多孔介质条件下CO2重力不稳定扩散可视化实验装置及方法与流程

多孔介质条件下co2重力不稳定扩散可视化实验装置及方法
技术领域
1.本发明属于碳埋存实验和co2驱实验技术领域，具体涉及一种多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验装置及方法。


背景技术：

2.co2是引起温室效应的全球公认的最主要的温室气体。将co2注入地 层是co2封存实现碳中和的主要方法。
3.目前，底水脊进是我国强底水油藏开发面临的主要问题，由于co2的密度低于地层水的密度，将co2从顶部注入油藏，能够向下排驱水相，从而达到压水锥的目的。但co2在地层水中溶解可使地层水的密度增加，重力引起的自然对流是影响co2压水锥效果的重要因素。同时溶解co2的地层水沉降到储层底部，可以抑制co2的逃逸，有利于co2长期埋存。因此，研究多孔介质条件下co2在地层水中对流不稳定性和co2溶解动力学，具有研究价值和实际意义。
4.目前，针对重力引起的自然对流的可视化实验装置主要是hele-shaw 模型，此类装置为可视化的平板模型，但一般不是多孔介质模型。例如陆国欢(2017，大连理工大学硕士学位论文)开展了高压co2溶解对流可视化实验，所用模型为薄层空间模型。然而重力对流受储层的孔隙结构影响较大，因此空腔模型难以模拟co2在多孔介质中的对流扩散性质。
5.现有的用于研究重力不稳定性的hele-shaw多孔介质模型基本都是常压或低压装置，常见的包括：玻璃微珠填充模型、刻蚀玻璃模型等多孔介质模型等。例如：saffman和taylor(1958,doi：10.1098/rspa.1958.0085) 首次设计了填砂的hele-shaw模型来模拟不稳定渗流。樊银婷(2018，大连理工大学硕士学位论文)在常温常压下，进行了hele-shaw模型的co2溶解引起对流扩散实验。mahmoodpour等(2019,doi:10.1103/physrevapplied. 12.034016)设计了高压hele-shaw模型来研究co2溶液的对流扩散，但其装置的承压上限仅为3.69mpa(535.3psi)；郭省学(2019, doi:10.13673/j.cnki.cn37-1359/te.2019.03.013)的高温高压实验装置承压仅 8mpa。压力对co2扩散速度及溶解度的影响巨大，因此低压模型难以模拟地层条件下的co2溶解扩散性质。
6.由于储层条件下实验难度大，耗费的时间长，地质储层中co2的对流溶解实验较少。通常选用了模拟流体，如两种混相流体取代co
2-盐水体系。例如wooding等(2006)使用高锰酸钾作为溶质取代co2进行对流指进的研究；ennis-king等(2005)使用80％甘油和水的混合物(增加粘度)作为母液，通过增加盐度来造成重力不稳定，观察指进的生长和粗化；tsai等(2013) 利用水和丙二醇替代co2和盐水，在hele-shaw模型中研究了倾斜边界对对流的影响，获得了相似的比例关系并指出倾斜边界会增加co2在盐水中的溶解速率；slim等(2013)研究了hele-shaw模型中高锰酸钾在水中的对流扩散过程，确定了六种不同的机制作为雷诺数ra和水平扩散时间的函数。流体模型系统有以下两种：经典的rayleighl-darcy对流系统和 analogue-fluid模型。但这类模拟实验的两种混相流体完全混合，混合溶液的粘度和扩散强烈依赖于溶液浓度差，而co
2-水体系的流体性质受到co2扩散系数及浓度等因
素的综合影响，因此常常难以模拟co2的对流溶解。
7.综上，现有的这些装置难以用于基于重力不稳定的co2对流扩散实验。
8.因此，特别需要一种能够实现在地层温度、压力及重力条件下，直观观测co2在地层水中对流扩散过程及扩散过程中的重力不稳定性，用于研究co2在地层中的对流扩散机理。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种能够实现在地层温度、压力及重力条件下，直观观测co2在地层水中对流扩散过程及扩散过程中的重力不稳定性，用于研究co2在地层中的对流扩散机理的多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验装置及方法。
10.为了实现上述目的，本发明提供一种多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验装置，包括：hele-shaw高压釜、注入及压力控制模块、温度控制模块和图像采集处理模块；所述注入及压力控制模块包括驱替泵、地层水中间容器、co2中间容器和增压液中间容器，所述驱替泵分别与所述地层水中间容器、co2中间容器和增压液中间容器连接，所述地层水中间容器、co2中间容器和增压液中间容器均与所述hele-shaw高压釜连接，其中，所述hele-shaw高压釜中的模拟地层温度达到150℃、模拟地层压力达到 100mpa；所述温度控制模块包括第一加热保温套、第二加热保温套、第一温度检测单元、第二温度检测单元和温度控制单元，所述温度控制单元分别与所述第一加热保温套、第二加热保温套、第一温度检测单元、第二温度检测单元连接；所述图像采集处理模块包括图像采集单元、led面光源和控制器，所述控制器与所述图像采集单元连接。
