可视化反应装置及变温变压动态反应的模拟方法与流程

本发明涉及非常规天然气开采技术领域，具体而言，涉及可视化反应装置及变温变压动态反应的模拟方法。

背景技术：

近年来，随着国家能源结构的调整，我国非常规天然气的勘探和开发力度日益加大。因其巨大的储量和对环境保护、开采安全的重大影响，而愈发受到人们的重视。

我国非常规天然气资源丰富，主要包括煤层气、页岩气、致密气。其埋深从几百到几千米不等。不同埋深对应不同的温压环境，不同温压环境对应不同的二氧化碳相态，而不同相态的二氧化碳对非常规储层岩石的作用效果是不一样的。不同储层环境下，二氧化碳和不同岩石的物理、化学反应有不同的地方，这样会造成不同的结果，这些结果在一定程度上会引起非常规储层裂隙、微观结构、吸附解吸能力等的变化。为了减少工程施工的盲目性，急需研制出可以模拟各种非常规储层环境条件等的装置，用其进行二氧化碳与非常规储层岩石反应前后岩石物理、化学及力学等性质变化的研究，以便为不同储层不同条件的注二氧化碳工艺参数优化提供依据。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可视化反应装置，旨在模拟不同反应温压下反应物的反应状态，以便于进一步优化工艺参数。

本发明的另一目的在于提供一种变温变压动态反应的模拟方法，旨在模拟不同反应条件下，不同相态二氧化碳或二氧化碳泡沫压裂液和岩石的反应过程，以针对不同储层条件的注二氧化碳工艺参数的优化提供依据。

本发明是这样实现的：

一种可视化反应装置，包括加压模块、控制模块和带有加热器的反应釜；

加压模块包括压力容器、进气管、压力气输送管和用于对压力容器中的气体加压的加压组件，进气管与压力容器的进气口相连，压力气输送管的一端与压力容器的出气口连通，压力气输送管的另一端与反应釜的进气口连通；

反应釜的侧壁上设置有用于观测釜内反应情况的可视窗，反应釜上设置有用于检测釜内温度的温度传感器，且反应釜还连接有用于检测釜内压力的压力传感器；

控制模块包括控制器和显示器，温度传感器和压力传感器与控制器通信连接，显示器与控制器电连接。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，加压模块中的加压组件包括输液泵和活塞柱，活塞柱位于压力容器内，输液泵的出液口与压力容器的底部连通。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，加压模块还包括储气罐，储气罐的出气口通过进气管与压力容器的进气口连通。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，压力气输送管上设置有第一进口阀、单向阀和第二进口阀，第一进口阀位于压力气输送管靠近压力容器的一端，第二进口阀位于压力气输送管靠近反应釜的一端，单向阀位于第一进口阀和第二进口阀之间的管路上。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，反应釜包括釜体和盖体，盖体与釜体的顶壁可拆卸连接，反应釜的进气口位于盖体的侧部，温度传感器位于釜体上。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，反应釜的外壁上套设有隔热绝缘棉，且隔热绝缘棉上开设有与可视窗相适应的缺口。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，可视化反应装置还包括搅拌机构，搅拌机构与盖体可拆卸连接，搅拌机构的搅拌叶片伸入至反应釜内。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，反应釜的底部还设置有排料管路和真空泵，排料管路的顶部端口从反应釜的底部伸入至釜体内，排料管路的底部端口与真空泵的进气端管路相连。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，可视化反应装置还包括摄像模块，摄像模块包括摄像机和用于支撑摄像机的支架，且摄像机的镜头正对反应釜上的可视窗；

支架包括竖直支撑杆和三脚架，竖直支撑杆的顶部与摄像机的壳体底部相连，竖直支撑杆的底部与三脚架的顶部相连。

一种变温变压动态反应的模拟方法，其应用上述可视化反应装置变温变压动态反应是第一反应物和第二反应物之间的反应，第一反应物为不同相态二氧化碳或二氧化碳泡沫压裂液，第二反应物为非常规储层岩石，模拟方法包括以下步骤：

