CN112858108A - 温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置及方法，实验装置包括围压室、柔性样品管、上扩散管、下扩散管、上扩散气室、下扩散气室、围压组件、真空组件、上游气源组件和下游气源组件。柔性样品管位于围压室内，且柔性样品管上设置有上端口和下端口，上扩散管的一端安装在上端口处，上扩散管的另一端位于上扩散气室内；下扩散管的一端安装在下端口处，下扩散管的另一端位于下扩散气室内，下扩散管固定安装在下扩散气室上。围压室的外侧壁上设置有围压口，围压口与围压组件连通，通过围压组件对柔性样品管内的岩石岩石样品施加三向相等的围压，实现地层静水压力的模拟。

Description

温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石物理流体运移性能测试领域，尤其涉及温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置及方法。

背景技术

气体在岩石多孔介质的对流及扩散实验是研究岩石中气体传输行为的重要表征手段。另外，由于气体的扩散速率比液体大3-4个数量级，对低渗介质而言，液体的扩散试验将需要几天甚至几十个月，而气体扩散、对流试验可以较快的获得多孔介质的迂曲度以衡量液体的扩散速率。对流和扩散都能造成化合物的传输，与对流现象存在压力差的情况不同，扩散运移是气体分子在浓度不均的环境下具有从高浓度区域向低浓度区域转移直至分布均匀的现象。分子传质规律的研究基于假设1)气体分子具有宏观结构性特征及2)传质伴随热力学行为，因此，当利用不同气体介质的作为传输的分子探针进行扩散或对流实验时，不同的气体分子带来不同动力学效应差异及热动力学差异，使气体分子在不同岩石中传质时会伴随不同的物理及化学行为，通过对传质过程熵变的统计学输出，可以为致密低渗地质多孔介质的流体可运移性行为研究(包括地下水污染场地修复、高放核废物地下处置、二氧化碳埋存、非常规油气资源开发等环境-地质-能源研究领域)提供新的思路和方法。但对流及扩散装置中需要严格控制温度变量，以研究气体分子在多孔介质中浓度的单变量演变；此外，以往的扩散及对流装置无法实现压力条件的模拟以及多尺寸岩石样品的适配。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置及方法，旨在解决现有技术中对流实现装置不能够实现地质压力的模拟以及不能与不同高度的岩石样品适配的问题。

(二)技术方案

为了解决上述问题，本发明提供了温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置，所述岩石气体扩散实验装置包括围压室、柔性样品管、上扩散管、下扩散管、上扩散气室、下扩散气室、围压组件、真空组件、上游气源组件和下游气源组件；

所述柔性样品管位于所述围压室内，且所述柔性样品管上设置有上端口和下端口，所述上扩散管的一端安装在所述上端口处，所述上扩散管的另一端位于所述上扩散气室内，且所述上扩散管与所述上扩散气室的连接处设置有密封件；所述下扩散管的一端安装在所述下端口处，所述下扩散管的另一端位于所述下扩散气室内，所述下扩散管固定安装在所述下扩散气室上；所述柔性样品管用于容纳岩石样品，所述上扩散管和所述下扩散管的位于所述柔性样品管内的一端均设置有烧结板，所述岩石样品能够放置于两块所述烧结板之间；所述围压室为空心管状结构，且所述围压室的一端与所述下扩散管密封连接，所述围压室的另一端与所述上扩散气室密封连接；

所述围压室的侧壁上设置有与内部腔体相连通的围压口，所述围压口与所述围压组件连通；所述上扩散气室的室壁上设置有与内部腔体相连通的上气源口，所述真空组件和所述上游气源组件均与所述上气源口连通；所述下扩散气室的室壁上设置有与内部腔体相连通的下气源口，所述下气源口与所述下游气源组件连通。

优选地，所述围压组件包括围压气源、围压减压阀、围压压力表和围压截止阀；

所述围压气源的出口通过管道依次与所述围压减压阀、所述围压压力表、所述围压截止阀以及所述围压口相连。

优选地，所述真空组件包括真空泵和真空容器，所述真空泵通过管道与所述真空容器相连，所述真空容器通过管道与所述上气源口相连，所述真空泵和所述真空容器之间的管道上设置有真空截止阀，所述真空容器和所述上气源口之间的管道上设置有真空针阀。

