CN113960036B - 一种基于Hele-Shaw盒的三相泡沫衰变观测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于Hele‑Shaw盒的三相泡沫衰变观测系统及方法，涉及三相泡沫衰变观测设备及方法领域。可避免颗粒在起泡过程中对泡沫性质产生影响，实现对悬浮液内颗粒性质的控制和定量加液，便于精确控制三相泡沫性质，从而便于在初始泡沫性质相同的条件下对比三相泡沫的衰变过程。所述三相泡沫衰变观测系统包括泡沫发生系统、悬浮液加液系统以及具有Hele‑Shaw盒观测室的Hele‑Shaw盒观测系统；所述泡沫发生系统包括气瓶、质量流量计和泡沫发生装置；所述悬浮液加液系统包括磁力搅拌装置、悬浮液抽出管、悬浮液注入管、粗口注射器和注射泵。此装置能够分析颗粒对泡沫衰变的影响，探究颗粒在复杂三相泡沫中的作用机制，填补了目前研究领域的空白。
Description
技术领域
本发明涉及三相泡沫衰变观测设备及方法领域。
背景技术
在采油过程中，通常在油气储层注入泡沫来提高原油采收率，近些年，有学者通过加入纳米颗粒增强泡沫稳定性，而Hele-Shaw盒通常用于观测、分析和对比加入不同表面活性剂的两相泡沫或加入纳米颗粒的三相泡沫在泡沫衰变过程的泡沫稳定性（参考文献如S.M.H. Razavi, M.M. Shahmardan, M. Nazari, M. Norouzi.Experimental study ofthe effects of surfactant material and hydrocarbonagent on foam stabilitywith the approach of enhanced oil recovery. Colloids and Surfaces A, 2020,585, 124047、Nurudeen Yekeen, Ahmad Kamal Idris, Muhammad A. Manan, AliMohamed Samin,Abdul Rahim Risal, Tan Xin Kun.Bulk and bubble-scaleexperimental studies of influence of nanoparticleson foam stability. ChineseJournal of Chemical Engineering,2017, 25, 347-357等）。而在泡沫浮选领域，通过浮选泡沫性质预测浮选效果对实现选煤和选矿过程自动化具有重要意义，但是三相泡沫中含有不同特性的颗粒，颗粒与泡沫性质之间的关系十分复杂，因此，研究颗粒对泡沫性质的影响十分重要。所以，基于上述背景，借用Hele-Shaw盒的试验方法研究不同特性颗粒对泡沫的影响具有一定的可行性和必要性。但是，现有的试验装置和方法却不足以满足当前的需求。
在提高原油采收率的研究过程中，纳米颗粒与起泡溶液混在一起生成泡沫，研究专注于分析对比哪种条件下产生的泡沫最稳定；而在研究浮选泡沫的过程中，侧重于研究不同特性颗粒与不同泡沫性质的相关关系，为的是对比含有不同颗粒的三相泡沫的衰变过程，因此要尽量保证初始泡沫性质一致以便于对比。
