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用於巖體裂隙三相流驅替彌散捕獲研究的裝置及試驗方法與流程

2024-02-15 19:22:15 2


技術領域

本發明屬於巖體滲流與跨尺度多相流驅替-彌散-捕獲技術領域,特別涉及一種用於巖體裂隙三相流驅替彌散捕獲研究的裝置及試驗方法。



背景技術:

巖石裂(孔)隙中多相流運動力學特徵的研究對頁巖油(氣)開採、CO2地質封存及地下水汙染物運移等領域都具有非常重要的意義。開展巖體裂隙尺度多相流驅替-彌散—捕獲的室內試驗對揭示動態運動機理起著至關重要的作用。然而,由於巖石自身特性及目前試驗手段的自封閉性,往往只能控制進出口的邊界條件,得到很局限的試驗數據。這些數據遠遠不能揭示多相流體流態特徵的控制因素及運動機理。實時地、可視化地研究流體在裂(孔)隙中分布特徵、動力特徵等關鍵技術難題亟待解決。目前國內尚未具備在可視化的巖體裂隙中研究多相流驅替-彌散-捕獲過程的光學與力學測量裝置和試驗方法。本發明採用可視化的巖石裂隙開展多相流驅替-彌散-捕獲光學與力學測量試驗,能夠克服傳統試驗不可視的弊端,可以動態捕捉各相流體的運動特徵並記錄過程的力學實驗數據,同時試驗可重複性高,保證了試驗揭示現象的真實可靠。



技術實現要素:

本發明提出一種可視化巖體裂隙三相流驅替-彌散-捕獲過程的光學與力學測量裝置,並給出了該裝置的試驗方法,其主要解決現有技術中無法直接觀測多相流體在裂隙內部的流態及相捕獲過程的問題。該發明主要包含以下幾個內容:

一、針對目前試驗中進出口端邊界條件難以精確控制的問題,設計出帶有一定坡度的排氣、排液裝置,整個換液室內壁採用表面改性劑處理,使其對液相具有超低溼潤性的特徵,保證了每次進口端驅替相均為純淨、單一相液體,出口端的液體能及時、完全排除;特別的,在尾部出口端增加了穩定壓力閥,可以根據試驗要求保持尾部的壓力恆定。

二、針對可視化的透明裂隙,本發明提供了一套可行的圍壓裝置。該裝置通過改變螺母在高強、高精度螺栓上的進尺,作用於高剛度透明板為複製裂隙提供圍壓環境,壓力傳感器實時採集壓力值並用於圍壓控制。

三、針對上文所提到可視化巖石裂隙過流裝置,本發明設計了一套相應的控制和測量系統。主要包括流體控制系統、光學與力學監測系統和數據採集分析系統。該系統可以對裂隙流體進行實時觀察和監測、數據分析處理。

綜上所述,本發明採用技術方案是:

一種用於巖體裂隙三相流驅替彌散捕獲研究的裝置,包括流體控制系統、光學與力學監測系統、可視化巖體裂隙過流系統,以及數據採集分析處理系統,所述可視化巖體裂隙過流系統包括進口端換液室、試樣壓力控制裝置、以及出口端換液室,所述試樣壓力控制裝置包括透明剛性板、高強度螺栓、以及由裂隙上盤和裂隙下盤組成的巖體裂隙透明複製品試樣,所述裂隙上盤和裂隙下盤上下蓋合置於兩塊透明剛性板之間並通過高強度螺栓固定壓緊,高強度螺栓與上部的透明剛性板之間設有圍壓傳感器,所述巖體裂隙透明複製品試樣兩側面通過側壓板將裂隙側面密封,其前後兩端分別與進口端換液室和出口端換液室密封相連,所述進口端換液室頂部和底部分別設有通氣快開閥和廢液回收閥,所述出口端換液室頂部和底部分別設有壓力恆定閥和尾液回收閥;

所述流體控制系統包括三路流體源裝置,所述每一路流體源裝置均由流體源、進樣注射泵和出樣管道通過多通閥相連組成,通過多通閥換向可實現流體源先被進樣注射泵吸入然後通過出樣管道送出,所述三路流體源裝置的出樣管道通過兩個三通接頭並聯後通過進樣管道與進口端換液室底部相連,所述進樣管道上設有流體壓力傳感器;

