CN106323812A - 用于水岩模拟流动试验的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于水岩模拟流动试验的试验装置，其包括：控制单元；内部设置有多个样品管的反应釜；恒流泵，恒流泵包括多个活塞缸、多个换向单元和驱动机构。在该装置中可以同时进行多组水岩模拟流动的对照试验，该试验装置可以保证多组岩石样品在同样的试验条件下与反应液进行反应。由此，试验误差更小。另外，由于本装置机械化程度高，易于进行自动化控制。

Description

用于水岩模拟流动试验的试验装置

技术领域

本发明涉及一种流动试验装置，尤其是涉及一种可实现恒速控制流出速度的多通道高温高压水岩模拟试验装置。

背景技术

为探索埋藏条件下油气储集空间的发育机理，研究人员常通过模拟高温高压条件下流体-岩石相互作用，通过不同温度、压力条件下不同矿物的溶出特征来反应储集岩的溶蚀规律。高温高压动态流动法试验仪作为主要模拟装置，通过外源泵不断输入新鲜流体参与高温高压反应釜内的水-岩反应，同时反应后的溶液不断流出，以保持反应釜内温压平衡。为保持釜内压力平衡，需要长时间的稳定控制出液口的流出速度。当单个样品试验时，可在出口处布置一个吸液泵进行恒速吸液。

当进行批处理试验时(例如6个样品同时试验)，每一个样品对应一个出液口，均需要恒速控制，则需要布置多个吸液泵，会导致试验设备耗资巨大，操作控制繁琐，一般不可取。

在实际操作时，可在出液口安装一个手动调节阀门，通过阀门调节大致调控出液速度。但随着反应进行，阀门处堵塞等原因导致流速降低，时常需要实验人员对阀门进行手动调节。同时，手动阀门难以实现出液口恒速的出液，使得批处理试验中流体流速条件不一致，造成试验误差。

因此，采用现有的试验装置难以实现批处理试验过程中的无人值守的自动化控制。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种用于水岩模拟流动试验的试验装置，包括：

控制单元；

内部设置有多个样品管的反应釜；

恒流泵，恒流泵包括多个活塞缸、多个换向单元和驱动机构，

其中，一个换向单元分别与一个样品管和一个活塞缸一一对应配置，

活塞缸包括缸体以及设置在缸体内且将缸体的内腔分隔成第一腔室和第二腔室的活塞，

换向单元包括均连通于样品管且依次分别连通第一腔室和第二腔室的第一换向阀和第二换向阀，

驱动机构用于同时驱动多个活塞在各自所对应的缸体内作匀速往复运动，

控制单元用于当第一腔室的体积减小时，控制第一换向阀将第一腔室与试验装置的外部接通，同时控制第二换向阀将样品管与第二腔室接通，当第二腔室的体积减小时，控制第二换向阀将第二腔室与试验装置的外部接通，同时控制第一换向阀将样品管与第一腔室接通。

在一个具体的实施例中，多个活塞缸均包括贯穿缸体且连接于活塞的活塞杆。

在一个具体的实施例中，驱动机构包括电机、连接于电机的输出轴且平行于活塞杆的螺杆、套装在螺杆上且连接于活塞杆的推进盘，

多根活塞杆均平行于螺杆且均连接在推进盘上。

在一个具体的实施例中，多个活塞杆在推进盘上的支点在螺杆的周向上均匀分布。

在一个具体的实施例中，控制单元还用于驱动电机轮流进行正、反向均速转动以使得推进盘带动活塞杆进行往复运动。

在一个具体的实施例中，电机为进步电机。

在一个具体的实施例中，换向单元还包括设置在样品管与第一换向阀和第二换向阀之间的管路上的第一阀门，以及设置在连通第一腔室和第二腔室之间的管路上的第二阀门。

在一个具体的实施例中，装置还包括用于检测反应釜内压力的第一压力传感器，

控制单元还用于当第一压力传感器检测到反应釜内的压力大于或等于第一预设压力则打开第一阀门。

在一个具体的实施例中，多个换向单元均包括均连通于第一换向阀和第二换向阀的背压阀，第一换向阀和第二换向阀均通过背压阀与装置的外部连通，背压阀的开启压力大于反应釜内的压力。

