CN102818750B - 液膜扩张粘弹性测定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液膜扩张粘弹性测定装置，属于泡沫膜物理化学性质测定装置，包括液膜产生装置和上、下位移及正弦振动产生装置。液膜产生装置通过一个供液压力调节系统以及溢流槽的设计，使得本发明装置可以获得比自然重力排液更厚或更薄的液膜，且排液过程可逆，膜厚控制较为精确，便于进行重复试验和对比试验，而且其上环的水平容易调节。
Description
技术领域
本发明涉及泡沫膜物理化学性质测定装置，例如测定泡沫膜(也称自由液膜，以下简称为液膜)的动态力学性质，测定泡沫膜的分离压等，具体涉及液膜扩张粘弹性测定装置。
背景技术
泡沫体系在工农业生产及日常生活中有着广泛的应用。随着石油工业的发展，人们越来越多地将泡沫用于钻井、压裂、酸化、三次采油等勘探、开发和采油领域。泡沫体系重要的特性是泡沫的稳定性。以往的研究表明，溶液表面粘弹性对泡沫稳定性有重要影响，但需要指出的是这种表面粘弹性是在比较厚的溶液表面上测定的。
在“一种研究泡沫液膜性质的新方法”(《石油勘探与开发》，1995年，第三期，第96-99页)一文指出，与泡沫稳定性关系更直接、更密切的应该是自由液膜(free liquid film，FLF，或称泡沫膜，有时简称液膜)的力学性质，该文同时公开了一种自由液膜动态扩张粘弹性的测定装置。该测定装置由上下两个锐边拉膜环、盛液盘、电机驱动的升降系统等组成。上拉膜环悬挂于测力传感器，测定过程中其空间位置静止不动；下拉膜环置于装有待测溶液的盛液盘中。电机驱动的升降系统可驱使下拉膜环随着盛液盘一体做匀速垂直升降及振幅为0-5mm范围内的正弦振动。盛液盘上升，使上、下拉膜环接触，然后盛液盘下降，上、下拉膜环之间就形成了近似圆柱形液膜。排出盛液盘中的液体，由于下膜环除锐边之外的部分都事先做了憎水处理，液膜与下拉膜环锐边之外的其它部位的联系被切断。电机驱动系统使盛液盘带动下拉膜环做正弦振动，液膜随之产生正弦扩张应变。由采集到的数据计算液膜应力和应变的振幅比和相位差，进而计算得到液膜的扩张粘弹性。
理论推算和实验结果都表明，泡沫膜的力学性质(如扩张粘弹性，分离压等)与泡沫膜的厚度有密切关系。但上述文献中提到的自由液膜，其薄厚完全依赖自然的重力排液。虽然可以根据液膜电导数据粗略判断液膜的大致厚度，再通过切断排液出路的方法可以使液膜的厚度控制在一定范围内，但很难获得可以进行重复试验的厚度比较一致的液膜。更为重要的是，在比较不同起泡液性能的实验中，使用厚度不一致的液膜没有实质意义。另外，上述方法中液膜厚度减小的过程是不可逆的，而且，当液膜很薄时，重力排液速度非常慢，要获得所需厚度的薄液膜需要耗费很长时间。此外，在拉膜和测定的过程中，上，下拉膜环需要保持相向同轴水平。下环的水平调节相对容易，悬吊着的上环，其水平调节则比较困难。
发明内容
针对上述方法中的缺陷，本发明提供液膜扩张粘弹性测定装置，可以根据需要产生一定膜厚的液膜，且液膜的厚度可以自由调控。换言之，使用本发明的装置，可以获得比自然重力排液更厚或更薄的液膜，且排液过程可逆，膜厚控制较为精确，便于进行重复试验和对比试验，而且其上环的水平容易调节。
