CN112782045A - 测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种测定泡沫液膜渗透能力的及其使用方法，包括装置本体、气泡发生器、观察管、观察容器、储液罐、旋转电机、第一气源、第二气源和数码显微镜，气泡发生器、观察管、观察容器组成耐高温高压的密闭系统设置在装置本体中，在旋转电机、储液罐、第一气源、第二气源的共同作用下在密闭系统中生成气泡进行液膜渗透性实验，并由数码显微镜采集用于研究液膜渗透性机理的实验数据；通过特定的气泡发生器生成气泡，并将其引入专用的观察设备中，实现对气泡在真实条件下表面活性剂溶液的液膜中渗透过程的精确而清晰的观察记录，为研究泡沫液膜渗透能力和进一步指导提高原油采收率中泡沫作为封堵剂和驱替流体的开发提供实验设备和数据上的支持。

Description

测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及提高原油采收率中泡沫驱油理论实验设备技术领域，具体涉及一种测定高温高压下泡沫液膜渗透能力的装置及其使用方法。

背景技术

在油田开发工作中，油藏依赖自身能量及以注水、注气等人为补给的方法开采原油，但在经历两次采油之后，原油开采量也仅占原油储量的一小部分，大多数致密油藏的油气资源尚未被开采出来，此类油藏孔隙结构复杂，且渗透率极低，在经历两次采油后，油藏较大孔隙内原油在天然压力和注水方式下被开采出来，而低渗区因毛管力、粘滞力等作用力不易开采。在进入三次采油时代后，常使用化学驱、蒸汽驱、微生物驱和热采等方式提高波及效率增大驱油面积，尽可能地开采更多原油。但由于采用化学驱、蒸汽驱等方式在驱油过程中易发生窜流，未能有效封堵大孔隙而专项治理小孔隙内部的残余油，仍旧有大量的原油尚未开采。因此，为解决封堵孔隙问题提出了泡沫驱技术，实际油藏中使用泡沫驱油所提高的原油采收率可达15％左右，对比单一的提高原油采收率技术存在的缺陷，如化学驱方式造成储层伤害，仅注气、注水造成窜流且存在气源不足问题，泡沫驱具有低伤害性，针对性封堵油藏高渗部位，改善低渗富油部位驱油效率，显著提高了原油开采量，因此，对于泡沫驱油的研究则逐渐成为了提高原油采收率和采油化学中的重点发展方向。

泡沫的本质是一种由气液组成的分散体系，其中气相以气泡的形式作为分散相，液相作为分散介质形成连续相。泡沫应用研究主要是通过实验确定出具有良好稳定性和满足油藏各方面应用性能的泡沫配比，并进一步探究其生成和存在的相关机理，其中的重点是泡沫在油藏环境中能够稳定存在的基础，如泡沫的稳定机理和泡沫失稳问题对泡沫的影响等。根据现有泡沫稳定性方面的研究结果可知，维系泡沫稳定存在的源头在于泡沫液膜表面所具有的一层表面活性剂单分子层，因此，对泡沫体系稳定性能的研究，逐渐向泡沫液膜表面的表面活性剂单分子层的相关机理的研究靠拢。

而现有研究表明，泡沫的稳定性源自于形成泡沫的动力学理论和液膜排液机理，且泡沫实为一个热力学不稳定体系，在较长时间内泡沫的稳定存在则更多依赖于平衡泡沫液膜的机理，即气体传质、DLVO理论以及气体溶解度等，这说明对于能够在泡沫驱油当中得到有效应用的长时间稳定泡沫体系来说，泡沫的稳定性因素除了要考虑泡沫液膜表面的表面活性剂单分子层的影响之外，还应当考虑到形成泡沫的另一重要组分，即气体的影响，并气体与液膜的共同作用所遵循的泡沫液膜渗透机理作为综合考察的核心进行研究。

泡沫液膜渗透机理对泡沫稳定性和行为方式的影响的直观体现可以由以下两方面反映得出，一方面，在不同气体中同一浓度起泡液产生的泡沫，或者在同一气体不同浓度下起泡液产生的泡沫，其泡沫尺寸、起泡量、稳泡时间等参数均不同，泡沫排液聚并现象也如此，另一方面，不同种类液膜表面的表面活性剂单分子层排列情况不一致，从而导致气体穿过液膜的渗透能力截然不同，以上特征均是的泡沫液膜的渗透机理对于实际情况下气泡穿过液膜行为产生决定性影响的直接反映。

