用于岩体裂隙三相流驱替弥散捕获研究的装置及试验方法与流程

技术领域

本发明属于岩体渗流与跨尺度多相流驱替-弥散-捕获技术领域，特别涉及一种用于岩体裂隙三相流驱替弥散捕获研究的装置及试验方法。

背景技术：

岩石裂（孔）隙中多相流运动力学特征的研究对页岩油（气）开采、CO₂地质封存及地下水污染物运移等领域都具有非常重要的意义。开展岩体裂隙尺度多相流驱替-弥散—捕获的室内试验对揭示动态运动机理起着至关重要的作用。然而，由于岩石自身特性及目前试验手段的自封闭性，往往只能控制进出口的边界条件，得到很局限的试验数据。这些数据远远不能揭示多相流体流态特征的控制因素及运动机理。实时地、可视化地研究流体在裂（孔）隙中分布特征、动力特征等关键技术难题亟待解决。目前国内尚未具备在可视化的岩体裂隙中研究多相流驱替-弥散-捕获过程的光学与力学测量装置和试验方法。本发明采用可视化的岩石裂隙开展多相流驱替-弥散-捕获光学与力学测量试验，能够克服传统试验不可视的弊端，可以动态捕捉各相流体的运动特征并记录过程的力学实验数据，同时试验可重复性高，保证了试验揭示现象的真实可靠。

技术实现要素：

本发明提出一种可视化岩体裂隙三相流驱替-弥散-捕获过程的光学与力学测量装置，并给出了该装置的试验方法，其主要解决现有技术中无法直接观测多相流体在裂隙内部的流态及相捕获过程的问题。该发明主要包含以下几个内容：

一、针对目前试验中进出口端边界条件难以精确控制的问题，设计出带有一定坡度的排气、排液装置，整个换液室内壁采用表面改性剂处理，使其对液相具有超低湿润性的特征，保证了每次进口端驱替相均为纯净、单一相液体，出口端的液体能及时、完全排除；特别的，在尾部出口端增加了稳定压力阀，可以根据试验要求保持尾部的压力恒定。

二、针对可视化的透明裂隙，本发明提供了一套可行的围压装置。该装置通过改变螺母在高强、高精度螺栓上的进尺，作用于高刚度透明板为复制裂隙提供围压环境，压力传感器实时采集压力值并用于围压控制。

三、针对上文所提到可视化岩石裂隙过流装置，本发明设计了一套相应的控制和测量系统。主要包括流体控制系统、光学与力学监测系统和数据采集分析系统。该系统可以对裂隙流体进行实时观察和监测、数据分析处理。

综上所述，本发明采用技术方案是：

一种用于岩体裂隙三相流驱替弥散捕获研究的装置，包括流体控制系统、光学与力学监测系统、可视化岩体裂隙过流系统，以及数据采集分析处理系统，所述可视化岩体裂隙过流系统包括进口端换液室、试样压力控制装置、以及出口端换液室，所述试样压力控制装置包括透明刚性板、高强度螺栓、以及由裂隙上盘和裂隙下盘组成的岩体裂隙透明复制品试样，所述裂隙上盘和裂隙下盘上下盖合置于两块透明刚性板之间并通过高强度螺栓固定压紧，高强度螺栓与上部的透明刚性板之间设有围压传感器，所述岩体裂隙透明复制品试样两侧面通过侧压板将裂隙侧面密封，其前后两端分别与进口端换液室和出口端换液室密封相连，所述进口端换液室顶部和底部分别设有通气快开阀和废液回收阀，所述出口端换液室顶部和底部分别设有压力恒定阀和尾液回收阀；

所述流体控制系统包括三路流体源装置，所述每一路流体源装置均由流体源、进样注射泵和出样管道通过多通阀相连组成，通过多通阀换向可实现流体源先被进样注射泵吸入然后通过出样管道送出，所述三路流体源装置的出样管道通过两个三通接头并联后通过进样管道与进口端换液室底部相连，所述进样管道上设有流体压力传感器；

