CN107831187B - 一种用于多孔介质内颗粒沉积迁移的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于多孔介质内颗粒沉积迁移的实验装置，包括多孔介质渗透仪、液固两相流压力系统、收集测量系统、轴向加载设备、核磁共振成像单元和计算机系统。多孔介质渗透仪安装在轴向加载设备上，外接液固两相流压力系统和收集测量系统，轴向加载设备上安装包围多孔介质渗透仪的核磁共振成像单元，实验装置的所有控制和数据收集处理均由计算机系统完成。本发明可以非接触式的测量非透明多孔介质内的颗粒沉积迁移，由核磁共振成像系统测量精度高、实时性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于多孔介质内颗粒沉积迁移的实验装置，特别是一种基于核磁共振成像的多孔介质内颗粒沉积迁移实验装置。
背景技术
颗粒在多孔介质中的沉积和迁移现象在地球上广泛存在，相关研究对于地热开采、石油开采滤砂、采矿突水溃沙、堆石坝管涌、核废料处理等众多领域有非常重要的意义。例如，地下水开过程中涉及地层中的冷热水循环，如果地层没有足够的过滤能力会导致地层堵塞，出现地热产能降低、管网堵塞等问题；在开采疏松砂岩油时，常采用砾石充填工艺过滤原油中的砂子，多孔介质中的液固两相流机理是该技术的基础，充填砾石的设计成为该技术的核心。因此多孔介质中的液固两相流运动特性的研究具有极其重要的学术价值和广泛应用领域。
在不接触的前提下研究液固两相流运动的常规方法是借助强穿透光源进行光学捕捉，例如：中国专利(CN103759921A)公布了一种测量两相流内颗粒运动轨迹的装置，该装置借助三个方向上激光光源和光学接收器可实现测试区域的颗粒运动捕捉，但该方法只能研究透明溶液中的颗粒运动，不能研究多孔介质内部的颗粒运动；中国专利(CN106644848A)公布了一种研究半透明颗粒材料中污染物迁移的装置，该装置要求多孔介质材料只能是半透明材料，但常见的多空介质材料大多不透明，所以该装置不具有通用性；中国专利(CN10571996A)公布了一种研究渗水状态下土体颗粒运动状态的装置，该装置要求容器为透明玻璃，并且只能观察多孔介质表面的颗粒迁移，无法得到多孔介质内部的颗粒运动情况。
随着对多孔介质内液固两相流的研究进一步深入，研发有效且精度高的测试设备成为诸多科研人员的重要需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有技术中借助光线研究多孔介质中液固两相流运动的缺陷，提供一种基于核磁共振成像的多孔介质内颗粒沉积迁移实验装置，既可以实时获得多孔介质内部的颗粒沉积迁移信息，也可以对多孔介质进行按应力或按位移方式加载，研究不同条件下的颗粒沉积迁移规律。
本发明采用如下技术方案实现：
一种用于多孔介质内颗粒沉积迁移的实验装置，包括多孔介质渗透仪1、液固两相流压力系统2、收集测量系统3、轴向加载设备4、核磁共振成像单元5和计算机系统6；
所述多孔介质渗透仪1包括填充多孔介质的筒体15，所述筒体15竖直安装在轴向加载设备4的底座10上，筒体内填充的多孔介质两端分别设置上透水板8和下透水板9，所述上透水板8上方的筒体内部设有与轴向加载设备4的加载端连接的压头7，所述下透水板9压紧在底座10上；
所述液固两相流压力系统2与多孔介质渗透仪1的上透水板8一侧入口连接，用于向多孔介质内注入液固两相混合流体；
所述收集测量系统3与多孔介质渗透仪1的下透水板9一侧的出口连接，对从多孔介质流出的液固两相混合流体进行称量；