11.可选的，所述驱替泵分别与所述地层水中间容器的入口、co2中间容器的入口和增压液中间容器的入口连接；所述地层水中间容器的出口和co2中间容器的出口均与所述hele-shaw高压釜的顶部模型入口连接；所述增压液中间容器的出口与所述hele-shaw高压釜的底部环压入口连接。
12.可选的，所述hele-shaw高压釜的底部环压入口还与真空泵连接；所述hele-shaw高压釜的顶部环压出口设有放空阀；所述hele-shaw高压釜的底部模型出口分别与回压阀和真空泵连接。
13.可选的，所述第一加热保温套包裹于所述hele-shaw高压釜的外部，所述第一温度检测单元设置于所述第一加热保温套内；所述第二加热保温套包裹于所述co2中间容器的外部，所述第二温度检测单元设置于所述第二加热保温套内，所述温度控制单元接收所述第一温度检测单元和所述第二温度检测单元的温度信息，根据所述温度信息控制所述第一加热保温和或第二加热保温的加热情况。
14.可选的，所述led面光源位于所述hele-shaw高压釜的后方，所述图像采集单元位于所述hele-shaw高压釜的前方，采集所述led面光源透射在所述hele-shaw高压釜前侧面上的光图像，并将所述光图像传输至所述控制器，以供所述控制器分析所述光图像，获取co2浓度分布与时间变化的关系。
15.可选的，所述hele-shaw高压釜包括前盖、后盖、高压釜外壁和 hele-shaw模型，所述高压釜外壁的一端与所述前盖连接，另一端与所述后盖连接，所述高压釜外壁的内侧壁与所述hele-shaw模型连接。
16.可选的，所述前盖上设有第一视窗槽，前侧盖板将前侧蓝宝石视窗固定在所述前盖的视窗槽内；所述后盖上设有第二视窗槽，后侧盖板将后侧蓝宝石视窗固定在所述后盖的视窗槽；所述高压釜外壁的内侧设有环形凸起，所述hele-shaw模型通过模型固定压板固定在所述高压釜外壁的环形凸起上。
17.可选的，所述hele-shaw模型为一个矩形玻璃多孔介质模型，所述 hele-shaw模型上设有上部入口和下部出口。
18.可选的，所述环形凸起将所述高压釜的内部环压腔体分为前侧腔体和后侧腔体，所述前侧腔体底部设有第一通孔，所述第一通孔与所述高压釜的底部环压出口连通，所述后侧腔体底部设有第二通孔，所述第二通孔与所述高压釜的顶部环压出口连通；所述环形凸起上设有第三通孔，所述第三通孔分别与所述hele-shaw模型的上部入口和hele-shaw高压釜的顶部模型入口连通，所述环形凸起上设有第四通孔，所述第四通孔分别与所述hele-shaw模型的下部出口和hele-shaw高压釜的底部模型出口连通。
19.可选的，所述hele-shaw模型内部设有薄层空间，所述薄层空间的下部为高渗透渗流通道，所述高渗透渗流通道与所述hele-shaw模型的下部出口连通，所述高渗透渗流通道的上部与多孔介质区域连通，所述多孔介质区域的上部与薄层空腔连接，所述薄层空腔与所述hele-shaw模型的上部入口连接。
20.本发明还提供一种多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验方法，利用上述多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验装置，包括：
21.步骤1：关闭所有阀门，打开hele-shaw高压釜的底部环压入口的抽真空阀门和底部模型出口三通阀的抽真空阀门，用真空泵将hele-shaw高压釜的内部环压腔体内和hele-shaw模型内的空气抽出，达到预设真空度后，持续抽真空预设时段，关闭抽真空阀门。
22.步骤2：打开hele-shaw高压釜的底部环压入口阀门、hele-shaw高压釜的顶部模型入口三通阀、增压液中间容器和地层水中间容器的入口和出口阀门，用驱替泵以第一预设压力，将增压液中间容器中的增压液恒压注入hele-shaw高压釜的内部环压腔体，将地层水中间容器中含有co2浓度指示剂的地层水恒压注入hele-shaw模型内，直至hele-shaw高压釜的内部环压腔体和hele-shaw模型均充满液体，并使注入压力达到并稳定在第一预设压力。利用回压泵提高回压阀的控制压力至第一预设压力，打开 hele-shaw高压釜的底部模型出口三通阀的出口阀，使地层水充满回压阀。
23.步骤3：打开温度控制模块，同时给hele-shaw高压釜和co2中间容器升温至预设温度。在升温过程中，用驱替泵和回压阀保持hele-shaw高压釜的环压和hele-shaw模型内的压力稳定在第一预设压力。