液膜扩张粘弹性测定装置，包括液膜产生装置和上、下位移及正弦振动产生装置，所述液膜产生装置包括上环组件、下环组件和盛液盘，所述上环组件包括上拉膜环，由电子分析天平悬起，下环组件位于盛液盘内，并可与盛液盘一体在上、下位移及正弦振动产生装置的驱动下运动，所述下环组件由带环槽的金属环套、下拉膜环、多孔介质材料导液层、憎水环形盖板组成，所述下拉膜环位于金属环套正中，且与上拉膜环大小相同且相向同轴水平；所述多孔介质材料导液层位于环槽上部，导液层与环槽之间形成供液空槽空间；所述环形盖板部分遮盖于导液层上且延伸至金属环套的外侧；环形盖板的内侧壁、多孔介质材料导液层的顶部以及下拉膜环之间形成溢流槽；所述供液空槽与外接的供液压力调节系统相通。
所述下拉膜环的顶端呈尖锐刀口状，称为下环形刀口。
所述导液层低于下环形刀口1-2mm。
所述导液层的顶端与金属环套外壁的顶端平齐，所述环形盖板通过螺钉可拆式固定于金属环套外壁的顶端。
所述导液层厚度1～10mm，宽度1～20mm。
所述溢流槽宽度为0.1-2mm。
所述上拉膜环水平悬挂在悬丝上，所述悬丝穿过所述圆盘的中心。
所述上拉膜环的底部向上凸设有圆台，所述圆台的中心与所述圆盘的中心相重合，有一个或多个缺口圆环套设在所述圆台上，所述缺口圆环可以彼此独立沿圆台转动。
所述上拉膜环的底部向上凸设有圆台，所述圆台的中心与所述圆盘的中心相重合，有一个圆环套设在所述圆台上，且圆环顶端高于圆台的顶端，所述圆环的顶端卡设有一个或多个滑块。
所述上拉膜环的顶部呈尖锐刀口状，称为上环形刀口。
所述上、下环形刀口直径为10-200mm。
上、下位移及正弦振动产生装置包括偏心顶杆、斜面和驱动马达，所述斜面在驱动马达的作用下可以上下运动和旋转，所述偏心顶杆的一端固定于盛液盘的底部，另一端与斜面保持接触。
所述偏心顶杆与斜面的接触端为圆锥形，圆锥形的顶点与斜面保持接触。
垂直的、近似圆柱形的液膜由接触的上、下两环形刀口拉伸出来。环形刀口处的水力学静压力为零。当供液-压力调节系统有正压力时，由于盖板上面憎水，导液层排出的液体能够通过溢流槽将被测液体压到液膜内，使得液膜增厚；当供液-压力调节系统有负压力时，由于多孔介质材料的孔隙直径很小，并且是强亲水的，膜外空气不能进入导液层，只能是膜内液体克服分离压(或称楔压)通过导液层进入供液-压力调节系统，则液膜变薄。多孔介质材料的孔隙直径越小，可使用的负压越大，所能获得的液膜厚度越小，直到牛顿黑膜生成。液膜厚度可以通过外部的干涉仪来测定。当液膜达到所需厚度时，膜内外保持一定的压力差，从而实现液膜厚度的可调、可控。
下环组件中，带环槽的金属环套和多孔介质材料导液层是通过烧结固定在一起的，环形盖板采用可拆式固定的方式固定在金属环套上。
上、下环形刀口直径的大小直接影响到液膜的直径大小。理论上，在液膜高度不变的情况下，直径越大，液膜形状越接近圆柱面，这样的曲面便于进行动态力学参数的计算以及膜厚的测定。考虑到空间限制，上、下环形刀口直径优选为10-200mm。
溢流槽宽度为0.1-2mm，有利于液体的传导。
导液层采用烧结玻璃或其它强亲水多孔介质材料。环形盖板可用材料为不锈钢、铂、聚四氟乙烯、玻璃等耐腐蚀的金属或非金属材料。涂覆用憎水材料为氯硅烷类试剂(如二氯二甲基硅烷)或碳氟类憎水材料。当环形盖板材料采用聚四氟乙烯时，由于其本身憎水，不再需要涂覆憎水材料。