所述光學與力學監測系統用於監測可視化巖體裂隙過流系統的光學和力學性能,所述數據採集分析處理系統為計算機用於處理分析光學與力學監測系統監測的數據。

作為改進,所述光學與力學監測系統包括CCD高速相機、平衡支架、試驗工作檯和平板光源,所述平板光源置於試驗工作檯上,可視化巖體裂隙過流系統的巖體裂隙透明複製品試樣置於平板光源上,CCD高速相機設於可視化巖體裂隙過流系統上方且通過平衡支架固定在試驗工作檯一側。

作為改進,所述試驗工作檯上設有水平儀,試驗工作檯底部設有多個可調整其水平度的腳支座。

作為改進,所述進口端換液室和出口端換液室內表面均通過表面活性劑改性處理,在其表面產生對液相超低溼潤性塗層。

一種利用上述裝置進行巖體裂隙三相流驅替彌散捕獲研究的試驗方法,包括以下步驟:

步驟1,按照現有技術方法製作巖體裂隙透明複製品試樣,該試樣包括裂隙上盤和裂隙下盤,將裂隙上盤和裂隙下盤對整後按照上述裝置組裝試樣壓力控制裝置,並連接安裝好流體控制系統、光學與力學監測系統、可視化巖體裂隙過流系統,以及數據採集分析處理系統;

步驟2,流體控制系統進樣,三路流體源裝置分別裝入如下液相流體:

第一路,使用蒸餾水與食用色素混合調配成第一入侵相流體,混合均勻後裝入第一流體源內,通過切換多通閥將第一入侵相流體吸入第一進樣注射泵;

第二路,使用二氯乙烷與油性色素按照混合調配成第二入侵相流體,混合均勻後裝入第二流體源內,通過切換多通閥將第二入侵相流體吸入第二進樣注射泵;

第三路,將透明矽油作為被驅替相流體裝入第三流體源,通過切換多通閥將被驅替相流體吸入第三進樣注射泵;

步驟3,施加圍壓,上述準備就緒後,通過高強度螺栓對兩塊透明剛性板之間的巖體裂隙透明複製品試樣加壓至預定值,並通過圍壓傳感器實時採集;

步驟4,裂隙飽和,將被驅替相流體通過第三路流體源裝置注入並充滿巖體裂隙透明複製品試樣的裂隙;

步驟5,不混溶驅替過程,通過第一路流體源裝置將第一入侵相流體以恆定壓力或速度注入裂隙,開始不混溶驅替,並同時打開光學與力學監測系統和數據採集分析處理系統採集數據;

步驟6,驅替彌散過程,步驟5結束後,通過第二路流體源裝置將第二入侵相流體以恆定壓力或速度注入裂隙,開始驅替彌散過程,並同時打開光學與力學監測系統和數據採集分析處理系統採集數據;

步驟7,卸壓拆樣,關閉所有閥門及泵源,擰開高強度螺栓取下巖體裂隙透明複製品試樣,使用洗滌劑清洗試驗管路並晾乾,廢液集中回收處理,試驗完畢。

作為改進,所述步驟2中,所述蒸餾水與食用色素、以及二氯乙烷與油性色素的混合比例均為800:1-1400:1質量比。

作為改進,所述步驟4中,被驅替相流體具體充滿裂隙的過程為:

打開通氣快開閥同時關閉廢液回收閥,使進口端換液室與大氣相通,切換第三路流體源裝置的多通閥,通過第三進樣注射泵將被驅替相流體以恆定的、低流速注入進口端換液室,當進口端換液室充滿被驅替相流體時,關閉通氣快開閥,此時被驅替相流體在第三進樣注射泵提供的壓力下壓入並逐漸充滿裂隙,裂隙飽和過程結束後停止第三進樣注射泵工作,依次開啟通氣快開閥和廢液回收閥,依靠重力將進口端換液室中的被驅替相流體排乾淨,整個過程保證壓力恆定閥及尾液回收閥均保持開啟對大氣狀態。

