专利名称：一种利用磁共振成像技术检测气液扩散过程的装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种利用磁共振成像(MRI)技术检测气液扩散过程的装置及其方法，属于化学工程和石油工程技术领域。
背景技术：
准确把握气体在多孔介质内所赋存的流体中的扩散过程，对评估地下污染物迁移、煤层气体运移、注气(二氧化碳、N2、轻烃)驱油提高采收率、天然气地下储气库扩散损耗及化工领域的填充床反应器的催化反应速度和效率等方面研究也具有重要指导意义。近年来，关于气体在液体中的扩散系数研究，提出了许多测试方法。目前检测研究 上多采用单室压力衰减法，其优点是装置简单，操作方便，但是由于很难确定通入样品室的气体量，测量误差较大。在此基础上发展的双室压力衰减法不仅可以有效减少泄漏概率，而且可以方便准确的确定初始气体密度。该方法的缺点是气体溶解量的测定需要较复杂的操作和计算，不能实现对扩散传质过程中气体溶解量的实时监控。另外，由于多孔介质内部结构复杂，不同的扩散距离、孔隙空间尺度和几何特性对扩散过程影响都很大。目前对于多孔介质模型的检测研究停留在整体分析阶段，不能全面考虑孔隙介质的非均质性和各相异性的影响。
发明内容
本发明的目的，旨在克服上述现有技术存在的问题，开发一种利用核磁共振成像技术检测气液扩散过程的装置及其方法，结合磁悬浮天平与MRI技术的双室压力衰减法，测量并分析得到气体质量分数与溶液密度、浓度、体积膨胀系数、弛豫时间等与扩散系数的变化关系，在此基础上建立扩散过程的数学物理模型，从而揭示多孔介质内气体-液体扩散过程规律。本发明的技术方案是一种利用磁共振成像技术检测气液扩散过程的装置，它主要包括一个磁共振成像系统，它还包括一个双室压力衰减系统，所述磁共振成像系统在磁共振成像仪中设有一个岩心夹持器，由往复式加压泵、液体容器和岩心夹持器的外腔采用管道连接构成循环回路，一个围压泵采用管道与液体容器连接；在岩心夹持器的入口连接所述双室压力衰减系统，出口经一个背压调节器连接一个电子天秤和收集器；所述双室压力衰减系统包含一个液体注入系统和一个气体注入系统；所述液体注入系统采用第一注入泵经空气恒温箱中的中间容器与岩心夹持器的入口连接，在第一注入泵与中间容器之间连接一个蓄水罐；所述气体注入系统采用第二注入泵经磁悬浮天平与岩心夹持器的入口连接，在第二注入泵与磁悬浮天平之间连接一个气瓶和一个标准称重钛罐；所述磁共振成像仪与数据采集和处理系统采用电连接。所述液体容器中设有电加热装置和温控装置。所述中间容器采用第一中间容器、第二中间容器和第三中间容器并联连接。
所述的一种利用磁共振成像技术检测气液扩散过程的方法包括以下步骤
(1)将岩心装载入夹持器，采用气测孔隙度法测岩心孔隙度；
(2)向钛罐中注入一定量的氮气，并称重，依次打开第十针阀、第十一针阀、第十二针阀、第十三针阀，关闭其他阀，使得钛罐中的氮气进入磁悬浮天平空腔和相关管线中，用系统中总的氮气质量除以密度得到系统空腔体积；
(3)将系统中的管线用加热带缠好，采用电加热的方法预加热并控温，向液体容器注入氟油，对夹持器预加热2小时，并在检测开始后实时控温；
(4)利用空气恒温箱对装有注入液体的第一中间容器、第二中间容器、第三中间容器进行控温，并提前注入岩心进行饱和，利用注入氟油的液体容器对夹持器进行循环控温；
(5)注入工作气体，开始检测，利用压力变送器记录压力与时间关系，利用磁共振成像技术得到不同时刻多孔介质不同位置所赋存的流体的质子密度、纵向弛豫时间、横向弛 豫时间、表观扩散系数及扩散张量分布图像，同时利用磁悬浮天平实时记录气体密度的变化；