也正因为如此，研究泡沫液膜渗透机理的重点，就自然而然地集中到了考察泡沫液膜的渗透能力方面上，相关文献如R.Farajzadeh等的论文(Effect ofgas type on foamfilm permeability and its implications for foam flow inporous media[J].Advances in Colloid and Interface Science,2011,168:71-78)中对多种气体在不同类型的表面活性剂中的泡沫渗透性进行了考察，并在该篇论文中提出了一种用于对泡沫液膜渗透率进行测试的实验装置，用以研究泡沫液膜渗透能力，并使用泡沫液膜渗透率的公式，从而得到了一种对泡沫渗透性和稳定性的评价方法。

可以看到，将泡沫液膜渗透能力的相关研究结合到提高原油采收率中泡沫驱油方向的研究中，具有重要的意义。对泡沫液膜渗透机理的研究，有利于泡沫微观失稳性能分析，掌握泡沫驱油剂的实际使用不足之处，进而帮助优化实际泡沫配比，改善泡沫液膜微观结构，同时还能够系统性地对提高采收率泡沫作为封堵剂和驱替流体的相关开发和应用问题提供理论指导，为现场使用适合的泡沫的比例配方，以及反映该配方下泡沫性能在油藏中的真实作用提供依据。但是就目前来说，对于泡沫液膜渗透机理的研究多数也只是侧重于理论模型的搭建，如R.Farajzadeh等的论文中所涉及的实验装置均是在常规甚至是理想的状态下对气泡在不同类型溶液中的渗透性进行考察，其装置本体设计和操作过于简单和理想化，如简陋的注气装置和需采用简单的人工手段进行注气，缺乏精确控制实验用气泡发生的能力。如果要将此类装置应用到实际油田开发的复杂环境中，得到一种可以为真实情况下具有复杂条件的地层中的泡沫驱油提供理论指导的实验装置，就必须要考虑真实地层中的高温高压条件，同时还要对泡沫的产生和运动过程做到准确掌握，排除额外的干扰因素，泡沫的稳定性在油藏环境中更好，且获得的泡沫液膜厚度更大，导致渗透能力差别悬殊，将常温常压环境测定的泡沫渗透性结果用于真实地层条件下研究的意义并不大。

此外，就行业中的同类型装置来看，目前广泛采用的泡沫驱油评价装置多为从结果上对泡沫的性质进行研究，即通过泡沫驱油在岩心当中驱油的实际效果来评价泡沫驱油剂的能力，研究过程偏重于实际结果和应用，缺乏针对基础理论研究方面的要素，往往只能针对实验所支持的研究对象得出单一和特化的研究结论，难以得到可以广泛适用的普遍规律。而能够对真实环境中地层条件下的泡沫液膜渗透性和渗透机理进行系统研究的实验装置，目前还未见有所应用。

发明内容

鉴于此，本发明目的在于提供一种测定高温高压下泡沫液膜渗透能力的装置及其使用方法，能够在真实地层条件下精确控制实验条件，实现对泡沫液膜渗透机理的准确研究，从而为泡沫驱油领域的相关开发和应用工作提供具有指导作用的基础理论结果。

本发明提供的技术方案是，提供一种测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置：

包括装置本体、气泡发生器、观察管、观察容器、储液罐、旋转电机、第一气源、第二气源和数码显微镜，其中，装置本体上表面可拆卸地设置有带玻璃观察窗的装置盖体，其内表面铺设有由隔热材料制成的隔热套层；气泡发生器由耐高温高压材料组成，设置在装置本体内部，气泡发生器内部设置有发生转子；发生转子表侧面上设有桨叶，内部设有空腔，在发生转子桨叶之间的表面上还设有毛细微孔连通空腔和气泡发生器的内部空间；观察容器由耐高温高压材料组成，设置在装置本体内部玻璃观察窗的竖直投影范围内，并通过输液管路与气泡发生器连接；观察容器上表面为透光玻璃盖，透光玻璃盖下表面上涂设有一层透明疏水膜；观察容器内表面上还竖直贴壁设置有延伸至观察容器外部的电磁液位计；观察管由两端的接头和中部耐高温高压透明材料管组成，中部耐高温高压透明材料管管径可变；观察管两端的接头以可拆卸的形式分别与气泡发生器一侧的管头和观察容器一侧的管头连接组成输液管路，在观察容器一侧的管头上还设置有电磁闸板阀；储液罐设置在装置本体的外部，并与气泡发生器内部通过管路连接；第一气源设置在装置本体外部，通过穿过装置本体和气泡发生器的注气管从上方伸入发生转子的内部空腔中；第一气源与发生转子的连接管路上还设置有第一电磁三通阀，第一电磁三通阀外接带回压阀的排出管路；第二气源设置在装置本体外部，并通过管路连接至观察容器顶部；第二气源与观察容器的连接管路上还设置有第二电磁三通阀，第二电磁三通阀外接带回压阀的排出管路；旋转电机设置在装置本体外部，其电机转轴穿过装置本体和气泡发生器同轴连接在发生转子下方；数码显微镜设置在装置本体上方，其镜头正对观察容器上表面，使得镜头视野穿过玻璃观察窗完全覆盖透光玻璃盖。