在液膜产生装置中，上环组件是由电子天平悬起来的，上环组件在工作前需调节水平。本发明采用了两种调节水平的方式，一是采用缺口圆环的调节方式，即通过调整缺口在上环组件上的位置或是多个缺口的相对位置来调节水平；二是采用滑块的调节方式，即通过调整滑块在上环组件上的位置或是多个滑块的相对位置来调节水平。此两种方式均可以很方便的调节上环组件的水平状态。
上、下位移及正弦振动产生装置由偏心顶杆、斜面和驱动马达组成，偏心顶杆固定在盛液盘的底部，斜面在驱动马达的作用下作上、下运动时，盛液盘也上下运动，使上、下环刀口相互接触并拉出柱状液膜；当斜面在驱动马达的作用下旋转时，盛液盘带动液膜作正弦振动。
本发明液膜扩张粘弹性测定装置，可以根据需要产生一定厚度的液膜，可以测定液膜的粘弹性能，还可用于测定泡沫膜的其它物理化学性质，而且上环组件水平状态的调节更为方便和快捷。
附图说明
图1本发明的结构示意图，
图2下环组件的俯视图，
图3下环组件的主视图，
图4A上环组件的一实施例的主视图，
图4B上环组件的另一实施例的主视图。
主要元件标号说明：
A-上环组件 B-下环组件 1-金属环套
2-导液层 3-盖板 4-上环形刀口
5A-下拉膜环 5B-下环形刀口 6-溢流槽
7-供液空槽 8-供液-压力调节系统 9-液膜
10-圆形凸台 11-缺口圆环 12-圆环
13-滑块 14-偏心顶杆 15-斜面
16-驱动马达 17-电子分析天平 18-液膜产生装置
19-上、下位移及正弦振动产生装置 20-盛液盘
具体实施方式
液膜扩张粘弹性测定装置包括液膜产生装置和上、下位移及正弦振动产生装置，所述液膜产生装置由上环组件、下环组件和盛液盘构成，所述上环组件包括上拉膜环，由电子分析天平悬起，该下环组件位于盛液盘内，并能够与所述盛液盘一体在所述上、下位移及正弦振动产生装置的驱动下运动，所述下环组件由带环槽的金属环套、下拉膜环、多孔介质材料导液层、憎水环形盖板组成，所述下拉膜环位于所述金属环套正中，且与所述上拉膜环大小相同且相向同轴水平；所述多孔介质材料导液层位于该环槽上部，所述导液层与环槽之间形成供液空槽空间；所述环形盖板部分遮盖于该导液层上且延伸至所述金属环套的外侧；所述环形盖板的内侧壁、多孔介质材料导液层的顶部以及下拉膜环之间形成溢流槽；所述供液空槽与外接的供液-压力调节系统相通。
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2、图3所示，本发明的较佳实施例中，液膜扩张粘弹性测定装置，包括液膜产生装置18和上、下位移及正弦振动产生装置19，所述液膜产生装置18由上环组件A、下环组件B和盛液盘20构成。所述上环组件A还包括上拉膜环，并由电子分析天平17悬起；下环组件B位于盛液盘20内，并可与盛液盘20一体在上、下位移及正弦振动产生装置19的驱动下做上、下运动和正弦振动，即，下环组件B设置于所述盛液盘20内，所述盛液盘20底部设置有一上、下位移及正弦振动产生装置19，通过上下位移及正弦振动产生装置19与盛液盘20底部的配合运动，盛液盘20能够带动其内部的下环组件B进行相应的上下或正弦运动。所述下环组件B由带环槽的金属环套1、下拉膜环5A、多孔介质材料导液层2和憎水环形盖板3组成，所述下拉膜环5A位于金属环套1正中，如图所示，即所述下拉膜环5A与所述金属环套1中间的中心容置部同轴设置；较佳的，上环组件的上拉膜环的顶部为呈尖锐刀口状的上环形刀口4；下环组件B的下拉膜环5A的顶端为呈尖锐刀口状的下环形刀口5B。下环形刀口5B与上环组件A的上环形刀口4大小相同且相向同轴水平；所述上环组件A与所述下环组件B相向正对设置，下环组件B能够相对上环组件A上下移动，从而改变上环形刀口10与下环形刀口5之间的距离。其中，较佳的，所述上环形刀口及下环形刀口的直径为10-200mm。
