超临界CO2射流供给装置及射流实验系统的制作方法

本实用新型涉及超临界流体技术领域与高压喷射技术领域，特别涉及一种超临界 CO2射流供给装置及射流实验系统。

背景技术：

超临界CO2流体具有广泛的用途，尤其在石油天然气领域，超临界CO2由于具有低粘度，易扩散等特点，作为一种新型钻完井工作液，具有低成本、低污染、高效率的优点。目前有关超临界CO2的研究正在实验室内广泛进行。

然而，超临界CO2与传统水基工作液相比，对施工装置密封性要求严格，且由于其工作状态全程处于高压状态，现场施工和实验研究均受到限制，也难以对其工作特性进行深入研究。目前实验室内部进行超临界CO2研究均使用高压泵提供压力，不仅费用高、耗能高、占用空间大、噪声大、安全性低，而且压力波动大难以满足实验的要求。

首先，传统高压气泵在压缩气体的过程中，压缩气量小，所获得的压力小，波动大，即使将CO2压缩为液体后，压力也很难达到50MPa以上；其次，传统三柱塞高压泵在工作过程中，采用机械压缩体积方式，摩擦阻力较大，能耗高，功率大，且工作噪音大；再次，传统高压气泵受限于机械部件尺寸，对于大气量的实验，压缩气体的时间至少需要30分钟以上，实验准备时间过长，对实验结果的准确性有较大影响。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种超临界CO2射流供给装置及射流实验系统，能够取代高压泵，为超临界CO2射流实验提供更高更稳定的压力供给。

为达到上述目的，本实用新型提出一种超临界CO2射流供给装置，其中，所述超临界CO2射流供给装置包括温控箱和通过管线串联连接的储气罐、备用储气容器和高压密封缸，所述备用储气容器和所述高压密封缸均设置在所述温控箱内，所述储气罐和所述备用储气容器之间的管线上设置有储气罐出口阀门，所述高压密封缸的出口连接有高压密封缸出口阀门，所述储气罐出口阀门和所述备用储气容器之间的管线上还设置有抽真空组件。

如上所述的超临界CO2射流供给装置，其中，所述超临界CO2射流供给装置还包括数据采集和控制终端，所述储气罐出口阀门和所述高压密封缸出口阀门均与所述数据采集和控制终端电连接。

如上所述的超临界CO2射流供给装置，其中，所述备用储气容器和所述高压密封缸之间的管线上还设置有高压密封缸进口阀门，所述高压密封缸进口阀门与所述数据采集和控制终端电连接。

如上所述的超临界CO2射流供给装置，其中，所述备用储气容器包括多个备用储气瓶，多个所述备用储气瓶依次连接在所述抽真空组件和所述高压密封缸进口阀门之间的管线上。

如上所述的超临界CO2射流供给装置，其中，所述抽真空组件包括顺序连接的抽真空阀门和真空泵。

如上所述的超临界CO2射流供给装置，其中，所述高压密封缸内设置有第一压力计和第一温度计，所述第一压力计和所述第一温度计均与所述数据采集和控制终端电连接。

如上所述的超临界CO2射流供给装置，其中，所述温控箱内设置有第一温控器，所述第一温控器与所述数据采集和控制终端电连接。

本实用新型还提出一种超临界CO2射流实验系统，其中，所述超临界CO2射流实验系统包括超临界CO2射流实验装置和如上所述的超临界CO2射流供给装置，所述超临界CO2射流实验装置包括输送管线、围压筒和设置在围压筒内的岩心夹持器，所述围压筒具有入口和出口，所述输送管线的一端与所述高压密封缸出口阀门相连通，所述输送管线的另一端贯穿所述围压筒的入口并伸入所述围压筒内，所述输送管线的外壁与所述围压筒的入口的内壁密封配合，所述围压筒的出口连接有排泄阀门。

如上所述的超临界CO2射流实验系统，其中，所述围压筒内设有喷嘴和挡板，所述喷嘴连接在所述输送管线的另一端，所述岩心夹持器夹持有呈柱状的岩心样品，所述喷嘴的喷射方向沿所述岩心样品的轴线设置，且所述喷嘴与所述岩心样品具有间隔，所述挡板能拆卸地安装在所述喷嘴和所述输送管线之间。

如上所述的超临界CO2射流实验系统，其中，所述围压筒内还设置有第二温控器、第二压力计和第二温度计，所述超临界CO2射流供给装置还包括数据采集和控制终端，所述第二温控器、所述第二压力计、所述第二温度计和所述排泄阀门均与所述数据采集和控制终端电连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下特点和优点：