在一个具体的实施例中，换向单元还包括用于检测活塞缸与背压阀之间管路中的压力的第二压力传感器，装置还包括用于检测反应釜内压力的第一压力传感器，

根据第二压力传感器所测得的压力值与第一压力传感器所测得的压力值的差值，来调节背压阀的开启压力以使得背压阀的开启压力与反应釜内的压力之差为第二预设压力。

采用本发明提出的装置进行水岩模拟流动试验时，由于多个样品管均设置在反应釜内，向反应釜内注入反应液后，装入不同的样品管内的多组岩石样品可以处于的相同温度条件和压力条件。恒流泵同时从多个样品管中抽出反应液，并且从每个样品管中抽出的反应液的流速相同。这样就保证在试验期间反应液流过每个样品管的流速、流量均相同。同时，只需控制驱动机构驱动活塞往复运动的速度，即可同时调节流经每个样品管的流速。由于恒流泵为体积泵，反应液的流速只受活塞的运动速度影响。进行多组对照试验时，多组岩石样品可以在同样的试验条件下与反应液进行反应。由此，试验误差更小。另外，由于本装置机械化程度高，易于进行自动化控制。本试验装置与现有技术中的试验装置相比，成本更低，结构更简单。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明的一种实施方式的用于水岩模拟流动试验的试验装置的结构示意图；

图2为本发明的一种实施方式的反应釜与样品管的连接示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，用于水岩模拟流动试验的试验装置1包括供液泵4、反应釜2、加热器11、恒流泵、第一压力传感器6以及控制单元(未示出)。

反应釜2为耐压耐高温的容器。反应釜2优选为圆柱形空腔结构。反应釜2可以是不锈钢反应釜或碳钢反应釜。反应釜2内设置有多个样品管5。样品管5的数量优选为2-6个。样品管5竖直设置在反应釜2内。样品管5两端均开口。样品管5朝下的开口为出液口7。样品管5优选为玻璃管。样品管5的下端设置有石英砂滤芯27。样品管5用于容纳岩石块或岩石粒。在本实施例中，反应釜2的底板设置有多个安装孔31。如图2所示，每个安装孔31内均设置有过渡接头28。过渡接头28构造为圆筒状。过渡接头28包括大直径段以及从大直径段一端轴向延伸出的小直径段。大直径段的直径大于小直径段的直径。过渡接头28的小直径段插入安装孔31内。过渡接头28的小直径段外上套装有第一密封圈30。第一密封圈30的外周壁抵接于安装孔31的内壁。这样，过渡接头28与安装孔31之间形成密封连接。过渡接头28的肩部抵接于反应釜2的内表面。样品管5插入到过渡接头28的大直径段内。样品管5的外周壁与过渡接头28内周壁之间设置有第二密封圈29。这样，每个样品管5通过第二密封圈29与过渡接头28密封。过渡接头28通过第一密封圈30与安装孔31密封。优选地，样品管5的为圆管。第一密封圈30和第二密封圈29优选为O形橡胶圈。反应釜2还设置有进液口3。进液口3设置在反应釜2的顶端。

第一压力传感器6的探头伸入到反应釜2内。第一压力传感器6用于测量反应釜2内的压力值。

供液泵4的出口接通于反应釜2的进液口3。供液泵4的入口接通于反应液源。反应液源(未示出)可以是容纳反应液的水池或水罐。反应液可以是水。供液泵4用于向反应釜2内输送反应液。供液泵4优选为体积泵。体积泵容易控制输入反应釜2的反应液流量。更优选地，供液泵4为计量泵。计量泵可以对反应液的流量进行无极调节。

