提供精确稳定的流量输入；可视化观测成像系统主要由试验工作台、光学显微镜系统、LED光源、微流体压力传感器、可旋转式夹具、CMOS高速相机和辅助支撑系统组成；数据采集分析系统可以实时自动保存试验全过程的影像数据、微观模型进出口端的压力值及围压环境压力值，试验结束后可通过自编程序完成影像数据的后处理，进而进行分析。试验过程操作简单，可直观显示结果，结果可靠性强。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖北;42
申请人：	武汉大学
发明人：	胡冉;魏鹳举;陈益峰;廖震;周晨星;王一凡
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-27T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-14T00:00:00+0800
申请号：	CN201910237737.8
公开号：	CN109883924A
代理机构：	武汉科皓知识产权代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：	艾小倩
分类号：	G01N15/08(2006.01);G;G01;G01N;G01N15
申请人地址：	430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山武汉大学
主权项：	1.一种用于岩石孔隙尺度多相流运动特性研究的试验装置，其特征在于：包括用于提供稳定精确的注入流量的流量控制系统、用于对孔隙尺度下微观模型内的多相流过程进行实时监测的可视化观测成像系统、微观模型(15)和用于处理分析可视化观测成像系统监测数据的数据采集分析系统；所述流量控制系统包括流体源装置、可编程微量注射泵和多通阀装置相连的出样管路组成，所述出样管路通过多通阀及三通接头实现流体路径的切换；所述流体源装置由并联布置的第一流体源(9)、第二流体源(6)和第三流体源(3)组成，所述可编程微量注射泵由第一注射泵(7)、第二注射泵(4)和第三注射泵(1)组成；所述多通阀装置由第一多通阀(8)、第二多通阀(5)和第三多通阀(2)组成；所述第一流体源(9)、第二流体源(6)和第三流体源(3)分别通过第一多通阀(8)、第二多通阀(5)和第三多通阀(2)的AC回路与第一注射泵(7)、第二注射泵(4)和第三注射泵(1)连接；所述第一多通阀(8)、第二多通阀(5)和第三多通阀(2)的出路分别与出样管路连接，还包括第一三通接头(10)和第二三通接头(11)，所述第一三通接头(10)与第二三通接头(11)串联连接在出样管路上；还包括与所述微观模型(15)一端连接的主管路，所述主管路上依次设有第三三通接头(12)、用以监测试验时温度的温度计(13)，所述第三三通接头(12)与第二三通接头(11)连接，所述温度计(13)与第三三通接头(12)连接；所述可视化观测成像系统包括试验工作台(21)，能够保证在更小尺度上观测两相流的运动特征并用来捕捉微观特征的光学显微镜(18)，LED平板光源(17)，2个微流体压力传感器(14)，能进行旋转且能时刻保持位于微观模型(15)正上方的CMOS高速相机(26)；所述试验工作台(21)设有调平支座和水准仪(22)，所述调平支座设有平衡支架(25)和用以对微观模型(15)进行旋转以能够进行不同角度下试验的可转动支架(20)；所述LED平板光源(17)置于试验工作平台(21)上且位于光学显微镜(18)上方，所述微观模型(15)置于LED平板光源(17)上，所述CMOS高速相机(26)置于平衡支架(25)上且位于微观模型(15)正上方；所述可转动支架(20)上还设有金属夹(19)；还包括2个PDMS固定小块(16)，所述主管路的出口端通过一个PDMS固定小块(16)与所述微观模型(15)的进口端(32)连接；所述微观模型(15)的出口端(33)连接设有废液回收管路；所述废液回收管路的出口段依次连接有废液回收阀门(23)和回收容器(24)；所述2个微流体压力传感器(14)分别置于主管路和废液回收管路上；所述数据采集分析系统包括用于控制、接收光学监测系统和水流控制及测量信息的计算机(27)；所述CMOS高速相机(26)、光学显微镜(18)和微流体压力传感器(14)均与计算机(27)连接，通过计算机(27)自编程序以实时自动保存试验全过程的影像数据、微观模型(15)的进口端(32)、微观模型(15)的进口端(33)的压力值及围压环境压力值，试验结束后通过计算机(27)自编程序完成影像数据的后处理，进而完成分析。 2.根据权利要求1所述的用于岩石孔隙尺度多相流运动特性研究的试验装置，其特征在于：所述微观模型(15)采用聚二甲基硅氧烷或者玻璃制得；还设有芯片槽或者夹具，所述微观模型(15)放置于芯片槽或者夹具中固定以防止移动；所述试验工作台(21)底部设有可调整水平度的螺旋脚支座。 3.根据权利要求1或2所述的用于岩石孔隙尺度多相流运动特性研究的试验装置，其特征在于：所述可编程微量注射泵可调节注入流量的调节范围为1.56pL/min至220mL/min；还设有控制器，所述出样管路采用外径为1/16的peek管。 