高壓微流量實驗系統壓力調控裝置的製作方法
2023-04-27 22:49:11
本實用新型涉及高壓實驗的穩壓調控技術領域，尤其涉及一種高壓微流量實驗系統壓力調控裝置。
背景技術：
在與緻密油氣藏開採相關的模擬實驗中，其實驗壓力很高，一般為幾十甚至近百兆帕；另外，由於實驗系統用的微管孔隙非常細小，實驗流體的流量超低，一般為納升級/分鐘(即流量單位為nL/min)。實驗過程中穩定精確的控制實驗系統的高壓環境，是緻密油氣藏開採實驗亟待攻克的技術難點。
目前高壓微流量實驗的壓力控制有兩類方法，一種是彈簧式針型閥控制；一種是膜片式流體增壓控制。彈簧式針型閥是利用彈簧作用力線性範圍所做的控制調整，壓力控制範圍相對較窄，適合於流速穩定、控制要求精度不高的實驗。膜片式流體增壓控制方法的設備是利用流體對壓力的高敏感性，快速調節膜片的前後移動。膜片有時向後移動困難，或者膜片已經向後移動，但是注入流體仍不能排出而釋放壓力，膜片移動控制的不及時，膜片式流體增壓控制方法的回壓閥的壓力控制效果如圖4所示。前述兩種控制壓力的方法的工作原理是利用了壓力來開啟針型閥或膜片，當壓力大於背壓時，針型閥或膜片開啟。由於實驗的流量為納升級/分鐘(即流量的單位為nL/min)，開啟針型閥或膜片的時間長，系統壓力升高，洩壓時系統壓力又迅速降低，不可避免地導致實驗系統的壓力波動。除了上述兩種控制壓力的方法，還有用高精度泵控制壓力的方法，由於價格昂貴，其通用性受到限制。
由此，本發明人憑藉多年從事相關行業的經驗與實踐，提出一種高壓微流量實驗系統壓力調控裝置，以克服現有技術的缺陷。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於提供一種高壓微流量實驗系統壓力調控裝置，克服現有技術中存在的壓力控制範圍相對較窄、控制精度不高、壓力調控波動等問題，該裝置利用高壓氣體儲能穩壓和微管輔助調壓，穩壓精度高，壓力調控平穩無波動。
本實用新型的目的是這樣實現的，一種高壓微流量實驗系統壓力調控裝置，所述高壓微流量實驗系統壓力調控裝置包括高壓氣體儲罐，所述高壓氣體儲罐中滑動設置有氣體罐活塞，所述氣體罐活塞的一側為第一高壓氣體空間，所述高壓氣體儲罐位於所述氣體罐活塞另一側的側壁上設置有實驗系統流體入口，所述實驗系統流體入口通過第一連接管、第一閥門與高壓微流量實驗系統的出口連通；所述高壓微流量實驗系統壓力調控裝置還包括高壓液體調控罐，所述高壓液體調控罐中滑動設置有液體罐活塞，所述液體罐活塞的一側為第二高壓氣體空間，所述液體罐活塞的另一側為存儲控制液的高壓液體空間，所述第一高壓氣體空間通過第二連接管與所述第二高壓氣體空間連通，所述高壓液體調控罐位於所述高壓液體空間一側的側壁通過第三連接管、第二閥門連通有輔助調壓系統，所述輔助調壓系統的出口開放。
在本實用新型的一較佳實施方式中，所述輔助調壓系統包括多個並聯設置的微管，各所述微管的入口均與所述第二閥門連通，各所述微管的出口開放。
在本實用新型的一較佳實施方式中，各所述微管分別固定設置於一微管夾持器中。
在本實用新型的一較佳實施方式中，各所述微管分別通過一耐高壓管線與所述第二閥門連通，各所述耐高壓管線上設置有一第三閥門。
在本實用新型的一較佳實施方式中，所述微管的管徑大於等於0.4微米且小於等於50微米。
在本實用新型的一較佳實施方式中，所述微管為納米管，所述微管的外壁上塗覆有塗層保護單元。
在本實用新型的一較佳實施方式中，所述微管為厚壁彈性熔融石英毛細管。
在本實用新型的一較佳實施方式中，所述高壓氣體儲罐位於所述第一高壓氣體空間的一側設置有能封閉的高壓氣體入口，所述高壓氣體儲罐位於所述第一高壓氣體空間的一側還設置有壓力傳感器。
在本實用新型的一較佳實施方式中，所述高壓液體調控罐位於所述高壓液體空間一側的側壁上設置有能封閉的控制液入口。