加热器11设置在反应釜2外。加热器11用于给反应釜2加热，以使得反应釜2内的温度达到试验温度。加热器11可以是燃烧炉。加热器11优选为电加热器。采用电加热器易于控制反应釜2内的温度，易于实现自动化控温。更优选地，电加热器设置在反应釜2的外周壁。

恒流泵包括多个活塞缸15、多个换向单元和驱动机构27。活塞缸15和换向单元的数量等于样品管5的数量。每一个换向单元对应于一个样品管5设置。每个活塞缸15对应于一个换向单元设置。

每个活塞缸15均包括缸体16、活塞20以及活塞杆19。缸体16设置成密封的筒状的容器。缸体16一般包括筒体以及分别设置在筒体两端的两个端盖。两个端盖分别盖合在筒体的两端的开口上。筒体可以构造为圆管状，端盖对应的构造为圆盘状。筒体优选为精密冷拔钢管。筒体和端盖之间可以是螺纹连接，例如，筒体两端分别设置有内螺纹，端盖上设置有与该内螺纹相配合的外螺纹。筒体与端盖之间还可以采用螺杆连接，例如筒体两端均设置有法兰，两个端盖分别与两个法兰进行螺栓连接。缸体16上设置有相互分隔开的第一进出液口17和第二进出液口18。第一进出液口17和第二进出液口18分别设置在缸体16的两端。优选地，第一进出液口17和第二进出液口18分别设置在筒体两端的侧壁上。活塞杆19穿过缸体16的两端。具体地，活塞杆19穿过缸体16的两个端盖并与筒体平行。活塞杆19与端盖之间设置有密封结构，以防止缸体16内的流体泄露。活塞20设置在缸体16内，将缸体16的内腔分隔成第一腔室32和第二腔室33。第一进出液口17始终连通于第一腔室32。第二进出液口18始终连通于第二腔室33。活塞20包括柱状本体以及密封件。柱状本体设置有与其同轴的通孔。密封件为环形并套装在柱状本体的外侧面上。密封件可以是橡胶圈。活塞20设置在缸体16内。柱状本体与筒体同轴，密封件的外侧抵接于筒体的内壁。柱状本体套装在活塞杆19上。活塞20与活塞杆19之间可以采用卡环进行固定连接。通常，活塞20设置在活塞杆19的中部。活塞20在活塞杆19的带动下能在第一进出液口17与第二进出液口18之间进行往复运动。活塞杆19优选为圆柱体。柱状本体优选为圆环形。

每个换向单元均包括第一阀门8、第二阀门12、第一换向阀9、第二换向阀10、排液管13以及背压阀14。第一阀门8设置在其所对应的样品管5的出液口7的下游管路上，用于开关该样品管5的出液口7。第一阀门8优选为气动控制阀，更优选为两位两通气动控制阀。第一换向阀9和第二换向阀10均用于切换管路。第一换向阀9和第二换向阀10均连通于第一阀门8和排液管13。第一换向阀9还连通于第一进出液口17。第二换向阀10还连通于第二进出液口18。第一换向阀9用于将第一进出液口17与第一阀门8和排液管13中的一个接通。第二换向阀10用于将第二进出液口18与第一阀门8和排液管13中的一个接通。第一换向阀9和/或第二换向阀10可以是两位五通气动控制阀，第一换向阀9和/或第二换向阀10还可以是L型三通气动球阀。背压阀14设置在排液管13的管路上。背压阀14优选为可调式背压阀14。

驱动机构27用于同时驱动多个活塞缸15中的活塞20作匀速反复运动。在本实施例中，驱动机构27包括电机21、螺杆22以及推进盘23。螺杆22的一端连接于电机21的输出轴，且与该输出轴同轴。推进盘23设置有垂直于推进盘23的螺孔。推进盘23套装在螺杆22上，螺杆22穿过推进盘23的螺孔。多根活塞杆19的一端均连接在推进盘23上，多根活塞杆19均与螺杆22平行。电机21转动时，带动螺杆22转动。螺杆22转动时带动推进盘23沿螺杆22的轴线平移。推进盘23带动活塞杆19平移，从而带动活塞20平移。在一个优选地实施例中，螺杆22与推进盘23组成滚珠丝杠副。优选地，电机21为进步电机21。进步电机21易于实现高精度控制。

