CN106018184B - 一种高温高压环境下测量动态接触角的实验装置 - Google Patents

一种高温高压环境下测量动态接触角的实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于CO2地质封存技术领域，提供了一种高温高压环境下测量动态接触角的实验装置；该实验装置包括单开口高温高压釜、溶液搅拌器、泵、阀、岩石样品、注射针、锥面接头、加热带、基质台、紫铜垫片、密封开口环、压紧环、压紧螺栓、环形光纤照明灯、计算机、高频摄像机、温度控制器、蓝宝石视镜、特氟龙密封环、泄压阀、压力表、热电偶、微型滚动轴承、CO2气瓶、外盖、齿轮、轴、磁体和内盖。该实验装置利用小齿轮和大齿轮啮合传动，控制外磁体旋转角度，利用磁力传动驱动内磁体，微调基质台倾斜角度，精确捕捉液滴运动趋势和液滴形态，分析和测量动态接触角。

Description

一种高温高压环境下测量动态接触角的实验装置
技术领域
本发明属于CO2地质封存技术领域，涉及一种高温高压环境下测量动态接触角的实验装置。
背景技术
近年来，全球气候剧变，CO2减排是当今国际社会已经达成共识并为之一直努力的行动目标。CO2地质封存作为最有发展前景的CO2减排方案之一，引起了全球广泛关注。
在地质封存环境下，CO2/盐水/岩石体系的接触角影响着CO2在封存介质中的运移过程，反之，CO2运移过程也影响着接触角的变化，静态接触角转化为动态接触角。由于岩石表面的粗糙度和化学异质性，导致CO2的前进接触角和后退接触角存在很大的差异，两者之差最大值达到40°。许多学者对CO2/盐水/岩石表面的动态接触角进行测量，研究结果具有很大的不确定性，预测主要影响因素可能是岩石表面污染物，但并未得到相关实验证明。因此需进一步明确研究动态接触角的变化规律。
现有文献中的动态接触角测量装置采用加减液法和倾斜板法。加减法是通过注射针向已形成的液滴中加减液体，改变液滴体积，测量动态接触角。但在加减液过程中造成液滴的界面形态轮廓、体积大小、润湿面积以及润湿线长度发生改变，对测量结果有很大影响，并且注射针的润湿性对液滴在岩石表面的润湿性有一定的干扰。倾斜板法的倾斜面主要是下降楔形表面，将液滴滴落在倾斜表面，液滴在重力的作用下沿着倾斜表面开始运动，捕捉液滴将要运动时刻的形态，测量动态接触角。下降楔形板中倾斜角度为定值，在实验过程中无法调节倾斜角度大小，捕捉液滴将要发生运动瞬间极其困难，容易造成测量动态接触角失真。
发明内容
本发明的目的为了解决上述现有测量动态接触角实验装置存在的不足，提供一种高温高压环境下测量动态接触角的实验装置。能够在高温高压环境下，利用齿轮系和磁力传动，微调基质台倾斜角度，精确捕捉液滴运动趋势和液滴形态，分析和测量动态接触角。
本发明的技术方案：
一种高温高压环境下测量动态接触角的实验装置，包括单开口高温高压釜、溶液搅拌器、泵、阀、岩石样品、注射针、锥面接头、加热带、基质台、紫铜垫片、密封开口环、压紧环、压紧螺栓、环形光纤照明灯、计算机、高频摄像机、温度控制器、蓝宝石视镜、特氟龙密封环、泄压阀、压力表、热电偶、微型滚动轴承、CO2气瓶、外盖、小齿轮、轴一、轴二、大齿轮、外磁体、轴三、内磁体和内盖。
所述的单开口高温高压釜内部为水平圆柱形腔体，右端开口处内侧为台阶孔，外侧为凸缘；