以煤泥浮选为例，颗粒粒度、疏水性、浓度均会在生成泡沫的过程中对泡沫性质造成影响（谭佳琨, 梁龙, 彭耀丽, 谢广元. 煤泥浮选过程中粒度对泡沫性质的影响. 中国矿业大学学报, 2019, 48(1): 176-184），若按照传统加颗粒的方式，将颗粒混在起泡溶液中充气产生泡沫，进入到Hele-Shaw盒中的初始泡沫性质会有所不同，如气泡尺寸、泡沫稳定性等。当不同初始特性的泡沫随着时间继续衰变，难以探明对比不同特性颗粒对泡沫衰变的影响。因此，非常有必要对传统Hele-Shaw盒试验装置和方法进行改进，产生泡沫性质相同的三相初始泡沫，以弥补其在观测三相泡沫的局限性，这有助于深入认识颗粒特性对三相泡沫的衰变的影响。
发明内容
本发明针对以上问题，提出了一种基于Hele-Shaw盒的三相泡沫衰变观测系统及方法，可避免颗粒在起泡过程中对泡沫性质产生影响，实现对悬浮液内颗粒性质的控制和定量加液，便于精确控制三相泡沫性质，从而便于在初始泡沫性质相同的条件下对比三相泡沫的衰变过程。
本发明的技术方案为：所述三相泡沫衰变观测系统包括泡沫发生系统、悬浮液加液系统以及具有Hele-Shaw盒观测室的Hele-Shaw盒观测系统；
所述泡沫发生系统包括气瓶1、质量流量计2和泡沫发生装置3，所述气瓶1通过管路与质量流量计2连接，所述质量流量计2再通过管路与泡沫发生装置3连接，所述泡沫发生装置3通过泡沫管路与Hele-Shaw盒观测室10相连；
所述悬浮液加液系统包括磁力搅拌装置5、悬浮液抽出管、悬浮液抽出管、粗口注射器8和注射泵7，所述悬浮液抽出管的一端伸入磁力搅拌装置5中，并且另一端用于连接粗口注射器8的针头，所述悬浮液注入管的一端接入泡沫管路中，并且另一端也用于连接粗口注射器8的针头；
所述注射泵7连接在粗口注射器8上，通过注射泵7控制粗口注射器8中的活塞做直线往复运动。
所述Hele-Shaw盒观测系统还包括分处于Hele-Shaw盒观测室10上下两侧的相机9和光源14，所述光源14和Hele-Shaw盒观测室10之间设有一块半透明板13作为观测背景，通过相机9用来拍摄记录Hele-Shaw盒10内泡沫的衰变过程。
所述悬浮液注入管中设有注入阀4，所述悬浮液抽出管中设有抽液阀6。从而便于在悬浮液吸出及注入前后，有效控制悬浮液注入管及悬浮液抽出管的通断，以避免杂质混入悬浮液中。
所述Hele-Shaw盒观测室10包括两片由透明玻璃板或有机玻璃制成的板，两板之间设有环形的密封垫圈，两板之外设有多个夹子12，通过多个夹子对两板进行夹持；
所述泡沫管路自Hele-Shaw盒观测室10的一侧伸入两板之间，所述Hele-Shaw盒观测室10的另一侧连接有管路及溢流阀11。
三相泡沫衰变观测方法，按以下步骤进行观测：
步骤1、在磁力搅拌装置5中加入含适量颗粒和表面活性剂的悬浮液，用磁力搅拌器和磁转子对其中的悬浮液进行搅拌，使颗粒处于均匀分散状态；
步骤2、在泡沫发生装置3的柱体加入表面活性剂溶液，打开气瓶1的阀门，通过调节质量流量计2来控制充气量，向泡沫发生装置3充气，产生泡沫，泡沫充满整个柱体后继续上升至泡沫管路，逐渐进入Hele-Shaw盒观测室10，泡沫管路上设置阀门4连接悬浮液加液系统；
步骤3、当泡沫充满管路后，将粗口注射器8的针头连接于悬浮液抽出管，通过注射泵7控制粗口注射器8吸入搅拌均匀的颗粒悬浮液，吸入结束后，将粗口注射器8和悬浮液抽出管断开，并将粗口注射器8的针头连接于悬浮液注入管，如图2b所示，随后将粗口注射器8吸入的悬浮液推入泡沫管路阀门4，将含颗粒的悬浮液与管路内泡沫均匀混合；