所述光学与力学监测系统用于监测可视化岩体裂隙过流系统的光学和力学性能，所述数据采集分析处理系统为计算机用于处理分析光学与力学监测系统监测的数据。

作为改进，所述光学与力学监测系统包括CCD高速相机、平衡支架、试验工作台和平板光源，所述平板光源置于试验工作台上，可视化岩体裂隙过流系统的岩体裂隙透明复制品试样置于平板光源上，CCD高速相机设于可视化岩体裂隙过流系统上方且通过平衡支架固定在试验工作台一侧。

作为改进，所述试验工作台上设有水平仪，试验工作台底部设有多个可调整其水平度的脚支座。

作为改进，所述进口端换液室和出口端换液室内表面均通过表面活性剂改性处理，在其表面产生对液相超低湿润性涂层。

一种利用上述装置进行岩体裂隙三相流驱替弥散捕获研究的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，按照现有技术方法制作岩体裂隙透明复制品试样，该试样包括裂隙上盘和裂隙下盘，将裂隙上盘和裂隙下盘对整后按照上述装置组装试样压力控制装置，并连接安装好流体控制系统、光学与力学监测系统、可视化岩体裂隙过流系统，以及数据采集分析处理系统；

步骤2，流体控制系统进样，三路流体源装置分别装入如下液相流体：

第一路，使用蒸馏水与食用色素混合调配成第一入侵相流体，混合均匀后装入第一流体源内，通过切换多通阀将第一入侵相流体吸入第一进样注射泵；

第二路，使用二氯乙烷与油性色素按照混合调配成第二入侵相流体，混合均匀后装入第二流体源内，通过切换多通阀将第二入侵相流体吸入第二进样注射泵；

第三路，将透明硅油作为被驱替相流体装入第三流体源，通过切换多通阀将被驱替相流体吸入第三进样注射泵；

步骤3，施加围压，上述准备就绪后，通过高强度螺栓对两块透明刚性板之间的岩体裂隙透明复制品试样加压至预定值，并通过围压传感器实时采集；

步骤4，裂隙饱和，将被驱替相流体通过第三路流体源装置注入并充满岩体裂隙透明复制品试样的裂隙；

步骤5，不混溶驱替过程，通过第一路流体源装置将第一入侵相流体以恒定压力或速度注入裂隙，开始不混溶驱替，并同时打开光学与力学监测系统和数据采集分析处理系统采集数据；

步骤6，驱替弥散过程，步骤5结束后，通过第二路流体源装置将第二入侵相流体以恒定压力或速度注入裂隙，开始驱替弥散过程，并同时打开光学与力学监测系统和数据采集分析处理系统采集数据；

步骤7，卸压拆样，关闭所有阀门及泵源，拧开高强度螺栓取下岩体裂隙透明复制品试样，使用洗涤剂清洗试验管路并晾干，废液集中回收处理，试验完毕。

作为改进，所述步骤2中，所述蒸馏水与食用色素、以及二氯乙烷与油性色素的混合比例均为800:1-1400:1质量比。

作为改进，所述步骤4中，被驱替相流体具体充满裂隙的过程为：

打开通气快开阀同时关闭废液回收阀，使进口端换液室与大气相通，切换第三路流体源装置的多通阀，通过第三进样注射泵将被驱替相流体以恒定的、低流速注入进口端换液室，当进口端换液室充满被驱替相流体时，关闭通气快开阀，此时被驱替相流体在第三进样注射泵提供的压力下压入并逐渐充满裂隙，裂隙饱和过程结束后停止第三进样注射泵工作，依次开启通气快开阀和废液回收阀，依靠重力将进口端换液室中的被驱替相流体排干净，整个过程保证压力恒定阀及尾液回收阀均保持开启对大气状态。