(6)检测数据处理，对压力衰减曲线进行分析处理，建立气体在多孔介质内所赋存的液体中扩散模型计算径向或轴向以及一维或二维的扩散系数，计算得到整体平均扩散系数，通过对MRI获取的质子密度图像进行标定，得到沿扩散方向溶液密度梯度分布，根据磁悬浮天平记录的气体密度变化，并结合空腔体积推算气体溶解量，得到气体溶解量与扩散系数的关系。上述技术方案利用磁共振成像(MRI)技术检测气液扩散过程，以实现对于多孔介质内气液体系扩散过程的微观可视化及量化分析，揭示孔隙结构分布对扩散过程的影响。MRI技术作为一种强力的非侵入测试技术，通过脉冲场梯度核磁共振方法可以得到多孔介质中流体随时间变化的自扩散系数。该技术还可以对渗透率，饱和度等参数实现可视化及量化分析，建立准确的描述多孔介质内部结构的数字岩心模型。同时对双室压力衰减法进行改进，加入磁悬浮天平装置，以实现对气体溶解量的实时监控。本发明的效果和益处是这种利用磁共振成像技术检测气液扩散过程的装置主要包括磁共振成像系统和双室压力衰减系统，磁共振成像系统在磁共振成像仪中设有一个岩心夹持器，由往复式加压泵、液体容器和岩心夹持器的外腔采用管道连接构成循环回路，采用围压泵保持循环回路中的压力；在岩心夹持器的入口连接双室压力衰减系统，出口经一个背压调节器连接一个电子天秤和收集器；磁共振成像仪与数据采集和处理系统采用电连接。上述装置通过MRI技术可实时、直观、无损伤的测量流体在多孔介质中的质子密度图像，纵向和横向弛豫时间、表观扩散系数以及扩散张量分布图像。对多孔介质孔隙度，渗透率，饱和度等重要参数可进行定量分析；改进的双室压力衰减法可减少泄漏的概率，并且能够方便准确地确定初始气体密度；磁悬浮天平可实时监控气体密度变化，从而弥补传统双室压力衰减法的不足。
图I是一种利用核磁共振成像技术检测气液扩散过程的装置系统图。图中1、磁共振成像仪，2、磁悬浮天平，3、标准称重钛罐，4、气瓶，5a、第一注入泵，5b、第二注入泵,6a、第一中间容器,6b、第二中间容器,6c、第三中间容器,7a、7b、…、7q、第一针阀，第二针阀，…，第十七针阀，8a、第一单向阀，Sb、第二单向阀，9、空气恒温箱，10、液体容器，11、往复式加压泵，12、围压泵，13a、第一排液槽，13b、第二排液槽，14、蓄水罐，15、背压调节器，16、电子天秤和收集器，17、数据采集和处理系统，18a、18b、…、18e、第一压力变送器，第二压力变送器，…，第五压力变送器，19a、第一热电偶，1%、第二热电偶，19c、第三热电偶，20、岩心夹持器。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。图I示出了一种利用核磁共振成像技术检测气液扩散过程的装置系统图。图中，这种利用磁共振成像技术检测气液扩散过程的装置主要包括一个磁共振成像系统，它还包括Iv双室压力裳减系统，磁共振成像系统在磁共振成像仅I中设有Iv岩心夹持器20，由往复式加压泵11、液体容器10和岩心夹持器20的外腔采用管道连接构成循环回路，一个围压泵12采用管道与液体容器10连接，在液体容器10中设有电加热装 置和温控装置。在岩心夹持器20的入口连接双室压力衰减系统，出口经一个背压调节器15连接一个电子天秤和收集器16。双室压力衰减系统包含一个液体注入系统和一个气体注入系统。液体注入系统采用第一注入泵5a经空气恒温箱9中的中间容器与岩心夹持器20的入口连接，在第一注入泵5a与中间容器之间连接一个蓄水罐14。气体注入系统采用第二注入泵5b经磁悬浮天平2与岩心夹持器20的入口连接，在第二注入泵5b与磁悬浮天平2之间连接一个气瓶4和一个标准称重钛罐。在空气恒温箱9中的中间容器采用第一中间容器6a、第二中间容器6b和第三中间容器6c并联连接。磁共振成像仪I与数据采集和处理系统17采用电连接。上述的磁共振成像系统还设有第一压力变送器18a、第二压力变送器18b、第三压力变送器18c、第四压力变送器18d、第五压力变送器18e的压力监控系统。岩心夹持器20内装有真实岩心或人工岩心。围压泵12为岩心夹持器20提供围压，利用电加热系统加热装有氟油的液体容器进行控温，所述往复式加压泵提供氟油的循环动力，实现岩心所需高压控温环境。