一种水驱油微观物理模拟实验装置及方法与流程

本发明涉及一种微观物理模拟实验装置及方法，特别是关于一种水驱油微观物理模拟实验装置及方法。

背景技术：

国内外微观物理模拟实验起步较早，1952年，chatenever等使用玻璃材料制作粒状充填微观模型来研究多孔介质驱替过程的可视化研究，分析了微观剩余油的形态和形成机理。中国科学院渗流所于1960年代就提出了“微观渗流”的思想，郭尚平院士利用微观物理模型对渗流机理进行了大量实验研究，开展了注水指进发育和孔隙级机制研究，并阐述了油水二相渗流机理。lenormand通过玻璃刻蚀模型驱替实验，研究了孔隙尺度下的油水两相渗流规律，认为驱替前缘的油水分布情况与粘滞力和毛管力的相互作用有关，在此基础上讨论了利用相图和统计模型表征非混相驱替的方法。

但介于芯片制作材料、工艺和数据采集与处理设备的局限性，导致了芯片通道尺度过大且尺寸不能定量控制，驱替实验过程流量和压力也无法定量描述，很多微观模型不能称之为微流控芯片，所以之前大部分学者的相关研究都是以描述驱替过程、剩余油位置，分析润湿性影响等现象观察的定性描述为主，缺乏对流动状态、流动路径、剩余油状态参数(赋存位置、油水接触关系、形态)等的定量研究。随着芯片材料的优选，制作工艺与配套设备的逐渐进步，微观模型逐渐实现了微纳尺度通道中对低雷诺数或层流条件下微流体进行驱替控制的相关技术，将在石油工业发挥巨大作用。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种水驱油微观物理模拟实验装置及方法，该装置能够对油液混合液位移进行扫描，扫描结果更加直观，同时能够根据扫描结果给出驱替过程中油液和水移动的体积及质量的定量描述。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种水驱油微观物理模拟实验装置，其特征在于：其包括油液微观观测系统、液面激光扫描系统、计算机终端、设置在所述油液微观观测系统上的第一试样以及设置在所述液面激光扫描系统上的第二试样；所述液面激光扫描系统包括平台、支撑架、电机、丝杠、平移台、激光传感器、废液回收器、支架和液压泵；所述平台顶部两侧分别相对设置所述支撑架和电机；所述支撑架顶部设置所述第二试样，所述支撑架一端的所述平台顶部设置用于回收废液的所述废液回收器；所述电机的所述丝杠上设置可平行移动的所述平移台，所述平移台上设置所述激光传感器；所述平台底部设置所述支架，且所述平台底部与所述支架之间设置有可升降的所述液压泵；所述激光传感器与所述计算机终端相连，用于对所述第二试样进行激光扫描，并将扫描数据发送到所述计算机终端。

所述油液微观观测系统采用光学显微镜。

所述第一试样放置在底板上，所述第一试样一端上表面设置有油入口和水入口，所述油入口与所述第一试样内部设置的输油管线相连通，所述水入口与所述第一试样内部设置的输水管线相连通，所述输油管线与所述输水管线之间连通，所述输水管线另一端作为第一油液出口与所述第二试样相连。

所述第二试样放置在底板上，所述第二试样内部设置有一单通道输油管线，所述单通道输油管线两端分别作为第二油液进口和第二油液出口，所述第二油液进口通过入口管线与所述第一试样的第一油液出口相连，所述第二油液出口通过出口管线设置在所述废液回收器上方。

所述第二试样表面与所述单通道输油管线相邻处还设置有用于观测油液流动的刻度。

一种采用所述实验装置的水驱油微观物理模拟实验方法，其特征在于包括以下步骤：1)将第一试样固定安装在光学显微镜上，并通过观察光学显微镜调整第一试样使其处于一个便于观察的高度；2)将第二试样固定安装在液面激光扫描系统内的支撑架上，并将第二试样的油液进口通过入口管线与第一试样的油液出口相连，第二试样的油液出口通过出口管线设置在废液回收器上方；3)通过调节液压泵的高度调节平台的高度，进而使得第二试样的高度与光学显微镜上第一试样高度相同；4)分别向第一试样的油入口和水入口注入油和水，注入的油和水在第一试样的输油管线和输水管线的连接处混合，并由第一试样的油液出口进入第二试样的油液进口，过程中采用光学显微镜进行油液微观观测；5)启动电机，电机带动丝杠旋转从而带动平移台上面的激光传感器来回扫描第二试样中的油液液面，并将扫描数据发送到计算机终端进行处理，完成油液体积以及质量的计算。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于液面激光扫描系统中平台底部与支架之间设置有可升降的液压泵，可以调节平台的上下高度，进而调节第二试样的高度，使得两试样处于同一高度，有效避免了两试样因为重力产生压差，进而影响模拟实验效果。2、本发明由于液面激光扫描系统中设置有激光传感器，且该激光传感器可以在电机驱动下左右移动，对第二试样中油液混合液位移进行扫描，并通过计算机终端进行显示，实验结果更加直观。3、本发明由于可以通过激光传感器扫描一段时间内油液移动位置，进而计算出单位时间内油和水移动的体积及质量，对水驱油实验过程中流量给出了定量描述。本发明结果简单，操作方便，可以广泛应用于石油领域微观物理模拟实验研究领域。