步骤4、打开Hele-Shaw盒观测系统中的相机9和下部的光源14，进行观测录像，在混入悬浮液的泡沫逐渐上升进入Hele-Shaw盒观测室10的过程中，保持Hele-Shaw盒观测室10上连接的溢流阀11打开；
等待混入悬浮液的泡沫在Hele-Shaw盒10中逐渐达到平衡后，再关闭气瓶1阀门，停止充气，同时关闭溢流阀11，使Hele-Shaw盒10中泡沫衰变在密闭的条件下进行，更有利于观测和分析，并通过相机9记录三相泡沫衰变过程，记录完毕后，可以通过提取如平均气泡尺寸、气泡数量、气泡所占面积等参数随时间的变化，分析泡沫衰变规律。
进一步的，还包括步骤5、每组试验结束后，松开夹在Hele-Shaw盒观测室10上用来连接固定的夹子12，在观测三相泡沫后进行拆卸清洗。
本发明装置使用方法：气瓶中的气体经过质量流量计再进入到泡沫发生装置，通过质量流量计和起泡溶液性质控制产生具有稳定性质的泡沫。产生的泡沫继续上升进入泡沫管路，管路另一端连接到Hele-Shaw盒，泡沫管路设置阀门加液口连接悬浮液加液系统。磁力搅拌装置对悬浮液搅拌均匀，悬浮液置于烧杯，便于控制颗粒浓度、粒度、疏水性等性质，粗口注射器通过注射泵吸入不同颗粒性质和浓度的悬浮液后，切换管路，粗口注射器连接设置在Hele-Shaw盒前的泡沫管路阀门加液口，可以通过设置注射泵参数实现定量加液。悬浮液与两相泡沫混合，制备好的三相泡沫随即进入到Hele-Shaw盒观测系统，Hele-Shaw盒下部为光源，上部为相机，相机记录Hele-Shaw盒中泡沫的衰变过程。
本发明由磁力搅拌装置、粗口注射器和注射泵组成的悬浮液加液系统，代替传统的将颗粒加在起泡溶液的试验方法，避免颗粒在起泡过程中对泡沫性质产生影响，可实现对悬浮液内颗粒性质的控制和定量加液，便于精确控制三相泡沫性质，可在初始泡沫性质相同的条件下对比三相泡沫的衰变过程。
本发明的有益效果：含颗粒的悬浮液与管路内泡沫均匀混合后进入Hele-Shaw盒观测室，通过相机记录Hele-Shaw盒中泡沫的衰变过程。此系统具有如下优点：悬浮液加液系统可将预先生成的两相泡沫与悬浮液进行混合，代替传统的将颗粒加在起泡溶液的试验方法，在固定初始泡沫性质的前提下，可充分分析和对比不同性质颗粒对泡沫衰变的影响；悬浮液通过磁力搅拌器混匀制备，便于控制给入悬浮液中所含颗粒的性质，如颗粒浓度、粒度、疏水性等；粗口注射器和注射泵配合将悬浮液加入泡沫，便于控制悬浮液给入速度和加液流量；Hele-Shaw盒主体用夹子连接固定，方便观测三相泡沫后进行拆卸清洗，故障率低；此装置能够分析颗粒对泡沫衰变的影响，探究颗粒在复杂三相泡沫中的作用机制，填补了目前研究领域的空白。
附图说明
图1是本案的结构示意图，
图2a是本案的工作状态示意图一，
图2b是本案的工作状态示意图二；
图中1是气瓶，2是质量流量计，3是泡沫发生装置，4是注入阀，5是磁力搅拌装置，6是抽液阀，7是注射泵，8是粗口注射器，9是相机，10是Hele-Shaw盒观测室，11是溢流阀，12是夹子，13是半透明板，14是光源。
具体实施方式
为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
如图1所示，本发明基于Hele-Shaw盒的三相泡沫衰变观测装置，其包括泡沫发生系统、悬浮液加液系统和Hele-Shaw盒观测系统，其中：
泡沫发生系统用于生成待观测的泡沫，包括气瓶1、质量流量计2和泡沫发生装置3，三者通过管路连接，泡沫发生装置3产生的泡沫通过管路输送至Hele-Shaw盒观测室，泡沫管路上设置管路阀门4，与悬浮液加液系统加液口相连接，用来注入悬浮液以制备待观测的三相泡沫。