利用压力监控系统和温度控制系统使得检测系统达到所需背压和温度，并实时检测岩心内部压力；再利用磁共振成像仪进行定量定性分析；最后利用出口计量装置测量通过模拟岩心的液体和气体体积或质量。磁悬浮天平2的作用主要是实时监控系统中二氧化碳密度变化。改进的双室压力衰减法检测系统，主要包括标准称重钛罐3，电加热温控装置，设置于空气恒温箱9内的第一中间容器6a、第二中间容器6b、第三中间容器6c,压力变送器，数据采集系统17，气瓶4以及包含第一注入泵5a、蓄水罐14、第二注入泵5b和第一单向阀8a、第二单向阀Sb的注入系统。钛罐的作用是通过测量提前充好的氮气质量的变化，测定检测系统空腔体积；扩散检测前须用真空泵将系统抽真空24小时；利用电加热装置和空气恒温箱控制管线和中间容器达到所需温度；蓄水罐14中存有去离子水，利用第一注入泵5a吸取蓄水罐14中的去离子水，驱动第一中间容器6a、第二中间容器6b、第三中间容器6c，向岩心中注入所需压力的工作液体(油、水);由气瓶4向第二注入泵5b中充满所需气体，再利用第二注入泵5b向钛罐3、磁悬浮天平2以及岩心夹持器20中充入所需压力的气体；利用压力变送器监测系统压力直至达到平衡压力；利用数据采集系统获得并处理相关数据。上述的利用磁共振成像技术检测气液扩散过程的方法包括以下步骤第一步，检测准备工作。( I)利用气测孔隙度法测定岩心的孔隙度，将岩心夹持器20，根据检测具体要求测轴向或纵向的扩散系数来选择是否两端密封；
(2)按照图示连接检测系统管路，检漏并试压，随后抽真空24小时；
(3)标定系统体积。向钛罐3中注入一定量的氮气,并称重。打开第十针阀7j、第^针阀7k、第十二针阀71、第十三针阀7m，关闭其他阀，使得钛罐中的氮气进入磁悬浮天平空腔和相关管线中。可以确定系统空腔体积。排出氮气，抽真空I小时；
(4)将系统中的管线用加热带缠好，采用电加热的方法预加热并控温。向液体容器10注入氟油，开启往复式加压泵11，循环加热岩心达到检测预设的温度；
(5)将水、油、盐水等饱和岩心所需溶剂，以及驱动这些溶剂所需的水注入第一中间容器6a、第二中间容器6b、第三中间容器6c，中间容器放置于空气恒温箱9内以实现控温。根·据检测需要的饱和溶剂类型分别打开第二针阀7b、第五针阀7e，第三针阀7c、第六针阀7f，或第四针阀7d、第七针阀7g，利用第一注入泵5a提供水驱动力，将岩心夹持器20内的岩心饱和。第二步，开始检测，利用MRI技术对多孔介质中气-液扩散过程进行动态可视化检测。打开第九针阀7i，利用第二注入泵5b向钛罐里注入一定量的工作气体。关闭第九针阀7i，打开第十针阀7j、第十一针阀7k、第十二针阀71，开始扩散系数测试检测，利用背压调节器5控制背压。用磁共振成像仪I监测气体注入情况并采集质子图像，用第一压力变送器18a记录气体注入后系统压力变化。由此，在不同时刻，多孔介质不同位置所赋存流体的质子密度、纵向弛豫时间、横向弛豫时间、表观扩散系数分布图像以及计算扩散系数所需的系统压力与时间变化曲线等将由数据采集和处理系统17得到。当系统达到平衡时结束检测，保存检测数据，卸压，取出岩心，清洗夹持器，重复第一步中的(I) - (4)，为下一组检测做准备；
第三步，检测结果处理。整理检测数据，对压力衰减曲线进行分析处理，建立气体在多孔介质内所赋存的液体中扩散模型可以计算径向或轴向以及一维或二维的扩散系数，计算得到整体平均扩散系数，所得扩散系数与气体在纯液体中的扩散系数相比较，可以得到影响扩散过程传递的多孔介质迂曲度系数，从而分析多孔介质迂曲度对扩散系数的影响。通过对MRI获取的质子密度图像进行标定，得到沿扩散方向溶液密度梯度分布。根据磁悬浮天平2记录的气体密度变化，并结合空腔体积推算气体溶解量，得到气体溶解量与扩散系数的关系。
权利要求