将岩样放入反应釜中，通过加压模块产生指定压力的加压气体并由压力气输送管输送至反应釜中参与反应，由反应釜上的加热器对釜内物料进行加热；

通过温度传感器和压力传感器检测反应釜内的温度和压力在指定范围内；

通过反应釜上的可视窗观测釜内的物料的反应过程；

优选地，在反应前将岩样浸泡于模拟储层流体中，通过调节浸泡时间使岩石的含水量达到指定水平，以模拟含水储层岩石的反应过程；

优选地，在反应釜中加入岩石后可以通过真空泵对釜体进行抽真空并密封；

优选地，通过摄像机对反应釜内的反应过程进行录像；

优选地，对反应后的气体、液体和岩石分别进行组分检测、溶液离子检测及反应前后岩石的力学性能和微观结构对比。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的可视化反应装置，其通过加压模块产生符合压力要求的气体，通过压力气输送管输送至反应釜中参与反应，通过反应釜上的加热器调控反应釜内的问题，并有温度传感器和压力传感器对釜内的压力和温度进行检测，使温度和压力的数值在显示器上显示；观察在指定温度和压力条件下反应釜内的反应过程，为后期不同原料的反应工艺优化提供依据。本发明装置可以更好、更真实地模拟地层条件下二氧化碳与岩石的作用，进行二氧化碳与岩样反应前后岩样物理、化学及力学等性质变化的研究以获得更加真实的实验数据，从而指导非常规天然气井的开发。

本发明实施例还提供了一种变温变压动态反应的模拟方法，其将岩样加入反应釜，并将二氧化碳加压后输送至反应釜参与反应，通过加压模块和反应釜上的加热器对釜内的压力和温度进行调节，并将温度传感器和压力传感器检测的参数值反馈到控制器，将参数值在显示器的示出便于观察。由此，可通过反应釜上的可视窗对釜内的反应情况进行观测，便于针对不同的原料优化反应的工艺参数。本发明提供的方法同样可以更好、更真实地模拟地层条件下二氧化碳与岩石的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的可视化反应装置的整体结构图；

图2是图1中盖体和搅拌机构的结构示意图；

图3是图2中盖体和搅拌机构的剖视图；

图4是图3中ⅳ区的放大图。

图标：100-可视化反应装置；101-加压模块；102-摄像模块；103-反应釜模块；104-控制模块；105-抽真空模块；1-搅拌机构；2-不锈钢耐压保护罩；3-反应釜；31-盖体；32-釜体；4-可视窗；5-隔热绝缘棉；6-固定螺母；7-第二进口阀；8-单向阀；9-排空阀；10-真空泵；11-加压组件；12-压力容器；13-储气罐；14-第一进口阀；15-调节阀门；16-活塞柱；17-温度传感器；18-压力传感器；19-调速器；20-温度显示器；21-压力显示器；22-总电源；23-加热按钮；24-压力阀；25-支架；251-竖直支撑杆；252-三脚架；26-摄像机；27-进气管；28-压力气输送管；30-显示器；33-排料管路；34-凹槽；341-槽体上部；342-槽体下部；343-连接板。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参照图1，本发明实施例提供了一种可视化反应装置100，包括加压模块101、控制模块104、摄像模块102、抽真空模块105和反应釜模块103。反应釜模块103包括带有加热器的反应釜3，通过加压模块101、反应釜模块103和控制模块104的配合实现在指定温度和压力的条件下观察反应釜3内物料反应状况的目的。

具体地，加压模块101包括压力容器12、进气管27、压力气输送管28和用于对压力容器12中的气体加压的加压组件11，进气管27与压力容器12的进气口相连，压力气输送管28的一端与压力容器12的出气口连通，压力气输送管28的另一端与反应釜3的进气口连通。通过加压组件11对压力容器12中的气体加压，进而控制反应釜3中的压力。

在一些实施例中，加压组件11可以为输液泵的形式，具体包括输液泵和活塞柱16，活塞柱16位于压力容器12内，输液泵的出液口与压力容器12的底部连通。输液泵可以为一般市购的平流泵，输液泵将水输入压力容器12中，推动活塞柱16上移对气体施压，待压力稳定后不再加水，能够实现自动补偿压力的效果。

进一步地，加压模块101还包括储气罐13，储气罐13的出气口通过进气管27与压力容器12的进气口连通。储气罐13用于存储备用反应气体如二氧化碳，通过进气管27上的调节阀门15的开关实现进气与停止进气。

进一步地，压力气输送管28上设置有第一进口阀14、单向阀8和第二进口阀7，第一进口阀14位于压力气输送管28靠近压力容器12的一端，第二进口阀7位于压力气输送管28靠近反应釜3的一端，单向阀8位于第一进口阀14和第二进口阀7之间的管路上。