在本實用新型的一較佳實施方式中，所述高壓微流量實驗系統的出口與所述第一閥門之間設置有油氣水計量系統。
由上所述，本實用新型提供的高壓微流量實驗系統壓力調控裝置中，高壓氣體儲罐的第一高壓氣體空間、高壓液體調控罐的第二高壓氣體空間中存儲有高壓氣體，體積較大的高壓氣體有強大的壓縮性，進入實驗系統壓力調控裝置的實驗系統流體流量較小，對實驗系統壓力調控裝置壓力影響很小，壓力調控平穩無波動，實現了實驗系統壓力調控裝置的迴路穩壓，並實現高壓微流量實驗系統出口壓力恆定；本實用新型提供的高壓微流量實驗系統壓力調控裝置中還設置有輔助調壓系統，輔助調壓系統由多根微管並聯構成，輔助調壓系統充分利用微管的微流動原理，保證實驗系統壓力調控裝置中壓力控制精度高。
附圖說明
以下附圖僅旨在於對本實用新型做示意性說明和解釋，並不限定本實用新型的範圍。其中：
圖1a：為本實用新型的高壓微流量實驗系統壓力調控裝置的結構示意圖。
圖1b：為本實用新型的輔助調壓系統的結構示意圖。
圖2：為本實用新型的單位長度的微管不同管徑和壓力所對應的流量關係圖。
圖3：為本實用新型的高壓微流量實驗系統壓力調控裝置的壓力控制效果圖。
圖4：為現有的膜片式流體增壓控制方法的回壓閥的壓力控制效果圖。
圖中：
100、高壓微流量實驗系統壓力調控裝置；
1、高壓氣體儲罐；11、氣體罐活塞；12、第一高壓氣體空間；13、實驗系統流體入口；14、壓力傳感器；
2、高壓液體調控罐；21、液體罐活塞；22、第二高壓氣體空間；23、高壓液體空間；
3、輔助調壓系統；31、微管；32、微管夾持器；33、耐高壓管線；
41、第一連接管；42、第二連接管；43、第三連接管；
51、第一閥門；52、第二閥門；53、第三閥門；
6、油氣水計量系統；
9、高壓微流量實驗系統。
具體實施方式
為了對本實用新型的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖說明本實用新型的具體實施方式。
如圖1a所示，本實用新型提供一種高壓微流量實驗系統壓力調控裝置100，高壓微流量實驗系統的壓力為常壓(1個大氣壓，即0.1兆帕)至80兆帕，微流量為0.0001nL/min～100000nL/min。高壓微流量實驗系統壓力調控裝置100連通設置於高壓微流量實驗系統9的出口處，高壓微流量實驗系統壓力調控裝置100包括高壓氣體儲罐1，高壓氣體儲罐1中滑動設置有氣體罐活塞11，氣體罐活塞11的一側為第一高壓氣體空間12(在一具體實施例中，氣體罐活塞11的上方為第一高壓氣體空間12)，高壓氣體儲罐1位於氣體罐活塞11另一側的側壁上設置有實驗系統流體入口13(在一具體實施例中，高壓氣體儲罐1的下部側壁上設置有實驗系統流體入口13)，實驗系統流體入口13通過第一連接管41、第一閥門51與高壓微流量實驗系統9的出口連通，在本實用新型的一具體實施例中，第一連接管41為鋼管線，其內徑為3mm；高壓微流量實驗系統壓力調控裝置100還包括與高壓氣體儲罐1中壓力相同的高壓液體調控罐2，高壓液體調控罐2中滑動設置有液體罐活塞21，液體罐活塞21的一側為第二高壓氣體空間22(在一具體實施例中，液體罐活塞21的上方為第二高壓氣體空間22)，液體罐活塞21的另一側為存儲控制液的高壓液體空間23(在一具體實施例中，液體罐活塞21的下方為高壓液體空間23)，在本實用新型的一具體實施例中，控制液為去離子水；第一高壓氣體空間12通過第二連接管42與第二高壓氣體空間22連通，高壓液體調控罐2位於高壓液體空間23一側的側壁通過第三連接管43、第二閥門52連通有輔助調壓系統3。本實用新型的一具體實施例中，高壓微流量實驗系統壓力調控裝置100中的壓力為常壓(1個大氣壓，即0.1兆帕)至80兆帕。