本实用新型提出的超临界CO2射流供给装置根据气体相态变化原理，先将气态 CO2冷却为液态CO2，在常压下获得足量CO2后，再通过升高温度，获得稳定的高压超临界CO2流体。具体的，使用温控箱为高压密封缸和备用储气容器降温，将由储气罐充入的CO2气体液化并储存，再使用温控箱加热高压密封缸，将高压密封缸内的低温常压液体CO2变为高温高压超临界CO2流体，从而为超临界CO2射流实验提供稳定的超临界CO2射流；并且与传统高压泵方式相比，本实用新型提出的超临界 CO2射流供给装置及射流实验系统不但减少了耗能与噪音，还简化了操作，提高了效率，同时也更为安全。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本实用新型公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本实用新型的理解，并不是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本实用新型的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本实用新型。

图1为本实用新型中超临界CO2射流实验系统的结构示意图。

附图标记说明：

100、超临界CO2射流供给装置； 110、温控箱；

111、第一温控器； 120、管线；

130、储气罐； 131、储气罐出口阀门；

140、备用储气容器； 141、备用储气瓶；

142、备用储气瓶出口阀门； 150、高压密封缸；

151、高压密封缸出口阀门； 152、高压密封缸进口阀门；

153、第一压力计； 154、第一温度计；

160、抽真空组件； 161、抽真空阀门；

162、真空泵； 170、数据采集和控制终端；

200、超临界CO2射流实验装置； 210、输送管线；

220、围压筒； 221、排泄阀门；

222、第二温控器； 223、第二压力计；

224、第二温度计； 230、岩心夹持器；

250、挡板； 260、岩心样品；

240、喷嘴。

具体实施方式

结合附图和本实用新型具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本实用新型的细节。但是，在此描述的本实用新型的具体实施方式，仅用于解释本实用新型的目的，而不能以任何方式理解成是对本实用新型的限制。在本实用新型的教导下，技术人员可以构想基于本实用新型的任意可能的变形，这些都应被视为属于本实用新型的范围。

如图1所示，本实用新型提出的超临界CO2射流供给装置100包括温控箱110 和通过管线120串联连接的储气罐130、备用储气容器140和高压密封缸150，备用储气容器140和高压密封缸150均设置在温控箱110内，储气罐130和备用储气容器 140之间的管线上设置有储气罐出口阀门131，高压密封缸150的出口连接有高压密封缸出口阀门151，储气罐出口阀门131和备用储气容器140之间的管线上还设置有抽真空组件160。

本实用新型还提出一种超临界CO2射流实验系统，该超临界CO2射流实验系统包括上述超临界CO2射流供给装置100和超临界CO2射流实验装置200，超临界CO2射流实验装置200包括输送管线210、围压筒220和设置在围压筒220内的岩心夹持器230，围压筒220具有入口和出口，输送管线210的一端与高压密封缸出口阀门151 相连通，输送管线210的另一端贯穿围压筒220的入口并伸入围压筒220内，输送管线210的外壁与该入口的内壁密封配合，围压筒220的出口连接有排泄阀门221，排泄阀门221与数据采集和控制终端170电连接。

本实用新型提出的超临界CO2射流供给装置及射流实验系统，用于模拟超临界 CO2射流破岩及射流结构特性实验；其中，超临界CO2射流供给装置是超临界CO2射流实验系统的核心模块。本实用新型提出的超临界CO2射流供给装置根据气体相态变化原理，先将气态CO2冷却为液态CO2，在常压下获得足量CO2后，再通过升高温度，获得稳定的高压超临界CO2流体。具体的，在超临界CO2射流供给装置中，备用储气容器140和高压密封缸150设置在温控箱110内，使用温控箱110为高压密封缸150和备用储气容器140降温，将由储气罐130充入的CO2气体液化并储存，再使用温控箱110加热高压密封缸150，将高压密封缸150内的低温常压液体CO2变为高温高压超临界CO2流体，从而为超临界CO2射流实验提供稳定的超临界CO2射流；并且，与传统高压泵方式相比，本实用新型提出的超临界CO2射流供给装置及射流实验系统不但减少了耗能与噪音，还简化了操作，提高了效率，同时也更为安全。

本实用新型提出的超临界CO2射流供给装置及射流实验系统，能够实现超临界 CO2射流破岩及射流结构特性实验，通过高压密封缸150取代现有的高压泵，为CO2提供更高更稳定的压力供给。

本实用新型提出的超临界CO2射流供给装置及射流实验系统，采用相变原理获得的高压，可以处理更大气量的CO2气体，压力也能够达到50MPa以上，最高可以接近100MPa，满足了超临界CO2射流实验的要求。

