CN109443993A - 界面变化观测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种界面变化观测系统和方法，界面变化观测系统包括：第一注入机构，用于提供并输送第一液体；第二注入机构，用于提供并输送第二液体，第二注入机构与第一注入机构并联设置；阀机构，阀机构的入口端与第一注入机构和第二注入机构均连接，阀机构能够分别控制第一注入机构和第二注入机构的开闭；微流动单元，与阀机构的出口端连接，微流动单元包括喉管部，喉管部的内径小于微流动单元内其他各个管路的内径；图像获取机构，设置在微流动单元处，并能够获取喉管部处的液体界面变化图像。本发明可以分别输入两种液体并能够获取两种液体在喉管部的油液界面的变化图像，方便通过图像研究不同液体之间的界面变化情况。
Description
技术领域
本发明涉及喉道残余油领域，具体涉及一种界面变化观测系统和方法。
背景技术
在多孔介质中原油的滞留和运移是一个复杂的过程，影响驱替机理的几种因素包括1、孔隙的网络结构，2、固体与液体润湿性、吸附等特性，3、液体间界面张力和粘滞力等特性，4、驱替的压力梯度和重力。微观剩余油形成受微观储层非均质性、温压场变化、储层的润湿性、毛管力等因素制约。其中，毛细管力的大小和方向在水驱油的过程中对驱油起着重要作用，并影响到剩余油的形成与分布。由于地层的微观非均质性，在水驱油两相流动过程中，当水驱动原油在孔隙中运移到喉道时，因喉道半径小于孔隙半径，油滴会发生变形，产生附加压力，即通常所说的“贾敏效应”。如图1所示，根据拉普拉斯公式，油滴所受的毛细管压差ΔPc为：喉道残余油。
ΔPc：毛细管压力差，单位为KPa；
γ：油水界面张力，单位为mN/m；
r1：喉道曲界面的曲率半径，单位为μm；
r2：孔隙曲界面的曲率半径，单位为μm；
毛细管压力差ΔPc阻止原油继续向前运移，形成喉道残余油，此时残余油是以不连续的油滴状态存在于孔喉交界处。要使卡在孔喉交界处滞留的油滴流动，必须使驱替水动力学压力大于“贾敏效应”所产生的毛细管压差。
阿尔费雷多等人通过毛细管实验研究了表面活性剂溶液启动喉道残余油的两种机理：
1、降低油水界面张力机理，降低油水界面张力的机理主要是通过降低界面张力来减小毛细管阻力从而使油滴通过喉道。研究表明，使毛细管滞留油启动的方法之一是降低油水界面张力，如果将油水界面张力由30-50mN/m降至10-3mN/m至10-2mN/m数量级，就可以大大降低启动滞留油滴所需的驱动压力。
2、界面扰动乳化油滴机理，界面扰动乳化油滴机理是指表面活性剂溶液与油滴接触后，由于马拉高尼效应对流产生界面扰动，使残余油滴乳化为半径小于喉道半径的小油滴，在没有毛管力的作用下通过喉道。界面扰动乳化原油通过喉道的过程示意如图2所示：
a表示表面活性剂溶液靠近残余油滴，接触瞬间油滴左侧油与表面活性剂溶液界面张力在短时间内迅速降低，而油滴右侧油与水界面张力仍保持较高，油滴在毛管力的作用下会向左跳动；
b可以看出油滴左侧界面破裂变形并开始乳化。这是因为表面活性剂溶液与油滴接触后，急剧的浓度变化和传质作用形成界面张力梯度产生马拉高尼效应对流，马拉高尼效应对流引起界面快速的扩张和收缩，剧烈的界面扰动使油水界面破裂；
c表示在界面扰动作用下油滴后缘开始乳化；
d表示马拉高尼效应对流在油滴内部产生环流并不断往右推进，乳化右边新接触到的油滴；
e表示油滴完全乳化后开始通过喉道；
f表示乳化后的油滴完全通过喉道。从表面活性剂溶液接触到油滴到油滴完全乳化的a-e整个过程是在很短的几秒时间内完成的。
为研究储层孔隙中表面活性剂溶液与残余油之间界面变化过程及马拉高尼效应对流与自发乳化启动喉道残余油的机理，需要借助模拟空隙的微观模型来观察油水界面变化及两相流动过程。目前最常用的观察两相流动过程的模型是微观刻蚀模型，此种模型存在的一个问题是不能灵活控制两相流体的流动状态。
发明内容