较佳的，所述上拉膜环水平悬挂在悬丝上，所述悬丝穿过所述上环组件的圆盘的中心。
所述环槽由所述金属环套1及所述下环形刀口5B围成，所述多孔介质材料导液层2位于环槽上部，较佳的实施方式中，所述导液层2的厚度为1-10mm，宽度为1-20mm。多孔介质导液层2的顶端与金属环套1外壁的顶端平齐，导液层2与环槽之间形成供液空槽7的空间；所述环形盖板3部分遮盖于多孔介质导液层2上且延伸至金属环套1的外侧，并且固定于所述金属环套1上；环形盖板3的内侧壁、多孔介质材料导液层2的顶部以及下拉膜环5A之间形成溢流槽6，较佳的，所述溢流槽的宽度为0.1-2mm。所述环形盖板3通过螺钉可拆式固定于金属环套1外壁的顶端；所述供液空槽7与外接的供液-压力调节系统8相通。较佳的，所述导液层低于下环形刀口1-2mm。
请参阅图1所示，在本发明的较佳实施例中，垂直的、近似圆柱形的液膜9由接触的上环形刀口4、下环形刀口5B拉伸出来。下环形刀口5B处的水力学静压力为零。当供液-压力调节系统8有正压力时，由于盖板3憎水，导液层2排出的液体能够通过溢流槽6将被测液体压到液膜9内，使得液膜9增厚；当供液-压力调节系统8有负压力时，由于多孔介质材料的孔隙直径很小，并且是强亲水的，膜外空气不能进入导液层2，只能是膜内液体克服分离压(或称楔压)通过导液层2进入供液-压力调节系统8，则液膜9减薄。多孔介质材料的孔隙直径越小，可使用的负压越大，所能获得的液膜9厚度越小，直到牛顿黑膜生成。液膜9厚度可以通过外部的干涉仪来测定。当液膜9达到所需厚度时，膜内外保持一定的压力差，从而实现液膜9厚度的可调、可控。
如上所述的本发明的液膜扩张粘弹性测定装置，其较佳的实施方式中，所述上拉膜环的底部向上凸设有圆台，所述圆台的中心与所述圆盘的中心相重合，所述圆台上套设有能够移动调整所述上拉膜环重心的平衡结构。
如图4A所示，本发明的较佳实施例中，所述上环组件A中与上环形刀口4相对的一侧(即所述上拉膜环的底部向上凸出)设置一圆形凸台10，所述圆台的中心与所述上环组件的圆盘的中心相重合，所述圆形凸台10的外周套接有一个或二个带缺口的缺口圆环11。调节缺口圆环11的缺口在上环组件上的位置或是多个缺口圆环11的相对位置可以调节上环组件的水平。
如图4B所示，本发明的较佳实施例中，所述上环组件A中与上环形刀口4相对的一侧(即所述上拉膜环的底部向上凸出)设置一圆形凸台10，所述圆形凸台的中心与所述上环组件的圆盘的中心相重合，所述圆形凸台10的外周套接有一圆环12，所述圆环12的高度高于圆形凸台10，所述圆环12的顶端卡设有一个或多个滑块13。调节滑块的位置同样可以调节上环组件的水平。
如图1所示，在较佳的实施方式中，上、下位移及正弦振动产生装置19包括偏心顶杆14、斜面15和驱动马达16。所述斜面15在驱动马达16的作用下可以上下运动和旋转，所述偏心顶杆14的一端固定于盛液盘20的底部，另一端为圆锥形，圆锥形的顶点与斜面15保持接触。较佳的，所述偏心顶杆与所述斜面的接触端为圆锥形，所述圆锥形的顶点与所述斜面保持接触，借此，所述盛液盘能够随着上、下位移及正弦振动产生装置19的驱动而实现上下或者正弦运动。