附图说明

图1是本发明水驱油微观物理模拟实验装置的结构示意图；

图2是本发明水驱油微观物理模拟实验装置液面激光扫描系统轴测图；

图3是本发明水驱油微观物理模拟实验装置液面激光扫描系统俯视图；

图4是本发明水驱油微观物理模拟实验装置油液微观观测系统；

图5是本发明水驱油微观物理模拟实验装置第一试样的俯视图；

图6是本发明水驱油微观物理模拟实验装置第一试样的剖视图；

图7是本发明水驱油微观物理模拟实验装置第二试样的剖视图；

图8是本发明水驱油微观物理模拟实验装置t1时刻激光扫描图；

图9是本发明水驱油微观物理模拟实验装置t2时刻激光扫描图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的一种水驱油微观物理模拟实验装置，包括油液微观观测系统1、液面激光扫描系统2、计算机终端3、设置在油液微观观测系统1上的第一试样4以及设置在液面激光扫描系统2上的第二试样5。

如图2、图3所示，液面激光扫描系统2包括平台201、支撑架202、电机203、丝杠204、平移台205、激光传感器206、废液回收器207、支架208和液压泵209。平台201顶部两侧分别相对设置支撑架202和电机203；支撑架202顶部设置第二试样5，支撑架202一端的平台201顶部设置用于回收废液的废液回收器207；电机203的丝杠204上设置可平行移动的平移台205，平移台205上设置激光传感器206。平台201底部设置支架208，且平台201底部与支架208之间设置有可升降的液压泵209。激光传感器206与计算机终端3相连，用于对第二试样5进行激光扫描，并将扫描数据发送到计算机终端3。

如图4所示，油液微观观测系统1采用光学显微镜101。

如图5、图6所示，第一试样4放置在底板401上，第一试样4一端上表面设置有油入口402、水入口403，油入口402与第一试样4内部设置的输油管线404相连通，水入口403与第一试样4内部设置的输水管线405相连通，且输油管线404与输水管线405之间连通，油液与水在输油管线404与输水管线405连通处混合后，由输水管线405另一端的油液出口406排出，进入第二试样5。

如图7所示，第二试样5放置在底板501上，第二试样5内部设置有一单通道输油管线502，单通道输油管线502两端分别作为油液进口503和油液出口504，油液进口503通过入口管线505与第一试样4的油液出口406相连，油液出口504通过出口管线506设置在废液回收器207上方。第二试样5表面与单通道相邻处还设置有用于观测油液流动的刻度(图中未示出)。

上述实施例中，第一、第二试样4、5内部各输油管线、输水管线的孔径均相同。

基于上述水驱油微观物理模拟实验装置，本发明还提供一种水驱油微观物理模拟实验方法，包括以下步骤：

1)将第一试样4固定安装在光学显微镜101上，并通过观察光学显微镜101调整第一试样4使其处于一个便于观察的高度。

2)将第二试样5固定安装在液面激光扫描系统2内的支撑架202上，并将第二试样5的油液进口通过入口管线505与第一试样4的油液出口406相连，第二试样5的油液出口504通过出口管线506设置在废液回收器207上方。

3)通过调节液压泵209的高度调节平台201的高度，进而使得第二试样5的高度与光学显微镜101上第一试样4高度相同。

4)分别向第一试样4的油入口402和水入口403注入油和水，注入的油和水在输油管线404和输水管线405的连接处混合，并由输水管线405的油液出口406进入第二试样5，该过程中通过光学显微镜101进行油液微观观测。

5)启动电机203，电机203带动丝杠204旋转从而带动平移台205上面的激光传感器206来回扫描第二试样5中的油液液面，并将扫描数据发送到计算机终端3进行处理，完成油液体积以及质量的计算。

如图8、图9所示，分别为t1、t2时刻激光传感器206的扫描图谱。从图中可以得到，在(t2-t1)时刻油液的移动位移为x1(其中油液位移为x2，水位移为x3)。同时，从第二试样的刻度可以量出油液的实际移动位移，将油液位移x2与水位移x3相加后与第二式样上的刻度可验算是否等于x1。假设第二试样5的孔直径为d，则其中油液混合液驱动速度为s＝x1/(t2-t1)；单位时间内油液混合液移动体积v＝πd²(t2-t1)/4x1；单位时间内水移动质量m1＝ρ水gπd²(t2-t1)/4x2；单位时间内油移动质量m2＝ρ油gπd²(t2-t1)/4x3。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。