控制单元连接于供液泵4、第一压力传感器6、电机21、第一换向阀9、第二换向阀10、第一阀门8、第二阀门12。控制单元可以是电脑，控制单元也可以是可编程逻辑控制器。控制单元用于当驱动机构27驱动活塞20向靠近第一进出液口17的方向运动时，控制第一换向阀9将第一进出液口17与排液管13接通，同时控制第二换向阀10将第二进出液口18与出液口7接通。控制单元还用于当驱动机构27驱动活塞20向靠近第二进出液口18方向运动时，控制第二换向阀10将第二进出液口18与排液管13接通，同时控制第一换向阀9将第一进出液口17与出液口7接通。

将岩石块破碎后装入样品管5后，将供液泵4启动。第一阀门8、第二阀门12均处于关闭状态。供液泵4向反应釜2内输入反应液。在这个过程中，第一压力传感器6实时检测反应釜2内的压力。控制单元将第一压力传感器6测得的压力值与第一预设压力值相比较，若第一压力传感器6测得的压力值大于第一预设压力值则将第一阀门8打开，同时驱动电机21。当控制单元驱动电机21正转时，驱动机构27驱动多个活塞20均向靠近第一进出液口17方向运动，控制单元还控制第一换向阀9将第一进出液口17与排液管13接通，控制第二换向阀10将第二进出液口18与出液口7接通。由于活塞20将缸体16分成两个腔室，这样，第一腔室32内的流体被活塞20挤出，同时，活塞20所对应的样品管5内的反应液匀速地从出液口7经过第二进出液口18被吸入到第二腔室33内。直到活塞20运动到第一限位位置时，控制单元再将电机21反转，驱动机构27驱动多个活塞20均向靠近第二进出液口18方向运动。同时，控制单元还控制第二换向阀10将第二进出液口18与排液管13接通，控制第一换向阀9将第一进出液口17与出液口7接通。这样，第二腔室33内的流体被活塞20挤出，同时，该活塞20所对应的样品管5内的反应液匀速地从出液口7经过第一进出液口17被吸入到第一腔室32内。直到活塞20运动到第二限位位置时，控制单元再将电机21正转，同时控制单元还控制第一换向阀9将第一进出液口17与排液管13接通，控制第二换向阀10将第二进出液口18与出液口7接通。控制单元重复循环上述操作，使得每个样品管5内的反应液均实现匀速流动。

还可以调节供液泵和/或恒流泵的输出流量，以使得反应釜内的压力可以维持在恒定值。优选地，这个恒定值大于或等于第一预设压力值。

控制单元判断活塞20达到第一限位位置和第二限位位置可以采用对推进盘23进行限位，在推进盘23对应于第一限位位置和第二限位位置的两个点上设置两个限位开关。当推进盘23触碰到限位开关时，限位开关向控制单元发出信号，控制单元接收到信号后，控制电机21变向转动，同时控制第一换向阀9和第二换向阀10进行管路切换。控制单元判断活塞20达到第一限位位置和第二限位位置的方法还可以是采用根据电机21向正向或反向所转圈数来判断活塞20是否达到第一限位位置或第二限位位置。

在本实施例中，用于水岩模拟流动试验的试验装置1还包括用于调整背压阀14的开启压力的手动泵24以及第二压力传感器25。第二压力传感器25设置在背压阀14与第一换向阀9和第二换向阀10之间，用于测量背压阀14上游管路中的压力值。优选地，在电机21工作过程中，根据第一压力传感器6和第二压力传感器25所测得的压力值，来摇动手动泵24以设定背压阀14的开启压力，使得开启压力低于反应釜2内的压力。背压阀14能消减活塞缸15内的活塞20换向时产生的流量及压力的波动。背压阀14还能消减由于虹吸产生的流量和压力波动。这样就可降低在电机正、反转换向时推进盘23与螺杆22之间的冲击力，从而延长电机21工作寿命。优选地，将背压阀14的开启压力与反应釜2内的压力之差为第二预设压力值。该第二预设压力的取值范围为1～2MPa。

