一种非纯净二氧化碳黏性指进现象定性研究装置

1.本实用新型涉及实验设备，具体为一种非纯净二氧化碳黏性指进现象定性研究装置。


背景技术：

2.二氧化碳地质封存技术是一项有效缓解全球气候变化问题的碳减排技术之一。二氧化碳地质封存机制包括构造封存、残余封存、溶解封存和矿化封存，其中溶解封存因其封存效率高而被广泛关注。在溶解机制中，由于溶解了二氧化碳的盐水与未溶解二氧化碳的盐水之间产生密度差，盐水中二氧化碳浓度呈指状分布，形成黏性指进现象。黏性指进现象因增加了未溶解二氧化碳与盐水的接触面积，促进了二氧化碳的溶解。然而地层环境条件的改变、盐水中的盐类浓度以及非纯净二氧化碳气体内的杂质对黏性指进现象可能会产生消极影响。因此，研究各因素对黏性指进现象的影响极为重要。现阶段关于二氧化碳地质封存中黏性指进现象的研究仍缺少定性分析。特别地，在杂质影响研究中，二氧化碳气体内杂质含量难以控制，需要高效、稳定的非纯净二氧化碳杂质气体配比系统与注气实验装置。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本实用新型提供一种方便使用的非纯净二氧化碳黏性指进现象定性研究装置。
4.本实用新型解决其技术问题所采用技术方案为：一种非纯净二氧化碳黏性指进现象定性研究装置，包括二氧化碳气源、其它气体气源、气体配比器、质量流量控制器、赫尔-肖氏模型水槽、背光灯与图像记录仪；所述气体配比器可调节两种气体的流量，用于不同含量混合气体的配备；所述质量流量控制器可调节混合气体在输气管道中的流量；所述二氧化碳气源和其它气体气源分别通过输气管道依次连接所述气体配比器、质量流量控制器和赫尔-肖氏模型水槽，所述赫尔-肖氏模型水槽采用透明材质制成，所述赫尔-肖氏模型水槽上设有开槽，所述开槽内装有ph值指示剂溶液，所述赫尔-肖氏模型水槽可用于模拟实际地层中的多孔介质，观察黏性指进现象；所述背光灯设置在所述赫尔-肖氏模型水槽后方，所述图像记录仪放置在所述赫尔-肖氏模型水槽前方。
5.进一步的，所述ph值指示剂溶液采用溴甲酚绿溶液或溴甲酚紫溶液，可用于显示溶液中ph值的变化。二氧化碳溶解导致溶液密度增加，上方溶解了二氧化碳的溶液与下方未溶解二氧化碳的溶液之间形成密度差。当密度差达到临界值时，通过一些微小扰动，上方溶液将向下运动，下方溶液向上运动，形成黏性指进现象。二氧化碳溶解后形成弱酸性环境，故溴甲酚绿指示剂可显示二氧化碳浓度分布，即黏性指进现象。
6.进一步的，所述赫尔-肖氏模型水槽包括底座和槽体，所述槽体是由若干透明玻璃板粘合成的长方体，所述槽体上形成有所述开槽。其中，所述开槽的宽度为1～3mm，优选为1mm；所述开槽的长度为15～25cm，优选为20cm；所述开槽的深度为25～35cm，优选为30cm。所述赫尔-肖氏模型水槽可模拟绝对渗透率为8.3
×
10-8
m2的多孔介质均质地层，并定性观
察黏性指进现象。
7.进一步地，所述赫尔-肖氏模型水槽上还可以安装有注气针管，所述注气针管通过铁架台与夹子固定在所述开槽的开口的中点处，所述注气针管连接所述输气管道，方便注气。
8.进一步地，所述背光灯、赫尔-肖氏模型水槽与图像记录仪在同一水平线上，使得图像记录仪能够清晰记录实验图像。
9.进一步的，所述输气管道上设置有气管转接头，方便转换气源。
10.进一步的，所述赫尔-肖氏模型水槽的上端为开口设置，可用于实验液体的注入与废液的倒出。
11.进一步的，所述其它气体气源的数量为两个或以上，所有所述其它气体气源分别通过输气管道连接所述气体配比器，所述输气管道上可设置相应的控制阀，方便不同气体混合实验。
