CN113945565A - 一种基于纳米颗粒稳定的泡沫性能测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米颗粒稳定的泡沫性能测试装置及其测试方法，其装置包括超声波分散仪、蠕动泵、第一管道、第二管道、第三管道、有机玻璃容器、第一高清摄像头、第二高清摄像头、第三高清摄像头、气瓶和计算机；本发明的性能测试装置包括超声波分散仪、蠕动泵和单向阀等部件的连接控制，装置结构简单，易于实现，为纳米颗粒稳定的泡沫体系等复杂分散体系提供了适合的途径。
Description
技术领域
本发明属于泡沫性能评价技术领域，具体涉及一种基于纳米颗粒稳定的泡沫性能测试装置及其测试方法。
背景技术
泡沫流体在石油开发中应用越来越广，而不同气源的泡沫体系都得到了广泛的发展，如CO2泡沫体系等因其独特性能成为研究热点，然而体系的稳定性一直制约着类似泡沫体系的应用。近年来，利用纳米颗粒稳定泡沫体系成为提高改善泡沫性能的重要手段，纳米颗粒的加入可以在液膜表面形成一层固相网络结构，提高泡沫体系整体稳定性。
纳米颗粒的分散好坏、不同类型的纳米颗粒和不同的浓度比例均会影响纳米颗粒稳定的泡沫体系的性能。现有的评价装置未考虑纳米体系的分散效果，分散好的纳米溶液存在时间及条件的差异，同一情况下常得到不同的起泡效果。对于泡沫性能的评价手段，主要包括搅拌或鼓泡法的体相评价和地层渗流评价，对应的评价指标包括起泡体积、半衰期和阻力因子等。但由于纳米颗粒的加入，泡沫的微观结构和整体性能发生较大变化，常规的评价指标无法反应泡沫的微观结构变化及其引起的整体性能变化，纳米颗粒的作用不能得到直观有效的分析。
为了更好的评价纳米颗粒稳定的泡沫体系，急需一种针对纳米颗粒稳定的泡沫体系的性能评价装置及合理的评价方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决对纳米颗粒稳定的泡沫体系动态结构变化评价的问题，提出了一种基于纳米颗粒稳定的泡沫性能测试装置及其测试方法。
本发明的技术方案是：一种基于纳米颗粒稳定的泡沫性能测试装置包括超声波分散仪、蠕动泵、第一管道、第二管道、第三管道、有机玻璃容器、第一高清摄像头、第二高清摄像头、第三高清摄像头、气瓶和计算机；
蠕动泵的第一输出口通过第一管道和超声波分散仪连接；蠕动泵的第二输出口通过第二管道和有机玻璃容器连接；气瓶的出气口通过第三管道和有机玻璃容器的底部连接；第一高清摄像头、第二高清摄像头和第三高清摄像头均间隔均匀地设置于有机玻璃容器的一侧，且第一高清摄像头、第二高清摄像头和第三高清摄像头均与计算机通信连接。
进一步地，超声波分散仪用于盛放包含设定比例纳米颗粒的表面活性剂溶液；
蠕动泵用于抽取和注射由表面活性剂溶液分散得到的泡沫溶液；
有机玻璃容器用于观察进入容器内的泡沫的起泡情况；
第一高清摄像头、第二高清摄像头和第三高清摄像头均用于实时捕获泡沫结构图像，并将泡沫结构图像显示和存贮在计算机中。
进一步地，第一管道上设置有第一单向阀；第二管道上设置有第二单向阀；第三管道上靠近有机玻璃容器的一端设置有第一针阀；第三管道上靠近气瓶的一端设置有第二针阀；第一针阀和第二针阀之间设置有气体流量计；
第一单向阀用于控制泡沫溶液进入蠕动泵，且不回流到超声波分散仪；第二单向阀用于控制泡沫溶液进入有机玻璃容器，且不回流到蠕动泵。
进一步地，有机玻璃容器内间隔均匀地设置有第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜；第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜分别与第一高清摄像头、第二高清摄像头和第三高清摄像头处于同一水平面；