进一步的，所述气泡发生器内壁上设置有集泡斗，集泡斗上设置有与气泡发生器一侧的管头连通的集泡口，集泡口与发生转子的自转切向加速度方向正面相对。

进一步的，所述装置本体外部还设置有加热装置，加热装置上设有伸入装置本体内部的加热管路；加热装置还与设置在装置本体外表面，用于测定装置本体内部温度的电磁温度计电连接。

进一步的，所述储液罐到气泡发生器的连接管路上依次设置有注液泵、球阀、安全阀；第二气源到第二电磁三通阀的连接管路上依次设置有注气泵、球阀和止回阀；第一气源到第一电磁三通阀的连接管路上依次设置有注气泵、球阀和止回阀。

进一步的，所述观察容器上表面设置有电磁压力表，电磁压力表用于测定观察容器内部气压。

进一步的，所述装置本体外部上方设置有摄像头，摄像头的镜头视野穿过玻璃观察窗完全覆盖观察管中部的耐高温高压透明材料管。

进一步的，所述装置本体外部还设置有中控系统，中控系统分别与电磁闸板阀、加热装置、第一电磁三通阀、第二电磁三通阀、注液泵、旋转电机、注气泵、电磁压力表、摄像头、数码显微镜和电磁液位计电连接。

进一步的，所述观察容器的侧面和底面均设有疏水材料涂层。

进一步的，所述气泡发生器一侧的管头的海拔高度高于观察容器一侧的管头的海拔高度。

本发明中一种测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置的使用方法，其步骤包括：

S1：根据实验要求确定观察管中部耐高温高压透明材料管的管径，并将该管径观察管两端的接头分别固定在气泡发生器一侧的管头和观察容器一侧的管头上，并确保气泡发生器、观察管和观察容器之间的各种阀门保持开启；

S2：调节第一电磁三通阀和第二电磁三通阀的连接通路，确认由气泡发生器、观察管和观察容器组成的密闭系统的密封性，确认完成后关闭装置盖体，并将摄像头和数码显微镜分别启动调节至待机状态；

S3：将两组回压阀的压力上限均设置为实验所需压力，并调节第一电磁三通阀和第二电磁三通阀的连接通路，使得发生转子和观察容器分别与各自管路上的回压阀连通，之后将储液罐中的实验用液体注满气泡发生器、观察管和观察容器组成的密闭系统，注液完成后关闭注液管路上的球阀；

S4：启动加热装置，将装置本体内部的温度升至实验所需的温度；

S5：调节第二电磁三通阀的连接通路，使得观察容器连通第二气源，之后通过第二气源以高于实验压力上限的气压向观察容器中注入实验用气，将观察容器中的实验用液体由上自下开始排出，排出后的液面高度由电磁液位计收集测量，直至液面高度降至实验要求；

S6：之后将第二气源的压力降至低于实验压力上限，调节第二电磁三通阀的连接通路，使得观察容器连通带有实验压力上限回压阀的排出管路；同时调节第一电磁三通阀的连接通路，将发生转子与第一气源相连；

S7：使待机状态的摄像头和数码显微镜进入工作状态，分别开始收集观察管和观察容器中的图像数据；同时启动旋转电机使得发生转子沿实验所需的方向转动；

S8：使电磁闸板阀保持开度与观察管管径相近，之后通过第一气源以高于实验压力上限的气压向发生转子注气并生成气泡，使得气泡经观察管缓慢向观察容器移动，经摄像头观察到符合实验要求的气泡通过后，调节电磁闸板阀的开度和第一气源的注气量，确保一次仅有一枚气泡进入观察容器；

S9：气泡进入观察容器后，关闭电磁闸板阀和第一气源，使得气泡受自身浮力漂浮至观察容器的上部液面，并持续一段时间的漂浮状态，漂浮全过程由数码显微镜全程记录，并记录气泡与液膜的半径变化过程和关系；

S10：观察容器允许放入多枚气泡进行连续多次重复实验；实验完成后，收集数据至中控系统中便于后续处理和研究；可通过连接排出管路和降低回压阀压力阈值放出实验用液体，关闭加热装置和装置中的电动设备，待装置冷却后即可拆除，完成实验。

本发明起到的技术效果是：

1、通过特定的气泡发生器生成气泡，并将其引入专用的观察设备中，实现对气泡在表面活性剂溶液的液膜中渗透过程的精确而清晰的观察记录，为研究泡沫液膜的渗透机理提供实验设备和数据上的支持。