优选地，所述上游气源组件包括上游气源、上游调压阀和上游针阀；

所述上游气源的出口通过管道依次与所述上游调压阀、所述上游针阀以及所述上气源口相连，所述上游调压阀和所述上游针阀之间的管道上还设置有上游压力传感器。

优选地，所述下游气源组件包括下游气源、下游调压阀和下游针阀；

所述下游气源的出口通过管道依次与所述下游调压阀、所述下游针阀以及所述下气源口相连，所述下游调压阀和所述下游针阀之间的管道下还设置有下游压力传感器。

优选地，所述上扩散管的位于所述上扩散气室内的一端的端口处设置有上气动阀门，所述下扩散管的位于所述下扩散气室内的一端的端口处设置有下气动阀门。

优选地，所述下扩散气室的侧壁上还设置有至少一个气体浓度检测口，所述气体浓度检测口处密封安装有气体浓度传感器。

优选地，所述上扩散气室和所述下扩散气室的室壁均为透明壁。

优选地，本发明还提供了温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验方法，其特征在于，所述方法基于上述温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置实施，所述方法的步骤如下：

S1：准备所述岩石样品；

将所述岩石样品的形状加工为柱状，并将岩石样品在烘箱内烘干一定时间小时；

S2：安装所述岩石样品；

将所述岩石样品安装至所述柔性样品管内，并使得所述烧结板与所述试样样品充分接触；

S3：施加围压；

打开所述围压气源，调节所述围压减压阀使得所述围压压力表显示的压力至预先设定的第一实验压力后，打开所述围压截止阀；

S4：抽真空；

关闭所述上游针阀、所述下游针阀，打开所述真空针阀、真空截止阀、上气动阀门和下气动阀门，打开真空泵，抽真空一定时间后，关闭上气动阀门和下气动阀门；

S5：进行扩散实验或者对流实验；

所述扩散实验具体为：

调节所述上游调压阀使得上游压力传感器显示的压力为预先设定的第二实验压力，打开所述上游针阀，当所述上扩散气室内的压力为第二实验压力后关闭上游针阀；然后再打开所述上气动阀门和所述下气动阀门；

所述对流实验具体为：

调节所述上游调压阀使得所述上游压力传感器显示的压力为预先设定的第三实验压力，调节所述下游调压阀使得所述下游压力传感器显示的压力为预先设定的第三实验压力后，打开所述上游针阀和所述下游针阀，当所述上扩散气室内的压力和下扩散气室的压力均为第三实验压力后，打开所述上气动阀门和所述下气动阀门；

S6：记录并分析；

通过气体浓度传感器记录下扩散气室内气体浓度的变化情况。

(三)有益效果

本发明通过围压组件对柔性样品管内的岩石样品实现围压，实现地层静水压力的模拟，同时由于岩石样品安装在柔性样品管内，所以岩石样品的高度只要小于柔性样品管的长度即可，岩石样品的高度能够在柔性样品管的长度内变化，使得本发明提供的实验装置能够适应不同高度的柱状样品及颗粒样品。

附图说明

图1为本发明温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置的整体结构示意图；

图2为本发明中围压室、柔性样品管、上扩散管、下扩散管、上扩散气室以及下扩散气室的安装示意图；

图3为图2在A处的放大图。

【附图标记说明】

11：围压室；111：围压口；112：气体浓度传感器；12：柔性样品管；121：上端口；122：下端口；13：上扩散管；131：上气动阀门；14：下扩散管；141：下气动阀门；15：上扩散气室；151：上气源口；16：下扩散气室；161：下气源口；17：烧结板；18：岩石样品；

21：围压气源；22：围压减压阀；23：围压压力表；24：围压截止阀；

31：真空泵；32：真空容器；33：真空截止阀；34：真空针阀；35：真空表；36：放空阀；

41：上游气源；42：上游调压阀；43：上游针阀；44：上游压力传感器；

51：下游气源；52：下游调压阀；53：下游针阀；54：下游压力传感器。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图3所示，本发明提供了温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置，包括围压室11、柔性样品管12、上扩散管13、下扩散管14、上扩散气室15、下扩散气室16、围压组件、真空组件、上游气源组件和下游气源组件。

