CN111707701B - 一种纳米通道内可压缩流体的相态测试装置及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纳米通道内可压缩流体的相态测试装置及其测试方法，第一六通阀分别连接实验气体气瓶、第一压力传感器、第二六通阀以及中间容器；中间容器另一端连接高精度流量泵；第二六通阀分别连接高温高压仓、第二压力传感器、氮气气瓶以及真空泵；高温高压仓设有进液管线、出液管线以及围压流体注入口；进液管线一端与微流体芯片的入口端相连，另一端与通过第一压力传感器与第一六通阀连接；出液管线与第二六通阀连接；数字化采集系统分别与第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器以及成像系统连接。本发明解决了压力表无法准确测量纳米通道中可压缩流体的压力这一难题，可以直接测试纳米通道中流体的相态变化时温度压力。

Description

一种纳米通道内可压缩流体的相态测试装置及其测试方法
技术领域
本发明属于纳米孔隙流体相态实验技术领域，具体涉及一种纳米通道内可压缩流体的相态测试装置及其测试方法。
背景技术
全球常规油气由于多年的开采，可采储量逐渐减减少。因此，致密油气藏资源越来越受到人们的重视。中国的致密油气藏资源量巨大，发展潜力远大于常规天然气。研究表明，我国的致密油气和页岩气可采资源总量约为20-35×1012m3。致密油气藏虽然储量巨大，分布广泛，但是发育大量的纳米级孔隙，孔径大多集中在5-750nm，20-40％的孔径小于10nm。在致密油气藏的开发过程中，明确流体的相态行为至关重要。常用的做法是将流体放入PVT筒中进行PVT实验。然而，在致密储层如此小的孔道半径下，很多常规大孔隙中的相态理论并不符合纳米级孔隙。在纳米孔隙中，流体与岩石的相互作用十分强烈，这可能导致流体相态的显著偏差。目前，大多数关于纳米孔隙流体相态的研究是基于热动力学，流体力学和分子模拟学等。然而，能够进行纳米尺度的相态实验系统非常少。这在很大程度上是由于创建具有代表性的纳米几何结构和精确探测内部流体相态的挑战。微流体装置是研究微观流体流动的一种重要装置，它使在微观尺度上流体的流动可视化成为可能。应用纳米级别微流体芯片是研究纳米尺度流体相态的一种方法。利用刻蚀纳米孔的芯片进行纳米孔流体相态实验研究，可以观察测试到纳米中孔流体相态与宏观尺度流体相态的差异。最近，纳米级别微流体芯片已被用于研究烃类流体混合物的相态变化。但是，由于纳米通道与压力传感器和管线相比，体积十分微小，气体又有很强的可压缩性。因此，在使用压力传感器检测纳米通道中气相的压力时，只能测得管线内气体与纳米通道气体完全混合平衡后的压力。这将花费特别长的试验时间仍无法准确测定纳米孔隙中气相的压力。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种一种纳米通道内可压缩流体的相态测试装置及其测试方法，利用微流体芯片，观察和测量纳米通道中流体相态。采用本方法可以直接观测到纳米通道中流体的相态变化，测试纳米通道中流体在不同温度条件下的泡点压力或者不同压力条件下的泡点温度。
一种纳米通道内可压缩流体的相态测试装置，包括：微流体芯片、高温高压仓、成像系统、数字化采集系统、高精度流量泵、真空泵、高压气瓶以及管线系统；
所述的数字化采集系统包括第一压力传感器、第二压力传感器和温度传感器；所述的高压气瓶包括实验气体气瓶和氮气气瓶；所述的管线系统包括第一六通阀、第二六通阀以及若干条管线；
所述的第一六通阀不同的接口上分别连接实验气体气瓶、第一压力传感器、第二六通阀以及中间容器；所述的中间容器另一端连接高精度流量泵；
所述的第二六通阀不同接口上分别连接高温高压仓、第二压力传感器、氮气气瓶以及真空泵；
所述的高温高压仓设有进液管线、出液管线以及围压流体注入口；所述的进液管线一端与微流体芯片的入口端相连，另一端与通过第一压力传感器与第一六通阀连接；所述的出液管线与第二六通阀连接；