所述核磁共振成像单元5环绕筒体的周向设置，并与计算机系统6通过信号连接，通过计算机系统6控制核磁共振成像单元并接收显示成像信号。
进一步的，所述压头7和底座10上分别设有与上透水板8和下透水板9上的透水通道连通的腔体。
优选的，所述腔体为漏斗形腔体，可以让进入和流出多孔介质的液固两相混合流体均匀流动；
所述压头7上的漏斗形腔体小端作为入口与液固两相流压力系统2连接，大端覆盖上透水板8上的所有透水通道；
所述底座10上的漏斗形腔体大端覆盖下透水板8上的所有透水通道，小端作为出口与收集测量系统3连接。
进一步的，所述筒体15的底部通过密封圈与底座10通过紧固连接，所述压头7通过密封圈滑动装配在筒体15内部。
在本发明的一种用于多孔介质内颗粒沉积迁移的实验装置中，所述液固两相流压力系统2包括水压泵11、搅拌器12和颗粒注射器13，所述水压泵12和颗粒注射器13分别与搅拌器12连接，通过搅拌器12搅拌形成液固两相混合流体，所述搅拌器12通过管道连接至多孔介质渗透仪1的入口。
优选的，所述搅拌器12采用涡流搅拌器。
进一步的，所述收集测量系统3包括对流出液固两相混合流体进行收集和计量的实时称量设备16，所述实时称量设备16的收集口设有滤网14。
进一步的，所述核磁共振成像单元5实现至少50个断面的每秒100帧的采集速度，可近乎实时的获得多孔介质中的颗粒沉积迁移信息。
进一步的，所述轴向加载设备4采用液压伺服压力机。
进一步的，所述水压泵11、颗粒注射器13和轴向加载设备4的控制单元、所述实时称量设备16分别与计算机系统6通过信号连接，所述计算机系统控制轴向加载设备的压力操作和液固两相流压力系统的压力和颗粒注射速度，记录核磁共振成像数据并收集系统流量和颗粒质量，通过获得的核磁共振成像可以得到多孔介质中的颗粒沉积和迁移过程。
由上所述，本发明的一种用于多孔介质内颗粒沉积迁移的实验装置相对于现有装置和技术，具有如下有益效果：
1.通过核磁共振成像技术可以实时得到不透明的多孔介质内的颗粒沉积和迁移过程，并且不会对实验过程中的沉积迁移过程造成影响，实验数据准确；
2.通过轴向加载设备可以研究不同孔隙率和应力条件下颗粒的沉积迁移规律，通过液固两相流压力系统可以研究不同流体压力和不同颗粒浓度条件下的多孔介质颗粒沉积迁移规律；
3.实验装置的轴向加载、水压、颗粒注射、颗粒收集以及数据记录均通过计算机完成，极大的简化了实验操作。
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为实施例中的一种用于多孔介质内颗粒沉积迁移的实验装置的结构示意图。
图中标号：1-多孔介质渗透仪、2-液固两相流压力系统、3-收集测量系统、4-轴向加载设备、5-核磁共振成像单元、6-计算机系统、7-压头、8-上透水板、9-下透水板、10-底座、11-水压泵、12-搅拌器、13-颗粒注射器、14-滤网、15-筒体、16-实时称量设备。
具体实施方式
实施例
参见图1，图示中的一种用于多孔介质内颗粒沉积迁移的实验装置为本发明的优选方案，具体包括多孔介质渗透仪1、液固两相流压力系统2、收集测量系统3、轴向加载设备4、核磁共振成像单元5、计算机系统6六个大的部分，其中多孔介质渗透仪1安装于轴向加载设备4上，用于容纳多孔介质形成液固两相流混合流体的沉降迁移通道，轴向加载设备4用于调节不同的多孔介质之间的应力条件；液固两相流压力系统2连接多孔介质渗透仪1的入口，用于提供液固两相流混合流体，并调节不同的流体压力和流速；收集测量系统3连接多孔介质渗透仪1的出口，用于收集沉积迁移流出的液固两相流混合流体，并进行称量，计算机系统6用于控制各个部分的操作并接收实验信号并分析显示。