24.步骤4：温度和压力都达到稳定后，逐步增加驱替泵的压力，使 hele-shaw高压釜的环压和hele-shaw模型内的压力同步增加，直至压力达到第二预设压力。关闭地层水中间容器和增压液中间容器的顶部出口阀门。打开co2中间容器的底部入口阀门，用驱替泵以恒压模式将co2中间容器中的co2增压到第二预设压力。
25.步骤5：co2的压力达到稳定后，打开co2中间容器和增压液中间容器的顶部出口阀门。回压保持第二预设压力不变，用驱替泵以恒流模式将co2注入hele-shaw模型，co2充满薄层空腔，同时将hele-shaw模型内的地层水从回压阀排出，直至气液界面重合于薄层空腔与多孔介质区域的界面。
26.步骤6：保持co2的压力稳定在第二预设压力，通过图像采集单元开始采集co2在地多孔介质中对流扩散的图像。通过监测多孔介质条件下co2在地层水中的浓度分布随时间的变化情况，来研究co2在多孔介质中的重力不稳定渗流性及重力对流扩散。
27.本发明的有益效果在于：本发明的多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验装置通过将地层水中间容器中的地层水和和co2中间容器 co2引入hele-shaw高压釜中，通过将增压液中间容器中的介质引入至 hele-shaw高压釜中模拟地层中的压力，通过温度控制模块模拟地层的温度，通过图像处理单元采集并分析co2在模拟地层中的扩散图像，实现在地层温度、压力及重力条件下，观测co2在地层水中对流扩散过程及扩散过程中的重力不稳定性，可直观地研究co2在地层中的对流扩散机理，对研究co2在高含水油藏的驱油与埋存机理具有实际意义。
28.本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
29.通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
30.图1示出了根据本发明的一个实施例的多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验装置的连接结构图。
31.图2示出了根据本发明的一个实施例的多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的hele-shaw高压釜的剖视图。
32.图3示出了根据本发明的一个实施例的多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的hele-shaw模型的剖视图。
33.图4示出了根据本发明的一个实施例的多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验装置的实验过程流程图。
34.主要附图标记说明：
35.1、前盖；2、前侧蓝宝石视窗；3、前侧盖板；4、hele-shaw模型；5、模型固定压板；6、高压釜外壁；7、后侧盖板；8、后侧蓝宝石视窗；9、后盖；11、驱替泵；12、地层水中间容器；13、co2中间容器；14、增压液中间容器；15、hele-shaw高压釜；16、底座；17、温度控制模块；18、图像采集单元；19、led面光源；20、回压阀；21、回压泵；22、真空泵； 23、控制器；41、薄层空间；42、高渗透渗流通道；43、多孔介质区域； 44、薄层空腔。
具体实施方式
36.下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
37.根据本发明的本发明提供一种多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验
装置，包括：hele-shaw高压釜、注入及压力控制模块、温度控制模块和图像采集处理模块；注入及压力控制模块包括驱替泵、地层水中间容器、co2中间容器和增压液中间容器，驱替泵分别与地层水中间容器、 co2中间容器和增压液中间容器连接，地层水中间容器、co2中间容器和增压液中间容器均与hele-shaw高压釜连接，其中，hele-shaw高压釜中的模拟地层温度达到150℃、模拟地层压力达到100mpa；温度控制模块包括第一加热保温套、第二加热保温套、第一温度检测单元、第二温度检测单元和温度控制单元，温度控制单元分别与第一加热保温套、第二加热保温套、第一温度检测单元、第二温度检测单元连接；图像采集处理模块包括图像采集单元、led面光源和控制器，控制器与图像采集单元连接。
38.具体的，注入及压力控制系统由驱替泵、地层水中间容器、co2中间容器、增压液中间容器、回压阀和回压阀组成。hele-shaw(赫尔-肖氏)高压釜由赫尔-肖氏模型(hele-shaw模型)和高压釜外壁等组成的，模拟实际地层的真实环境。地层水中间容器用于承装实验用的地层水，地层水中溶解有co2浓度指示剂。co2中间容器用于承装实验用的co2气体。增压液中间容器用于承装增压液。地层水中间容器中的地层水和co2中间容器的 co2引入至hele-shaw高压釜，模拟co2在地层水中的扩散，增压液中间容器的增压液引入至hele-shaw高压釜，模拟地层压力，能够模拟地层温度高达150℃，模拟地层压力达100mpa温度控制单元能够同时检测并控制 hele-shaw高压釜和co2中间容器内的温度变化，模拟地层温度，图像采集处理模块采集并分析co2在地层水中的扩散图像。。