悬浮液加液系统用于制备和加入含有不同性质颗粒的悬浮液，与两相泡沫混合以后生成具有固定初始泡沫性质的三相泡沫，包括磁力搅拌装置5、注射泵7和粗口注射器8，粗口注射器8与磁力搅拌装置的悬浮液管路阀门6相连，通过控制注射泵7吸入悬浮液后，切换管路，将粗口注射器8与设置在Hele-Shaw盒前的泡沫管路阀门4相连，可实现定量加液。
Hele-Shaw盒观测系统用于拍摄记录泡沫衰变的过程，包括上部的相机9、Hele-Shaw盒观测室10和下部的光源14，Hele-Shaw盒观测室10通过夹子12进行固定，右侧连接的管路阀门11可排出溢出泡沫，光源14上面放置一块半透明板13作为背景以提高拍摄效果。
利用基于Hele-Shaw盒的三相泡沫衰变观测装置进行三相泡沫衰变观测的具体方法如下：
步骤1、首先在磁力搅拌装置5中制备含有不同性质颗粒的悬浮液，颗粒可选择实际矿物颗粒或者经过改性的玻璃微珠，制备悬浮液的颗粒粒度可选0.5 mm、0.25 mm、0.074mm和0.045 mm，颗粒疏水性接触角可选在10°、40°、80°、120°，悬浮液颗粒浓度可选5 g/L、15 g/L、30 g/L、60 g/L，通过磁力搅拌器和磁转子对烧杯中的悬浮液进行搅拌，使颗粒处于均匀分散状态。
步骤2、在泡沫发生装置3的柱体加入表面活性剂溶液，打开气瓶1的阀门，通过调节质量流量计2来控制充气量，向泡沫发生装置3充气，产生泡沫，泡沫充满整个柱体后继续上升至泡沫管路，逐渐进入Hele-Shaw盒观测室10，泡沫管路上设置阀门4连接悬浮液加液系统。
步骤3、当泡沫充满管路后，如图2a所示，将粗口注射器8的针头连接于悬浮液抽出管，通过注射泵7控制粗口注射器8吸入搅拌均匀的颗粒悬浮液，吸入结束后，将粗口注射器8和悬浮液抽出管断开，并将粗口注射器8的针头连接于悬浮液注入管，如图2b所示，随后将粗口注射器8吸入的悬浮液推入泡沫管路阀门4，将含颗粒的悬浮液与管路内泡沫均匀混合。
上述中，需要先制备好泡沫再吸悬浮液，避免悬浮液沉淀不均匀的问题，悬浮液吸出后直接注入。
步骤4、打开Hele-Shaw盒观测系统中的相机9和下部的光源14，半透明板13放置在光源上方，开始保持Hele-Shaw盒观测室10右侧的溢流阀11打开，混入悬浮液的三相泡沫逐渐上升并充满Hele-Shaw盒观测室，然后从右侧的溢流阀11溢出，一段时间后，三相泡沫在Hele-Shaw盒观测室10中达到平衡，此时关闭气瓶1阀门，停止充气，同时关闭Hele-Shaw盒观测室右侧的溢流阀11，使Hele-Shaw盒观测室10中泡沫衰变在密闭的条件下进行，更有利于观测，随后保持相机9的打开，记录三相泡沫衰变过程，记录完毕后，可以通过提取如平均气泡尺寸、气泡数量、气泡所占面积等参数随时间的变化，分析泡沫衰变规律。
步骤5、在每组试验结束后，松开夹在Hele-Shaw盒观测室10上用来连接固定的夹子12，便于对Hele-Shaw盒观测室10中残留的三相泡沫进行拆卸清洗。
本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于Hele-Shaw盒的三相泡沫衰变观测系统，其特征在于，所述三相泡沫衰变观测系统包括泡沫发生系统、悬浮液加液系统以及具有Hele-Shaw盒观测室的Hele-Shaw盒观测系统；