本发明提供了一种界面变化观测系统和方法，以到达灵活控制两相流体的流动状态的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种界面变化观测系统，包括：第一注入机构，用于提供并输送第一液体；第二注入机构，用于提供并输送第二液体，第二注入机构与第一注入机构并联设置；阀机构，阀机构的入口端与第一注入机构和第二注入机构均连接，阀机构能够分别控制第一注入机构和第二注入机构的开闭；微流动单元，与阀机构的出口端连接，微流动单元包括喉管部，喉管部的内径小于微流动单元内其他各个管路的内径；图像获取机构，设置在微流动单元处，并能够获取喉管部处的液体界面变化图像。
进一步地，界面变化观测系统还包括恒温机构，阀机构、微流动单元和图像获取机构均设置在恒温机构内。
进一步地，界面变化观测系统还包括压力传感器与阀机构连接并置于恒温机构外部，压力传感器能够监测微流动单元处的第一注入机构和/或第二注入机构的注入压力。
进一步地，界面变化观测系统还包括电子设备，电子设备与图像获取机构电连接，电子设备能够接收图像获取机构传送的液体界面变化图像。
进一步地，阀机构具有至少两个入口和一个出口，第一注入机构通过第一管路与阀机构的其中一个入口连接，第二注入机构通过第二管路与阀机构的另外一个入口连接。
进一步地，第一管路和第二管路均为毛细管路。
进一步地，第一管路和第二管路的外部均包覆酰亚胺涂层。
进一步地，第一注入机构设置有第一计量泵，第二注入机构中设置有第二计量泵。
进一步地，图像获取机构包括摄像设备。
本发明还提供了一种界面变化观测方法，采用上述的界面变化观测系统进行观测，界面变化观测方法包括以下步骤：
步骤10、通过阀机构接通第一注入机构和微流动单元，并通过第一注入机构向微流动单元中注入第一液体；
步骤20、通过阀机构将第一注入机构与微流动单元断开，并通过阀机构接通第二注入机构和微流动单元，通过第二注入机构向微流动单元注入第二液体；
步骤30、通过阀机构将第二注入机构与微流动单元断开，再次接通第一注入机构与微流动单元，并通过第一注入机构向微流动单元中注入将第一液体；
步骤40、通过图像获取机构获取喉管部处第一液体和第二液体的界面变化信息。
本发明的有益效果是，本发明实施例可以方便的通过第一注入机构和第二注入机构分别输入两种液体，以分别将两种液体输送到喉管部，并能够获取两种液体在喉管部的油液界面的变化图像，方便通过图像研究不同液体之间的界面变化情况。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中贾敏效应示意图；
图2为现有技术中界面扰动乳化原油通过喉道的过程示意图；
图3为本发明实施例的结构示意图；
图4为阀机构的连接结构示意图。
图中附图标记：1、第一注入机构；2、第二注入机构；3、阀机构；4、第一管路；5、第二管路；6、微流动单元；61、喉管部；7、图像获取机构；8、压力传感器；9、恒温机构；10、电子设备；11、支撑单元。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图3和图4所示，本发明实施例提供了一种界面变化观测系统，包括第一注入机构1、第二注入机构2、阀机构3、微流动单元6和图像获取机构7。第一注入机构1，用于提供并输送第一液体。第二注入机构2用于提供并输送第二液体，第二注入机构2与第一注入机构1并联设置。阀机构3的入口端与第一注入机构1和第二注入机构2均连接，阀机构3能够分别控制第一注入机构1和第二注入机构2的开闭。微流动单元6与阀机构3的出口端连接，微流动单元6包括喉管部61，喉管部61的内径小于微流动单元6内其他各个管路的内径。图像获取机构7设置在微流动单元6处，并能够获取喉管部61处的液体界面变化图像。
本发明实施例可以方便的通过第一注入机构1和第二注入机构2分别输入两种液体，以分别将两种液体输送到喉管部61，并能够获取两种液体在喉管部61的油液界面的变化图像，方便通过图像研究不同液体之间的界面变化情况。
界面变化观测系统还包括恒温机构9，阀机构3、微流动单元6和图像获取机构7均设置在恒温机构9内。