柔性样品管12位于围压室11内，且柔性样品管12上设置有上端口121和下端口122，上扩散管13的一端安装在上端口121处，具体地，上扩散管13的一端从上端口121处嵌入在柔性样品管12内，且上扩散管13和柔性样品管12的接触处设置有密封件，上扩散管13的另一端位于上扩散气室15内，且上扩散管13与上扩散气室15的连接处设置有密封件。下扩散管14的一端安装在下端口122处，具体为下扩散管14的一端通过下端口122嵌入在柔性样品管12内，下扩散管14与柔性样品管12的接触处设置有密封件，下扩散管14的另一端位于下扩散气室16内，下扩散管14固定安装在下扩散气室16上。柔性样品管12用于容纳岩石样品18，上扩散管13和下扩散管14的位于柔性样品管12内的一端均设置有烧结板17，岩石样品18能够放置于两块烧结板17之间，在优选的实施例中，柔性样品管12选用四氟橡胶材质，在耐压的同时为岩石样品18提供柔性包裹，烧结板17选用具有200#筛孔的金属网状结构，以实现气体的无阻碍流动，还能够实现大于75μm粒径尺寸颗粒样品的夹持，上扩散管13、下扩散管14和围压室11均采用316L不锈钢材质，以实现围压的高压力加载；围压室11为空心管状结构，且围压室11的一端与下扩散管14密封连接，具体可以通过螺纹连接，且接触位置可以设置密封件，围压室11的另一端与上扩散气室15密封连接，在优选的实施方案中，上扩散管13和下扩散管14的结构不同，上扩散气室15的一端设置有供上扩散管13穿过的安装孔，上扩散管13的一端通过穿过安装孔伸入到上扩散气室15内，且安装孔内设置有密封件，而下扩散管14呈阶梯状，下扩散管14通过紧固件固定安装在下扩散气室16上，且下扩散管14和下扩散气室16的接触处设置有密封件。

围压室11的侧壁上设置有与内部腔体相连通的围压口111，围压口111与围压组件连通，围压组件能够对围压室11内的岩石样品18施加围压，实现深层地质压力的模拟，上扩散气室15的室壁上设置有与内部腔体相连通的上气源口151，真空组件和上游气源组件均与上气源口151连通，下扩散气室16的室壁上设置有与内部腔体相连通的下气源口161，下气源口161与下游气源组件连通。上游气源组件和下游气源组件能够分别对上扩散气室15和下扩散气室16内释放一定压力的特殊气体，真空组件用于对上扩散气室15、上扩散管13、柔性样品管12、下扩散管14和下扩散气室16抽真空，实现空气排空，保证气体对流或扩散单一气体的均匀扩散、对流传输。综上本发明能够通过围压组件能够模拟地层静水压力，对样品施加三向相等的围压应力，同时由于岩石样品18安装在柔性样品管12内，所以岩石样品18的高度只要小于柔性样品管12的长度内变化，使得本发明提供的实验装置能够适应不同高度的柱状样品及颗粒样品。进一步地，上扩散气室15、上扩散管13、围压室11、柔性样品管12、下扩散管14以及下扩散气室15均可以设置在恒温箱，通过恒温箱调节岩石样品18的温度，实现在一定温度下对岩石样品18进行围压加载。

在一种实施方案中，下扩散气室16的侧壁上还设置有至少一个气体浓度检测口，气体浓度检测口处均密封安装有气体浓度传感器112。在更加优选的实施方案中，气体浓度传感器112包括第一传感器和第二传感器，其中第一传感器和第二传感器关于下扩散气室16的中心轴线对称，本实施例中，第一传感器可同时捕捉二氧化碳气体和甲烷气体浓度，第二传感器可以捕捉氧气浓度，且第一传感器和第二传感器均通过数据采集板电脑进行通信连接，实现电脑对第一传感器和第二传感器进行实时数据的采集。

在另外一种实施方案中，上扩散气室15和下扩散气室16的室壁均为透明材质。便于对气体对流或扩散过程的动态观察。

进一步地，围压组件包括围压气源21、围压减压阀22、围压压力表23和围压截止阀24。围压气源21的出口通过管道依次与围压减压阀22、围压压力表23、围压截止阀24以及围压口111相连。通过调节围压减压阀22即可调整对围压室11内的围压压力的大小，调节方式简单。

