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与流程

本发明涉及孔隙尺度下岩体及土壤渗流与多相流技术领域，具体是指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。

背景技术：

多相流在孔隙介质中的流动特性涉及诸多的自然过程和工业生产过程，例如水电站坝体的渗漏问题、非水相污染物地下水系统修复、油气强化开采、深部咸水层二氧化碳地质封存、核废料地质封存等。因此，开展相应的室内试验对揭示孔隙尺度下多相流的运动特性与细观机制有着重要的意义。对于孔隙尺度，由于精度要求较高，其两相驱替界面特征变化过程的直接观测成为相关实验的主要技术难题。目前国内尚未具备在孔隙尺度下的可视化观测装置和试验方法。本发明采用可视化的试验装置及试验方法，能够克服传统试验的弊端，可以实时记录各相流体的运动特征并记录对应的过程。

技术实现要素：

为克服现有技术缺陷，本发明的目的在于提供一种用于岩石孔隙尺度多相流运动特性研究的试验装置，并给出该装置的试验方法，其主要解决现有技术中无法精确观测孔隙尺度下多相流体在孔隙内部的运动特征和形态的问题。

为实现上述目的，本发明提供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：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、第二流体源和第三流体源组成，所述可编程微量注射泵由第一注射泵、第二注射泵和第三注射泵组成；所述多通阀装置由第一多通阀、第二多通阀和第三多通阀组成；所述第一流体源、第二流体源和第三流体源分别通过第一多通阀、第二多通阀和第三多通阀的ac回路与第一注射泵、第二注射泵和第三注射泵连接；所述第一多通阀、第二多通阀和第三多通阀的出路分别与出样管路连接，还包括第一三通接头和第二三通接头，所述第一三通接头的出口端与第二三通接头的进口端串联连接在出样管路上；还包括与所述微观模型一端连接的主管路，所述主管路上依次设有第三三通接头、用以监测试验时温度的温度计，所述第三三通接头的进口端与第二三通接头的出口端连接，所述温度计与第三三通接头连接；

所述可视化观测成像系统包括试验工作台，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，led平板光源，2个微流体压力传感器，能进行旋转且能时刻保持位于微观模型正上方的cmos高速相机；所述试验工作台设有调平支座和水准仪，所述调平支座设有平衡支架和用以对微观模型进行旋转以能够进行不同角度下的试验的可转动支架；所述led平板光源置于试验工作平台上且位于光学显微镜上方，所述微观模型置于led平板光源上，所述cmos高速相机置于平衡支架上且位于微观模型正上方；所述可转动支架上还设有金属夹；

还包括2个pdms固定小块，所述主管路的出口端通过一个pdms固定小块与所述微观模型的进口端连接；所述微观模型的出口端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和回收容器；所述2个微流体压力传感器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系信息的计算机；所述cmos高速相机、光学显微镜和微流体压力传感器均与计算机连接，通过计算机自编程序以实时自动保存试验全过程的影像数据、微观模型进出口端的压力值及围压环境压力值，试验结束后通过计算机自编程序完成影像数据的后处理，进而完成分析。

作为优选方案，所述微观模型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；所述试验工作台底部设有可调整水平度的螺旋脚支座。

进一步地，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；还设有有控制器，所述出样管路采用外径为1/16的peek管。

本发明还提供一种利用该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：调整水准仪使试验工作台水平，放置微观模型，开启cmos高速相机、光学显微镜和微流体压力传感器，打开计算机准备记录数据；

(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、光学显微镜和微流体压力传感器，冲洗管路及微观模型，洗净晾干，废液集中回收处理，试验结束。

作为优选方案，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，将pdms液与百分之十的固化剂混合形成含固化剂的pdms液后倒入模具中，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；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，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，最后在微观模型的入口和出口放置pdms小块用于插拔针头；

所述步骤(2)中注射泵进样：首先将第一流体源、第二流体源和第三流体源通过分别通过第一多通阀、第二多通阀和第三多通阀的ac回路将流体抽入到第一注射泵、第二注射泵和第三注射泵中；

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，调整水准仪使工作平台水平，将微观模型放置于led光源上方或将微观模型置于可转动支架上，并用金属夹夹紧；通过温度计记录当前室温，开启cmos高速相机、光学显微镜和微流体压力传感器，打开计算机准备记录数据；

所述步骤(4)中两相驱替试验操作流程：首先，打开第一注射泵并开启第一多通阀的ab回路，依次打开第二三通接头的ac回路，第三三通接头的bc回路将第一入侵相流体通过管路进入微观模型中，待回收容器中有第一入侵相流体流出时，关闭第一注射泵；然后，打开第二注射泵并开启第二多通阀的ab回路，依次打开第一三通接头的ab回路，第二三通接头的ac回路和第三三通接头的bc回路，待第二入侵相流体将通过管路进入微观模型中，此时操作cmos高速相机和光学显微镜进行拍照记录，并将数据实时传输至计算机中，待回收容器中有第二入侵相流出时，关闭第二注射泵，操作cmos高速相机和光学显微镜停止拍照；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，打开第三注射泵并开启第三多通阀的ab回路，依次打开第一三通接头的ac回路，第二三通接头的ab回路和第三三通接头的bc回路，此时第三入侵相流体将通过管路进入微观模型中，此时操作cmos高速相机和光学显微镜进行拍照，待回收容器中有第三入侵相流出时，关闭第三注射泵，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、光学显微镜和微流体压力传感器；冲洗管路及微观模型，洗净晾干，废液集中回收处理，试验结束。