39.根据示例性的实施方式，多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验装置通过将地层水中间容器中的地层水和和co2中间容器co2引入 hele-shaw高压釜中，通过将增压液中间容器中的介质引入至hele-shaw高压釜中模拟地层中的压力，通过温度控制模块模拟地层的温度，通过图像处理单元采集并分析co2在模拟地层中的扩散图像，实现在地层温度、压力及重力条件下，观测co2在地层水中对流扩散过程及扩散过程中的重力不稳定性，可直观地研究co2在地层中的对流扩散机理，对研究co2在高含水油藏的驱油与埋存机理具有实际意义。
40.作为可选方案，驱替泵分别与地层水中间容器的入口、co2中间容器的入口和增压液中间容器的入口连接；地层水中间容器的出口和co2中间容器的出口均与hele-shaw高压釜的顶部模型入口连接；增压液中间容器的出口与hele-shaw高压釜的底部环压入口连接。
41.具体的，驱替泵通过金属管线分别与地层水中间容器的入口阀门、co2中间容器的入口阀门和增压液中间容器的入口阀门连接。地层水中间容器的入口阀门和co2中间容器的出口阀门分别通过金属管线连接到 hele-shaw高压釜的顶部模型入口的三通阀。增压液中间容器的出口阀门通过金属管线连接到hele-shaw高压釜的底部环压入口的三通阀的一端。
42.作为可选方案，hele-shaw高压釜的底部环压入口还与真空泵连接； hele-shaw高压釜的顶部环压出口设有放空阀；hele-shaw高压釜的底部模型出口分别与回压阀和真空泵连接。
43.具体的，hele-shaw高压釜的底部环压入口三通阀的另一端连接真空泵。hele-shaw高压釜的顶部环压出口安装有放空阀。hele-shaw高压釜的底部模型出口的三通阀通过金属管线连接到回压阀入口和真空泵。回压阀的压力控制口连接回压泵。
44.作为可选方案，第一加热保温套包裹于hele-shaw高压釜的外部，第一温度检测单
元设置于第一加热保温套内；第二加热保温套包裹于co2中间容器的外部，第二温度检测单元设置于第二加热保温套内，温度控制单元接收第一温度检测单元和第二温度检测单元的温度信息，根据温度信息控制第一加热保温和或第二加热保温的加热情况。
45.具体的，温度控制系统包括第一加热保温套、第一温度检测单元、第二加热保温套、第二温度检测单元和温度控制单元。第一加热保温套包裹于hele-shaw高压釜的外部，第一温度检测单元置于第一加热保温套内，第一加热保温套、第一温度检测单元通过电线与温度控制单元连接。co2中间容器外部具有独立的第二加热保温套和第二温度检测单元，第二加热保温套和第二温度检测单元通过电线与温度控制单元连接。温度控制单元能够同时检测并控制hele-shaw高压釜和co2中间容器内的温度变化。
46.作为可选方案，led面光源位于hele-shaw高压釜的后方，图像采集单元位于hele-shaw高压釜的前方，采集led面光源透射在hele-shaw高压釜前侧面上的光图像，并将光图像传输至控制器，以供控制器分析光图像，获取co2浓度分布与时间变化的关系。
47.具体的，图像采集单元位于hele-shaw高压釜的前方，led面光源位于hele-shaw高压釜的后方，led面光源发出的光线可以进入并透过 hele-shaw高压釜的蓝宝石视窗被图像采集单元捕获，图像采集单元将采集的图像传送到控制器，控制器对图像进行分析得到co2浓度分布随时间的变化情况关系。
48.作为可选方案，hele-shaw高压釜包括前盖、后盖、高压釜外壁和 hele-shaw模型，高压釜外壁的一端与前盖连接，另一端与后盖连接，高压釜外壁的内侧壁与hele-shaw模型连接。
49.具体的，hele-shaw高压釜的最前方为一个圆柱形的不锈钢前盖，前盖通过螺丝与高压釜外壁连接在一起。前侧盖板嵌入高压釜外壁内，并通过o 型圈接触高压釜外壁，来实现高压釜的密封。hele-shaw高压釜的后方为一个圆柱形的不锈钢后盖，后盖通过螺丝与高压釜外壁连接在一起。后侧盖板嵌入高压釜外壁内，并通过o型圈接触高压釜外壁，来实现高压釜的密封。高压釜外壁为一个哈氏合金环形柱体。高压釜外壁内侧有一个向内的环形凸起，hele-shaw模型设置在环形凸起上。
50.作为可选方案，前盖上设有第一视窗槽，前侧盖板将前侧蓝宝石视窗固定在前盖的视窗槽内；后盖上设有第二视窗槽，后侧盖板将后侧蓝宝石视窗固定在后盖的视窗槽；高压釜外壁的内侧设有环形凸起，hele-shaw模型通过模型固定压板固定在高压釜外壁的环形凸起上。