更进一步地，真空组件包括真空泵31和真空容器32，真空泵31通过管道与真空容器32相连，真空容器32通过管道与上气源口151相连，真空泵31和真空容器32之间的管道上设置有真空截止阀33，真空容器32和上气源口151之间的管道上设置有真空针阀34，真空容器32上设置有用于检测真空容器32的真空度的真空表35，真空容器32的底部还设置有放空阀36。

此外，上游气源组件包括上游气源41、上游调压阀42和上游针阀43。上游气源41的出口通过管道依次与上游调压阀42、上游针阀43以及上气源口151相连，上游调压阀42和上游针阀43之间的管道上还设置有上游压力传感器44。下游气源组件包括下游气源51、下游调压阀52和下游针阀53。下游气源51的出口通过管道依次与下游调压阀52、下游针阀53以及下气源口161相连，下游调压阀52和下游针阀53之间的管道下还设置有下游压力传感器54。在具体的实施例中，上游压力传感器44和下游压力传感器54选用量程为30MPa，精度为0.1％；上游调压阀42和下游调压阀52选用世伟洛克高精度调压阀。

最后，上扩散管13的位于上扩散气室15内的一端的端口处设置有上气动阀门131，下扩散管14的位于下扩散气室16内的一端的端口处设置有下气动阀门141。

本发明还提供了一种温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验方法，方法基于上述的温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置实施，方法的步骤如下：

S1：准备岩石样品18；

将岩石样品18的形状加工为柱状，并将岩石样品18在烘箱内烘干48小时。

在本实验中，岩石样品18为的高度为0.5cm到10cm之间；对于颗粒样品，最小允许尺寸为40μm，若岩石样品18为非黏土岩则在105℃的烘箱内烘干48小时；若岩石样品18为黏土岩则在60℃的烘箱内烘干一定时间。

S2：安装岩石样品18；

将岩石样品18安装至柔性样品管12内，并使得烧结板17与试样样品充分接触。

S3：施加围压；

打开围压气源21，调节围压减压阀22使得围压压力表23显示的压力至预先设定的第一实验压力后，打开围压截止阀24。

在本实验中，围压气源21内装有氮气，且第一实验压力为2MPa。其中真实的地层模拟压力为：σ＝ρgh；

其中，ρ为岩石密度，g是重力加速度，h为地层深度。

S4：抽真空；

关闭上游针阀43、下游针阀53以及放空阀36，打开真空针阀34、真空截止阀33、上气动阀门131和下气动阀门141后，打开真空泵31，抽真空一定时间，具体为4小时，抽真空完毕后关闭上气动阀门131和下气动阀门141。

S5：进行扩散实验或者对流实验；

扩散实验具体为：

调节上游调压阀42使得上游压力传感器44显示的压力为预先设定的第二实验压力，打开上游针阀43，当上扩散气室15内的压力为第二实验压力后关闭上游针阀43；然后再打开上气动阀门131和下气动阀门141，上游气源41内的气体通过岩石样品完成释放；完成扩散实验。本实施例中上游气源41所释放的为氦气气体，以测量该岩石样品的扩散传输系数，第二实验压力为1.2MPa。

对流实验具体为；

调节上游调压阀42使得上游压力传感器44显示的压力为预先设定的第三实验压力，调节下游调压阀52使得下游压力传感器54显示的压力为预先设定的第三实验压力后，打开上游针阀43和下游针阀53，当所述上扩散气室内的压力和下扩散气室的压力均为第三实验压力后，再打开上气动阀门131和下气动阀门141，开始进行对流实验测定。本实施例中所释放的为对等压力下的二氧化碳气体，以测量该吸附性气体在泥页岩中的吸附扩散行为，第三实验压力为0.2MPa。

S6：记录并分析；

通过气体浓度传感器112记录下扩散气室16内气体浓度的变化情况，分别分析对流状态及扩散状态中样品的气体传输性能。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置，其特征在于，所述岩石气体扩散实验装置包括围压室、柔性样品管、上扩散管、下扩散管、上扩散气室、下扩散气室、围压组件、真空组件、上游气源组件和下游气源组件；

所述柔性样品管位于所述围压室内，且所述柔性样品管上设置有上端口和下端口，所述上扩散管的一端安装在所述上端口处，所述上扩散管的另一端位于所述上扩散气室内，且所述上扩散管与所述上扩散气室的连接处设置有密封件；所述下扩散管的一端安装在所述下端口处，所述下扩散管的另一端位于所述下扩散气室内，所述下扩散管固定安装在所述下扩散气室上；所述柔性样品管用于容纳岩石样品，所述上扩散管和所述下扩散管的位于所述柔性样品管内的一端均设置有烧结板，所述岩石样品能够放置于两块所述烧结板之间；所述围压室为空心管状结构，且所述围压室的一端与所述下扩散管密封连接，所述围压室的另一端与所述上扩散气室密封连接；

