CN116930547A - 一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统、使用方法及其应用 - Google Patents

一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统、使用方法及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN116930547A
CN116930547A CN202211504446.9A CN202211504446A CN116930547A CN 116930547 A CN116930547 A CN 116930547A CN 202211504446 A CN202211504446 A CN 202211504446A CN 116930547 A CN116930547 A CN 116930547A
Authority
CN
China
Prior art keywords
micro
flow
chip
phase
piv
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211504446.9A
Other languages
English (en)
Inventor
杨文哲
李凤鑫
陶俊宇
张保良
刘畅
蒋青清
王志国
陈冠益
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University of Commerce
Original Assignee
Tianjin University of Commerce
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University of Commerce filed Critical Tianjin University of Commerce
Priority to CN202211504446.9A priority Critical patent/CN116930547A/zh
Publication of CN116930547A publication Critical patent/CN116930547A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/18—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01P5/20—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance using particles entrained by a fluid stream
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G01N2013/003—Diffusion; diffusivity between liquids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于micro‑PIV的粒子成像测速系统，包括微模型，微模型的一侧设置有第一微量进液泵和第二微量进液泵，第一微量进液泵和第二微量进液泵通过三通阀与微模型连接；微模型的另一侧依次设置有物镜、第一滤波器、倾斜的反光镜、第二滤波器和摄影机构，所述物镜的外侧设置有LED光源，反光镜的上方设置有激光器。本发明还公开了上述系统的工作方法以及该系统在多孔介质两相流驱替过程流动特征研究上的应用。本发明能够对向上和向下两种注入方式以及五种注入流量下的孔隙尺度两相驱替过程进行研究，总结了两种注入方式在稳定和不稳定流动状态下的整体流动变化趋势以及在流路中发生突破油水界面的现象。

Description

一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统、使用方法及其应用
技术领域
本发明属于油气田开发技术领域，具体涉及一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统、使用方法及其在多孔介质空隙尺度两相界面演变机理研究上的应用。
背景技术
