[發明專利]用于巖體裂隙三相流驅替彌散捕獲研究的裝置及試驗方法

有效

• 申請號: 201710113857.8
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN106645158B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 陳益峰;武東生;方舒;胡冉
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N21/84
• 分類號: G01N21/84
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 楊宏偉

本發明公開了一種用于巖體裂隙三相流驅替彌散捕獲研究的裝置及試驗方法，該裝置包括流體控制系統、光學與力學監測系統、可視化巖體裂隙過流系統和數據采集分析處理系統；本發明采用高透射的巖體粗糙裂隙復制品作為研究對象；光學與力學監測系統主要由平板光源、CCD高速相機、流體壓力傳感器以及圍壓傳感器組成，該系統可以研究對象提供圍壓環境，并在不同實驗條件下實時監測三相流驅替/彌散/捕獲過程形態及進口端流體壓力；流體控制系統由高精度進樣注射泵及管道回路組成，可以提供定流量/定壓力輸入；數據采集分析處理系統能實時保存數據并分析計算，試驗過程操作簡單，可直觀顯示結果，試驗高度可重復，結果可靠性高。

技術領域

本發明屬于巖體滲流與跨尺度多相流驅替-彌散-捕獲技術領域，特別涉及一種用于巖體裂隙三相流驅替彌散捕獲研究的裝置及試驗方法。

背景技術

巖石裂（孔）隙中多相流運動力學特征的研究對頁巖油（氣）開采、CO₂地質封存及地下水污染物運移等領域都具有非常重要的意義。開展巖體裂隙尺度多相流驅替-彌散—捕獲的室內試驗對揭示動態運動機理起著至關重要的作用。然而，由于巖石自身特性及目前試驗手段的自封閉性，往往只能控制進出口的邊界條件，得到很局限的試驗數據。這些數據遠遠不能揭示多相流體流態特征的控制因素及運動機理。實時地、可視化地研究流體在裂（孔）隙中分布特征、動力特征等關鍵技術難題亟待解決。目前國內尚未具備在可視化的巖體裂隙中研究多相流驅替-彌散-捕獲過程的光學與力學測量裝置和試驗方法。本發明采用可視化的巖石裂隙開展多相流驅替-彌散-捕獲光學與力學測量試驗，能夠克服傳統試驗不可視的弊端，可以動態捕捉各相流體的運動特征并記錄過程的力學實驗數據，同時試驗可重復性高，保證了試驗揭示現象的真實可靠。

發明內容

本發明提出一種可視化巖體裂隙三相流驅替-彌散-捕獲過程的光學與力學測量裝置，并給出了該裝置的試驗方法，其主要解決現有技術中無法直接觀測多相流體在裂隙內部的流態及相捕獲過程的問題。該發明主要包含以下幾個內容：

一、針對目前試驗中進出口端邊界條件難以精確控制的問題，設計出帶有一定坡度的排氣、排液裝置，整個換液室內壁采用表面改性劑處理，使其對液相具有超低濕潤性的特征，保證了每次進口端驅替相均為純凈、單一相液體，出口端的液體能及時、完全排除；特別的，在尾部出口端增加了穩定壓力閥，可以根據試驗要求保持尾部的壓力恒定。

二、針對可視化的透明裂隙，本發明提供了一套可行的圍壓裝置。該裝置通過改變螺母在高強、高精度螺栓上的進尺，作用于高剛度透明板為復制裂隙提供圍壓環境，壓力傳感器實時采集壓力值并用于圍壓控制。

三、針對上文所提到可視化巖石裂隙過流裝置，本發明設計了一套相應的控制和測量系統。主要包括流體控制系統、光學與力學監測系統和數據采集分析系統。該系統可以對裂隙流體進行實時觀察和監測、數據分析處理。

綜上所述，本發明采用技術方案是：

一種用于巖體裂隙三相流驅替彌散捕獲研究的裝置，包括流體控制系統、光學與力學監測系統、可視化巖體裂隙過流系統，以及數據采集分析處理系統，所述可視化巖體裂隙過流系統包括進口端換液室、試樣壓力控制裝置、以及出口端換液室，所述試樣壓力控制裝置包括透明剛性板、高強度螺栓、以及由裂隙上盤和裂隙下盤組成的巖體裂隙透明復制品試樣，所述裂隙上盤和裂隙下盤上下蓋合置于兩塊透明剛性板之間并通過高強度螺栓固定壓緊，高強度螺栓與上部的透明剛性板之間設有圍壓傳感器，所述巖體裂隙透明復制品試樣兩側面通過側壓板將裂隙側面密封，其前后兩端分別與進口端換液室和出口端換液室密封相連，所述進口端換液室頂部和底部分別設有通氣快開閥和廢液回收閥，所述出口端換液室頂部和底部分別設有壓力恒定閥和尾液回收閥；

所述流體控制系統包括三路流體源裝置，所述每一路流體源裝置均由流體源、進樣注射泵和出樣管道通過多通閥相連組成，通過多通閥換向可實現流體源先被進樣注射泵吸入然后通過出樣管道送出，所述三路流體源裝置的出樣管道通過兩個三通接頭并聯后通過進樣管道與進口端換液室底部相連，所述進樣管道上設有流體壓力傳感器；