所述的成像系统置于高温高压仓视窗外侧；
所述的数字化采集系统分别与第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器以及成像系统连接。
进一步的，所述的微流体芯片包括依次连接的入口、入口通道、入口封闭槽、纳米通道、出口封闭槽、出口通道、出口。实验的时候，所述的微流体芯片内为真空；由出口注入封闭流体至充满出口封闭槽后关闭出口；从入口段塞式精确注入等量纳米通道体积的实验流体与封闭流体，直至实验流体充满纳米通道且封闭流体充满入口封闭槽。
一种纳米通道内可压缩流体的相态测试方法，采用上述的纳米通道内可压缩流体的相态测试装置，包括以下步骤：
(1)、将微流体芯片接入到高温高压仓，用待实验气体注入微流体芯片中反复冲刷，并检查气密性；
(2)、对微流体芯片、管线系统、中间容器进行真空处理，接着由出口注入封闭流体至充满出口封闭槽后关闭出口，然后从入口段塞式精确注入等量纳米通道体积的实验流体与封闭流体，直至实验流体充满纳米通道且封闭流体充满入口封闭槽；
(3)、分别改变实验的温度、压力，使实验流体发生相态变化，记录相变时的温度、压力。
本发明的优点在于：解决了压力表无法准确测量纳米通道中可压缩流体的压力这一难题，同时本方法提供了一种可以直接测试纳米通道中流体的相态变化时温度压力方法，该方法操作简单，可监测纳米通道内的压力，测量误差小，结果可视化等。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明的微流体芯片的结构示意图。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
如图1所示，一种纳米通道内可压缩流体的相态测试装置，包括：微流体芯片5、高温高压仓4、成像系统3、数字化采集系统13、高精度流量泵11、真空泵14、高压气瓶以及管线系统；
所述的数字化采集系统13包括第一压力传感器2、第二压力传感器7和温度传感器6；所述的高压气瓶包括实验气体气瓶1和氮气气瓶8；所述的管线系统包括第一六通阀9、第二六通阀10以及若干条管线；
所述的第一六通阀9不同的接口上分别连接实验气体气瓶1、第一压力传感器2、第二六通阀10以及中间容器12；所述的中间容器12另一端连接高精度流量泵11；
所述中间容器12为活塞式中间容器，一端与高精度流量泵11相连，一端与实验气体气瓶1相连，用于将实验气体气瓶1中待实验气体加压至合适压力。中间容器12应密封效果良好，抗腐蚀，耐高压。
所述高精度流量泵11与中间容器12相连，可以进行定压或定流量输送流体。高精度流量泵11应具有流量稳定，计量精准，压力恒定等特点。
所述的第二六通阀10不同接口上分别连接高温高压仓4、第二压力传感器7、氮气气瓶 8以及真空泵14；所述真空泵14用于微流体芯片5及管线系统的真空处理。
所述高温高压仓4可以是玻璃制品、金属与玻璃混合制品或者其他耐温耐压高分子化合物等。正面设有视窗，其余各面密闭；所述的高温高压仓4设有进液管线、出液管线以及围压流体注入口；所述的进液管线一端与微流体芯片5的入口端相连，另一端与通过第一压力传感器2与第一六通阀9连接；所述的出液管线与第二六通阀10连接；优选地，高温高压仓 4具有控压控温功能。
所述的成像系统3置于高温高压仓4视窗外侧，用于拍摄纳米通道流体相态变化图像。
所述的数字化采集系统13分别与第一压力传感器2、第二压力传感器7、温度传感器6 以及成像系统3连接，用于收集压力信号、温度信号和图像信号。
如图2所示，所述的微流体芯片5包括依次连接的入口51、入口通道52、入口封闭槽53、纳米通道54、出口封闭槽55、出口通道56、出口57；实验的时候，所述的微流体芯片 5内为真空；由出口57注入封闭流体至充满出口封闭槽55后关闭出口57；从入口51段塞式精确注入等量纳米通道体积的实验流体与封闭流体，直至实验流体充满纳米通道54且封闭流体充满入口封闭槽53。