所述围压室的侧壁上设置有与内部腔体相连通的围压口，所述围压口与所述围压组件连通；所述上扩散气室的室壁上设置有与内部腔体相连通的上气源口，所述真空组件和所述上游气源组件均与所述上气源口连通；所述下扩散气室的室壁上设置有与内部腔体相连通的下气源口，所述下气源口与所述下游气源组件连通。

2.如权利要求1所述温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置，其特征在于，所述围压组件包括围压气源、围压减压阀、围压压力表和围压截止阀；

所述围压气源的出口通过管道依次与所述围压减压阀、所述围压压力表、所述围压截止阀以及所述围压口相连。

3.如权利要求1所述温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置，其特征在于，所述真空组件包括真空泵和真空容器，所述真空泵通过管道与所述真空容器相连，所述真空容器通过管道与所述上气源口相连，所述真空泵和所述真空容器之间的管道上设置有真空截止阀，所述真空容器和所述上气源口之间的管道上设置有真空针阀。

4.如权利要求1所述温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置，其特征在于，所述上游气源组件包括上游气源、上游调压阀和上游针阀；

所述上游气源的出口通过管道依次与所述上游调压阀、所述上游针阀以及所述上气源口相连，所述上游调压阀和所述上游针阀之间的管道上还设置有上游压力传感器。

5.如权利要求1所述温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置，其特征在于，所述下游气源组件包括下游气源、下游调压阀和下游针阀；

所述下游气源的出口通过管道依次与所述下游调压阀、所述下游针阀以及所述下气源口相连，所述下游调压阀和所述下游针阀之间的管道下还设置有下游压力传感器。

6.如权利要求1-5中任意一项所述温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置，其特征在于，所述上扩散管的位于所述上扩散气室内的一端的端口处设置有上气动阀门，所述下扩散管的位于所述下扩散气室内的一端的端口处设置有下气动阀门。

7.如权利要求1-5中任意一项所述温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置，其特征在于，所述下扩散气室的侧壁上还设置有至少一个气体浓度检测口，所述气体浓度检测口处密封安装有气体浓度传感器。

8.如权利要求1-5中任意一项所述温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置，其特征在于，所述上扩散气室和所述下扩散气室的室壁均为透明壁。

9.温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验方法，其特征在于，所述方法基于如权利1-8中任意一项所述温压条件下可变样品腔的对流及扩散实验装置实施，所述方法的步骤如下：

S1：准备所述岩石样品；

将所述岩石样品的形状加工为柱状，并将岩石样品在烘箱内烘干一定时间小时；

S2：安装所述岩石样品；

将所述岩石样品安装至所述柔性样品管内，并使得所述烧结板与所述试样样品充分接触；

S3：施加围压；

打开所述围压气源，调节所述围压减压阀使得所述围压压力表显示的压力至预先设定的第一实验压力后，打开所述围压截止阀；

S4：抽真空；

关闭所述上游针阀、所述下游针阀，打开所述真空针阀、真空截止阀、所述上气动阀门和所述下气动阀门，打开真空泵，抽真空一定时间后，关闭所述上气动阀门和所述下气动阀门；

S5：进行扩散实验或者对流实验；

所述扩散实验具体为：

调节所述上游调压阀使得上游压力传感器显示的压力为预先设定的第二实验压力，打开所述上游针阀，当所述上扩散气室内的压力为第二实验压力后关闭上游针阀；然后再打开所述上气动阀门和所述下气动阀门；

所述对流实验具体为：

调节所述上游调压阀使得所述上游压力传感器显示的压力为预先设定的第三实验压力，调节所述下游调压阀使得所述下游压力传感器显示的压力为预先设定的第三实验压力后，打开所述上游针阀和所述下游针阀，当所述上扩散气室内的压力和下扩散气室的压力均为第三实验压力后，打开所述上气动阀门和所述下气动阀门；

S6：记录并分析；

通过气体浓度传感器记录下扩散气室内气体浓度的变化情况。

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