2、气泡容器采用耐温耐压设计，同时在装置内部设有温度控制装置，使得实验过程可在高温高压条件下进行，用于准确模拟实际地层条件，从而实现对实际地层条件下液膜渗透机理的研究，为采油工程中泡沫驱油剂的开发、评价和应用提供理论基础。

3、生成气泡的发生转子为带桨叶的开孔转轴结构，在外部控制下可通过发生转子表面的毛细孔旋转散布气泡，并通过改变发生转子的速度控制生成气泡的大小；桨叶旋转可增加提供的动能，有助于生成和运输高质量的气泡。

4、气泡的生成容器和观察容器之间采用管径可变的透明斜管可拆卸连接，并由电磁闸板阀控制通路开关，使得气泡可由生成容器快速进入观察容器中，且有效控制气泡的进入量和进入气泡的规格，保证了实验过程的质量。

5、装置中主要实验部件的控制和实验数据的采集和分析均通过中控系统进行，自动化程度与精确度较高，同时只需按要求装配设备即可进行实验，操作简单，避免了人工操作时产生的误差，提高了实验的重复性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明中观察容器结构示意图；

图3是本发明中气泡发生器立体结构示意图；

图4是本发明中发生转子立体结构示意图；

图5是本发明中发生转子转动方向示意图；

图6是本发明中观察容器中气泡刚升至液面的微观状态示意图；

图中1装置本体，2气泡发生器，3发生转子，4注气管，5集泡斗，6观察管，7电磁闸板阀，8观察容器，9加热装置，10加热管路，11a第一电磁三通阀，11b第二电磁三通阀，12注液泵，13储液罐，14旋转电机，15隔热套层，16安全阀，17a第一气源，17b第二气源，18注气泵，19止回阀，20装置盖体，21玻璃观察窗，22电磁压力表，23摄像头，24数码显微镜，25中控系统，26电磁温度计，27回压阀，801透光玻盖，802透明疏水膜，803电磁液位计，804气泡。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例：

参见图1至图5，一种测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置：

装置本体1上表面可拆卸地设置有带玻璃观察窗21的装置盖体20，其内表面铺设有由耐热橡胶制成的隔热套层15，装置本体内表面内衬有隔热套层15，可保持其内部的温度；

气泡发生器2由不锈钢组成，设置在装置本体1内部，可承受高温高压条件；

气泡发生器2内壁上设置有集泡斗5，集泡斗5上设置有与气泡发生器2一侧的管头连通的集泡口，集泡口与发生转子3的自转切向加速度方向正面相对，其本质是与发生转子3旋转在气泡发生器2内部产生旋流的自转切向加速度方向正面相对，而产生的气泡可随旋流转动，这样将便于集泡斗5收集沿旋流运动的气泡。

气泡发生器2内部设置有发生转子3，发生转子3表侧面上间隔设有四组桨叶，发生转子3在外部动力源如转动电机的带动下同轴自转产生旋流，桨叶可增强产生旋流的效果，发生转子3内部还设有空腔，在发生转子3桨叶之间的表面上还设有毛细微孔连通空腔和气泡发生器2的内部空间，毛细管的孔径设置在1mm以下，本实施例中为0.5mm，毛细管在较细的状态下，使得通过毛细管的气体能够受到较大的毛管力，可更好地生成气泡，从而保证实验的顺利进行；这样，就在发生转子3内部形成了一个气体发生结构，即通过向发生转子3内部空腔注入气体，使得气体间断通过毛细微孔生成气泡进入气泡发生器2的内部空间中，再由发生转子3的自转带动生成的气泡随旋流运动，并进入装置的下一部分；

观察容器8由耐高温高压材料组成，可承受高温高压，设置在装置本体1内部玻璃观察窗21的竖直投影范围内，本实施例中的玻璃观察窗21的材质采用超白玻璃，保证透光效果，从而使得在装置本体1外部可由上方对观察容器8进行准确观察，观察容器8通过输液管路与气泡发生器2连接，与气泡发生器2组成密封体系；

观察容器8上表面为透光玻璃盖801，在本实施例中采用超白玻璃，使得外界可通过透光玻璃盖801精确观察容器8内部的情况，透光玻璃盖801下表面上涂设有一层透明疏水膜802，透明疏水膜802可起到透过光线的作用，同时当观察对象气泡上浮至观察容器8内的液面顶部时，疏水膜可确保气泡因电荷排斥无法与疏水膜接触，避免气泡与观察容器8顶面接触而受影响，优选的，透明疏水膜的材料可以是含氟类高分子材料，也可以是含硅类无机材料，本实施例中为CYTOP材料；