作为改进，所述步骤5中，所述第一入侵相流体注入裂隙内不混溶驱替过程具体为：切换第一路流体源装置的多通阀，通过第一进样注射泵将第一入侵相流体以恒定的、低流速注入进口端换液室，待废液回收阀出口有第一入侵相流体流出时将其关闭，当进口端换液室充满第一入侵相流体时，依次关闭第一进样注射泵及通气快开阀，此时打开平板光源、CCD高速相机及流体压力传感器，按照试验设计设定第一入侵相流体流速，打开第一进样注射泵注入裂隙，数据采集系统同步开启工作，直至裂隙中被驱替相流体饱和度稳定不再变化，关闭第一进样注射泵，打开通气快开阀及废液回收阀，排干净进口端换液室中的第一驱替相液体，再将压力恒定阀打开对大气，维持进出口端压力平衡至两相液体的形态不再发生改变，然后关闭光学与力学监测系统不混溶驱替过程结束。

作为改进，所述第二入侵流体注入裂隙内驱替弥散过程具体为：

切换第二路流体源装置的多通阀，通过第二进样注射泵将第二入侵流体通过进料管道以恒定的、低流速注入进口端换液室，待废液回收阀出口有第二入侵相流体流出时将其关闭，当进口端换液室充满第二入侵相流体时，依次关闭第二进样注射泵和通气快开阀，此时打开平板光源、CCD高速相机及流体压力传感器，按照试验设计设定第一入侵相流体流速，打开第二进样注射泵注入裂隙，数据采集系统同步开启工作，直至裂隙中驱替弥散三相饱和度稳定不再变化，关闭第二进样注射泵，然后关闭光学与力学监测系统不混溶驱替过程结束。

本发明的有益效果是：本发明可完成岩体裂隙三相流驱替/弥散/捕获过程的光学与力学的可视化观测及测量的全过程分析，试验装置成本低，可重复性高，测量过程操作简单直接，显示结果直观清晰。

附图说明

附图1为可视化岩体裂隙三相流驱替-弥散-捕获过程的光学与力学测量装置示意图。

附图2为可视化岩体裂隙过流装置侧视示意图。

附图3为可视化岩体裂隙过流装置俯视示意图。

附图4为可视化岩体裂隙过流装置进出口换液室正视示意图。

附图5为流体控制系统管路示意图。

附图中：1-第一进样注射泵，2-第一多通阀，3-第一流体源，4-第二进样注射泵，5-第二多通阀，6-第二流体源，7-第三进样注射泵，8-第三多通阀，9-第三流体源，10- 三通接头一，11-三通接头二，12-三通接头三，13-废液回收阀，14-流体压力传感器，15-进口端换液室，16-通气快开阀，17-温度计，18-围压传感器，19-高强度螺栓，20-螺母，21-橡胶垫圈，22-耦合垫圈，23-裂隙上盘，24-裂隙下盘，25-透明刚性板，26裂隙，27-侧压板，28-压力恒定阀，29-出口端换液室，30-尾液回收阀，31-水平仪，32-脚支座，33-试验工作台，34-平板光源，35、36-回收容器，37-平衡支架，38-CCD高速相机，39-计算机。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：

如图1和图2所示，一种用于岩体裂隙三相流驱替弥散捕获研究的装置，包括流体控制系统、光学与力学监测系统、可视化岩体裂隙过流系统，以及数据采集分析处理系统，所述可视化岩体裂隙过流系统包括进口端换液室15、试样压力控制装置、以及出口端换液室29，所述试样压力控制装置包括透明刚性板25、高强度螺栓19、以及由裂隙上盘23和裂隙下盘24组成的岩体裂隙透明复制品试样，所述裂隙上盘23和裂隙下盘24上下盖合置于两块透明刚性板25之间并通过高强度螺栓19固定压紧，裂隙上盘23和裂隙下盘24之间组成了可供流体通过的裂隙26，高强度螺栓19的螺母20与上部的透明刚性板25之间依次设有橡胶垫圈21、围压传感器18、以及耦合垫圈22，所述岩体裂隙透明复制品试样两侧面通过侧压板27用黏胶方式将裂隙26侧面密封，其前后两端分别与进口端换液室15和出口端换液室29通过黏胶密封相连，所述进口端换液室15顶部和底部分别设有通气快开阀16和废液回收阀13，所述出口端换液室29顶部和底部分别设有压力恒定阀28和尾液回收阀30，废液回收阀13下方设有回收容器36，尾液回收阀30下方分别设有回收容器35。所述进口端换液室15设有温度计17，因为流体性质受温度影响很大，所以每次实验前调节室内温度到试验恒温后开始试验并检测试验过程中流体温度的变化。