深入研究两相流动过程对准确预测驱替相在地质储层中的迁移特性至关重要，这种预测能力对于潜在地质储层开采的可行性评估和驱替相注入储层后的驱替过程，以及两相空间分布的预测都是必要的。在储层尺度上，地质多孔介质中的渗流是典型的达西渗流的扩展性研究(也称为广义达西定律)，该模型适用于油藏多孔介质中的水、油和气的多相流研究，但许多研究表明该模型具有局限性。然而Roman的砂岩模型排水实验表明：一相流体流动会对另一相流体产生剪切应力，多孔介质中被驱替流体包围的圈闭相呈现出再循环运动特征，由此证明了界面粘性效应的存在和重要性，但惯性力和粘性剪切力的强度和所谓的影响范围在多孔介质两相流研究中仍有待于量化。
微观粒子成像测速技术(micro-PIV)是一种非侵入式测量技术，通过跟踪植入流体中的中性浮力荧光粒子的位置从而进行定量测量，选择适当的粒子可以反映携带粒子的流体的真实速度，最终可获得更小的空间、时间尺度下流体的速度特征分布，有助于更加清晰地了解孔隙尺度两相流动过程的作用机制。在micro-PIV应用中，用具有特定波长的脉冲激光照射流动平面上的粒子，荧光粒子受到激光的激发将不同的波长反射到记录摄像机上，以设定的时间间隔对测量平面中的空间分布进行成像，以设定的时间间隔Δt记录两个连续的粒子图像。将每个图像分割成更小的部分(称为询问窗口interrogation windows)，并对连续图像应用互相关分析方法确定粒子所经过的距离，测量出荧光粒子的速度。为了放大所研究的流体区域，micro-PIV把显微镜物镜的焦平面作为测量平面，导致其视场通常会缩小到只能展示少数的孔隙空间，无法看到流体在更大区域的流动特征，如裂缝中流动。Kazemifar在储层条件下对超临界CO2和水进行了两相流PIV研究，首次报道了在多孔介质中被圈闭水相因剪切力引起的内部循环运动，并且表明被圈闭水相的循环运动可能会对CO2沉降过程中的溶解和输送产生影响。实验还观察到CO2前缘侵入孔隙空间的过程并非是平滑、连续的运动过程，而是发生了一系列速度跳变。这一发现有力证明了惯性力在两相流动力学中具有重要作用。
Heshmati在孔隙双重体中验证了被困流体内部由于剪切应力而产生的再循环运动，并且发现驱替相速度比被困液滴的界面速度大一到两个数量级。因此，对多孔介质多相流数学模型假设忽略两相之间的动量传递、两相流体间无相互作用以及流体/流体和流体/固体之间的无滑移边界条件提出了质疑。Roman分析了在不同流动条件下被困液滴内的速度场和机械能的局部耗散分布，评估了界面处动量传递和粘性耗散率的大小。当流动稳定时，不同条件下死孔中的液滴会有静止和循环运动两种状态，当驱替相粘度大于被驱替相时被困液滴静止，当被驱替相粘度较大时被困液滴显示循环运动。实验指出了粘度比对粘滞耦合的重要性，粘度比不仅影响被困液滴的大小，也促进了润滑膜的动量传递，当润湿流体比非润湿流体的粘度更大时，界面动量传递也更大，这可能导致油的流动性更大(润滑效果)。同时，该研究强调了两相流的广义达西定律不应忽略流体之间的相互作用，这种粘性耗散和动量传递会对驱替相造成更大的压降，该压降是粘度比和流体/流体动量交换面积的函数。
现已有许多学者采用micro-PIV技术对孔隙尺度下两相流动过程的流动特征进行研究，并且观察到了海恩斯跳跃以及粘性剪切力诱导被困液滴再循环运动，对广义达西定律假设的适用性提出疑问。但对于不同注入方式会对海恩斯跳跃、粘性剪切诱导再循环运动和被驱替相的圈闭机制产生什么样的影响还没有得到系统的论述，并且现有研究都是基于被驱替相作为接种粒子相来观察驱替过程中的流动行为，对于驱替相的流动行为缺少相应的研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统、使用方法及其在多孔介质空隙尺度两相界面演变机理研究上的应用。
本发明的第一个目的是提供一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统，包括微模型，微模型的一侧设置有第一微量进液泵和第二微量进液泵，第一微量进液泵和第二微量进液泵通过三通阀与微模型连接；
所述微模型的另一侧依次设置有物镜、第一滤波器、倾斜的反光镜、第二滤波器、摄影机构和计算机，所述物镜的外侧设置有环状的LED光源，反光镜的上方设置有激光器，所述激光器配有电源。
优选的，所述微模型包含均质多孔介质芯片和芯片夹持器，均质多孔介质芯片通过芯片夹持器进行夹持固定，均质多孔介质芯片分别与第一微量进液泵和第二微量进液泵连接。
优选的，所述均质多孔介质芯片通过在硼硅酸盐玻璃基板上采用化学刻蚀法刻蚀而成，均质多孔介质芯片入口端的两侧分别开设有储液槽。