1.一种利用磁共振成像技术检测气液扩散过程的装置，它主要包括一个磁共振成像系统，其特征在于它还包括Iv双室压力裳减系统，所述磁共振成像系统在磁共振成像仅(O中设有一个岩心夹持器(20)，由往复式加压泵(11)、液体容器(10)和岩心夹持器(20)的外腔采用管道连接构成循环回路，一个围压泵(12)采用管道与液体容器(10)连接；在岩心夹持器(20)的入口连接所述双室压力衰减系统，出口经一个背压调节器(15)连接一个电子天秤和收集器(16);所述双室压力衰减系统包含一个液体注入系统和一个气体注入系统；所述液体注入系统采用第一注入泵(5a)经空气恒温箱(9)中的中间容器与岩心夹持器(20)的入口连接，在第一注入泵(5a)与中间容器之间连接一个蓄水罐(14);所述气体注入系统采用第二注入泵(5b)经磁悬浮天平(2)与岩心夹持器(20)的入口连接，在第二注入泵(5b )与磁悬浮天平(2 )之间连接一个气瓶(4 )和一个标准称重钛罐(3 );所述磁共振成像仪(I)与数据采集和处理系统(17)采用电连接。
2.根据权利要求I所述的一种利用磁共振成像技术检测气液扩散过程的装置，其特征在于所述液体容器(10)中设有电加热装置和温控装置。
3.根据权利要求I所述的一种利用磁共振成像技术检测气液扩散过程的装置，其特征在于所述中间容器采用第一中间容器(6a)、第二中间容器(6b)和第三中间容器(6c)并联连接。
4.根据权利要求I所述的一种利用磁共振成像技术检测气液扩散过程的方法，其特征在于包括以下步骤 (1)将岩心装载入夹持器(20)，采用气测孔隙度法测岩心孔隙度； (2)向钛罐3中注入一定量的氮气，并称重，依次打开第十针阀(7j)、第十一针阀(7k)、第十二针阀(71)、第十三针阀(7m)，关闭其他阀，使得钛罐中的氮气进入磁悬浮天平空腔和相关管线中，用系统中总的氮气质量除以密度得到系统空腔体积； (3)将系统中的管线用加热带缠好，采用电加热的方法预加热并控温，向液体容器(10)注入氟油，对夹持器预加热2小时，并在检测开始后实时控温； (4)利用空气恒温箱(9)对装有注入液体的第一中间容器(6a)、第二中间容器(6b)、第三中间容器(6c)进行控温，并提前注入岩心进行饱和，利用注入氟油的液体容器(10)对夹持器进行循环控温； (5)注入工作气体，开始检测，利用压力变送器记录压力与时间关系，利用磁共振成像技术得到不同时刻多孔介质不同位置所赋存的流体的质子密度、纵向弛豫时间、横向弛豫时间、表观扩散系数及扩散张量分布图像，同时利用磁悬浮天平实时记录气体密度的变化； (6)检测数据处理，对压力衰减曲线进行分析处理，建立气体在多孔介质内所赋存的液体中扩散模型计算径向或轴向以及一维或二维的扩散系数，计算得到整体平均扩散系数，通过对MRI获取的质子密度图像进行标定，得到沿扩散方向溶液密度梯度分布，根据磁悬浮天平记录的气体密度变化，并结合空腔体积推算气体溶解量，得到气体溶解量与扩散系数的关系。
全文摘要
一种利用磁共振成像技术检测气液扩散过程的装置及其方法，属于化学工程和石油工程技术领域。该装置主要包括磁共振成像系统和双室压力衰减系统，磁共振成像系统在磁共振成像仪中设有一个岩心夹持器，磁共振成像仪与数据采集和处理系统采用电连接。上述装置通过MRI技术可实时、直观、无损伤的测量流体在多孔介质中的质子密度图像，纵向和横向弛豫时间、表观扩散系数以及扩散张量分布图像。对多孔介质孔隙度，渗透率，饱和度等重要参数可进行定量分析；改进的双室压力衰减法可减少泄漏的概率，并且能够方便准确地确定初始气体密度；磁悬浮天平可实时监控气体密度变化，从而弥补传统双室压力衰减法的不足。
文档编号G01N13/00GK102879306SQ20121038011
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月10日 优先权日2012年10月10日
发明者赵越超, 宋永臣, 刘瑜, 朱宁军, 郑鸿飞, 王同雷, 宿博, 郝敏, 周欣欢, 沈勇 申请人:大连理工大学