CN106996805B - 二氧化碳、咸水及岩石反应动力学监测实验装置 - Google Patents

二氧化碳、咸水及岩石反应动力学监测实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种实验装置，具体涉及一种二氧化碳、咸水及岩石反应动力学监测实验装置。包括计算机、宽带光源及光谱解调仪，宽带光源通过普通单模光纤与1×4光纤耦合器的输入端连接，1×4光纤耦合器的四个输出端分别通过普通单模光纤与光纤光栅、微结构光纤表面等离子体共振传感器、熊猫型保偏光纤温度传感器及椭圆芯保偏光纤压力传感器的一端连接，其另一端分别通过普通单模光纤与4×1光纤耦合器的四个输入端连接，4×1光纤耦合器的输出端通过普通单模光纤与光谱解调仪连接，光谱解调仪通过数据线与计算机连接；1×4光纤耦合器和4×1光纤耦合器位于固定架内；光纤光栅粘贴于悬臂梁上，悬臂梁固定于固定架上。

Description

二氧化碳、咸水及岩石反应动力学监测实验装置
技术领域：
本发明涉及一种实验装置，具体涉及一种二氧化碳、咸水及岩石反应动力学监测实验装置。
背景技术：
在全球气候变化背景下，温室气体特别是二氧化碳的减排已经成为人们关注的焦点，而大规模的二氧化碳捕集和封存也成了世界范围内很多政府机构和工业部门慎重考虑的选择之一。二氧化碳的地质埋存特别是深部咸水层作为其天然储库是最有效及最具发展潜力的选择之一，据国际能源署（IEA）和政府间气候变化专门委员会（IPCC）评估报告，全球咸水层二氧化碳储量可达400—10000Gt。二氧化碳深部咸水层埋存是一项新兴的地质工程，其基础地质学问题包括二氧化碳地质埋存的基本原理，封存场所选择的基本原则，储层和盖层的基本地质和水文地质学问题，地质体的构造稳定性以及二氧化碳埋存过程中的动态监测。
然而，二氧化碳与深部咸水流体之间的溶解埋存机理、影响因素以及动态热动力学特性等基础性问题目前尚不清楚，且相关在线实时监测二氧化碳与咸水之间相互作用机理的方法和手段尚不成熟和完备。因此，设计一种新型在线传感监测装置来研究二氧化碳在埋存过程中咸水折射率，温度，压力，PH以及化学成分变化对于揭示CO2深部咸水埋存机理、评价埋存潜力有着极其重要的科学理论价值和现实意义。
发明内容：
本发明弥补和改善了上述现有技术的不足之处，提供一种高灵敏度，结构合理，易集成化，并能够在线监测二氧化碳埋存过程中咸水折射率、温度、压力以及PH变化的光纤传感实验装置。
本发明采用的技术方案为：一种二氧化碳、咸水及岩石反应动力学监测实验装置，包括计算机、宽带光源及光谱解调仪，宽带光源通过普通单模光纤与1×4光纤耦合器的输入端连接，1×4光纤耦合器的四个输出端分别通过普通单模光纤与光纤光栅、微结构光纤表面等离子体共振传感器、熊猫型保偏光纤温度传感器及椭圆芯保偏光纤压力传感器的一端连接，光纤光栅、微结构光纤表面等离子体共振传感器、熊猫型保偏光纤温度传感器及椭圆芯保偏光纤压力传感器的另一端分别通过普通单模光纤与4×1光纤耦合器的四个输入端连接，4×1光纤耦合器的输出端通过普通单模光纤与光谱解调仪连接，光谱解调仪通过数据线与计算机连接；所述的1×4光纤耦合器和4×1光纤耦合器位于固定架内；所述的光纤光栅粘贴于悬臂梁上，悬臂梁固定于固定架上。
所述的悬臂梁由PH敏感性高分子材料制成，悬臂梁和光纤光栅组成PH传感器，其中光纤光栅的长度为20mm，悬臂梁延光纤光栅方向长30mm，且体积随着咸水PH的变化而变化。
所述微结构光纤表面等离子体共振传感器的包层设有大圆形空气孔和两个对称分布的待测液通道，待测液通道的内壁上镀有金膜，待测液通道的外侧设有开环通道；大圆形空气孔呈四个八边形排列，在每个八边形的中心分别设有一个小圆形空气孔，大圆形空气孔的直径大于小圆形空气孔的直径，包层的背景材料为二氧化硅，微结构光纤表面等离子体共振传感器的长度为20mm。
所述熊猫型保偏光纤温度传感器的包层内有纤芯和两个应力区，熊猫型保偏光纤温度传感器的长度为20mm，其为应力双折射型。
所述椭圆芯保偏光纤压力传感器的包层内有椭圆纤芯，椭圆芯保偏光纤压力传感器的长度为20mm，其为几何双折射型。
本发明的有益效果：
（1）、实验监测装置传感部分以光纤为主，耐腐蚀性强、响应速度快、不受电磁干扰、可反复使用，体积小，易实现装置的集成化和小型化。
（2）、微结构光纤表面等离子体共振传感器具有开环待测溶液通道，并且克服了内部镀膜类型的微结构光纤咸水无法直接进入的难题。
（3）、微结构光纤表面等离子体共振传感器有很高的折射率分辨率，能够准确监测到在二氧化碳埋存过程中咸水折射率的变化。
（4）、PH传感器使用PH敏感性高分子材料制作的悬臂梁的体积能随着PH的变化而快速变化，而且体积变化可恢复，在不同的酸碱环境下都有很长的使用寿命。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中PH传感器的示意图。
图3是本发明微结构光纤表面等离子体共振传感器的示意图。
图4是本发明中熊猫型保偏光纤温度传感器的示意图。
图5是本发明中椭圆芯保偏光纤压力传感器的示意图。
具体实施方式：
参照各图，一种二氧化碳、咸水及岩石反应动力学监测实验装置，包括计算机1、宽带光源4及光谱解调仪2，宽带光源4通过普通单模光纤3与1×4光纤耦合器5的输入端连接，1×4光纤耦合器5的四个输出端分别通过普通单模光纤3与光纤光栅7、微结构光纤表面等离子体共振传感器8、熊猫型保偏光纤温度传感器9及椭圆芯保偏光纤压力传感器10的一端连接，光纤光栅7、微结构光纤表面等离子体共振传感器8、熊猫型保偏光纤温度传感器9及椭圆芯保偏光纤压力传感器10的另一端分别通过普通单模光纤3与4×1光纤耦合器12的四个输入端连接，4×1光纤耦合器12的输出端通过普通单模光纤3与光谱解调仪2连接，光谱解调仪2通过数据线将数据传输给计算机1；连接宽带光源4和光谱解调仪2的普通单模光纤3从岩层14的二氧化碳注入管道15内穿过；所述的1×4光纤耦合器5和4×1光纤耦合器12位于固定架6内；所述的光纤光栅7粘贴于悬臂梁11上，悬臂梁11固定于固定架6上。
所述的微结构光纤表面等离子体共振传感器8的长度为20mm，当周围咸水13的折射率发生变化时，通过微结构光纤的光由于表面等离子体共振而发生光谱损耗，通过观察光谱的损耗可以得出周围咸水13的折射率。
所述的PH传感器包括光纤光栅7和PH敏感性高分子材料制成的悬臂梁11，光纤光栅7的长度为20mm，当周围咸水13的PH发生变化时，悬臂梁11的体积会随之发生微小的形变，粘贴的光纤光栅7也会发生微小的形变，使栅格间距或光纤纤芯中栅格的有效折射率发生变化，导致通过光纤光栅7的透射谱发生变化，通过观察透射谱的变化可以分析出周围咸水13的PH变化。
所述的熊猫型保偏光纤温度传感器9和椭圆芯保偏光纤压力传感器10的长度均为20mm，当周围咸水13的温度或者压力发生改变时，通过两种光纤传感器的光的相位会发生变化，通过观察相位的变化情况可以分析周围咸水温度或者压力的变化。