优选的，所述均质多孔介质芯片的渗透率为K＝2.5Darcy，孔隙度为φ＝0.52，孔隙直径为r＝90μm，喉道直径为d＝50μm，相邻固结颗粒距离为a＝200μm，多孔介质特征长度为l＝55μm。
优选的，所述激光器为Nd:YAG双腔脉冲激光器，激光器的波长为532nm，宽度为5ns，最高脉冲频率为15Hz，最高能量为200mJ，第一滤波器的波长为532nm，第二滤波器的截止波长为540nm。
本发明的第二个目的是提供一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统的使用方法，包括以下步骤：
S1、对基于micro-PIV的粒子成像测速系统的硬件连接按数据流向进行检查，并对检查激光器电源的冷却水的体积进行检查，检查无误后开启冷却水泵，对激光器上电，2分钟后开启激光器电源箱电源，将激光器设置为外控模式，对硬件参数进行设置，同时设置PIV实验工作路径；
S2、调节摄影机构的角度，采集标定板图像，进行摄影机构定标，对摄影机构的采集参数进行设置；
S3、对均质多孔介质芯片进行清洗并重置芯片内通道润湿性；
S4、对步骤S3得到的清洗干净的均质多孔介质芯片用无水乙醇进行饱和，接着通过第一微量进液泵将被驱替相快速过量注入到均质多孔介质芯片内以取代均质多孔介质芯片中的无水乙醇，静置一小时使均质多孔介质芯片老化；
S5、开启LED光源，将步骤S4得到的老化的均质多孔介质芯片移动至视场范围内，选择合适的放大倍数，调节摄影机构的焦距使画面清晰，然后通过第二微量进液泵将驱替相注入到老化的均质多孔介质芯片内进行油水两相驱替实验，同时打开激光器形成粒子图像，然后通过摄影机构进行粒子图像的采集与保存，得到粒子图像；
S6、将步骤S5得到的粒子图像根据粒子数量将区域自动划分成有用与无用区域，得到最终水相的速度场，然后对速度场进行分析和数据的提取。
优选的，步骤S3具体包括以下步骤：
S31、通过第一微量进液泵注入清洗剂对均质多孔介质芯片内通道进行冲刷，接着干燥均质多孔介质芯片内通道；
S32、利用液滴形状分析仪(DSA100)通过座滴法测得芯片呈油润湿，被驱替相作为润湿相，驱替相作为非润湿相在芯片上的接触角为θ＝59.5°。
优选的，步骤S4中，所述驱替相通过垂直向上注入方式和垂直向下注入方式分别注入到老化的均质多孔介质芯片内，且各注入方式均采用多种不同的注入流量注入，注入流量的范围为0.5-8μL/min。
本发明的第三个目的是提供一种上述基于micro-PIV的粒子成像测速系统在多孔介质空隙尺度两相界面演变机理研究上的应用。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明提供的基于micro-PIV的粒子成像测速系统内容能够对向上和向下两种注入方式以及五种注入流量下的孔隙尺度两相驱替过程进行研究，对比分析出前缘推进过程的差异以及圈闭残余油的捕获机制，并且通过速度云图总结了海恩斯跳跃现象在向上和向下驱驱替过程中的变化规律以及产生差异的原因，总结了在孔隙中流体-流体，流体-固体之间的相互作用对速度场分布的影响，两种注入方式在稳定和不稳定流动状态下的整体流动变化趋势以及在流路中发生突破油水界面的现象。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于micro-PIV的粒子成像测速系统的结构示意图；
图2为双帧时序关系图；
图3为本发明实施例中的均质多孔介质芯片的结构图；
图4为本发明实施例中的被驱替相和驱替相对于微模型的润湿性图；
图5为本发明实施例提供的基于micro-PIV的粒子成像测速系统拍摄的视场内两相驱替过程图；
图6为本发明实施例中的图像和数据处理图；
其中，图6(a)为未驱替状态下饱和油相的多孔介质；图6(b)为对多孔介质中的骨架颗粒进行手动添加遮罩图；图6(c)为经过图像处理后计算得的驱替过程速度场图；
图7为0.5μL/min注入流量下微模型中心位置的两相垂直向下驱替过程图；
图8为本发明实施例中的速度云、水平空隙速度场和涡量场图；
其中，图8(a)为0.5μL/min流量向下稳定流动过程的速度云图；图8(b)为截取图9(a)中虚线框内水平孔隙速度场、绘制孔隙内速度场以及沿白色虚线上的速度分布图；图8(c)为经过图像处理后计算得的驱替过程速度场图；
图9为在t＝15～15.6s之间0.5μL/min注入流量下发生海恩斯跳跃现象的速度云、前缘推进过程图；、速度分布和速度云图；
其中，图9(a)为在t＝15～15.6s之间0.5μL/min注入流量下发生海恩斯跳跃现象的速度云图；图9(b)为发生海恩斯跳跃时的前缘推进过程图；