所述微流体芯片5可以是石英、玻璃、单晶硅、金属或者高聚物等；所述微流体芯片5 可以根据具体实验目的和实验流体性质，对芯片内壁进行或不进行表面润湿性处理；所述纳米通道54可以为任意单一形状或多形状的组合图形，任意纳米尺度深度。所述入口封闭槽 53、出口封闭槽55可以为任意形状，任意深度；封闭流体为不与实验流体发生化学反应、不相容的液体、胶体或聚合物等流体。
一种纳米通道内可压缩流体的相态测试方法，采用上述的纳米通道内可压缩流体的相态测试装置，包括以下步骤：
(1)、将微流体芯片5接入到高温高压仓4，用待实验气体注入微流体芯片5中反复冲刷，并检查气密性；
(2)、对微流体芯片5、管线系统、中间容器12进行真空处理，接着由出口57注入封闭流体至充满出口封闭槽55后关闭出口57，然后从入口51段塞式精确注入等量纳米通道体积的实验流体与封闭流体，直至实验流体充满纳米通道54且封闭流体充满入口封闭槽53；
(3)、分别改变实验的温度、压力，使实验流体发生相态变化，记录相变时的温度、压力。

Claims (3)

1.一种纳米通道内可压缩流体的相态测试装置，其特征在于，包括：微流体芯片（5）、高温高压仓（4）、成像系统（3）、数字化采集系统（13）、高精度流量泵（11）、真空泵（14）、高压气瓶以及管线系统；
所述的数字化采集系统（13）包括第一压力传感器（2）、第二压力传感器（7）和温度传感器（6）；所述的高压气瓶包括实验气体气瓶（1）和氮气气瓶（8）；所述的管线系统包括第一六通阀（9）、第二六通阀（10）以及若干条管线；
所述的第一六通阀（9）不同的接口上分别连接实验气体气瓶（1）、第一压力传感器（2）、第二六通阀（10）以及中间容器（12）；所述的中间容器（12）另一端连接高精度流量泵（11）；
所述的第二六通阀（10）不同接口上分别连接高温高压仓（4）、第二压力传感器（7）、氮气气瓶（8）以及真空泵（14）；
所述的高温高压仓（4）设有进液管线、出液管线以及围压流体注入口；所述的进液管线一端与微流体芯片（5）的入口端相连，另一端与通过第一压力传感器（2）与第一六通阀（9）连接；所述的出液管线与第二六通阀（10）连接；
所述的成像系统（3）置于高温高压仓（4）视窗外侧；
所述的数字化采集系统（13）分别与第一压力传感器（2）、第二压力传感器（7）、温度传感器（6）以及成像系统（3）连接；
所述的微流体芯片（5）包括依次连接的入口（51）、入口通道（52）、入口封闭槽（53）、纳米通道（54）、出口封闭槽（55）、出口通道（56）、出口（57）。
2.根据权利要求1所述的一种纳米通道内可压缩流体的相态测试装置，其特征在于，所述的微流体芯片（5）内为真空；由出口（57）注入封闭流体至充满出口封闭槽（55）后关闭出口（57）；从入口（51）段塞式精确注入等量纳米通道体积的实验流体与封闭流体，直至实验流体充满纳米通道（54）且封闭流体充满入口封闭槽（53）。
3.一种纳米通道内可压缩流体的相态测试方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的纳米通道内可压缩流体的相态测试装置，包括以下步骤：
（1）、将微流体芯片（5）接入到高温高压仓（4），用待实验气体注入微流体芯片（5）中反复冲刷，并检查气密性；
（2）、对微流体芯片（5）、管线系统、中间容器（12）进行真空处理，接着由出口（57）注入封闭流体至充满出口封闭槽（55）后关闭出口（57），然后从入口（51）段塞式精确注入等量纳米通道体积的实验流体与封闭流体，直至实验流体充满纳米通道（54）且封闭流体充满入口封闭槽（53）；
（3）、分别改变实验的温度、压力，使实验流体发生相态变化，记录相变时的温度、压力。
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