所述的密封开口环为半圆柱型，内部为卡槽，卡槽内径与单开口高温高压釜右侧凸缘外径相同，卡槽宽度大于单开口高温高压釜右侧凸缘的厚度；密封开口环左右两侧均为凸缘，左侧凸缘内径与单开口高温高压釜外径相同，以便卡紧；右侧凸缘内径与单开口高温高压釜内径相同，其上分布螺纹孔，通过压紧螺栓连接。
所述的压紧环的外径与密封开口环内部卡槽直径相同，内径与单开口高温高压釜内径相同，其通过压紧螺栓固定在密封开口环和单开口高温高压釜的凸缘之间；
小齿轮固定在轴一上，大齿轮和外磁体依次固定在轴二上，大齿轮和小齿轮位于同一竖直面上并相互啮合，外磁体位于靠近单开口高温高压釜一侧，轴一和轴二通过微型滚动轴承安装在外盖上，外盖固定于单开口高温高压釜外侧底面；内磁体固定在轴三上，轴三一端通过微型滚动安装在内盖上，内盖固定于单开口高温高压釜内侧底面；基质台焊接于轴三的另一端，岩石样品粘贴在基质台表面；其中轴二和轴三位于同一轴线上；
压紧环依次将紫铜垫片、侧面套有特氟龙密封环的蓝宝石视镜和紫铜垫片压在单开口高温高压釜的台阶孔内，紫铜垫片分别位于蓝宝石视镜两侧；单开口高温高压釜外侧凸缘嵌入密封开口环卡槽内，并与密封开口环左侧凸缘内表面相接触；压紧环置于单开口高温高压釜凸缘和密封开口环右侧凸缘之间；压紧螺栓与密封开口环右侧凸缘上螺纹孔配合使用，顶压压紧环，实现单开口高温高压釜端口密封；
环形光纤照明灯和高频摄像机置于密封开口环右侧，其中环形光纤照明灯位于高频摄像机和密封开口环之间，三者中心轴线位于同一水平线上；高频摄像机与计算机相连接，以传输数据，分析动态接触角；
温度控制器分别与加热带和热电偶末端相连，加热带缠绕在单开口高温高压釜外壁，以加热；热电偶由锥面接头固定在单开口高温高压釜上，其前端深入腔体内，以测温；
CO2气瓶依次与泵、阀连接后，分出两条支路，一条支路连接压力表后，通过锥面接头与单开口高温高压釜连接，以注入CO2；另一条支路依次连接溶液搅拌器、泵、阀和注射针，注射针由锥面接头固定在单开口高温高压釜上，注射针前端伸入腔体内，并位于岩石样品上方，以注入相同压力下饱和CO2的盐溶液液滴；泄压阀与CO2入口处的锥面接头连接。
本发明的有益效果：
本发明的实验装置利用小齿轮和大齿轮啮合传动，控制外磁体旋转角度，利用磁力传动驱动内磁体，微调基质台倾斜角度，精确捕捉液滴运动趋势和液滴形态，分析和测量动态接触角。实验过程中，磁力驱动实现了装置的静密封和动力传递，齿轮系实现了微调倾斜角度，容易捕捉液滴将要发生运动瞬间，测量结果更符合实际，同时避免了加减液法所带来的测量误差。
附图说明
图1是本发明一种高温高压环境下测量动态接触角的实验装置结构示意图。
图2是密封开口环的结构示意图。
图中：1单开口高温高压釜；2溶液搅拌器；3泵；4阀；5岩石样品；6注射针；7锥面接头；8加热带；9基质台；10紫铜垫片；11密封开口环；12压紧环；13压紧螺栓；14环形光纤照明灯；15计算机；16高频摄像机；17温度控制器；18蓝宝石视镜；19特氟龙密封环；20泄压阀；21压力表；22热电偶；23微型滚动轴承；24CO2气瓶；25外盖；26小齿轮；27轴一；28轴二；29大齿轮；30外磁体；31轴三；32内磁体；33内盖。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，对本发明作进一步详细描述说明。