图10为在t＝15～15.6s之间0.5μL/min注入流量下发生海恩斯跳跃现象的速度分布和速度云图；
其中，图10(a)为多孔介质内指定流路A-B在不同时刻上的速度分布图；图10(b)为在t＝32～32.2s之间多孔介质内的速度云图；
图11为不同注入流量下主流路中某一孔隙速度随驱替时间的变化图；
图12为5μL/min注入条件下不同孔隙中油水界面的形成和突破过程，以及对应油水界面消失后速度场的变化图；
图13为不同注入条件下稳定流动速度场中水平方向速度矢量和竖直方向速度矢量/>的数量分布与概率密度图；
图14为两相垂直向上驱替过程和速度云图；
图14(a)为0.5μL/min注入流量下微模型中心位置的两相垂直向上驱替过程图；图14(b)为0.5μL/min流量下向上驱替过程中指进前缘末端界面发生逆流现象的速度云图；
图15为0.5μL/min流量下向上稳定流动过程的速度云和速度分布图；
图15(a)为0.5μL/min流量下向上稳定流动过程的速度云图；图15(b)为截取图15(a)中虚线框内水平孔隙速度场、绘制孔隙内速度场以及沿白色虚线上的速度分布图；图15(c)为图15(a)中实线框处的局部放大图和对应速度云图，以及路径AB上对应的水平和竖直速度；
图16为在t＝15～15.6s之间、0.5μL/min注入流量下发生海恩斯跳跃现象的速度云、前缘推进过程、速度分布和速度云图；
图16(a)在t＝29.6～30.2s之间0.5μL/min注入流量下发生海恩斯跳跃现象的速度云图；图16(b)为发生海恩斯跳跃时的前缘推进过程图；图16(c)为多孔介质内指定流路A-B在不同时刻上的速度分布图；
图17为不同注入流量下主流路中某一孔隙速度随驱替时间的变化图；
图18为8μL/min注入条件下不同孔隙中油水界面的形成和突破过程，以及对应油水界面消失后速度场的变化图；
图19为不同注入条件下稳定流动速度场中水平方向速度矢量u→和竖直方向速度矢量v的数量分布与概率密度图；
图中：1、微模型；2、第一微量进液泵；3、第二微量进液泵；4、三通阀；5、物镜；6、第一滤波器；7、反光镜；8、第二滤波器；9、摄影机构；10、LED光源；11、激光器；12、均质多孔介质芯片；13、芯片夹持器。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统，具体包括微模型1，微模型1的一侧设置有第一微量进液泵2和第二微量进液泵3(Masterflex，误差精度±<1％，Cole-Parmer)，第一微量进液泵2和第二微量进液泵3通过三通阀4与微模型1连接；
微模型1的另一侧依次设置有物镜5、第一滤波器6、倾斜的反光镜7、第二滤波器8、摄影机构9和计算机，摄影机构9为一个像素尺寸为5.5μm，430万像素的十位CCD高速相机(ImagerMX4M Camlink型，2079×2068pixel，148.1fps，15Hz，LaVision)，物镜5的外侧设置有环状的LED光源10，LED光源为一个环状的LED补光灯，，反光镜7的上方设置有激光器11，激光器11配有电源，物镜5为8倍率，激光器11为Nd:YAG双腔脉冲激光器，激光11器的波长为532nm，宽度为5ns，最高脉冲频率为15Hz，最高能量为200mJ(实验中具体设置的能量为50mJ)，激光器11通过激光光纤连接，为了增加通过光纤后进入粒子成像测速系统的激光光斑面积，在光纤出口增加了反光镜7以扩大光束，激光器11发出的光会先经过反光镜7反射，在光束入口位置通过设置532nm的第一滤波器6，以避免其他波段的光进入光路系统，然后激光照射到微模型上形成光斑激发接种的示踪粒子，这些粒子由时间间隔为Δt的两个连续脉冲照亮，激发出575nm的光经过在光束出口处放置的截止波长为540nm的第二滤波器8，以阻挡照射微模型1后反射的532nm激光，从而提高成像的信噪比。最终通过高速相机记录这些光脉冲的散射强度和两相驱替过程，使用LaVision公司的DaVis_11.0软件进行设备参数的设置以及速度场的计算，在软件中能够合成的可视化视场大小约为2.3mm×2.3mm，所研究的区域位于微模型的中心位置，为了解析复杂两相流动过程中的速度场，micro-PIV采用双曝光跨帧分析模式进行图像采集，摄像机需要调节到双曝光模式，从每个图像中重建二维速度矢量场。这种模式适用于对高速运动进行瞬态分析，两个脉冲的间隔时间Δt可以通过示踪粒子在多孔介质中的真实迁移速度计算可得，要求在时间间隔内示踪粒子的迁移距离不应超过粒子直径的三倍大小。在这种模式中，每个图像包含一个双帧，其中每个帧由一个光脉冲照亮，这样能够尽可能地缩短两幅图像间的时间间隔，从而提高micro-PIV技术的可测速范围，时序关系如图2所示。