作為改進,所述步驟5中,所述第一入侵相流體注入裂隙內不混溶驅替過程具體為:切換第一路流體源裝置的多通閥,通過第一進樣注射泵將第一入侵相流體以恆定的、低流速注入進口端換液室,待廢液回收閥出口有第一入侵相流體流出時將其關閉,當進口端換液室充滿第一入侵相流體時,依次關閉第一進樣注射泵及通氣快開閥,此時打開平板光源、CCD高速相機及流體壓力傳感器,按照試驗設計設定第一入侵相流體流速,打開第一進樣注射泵注入裂隙,數據採集系統同步開啟工作,直至裂隙中被驅替相流體飽和度穩定不再變化,關閉第一進樣注射泵,打開通氣快開閥及廢液回收閥,排乾淨進口端換液室中的第一驅替相液體,再將壓力恆定閥打開對大氣,維持進出口端壓力平衡至兩相液體的形態不再發生改變,然後關閉光學與力學監測系統不混溶驅替過程結束。

作為改進,所述第二入侵流體注入裂隙內驅替彌散過程具體為:

切換第二路流體源裝置的多通閥,通過第二進樣注射泵將第二入侵流體通過進料管道以恆定的、低流速注入進口端換液室,待廢液回收閥出口有第二入侵相流體流出時將其關閉,當進口端換液室充滿第二入侵相流體時,依次關閉第二進樣注射泵和通氣快開閥,此時打開平板光源、CCD高速相機及流體壓力傳感器,按照試驗設計設定第一入侵相流體流速,打開第二進樣注射泵注入裂隙,數據採集系統同步開啟工作,直至裂隙中驅替彌散三相飽和度穩定不再變化,關閉第二進樣注射泵,然後關閉光學與力學監測系統不混溶驅替過程結束。

本發明的有益效果是:本發明可完成巖體裂隙三相流驅替/彌散/捕獲過程的光學與力學的可視化觀測及測量的全過程分析,試驗裝置成本低,可重複性高,測量過程操作簡單直接,顯示結果直觀清晰。

附圖說明

附圖1為可視化巖體裂隙三相流驅替-彌散-捕獲過程的光學與力學測量裝置示意圖。

附圖2為可視化巖體裂隙過流裝置側視示意圖。

附圖3為可視化巖體裂隙過流裝置俯視示意圖。

附圖4為可視化巖體裂隙過流裝置進出口換液室正視示意圖。

附圖5為流體控制系統管路示意圖。

附圖中:1-第一進樣注射泵,2-第一多通閥,3-第一流體源,4-第二進樣注射泵,5-第二多通閥,6-第二流體源,7-第三進樣注射泵,8-第三多通閥,9-第三流體源,10- 三通接頭一,11-三通接頭二,12-三通接頭三,13-廢液回收閥,14-流體壓力傳感器,15-進口端換液室,16-通氣快開閥,17-溫度計,18-圍壓傳感器,19-高強度螺栓,20-螺母,21-橡膠墊圈,22-耦合墊圈,23-裂隙上盤,24-裂隙下盤,25-透明剛性板,26裂隙,27-側壓板,28-壓力恆定閥,29-出口端換液室,30-尾液回收閥,31-水平儀,32-腳支座,33-試驗工作檯,34-平板光源,35、36-回收容器,37-平衡支架,38-CCD高速相機,39-計算機。

具體實施方式

本發明的具體實施方式如下:

如圖1和圖2所示,一種用於巖體裂隙三相流驅替彌散捕獲研究的裝置,包括流體控制系統、光學與力學監測系統、可視化巖體裂隙過流系統,以及數據採集分析處理系統,所述可視化巖體裂隙過流系統包括進口端換液室15、試樣壓力控制裝置、以及出口端換液室29,所述試樣壓力控制裝置包括透明剛性板25、高強度螺栓19、以及由裂隙上盤23和裂隙下盤24組成的巖體裂隙透明複製品試樣,所述裂隙上盤23和裂隙下盤24上下蓋合置於兩塊透明剛性板25之間並通過高強度螺栓19固定壓緊,裂隙上盤23和裂隙下盤24之間組成了可供流體通過的裂隙26,高強度螺栓19的螺母20與上部的透明剛性板25之間依次設有橡膠墊圈21、圍壓傳感器18、以及耦合墊圈22,所述巖體裂隙透明複製品試樣兩側面通過側壓板27用黏膠方式將裂隙26側面密封,其前後兩端分別與進口端換液室15和出口端換液室29通過黏膠密封相連,所述進口端換液室15頂部和底部分別設有通氣快開閥16和廢液回收閥13,所述出口端換液室29頂部和底部分別設有壓力恆定閥28和尾液回收閥30,廢液回收閥13下方設有回收容器36,尾液回收閥30下方分別設有回收容器35。所述進口端換液室15設有溫度計17,因為流體性質受溫度影響很大,所以每次實驗前調節室內溫度到試驗恆溫後開始試驗並檢測試驗過程中流體溫度的變化。