本发明一种高温高压环境下测量动态接触角的实验装置，如图1所示，由单开口高温高压釜1，溶液搅拌器2，泵3，阀4，岩石样品5，注射针6，锥面接头7，加热带8，基质台9，紫铜垫片10，密封开口环11，压紧环12，压紧螺栓13，环形光纤照明灯14，计算机15，高频摄像机16，温度控制器17，蓝宝石视镜18，特氟龙密封环19，泄压阀20，压力表21，热电偶22，微型滚动轴承23，CO2气瓶24，外盖25，小齿轮26，轴一27，轴二28，大齿轮29，外磁体30，轴三31，内磁体32和内盖33组成。
具体实验装置安装步骤：
(1)小齿轮26安装在轴一27上，大齿轮29和外磁体30安装在轴二28上，大齿轮29和小齿轮26位于同一竖直面上并相互啮合，外磁体30位于靠近单开口高温高压釜1一侧，轴一27和轴二28通过微型滚动轴承23安装在外盖25上，外盖25固定于单开口高温高压釜1外侧底面。内磁体32固定在轴三31上，轴三31通过微型滚动23固定在内盖33上，内盖33固定于单开口高温高压釜1内侧底面，基质台9焊接于轴三31的另一端，岩石样品5粘贴在基质台9上。
(2)将特氟龙密封环19套在蓝宝石视镜18的侧面，并依次将紫铜垫片10、侧面套有特氟龙密封环19的蓝宝石视镜18和紫铜垫片10放置单开口高温高压釜1的台阶孔内。两个密封开口环11从侧面将单开口高温高压釜1外侧凸缘卡在卡槽内，同时将压紧环12置于单开口高温高压釜1凸缘和密封开口环11右侧凸缘之间。压紧螺栓13与密封开口环11右侧凸缘上螺纹孔连接，并顶压压紧环12。
(3)环形光纤照明灯14和高频摄像机16置于密封开口环11右侧，其中环形光纤照明灯14位于高频摄像机16和密封开口环11之间，三者的中心轴线位于同一水平线上，高频摄像16与计算机15相连接。
(4)温度控制器17分别与加热带8和热电偶22末端相连，加热带8缠绕在单开口高温高压釜1外壁，以加热；热电偶22由锥面接头7固定在单开口高温高压釜1上，其前端深入腔体内，以测温。
(5)将CO2气瓶24依次与泵3、阀4连接后，分出两条支路，一条支路连接压力表21后，通过锥面接头7与单开口高温高压釜1连接；另一条支路依次连接溶液搅拌器2、泵3、阀4和注射针6，注射针6由锥面接头7固定在单开口高温高压釜1上，其前端伸入腔体内，并位于岩石样品5上方。泄压阀20与CO2入口处的锥面接头7连接。
具体动态接触角测量步骤：
(1)关闭所有阀门，检验装置密封性。
(2)微旋轴一27，由小齿轮26和大齿轮29啮合传递动力，带动外磁体30转动，磁力驱动内磁体32，带动轴三31旋转，直至调节基质台9水平为止。
(3)开启加热带8，对单开口高温高压釜1加热，达到设定温度值，设置保温。
(4)开启与CO2气瓶24连接的泵3、阀4、溶液搅拌器2、压力表21，向单开口高温高压釜1内充入CO2，形成高温高压的CO2环境；同时在溶液搅拌器中配置相同压力下饱和CO2的盐溶液。压力达到设定值，保持半个小时，关闭泵3、阀4和溶液搅拌器2。
(5)开启与溶液搅拌器2连接的泵3和阀4，由注射针6向岩石样品5表面滴加盐溶液液滴，待液滴形成后关闭泵3和阀4。