本实用新型提出的超临界CO2射流供给装置及射流实验系统，没有机械能损失，由于高压密封缸150与管线120均可以采用绝热设计，避免能量损失，大大提高了能量利用效率。

本实用新型提出的超临界CO2射流供给装置及射流实验系统，实验准备时间仅需5到10分钟，大大缩短了实验准备时间，保持了实验系统内温度的统一，提高了实验结果的准确性。

本实用新型提出的超临界CO2射流供给装置及射流实验系统，主要根据相态原理和CO2特性实现。CO2气体液化压力随温度变化而变化，在压力为5MPa时，液化温度为14.43℃；CO2从储气罐130中流出后进入高压密封缸150和备用储气容器140，经冷却后转变为液态，以液态方式存储，故高压密封缸150内可储存大量CO2；在经过升温后，液态CO2转变为气态，压力急剧升高，可从原储气罐5MPa压力，升高到 50MPa以上，甚至更高，为CO2提供更高更稳定的压力供给，满足了射流实验的要求。

在本实用新型中，高压密封缸150能够承受的压力大于100MPa。

在本实用新型一个可选的例子中，超临界CO2射流供给装置100还包括数据采集和控制终端170，储气罐出口阀门131和高压密封缸出口阀门151均为电动控制阀门且均与数据采集和控制终端170电连接。通过数据采集和控制终端170可以控制储气罐出口阀门131和高压密封缸出口阀门151的打开和关闭，进而提高超临界CO2射流供给装置及实验系统控制操作的效率及安全性。数据采集和控制终端170及其与储气罐出口阀门131和高压密封缸出口阀门151的电连接形式可以采用现有技术，在此不进行赘述。

在本实用新型一个可选的例子中，备用储气容器140和高压密封缸150之间的管线上还设置有高压密封缸进口阀门152，高压密封缸进口阀门152与数据采集和控制终端170电连接。

在本实用新型一个可选的例子中，备用储气容器140包括多个备用储气瓶141，多个备用储气瓶141依次连接在抽真空组件160和高压密封缸进口阀门152之间的管线120上。

在一个可选的例子中，备用储气容器140包括有6个备用储气瓶。

在一个可选的例子中，每个备用储气瓶141和管线120之间均设置有备用储气瓶出口阀门142，备用储气瓶出口阀门142与数据采集和控制终端170电连接。

这样，在实验过程中，可以通过数据采集和控制终端170实时控制备用储气容器 140的开闭，在需要的时候向高压密封缸150内补充超临界CO2，以维持高压密封缸 150内压力在一定时间内的稳定，从而实现稳定的超临界CO2射流。

在本实用新型一个可选的例子中，抽真空组件160包括顺序连接的抽真空阀门 161和真空泵162。抽真空组件160用于将储气罐出口阀门131和高压密封缸出口阀门151之间的空间抽成真空(包括备用储气容器140)，以便将储气罐130内的CO2的充入。

在本实用新型一个可选的例子中，高压密封缸150内设置有第一压力计153和第一温度计154，第一压力计153和第一温度计154均与数据采集和控制终端170电连接。第一压力计153和第一温度计154用于数据采集，通过第一压力计153和第一温度计154数据采集和控制终端170可以实时监测高压密封缸150内CO2的温度和压力，以便及时控制备用储气瓶出口阀门142、高压密封缸进口阀门152的开闭，以及时为高压密封缸内补充CO2；并且整个过程无需人员操作，既降低了人为因素的干扰，提高了实验精度，也能提高实验人员安全系数。

在本实用新型一个可选的例子中，当高压密封缸150内压力降低1％后，数据采集和控制终端170便控制备用储气瓶阀门打开，为高压密封缸150内补充CO2。

在本实用新型一个可选的例子中，温控箱110内设置有第一温控器111，第一温控器111与数据采集和控制终端170电连接。这样，高压密封缸150的温度也由数据采集和控制终端170调节，通过数据采集和控制终端170控制第一温控器111自动控制加热和制冷，整个过程均无需人员操作，既降低了人为因素的干扰，提高了实验精度，也能提高实验人员安全系数。

在本实用新型一个可选的例子中，围压筒220内设有喷嘴240和挡板250，喷嘴 240连接在输送管线210的另一端，岩心夹持器230夹持有用于实验的岩心样品260，岩心样品260，喷嘴240沿岩心样品的轴线设置并与岩心样品具有间隔，挡板250用于保护岩心样品并能拆卸地安装在输送管线210和喷嘴240之间。