所述泡沫发生系统包括气瓶（1）、质量流量计（2）和泡沫发生装置（3），所述气瓶（1）通过管路与质量流量计（2）连接，所述质量流量计（2）再通过管路与泡沫发生装置（3）连接，所述泡沫发生装置（3）通过泡沫管路与Hele-Shaw盒观测室（10）相连；
所述悬浮液加液系统包括磁力搅拌装置（5）、悬浮液抽出管、悬浮液注入管、粗口注射器（8）和注射泵（7），所述悬浮液抽出管的一端伸入磁力搅拌装置（5）中，并且另一端用于连接粗口注射器（8）的针头，所述悬浮液注入管的一端接入泡沫管路中，并且另一端也用于连接粗口注射器（8）的针头；
所述注射泵（7）连接在粗口注射器（8）上，通过注射泵（7）控制粗口注射器（8）中的活塞做直线往复运动；
所述Hele-Shaw盒观测系统还包括分处于Hele-Shaw盒观测室（10）上下两侧的相机（9）和光源（14），所述光源（14）和Hele-Shaw盒观测室（10）之间设有一块半透明板（13）作为观测背景，通过相机（9）用来拍摄记录Hele-Shaw盒（10）内泡沫的衰变过程；
所述悬浮液注入管中设有注入阀（4），所述悬浮液抽出管中设有抽液阀（6）；
所述Hele-Shaw盒观测室（10）包括两片由透明玻璃板或有机玻璃制成的板，两板之间设有环形的密封垫圈，两板之外设有多个夹子（12），通过多个夹子对两板进行夹持；
所述泡沫管路自Hele-Shaw盒观测室（10）的一侧伸入两板之间，所述Hele-Shaw盒观测室（10）的另一侧连接有溢流阀（11）。
2.一种利用权利要求1所述的基于Hele-Shaw盒的三相泡沫衰变观测系统的三相泡沫衰变观测方法，其特征在于，按以下步骤进行观测：
步骤1、在磁力搅拌装置（5）中加入含适量颗粒和表面活性剂的悬浮液，用磁力搅拌器和磁转子对其中的悬浮液进行搅拌，使颗粒处于均匀分散状态；
步骤2、在泡沫发生装置（3）中加入表面活性剂溶液，打开气瓶（1）阀门，调节质量流量计（2），向泡沫发生装置（3）中的表面活性剂溶液充气，产生泡沫，当泡沫充满整个泡沫柱柱体后继续充气，泡沫上升经泡沫管路逐渐进入Hele-Shaw盒观测室（10）中；
步骤3、当泡沫充满泡沫管路后，将粗口注射器（8）的针头连接于悬浮液抽出管，通过注射泵（7）控制粗口注射器（8）吸入搅拌均匀的颗粒悬浮液，吸入结束后，将粗口注射器（8）和悬浮液抽出管断开，并将粗口注射器（8）的针头连接于悬浮液注入管，通过注射泵（7）控制粗口注射器（8）将吸入的悬浮液推入泡沫管路中，使得含颗粒的悬浮液与管路内泡沫均匀混合；
步骤4、打开Hele-Shaw盒观测系统中的相机（9）和下部的光源（14），进行观测录像，在混入悬浮液的泡沫逐渐上升进入Hele-Shaw盒观测室（10）的过程中，保持Hele-Shaw盒观测室（10）上连接的溢流阀（11）打开；
等待混入悬浮液的泡沫在Hele-Shaw盒（10）中逐渐达到平衡后，再关闭气瓶（1）阀门，停止充气，同时关闭溢流阀（11），使Hele-Shaw盒（10）中泡沫衰变在密闭的条件下进行，并通过相机（9）记录三相泡沫衰变过程。
3.根据权利要求2所述的一种基于Hele-Shaw盒的三相泡沫衰变观测方法，其特征在于，还包括步骤5、每组试验结束后，松开夹在Hele-Shaw盒观测室（10）上用来连接固定的夹子（12），在观测三相泡沫后进行拆卸清洗。
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