可视化岩体裂隙过流系统，该系统为整套装置的核心部分，利用透明材料复制出岩体的裂隙26形貌特征。将复制好的裂隙上盘23和裂隙下盘24紧扣并通过高强度螺栓19竖向固定、防水胶侧向密封。精心设计合理的流体进出口端的换液室，保证了试验数据的可靠性。

（1）该裂隙模拟装置的关键是使用硅橡胶和水晶硬胶制作高仿真高透明度的裂隙复制品。

（2）为保证裂隙26开度满足试验要求（小于0.5mm），在制作的裂隙样品上下表面分别加一块透明有机玻璃压板，用高强度螺栓19固定。在透明有机玻璃压板与裂隙样品间放置一块尺寸略小与复制岩样尺寸的过度片，用以减小透明有机玻璃压板的弯曲变化对裂隙26开度的直接作用，保证裂隙26开度方向变形的均匀性。

（3）裂隙进出水端结构主要组成由进水口出水口和测压管组成。设计进水口数量以及设计进水口直径通过等效水力隙宽估算确定，可以满足上游水位稳定均匀、裂隙流量控制的要求；设计出水口数量依据设计流量大于上游施加最大流量确定。进水口数量和直径可随实验要求变化。出口端设置通气管，保证出流平稳顺畅。

所述流体控制系统包括三路流体源装置，所述每一路流体源装置均由流体源、进样注射泵和出样管道均通过多通阀相连组成，通过多通阀换向可实现流体源先被进样注射泵吸入然后通过出样管道送出，所述三路流体源装置的出样管道通过两个三通接头并联后通过进样管道与进口端换液室15底部相连，所述进样管道上通过三通连接流体压力传感器14。

流体控制系统包含三台高精度微流体进样注射泵，可以通过控制流量提供连续流体，送样速率为10^-3 ml/min ~ 100 ml/min; 管路采用内径为1/16的透明管作为回路，管路通过多通阀及三通接头实现流体路径的切换。

所述光学与力学监测系统用于监测可视化岩体裂隙过流系统的光学和力学性能，所述数据采集分析处理系统为计算机39用于处理分析光学与力学监测系统监测的数据。

所述光学与力学监测系统包括CCD高速相机38、平衡支架37、试验工作台33和平板光源34，所述平板光源34置于试验工作台33上，可视化岩体裂隙过流系统的岩体裂隙透明复制品试样置于平板光源34上，CCD高速相机38设于可视化岩体裂隙过流系统上方且通过平衡支架37固定在试验工作台33一侧，所述平板光源34为LED平板光源。

光学与力学监测系统主要包括高性能计算机39及自编程序，可以实时保存影像数据、可视化裂隙进口端的压力值及裂隙26的围压环境压力值，通过自编程序可以完成影像数据的后处理，实现现象—数据—模型—机理的成套分析。

所述试验工作台33上设有水平仪31，试验工作台33底部设有多个可调整其水平度的脚支座32。

所述进口端换液室15和出口端换液室29内表面均通过表面活性剂改性处理，在其表面产生对液相超低湿润性涂层。

一种利用上述装置进行岩体裂隙三相流驱替弥散捕获研究的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，制作岩体裂隙透明复制品试样，使用点荷载法劈裂结晶岩获取原始粗糙裂隙上下盘并采用透明树脂铸模形成透明裂隙26的裂隙上盘23和裂隙下盘24，裂隙上盘23和裂隙下盘24对整后侧面用侧压板27黏胶密封，裂隙26前后的进、出口端分别与进口端换液室15和出口端换液室29通过黏胶密封相连，待黏胶达到强度后，用透明刚性板25夹住裂隙上盘23和裂隙下盘24，将高强度螺栓19贯入透明刚性板25的螺栓孔，再依次套上耦合垫圈22、围压传感器18、橡胶垫圈21并用螺母20固定压紧。