51.具体的，前盖中间有一个贯穿的视窗槽。前侧蓝宝石视窗为一个透明的圆柱形蓝宝石玻璃，嵌入到前盖的视窗槽内。前侧盖板为一个哈氏合金的圆环盖板，前侧盖通过带密封垫片的螺丝固定在前盖上，并将前侧蓝宝石视固定在前盖内。前侧蓝宝石视窗两侧均通过橡胶垫圈与前盖和前侧盖板接触，来实现高压釜的密封，并防止蓝宝石视窗因受力不均而破裂。后盖中间有一个贯穿的视窗槽。后侧蓝宝石视窗为一个透明的圆柱形蓝宝石玻璃，嵌入到后盖的视窗槽内。后侧盖板为一个哈氏合金的圆环盖板，后侧盖板通过带密封垫片的螺丝固定在后盖上，并将后侧蓝宝石视窗固定在后盖内。后侧蓝宝石视窗两侧均通过橡胶垫圈与后盖和后侧盖板接触，来实现高压釜的密封，并防止蓝宝石视窗因受力不均而破裂。
52.hele-shaw模型为一个矩形玻璃多孔介质模型，hele-shaw模型通过4 块模型固定
压板固定在高压釜外壁内侧环形凸起上。每个模型固定压板通过两个螺丝固定在高压釜外壁内侧环形凸起上。每个固定压板有一个顶丝，顶丝嵌有橡胶垫片来接触hele-shaw模型，通过旋转顶丝可以将hele-shaw 模型压紧。
53.作为可选方案，hele-shaw模型为一个矩形玻璃多孔介质模型， hele-shaw模型上设有上部入口和下部出口。
54.作为可选方案，环形凸起将高压釜的内部环压腔体分为前侧腔体和后侧腔体，前侧腔体底部设有第一通孔，第一通孔与高压釜的底部环压出口连通，后侧腔体底部设有第二通孔，第二通孔与高压釜的顶部环压出口连通；环形凸起上设有第三通孔，第三通孔分别与hele-shaw模型的上部入口和hele-shaw高压釜的顶部模型入口连通，环形凸起上设有第四通孔，第四通孔分别与hele-shaw模型的下部出口和hele-shaw高压釜的底部模型出口连通。
55.具体的，高压釜外壁为的环形凸起将高压釜内部环压腔体分为前、后两个连通的腔体。前侧腔体底部有一个贯穿高压釜外壁的通孔，连通到高压釜的底部环压出口。
56.高压釜外壁内部凸起内有一个贯穿的通孔，连通hele-shaw模型的上部入口与高压釜的顶部模型入口。hele-shaw模型的上部入口与高压釜外壁内部凸起的通孔之间有o型圈密封，并防止hele-shaw模型因受力不均而破裂。高压釜外壁内部凸起内有一个贯穿的通孔，连通hele-shaw模型的下部出口与高压釜的底部模型出口。hele-shaw模型的下部出口与高压釜外壁内部凸起的通孔之间有o型圈密封，并防止hele-shaw模型因受力不均而破裂。后侧腔体顶部有一个贯穿高压釜外壁的通孔，连通到高压釜的顶部环压出口。
57.在一个示例中，hele-shaw高压釜下部有一个底座，底座能够固定高压釜，以防止其发生滚动，同时不阻碍管线从高压釜底部接出。
58.作为可选方案，hele-shaw模型内部设有薄层空间，薄层空间的下部为高渗透渗流通道，高渗透渗流通道与hele-shaw模型的下部出口连通，高渗透渗流通道的上部与多孔介质区域连通，多孔介质区域的上部与薄层空腔连接，薄层空腔与hele-shaw模型的上部入口连接。
59.具体的，hele-shaw模型内部有一个矩形的薄层空间，该薄层空间的厚度，优选地，为10～1000μm。薄层空间的下部为一个高渗透渗流通道网格区，高渗透渗流通道的宽度，优选地，为薄层空间高度的1/20～1/5，高渗透渗流通道的渗透率，优选地，为1
×
10-3
μm2～1
×
104μm2。高渗透渗流通道与 hele-shaw模型下部出口连通。高渗透渗流通道区域的上部与多孔介质区域连通，优选地，可以是刻蚀多孔介质模型或石英砂填砂模型。多孔介质区域上部与薄层空腔连接，薄层空腔的宽度，优选地，为薄层空间高度的 1/10～1/5，薄层空腔与hele-shaw模型上部入口连接。薄层空腔的渗透率可通过如下公式计算：k＝d 2
/12，k为薄层空间的渗透率；d为薄层空间的厚度。
60.在一个示例中，多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验装置适用各种孔渗参数的多孔介质，适用的微观渗流模型包括玻璃刻蚀模型和填砂模型。
61.在一个示例中，co2浓度指示剂属于多组分酸式ph指示剂。当地层温度不变时，其颜色会随着co2浓度而发生变化。根据实验温度不同，通常 co2浓度指示剂为ph敏感染料的混合物，例如：甲基橙-溴甲酚绿指示剂、甲基红-溴麝香草酚蓝指示剂，甲基橙-溴甲酚绿指示剂的颜色会随着 co2浓度而发生变化，随着浓度增加颜色从青蓝色依次变为绿色、黄色、
橙色、橙红色。
62.本发明还提供一种多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验方法，利用上述多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验装置，包括：
63.步骤1：关闭所有阀门，打开hele-shaw高压釜的底部环压入口的抽真空阀门和底部模型出口三通阀的抽真空阀门，用真空泵将hele-shaw高压釜的内部环压腔体内和hele-shaw模型内的空气抽出，达到预设真空度后，持续抽真空预设时段，关闭抽真空阀门。