观察容器8的侧面和底面均设有疏水材料涂层，本实施例中采用聚四氟乙烯涂层，这样使得进入观察容器8的气泡同样无法与观察容器8的侧面和底面接触，可避免因接触而产生的影响，同时使的观察容器8中的液面呈凸形，从而将气泡自动集中至液面中部，观察容器8内表面上还竖直贴壁设置有延伸至观察容器8外部的电磁液位计803，电磁液位计803用于确认观察容器8内部实验溶液的液面高度，并将收集到的数据传回中控系统25供实验人员分析参考，参考图6，该高度确认有助于控制观察容器8内部实验溶液的液面高度，从而根据实验所需的气泡半径来确定观察容器8需要为气泡自由运动而预留出来的顶部空间；

观察管6由两端的接头和中部耐高温高压透明材料管组成，本实施例中为透明石英，可适用于装置本体1中的高温高压条件，中部耐高温高压透明材料管管径可变，管体直径范围在2mm以下，本实施例中的直径径为2mm，通过改变管体直径筛选进入中部耐高温高压透明材料管的气泡，可获得实验所需尺寸范围内的气泡，气泡直径将保持在2mm以下；

观察管6两端的接头以可拆卸的形式分别与输液管路上气泡发生器2一侧的管头和观察容器8一侧的管头连接，可根据对实验所需尺寸气泡的需求更换相应管径的观察管6；气泡发生器2一侧的管头的海拔高度高于观察容器8一侧的管头的海拔高度，使得观察管6为倾斜安装，倾斜方向由气泡发生器2的高点指向观察容器8的低点，这样可使通过观察管6的气泡除了受到自身惯性驱动外，还可受自身重力驱动帮助运动；

在观察容器8一侧的管头上还设置有电磁闸板阀7，电磁闸板阀7可调节开度进而控制流量，保持低流量使得气泡缓慢通过，便于一次放入一枚气泡进入观察容器8，避免一次放入过多气泡影响实验效果；

储液罐13设置在装置本体1的外部，并与气泡发生器2内部通过管路连接，储液罐13到气泡发生器2的连接管路上依次设置有注液泵12、球阀、安全阀16，储液罐13用于储存配制好的实验溶液，气泡发生器2与观察管6、观察容器8构成密闭体系之后，储液罐13即可通过注液泵12向该体系中填充液体；

第一气源17a设置在装置本体1外部，通过穿过装置本体1和气泡发生器2的注气管4从上方伸入发生转子3的内部空腔中，第一气源17a到第一电磁三通阀11a的连接管路上依次设置有注气泵18、球阀和止回阀19，第一气源17a可通过注气泵18向发生转子3的内部空腔中注气，用于发生气泡；

第一气源17a与发生转子3的连接管路上还设置有第一电磁三通阀11a，第一电磁三通阀11a外接带回压阀27的排出管路，与第一气源17a管路连接的第一电磁三通阀11a和回压阀27的作用主要是当第二气源17b向充满液体的观察容器8中注气制造顶部气体空间时，可以将上述密封体系中的多余液体变换管路后经回压阀27排出，同时还保证了密封体系中的压力不会因为排出多余液体而导致压力低于实验要求的压力；

第二气源17b设置在装置本体1外部，并通过管路连接至观察容器8顶部，这样注入观察容器8的气体将优先积累在观察容器8内上部，从而排出实验溶液形成顶部气体空间，同时在注液泵12向密封体系内注液时，观察容器8中的气体也可经过观察容器8顶部的管路被排出，第二气源17b到第二电磁三通阀11b的连接管路上依次设置有注气泵18、球阀和止回阀19，第二气源17b可通过注气泵18向观察容器8中注气，用于排出部分实验溶液以便在观察容器8中注气制造顶部气体空间，气体空间的高度范围在2mm以内，且大于气泡半径，本实施例中优选为2mm；

第二气源17b与观察容器8的连接管路上还设置有第二电磁三通阀11b，第二电磁三通阀11b外接带回压阀27的排出管路，第二电磁三通阀11b和回压阀27的作用则是，通过调节相应的管路，允许第一气源17a通过注气泵18向发生转子3的内部空腔中注气发生气泡，并保持密封体系中的压力；

旋转电机14设置在装置本体1外部，其电机转轴穿过装置本体1和气泡发生器2同轴连接在发生转子3下方，为发生转子3提供自转动力；

数码显微镜24设置在装置本体1上方，其镜头正对观察容器8上表面，使得镜头视野穿过玻璃观察窗21完全覆盖透光玻璃盖801，从而实现对观察容器8内部的气泡运动情况全程进行仔细观察，直接收集实验数据，同时数码显微镜24可通过软件程序自动在拍摄的影像中添加测量刻度，无需在观察容器8上额外添加参照刻度。

装置本体1外部还设置有加热装置9，加热装置9上设有伸入装置本体1内部的加热管路10，加热装置9还与设置在装置本体1外表面，用于测定装置本体1内部温度的电磁温度计26电连接，加热装置9用于为装置本体1提供高温环境。

