CN104237077B - 一种气体扩散速度测定装置及应用 - Google Patents

Abstract

一种气体扩散速度测定装置，包括比色皿、所述比色皿设置在所述的控温池内，在所述控温池和比色皿之间设置有一组透光圆孔，在所述控温池外部与所述透光圆孔相对的位置分别设置有LED光源和CCD探头，所述LED光源经控温池、透光圆孔、比色皿、透光圆孔和控温池穿出，被CCD探头探测；在所述比色皿中设置有温度传感器；在比色皿上设置有两个相对设置的钩形针筒，所述两个钩形针筒分别与微量泵相连通。本发明中可以在设定温度下形成可控体积的气泡，同时利用了光学测量的方法，使气泡在测试过程中不会受到测试手段的干扰，保证了测试结果的准确性及可对比性。

Description

一种气体扩散速度测定装置及应用

技术领域

本发明涉及一种气体扩散速度测定装置及应用，属于石油、天然气开采用泡沫流体性能评价装置的技术领域。

背景技术

泡沫作为一种高效、智能、环保的流体，在油气田开发领域正逐渐推广。石油工程的整个过程，从初期泡沫欠钻井、到泡沫水泥浆固井以及泡沫压裂、再到油气井泡沫冲砂、洗井、排液、诱喷、酸洗、酸化等作业，最后到地层中泡沫调剖堵水、泡沫驱，泡沫技术均得到了良好的利用并体现出其独特的优势。

在泡沫的应用过程中，稳定性是其各相性能优势有效发挥的基础。目前普遍认为，泡沫的稳定性主要影响因素为：①泡沫中液体的流失；②气体透过液膜的扩散。对于第一种影响因素目前已经有一系列的评价测试方法,诸如Waring Blender析液半衰期法、Ross-Miles析液半衰期法、泡沫液电阻率测试法等，且技术技术都已经较成熟，并广泛应用。然而，对于第二种影响因素的研究，大多集中在的假设推导及建立模型阶段，如De Vries提出的气体扩散规律、Lemlich提出的泡沫生长定律、Ross等人推导的封闭体系泡沫方程等，而对气体透过液膜扩散速度的相关实验研究较少，缺少精确的、可控的、可重复的实验方法对气体透过液膜的扩散速度进行的定量测试。

如在《中国石油大学学报》自然科学版2014年第4期中，记载了由孙乾发表的《SiO₂纳米颗粒稳定的泡沫体系驱油性能研究》一篇文章。该文章虽然提出了SiO₂纳米颗粒分散在泡沫液膜中从而降低气体扩散速度的机理，但对泡沫稳定性能影响因素的研究中仍然仅是采用Waring Blender析液半衰期法进行研究，并没有提出气体扩散速度的测定方法及相关实验数据。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种气体扩散速度测定装置，该装置弥补了现有泡沫评价装置中缺少气体扩散速度测定的不足，可精确得测量5～95℃范围内各类泡沫液体系中气体的扩散速度，可对比性及可重复性强。

本发明还提供一种上述气体扩散速度测定装置的使用方法。

本发明技术方案在于：

一种气体扩散速度测定装置，包括比色皿、所述比色皿设置在所述的控温池内，在所述控温池和比色皿之间设置有一组透光圆孔，在所述控温池外部与所述透光圆孔相对的位置分别设置有LED光源和CCD探头，所述LED光源经控温池、透光圆孔、比色皿、透光圆孔和控温池穿出，被CCD探头探测；

在所述比色皿中设置有温度传感器；

在比色皿上设置有两个相对设置的钩形针筒，所述两个钩形针筒分别与微量泵相连通；

所述温度传感器的电信号端与计算机相连；所述CCD探头的信息采集端与所述计算机相连；

所述计算机控制所述微量泵通过气体阀门、所述两个钩形针筒向所述比色皿内注入气体。所述钩形针筒的作用是产生两个相邻近的气泡，同时可以使每个气泡的形状沿垂向中心轴对称，便于气泡的体积计算。