第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜均用于将有机玻璃容器的曲面窗口转换为平面窗口。这一功能可以便于图像处理和分形维数的计算。因为这两步需要在二维平面的基础上处理。
本发明的有益效果是：本发明的性能测试装置包括超声波分散仪、蠕动泵和单向阀等部件的连接控制，装置结构简单，易于实现，为纳米颗粒稳定的泡沫体系等复杂分散体系提供了适合的途径。
基于以上系统，本发明还提出一种基于纳米颗粒稳定的泡沫性能测试方法，包括以下步骤：
S1：配置包含设定比例纳米颗粒的表面活性剂溶液，并将其加入至超声波分散仪中，在预设时间内进行分散；
S2：利用蠕动泵将分散得到的泡沫溶液抽入注射器中，并通过注射器将泡沫溶液注入至有机玻璃容器中；
S3：打开第一针阀和第二针阀，通过气体流量计控制气瓶内的气体注入到有机玻璃容器中，并利用鼓泡法处理泡沫溶液，产生泡沫；
S4：利用第一高清摄像头、第二高清摄像头和第三高清摄像头分别采集不同位置的泡沫结构图像；
S5：对不同位置的泡沫结构图像进行二值化处理，并利用计盒维数法对二值化处理后的泡沫结构图像进行分形维数计算，得到泡沫结构的分形维数，完成泡沫性能测试。
本发明的有益效果是：
(1)本发明涉及纳米颗粒稳定的泡沫体系性能的分形评价方法，主要包括图像采集、图像处理手段及分形计算方法。基于分形理论直接分析泡沫结构的变化，构建了纳米颗粒泡沫微观结构与宏观性能的桥梁，提高了评价结果的准确性，弥补了常规评价方法的不足。
(2)本发明的评价方法实现了纳米颗粒稳定的泡沫体系性能和动态结构的实时准确测量，针对性强。
附图说明
图1为泡沫性能测试装置的结构图；
图2为泡沫性能测试方法的流程图；
图3为30s图像的分形维数示意图；
图中，1、超声波分散仪；2、蠕动泵；3-1、第一管道；3-2、第二管道；3-3、第三管道；4、有机玻璃容器；5-1、第一高清摄像头；5-2、第二高清摄像头；5-3、第三高清摄像头；6、气瓶；7、计算机；8-1、第一单向阀；8-2、第二单向阀；8-3、第三单向阀；9-1、第一针阀；9-2、第二针阀；10、气体流量计；11-1、第一棱镜；11-2、第二棱镜；11-3、第三棱镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：
计盒维数法：是一种测量距离空间(X,d)(特别是豪斯多夫空间)比如欧氏空间R中分形维数的计算方法。
如图1所示，本发明提供了一种基于纳米颗粒稳定的泡沫性能测试装置，包括超声波分散仪1、蠕动泵2、第一管道3-1、第二管道3-2、第三管道3-3、有机玻璃容器4、第一高清摄像头5-1、第二高清摄像头5-2、第三高清摄像头5-3、气瓶6和计算机7；
蠕动泵2的第一输出口通过第一管道3-1和超声波分散仪1连接；蠕动泵2的第二输出口通过第二管道3-2和有机玻璃容器4连接；气瓶6的出气口通过第三管道3-3和有机玻璃容器4的底部连接；第一高清摄像头5-1、第二高清摄像头5-2和第三高清摄像头5-3均间隔均匀地设置于有机玻璃容器4的一侧，且第一高清摄像头5-1、第二高清摄像头5-2和第三高清摄像头5-3均与计算机7通信连接。
在本发明实施例中，超声波分散仪1用于盛放包含设定比例纳米颗粒的表面活性剂溶液；
蠕动泵2用于抽取和注射由表面活性剂溶液分散得到的泡沫溶液；
有机玻璃容器4用于观察进入容器内的泡沫的起泡情况；
第一高清摄像头5-1、第二高清摄像头5-2和第三高清摄像头5-3均用于实时捕获泡沫结构图像，并将泡沫结构图像显示和存贮在计算机7中。