获得的图像帧被被分成许多相同的小区域，称为询问窗口，这些细分区域在空间上与另一个连续帧的相应区域相关联，以获得关于在一定时间间隔内示踪粒子位移的信息，示踪粒子的速度就是通过将粒子的位移除以两个连续图像之间的时间间隔来确定的。为了执行这种计算，使用了具有多通道的快速傅里叶变化(FFT)方法，第一通道包含更大的询问区域大小，较大的询问区域给出了较大的信噪比，但它也显示出了较差的矢量分辨率。在进一步迭代中使用较小的询问区域，提高了矢量的分辨率。为了获得令人满意的粒子图像分析结果，最终通道中每个询问窗口都应至少含有5-10个示踪粒子，并且粒子在两个相关帧之间的位移不超过询问窗口大小的四分之一。对于询问窗口大小的选择既需要满足该区域内粒子的均匀位移，同时也应该具有相当大的尺寸，以保存足够的数据用于计算，因此，在本研究中设定的初始和最终的询问窗口的大小分别为1282和242，窗口之间的重叠为50％。
微模型1包含均质多孔介质芯片12和芯片夹持器13，均质多孔介质芯片12通过芯片夹持器13进行夹持固定，且芯片夹持器13可进行旋转，类似于手机支架，通过将芯片夹持器13旋转，能够带动均质多孔介质芯片12一起旋转，进而实现介质的注入方式更改，均质多孔介质芯片12分别与第一微量进液泵2和第二微量进液泵3连接。
均质多孔介质芯片12通过在硼硅酸盐玻璃基板上采用化学刻蚀法刻蚀而成，可排除非均质性的影响，从而更直观地反映流体-固体之间的相互作用对速度场分布的影响，均质多孔介质芯片12的结构如图3所示，均质多孔介质芯片12入口端的两侧分别开设有储液槽，用来缓冲和储存刚流入的驱替液以消除芯片入口效应—注入流体在流入多孔介质时能实现均匀流动。均质多孔介质芯片12的渗透率为K＝2.5Darcy，孔隙度为φ＝0.52，孔隙直径为r＝90μm，喉道直径为d＝50μm，相邻固结颗粒距离为a＝200μm，多孔介质特征长度为l＝55μm。
激光器11为Nd:YAG双腔脉冲激光器，激光器11的波长为532nm，宽度为5ns，最高脉冲频率为15Hz，最高能量为200mJ，第一滤波器6的波长为532nm，第二滤波器8的截止波长为540nm。
本发明实施例还提供了一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统的使用方法，具体包括以下步骤：
S1、对基于micro-PIV的粒子成像测速系统的硬件连接按数据流向进行检查，并对检查激光器11电源的冷却水的体积进行检查，看是否达到水箱刻度的3/4以上。检查无误后开启冷却水泵，对激光器11上电，2分钟后开启激光器11电源箱电源，将激光器11设置为外控模式，开启DaVis_11.0软件，首次使用micro-PIV时需要在软件中对硬件参数进行设置，同时设置PIV实验工作路径；
S2、调节摄影机构9的角度，采集标定板图像，进行摄影机构9定标，然后对摄影机构9的跨帧图像采集的时序控制参数进行设置；
S3、对均质多孔介质芯片12进行清洗并重置芯片内通道润湿性，具体包括以下步骤：
S31、通过第一微量进液泵2注入甲苯(C7H8)和无水乙醇(C2H6O)10个孔隙体积(PV)对均质多孔介质芯片12内通道进行冲刷，确保芯片内无上次实验留下的残余油，再使用二氧化碳干燥均质多孔介质芯片12内通道；
S32、利用液滴形状分析仪(DSA100)通过座滴法测得芯片呈油润湿，被驱替相作为润湿相，驱替相作为非润湿相在芯片上的接触角为θ＝59.5°，如图5所示。
在实验过程中，使用岛津分析天平配置示踪粒子水溶液，将1％浓度的荧光微粒悬浊液以1：3的质量比例与去离子水混合并摇晃均匀作为驱替相，正癸烷(CH3(CH2)8CH3)溶液作为被驱替相，两种流体的物性参数如下表1所示。
表1流体物性参数
同时，由于Micro-PIV技术在本研究中成功应用的一个关键方面是选择的示踪粒子必须同时满足以下标准：(1)尺寸；(2)密度；(3)物理/化学兼容性以及(4)光谱特性。颗粒必须足够小，以最大限度地降低堵塞孔隙(20～90μm)和喉道(20～50μm)的风险，且在流体中提供足够的粒子数密度，以便每个PIV询问窗口包含至少5-10个粒子，以获得可靠的速度测量。同时粒子必须足够大，以避免由于分辨率不足导致的峰值锁定问题，建议使用直径为2-3个像素的粒子大小来避免此问题。因此本实验采用直径为3.2μm的红色聚苯乙烯((C8H8)n)荧光微粒(Fluoro-Max，Thermo Fisher SCIENTIFIC)作为示踪粒子接种到水相，示踪粒子的质量分数约为0.25％，微粒密度为1.05g/cm3，在环境条件下能够吸收589nm波长的激光。