12.进一步的，还包括有数据分析仪，所述数据分析仪为电脑，所述数据分析仪数据连接所述图像记录仪。
13.本实用新型的有益效果是：
14.1.本实用新型的非纯净二氧化碳黏性指进现象定性研究装置可实现对黏性指进现象的可视化研究；使用一定比例的溴甲酚绿溶液，可根据二氧化碳溶解后产生的弱酸性环境进行颜色变化。透明的赫尔-肖氏模型水槽与图像记录仪可以观察并记录黏性指进现象特征。
15.2.本实用新型的非纯净二氧化碳黏性指进现象定性研究装置组合紧凑、占地面积小，可灵活操作杂质气体的配比与换气。有效地提高多杂质组分气体实验的效率，可广泛应用于非纯净二氧化碳黏性指进现象研究。
16.3.本实用新型的非纯净二氧化碳黏性指进现象定性研究装置成本低、精确度较高。透明的赫尔-肖氏模型水槽属于耗材类，可根据不同的实验设计不同的透明板尺寸进行粘合。
附图说明
17.图1为本实用新型的整体结构示意图；
18.图2为本实用新型的赫尔-肖氏模型水槽结构示意图；
19.图3为本实用新型的使用气体配比器得到的混合气体二氧化碳+ar的结果与直接配置混合气体气源的实验结果变化图。
具体实施方式
20.下面结合附图对本实用新型进行进一步的说明。具体实施例仅为本实用新型代表性之具体实施例，其中所举例之特定方法、装置、条件、材质等并非用以限定本实用新型或对应之具体实施例。此为，图中各装置仅用于表达其相对位置且未按其实际比例绘述，合先叙明。
21.在本说明书之描述中，参考术语“优选的”“一具体实施例”、“另一具体实施例”或“部分具体实施例”等之描述意指结合该实施例描述之具体特征、结构、材料或者特点包含
于本实用新型的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语之示意性表述不一定指的是相同之实施例。而且，描述之具体特征、结构、材料或者特点可以在任何之一个或多个实施例中以合适之方式结合。
22.如图1所示，一种非纯净二氧化碳黏性指进现象定性研究装置，包括二氧化碳气源1、其它气体气源、气体配比器2、质量流量控制器3、赫尔-肖氏模型水槽4、背光灯5、图像记录仪6、数据分析仪7与输气管道8；所述二氧化碳气源1为二氧化碳储气罐，为实验提供主要的纯净二氧化碳，所述其它气体气源的数量根据实际实验需求可以是1个或多个，可以是氩气(ar)、氧气(o2)、氮气(n2)等等；输气管道8的始端设置于二氧化碳气源1和其它气体气源处，用于传输气体；所述气体配比器2设有气体输入口21和气体输出口22，可调节两种气体的流量，用于不同含量混合气体的配备，单个气体配比器2可提供多管道配比，如co2管道，ar管道，n2管道等等，若需co2+ar气体则使用对应两个管道，若需三元气体则使用对应三个管道。所述质量流量控制器3设有入气口31和出气口32，控制元件33用于操作调节混合气体在输气管道中的流量；所述二氧化碳气源1和其它气体气源分别通过输气管道8连接所述气体配比器2，所述气体配比器2再通过输气管道8依次连接质量流量控制器3和赫尔-肖氏模型水槽4。如图2所示，所述赫尔-肖氏模型水槽4采用透明材质制成，其包括底座和槽体，所述槽体是由若干透明玻璃板粘合成的长方体，所述槽体上设有开槽41，所述开槽41内装有ph值指示剂溶液42，开槽41上方全开口，非密闭状态，由于实验对象的非纯洁二氧化碳气体重量比空气重，注入后将聚集在ph值指示剂溶液42液面上方，并逐渐溶解，所述赫尔-肖氏模型水槽4可用于模拟实际地层中的多孔介质，观察黏性指进现象；所述背光灯5设置在所述赫尔-肖氏模型水槽4后方，所述图像记录仪6放置在所述赫尔-肖氏模型水槽前方，所述数据分析仪7数据连接所述图像记录仪6，所述图像记录仪6可采用摄像机，所述数据分析仪7可采用计算机/电脑。