根据本发明优选的，所述钩形针筒内径的范围为50～500μm。本发明优选该内径范围的针筒所产生的气泡尺度可以匹配绝大部分油气田生产用泡沫中气泡尺度。

根据本发明优选的，所述钩形针筒弯曲半径的范围为2～5mm。本发明优选该弯曲半径的作用在于减弱气泡距离钩形针筒竖直段太近产生的实验影响，又有利于实现和保持两钩形针筒间弯曲段的平行度，保证了实验的精确性及稳定性。

根据本发明优选的，所述的温控池与水浴锅相连通。所述控温池内部可循环蒸馏水，作用是将比色皿中溶液加热到测试温度。

根据本发明优选的，所述两个钩形针筒通过调距尺固定在所述比色皿内，所述调距尺用于调整两个钩形针筒之间的距离。

根据本发明优选的，所述两个钩形针筒与微量泵之间通过聚四氟乙烯软管线相连。

根据本发明优选的，所述比色皿的外部尺寸为30mm×30mm×70mm，容积为35mL，容积为作用是盛放测试溶液。采用该尺寸和容积的比色皿，其容纳适量的测试溶液，使其在固定粘度下实现最优观察气泡生成、扩散的效果。

根据本发明优选的，所述LED光源包括三个档位：150流明、250流明、350流明。此处设计的作用是分别产生不同功率的入射光，根据不同试验的需要，照射比色皿，产生透射光。

一种上述气体扩散速度测定装置的使用方法，包括如下步骤：

(1)将待测试溶液搅拌均匀后倒入比色皿中，通过调距尺调节两钩形针筒的距离；

(2)利用水浴锅对控温池进行恒温加热，直至将所述待测溶液加热到试验温度；

(3)打开LED光源开关，设定光源档位，同时打开CCD探头，调节CCD探头位置，直到计算机上显示出清晰的两个钩形针筒弯曲段及钩形针筒上的出气口；

(4)打开两个微量泵开关，向微量泵中注入测试气体后，连接微量泵与钩形针筒，控制微量泵向钩形针筒内注入气体的流速及时间，在钩形针筒出气口处生成两个气泡，且气泡附着在钩形针筒的出气口不至脱落；

(5)通过计算机实时采集步骤(4)所产生气泡的二维切面图像，处理图像并计算所述气泡的体积：

将采集到的气泡二维切面图沿垂向划分为N个等高的外接圆梯形，采集每个梯形上底和下底宽度d_i和d_i+1；其中所述每个等高的外接圆梯形为立体的三维圆台结构；所述采集的梯形上底、下底宽度d_i和d_i+1等于对应的三维圆台的上底、下底面圆直径长度；进行三维圆台的体积加和计算，即可得到截取图像时的气泡体积V，该体积V为气泡的实测体积，计算公式如下：

$V\≈\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_i+S_{i+1}+\sqrt{S_i\×S_{i+1}}}{3}\×\frac{H}{N}$

所述S_i和S_i+1为对应三维梯台上下底面积，mm²，其计算公式为：S_i＝πd_i ²/2；所述H为气泡的高度，mm；

(6)通过微量泵继续向钩形针筒内注入气体；

(7)设定测试时间△t：从气泡生成，到气泡脱离钩形针筒出气口时的时间；在△t内，每隔1～10min分别按照步骤(5)采集气泡二维切面图像；

(8)计算气体扩散速度：

所述测试时间△t内，气体平均扩散扩散速度Q计算公式如下：

所述V_初A、V_初B分别为初始时刻在两个钩形针筒出气口处气泡A和气泡B的体积，mm³；所述V_A、V_B分别为经测试时间△t后，所述气泡A、气泡B的体积，mm³。

本发明的有益效果：

1.本发明测试溶液可以是各类常压下存在的发泡液体系，测试气体可以是常压下存在的各类油田常用气体体系，测试类型广。

2.本发明中可以在设定温度下形成可控体积的气泡，同时利用了光学测量的方法，使气泡在测试过程中不会受到测试手段的干扰，保证了测试结果的准确性及可对比性。

3.本发明所述的气体扩散速度计算方法，可以计算任何时刻采集到气泡的体积数据，同时可以计算任意时间间隔内气体的平均扩散速度，其计算步骤简单、计算效率和精度高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不限于此。