在利用micro-PIV进行两相流动成像时，由于荧光示踪粒子一般分散在水相中，不含荧光示踪粒子的油相在激光激发下不会产生信号。即使由于粒子浓度足够大，在油水两相界面处能产生荧光信号，但界面的清晰度仍然难以区分。为了更清晰地区分油水界面，分辨两相流体在驱替过程中的空间分布，在激光发射的同时打开LED补光灯，由于界面与流体相的折射率不同，能清晰地观察到两相界面、骨架颗粒的形状与位置以及油水两相的空间分布，如图6所示，这样就能对界面的形状以及迁移过程进行观察，分析孔隙尺度下的两相流动过程；
S4、对步骤S3得到的清洗干净的均质多孔介质芯片12用无水乙醇进行饱和，目的是彻底排尽芯片内的空气，接着通过第一微量进液泵2将正癸烷染色溶液快速过量注入到均质多孔介质芯片12内以取代均质多孔介质芯片中的无水乙醇，让芯片饱和被驱替相并静置一小时使均质多孔介质芯片12老化，确保芯片润湿性为油润湿；
S5、开启LED光源10，将步骤S4得到的老化的均质多孔介质芯片12移动至视场范围内，选择合适的放大倍数，调节摄影机构9的焦距使画面清晰，然后通过第二微量进液泵3将驱替相以垂直向下驱替的方式注入到老化的均质多孔介质芯片12内进行油水两相驱替实验，注入流量为0.5μL/min，同时打开激光器11形成粒子图像，然后通过摄影机构9进行粒子图像的采集与保存，得到粒子图像，实验结束，将相机光圈调到最小后关闭电源，关闭激光器11但继续供电进行冷却循环，大约5分钟后关闭激光器11电源，关闭同步器，对芯片进行清洗。设置PIV分析参数，采用2D-PIV方法，标准模式，多通道进行速度场计算。
S6、将步骤S5得到的粒子图像根据粒子数量将区域自动划分成有用与无用区域，得到最终水相的速度场，然后对速度场进行分析和数据的提取。
图7(a)为利用本发明实施例提供的micro-PIV的粒子成像测速系统成像出的多孔介质局部放大图，从图上能够清晰的分辨出骨架颗粒的轮廓，虽然骨架颗粒与示踪粒子的流动不会产生交集，但在后期速度场计算时会提取此区域的信息参与计算，这对计算过程和计算结果都会有一定的影响。为此，在DaVis_11.0软件中通过手动添加遮罩，将骨架颗粒处无用的信息进行隐藏，如图7(b)所示。软件中的空间自动遮罩功能根据图像中的粒子数量将区域自动划分成有用与无用区域，但受本研究中粒子浓度限制的影响无法将骨架轮廓精确的划分出来，因此采用手动添加遮罩来扣除骨架颗粒。但空间自动遮罩功能能将两相界面区分开来，因此在后期进行速度场计算时图像处理结合手动遮罩与空间自动遮罩，得到最终水相的速度场，如图7(c)所示。对于速度场数据的处理采用了DaVis_11.0软件自带的数据处理功能，以及Tecplot 360流场后处理软件对速度场进行分析和数据的提取。
实施例2
本发明实施例提供的基于micro-PIV的粒子成像测速系统的结构和使用方法与实施例1相同，区别仅在于，步骤S5中，所述注入流量为0.8μL/min。
实施例3
本发明实施例提供的基于micro-PIV的粒子成像测速系统的结构和使用方法与实施例1相同，区别仅在于，步骤S5中，所述注入流量为2μL/min。
实施例4
本发明实施例提供的基于micro-PIV的粒子成像测速系统的结构和使用方法与实施例1相同，区别仅在于，步骤S5中，所述注入流量为5μL/min。
实施例5
本发明实施例提供的基于micro-PIV的粒子成像测速系统的结构和使用方法与实施例1相同，区别仅在于，步骤S5中，所述注入流量为8μL/min。
实施例6
本发明实施例提供的基于micro-PIV的粒子成像测速系统的结构和使用方法与实施例1相同，区别仅在于，步骤S5中，所述注入方式为垂直向上驱替方式。
实施例7
本发明实施例提供的基于micro-PIV的粒子成像测速系统的结构和使用方法与实施例6相同，区别仅在于，步骤S5中，所述注入流量为0.8μL/min。
实施例8
本发明实施例提供的基于micro-PIV的粒子成像测速系统的结构和使用方法与实施例6相同，区别仅在于，步骤S5中，所述注入流量为2μL/min。
实施例9
本发明实施例提供的基于micro-PIV的粒子成像测速系统的结构和使用方法与实施例6相同，区别仅在于，步骤S5中，所述注入流量为5μL/min。
实施例10
本发明实施例提供的基于micro-PIV的粒子成像测速系统的结构和使用方法与实施例6相同，区别仅在于，步骤S5中，所述注入流量为8μL/min。