具体的，多孔介质渗透仪1包括填充多孔介质的筒体15，筒体15竖直安装在轴向加载设备4的底座10上，底座10上依次安装筒体15、下透水板9、多孔介质试样、上透水板8和压头7，上透水板8和下透水板9分别布置在筒体内填充的多孔介质两端，固定多孔介质的同时，保证液固两相流混合流体的正常流通，压头7位于上透水板8上方的筒体内部，并与轴向加载设备4的加载端连接，通过轴向加载设备向下加载，将下透水板9压紧在底座10上，多孔介质渗透仪1的入口和出口分别位于上透水板8的上方和下透水板9的下方。
为了使液固两相流压力系统2和收集测量系统3与多孔介质渗透仪内部的多孔介质形成通路，本实施例在压头7和底座10上分别设有与上透水板8和下透水板9上的透水通道连通的腔体，如图1中所示，该腔体为漏斗形腔体，可以让进入和流出多孔介质的液固两相混合流体均匀流动；
压头7上的漏斗形腔体为上小下大，其中上方的小端作为多孔介质渗透仪1的入口与液固两相流压力系统2连接，大端覆盖上透水板8上的所有透水通道；底座10上的漏斗形腔体为上大下小，其中上方的大端覆盖下透水板8上的所有透水通道，小端作为多孔介质渗透仪1的出口与收集测量系统3连接。
筒体15的底部通过法兰结构与底座10固定连接，在筒体15和底座10之间设有O型密封圈，压头7通过O型密封圈滑动装配在筒体15内部，保证了筒体15两端除开入口和出口以外位置的密封装配。
筒体15、压头7、上透水板8、下透水板9和底座10均为非金属高强度材料
本实施例的轴向加载设备4采用可实现按位移和按应力两种加载方式的液压伺服压力机，核磁共振成像单元5环绕筒体的周向设置，可固定安装在压力机的支柱内侧。核磁共振成像单元5要保证在轴向方向全部覆盖多孔介质所在区域。核磁共振成像单元5与计算机系统6通过信号连接，通过计算机系统6控制核磁共振成像单元并接收显示成像信号。核磁共振成像单元5要求实现至少50个断面的每秒100帧的采集速度，可近乎实时的获得多孔介质中的颗粒沉积迁移信息。核磁共振成像单元5的操作和数据收集均由计算机系统6完成。
本实施例的液固两相流压力系统2包括水压泵11、搅拌器12和颗粒注射器13，搅拌器12采用涡流搅拌器，水压泵12和颗粒注射器13分别与搅拌器12连接，通过搅拌器12搅拌形成液固两相混合流体，搅拌器12通过管道连接至多孔介质渗透仪1的入口。水压泵11和颗粒注射器13的控制单元连接计算机系统6，水压泵的水压和颗粒注射器的注射速度由计算机系统6控制。
本实施例的收集测量系统3包括对流出液固两相混合流体进行收集和计量的实时称量设备16，实时称量设备16的收集口设有滤网14，对流出的液固两相流过滤分离。实时沉重称量设备16的信号输出连接至计算机系统16。
本实施例中的水压泵11、颗粒注射器13和轴向加载设备4的控制单元、实时称量设备16分别与计算机系统6通过信号连接，计算机系统控制轴向加载设备的压力操作和液固两相流压力系统的压力和颗粒注射速度，记录核磁共振成像数据并收集系统流量和颗粒质量，通过获得的核磁共振成像可以得到多孔介质中的颗粒沉积和迁移过程。具体关于核磁共振成像单元的信号传输并转换显示属于核磁共振设备的现有技术，水压泵11、颗粒注射器13和轴向加载设备4的自动控制同样属于常用自动控制技术，本实施例在此不做赘述。