在本发明实施例中，如图1所示，第一管道3-1上设置有第一单向阀8-1；第二管道3-2上设置有第二单向阀8-2；第三管道3-3上靠近有机玻璃容器4的一端设置有第一针阀9-1；第三管道3-3上靠近气瓶6的一端设置有第二针阀9-2；第一针阀9-1和第二针阀9-2之间设置有气体流量计10；
第一单向阀8-1用于控制泡沫溶液进入蠕动泵2，且不回流到超声波分散仪1；第二单向阀8-2用于控制泡沫溶液进入有机玻璃容器4，且不回流到蠕动泵2。
在本发明实施例中，如图1所示，有机玻璃容器4内间隔均匀地设置有第一棱镜11-1、第二棱镜11-2和第三棱镜11-3；第一棱镜11-1、第二棱镜11-2和第三棱镜11-3分别与第一高清摄像头5-1、第二高清摄像头5-2和第三高清摄像头5-3处于同一水平面；
第一棱镜11-1、第二棱镜11-2和第三棱镜11-3均用于将有机玻璃容器4的曲面窗口转换为平面窗口。
基于以上系统，本发明还提出一种基于纳米颗粒稳定的泡沫性能测试方法，包括以下步骤：
S1：配置包含设定比例纳米颗粒的表面活性剂溶液，并将其加入至超声波分散仪中，在预设时间内进行分散；泡沫溶液的成分为0.25wt％APG(烷基糖苷)+1.5wt％SiO2；分散时间为10min；实际实验中，分散10min以上效果最佳，否则溶液中纳米颗粒还存在团聚现象；
S2：利用蠕动泵将分散得到的泡沫溶液抽入注射器中，并通过注射器将泡沫溶液注入至有机玻璃容器中；
S3：打开第一针阀和第二针阀，通过气体流量计控制气瓶内的气体以0.5mL/min的速度注入到有机玻璃容器中，并利用鼓泡法处理泡沫溶液，产生泡沫；
S4：利用第一高清摄像头、第二高清摄像头和第三高清摄像头分别采集不同位置的泡沫结构图像；
S5：对不同位置的泡沫结构图像进行二值化处理，并利用计盒维数法对二值化处理后的泡沫结构图像进行分形维数计算，得到泡沫结构的分形维数，完成泡沫性能测试。分形维数越大，代表泡沫结构越分散，性能越差，分形维数越小，代表泡沫越均匀，性能越好。
在具体操作中，如将采集的30s图像进行图像处理并计算分形维数，如图3所示。由图3可知，有机玻璃筒下部分形维数较小，越往上受泡沫排液影响，形态越差，分形维数逐渐变大。
本发明的工作原理及过程为：将泡沫溶液加入至超声波分散仪中，进行分散；利用蠕动泵将分散的泡沫溶液抽入注射器中，并通过注射器将泡沫溶液注入至有机玻璃容器中；打开第一针阀和第二针阀，通过气体流量计控制气瓶内的气体以0.5mL/min的速度注入到有机玻璃容器中，并利用鼓泡法处理泡沫溶液，产生泡沫；利用第一高清摄像头、第二高清摄像头和第三高清摄像头分别采集不同位置的泡沫结构图像；对不同位置的泡沫结构图像进行二值化处理，并利用计盒维数法对二值化处理后的泡沫结构图像进行分形维数计算，得到泡沫结构的分形维数，完成泡沫性能测试。分形维数越大，代表泡沫结构越分散，性能越差，分形维数越小，代表泡沫越均匀，性能越好。
本发明可以在不换设备的情况下完整完成纳米颗粒泡沫稳定性的测试。且评价采用的分形方法，相较于传统基于起泡体积和半衰期的观察计时方法，对泡沫结构的量化性能更好。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的性能测试装置包括超声波分散仪、蠕动泵和单向阀等部件的连接控制，装置结构简单，易于实现，为纳米颗粒稳定的泡沫体系等复杂分散体系提供了适合的途径。
(2)本发明涉及纳米颗粒稳定的泡沫体系性能的分形评价方法，主要包括图像采集、图像处理手段及分形计算方法。基于分形理论直接分析泡沫结构的变化，构建了纳米颗粒泡沫微观结构与宏观性能的桥梁，提高了评价结果的准确性，弥补了常规评价方法的不足。