本實用新型的高壓微流量實驗系統壓力調控裝置100中，高壓氣體儲罐1的第一高壓氣體空間12、高壓液體調控罐2的第二高壓氣體空間22中存儲有高壓氣體，體積較大的高壓氣體有強大的壓縮性，通過實驗系統流體入口13進入實驗系統壓力調控裝置的實驗系統流體流量較小，對實驗系統壓力調控裝置壓力影響很小，壓力調控平穩無波動，實現了實驗系統壓力調控裝置的迴路穩壓，進而實現高壓微流量實驗系統9出口壓力恆定；高壓微流量實驗系統壓力調控裝置100中的輔助調壓系統3，能夠保證實驗系統壓力調控裝置中壓力控制精度高。
進一步，如圖1b所示，輔助調壓系統3包括多個並聯設置的、且管徑相異的微管31，各微管31的入口均與第二閥門52連通，各微管31的出口開放。在本實用新型的一具體實施例中，輔助調壓系統3由四個微管31並聯構成。高壓微流量實驗時，實驗系統流體進入高壓氣體儲罐1中氣體罐活塞11遠離第一高壓氣體空間12的一側，氣體罐活塞11向第一高壓氣體空間12方向移動，第一高壓氣體空間12中的高壓氮氣向第二高壓氣體空間22流動，液體罐活塞21在高壓氣體的作用下向高壓液體空間23方向移動，高壓液體空間23中的控制液在液體罐活塞21推動下通過輔助調壓系統3的微管流出到裝置外部，控制液在微管31中的流量為納升級/分鐘(即流量的單位為nL/min)，利用微管31的微尺度流動效應和高壓氣體儲能原理，保證了高壓氣體儲罐1內的壓力穩定以及實驗系統壓力的高精度調整，進而保證了高壓微流量實驗系統9的壓力穩定。
在本實施方式中，如圖1b所示，各微管31分別固定設置於一微管夾持器32中。
進一步，如圖1a、圖1b所示，各微管31分別通過一耐高壓管線33與第二閥門52連通，各耐高壓管線33上設置有一第三閥門53。高壓微流量實驗過程中，實驗系統流體進入高壓氣體儲罐1中，各第三閥門53最初均為關閉狀態，利用第一高壓氣體空間12、第二高壓氣體空間22中高壓氣體的儲能作用，保持實驗系統壓力穩定測出實驗系統流體的流量(利用位移法測量流量)後，選定適當管徑的微管31，開啟相應的第三閥門53，利用輔助調壓系統3排出的控制液流量等於進入高壓氣體儲罐1的實驗系統流體流量來穩定高壓微流量實驗系統壓力。高壓微流量實驗中選用的微管31一般為多個，通過多個微管31的組合完成高壓微流量實驗的輔助調壓。
進一步，微管31的管徑大於等於0.4微米且小於等於50微米。在高壓微流量實驗中，需要對輔助調壓系統3的微管31的管徑和長度進行選擇，微管31的選擇依據是高壓微流量實驗的壓力和控制液的流量，單位長度的微管31不同管徑和壓力所對應的流量如圖2所示。經過理論公式計算及反覆實驗得出，微管流量和微管長度成反比關係。本實用新型的一個具體實施例中，進入輔助調壓系統3的流體流量為22000nL/min，實驗系統壓力為10兆帕，輔助調壓系統3中選擇長度為1cm，管徑為2μm、5μm、10μm的微管組合；本實用新型的另一具體實施例中，進入輔助調壓系統3的流體流量為0.01nL/min，實驗系統壓力為10兆帕，輔助調壓系統3中選擇長度為5cm，管徑為0.4μm的微管。
進一步，微管31為納米管，在本實用新型的一具體實施例中，微管為厚壁彈性熔融石英毛細管。為了防止微管31折斷，微管的外壁上塗覆有塗層保護單元，在本實用新型的一具體實施例中，塗層保護單元材質為聚醯亞胺，其具有良好的耐壓性能。
進一步，高壓氣體儲罐1位於第一高壓氣體空間12的一側設置有能封閉的高壓氣體入口，實驗前，第一閥門51、第二閥門52均關閉，高壓微流量實驗系統壓力調控裝置100處於封閉狀態，實驗者通過高壓氣體入口向高壓氣體儲罐1的第一高壓氣體空間12注入高壓氮氣，同時高壓氮氣經過第二連接管42注入到高壓液體調控罐2的第二高壓氣體空間22中；高壓氣體儲罐1位於第一高壓氣體空間12的一側還設置有壓力傳感器14，在本實施方式中，壓力傳感器14為高精度壓力傳感器，精度級別為0.2級。在高壓微流量實驗系統壓力調控裝置100使用過程中，實驗者通過壓力傳感器14監控第一高壓氣體空間12的氣體壓力，氣體壓力達到實驗要求值後停止注氣。