阀机构3具有至少两个入口和一个出口，第一注入机构1通过第一管路4与阀机构3的其中一个入口连接，第二注入机构2通过第二管路5与阀机构3的另外一个入口连接。阀机构3可以用于选择接通第一管路4和微流动单元6，或者接通第二管路5和微流动单元6，从而使得第一液体和第二液体分别被注入到微流动单元6，以研究第一液体和第二液体在喉管部61处的油液界面变化情况。
第一注入机构1包括第一计量泵，该第一计量泵可以为高精度计量泵，并且第一计量泵可以按照预设流量将第一液体泵入至对应的第一管路4，例如第一计量泵可以按照0.005ml/min的固定流量向第一管路4中注入表面活性剂溶液。
另外，第二注入机构2包括第二计量泵，该第二计量泵可以为高精度计量泵，并且第二计量泵可以按照预设流量将第二液体泵入至对应的第二管路5，例如第二计量泵可以按照0.005ml/min的固定流量向第二管路5中注入油类液体。
并且，第一管路4和第二管路5可以分别为弹性熔融石英毛细管，该毛细管外壁包覆聚酰亚胺涂层，提高了毛细管的强度和柔韧性。并且第一管路4和第二管路5的内径均小于300um，例如第一管路4和第二管路5内径相同，第一管路4内径为200μm，第一管路4的外径为360μm。或者第一管路4的内径为20μm，第一管路4的外径为90μmum。以上实施例并不对第一管路4和第二管路5进行限定，其他内径或者外径形式的管路都应该在本申请的保护范围内。
微流动单元6还包括第三管路，其中喉管部61位于第三管路上，喉管部61的内径小于第三管路其余部分的内径，使得第二液体在喉管部处形成图1所示的贾敏效应。本实施例中第三管路的内径小于300um，且所述喉管部61的内径可以为所述第三管路的其余部分的内径的5％-20％。第三管路也可以为弹性熔融石英毛细管，该毛细管外壁包覆聚酰亚胺涂层，提供了毛细管的强度和柔韧性。具体的，喉管部61的位置并不包覆聚酰亚胺涂层，以方便获取该部位的图像变化。
为了观察第一管路4、第二管路5和第三管路内部流体的界面变化和流动状态，需要用火烧掉缩颈两边的一段涂层，去掉涂层后的毛细管具有良好的透光性，可以清楚的看见毛细管内部流体的界面变化。
本发明实施例中采用截取喉管部的方法制备第三管路，具体包括以下步骤：截取预设长度的内径为200μm的石英毛细管，两手捏住毛细管的两端，通过氢氧焰加热毛细管的中间位置，在毛细管加热至熔融的过程中用手慢慢拉伸毛细管的两端，直到缩颈直径大约为毛细管直径的十分之一。
根据需求，缩颈拉制的原则是在长度尽量小的一段毛细管上拉出尽量细的缩颈，这就要求在保证火苗能融化石英毛细管的前提下选择尽量小的火苗，本发明实施例采用的是首饰加工焊接使用的水焊机氢氧焰火苗。由于缩颈是通过人工制作，每次拉制的毛细管不一定符合实验的要求，因此需要拉制大量的毛细管在显微镜下观测后选出适合进行下一步实验的毛细管。本发明实施例中实际使用时毛细管的内径为200.31μm，缩颈处的内径时25.01μm，外径为40.63μm。
拉制好缩颈的200μm毛细管连接到阀机构3的一个端口，与之相对的另一个端口为原油的注入端，即第二管路5的端口处，原油油的注入是通过一根外径90μm内径20μm的毛细管插入到200μm毛细管的缩颈的前端，注入油的毛细管通过连接转换接头与在线过滤器连接，观测通过微量注射器注射一定体积的油类液体，油类液体经在线过滤器过滤后流入20μm毛细管并最终注入到200μm毛细管内的溶液中。阀机构3的第三个端口为表面活性剂溶液注入端，表面活性剂溶液从此端口注入进200μm毛细管。另外，阀机构3还可以通过另一个端口连接压力传感器8，实时记录驱替压力的变化。
本发明实施例还包括恒温机构9，其内温度可以保持在预设温度范围内；并且阀机构3、微流动单元6以及图像获取机构7均设置在恒温机构9内。由于毛细管内流体的体积很小，容易受温度的影响，为了去除温度对实验的影响，整个观测需要在25℃的恒温箱中进行。恒温机构9还可以包括温度传感器，该温度传感器可以实时的检测恒温机构9内的温度，并传送该检测到的温度，以方便用户获知恒温机构内的温度信息。
进一步地，本发明实施例还包括调温机构，其可以与温度传感器连接，并用于在温度传感器检测到的温度超出预设范围时，通过调温机构对恒温机构9内的温度进行调节，调温机构包括加热器和制冷器。