图1为本发明结构示意图；

图2是本发明中采集到的气泡的二维切面图像；

图3是气泡切面的数据处理的示意图；

在图1-3中，1、LED光源；2、水浴锅；3、透光圆孔；4、控温池；5、调距尺；6、气体阀门；7、微量泵；8、温度传感器；9、钩形针筒；10、比色皿；11、计算机；12、CCD探头。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

如图1-3所示。

以下实施例中所用到的待测液体为质量分数0.5％的十二烷基苯磺酸溶液，其测量温度≤30℃。

实施例1、

一种气体扩散速度测定装置，包括比色皿10、所述比色皿10设置在所述的控温池4内，在所述控温池4和比色皿10之间设置有一组透光圆孔3，在所述控温池4外部与所述透光圆孔3相对的位置分别设置有LED光源1和CCD探头12，所述LED光源1经控温池4、透光圆孔3、比色皿10、透光圆孔3和控温池4穿出，被CCD探头12探测；

在所述比色皿10中设置有温度传感器8；

在比色皿10上设置有两个相对设置的钩形针筒9，所述两个钩形针筒9分别与微量泵7相连通；

所述温度传感器8的电信号端与计算机11相连；所述CCD探头12的信息采集端与所述计算机11相连；

所述计算机11控制所述微量泵7通过气体阀门6、所述两个钩形针筒9向所述比色皿10内注入气体。

实施例2、

如实施例1所述的一种气体扩散速度测定装置，其区别在于，所述钩形针筒9内径的范围为50～500μm。

所述钩形针筒9弯曲半径的范围为2～5mm。

实施例3、

如实施例1所述的一种气体扩散速度测定装置，其区别在于，所述的温控池4与水浴锅2相连通。所述控温池4内部可循环蒸馏水，作用是将比色皿10中溶液加热到测试温度。

所述两个钩形针筒9通过调距尺5固定在所述比色皿10内，所述调距尺5用于调整两个钩形针筒9之间的距离。

实施例4、

如实施例1所述的一种气体扩散速度测定装置，其区别在于，所述两个钩形针筒9与微量泵7之间通过聚四氟乙烯软管线相连。

所述比色皿10的外部尺寸为30mm×30mm×70mm，容积为35mL，容积为作用是盛放测试溶液。

所述LED光源1包括三个档位：150流明、250流明、350流明。

实施例5、

一种利用上述气体扩散速度测定装置测量气泡间的扩散速度的使用方法，包括如下步骤：

(1)将待测试溶液搅拌均匀后倒入比色皿10中，通过调距尺5调节两钩形针筒9的距离；

(2)利用水浴锅2对控温池4进行恒温加热，直至将所述待测溶液加热到试验温度；

(3)打开LED光源1开关，设定光源档位，同时打开CCD探头12，调节CCD探头12位置，直到计算机11上显示出清晰的两个钩形针筒弯曲段及钩形针筒上的出气口；

(4)打开两个微量泵7开关，向微量泵7中注入测试气体后，连接微量泵7与钩形针筒9，控制微量泵7向钩形针筒9内注入气体的流速及时间，在钩形针筒9出气口处生成两个气泡，且气泡附着在钩形针筒的出气口不至脱落；

(5)通过计算机11实时采集步骤(4)所产生气泡的二维切面图像，处理图像并计算所述气泡的体积：如图3所示：

将采集到的气泡二维切面图沿垂向划分为N个等高的外接圆梯形，采集每个梯形上底和下底宽度d_i和d_i+1；其中所述每个等高的外接圆梯形为立体的三维圆台结构；所述采集的梯形上底、下底宽度d_i和d_i+1等于对应的三维圆台的上底、下底面圆直径长度；进行三维圆台的体积加和计算，即可得到截取图像时的气泡体积V，该体积V为气泡的实测体积，计算公式如下：

$V\≈\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_i+S_{i+1}+\sqrt{S_i\×S_{i+1}}}{3}\×\frac{H}{N}$