23.进一步的，所述ph值指示剂溶液42采用溴甲酚绿溶液，可用于显示溶液中ph值的变化。二氧化碳溶解导致溶液密度增加，上方溶解了二氧化碳的溶液与下方未溶解二氧化碳的溶液之间形成密度差。当密度差达到临界值时，通过一些微小扰动，上方溶液将向下运动，下方溶液向上运动，形成黏性指进现象。二氧化碳溶解后形成弱酸性环境，故溴甲酚绿指示剂可显示二氧化碳浓度分布，即黏性指进现象。其中，溴甲酚绿溶液在赫尔-肖氏模型水槽4的高
×
宽为16cm
×
20cm，指示剂可使用其他溶液，例如溴甲酚紫。
24.进一步的，所述底座的宽度s为9cm，所述开槽41的宽度w为1～3mm；所述开槽的长度l为15～25cm；所述开槽的深度h为25～35cm。在本实施例中，所述开槽41的尺寸(w*l*h)优选为1mm*20cm*30cm，可模拟绝对渗透率为8.3
×
10-8
m2的多孔介质均质地层，并定性观察黏性指进现象。也可以根据实验要求重新调整尺寸。
25.进一步的，所述赫尔-肖氏模型水槽4上还可以安装有注气针管，所述注气针管通过铁架台与夹子固定在所述开槽41的开口的中点处，所述注气针管连接所述输气管道8，方便注气进入开槽41内部，与ph值指示剂溶液42充分接触反应。
26.进一步地，所述背光灯5、赫尔-肖氏模型水槽4与图像记录仪6在同一水平线上，使得图像记录仪能够清晰记录实验图像。
27.进一步的，所述输气管道8上可设置有气管转接头，方便转换气源。
28.进一步的，所述赫尔-肖氏模型水槽4上设有输液口，可用于实验液体的注入与废
+ar，即二氧化碳+氩气)的结果与直接配置混合气体气源的实验结果变化图，为装置精度验证实验。使用非纯净二氧化碳黏性指进现象定性研究装置对混合气体进行配比与直接购买的混合气体进行实验，其中使用非纯净二氧化碳黏性指进现象定性研究装置的实验组带“*”。图3表示黏性指进现象的面积随时间变化图，图中直线为指进面积实验数据得到的拟合直线。因指进面积绝对值具有统计误差，而指进面积数据斜率是分析黏性指进现象特征的关键参数。使用拟合直线的斜率可表示黏性指进现象发育快慢程度。对于使用两种混合气体，在杂质组分相同的情况下，将实线与虚线作对比，得到的斜率值相差极小。对于两种不同杂质浓度(10％ar与15％ar)的验证实验，其标准差分别为
±
2.12
×
10-5
与
±
1.06
×
10-3
，说明配气系统精度较高。气体实验结果(23℃，1bar)与数值模拟结果(20℃，1bar)得到的对流开始时间如表1所示。由于半定量数据存在不确定性，实验结果与数值模拟结果的标准差σ为6.86，在正常误差范围内。由此可知非纯净二氧化碳黏性指进现象定性研究装置可靠性高。
40.表1——10％ar实验与数值模拟的对流开始时间
[0041][0042]
本实用新型提供的非纯净二氧化碳黏性指进现象定性研究装置组合紧凑、占地面积小，可快速操作杂质气体的配比与换气，有效地提高多杂质组分气体实验的效率，有效地降低时间成本。可根据不同的实验要求设计赫尔-肖氏模型水槽的尺寸、形状，装置组建灵活性较高。已有实验结果证明：非纯净二氧化碳黏性指进现象定性研究装置中的配气系统拥有较高的配气精度，且能够通过赫尔-肖氏模型水槽较好呈现出实验图像。
[0043]
以上所述者，仅为本实用新型的较佳实施例而已，当不能以此限定本实用新型实施的范围，即大凡依本实用新型申请专利范围及实用新型说明内容所作的简单等效变化与修饰，皆仍属本实用新型专利涵盖的范围内。