可視化巖體裂隙過流系統,該系統為整套裝置的核心部分,利用透明材料複製出巖體的裂隙26形貌特徵。將複製好的裂隙上盤23和裂隙下盤24緊扣並通過高強度螺栓19豎向固定、防水膠側向密封。精心設計合理的流體進出口端的換液室,保證了試驗數據的可靠性。

(1)該裂隙模擬裝置的關鍵是使用矽橡膠和水晶硬膠製作高仿真高透明度的裂隙複製品。

(2)為保證裂隙26開度滿足試驗要求(小於0.5mm),在製作的裂隙樣品上下表面分別加一塊透明有機玻璃壓板,用高強度螺栓19固定。在透明有機玻璃壓板與裂隙樣品間放置一塊尺寸略小與複製巖樣尺寸的過度片,用以減小透明有機玻璃壓板的彎曲變化對裂隙26開度的直接作用,保證裂隙26開度方向變形的均勻性。

(3)裂隙進出水端結構主要組成由進水口出水口和測壓管組成。設計進水口數量以及設計進水口直徑通過等效水力隙寬估算確定,可以滿足上遊水位穩定均勻、裂隙流量控制的要求;設計出水口數量依據設計流量大於上遊施加最大流量確定。進水口數量和直徑可隨實驗要求變化。出口端設置通氣管,保證出流平穩順暢。

所述流體控制系統包括三路流體源裝置,所述每一路流體源裝置均由流體源、進樣注射泵和出樣管道均通過多通閥相連組成,通過多通閥換向可實現流體源先被進樣注射泵吸入然後通過出樣管道送出,所述三路流體源裝置的出樣管道通過兩個三通接頭並聯後通過進樣管道與進口端換液室15底部相連,所述進樣管道上通過三通連接流體壓力傳感器14。

流體控制系統包含三臺高精度微流體進樣注射泵,可以通過控制流量提供連續流體,送樣速率為10-3 ml/min ~ 100 ml/min; 管路採用內徑為1/16的透明管作為迴路,管路通過多通閥及三通接頭實現流體路徑的切換。

所述光學與力學監測系統用於監測可視化巖體裂隙過流系統的光學和力學性能,所述數據採集分析處理系統為計算機39用於處理分析光學與力學監測系統監測的數據。

所述光學與力學監測系統包括CCD高速相機38、平衡支架37、試驗工作檯33和平板光源34,所述平板光源34置於試驗工作檯33上,可視化巖體裂隙過流系統的巖體裂隙透明複製品試樣置於平板光源34上,CCD高速相機38設於可視化巖體裂隙過流系統上方且通過平衡支架37固定在試驗工作檯33一側,所述平板光源34為LED平板光源。

光學與力學監測系統主要包括高性能計算機39及自編程序,可以實時保存影像數據、可視化裂隙進口端的壓力值及裂隙26的圍壓環境壓力值,通過自編程序可以完成影像數據的後處理,實現現象—數據—模型—機理的成套分析。

所述試驗工作檯33上設有水平儀31,試驗工作檯33底部設有多個可調整其水平度的腳支座32。

所述進口端換液室15和出口端換液室29內表面均通過表面活性劑改性處理,在其表面產生對液相超低溼潤性塗層。

一種利用上述裝置進行巖體裂隙三相流驅替彌散捕獲研究的試驗方法,包括以下步驟:

步驟1,製作巖體裂隙透明複製品試樣,使用點荷載法劈裂結晶巖獲取原始粗糙裂隙上下盤並採用透明樹脂鑄模形成透明裂隙26的裂隙上盤23和裂隙下盤24,裂隙上盤23和裂隙下盤24對整後側面用側壓板27黏膠密封,裂隙26前後的進、出口端分別與進口端換液室15和出口端換液室29通過黏膠密封相連,待黏膠達到強度後,用透明剛性板25夾住裂隙上盤23和裂隙下盤24,將高強度螺栓19貫入透明剛性板25的螺栓孔,再依次套上耦合墊圈22、圍壓傳感器18、橡膠墊圈21並用螺母20固定壓緊。

步驟2,流體控制系統進樣。使用蒸餾水與食用色素按照1000:1的質量比調配成第一入侵相流體,混合均勻後裝入第一流體源3,切換第一多通閥2至AC迴路將第一入侵相流體吸入第一進樣注射泵1;

使用二氯乙烷與油性色素按照10000:1的質量比調配成第二入侵相流體,混合均勻後裝入第二流體源6,切換第二多通閥5至AC迴路將第二入侵相流體吸入第二進樣注射泵4;

將透明矽油作為被驅替相流體裝入第三流體源9,切換第三多通閥8至AC迴路將被驅替相流體吸入第三進樣注射泵7;

步驟3,施加圍壓。上述準備就緒後,調節腳支座32使水平儀31氣泡居中,通過高強度螺栓19的進尺施加圍壓至預定值,並通過圍壓傳感器18實時採集。

步驟4,裂隙26飽和,打開通氣快開閥16同時關閉廢液回收閥13,使進口端換液室15與大氣相通,切換第三路流體源裝置的第三多通閥8至AB迴路,通過第三進樣注射泵7將被驅替相流體以恆定的、低流速注入進口端換液室15,當進口端換液室15充滿被驅替相流體時,關閉通氣快開閥16,此時被驅替相流體在第三進樣注射泵7提供的壓力下壓入並逐漸充滿裂隙26,裂隙26飽和過程結束後停止第三進樣注射泵7工作,依次開啟通氣快開閥16和廢液回收閥13,依靠重力將進口端換液室15中的被驅替相流體排乾淨,整個過程保證壓力恆定閥28及尾液回收閥30均保持開啟對大氣狀態。

步驟5,不混溶驅替過程,切換第一多通閥2,通過第一進樣注射泵1將第一入侵相流體以恆定的、低流速注入進口端換液室15,待廢液回收閥13出口有第一入侵相流體流出時將其關閉,當進口端換液室15充滿第一入侵相流體時,依次關閉第一進樣注射泵1及通氣快開閥16,此時打開平板光源34、CCD高速相機38及流體壓力傳感器14,按照試驗設計設定第一入侵相流體流速,打開第一進樣注射泵1注入裂隙26,數據採集系統同步開啟工作,直至裂隙26中被驅替相流體飽和度穩定不再變化,關閉第一進樣注射泵1,打開通氣快開閥16及廢液回收閥13,排乾淨進口端換液室15中的第一驅替相液體,再將壓力恆定閥28打開對大氣,維持進出口端壓力平衡至兩相液體的形態不再發生改變,然後關閉光學與力學監測系統並保存數據,不混溶驅替過程結束。

步驟6,驅替彌散過程,切換第二多通閥5,通過第二進樣注射泵4將第二入侵流體通過進樣管道以恆定的、低流速注入進口端換液室15,待廢液回收閥13出口有第二入侵相流體流出時將其關閉,當進口端換液室15充滿第二入侵相流體時,依次關閉第二進樣注射泵4和通氣快開閥16,此時打開平板光源34、CCD高速相機38及流體壓力傳感器14,按照試驗設計設定第一入侵相流體流速,打開第二進樣注射泵4注入裂隙26,數據採集系統同步開啟工作,直至裂隙26中驅替彌散三相飽和度穩定不再變化,關閉第二進樣注射泵4,然後關閉光學與力學監測系統並保存數據,不混溶驅替過程結束。

步驟7,卸壓拆樣,關閉所有閥門及泵源,擰開高強度螺栓19取下巖體裂隙透明複製品試樣,使用洗滌劑清洗試驗管路並晾乾,廢液集中回收處理,試驗完畢。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代,但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。

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