本发明实施例还包括电子设备10，与图像获取机构7通信连接，以接收图像获取机构7传送的喉管部61处的液体界面变化图像，电子设备10也可以与温度传感器连接，以接收传送的温度信息。其中，电子设备10可以包括：手机、计算机、信息处理设备等，只要能够与温度传感器建立连接并接收温度信息的设备即可。
另外，本公开实施例的图像获取机构7可以包括显微镜以及与所述显微镜连接的摄像设备，摄像设备可以将显微镜获取得图像进行成像。其中显微镜设置在喉管部61对应的位置，以便于获取该部分图像，同时摄像设备可以实时采集显微镜获取的图像，并可以将获取的图像传输至电子设备10上。
由于本发明实施例可以实时的获取喉管部61处的第一液体和第二液体的油液界面的变化图像，可以方便地分析出不同油液的界面变化情况。
另外，本发明实施例的微流动单元6可以设置在支撑单元11上，该支撑单元11具有平整的第一表面，微流动单元6可以设置在该第一表面上，从而保证液体流动稳定，减少误差。
为了证明本发明实施例对界面扰动和自发乳化在毛细管流动中启动喉道残余油的作用效果和驱油原理，选用与原油界面张力值相当的季铵盐表面活性剂(可以与原油产生剧烈界面扰动和自发乳化)和非离子表面活性剂OP7(与原油界面扰动作用十分微弱)做毛细管中启动残余油的对比分析。
通过对比分析可以得出油滴与OP7溶液接触后界面没有明显变化，油滴在毛细管内运移过程中也没有发生分散乳化等现象。油滴到达喉道处时因受毛管力的作用会产生一定的毛细管压差阻碍油滴的运移，但由于OP7溶液与原油间的界面张力比较低，达到10-2mN/m数量级，所以毛细管压差非常小，油滴能够在非常小的毛管力作用下通过喉道。
本发明实施例还可以获得油滴注入到毛细管与季铵盐表面活性剂溶液接触后油水界面变化。其中，乳化分散的油滴基本占据在表面活性剂液流中间，说明乳化后的小油滴直径小于喉道的直径，分散的小油滴到达喉道处时可以顺利通过而不受毛细管力的作用。
由以上分析可知，OP7溶液启动喉道残余油的机理主要是通过降低油水界面张力使毛细管压差减小，根据拉普拉斯公式，油水界面张力降低到10-2mN/m数量级时油滴所受的毛细管压差只有几帕，所以油滴可以在很小的毛细管压差下被启动。
而季铵盐表面活性剂启动喉道残余油的机理主要是马拉高尼效应对流产生的界面扰动在比较低的界面张力条件下使喉道处的残余油自发乳化为颗粒半径小于喉道半径的小油滴，因此，残余油滴可以在不受毛细管压差的状态下被顺利启动。
综上所述，本公开实施例可以方便的通过两种注入机构分别输入两种液体，以分别将两种液体输送到喉管部，并能够获取两种液体在喉管部的油液界面的变化图像，方便通过图像研究不同液体之间在喉管处的面变化情况。
本发明还提供了一种界面变化观测方法，采用上述的界面变化观测系统进行观测，界面变化观测方法包括以下步骤：
步骤10、通过阀机构3接通第一注入机构1和微流动单元6，并通过第一注入机构1向微流动单元6中注入第一液体；
步骤20、通过阀机构3将第一注入机构1与微流动单元6断开，并通过阀机构3接通第二注入机构2和微流动单元6，通过第二注入机构2向微流动单元6注入第二液体；
步骤30、通过阀机构3将第二注入机构2与微流动单元6断开，再次接通第一注入机构1与微流动单元6，并通过第一注入机构1向微流动单元6中注入将第一液体；
步骤40、通过图像获取机构7获取喉管部61处第一液体和第二液体的界面变化信息。
例如，本发明实施例可以首先用高精度计量泵以0.005ml/min的固定流量向第一管路4中注入表面活性剂溶液，表面活性剂溶液充满毛细管并流动一段时间后停止注入，然后通过微流量注射器经20μm毛细管向200μm毛细管内的表面活性剂溶液注入0.01μL模拟油(第二管路5)，在注入过程中用图像获取机构7实时记录油滴和油水界面的变化过程，大约30s后再重新开泵注入表面活性剂溶液，继续用图像获取机构7记录油滴运移过程。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明实施例可以方便的通过第一注入机构1和第二注入机构2分别输入两种液体，以分别将两种液体输送到喉管部61，并能够获取两种液体在喉管部61的油液界面的变化图像，方便通过图像研究不同液体之间的界面变化情况。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。