观察容器8上表面设置有电磁压力表22，电磁压力表22用于测定观察容器8内部气压，确保整个密封体系内的压力等于实验所需的压力。

装置本体1外部上方设置有摄像头23，摄像头23的镜头视野穿过玻璃观察窗21完全覆盖观察管6中部的耐高温高压透明材料管，摄像头23则是用于记录气泡通过观察管6的情况，并反馈至中控系统25，为实验人员控制电磁闸板阀7的开度提供依据。

装置本体1外部还设置有中控系统25，中控系统25分别与电磁闸板阀7、加热装置9、第一电磁三通阀11a、第二电磁三通阀11b、注液泵12、旋转电机14、注气泵18、电磁压力表22、摄像头23、数码显微镜24和电磁液位计803电连接，所有的电子设备均由中控系统25控制，集控制、收集数据和分析于一体，极大地提高了装置使用的便利性，节省了人工成本，提高了实验精度。

结合实施例，本发明的使用步骤是：

(1)开启中控系统25，打开所有与中控系统25连接的电子设备，保持待机状态。

(2)选择管体半径为2mm的观察管6，将观察管6两端的接头分别固定在气泡发生器2一侧的管头和观察容器8一侧的管头上，确保气泡发生器2、观察管6和观察容器8之间的任意阀门均保持开启状态，以此将气泡发生器2、观察管6和观察容器8组成一个密封体系。

(3)通过中控系统25控制第一电磁三通阀11a连通气泡发生器2和第一气源17a的管路，第二电磁三通阀11b连通观察容器8和第二气源17b的管路，并开启两组管路上各自的球阀，之后通过第一气源17a和第二气源17b分别向气泡发生器2和观察容器8中注入实验用气，确认由气泡发生器2、观察管6和观察容器8组成的密封体系的密封性。

(4)确认完成后关闭装置盖体20，并将摄像头23和数码显微镜24分别启动调节至待机状态；

(5)设置两组回压阀27的压力限值为5MPa，同时将第一电磁三通阀11a切换至连通气泡发生器2和回压阀27，切换第二电磁三通阀11b连通观察容器8和其顶部管路上设置的回压阀27。

(6)储液罐13中提前装有配制的实验溶液，将储液罐13中的实验用液体使用注液泵12以5.5MPa的压力注入气泡发生器2，直至恰好充满气泡发生器2、观察管6和观察容器8组成的密闭系统，停止注液，之后关闭注液管路上的球阀。

(7)启动加热装置9，将装置本体1内部的温度升至实验所需的温度140℃，温度数据由电磁温度计26反馈记录；

(8)控制第二电磁三通阀11b的连接通路，使观察容器8连通至第二气源17b所在的管路上，之后通过第二气源17b以5.5MPa压力向观察容器8中注入实验用气，实验溶液中的气体溶解饱和后，观察容器8内部上端开始产生气体空间，同时密封体系内充满的实验用液体依次沿发生转子3、第一电磁三通阀11a、回压阀27排出，排出实验溶液后的观察容器8内液面高度由电磁液位计803收集测量，使得液面高度下降2mm，以此作为气泡的自由运动预留顶部空间。

(9)观察容器8内液面高度降低至2mm后，控制第二气源17b的压力低于5MPa，停止注气，止回阀19可防止液体倒流，然后控制第二电磁三通阀11b的连接通路，使得观察容器8连通至其顶端带有实验压力上限回压阀27的排出管路上，此时密封密闭系统内的压力为5MPa。

(10)调节第一电磁三通阀11a的连接通路，将发生转子3与第一气源17a相连；

(11)使处于待机状态的摄像头23和数码显微镜24进入工作状态，分别开始收集观察管6和观察容器8中的图像数据。

(12)启动处于待机状态的旋转电机14，使得发生转子3开始旋转，转动方向的切向加速度方向与集泡斗5上的集泡口正面相对。

(13)控制电磁闸板阀7保持开度尺寸接近气泡半径，之后通过第一气源17a以5.5MPa的气压向发生转子3注气，在气泡发生器2内部生成气泡，将随旋流运动，其中直径在2mm以下的气泡被集泡斗5收集后可经观察管6缓慢向观察容器8移动。

(14)摄像头23观察到符合实验要求的气泡通过后，进一步调节电磁闸板阀7的开度和第一气源17a的注气量，确保一次仅有一枚气泡缓慢进入观察容器8。

(15)气泡进入观察容器后8，关闭电磁闸板阀7和第一气源17a，使得气泡受自身浮力漂浮至观察容器8的上部液面，且位于液面中央，此时气泡的弧面部分外径为0.1012cm，持续漂浮4250s后，由数码显微镜拍照记录此时气泡弧面部分的外径为0.0960cm，气泡弧面部分的内径为0.0851cm，上升和漂浮全过程由数码显微镜24全程记录。