64.步骤2：打开hele-shaw高压釜的底部环压入口阀门、hele-shaw高压釜的顶部模型入口三通阀、增压液中间容器和地层水中间容器的入口和出口阀门，用驱替泵以第一预设压力，将增压液中间容器中的增压液恒压注入hele-shaw高压釜的内部环压腔体，将地层水中间容器中含有co2浓度指示剂的地层水恒压注入hele-shaw模型内，直至hele-shaw高压釜的内部环压腔体和hele-shaw模型均充满液体，并使注入压力达到并稳定在第一预设压力。利用回压泵提高回压阀的控制压力至第一预设压力，打开 hele-shaw高压釜的底部模型出口三通阀的出口阀，使地层水充满回压阀。
65.步骤3：打开温度控制模块，同时给hele-shaw高压釜和co2中间容器升温至预设温度。在升温过程中，用驱替泵和回压阀保持hele-shaw高压釜的环压和hele-shaw模型内的压力稳定在第一预设压力。
66.步骤4：温度和压力都达到稳定后，逐步增加驱替泵的压力，使 hele-shaw高压釜的环压和hele-shaw模型内的压力同步增加，直至压力达到第二预设压力。关闭地层水中间容器和增压液中间容器的顶部出口阀门。打开co2中间容器的底部入口阀门，用驱替泵以恒压模式将co2中间容器中的co2增压到第二预设压力。
67.步骤5：co2的压力达到稳定后，打开co2中间容器和增压液中间容器的顶部出口阀门。回压保持第二预设压力不变，用驱替泵以恒流模式将co2注入hele-shaw模型，co2充满薄层空腔，同时将hele-shaw模型内的地层水从回压阀排出，直至气液界面重合于薄层空腔与多孔介质区域的界面。
68.步骤6：保持co2的压力稳定在第二预设压力，通过图像采集单元开始采集co2在地多孔介质中对流扩散的图像。通过监测多孔介质条件下 co2在地层水中的浓度分布随时间的变化情况，来研究co2在多孔介质中的重力不稳定渗流性及重力对流扩散。
69.利用上述多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的实验装置进行的可视化实验方法，采用的技术方案包括以下步骤：
70.1)将hele-shaw模型安装入hele-shaw高压釜，将hele-shaw高压釜连接入实验流程，打开图像采集处理系统，调整亮度、视野及焦距等参数，使hele-shaw模型的图像清晰。
71.2)关闭所有阀门，打开hele-shaw高压釜的底部环压入口的抽真空阀门和底部模型出口三通阀的抽真空阀门。用真空泵将hele-shaw高压釜的内部环压腔体内的空气和hele-shaw模型内的空气抽出。达到要求的真空度后，持续抽真空一小时，关闭抽真空阀门，停止抽真空。
72.3)打开hele-shaw高压釜的底部环压入口阀门、hele-shaw高压釜的顶部模型入口三通阀、增压液中间容器和地层水中间容器的入口和出口阀门，用驱替泵以一个较低的压力，同时将增压液中间容器中的增压液恒压注入 hele-shaw高压釜的内部环压腔体，将地层水中间容器中含有co2浓度指示剂的地层水恒压注入hele-shaw模型内。根据实验要求，
注入压力，优选地，为0.1-1mpa。直至hele-shaw高压釜的内部环压腔体和hele-shaw模型均充满液体，并使注入压力达到并稳定在所述的较低压力。利用回压泵提高回压阀的控制压力至所述的较低压力，打开底部模型出口三通阀的出口阀，使地层水充满回压阀。
73.4)打开温度控制系统，同时给hele-shaw高压釜和co2中间容器升温。在升温过程中，用驱替泵和回压阀保持hele-shaw高压釜的环压和 hele-shaw模型内的压力稳定在步骤所述的较低压力。
74.5)等温度和压力都达到稳定后，逐步增加驱替泵的压力，使hele-shaw 高压釜的环压和hele-shaw模型内的压力同步增加，直至压力达到扩散实验所需的压力。关闭地层水中间容器和增压液中间容器的顶部出口阀门。打开co2中间容器的底部入口阀门，用驱替泵以恒压模式将co2中间容器中的co2增压到实验压力。
75.6)co2的压力达到稳定后，打开co2中间容器和增压液中间容器的顶部出口阀门。保持回压不变，用驱替泵以恒流模式将co2注入hele-shaw 模型，co2充满薄层空腔，同时将hele-shaw模型内的地层水从回压阀排出，直至气液界面重合于薄层空腔与多孔介质区域的界面。
76.7)保持co2的压力稳定，开始采集co2在地多孔介质中对流扩散的图像。通过监测多孔介质条件下co2在地层水中的浓度分布随时间的变化情况，来研究co2在多孔介质中的重力不稳定渗流性及重力对流扩散。
77.实施例：