4.一种利用如权利要求1或2所述装置进行岩石孔隙尺度多相流运动特性研究的试验方法，其特征在于：它包括以下步骤： (1)微观模型制作：利用现有的光刻技术制作出硅片模具，将含有固化剂的聚二甲基硅氧烷液倒入模具中，待烘烤后取出，然后进行键合处理，即得到微观模型； (2)注射泵进样：三路注射泵均通过多通阀从流体源中抽入所需流体； (3)试验装置连接及试验前准备工作：调整水准仪(22)使试验工作台(21)水平，放置微观模型(15)，开启CMOS高速相机(26)、光学显微镜(18)和微流体压力传感器(14)，打开计算机(27)准备记录数据； (4)双相或多相驱替试验操作流程：进行双相或多相流驱替试验，打开数据采集分析系统采集数据； (5)试验结束后拆样：试验结束后拆样，关闭所有阀门及注射泵，关闭CMOS高速相机(26)、光学显微镜(18)和微流体压力传感器(14)，冲洗管路及微观模型(15)，洗净晾干，废液集中回收处理，试验结束。 5.一种利用如权利要求3所述装置进行岩石孔隙尺度多相流运动特性研究的试验方法，其特征在于：它包括以下步骤： (1)微观模型制作：利用现有的光刻技术制作出硅片模具，将含有固化剂的聚二甲基硅氧烷液倒入模具中，待75℃烘烤2小时后取出，然后在等离子清洗机中进行键合处理，即得到微观模型； (2)注射泵进样：三路注射泵均通过多通阀从流体源中抽入所需流体； (3)试验装置连接及试验前准备工作：调整水准仪(22)使试验工作台(21)水平，放置微观模型(15)，开启CMOS高速相机(26)、光学显微镜(18)和微流体压力传感器(14)，打开计算机(27)准备记录数据； (4)双相或多相驱替试验操作流程：进行双相或多相流驱替试验，打开数据采集分析系统采集数据； (5)试验结束后拆样：试验结束后拆样，关闭所有阀门及注射泵，关闭CMOS高速相机(26)、光学显微镜(18)和微流体压力传感器(14)，冲洗管路及微观模型(15)，洗净晾干，废液集中回收处理，试验结束。 6.根据权利要求5中所述用于岩石孔隙尺度多相流运动特性研究的试验方法，其特征在于：所述步骤(1)中微观模型制作：选取天然土体切片，经过激光扫描得到CAD图，将CAD图打印成光学底片，使用光刻技术制作硅板模具(28)将PDMS液与百分之十的固化剂混合形成含固化剂的PDMS液(29)后倒入模具中，然后放置于烤箱中75℃烘烤2小时，待烘烤固化结束后取出，将其从硅片模具上揭下，用手术刀切割成微观模型上片(30)；再在洁净的载玻片上均匀的涂上一层PDMS液得到涂有已固化PDMS的载玻片(31)，同样经过烘烤固化后，将微观模型上片与载玻片置于等离子清洗机中进行键合处理，即可得到制作好的微观模型(15)，最后在微观模型(15)的进口端(32)和微观模型(15)的出口端(32)放置PDMS小块(16)用于插拔针头；所述步骤(2)中注射泵进样：首先将第一流体源(9)、第二流体源(6)和第三流体源(3)通过分别通过第一多通阀(8)、第二多通阀(5)和第三多通阀(2)的AC回路将流体抽入到第一注射泵(7)、第二注射泵(4)和第三注射泵(1)中；所述步骤(3)中试验装置连接及试验前准备工作：按照试验装置的设计进行仪器及管路连接，调整水准仪(22)使工作平台(21)水平，将微观模型(15)放置于LED光源(17)上方或将微观模型置于可转动支架(20)上，并用金属夹(19)夹紧；通过温度计(13)记录当前室温，开启CMOS高速相机(26)、光学显微镜(18)和微流体压力传感器(14)，打开计算机(27)准备记录数据；所述步骤(4)中两相驱替试验操作流程：首先，打开第一注射泵(7)并开启第一多通阀(8)的AB回路，依次打开第二三通接头(11)的AC回路，第三三通接头(12)的BC回路将第一入侵相流体通过管路进入微观模型(15)中，待回收容器中(24)有第一入侵相流体流出时，关闭第一注射泵；然后，打开第二注射泵(4)并开启第二多通阀(5)的AB回路，依次打开第一三通接头(10)的AB回路，第二三通接头(11)的AC回路和第三三通接头(12)的BC回路，待第二入侵相流体将通过管路进入微观模型(15)中，此时操作CMOS高速相机(26)和光学显微镜(18)进行拍照记录，并将数据实时传输至计算机中(27)，待回收容器(24)中有第二入侵相流出时，关闭第二注射泵(4)，操作CMOS高速相机(26)和光学显微镜(18)停止拍照；至此，完成两相驱替试验过程；或者，所述步骤(4)中多相驱替试验操作流程：仿照以上两相驱替试验操作步骤，在两相驱替试验结束后，打开第三注射泵(1)并开启第三多通阀(2)的AB回路，依次打开第一三通接头(10)的AC回路，第二三通接头(11)的AB回路和第三三通接头(12)的BC回路，此时第三入侵相流体将通过管路进入微观模型(15)中，此时操作CMOS高速相机(26)和光学显微镜(18)进行拍照，待回收容器(24)中有第三入侵相流出时，关闭第三注射泵(1)，完成多相流驱替试验过程；所述步骤(5)中试验结束后拆样：关闭所有阀门及注射泵，关闭CMOS高速相机(26)、光学显微镜(18)和微流体压力传感器(14)；冲洗管路及微观模型(15)，洗净晾干，废液集中回收处理，试验结束。
所属类别：	发明专利