(16)重复向观察容器8中放入多枚不同直径的气泡进行连续实验。

(17)数码显微镜24收集到的数据将输送至中控系统25中处理和计算，通过考察不同温度压力条件下，不同实验气体和实验溶液组成体系的泡沫液膜的渗透率K，来研究真实环境中地层条件下的泡沫液膜渗透性和渗透机理。

对于气泡液膜渗透率K，依照R.Farajzadeh等提供的公式进行计算：

其中：

P——密闭系统内部压力，N/cm²；

σ——界面张力，N/cm；

K——泡沫液膜渗透率，cm/s；

R₀——刚升至实验液体表面气泡弧面部分的外半径，cm；

R_t——漂浮t时间后气泡弧面部分的外半径，cm；

r_t——t时刻的气泡弧面部分内半径，cm；

气液界面张力为30mN/m，由实施例中数据计算得到K＝0.130cm/s

(18)通过连接排出管路和降低回压阀27压力阈值放出实验用液体，必要时可使用第一气源17a或第二气源17b充气辅助排液，关闭加热装置9和装置中的电动设备，待装置冷却后即可拆除，完成实验，若需要更改生成气泡半径的范围，则可通过更换不同直径的观察管6重新组装装置开始新的实验。

在本发明的描述中，需指出的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置，其特征在于，包括装置本体(1)、气泡发生器(2)、观察管(6)、观察容器(8)、储液罐(13)、旋转电机(14)、第一气源(17a)、第二气源(17b)和数码显微镜(24)，

其中，装置本体(1)上表面可拆卸地设置有带玻璃观察窗(21)的装置盖体(20)，其内表面铺设有由隔热材料制成的隔热套层(15)；

气泡发生器(2)由耐高温高压材料组成，设置在装置本体(1)内部，气泡发生器(2)内部设置有发生转子(3)；发生转子(3)表侧面上设有桨叶，内部设有空腔，在发生转子(3)桨叶之间的表面上还设有毛细微孔连通空腔和气泡发生器(2)的内部空间；

观察容器(8)由耐高温高压材料组成，设置在装置本体(1)内部玻璃观察窗(21)的竖直投影范围内，并通过输液管路与气泡发生器(2)连接；观察容器(8)上表面为透光玻璃盖(801)，透光玻璃盖(801)下表面上涂设有一层透明疏水膜(802)；观察容器(8)内表面上还竖直贴壁设置有延伸至观察容器(8)外部的电磁液位计(803)；

观察管(6)由两端的接头和中部耐高温高压透明材料管组成，中部耐高温高压透明材料管管径可变；观察管(6)两端的接头以可拆卸的形式分别与上气泡发生器(2)一侧的管头和观察容器(8)一侧的管头连接组成输液管路；在观察容器(8)一侧的管头上还设置有电磁闸板阀(7)；

储液罐(13)设置在装置本体(1)的外部，并与气泡发生器(2)内部通过管路连接；

第一气源(17a)设置在装置本体(1)外部，通过穿过装置本体(1)和气泡发生器(2)的注气管(4)从上方伸入发生转子(3)的内部空腔中；第一气源(17a)与发生转子(3)的连接管路上还设置有第一电磁三通阀(11a)，第一电磁三通阀(11a)外接带回压阀(27)的排出管路；

第二气源(17b)设置在装置本体(1)外部，并通过管路连接至观察容器(8)顶部；第二气源(17b)与观察容器(8)的连接管路上还设置有第二电磁三通阀(11b)，第二电磁三通阀(11b)外接带回压阀(27)的排出管路；

旋转电机(14)设置在装置本体(1)外部，其电机转轴穿过装置本体(1)和气泡发生器(2)同轴连接在发生转子(3)下方；

数码显微镜(24)设置在装置本体(1)上方，其镜头正对观察容器(8)上表面，使得镜头视野穿过玻璃观察窗(21)完全覆盖透光玻璃盖(801)。

2.如权利要求1所述的一种测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置，其特征在于：所述气泡发生器(2)内壁上设置有集泡斗(5)，集泡斗(5)上设置有与气泡发生器(2)一侧的管头连通的集泡口，集泡口与发生转子(3)的自转切向加速度方向正面相对。

3.如权利要求2所述的一种测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置，其特征在于：所述装置本体(1)外部还设置有加热装置(9)，加热装置(9)上设有伸入装置本体(1)内部的加热管路(10)；加热装置(9)还与设置在装置本体(1)外表面，用于测定装置本体(1)内部温度的电磁温度计(26)电连接。