78.图1示出了根据本发明的一个实施例的多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验装置的连接结构图。图2示出了根据本发明的一个实施例的多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的hele-shaw高压釜的剖视图。图3示出了根据本发明的一个实施例的多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的hele-shaw模型的剖视图。图4示出了根据本发明的一个实施例的多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验装置的实验过程流程图。
79.结合图1、图2和图3所示，该多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验装置，包括：hele-shaw高压釜15、注入及压力控制模块、温度控制模块17和图像采集处理模块；注入及压力控制模块包括驱替泵11、地层水中间容器12、co2中间容器13和增压液中间容器14，驱替泵11分别与地层水中间容器12、co2中间容器13和增压液中间容器14连接，地层水中间容器12、co2中间容器13和增压液中间容器14均与hele-shaw 高压釜15连接，其中，hele-shaw高压釜15中的模拟地层温度达到150℃、模拟地层压力达到100mpa；温度控制模块17包括第一加热保温套、第二加热保温套、第一温度检测单元、第二温度检测单元和温度控制单元，温度控制单元分别与第一加热保温套、第二加热保温套、第一温度检测单元、第二温度检测单元连接；图像采集处理模块包括图像采集单元18、led面光源19和控制器23，控制器23与图像采集单元18连接。
80.其中，驱替泵11分别与地层水中间容器12的入口、co2中间容器13 的入口和增压液中间容器14的入口连接；地层水中间容器12的出口和co2中间容器13的出口均与hele-shaw高压釜15的顶部模型入口连接；增压液中间容器14的出口与hele-shaw高压釜15的底部环压入口连接。
81.其中，hele-shaw高压釜15的底部环压入口还与真空泵22连接； hele-shaw高压釜15的顶部环压出口设有放空阀；hele-shaw高压釜15的底部模型出口分别与回压阀20和真
空泵22连接。回压阀20的压力控制口连接回压泵21。
82.其中，第一加热保温套包裹于hele-shaw高压釜15的外部，第一温度检测单元设置于第一加热保温套内；第二加热保温套包裹于co2中间容器 13的外部，第二温度检测单元设置于第二加热保温套内，温度控制单元接收第一温度检测单元和第二温度检测单元的温度信息，根据温度信息控制第一加热保温和或第二加热保温的加热情况。
83.其中，led面光源19位于hele-shaw高压釜15的后方，图像采集单元18位于hele-shaw高压釜15的前方，采集led面光源19透射在 hele-shaw高压釜15前侧面上的光图像，并将光图像传输至控制器23，以供控制器23分析光图像，获取co2浓度分布与时间变化的关系。
84.其中，hele-shaw高压釜15包括前盖1、后盖9、高压釜外壁6和 hele-shaw模型4，高压釜外壁6的一端与前盖1连接，另一端与后盖9连接，高压釜外壁6的内侧壁与hele-shaw模型4连接。
85.其中，前盖1上设有第一视窗槽，前侧盖板3将前侧蓝宝石视窗2固定在前盖1的视窗槽内；后盖9上设有第二视窗槽，后侧盖板7将后侧蓝宝石视窗8固定在后盖9的视窗槽；高压釜外壁6的内侧设有环形凸起， hele-shaw模型4通过模型固定压板5固定在高压釜外壁6的环形凸起上。
86.其中，hele-shaw模型4为一个矩形玻璃多孔介质模型，hele-shaw模型4上设有上部入口和下部出口。
87.其中，环形凸起将高压釜的内部环压腔体分为前侧腔体和后侧腔体，前侧腔体底部设有第一通孔，第一通孔与高压釜的底部环压出口连通，后侧腔体底部设有第二通孔，第二通孔与高压釜的顶部环压出口连通；环形凸起上设有第三通孔，第三通孔分别与hele-shaw模型4的上部入口和 hele-shaw高压釜15的顶部模型入口连通，环形凸起上设有第四通孔，第四通孔分别与hele-shaw模型4的下部出口和hele-shaw高压釜15的底部模型出口连通。
88.其中，hele-shaw模型4内部设有薄层空间41，薄层空间41的下部为高渗透渗流通道42，高渗透渗流通道42与hele-shaw模型4的下部出口连通，高渗透渗流通道42的上部与多孔介质区域43连通，多孔介质区域43 的上部与薄层空腔44连接，薄层空腔44与hele-shaw模型4的上部入口连接。
89.如图4所示，利用多孔介质条件下co2重力不稳定扩散的可视化实验装置开展多孔介质对流可视化实验的步骤，包括：
90.步骤1：关闭所有阀门，打开hele-shaw高压釜的底部环压入口的抽真空阀门和底部模型出口三通阀的抽真空阀门，用真空泵将hele-shaw高压釜的内部环压腔体内和hele-shaw模型内的空气抽出，达到预设真空度后，持续抽真空预设时段，关闭抽真空阀门。