本实施例的具体使用如下：按照图1中的连接结构安装好实验装置后，由计算机系统6控制开启核磁共振成像单元5和实时称量设备16，然后开启水压泵11、搅拌器12和颗粒注射器13，并调整水压和注射速度等实验参数。液固两相流压力系统2提供的液固两相混合流体由水压泵11提供压力，经过上透水板8均匀流入多孔介质，固体颗粒在多孔介质中沉积和迁移，同时，核磁共振成像单元将数据传送到计算机系统6，经软件解析得到渗透仪内所有固体和流体的运动成像，液固两相流流出渗透仪经由滤网过滤固体颗粒，流入实时称量设备。
以上实施方案仅为说明本发明的原理和功能，而非用于限制本发明的用途。任何本领域的相关人士皆可在不违背本发明原理和范畴的情况下，对上述实施方案改进，这些改进也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于多孔介质内颗粒沉积迁移的实验装置，其特征在于：包括多孔介质渗透仪(1)、液固两相流压力系统(2)、收集测量系统(3)、轴向加载设备(4)、核磁共振成像单元(5)和计算机系统(6)；
所述多孔介质渗透仪(1)包括填充多孔介质的筒体(15)，所述筒体(15)竖直安装在轴向加载设备(4)的底座(10)上，筒体内填充的多孔介质两端分别设置上透水板(8)和下透水板(9)，所述上透水板(8)上方的筒体内部设有与轴向加载设备(4)的加载端连接的压头(7)，所述下透水板(9)压紧在底座(10)上；
所述液固两相流压力系统(2)与多孔介质渗透仪(1)的上透水板(8)一侧入口连接，用于向多孔介质内注入液固两相混合流体；
所述收集测量系统(3)与多孔介质渗透仪(1)的下透水板(9)一侧的出口连接，对从多孔介质流出的液固两相混合流体进行称量；
所述压头(7)和底座(10)上分别设有与上透水板(8)和下透水板(9)上的透水通道连通的腔体，所述腔体为漏斗形腔体，所述压头(7)上的漏斗形腔体为上小下大，漏斗形腔体小端作为入口与液固两相流压力系统(2)连接，大端覆盖上透水板(8)上的所有透水通道，所述底座(10)上的漏斗形腔体为上大下小，漏斗形腔体大端覆盖下透水板(8)上的所有透水通道，小端作为出口与收集测量系统(3)连接；
所述核磁共振成像单元(5)环绕筒体的周向设置，并与计算机系统(6)通过信号连接，通过计算机系统(6)控制核磁共振成像单元并接收显示成像信号。
2.根据权利要求1所述的实验装置，所述筒体(15)的底部通过密封圈与底座(10)通过紧固连接，所述压头(7)通过密封圈滑动装配在筒体(15)内部。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的实验装置，所述液固两相流压力系统(2)包括水压泵(11)、搅拌器(12)和颗粒注射器(13)，所述水压泵(11 )和颗粒注射器(13)分别与搅拌器(12)连接，通过搅拌器(12)搅拌形成液固两相混合流体，所述搅拌器(12)通过管道连接至多孔介质渗透仪(1)的入口。
4.根据权利要求3所述的实验装置，所述搅拌器(12)采用涡流搅拌器。
5.根据权利要求3所述的实验装置，所述收集测量系统(3)包括对流出液固两相混合流体进行收集和计量的实时称量设备(16)，所述实时称量设备(16)的收集口设有滤网(14)。
6.根据权利要求5所述的实验装置，所述核磁共振成像单元(5)实现至少50个断面的每秒100帧的采集速度。
7.根据权利要求6所述的实验装置，所述轴向加载设备(4)采用液压伺服压力机。
8.根据权利要求7所述的实验装置，所述水压泵(11)、颗粒注射器(13)和轴向加载设备(4)的控制单元、所述实时称量设备(16)分别与计算机系统(6)通过信号连接。
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