步骤2，流体控制系统进样。使用蒸馏水与食用色素按照1000:1的质量比调配成第一入侵相流体，混合均匀后装入第一流体源3，切换第一多通阀2至AC回路将第一入侵相流体吸入第一进样注射泵1；

使用二氯乙烷与油性色素按照10000:1的质量比调配成第二入侵相流体，混合均匀后装入第二流体源6，切换第二多通阀5至AC回路将第二入侵相流体吸入第二进样注射泵4；

将透明硅油作为被驱替相流体装入第三流体源9，切换第三多通阀8至AC回路将被驱替相流体吸入第三进样注射泵7；

步骤3，施加围压。上述准备就绪后，调节脚支座32使水平仪31气泡居中，通过高强度螺栓19的进尺施加围压至预定值，并通过围压传感器18实时采集。

步骤4，裂隙26饱和，打开通气快开阀16同时关闭废液回收阀13，使进口端换液室15与大气相通，切换第三路流体源装置的第三多通阀8至AB回路，通过第三进样注射泵7将被驱替相流体以恒定的、低流速注入进口端换液室15，当进口端换液室15充满被驱替相流体时，关闭通气快开阀16，此时被驱替相流体在第三进样注射泵7提供的压力下压入并逐渐充满裂隙26，裂隙26饱和过程结束后停止第三进样注射泵7工作，依次开启通气快开阀16和废液回收阀13，依靠重力将进口端换液室15中的被驱替相流体排干净，整个过程保证压力恒定阀28及尾液回收阀30均保持开启对大气状态。

步骤5，不混溶驱替过程，切换第一多通阀2，通过第一进样注射泵1将第一入侵相流体以恒定的、低流速注入进口端换液室15，待废液回收阀13出口有第一入侵相流体流出时将其关闭，当进口端换液室15充满第一入侵相流体时，依次关闭第一进样注射泵1及通气快开阀16，此时打开平板光源34、CCD高速相机38及流体压力传感器14，按照试验设计设定第一入侵相流体流速，打开第一进样注射泵1注入裂隙26，数据采集系统同步开启工作，直至裂隙26中被驱替相流体饱和度稳定不再变化，关闭第一进样注射泵1，打开通气快开阀16及废液回收阀13，排干净进口端换液室15中的第一驱替相液体，再将压力恒定阀28打开对大气，维持进出口端压力平衡至两相液体的形态不再发生改变，然后关闭光学与力学监测系统并保存数据，不混溶驱替过程结束。

步骤6，驱替弥散过程，切换第二多通阀5，通过第二进样注射泵4将第二入侵流体通过进样管道以恒定的、低流速注入进口端换液室15，待废液回收阀13出口有第二入侵相流体流出时将其关闭，当进口端换液室15充满第二入侵相流体时，依次关闭第二进样注射泵4和通气快开阀16，此时打开平板光源34、CCD高速相机38及流体压力传感器14，按照试验设计设定第一入侵相流体流速，打开第二进样注射泵4注入裂隙26，数据采集系统同步开启工作，直至裂隙26中驱替弥散三相饱和度稳定不再变化，关闭第二进样注射泵4，然后关闭光学与力学监测系统并保存数据，不混溶驱替过程结束。

步骤7，卸压拆样，关闭所有阀门及泵源，拧开高强度螺栓19取下岩体裂隙透明复制品试样，使用洗涤剂清洗试验管路并晾干，废液集中回收处理，试验完毕。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。