当某个样品管5不进行试验时，在该样品管5所对应的换向单元中，关闭第一阀门8，打开第二阀门12，使该换向单元中的流体在内部循环。这样，这个样品管不会影响其他样品管的实验结果。

优选地，多个活塞杆19在推进盘23上的支点在螺杆22的周向上均匀分布。这样设置后，在试验时，推进盘23上作用力均匀。电机21和螺杆22受力均更合理。电机21使用寿命更长。

优选地，在排液管13的下游端还设置有集液瓶26。集液瓶26用于收集其所对应的样品管5内流出的溶液。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于水岩模拟流动试验的试验装置，包括：

控制单元；

内部设置有多个样品管的反应釜；

恒流泵，所述恒流泵包括多个活塞缸、多个换向单元和驱动机构，

其中，一个所述换向单元分别与一个所述样品管和一个所述活塞缸一一对应配置，

所述活塞缸包括缸体以及设置在所述缸体内且将所述缸体的内腔分隔成第一腔室和第二腔室的活塞，

所述换向单元包括均连通于所述样品管且依次分别连通所述第一腔室和所述第二腔室的第一换向阀和第二换向阀，

所述驱动机构用于同时驱动多个所述活塞在各自所对应的缸体内作匀速往复运动，

所述控制单元用于当所述第一腔室的体积减小时，控制所述第一换向阀将所述第一腔室与所述试验装置的外部接通，同时控制所述第二换向阀将所述样品管与所述第二腔室接通，当所述第二腔室的体积减小时，控制所述第二换向阀将所述第二腔室与所述试验装置的外部接通，同时控制所述第一换向阀将所述样品管与所述第一腔室接通。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，多个所述活塞缸均包括贯穿所述缸体且连接于所述活塞的活塞杆。

3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述驱动机构包括电机、连接于电机的输出轴的螺杆、套装在所述螺杆上的推进盘，

多根所述活塞杆均平行于所述螺杆且均连接在所述推进盘上。

4.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于，多个所述活塞杆在所述推进盘上的支点在所述螺杆的周向上均匀分布。

5.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于，所述控制单元还用于驱动所述电机轮流进行正、反向均速转动以使得所述推进盘带动所述活塞杆进行往复运动。

6.根据权利要求5中所述的试验装置，其特征在于，所述电机为进步电机。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的试验装置，其特征在于，多个所述换向单元均包括设置在连通所述样品管与所述第一换向阀之间的管路上和连通所述样品管与所述第二换向阀之间的管路上的第一阀门，以及设置在连通所述第一腔室和所述第二腔室之间的管路上的第二阀门。

8.根据权利要求7中任一项所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括连接于所述控制单元且用于检测所述反应釜内压力的第一压力传感器，

所述控制单元还用于当所述第一压力传感器检测到所述反应釜内的压力大于或等于第一预设压力值时，打开所述第一阀门。

9.根据权利要求1至6所述的试验装置，其特征在于，多个所述换向单元均包括均连通于所述第一换向阀和所述第二换向阀的背压阀，所述第一换向阀和所述第二换向阀均通过所述背压阀与所述试验装置的外部连通，所述背压阀的开启压力大于所述反应釜内的压力。

10.根据权利要求9所述的试验装置，其特征在于，所述换向单元还包括用于检测连通所述活塞缸与所述背压阀之间管路中的压力的第二压力传感器，所述试验装置还包括用于检测所述反应釜内压力的第一压力传感器，

根据第二压力传感器所测得的压力值与所述第一压力传感器所测得的压力值的差值，来调节所述背压阀的开启压力以使得背压阀的开启压力与反应釜内的压力之差为第二预设压力值。