在本实用新型一个可选的例子中，围压筒220内还设置有第二温控器222、第二压力计223和第二温度计224，第二温控器222、第二压力计223和第二温度计224 均与数据采集和控制终端170电连接。这样，在实验过程中数据采集和控制终端170 能够实时采集实验数据。

在本实用新型一个可选的例子中，储气罐出口阀门131、高压密封缸出口阀门 151、高压密封缸进口阀门152、排泄阀门221、备用储气瓶出口阀门142和抽真空阀门161均为电动阀门。数据采集和控制终端170与第一温控器111、第一压力计153、第一温度计154、第二温控器222、第二压力计223、第二温度计224、储气罐出口阀门131、高压密封缸出口阀门151、高压密封缸进口阀门152、排泄阀门221、备用储气瓶出口阀门142及抽真空阀门161电连接组成数据采集与控制模块，该数据采集与控制模块，通过监测高压密封缸中压力变化，自动调节备用气瓶阀门为高圧密封缸补充超临界CO2；通过控制高压密封缸进口阀门152和排泄阀门221的开闭程度来自动调节围压筒220内压力，以达到实验所需压力；通过监测温控箱110和围压筒220中温度，进行自动调节，温度调节范围为0-100℃。

下面结合附图1对本实用新型的具体实施方式进行详细说明：

实验准备阶段，将岩心样品260放置在岩心夹持器230中，放入用于模拟井下环境的围压筒220内，同时关闭高压密封缸出口阀门151。通过数据采集和控制终端170 使温控箱110内的第一温控器111打开制冷，将温控箱110内的温度降低至0℃以下，待其稳定后，保持温度不变。储气罐出口阀门131和高压密封缸出口阀门151保持关闭，打开真空泵162，将高压密封缸150和备用储气容器140中抽成真空。

实验进行阶段，连接好储气罐130与储气罐出口阀门131，打开储气罐出口阀门 131，其中，储气罐130常温下压力为5～7MPa，在储气罐130自有压力下CO2充入高压密封缸150和备用储气瓶141，此时进入高压密封缸150和备用储气瓶141中的 CO2被液化，当储气罐出口阀门131两侧压力平衡后，更换满瓶的储气罐130，继续向高压密封缸150和备用储气瓶141中充入CO2，直至达到实验预先计算的CO2的气量，之后，关闭储气罐出口阀门131。同时，第一温控器111关闭制冷，选择加热，使高压密封缸150缓慢升温；根据高压密封缸150内的第一压力计153和第一温度计 154示数，达到预先设定值后，第一温控器111停机，并保持温度恒定。打开第二温控器222，为围压筒220加热，至实验设定温度后停止加热，并维持温度不变。打开高压密封缸出口阀门151，高压超临界CO2通过管线进入喷嘴240(喷嘴240为高压喷嘴)，以射流的形式喷射在挡板250上，此时开启排泄阀门221，并通过数据采集和控制终端170自动调节高压密封缸出口阀门151和排泄阀门221的开度，以调节围压筒220中的压力；当围压筒220中的压力达到预定压力并且超临界CO2射流稳定后，经喷嘴240喷射出的超临界CO2便为实验所需要的超临界CO2射流，可进行相关射流结构测试和超临界CO2射流破岩实验。之后，撤掉挡板250，使超临界CO2射流直接作用在岩心样品260端面上，围压筒220上具有可视窗口，通过围压筒220 上的可视窗口观察实验现象，通过数据采集和控制终端170采集实验数据，待实验完成后，将残余高压气体通过排泄阀门221排出，取出岩心样品260并进行后续处理，完成实验。

实验过程中，由于高压密封缸150内的超临界CO2流体不断释放，如果不及时补充足够的流体，其压力将不断下降，影响实验结果。因此，实验时数据采集和控制终端170不间断监测高压密封缸150内压力，当其压力降低1％后，便自动打开高压密封缸进口阀门152和备用储气瓶出口阀门142，为高压密封缸150持续补充超临界 CO2流体。相比于传统三柱塞高压泵增压产生的超临界CO2射流(波动幅度达35％)，此方式产生的超临界CO2射流压力波动小，1％左右的波动，可近似为稳态射流。

另外，高压密封缸150及围压筒220内的温度也由数据采集和控制终端170进行自动控制加热和制冷，整个过程均通过数据采集和控制终端170进行监测和控制，无需人员操作，既降低了人为因素的干扰，提高了实验精度，也能提高实验人员安全系数。实验完成后，取出实验试件，进行相关测量，导出实验数据，进行后续数据分析，完成整个实验。

针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本实用新型进行解释，以便于能够更好地理解本实用新型，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本实用新型的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。