進一步，高壓液體調控罐2位於高壓液體空間23一側的側壁上設置有能封閉的控制液入口。高壓氣體儲罐1注氣前，通過控制液入口向高壓液體調控罐2的高壓液體空間23中注入控制液，注液後對高壓氣體儲罐1注氣。
進一步，如圖1a所示，高壓微流量實驗系統9的出口與第一閥門51之間設置有油氣水計量系統6，油氣水計量系統6處的壓力與高壓微流量實驗系統9的出口壓力相同。
高壓微流量實驗前，關閉第一閥門51和第二閥門52，將本實用新型的高壓微流量實驗系統壓力調控裝置100與高壓微流量實驗系統9的出口連接，通過高壓液體調控罐2的控制液入口向高壓液體空間23中注入控制液(去離子水)，注液結束後封閉控制液入口，之後通過高壓氣體儲罐1的高壓氣體入口向第一高壓氣體空間12注入高壓氮氣，高壓氮氣同時通過第二連接管42進入高壓液體調控罐2的第二高壓氣體空間22中，兩罐實現同時充氣，當壓力傳感器14的示數達到實驗要求值之後停止注氣，封閉高壓氣體入口。
準備工作結束後，開始高壓微流量實驗。當高壓微流量實驗系統9達到實驗要求的壓力值之後，打開第一閥門51和第二閥門52，實驗系統流體經油氣水計量系統6、第一閥門51、第一連接管41進入高壓氣體儲罐1，實驗系統流體流動過程中通過油氣水計量系統6測定流量，根據實驗系統流體的流量選定輔助調壓系統3中的微管31，可以是多個微管組合，也可以是一個微管。選定微管31後，開啟相應的第三閥門53，控制液將通過選定的微管31排出裝置。本實用新型的高壓微流量實驗系統壓力調控裝置100壓力調控包括兩個方面，第一方面，第一高壓氣體空間12、第二高壓氣體空間22中存儲有高壓氣體，體積較大的高壓氣體有強大的壓縮性，由高壓微流量實驗系統的出口流入高壓氣體儲罐1的實驗系統流體流量較小，對高壓氣體的壓力影響很小，不會出現明顯的壓力波動，實現實驗系統壓力的初步調控；第二方面，根據控制的系統壓力和測得的實驗系統流體流量來選擇輔助調壓系統3的微管31，經微管31排出的控制液流量等於進入高壓氣體儲罐1的實驗系統流體流量，利用微管31的微尺度流動效應使得調壓更加精確，最終實現高壓微流量實驗系統壓力平穩、精確地調控。在某一具體實驗中，本實用新型的高壓微流量實驗系統壓力調控裝置100的壓力控制效果如圖3所示，高壓微流量實驗監控的120分內，系統壓力的波動範圍在2KPa(即0.002MPa)內，壓力調控得非常平穩。
由上所述，本實用新型提供的高壓微流量實驗系統壓力調控裝置中，高壓氣體儲罐的第一高壓氣體空間、高壓液體調控罐的第二高壓氣體空間中存儲有高壓氣體，體積較大的高壓氣體有強大的壓縮性，進入實驗系統壓力調控裝置的實驗系統流體流量較小，對實驗系統壓力調控裝置壓力影響很小，壓力調控平穩無波動，實現了實驗系統壓力調控裝置的迴路穩壓，並實現高壓微流量實驗系統出口壓力恆定；本實用新型提供的高壓微流量實驗系統壓力調控裝置中還設置有輔助調壓系統，輔助調壓系統由多根微管並聯構成，輔助調壓系統充分利用微管的微流動原理，保證實驗系統壓力調控裝置中壓力控制精度高。
以上所述僅為本實用新型示意性的具體實施方式，並非用以限定本實用新型的範圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本實用新型的構思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應屬於本實用新型保護的範圍。