91.步骤2：打开hele-shaw高压釜的底部环压入口阀门、hele-shaw高压釜的顶部模型入口三通阀、增压液中间容器和地层水中间容器的入口和出口阀门，用驱替泵以第一预设压力，将增压液中间容器中的增压液恒压注入hele-shaw高压釜的内部环压腔体，将地层水中间容器中含有co2浓度指示剂的地层水恒压注入hele-shaw模型内，直至hele-shaw高压釜的内部环压腔体和hele-shaw模型均充满液体，并使注入压力达到并稳定在第一预设压力。利用回压泵提高回压阀的控制压力至第一预设压力，打开 hele-shaw高压釜的底部模
型出口三通阀的出口阀，使地层水充满回压阀。
92.步骤3：打开温度控制模块，同时给hele-shaw高压釜和co2中间容器升温至预设温度110℃。在升温过程中，用驱替泵和回压阀保持hele-shaw 高压釜的环压和hele-shaw模型内的压力稳定在第一预设压力1mpa。其中，第一预设压力应高于饱和蒸气压，以防止液相气化，在本实施例的预设温度110℃下的地层水的饱和蒸气压为0.1432mpa。
93.步骤4：温度和压力都达到稳定后，逐步增加驱替泵的压力，使 hele-shaw高压釜的环压和hele-shaw模型内的压力同步增加，直至压力达到第二预设压力。关闭地层水中间容器和增压液中间容器的顶部出口阀门。打开co2中间容器的底部入口阀门，用驱替泵以恒压模式将co2中间容器中的co2增压到第二预设压力50mpa。
94.步骤5：co2的压力达到稳定后，打开co2中间容器和增压液中间容器的顶部出口阀门。回压保持第二预设压力不变，用驱替泵以恒流模式将co2注入hele-shaw模型，co2充满薄层空腔，同时将hele-shaw模型内的地层水从回压阀排出，直至气液界面重合于薄层空腔与多孔介质区域的界面。
95.步骤6：保持co2的压力稳定在第二预设压力，通过图像采集单元开始采集co2在地多孔介质中对流扩散的图像。通过监测多孔介质条件下 co2在地层水中的浓度分布随时间的变化情况，来研究co2在多孔介质中的重力不稳定渗流性及重力对流扩散。
96.以塔河强底水油藏为研究对象，实验条件为目标油藏条件，油藏温度为110℃，油藏压力为50mpa。在塔河强底水油藏温度和地层压力条件下进行co2向地层水扩散的可视化实验，实验步骤如下：
97.(1)将hele-shaw模型安装入hele-shaw高压釜，将hele-shaw高压釜连接入实验流程，打开图像采集处理系统，调整亮度、视野及焦距等参数，使hele-shaw模型的图像清晰。
98.(2)关闭所有阀门，打开hele-shaw高压釜的底部环压入口的抽真空阀门和底部模型出口三通阀的抽真空阀门。用真空泵将hele-shaw高压釜的内部环压腔体内的空气和hele-shaw模型内的空气抽出。达到要求的真空度后，持续抽真空一小时，关闭抽真空阀门，停止抽真空。
99.(3)打开hele-shaw高压釜的底部环压入口阀门、hele-shaw高压釜的顶部模型入口三通阀、增压液中间容器和地层水中间容器的入口和出口阀门，用驱替泵以一个较低的压力，同时将增压液中间容器中的增压液恒压注入hele-shaw高压釜的内部环压腔体，将地层水中间容器中含有co2浓度指示剂的地层水恒压注入hele-shaw模型内。根据实验要求，注入压力，优选地，为0.1-1mpa。直至hele-shaw高压釜的内部环压腔体和 hele-shaw模型均充满液体，并使注入压力达到并稳定在所述的较低压力1mpa。利用回压泵提高回压阀的控制压力至所述的较低压力，打开底部模型出口三通阀的出口阀，使地层水充满回压阀。
100.(4)打开温度控制系统，同时给hele-shaw高压釜和co2中间容器升温110℃。在升温过程中，用驱替泵和回压阀保持hele-shaw高压釜的环压和hele-shaw模型内的压力稳定在步骤所述的较低压力1mpa。
101.(5)等温度和压力都达到稳定后，逐步增加驱替泵的压力，使 hele-shaw高压釜的环压和hele-shaw模型内的压力同步增加，直至压力达到扩散实验所需的压力50mpa。关闭地层水中间容器和增压液中间容器的顶部出口阀门。打开co2中间容器的底部入口阀门，用驱替泵以恒压模式将co2中间容器中的co2增压到实验压力50mpa。
102.(6)co2的压力达到50mpa稳定后，打开co2中间容器和增压液中间容器的顶部出口阀门。保持回压50mpa不变，用驱替泵以恒流模式将co2注入hele-shaw模型，co2充满薄层空腔，同时将hele-shaw模型内的地层水从回压阀排出，直至气液界面重合于薄层空腔与多孔介质区域的界面。
103.(7)保持co2的压力50mpa稳定，开始采集co2在地多孔介质中对流扩散的图像。通过监测多孔介质条件下co2在地层水中的浓度分布随时间的变化情况，来研究co2在多孔介质中的重力不稳定渗流性及重力对流扩散。
104.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。