所述S_i和S_i+1为对应三维梯台上下底面积，mm²，其计算公式为：S_i＝πd_i ²/2；所述H为气泡的高度，mm；

(6)通过微量泵继续向钩形针筒内注入气体；

(7)设定测试时间△t：从气泡生成，到气泡脱离钩形针筒出气口时的时间；在△t内，每隔1～10min分别按照步骤(5)采集气泡二维切面图像；

(8)计算气体扩散速度：

所述测试时间△t内，气体平均扩散扩散速度Q计算公式如下：

所述V_初A、V_初B分别为初始时刻在两个钩形针筒出气口处气泡A和气泡B的体积，mm³；所述V_A、V_B分别为经测试时间△t后，所述气泡A、气泡B的体积，mm³。

Claims (3)

1.一种气体扩散速度测定装置，其特征在于，该装置包括比色皿、所述比色皿设置在控温池内，在所述控温池和比色皿之间设置有一组透光圆孔，在所述控温池外部与所述透光圆孔相对的位置分别设置有LED光源和CCD探头，所述LED光源发出的光经控温池、透光圆孔、比色皿、透光圆孔和控温池穿出，被CCD探头探测；

在所述比色皿中设置有温度传感器；

在比色皿上设置有两个相对设置的钩形针筒，所述两个钩形针筒分别与微量泵相连通；

所述温度传感器的电信号端与计算机相连；所述CCD探头的信息采集端与所述计算机相连；

所述计算机控制所述微量泵通过气体阀门、所述两个钩形针筒向所述比色皿内注入气体；

所述钩形针筒内径的范围为50～500μm；

所述钩形针筒弯曲半径的范围为2～5mm；

所述的控温池与水浴锅相连通；所述控温池内部可循环蒸馏水，作用是将比色皿中溶液加热到测试温度；

所述两个钩形针筒通过调距尺固定在所述比色皿内，所述调距尺用于调整两个钩形针筒之间的距离；

所述两个钩形针筒与微量泵之间通过聚四氟乙烯软管线相连；

所述比色皿的外部尺寸为30mm×30mm×70mm，容积为35mL，比色皿的作用是盛放待测试溶液。

2.根据权利要求1所述的一种气体扩散速度测定装置，其特征在于，所述LED光源包括三个档位：150流明、250流明、350流明。

3.一种如权利要求1-2任意一项所述气体扩散速度测定装置的使用方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)将待测试溶液搅拌均匀后倒入比色皿中，通过调距尺调节两钩形针筒的距离；

(2)利用水浴锅对控温池进行恒温加热，直至将所述待测试溶液加热到试验温度；

(3)打开LED光源开关，设定光源档位，同时打开CCD探头，调节CCD探头位置，直到计算机上显示出清晰的两个钩形针筒弯曲段及钩形针筒上的出气口；

(4)打开两个微量泵开关，向微量泵中注入测试气体后，连接微量泵与钩形针筒，控制微量泵向钩形针筒内注入气体的流速及时间，在钩形针筒出气口处生成两个气泡，且气泡附着在钩形针筒的出气口不至脱落；

(5)通过计算机实时采集步骤(4)所产生气泡的二维切面图像，处理图像并计算所述气泡的体积：

将采集到的气泡二维切面图沿垂向划分为N个等高的外接圆梯形，采集每个梯形上底和下底宽度d_i和d_i+1；其中所述每个等高的外接圆梯形为立体的三维圆台结构；所述采集的梯形上底、下底宽度d_i和d_i+1等于对应的三维圆台的上底、下底面圆直径长度；进行三维圆台的体积加和计算，即可得到截取图像时的气泡体积V，该体积V为气泡的实测体积，计算公式如下：

$V\≈\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_i+S_{i+1}+\sqrt{S_i\×S_{i+1}}}{3}\×\frac{H}{N}$

所述S_i和S_i+1为对应三维梯台上下底面积，mm²，其计算公式为：S_i＝πd_i ²/2；所述H为气泡的高度，mm；

(6)通过微量泵继续向钩形针筒内注入气体；

(7)设定测试时间△t：从气泡生成，到气泡脱离钩形针筒出气口时的时间；在△t内，每隔1～10min分别按照步骤(5)采集气泡二维切面图像；

(8)计算气体扩散速度：

所述测试时间Δt内，气体平均扩散扩散速度Q计算公式如下：

所述V_初A、V_初B分别为初始时刻在两个钩形针筒出气口处气泡A和气泡B的体积，mm³；所述V_A、V_B分别为经测试时间Δt后，所述气泡A、气泡B的体积，mm³。