4.如权利要求3所述的一种测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置，其特征在于：所述储液罐(13)到气泡发生器(2)的连接管路上依次设置有注液泵(12)、球阀、安全阀(16)；第二气源(17b)到第二电磁三通阀(11b)的连接管路上依次设置有注气泵(18)、球阀和止回阀(19)；第一气源(17a)到第一电磁三通阀(11a)的连接管路上依次设置有注气泵(18)、球阀和止回阀(19)。

5.如权利要求4所述的一种测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置，其特征在于：所述观察容器(8)上表面设置有电磁压力表(22)，电磁压力表(22)用于测定观察容器(8)内部气压。

6.如权利要求5所述的一种测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置，其特征在于：所述装置本体(1)外部上方设置有摄像头(23)，摄像头(23)的镜头视野穿过玻璃观察窗(21)完全覆盖观察管(6)中部的耐高温高压透明材料管。

7.如权利要求6所述的一种测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置，其特征在于：所述装置本体(1)外部还设置有中控系统(25)，中控系统(25)分别与电磁闸板阀(7)、加热装置(9)、第一电磁三通阀(11a)、第二电磁三通阀(11b)、注液泵(12)、旋转电机(14)、注气泵(18)、电磁压力表(22)、摄像头(23)、数码显微镜(24)和电磁液位计(803)电连接。

8.如权利要求1所述的一种测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置，其特征在于：所述观察容器(8)的侧面和底面均设有疏水材料涂层。

9.如权利要求1所述的一种测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置，其特征在于：所述气泡发生器(2)一侧的管头的海拔高度高于观察容器(8)一侧的管头的海拔高度。

10.如权利要求1-9中任一所述的一种测定高温高压泡沫液膜渗透能力的装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据实验要求确定观察管(6)中部耐高温高压透明材料管的管径，并将该管径观察管(6)两端的接头分别固定在气泡发生器(2)一侧的管头和观察容器(8)一侧的管头上，并确保气泡发生器(2)、观察管(6)和观察容器(8)之间的各种阀门保持开启；

S2：调节第一电磁三通阀(11a)和第二电磁三通阀(11b)的连接通路，确认由气泡发生器(2)、观察管(6)和观察容器(8)组成的密闭系统的密封性，确认完成后关闭装置盖体(20)，并将摄像头(23)和数码显微镜(24)分别启动调节至待机状态；

S3：将两组回压阀(27)的压力上限均设置为实验所需压力，并调节第一电磁三通阀(11a)和第二电磁三通阀(11b)的连接通路，使得发生转子(3)和观察容器(8)分别与各自管路上的回压阀(27)相连，之后将储液罐(13)中的实验用液体注满气泡发生器(2)、观察管(6)和观察容器(8)组成的密闭系统，注液完成后关闭注液管路上的球阀；

S4：启动加热装置(9)，将装置本体(1)内部的温度升至实验所需的温度；

S5：调节第二电磁三通阀(11b)的连接通路，使得观察容器(8)连通第二气源(17b)，之后通过第二气源(17b)以高于实验压力上限的气压向观察容器(8)中注入实验用气，将观察容器(8)中的实验用液由上自下开始排出，排出后的液面高度由电磁液位计(803)收集测量，直至液面高度降至实验要求；

S6：之后将第二气源(17b)的压力降至低于实验压力上限，调节第二电磁三通阀(11b)的连接通路，使得观察容器(8)连通其顶部带有实验压力上限回压阀(27)的排出管路；同时调节第一电磁三通阀(11a)的连接通路，将发生转子(3)与第一气源(17a)相连；

S7：使待机状态的摄像头(23)和数码显微镜(24)进入工作状态，分别开始收集观察管(6)和观察容器(8)中的图像数据；同时启动旋转电机(14)使得发生转子(3)沿实验所需的方向转动；

S8：使电磁闸板阀(7)保持开度与观察管(6)管径相近，之后通过第一气源(17a)以高于实验压力上限的气压向发生转子(3)注气并生成气泡，使得气泡经观察管(6)缓慢向观察容器(8)移动，经摄像头(23)观察到符合实验要求的气泡通过后，调节电磁闸板阀(7)的开度和第一气源(17a)的注气量，确保一次仅有一枚气泡进入观察容器(8)；

S9：气泡进入观察容器后(8)，关闭电磁闸板阀(7)和第一气源(17a)，使得气泡受自身浮力漂浮至观察容器(8)的上部液面，并持续一段时间的漂浮状态，漂浮全过程由数码显微镜(24)全程记录，并记录气泡与液膜的半径变化过程和关系；

S10：观察容器(8)允许放入多枚气泡进行连续多次重复实验；实验完成后，收集数据至中控系统(25)中便于后续处理和研究；可通过连接排出管路和降低回压阀(27)压力阈值放出实验用液体，关闭加热装置(9)和装置中的电动设备，待装置冷却后即可拆除，完成实验。

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