Claims (10)
1.一种界面变化观测系统，其特征在于，包括：
第一注入机构(1)，用于提供并输送第一液体；
第二注入机构(2)，用于提供并输送第二液体，第二注入机构(2)与第一注入机构(1)并联设置；
阀机构(3)，阀机构(3)的入口端与第一注入机构(1)和第二注入机构(2)均连接，阀机构(3)能够分别控制第一注入机构(1)和第二注入机构(2)的开闭；
微流动单元(6)，与阀机构(3)的出口端连接，微流动单元(6)包括喉管部(61)，喉管部(61)的内径小于微流动单元(6)内其他各个管路的内径；
图像获取机构(7)，设置在微流动单元(6)处，并能够获取喉管部(61)处的液体界面变化图像。
2.根据权利要求1所述的界面变化观测系统，其特征在于，所述界面变化观测系统还包括恒温机构(9)，阀机构(3)、微流动单元(6)和图像获取机构(7)均设置在恒温机构(9)内。
3.根据权利要求2所述的界面变化观测系统，其特征在于，所述界面变化观测系统还包括压力传感器(8)与阀机构(3)连接并置于恒温机构(9)外部，压力传感器(8)能够监测微流动单元(6)处的第一注入机构(1)和/或第二注入机构(2)的注入压力。
4.根据权利要求1所述的界面变化观测系统，其特征在于，所述界面变化观测系统还包括电子设备(10)，电子设备(10)与图像获取机构(7)电连接，电子设备(10)能够接收图像获取机构(7)传送的所述液体界面变化图像。
5.根据权利要求1所述的界面变化观测系统，其特征在于，阀机构(3)具有至少两个入口和一个出口，第一注入机构(1)通过第一管路(4)与阀机构(3)的其中一个所述入口连接，第二注入机构(2)通过第二管路(5)与阀机构(3)的另外一个入口连接。
6.根据权利要求5所述的界面变化观测系统，其特征在于，第一管路(4)和第二管路(5)均为毛细管路。
7.根据权利要求6所述的界面变化观测系统，其特征在于，第一管路(4)和第二管路(5)的外部均包覆酰亚胺涂层。
8.根据权利要求1所述的界面变化观测系统，其特征在于，第一注入机构(1)设置有第一计量泵，第二注入机构(2)中设置有第二计量泵。
9.根据权利要求1所述的界面变化观测系统，其特征在于，图像获取机构(7)包括摄像设备。
10.一种界面变化观测方法，采用权利要求1至9中任一项所述的界面变化观测系统进行观测，其特征在于，所述界面变化观测方法包括以下步骤：
步骤10、通过阀机构(3)接通第一注入机构(1)和微流动单元(6)，并通过第一注入机构(1)向微流动单元(6)中注入所述第一液体；
步骤20、通过阀机构(3)将第一注入机构(1)与微流动单元(6)断开，并通过阀机构(3)接通第二注入机构(2)和微流动单元(6)，通过第二注入机构(2)向微流动单元(6)注入所述第二液体；
步骤30、通过阀机构(3)将第二注入机构(2)与微流动单元(6)断开，再次接通第一注入机构(1)与微流动单元(6)，并通过第一注入机构(1)向微流动单元(6)中注入将第一液体；
步骤40、通过图像获取机构(7)获取喉管部(61)处所述第一液体和所述第二液体的界面变化信息。
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| WO2020215523A1 (zh) * | 2019-04-24 | 2020-10-29 | 山东科技大学 | 基于微流体控制与贾敏效应观测的实验系统及其实验方法 |
| CN113945317A (zh) * | 2021-10-19 | 2022-01-18 | 青岛科技大学 | 基于力致变色材料的贾敏效应孔喉压力测量装置及方法 |
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