(6)微旋轴一27，由小齿轮26和大齿轮29啮合传递动力，带动外磁体30转动，磁力驱动内磁体32，带动轴三31旋转，基质台9和岩石样品5发生小角度倾斜，由高频摄像机16捕捉液滴将要发生运动瞬间的形态，输入计算机15，分析和测量动态接触角。
(7)实验完成后，关闭所有阀门和加热带8，待单开口高温高压釜1冷却后，开启泄压阀20，泄压，并拆卸实验装置，清洗实验仪器。

Claims (1)

1.一种高温高压环境下测量动态接触角的实验装置，其特征在于，该实验装置包括单开口高温高压釜、溶液搅拌器、泵、阀、岩石样品、注射针、锥面接头、加热带、基质台、紫铜垫片、密封开口环、压紧环、压紧螺栓、环形光纤照明灯、计算机、高频摄像机、温度控制器、蓝宝石视镜、特氟龙密封环、泄压阀、压力表、热电偶、微型滚动轴承、CO2气瓶、外盖、小齿轮、轴一、轴二、大齿轮、外磁体、轴三、内磁体和内盖；
所述的单开口高温高压釜内部为水平圆柱形腔体，右端开口处内侧为台阶孔，外侧为凸缘；
所述的密封开口环为半圆柱型，内部为卡槽，卡槽内径与单开口高温高压釜右侧凸缘外径相同，卡槽宽度大于单开口高温高压釜右侧凸缘的厚度；密封开口环左右两侧均为凸缘，左侧凸缘内径与单开口高温高压釜外径相同，以便卡紧；右侧凸缘内径与单开口高温高压釜内径相同，其上分布螺纹孔，压紧环通过压紧螺栓与密封开口环连接；
所述的压紧环的外径与密封开口环内部卡槽直径相同，内径与单开口高温高压釜内径相同，其通过压紧螺栓固定在密封开口环和单开口高温高压釜的凸缘之间；
小齿轮固定在轴一上，大齿轮和外磁体依次固定在轴二上，大齿轮和小齿轮位于同一竖直面上并相互啮合，外磁体位于靠近单开口高温高压釜一侧，轴一和轴二通过微型滚动轴承安装在外盖上，外盖固定于单开口高温高压釜外侧底面；内磁体固定在轴三上，轴三一端通过微型滚动轴承安装在内盖上，内盖固定于单开口高温高压釜内侧底面；基质台焊接于轴三的另一端，岩石样品粘贴在基质台表面；其中轴二和轴三位于同一轴线上；
压紧环依次将紫铜垫片、侧面套有特氟龙密封环的蓝宝石视镜和紫铜垫片压在单开口高温高压釜的台阶孔内，紫铜垫片分别位于蓝宝石视镜两侧；单开口高温高压釜外侧凸缘嵌入密封开口环卡槽内，并与密封开口环左侧凸缘内表面相接触；压紧环置于单开口高温高压釜凸缘和密封开口环右侧凸缘之间；压紧螺栓与密封开口环右侧凸缘上螺纹孔配合使用，顶压压紧环，实现单开口高温高压釜端口密封；
环形光纤照明灯和高频摄像机置于密封开口环右侧，其中环形光纤照明灯位于高频摄像机和密封开口环之间，三者中心轴线位于同一水平线上；高频摄像机与计算机相连接，以传输数据，分析动态接触角；
温度控制器分别与加热带和热电偶末端相连，加热带缠绕在单开口高温高压釜外壁，以加热；热电偶由锥面接头固定在单开口高温高压釜上，其前端深入腔体内，以测温；
CO2气瓶依次与泵、阀连接后，分出两条支路，一条支路连接压力表后，通过锥面接头与单开口高温高压釜连接，以注入CO2；泄压阀与CO2入口处的锥面接头连接；另一条支路依次连接溶液搅拌器、泵、阀和注射针，注射针由锥面接头固定在单开口高温高压釜上，注射针前端伸入腔体内，并位于岩石样品上方，以注入与所形成的高温高压的CO2环境压力相同的压力下饱和CO2的盐溶液液滴。
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