具体地，单向阀8为一般的市购可以单向通过的阀门，其通过方向为从压力容器12到反应釜3，这样防止在反应过程中反应釜3中的压力过高出现气体逆性的现象。

进一步地，反应釜3的侧壁上设置有用于观测釜内反应情况的可视窗4，反应釜3上设置有用于检测釜内温度的温度传感器17，且反应釜3还连接有用于检测釜内压力的压力传感器18。控制模块104包括控制器(图未示)和显示器30，温度传感器17和压力传感器18与控制器通信连接，显示器30与控制器电连接。通过加压模块101对气体加压，通过反应釜3上的加热器对釜内物料加热至指定温度，温度传感器17和压力传感器18将检测到的温度和压力信号反馈至控制器，并在显示器30上示出便于观察。通过反应釜3上的可视窗4对釜内的反应状况进行观察，并记录反应状态，为反应参数的优化提供依据。

具体地，显示器30包括用于显示温度的温度显示器20和用于显示压力的压力显示器21。显示器30和控制器可以均设置在控制面板上，显示器30、温度传感器17、压力传感器18和控制器的结构和工作原理为现有技术。控制器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的控制器可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、网络处理器(networkprocessor，np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器；处理器也可以是任何常规的处理器等。于本实施例中，优选地，该控制器可以是stm32系列的处理器，例如stm32f103c8t6、stm32f103vet6等型号。压力传感器18可以为昆仑海岸jyb-ko-pah、pt124g-111、pt124g-128、pt124b-112等型号；温度传感器12可以为(广州科意仪器科技有限公司)wrm2-101、wrn-101、wre2-101等型号。

具体地，压力传感器18与反应釜3的连接管路上可以设置压力阀24，连接管路上的压力与反应釜3内的压力相当。可视窗4的材质可以为人造蓝宝石，且带有刻度，其周围用固定螺母6进行固定。反应釜3上的加热器可以参照现有反应釜的结构和工作原理，用于对反应釜3内的物料加热至指定温度即可。

在一些实施例中，反应釜3的外壁上套设有隔热绝缘棉5，且隔热绝缘棉5上开设有与可视窗4相适应的缺口，利用隔热绝缘棉5可以起到很好的隔热效果，隔热绝缘棉5为现有材质在此不做过多赘述。同样，在一些实施例中，围绕反应釜3的外壁可以设置不锈钢耐压保护罩2，起到防止烫伤的作用，提高设备运行过程的稳定性。

进一步地，反应釜3包括釜体32和盖体31，盖体31与釜体32的顶壁可拆卸连接，反应釜3的进气口位于盖体31的侧部，温度传感器17位于釜体32上。釜体32和盖体31的连接处可以设置石墨密封垫圈(图未示)，以保证整个反应釜3的密封性。盖体31和釜体32的可拆卸连接方式不限可以是借助螺钉等连接件进行固定，二者的可拆卸连接方式便于加料和检修，操作十分方便。

在本发明较佳的实施例中，可视化反应装置100还包括搅拌机构1，搅拌机构1与盖体31可拆卸连接，搅拌机构1的搅拌叶片伸入至反应釜3内。搅拌机构1一般包括电机和转动轴，搅拌叶片设置在转动轴上，通过电机带动转动轴旋转进而带动搅拌叶片转动，使釜体32内的物料混匀或起泡。

需要补充的是，搅拌机构1可以根据需要设置，如反应物为二氧化碳泡沫压裂液时需要通过搅拌机构1对物料进行搅拌起泡。可以在控制器和显示器30所在的控制面板上设置用于控制搅拌机构1转速的调速器19，便于对搅拌速率进行调控。同样，可以在该控制面板上设置总电源22和加热按钮23，通过连接线路与反应釜3上的加热器相连。

在本发明较佳的实施例中，反应釜3的底部还设置有排料管路33和真空泵10，排料管路33的顶部端口从反应釜3的底部伸入至釜体32内，排料管路33的底部端口与真空泵10的进气端管路相连。排料管路33的底部可以和真空泵10的抽气管可拆卸连接，反应前开启排料管路33上的排空阀9后可以通过真空泵10将反应釜3内的气体抽出，达到对釜内和管线抽真空的目的；反应后将真空泵10和排料管路33拆除连接可以通过排料管路33将釜体32内的气体和液体排出，进入后续的产物检测分析阶段。