Claims (4)

1.一种二氧化碳、咸水及岩石反应动力学监测实验装置，包括计算机（1）、宽带光源（4）及光谱解调仪（2），其特征在于：宽带光源（4）通过普通单模光纤（3）与1×4光纤耦合器（5）的输入端连接，1×4光纤耦合器（5）的四个输出端分别通过普通单模光纤（3）与光纤光栅（7）、微结构光纤表面等离子体共振传感器（8）、熊猫型保偏光纤温度传感器（9）及椭圆芯保偏光纤压力传感器（10）的一端连接，光纤光栅（7）、微结构光纤表面等离子体共振传感器（8）、熊猫型保偏光纤温度传感器（9）及椭圆芯保偏光纤压力传感器（10）的另一端分别通过普通单模光纤（3）与4×1光纤耦合器（12）的四个输入端连接，4×1光纤耦合器（12）的输出端通过普通单模光纤（3）与光谱解调仪（2）连接，光谱解调仪（2）通过数据线与计算机（1）连接；所述的1×4光纤耦合器（5）和4×1光纤耦合器（12）位于固定架（6）内；所述的光纤光栅（7）粘贴于悬臂梁（11）上，悬臂梁（11）固定于固定架（6）上；所述微结构光纤表面等离子体共振传感器（8）的包层（801）设有大圆形空气孔（802）和两个对称分布的待测液通道（803），待测液通道（803）的内壁上镀有金膜（804），待测液通道（803）的外侧设有开环通道；大圆形空气孔（802）呈四个八边形排列，在每个八边形的中心分别设有一个小圆形空气孔（805），包层（801）的背景材料为二氧化硅，微结构光纤表面等离子体共振传感器（8）的长度为20mm。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳、咸水及岩石反应动力学监测实验装置，其特征在于：所述的悬臂梁（11）由PH敏感性高分子材料制成，悬臂梁（11）和光纤光栅（7）组成PH传感器，其中光纤光栅（7）的长度为20mm。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳、咸水及岩石反应动力学监测实验装置，其特征在于：所述熊猫型保偏光纤温度传感器（9）的包层内有纤芯（901）和两个应力区（902），熊猫型保偏光纤温度传感器的长度为20mm，其为应力双折射型。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳、咸水及岩石反应动力学监测实验装置，其特征在于：所述椭圆芯保偏光纤压力传感器（10）的包层内有椭圆纤芯（101），椭圆芯保偏光纤压力传感器（10）的长度为20mm，其为几何双折射型。
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