(3)本发明的评价方法实现了纳米颗粒稳定的泡沫体系性能和动态结构的实时准确测量，针对性强。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于纳米颗粒稳定的泡沫性能测试装置，其特征在于，包括超声波分散仪(1)、蠕动泵(2)、第一管道(3-1)、第二管道(3-2)、第三管道(3-3)、有机玻璃容器(4)、第一高清摄像头(5-1)、第二高清摄像头(5-2)、第三高清摄像头(5-3)、气瓶(6)和计算机(7)；
所述蠕动泵(2)的第一输出口通过第一管道(3-1)和超声波分散仪(1)连接；所述蠕动泵(2)的第二输出口通过第二管道(3-2)和有机玻璃容器(4)连接；所述气瓶(6)的出气口通过第三管道(3-3)和有机玻璃容器(4)的底部连接；所述第一高清摄像头(5-1)、第二高清摄像头(5-2)和第三高清摄像头(5-3)均间隔均匀地设置于有机玻璃容器(4)的一侧，且第一高清摄像头(5-1)、第二高清摄像头(5-2)和第三高清摄像头(5-3)均与计算机(7)通信连接。
2.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒稳定的泡沫性能测试装置，其特征在于，所述超声波分散仪(1)用于盛放包含设定比例纳米颗粒的表面活性剂溶液；
所述蠕动泵(2)用于抽取和注射由表面活性剂溶液分散得到的泡沫溶液；
所述有机玻璃容器(4)用于观察进入容器内的泡沫的起泡情况；
所述第一高清摄像头(5-1)、第二高清摄像头(5-2)和第三高清摄像头(5-3)均用于实时捕获泡沫结构图像，并将泡沫结构图像显示和存贮在计算机(7)中。
3.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒稳定的泡沫性能测试装置，其特征在于，所述第一管道(3-1)上设置有第一单向阀(8-1)；所述第二管道(3-2)上设置有第二单向阀(8-2)；所述第三管道(3-3)上靠近有机玻璃容器(4)的一端设置有第一针阀(9-1)；所述第三管道(3-3)上靠近气瓶(6)的一端设置有第二针阀(9-2)；所述第一针阀(9-1)和第二针阀(9-2)之间设置有气体流量计(10)；
所述第一单向阀(8-1)用于控制泡沫溶液进入蠕动泵(2)，且不回流到超声波分散仪(1)；所述第二单向阀(8-2)用于控制泡沫溶液进入有机玻璃容器(4)，且不回流到蠕动泵(2)。
4.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒稳定的泡沫性能测试装置，其特征在于，所述有机玻璃容器(4)内间隔均匀地设置有第一棱镜(11-1)、第二棱镜(11-2)和第三棱镜(11-3)；所述第一棱镜(11-1)、第二棱镜(11-2)和第三棱镜(11-3)分别与第一高清摄像头(5-1)、第二高清摄像头(5-2)和第三高清摄像头(5-3)处于同一水平面；
所述第一棱镜(11-1)、第二棱镜(11-2)和第三棱镜(11-3)均用于将有机玻璃容器(4)的曲面窗口转换为平面窗口。
5.一种基于纳米颗粒稳定的泡沫性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：配置包含设定比例纳米颗粒的表面活性剂溶液，并将其加入至超声波分散仪中，在预设时间内进行分散；
S2：利用蠕动泵将分散得到的泡沫溶液抽入注射器中，并通过注射器将泡沫溶液注入至有机玻璃容器中；
S3：打开第一针阀和第二针阀，通过气体流量计控制气瓶内的气体注入到有机玻璃容器中，并利用鼓泡法处理泡沫溶液，产生泡沫；
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