上述实施例中的三种注入方式下所对应的不同注入流量和相应的无量纲数如下表2所示。
表2实验条件以及系统设定参数和对应的无量纲数
下面利用本发明实施例1-10提供的基于micro-PIV的粒子成像测速系统使用方法对多孔介质空隙尺度两相界面演变机理进行研究
1、垂直向下驱替过程
图8展示了0.5μL/min注入流量的垂直向下驱替过程，将两相界面开始出现在视场中的时刻认定为初始时刻，在视场中充满粒子的流体相为驱替相，整齐排列的菱形轮廓为骨架颗粒，其余背景颜色下的流体为被驱替相。从整体流动过程中可以看出，前缘推进过程是不稳定的，右侧前缘逐渐突出形成一个指进流路。右侧的指进流路不仅持续向前推进，指进前缘还会向水平方向扩展，这是由于在此条件下毛细管力作为主导，喉道处的阻力阻碍了前缘的推进，在喉道处积累的压力使驱替流体的前进方向呈现随机性，甚至与主流方向相反，如图8中的方框圈住部分所示。但由于重力方向与流动方向相同作为推进力，前缘很快就能突破喉道进入下一个孔隙空间积累压力，因此这些逆流的流路缺少压力的推动，通过喉道后就不再进一步流动。指进前缘的横向扩张围堵住了落后界面形成圈闭的残余油，并且这些阻断的流路会使得原本还再推进的前缘改变流动方向，甚至不再流动，如图中椭圆圈住部分所示。图9(a)展示了叠加实际视场作为背景的稳定流动速度场，可以看到虽然驱替相能够流经视场中大部分的孔隙和喉道，但并不是所有的驱替相都能顺着注入方向进行流动。由于两相流动的复杂性，在图9(a)中红色和粉红色框选处能够观察到死孔和绕流的存在，绕流的流体流速(3.1×10-4m/s和8×10-5m/s)明显小于主流道中流速(1.8×10-3m/s)1-2个量级，且主流道中的流速也要高于体流速(1×10-4m/s)。对图9(a)中上游被红色虚线框选的水平孔隙速度场进行截取并从左到右依次进行划分得到(1)-(7)的编号孔隙，提取相应孔隙的速度云图以及白色虚线对应的流体流速得到图9(b)。孔隙中流体流速由于粘性作用在流体-固体边界处为最小，在孔隙中心处达到最大，从孔隙速度分布上可以看到在不同孔隙中有的只有一个速度峰值，而有的有两个速度峰值，对比不同孔隙中流体的流动轨迹可以认为这是由于流体之间的相互作用所造成的。在双峰值的(4)，(6)和(7)号孔隙中流体是分开流入并分开流出，分别在两股流体的中心达到最大流速，而在两股流体的交汇处由于相互作用使得流速下降；在单峰值的(1)，(3)和(5)孔隙中流体是分开流入单道流出，或者是单道流入并分开流出，其中流体间都没有产生较大的相对作用，因此没有产生较大的速度波动。而(2)号孔隙由于下游流路被截断而改变流动方向形成绕流，因此流速较低，从整体流速变化来看不同孔隙中流速相差不大，流体中心速度能达到3～5×10-4m/s。图9(c)展示了稳定流动过程中驱替相的涡量场分布，对比9(a)中的速度场可以看出在流通的流路中存在正反两种涡量且沿流路中心线划分，分别占据流路的两侧。以流体流动方向为标准，流动方向的左侧涡量为负，流动方向右侧涡量为正，说明在驱替过程中由于粘性作用，流体内部进行小幅度地对称式旋转。随着流速的增大，涡量也随着增大，并且在流路的拐弯处弯道内侧流体的涡量要大于弯道外侧流体的涡量，如图9(c)中圆圈标注处流路两侧涡量分别为26.791/s和-2.871/s，因此通过涡量场分布也能够大致地分辨出流路中驱替流体的流向。在涡量场中还发现那些因被其它流路截断而停止流动的死孔流体并非完全静止，相邻流通的流路通过动量传递带动死孔中的流体进行旋转，如图9(c)中方框内的死孔流体涡量绝对值在0.3～0.81/s之间，这有利于驱替相与被驱替相之间溶质的传递。
图10(a)展示了0.5μL/min注入条件下驱替过程在t＝15～15.6s之间的速度云图，从速度云图上可以看出在推进过程中前缘速度在短时间内迅速增大，随后前缘速度又会大幅度降低，这个就是多孔介质中的海恩斯跳跃现象。图10(b)展示了发生海恩斯跳跃时前缘推进过程，在t＝15～15.2s之间前缘界面在喉道中由于毛细管力的作用缓慢向前推进，驱替相不断注入使得界面处的压力不断增加，当局部压力超过Young–Laplace定律定义的阈值时驱替相会突然加速通过喉道，快速流入孔隙中释放界面上的压力，并推进界面流入相邻的喉道，如图10(b)中t＝15.4～15.6s的过程。当多孔介质中发生海恩斯跳跃时，前缘将累积的压力释放对上游孔隙流动产生大范围的扰动，提高整体的流动速度，多孔介质中的流动扰动是由强度和方向不断变化的局部压力梯度驱动的。