进一步地，摄像模块102包括摄像机26和用于支撑摄像机26的支架25，且摄像机26的镜头正对反应釜3上的可视窗4。通过摄像机26对反应釜3内的反应过程进行录像，便于后续进行观察分析，为后续工艺参数的优化提供依据。

具体地，支架25包括竖直支撑杆251和三脚架252，竖直支撑杆251的顶部与摄像机26的壳体底部相连，竖直支撑杆251的底部与三脚架252的顶部相连。支架25起到稳定支撑的作用，竖直支撑杆251的顶部可以与摄像机26的壳体可拆卸连接，如通过卡扣等方式进行连接。

搅拌机构1与盖体31之间的可拆卸连接方式可以如图2-4中所示，盖体31上可以设置与搅拌机构1的外壁相适应的凹槽34，并且凹槽34可以分为槽体上部341和槽体下部342，槽体下部342的宽度小于槽体上部341的宽度，搅拌机构1的顶部也与凹槽34的形状相适应，且搅拌机构1的侧壁上还设置有连接板343，连接板343搭接在槽体上部341的底壁上，再通过螺钉等连接件进行连接。

优选地，可以在连接板343与槽体上部341的底壁之间设置密封垫片，以增强密封的效果。

本发明实施例还提供了一种变温变压动态反应的模拟方法，其应用上述可视化反应装置变温变压动态反应是第一反应物和第二反应物之间的反应，第一反应物为不同相态二氧化碳或二氧化碳泡沫压裂液，第二反应物为非常规储层岩石，模拟方法包括以下步骤：

将岩石放入反应釜中，通过加压模块产生指定压力的加压气体并由压力气输送管输送至反应釜中参与反应，由反应釜上的加热器对釜内物料进行加热；通过温度传感器和压力传感器检测反应釜内的温度和压力在指定范围内；通过反应釜上的可视窗观测釜内的物料的反应过程。

优选地，在反应前将岩样浸泡于模拟储层流体中，通过调节浸泡时间使岩石的含水量达到指定水平，以模拟含水储层岩石的反应过程。

优选地，在反应釜中加入岩石后可以通过真空泵对釜体进行抽真空并密封。

优选地，通过摄像机对反应釜内的反应过程进行录像，以便后期调取观察，为工艺优化提供具体根据。

优选地，对反应后的气体、液体和岩石分别进行组分检测、溶液离子检测及反应前后岩石的力学性能和微观结构对比。具体地，实验结束后，打开排空阀卸压并收集反应后气体、液体，对反应后的气体、液体和岩石进行组分检测及溶液离子检测，并对反应前后岩石的力学性能和微观结构进行对比。

综上所述，本发明提供了一种可视化反应装置，其通过加压模块产生符合压力要求的气体，通过压力气输送管输送至反应釜中参与反应，通过反应釜上的加热器调控反应釜内的问题，并有温度传感器和压力传感器对釜内的压力和温度进行检测，使温度和压力的数值在显示器上显示；观察在指定温度和压力条件下反应釜内的反应过程，为后期不同原料的反应工艺优化提供依据。

该可视化反应装置具备下列优点：(1)本发明中的反应釜的盖体与釜体以可拆卸环封连接，盖体接口处贴有进口石墨密封垫片，密封性能好；盖体可以随时安装可拆卸搅拌器用于制造泡沫，可研究泡沫与岩石的反应；(2)本发明图1中的反应釜具有双重保护机制，安全性好；(3)本发明装置流动性强、实验方法简介易上手；(4)本发明可随时调控温压，可模拟不同的储层环境，且可以制造不同相态的二氧化碳；(5)本发明可以做到实时观察、备份反应全过程的内容；(6)本发明模块分开且每个部件易于拆卸、修理。

本发明实施例还提供了一种变温变压动态反应的模拟方法，其将岩样加入反应釜，并将二氧化碳加压后输送至反应釜参与反应，通过加压模块和反应釜上的加热器对釜内的压力和温度进行调节，并将温度传感器和压力传感器检测的参数值反馈到控制器，将参数值在显示器的示出便于观察。由此，可通过反应釜上的可视窗对釜内的反应情况进行观测，便于针对不同的原料优化反应的工艺参数。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。