本发明的设计理念如下：

一、针对目前试验中无法精确观测孔隙尺度下多相流的运动特征的问题，设计了一套集成微观模型-显微镜-高速相机的观测系统，可以保证对十分微小的透明模型进行精确的观测，并且同时可以对整个流动过程进行高帧率的拍摄。

二、针对孔隙尺度下的两相流乃至多相流实验观测，设计了相应的管路系统及流量控制系统，并给出具体的实验方案。

三、针对考虑重力条件下，不同倾斜角度对孔隙尺度下多相流运动特征的影响，本发明设计了一种可自由改变不同倾斜角度的可旋转式夹具，并给出相应的观测手段，可以系统完备地对不同工况下微观模型内流体的运动特性进行分析研究。

综上，本发明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四个部分，共同构成微观模型-显微镜-高速相机可视化观测装置。各系统分述如下：

1、流量控制系统

该装置包含三台高精度可编程微量注射泵，可调节注入流量，调节范围为1.56pl/min至220ml/min，并配有控制器，灵敏度高，稳定性好，管路采用外径为1/16的peek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。

2、可视化观测成像系统

该系统由试验工作台、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。其中，具有调平支座和水准系统的试验工作台保证了在实验中重力等外在因素对结果的影响；显微镜能够保证在更小尺度上观测两相流的运动特征，用来捕捉微观特征；平板led光源的特点是无频闪，散射光分布均匀，可近似平行光。同时长时间运行受发热影响小，光强稳定；微流体压力传感器位于入口和出口处，可以同步监测试验过程中内流体的压力变化；可旋转式夹具可以对微观模型进行旋转，能够进行不同角度下的试验；高速相机可以实时对实验过程进行拍摄，每秒最多可拍摄100张照片，保证了在大流量条件下可捕捉到两相流运动的特征。

3、微观模型

微观模型可采用pdms(聚二甲基硅氧烷)或者玻璃进行设计制作，图案取自现实中真实的微观孔隙结构。试验中，微观模型放置于专门的芯片槽或者夹具中固定，以防止移动。

4、数据采集分析系统

高速相机、显微镜和压力传感器等仪器件与高性能计算机相连，通过自编程序，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。

本发明具有如下优点：本发明是用于观测岩石孔隙尺度下微观领域内的透明复制品中多相流运动特性的可视化试验装置及试验方法。本发明可完成孔隙尺度下微观孔隙模型内的多相流运动过程的可视化观测及测量，装置功能丰富，集成度高，试验过程操作简单。

附图说明

图1是本发明用于观测岩石孔隙尺度下多相流运动特性的可视化试验装置示意图。

图2是本发明微观模型细部结构俯视图。

图3是本发明微观模型细部结构侧视图。

图4为微观模型制作流程示意图一。

图5为微观模型制作流程示意图二。

图6为微观模型制作流程示意图三。

图7为微观模型制作流程示意图四。

图中：第三进样注射泵1、第三多通阀2、第三流体源3、第二进样注射泵4、第二多通阀5、第二流体源6、第一注射泵7、第一多通阀8、第一流体源9、第一三通接头10、第二三通接头11、第三三通接头12、温度计13、微流体压力传感器14、微观模型、15pdms固定小块16、led平板光源17、光学显微镜18、金属夹19、可转动支架20、工作平台21、水准仪22、废液回收阀门23、回收容器24、平衡支架25、cmos高速相机26、计算机27、硅片模具28、含固化剂的pdms液29、切割好的微观模型上片30、涂有已固化pdms的载玻片31、微观模型的进口端32、微观模型的出口端33。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对照附图对本发明作进一步详细说明。

本发明试验装置的试验方法具体实施如下：

步骤一，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，最后在微观模型的进口端32和微观模型的出口端33放置pdms小块16用于插拔针头。

步骤二，注射泵进样：首先将第一流体源9、第二流体源6和第三流体源三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。

步骤三，试验装置连接及试验前准备工作：按照试验装置示意图附图1进行仪器及管路连接，调整水准仪22使工作平台21水平，将微观模型放置于led光源17上方，如需研究同倾斜角度对多相流运动特征的影响，则可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。

步骤四，多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，此时第二入侵相流体将通过管路进入微观模型中，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。如进行多相驱替试验，则仿照以上操作步骤，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。

步骤五，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，洗净晾干，废液集中回收处理，试验结束。