当斜面15在驱动马达16的作用下作上、下运动时，盛液盘20也上下运动，使上环形刀口4、下环形刀口5B相互接触并拉出柱状液膜9；当斜面15在驱动马达16的作用下旋转时，盛液盘20带动液膜9作正弦振动，此时利用外接设备可以测定膜厚和扩张应变，进而测定液膜的动态扩张粘弹性。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (11)
1.液膜扩张粘弹性测定装置，其特征在于：该液膜扩张粘弹性测定装置包括液膜产生装置和上、下位移及正弦振动产生装置，所述液膜产生装置包括上环组件、下环组件和盛液盘，所述上环组件包括上拉膜环，由电子分析天平悬起，该下环组件位于盛液盘内，并能够与所述盛液盘一体在所述上、下位移及正弦振动产生装置的驱动下运动，所述下环组件由带环槽的金属环套、下拉膜环、多孔介质材料导液层、憎水环形盖板组成，所述下拉膜环位于所述金属环套正中，且与所述上拉膜环大小相同且相向同轴水平；所述多孔介质材料导液层位于该环槽上部，所述导液层与环槽之间形成供液空槽空间；所述环形盖板部分遮盖于该导液层上且延伸至所述金属环套的外侧；所述环形盖板的内侧壁、多孔介质材料导液层的顶部以及下拉膜环之间形成溢流槽；所述供液空槽与外接的供液-压力调节系统相通；
所述上拉膜环的底部向上凸设有圆台，所述圆台的中心与上环组件的圆盘的中心相重合；
具有缺口的多个圆环套设在所述圆台上，所述具有缺口的多个圆环能够彼此独立沿圆台转动；
调节多个缺口的相对位置来调节上环组件的水平。
2.根据权利要求1所述的液膜扩张粘弹性测定装置，其特征在于，所述下拉膜环的顶端为呈尖锐刀口状的下环形刀口。
3.根据权利要求2所述的液膜扩张粘弹性测定装置，其特征在于，所述导液层低于下环形刀口1-2mm。
4.根据权利要求3所述的液膜扩张粘弹性测定装置，其特征在于，所述导液层的顶端与金属环套外壁的顶端平齐，所述环形盖板通过螺钉可拆式固定于金属环套外壁的顶端。
5.根据权利要求4所述的液膜扩张粘弹性测定装置，其特征在于，所述导液层厚度1～10mm，宽度1～20mm。
6.根据权利要求1所述的液膜扩张粘弹性测定装置，其特征在于，所述溢流槽宽度为0.1-2mm。
7.根据权利要求1所述的液膜扩张粘弹性测定装置，其特征在于，所述上拉膜环水平悬挂在悬丝上，所述悬丝穿过上环组件的圆盘的中心。
8.根据权利要求1所述的液膜扩张粘弹性测定装置，其特征在于，所述上拉膜环的顶部为呈尖锐刀口状的上环形刀口。
9.根据权利要求2或8所述的液膜扩张粘弹性测定装置，其特征在于，所述上、下环形刀口直径为10-200mm。
10.根据权利要求1所述的液膜扩张粘弹性测定装置，其特征在于，所述上、下位移及正弦振动产生装置包括偏心顶杆、斜面和驱动马达，所述斜面在所述驱动马达的作用下能够上下运动和旋转，所述偏心顶杆的一端固定于盛液盘的底部，另一端与斜面保持接触。
11.根据权利要求10所述的液膜扩张粘弹性测定装置，其特征在于，所述偏心顶杆与所述斜面的接触端为圆锥形，所述圆锥形的顶点与所述斜面保持接触。
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