对发生海恩斯跳跃过程中对A-B路径上的流体流速进行提取得到图10(c)，发现海恩斯跳跃能使上游流路中的流速提升2倍以上，前缘界面速度达到了21×10-4m/s比发生跳跃前的平均流速(2.97×10-4m/s)高一个数量级。在之后的流动过程中虽然驱替前缘已经流出了视场，但是海恩斯跳跃现象对上游流路的速度分布依然存在影响，如图10(d)所示在t＝32～32.2s之间流路中的流速产生波动，如同一孔隙中流速从8.86×10-4m/s增大到12.5×10-4m/s，虽然两个时刻之间速度差异不像图10(c)中展示的那样大，但还是可以说明海恩斯跳跃现象的影响范围很大，不应在宏观尺度上被整体平均而忽视掉。
随着注入流速的增加，入口压力和粘性作用增大，导致两相界面克服喉道毛细管阻力时累积的压力增大，压力释放时产生的海恩斯跳跃速度增大。表3展示了发生海恩斯跳跃现象前的流路平均速度以及海恩斯跳跃速度，通过对比发现海恩斯跳跃现象的影响随着注入流量的增加而逐渐削弱，在0.5μL/min和0.8μL/min条件下，海恩斯跳跃速度是发生跳跃前流路平均速度的6.7～11.7倍，在2μL/min和5μL/min条件下，海恩斯跳跃速度是发生跳跃前流路平均速度3.4～4.7倍，在8μL/min条件下海恩斯跳跃速度仅为2.5倍的跳跃前流路平均速度，说明粘性作用的增加逐渐抵消毛细管阻力作用，削弱了海恩斯跳跃现象。在不同注入流量下对主流路中的某一孔隙速度变化按驱替时间序列提取得到图11(a)和11(b)，0.5μL/min条件下孔隙中速度随时间的变化是波动的，说明在低注入流量下多孔介质两相流动过程中海恩斯跳跃现象频繁发生，并且海恩斯跳跃现象影响范围较广。随着注入流量的增加，孔隙中速度波动次数变少，速度变化逐渐趋于平稳，说明海恩斯跳跃现象的影响随着注入流量的增加而减弱。
表3不同流量下发生海恩斯跳跃现象前的流路平均速度、海恩斯跳跃速度以及流动面积比
在驱替过程中随着注入流量的增大出现了驱替相冲破油水界面阻碍，改变流动路径的现象，如图12所示。图12展示了在5μL/min注入条件下不同孔隙中油水界面的形成和突破过程，以及对应油水界面消失后速度场的变化，可以看到油水界面的形成源于从不同喉道一起流入孔隙中的驱替相界面相互接触而没有流通，这种现象在两相驱替过程中普遍存在。虽然驱替相之间仅由一层油水界面阻隔，但由于油相和水相互不相融，想要突破油水界面将两侧的驱替相相连接需要足够大的推动力。因此在低注入流量条件下，即使存在相同的情况，粘性力作用没有达到突破的阈值不能突破那层油水界面，在高注入流量下，通过流体的不断冲击最终依次突破图12中标注的三处阻隔油水界面而对周围流路的流动状况产生影响，改变流路原本的流动方向和速度，如对比t＝8.13s和t＝13.33s两时刻突破橙框内标注油水界面后流场的变化，可以看见与之连通的上游流路和下游流路流速明显增大，相邻流路的流速产生了不同程度的下降以及上游流路中流体流动方向发生了转变，这为多孔介质中的孔隙尺度两相流动数值模拟提供了实际的流动现象以及实验数据来进行定量验证。
对不同注入条件下的稳定流动速度场中的水平方向速度矢量和竖直方向速度矢量/>进行统计得到如图13所示的速度大小数量分布，图中分别给出了/>以及的累积百分比，可以看到在0.5μL/min条件下正向/>速度矢量占比(59.266％)要大于负向/>速度矢量(40.734％)，反映了驱替相整体在沿x轴正方向流动，这是由于在低注入流量的驱替过程中前缘的推进力小于喉道处的毛细管阻力而加剧指进前缘在水平方向上的流动，这也导致了流路之间的相互截断使一些流路改变了流动方向变成绕流，产生了13.168％比例的正向/>速度矢量，因此/>速度矢量分布也能反映驱替过程中流路的通畅性。随着注入流量的增大，正向和负向的/>速度矢量占比逐渐达到平衡，说明惯性力作用逐渐占据主导抵消前缘推进时遇到的毛细管阻力，整体前缘逐渐变得平整，指进现象削弱。另一方面，/>速度矢量数量在整体上都是围绕/>对称分布的，这源于多孔微模型的均质结构，并且速度越小数量越多也是因为流体边界层的影响导致在大注入流量条件下小的速度矢量数量依旧突出。正向/>速度矢量分布比例随着注入流量的增大能减小到3.265％，反映流体过程能够顺畅地沿着流动方向流动，而在5μL/min条件下正向v速度占比反升至10.758％，通过对流动过程的分析这可能是由于经过图12中所发生的油水界面突破现象而导致的流路之间流动方向发生改变，而对流动过程的速度矢量产生影响。最后对比了不同注入条件下稳定流动时驱替相在视场中的可流动面积与在多孔介质中的波及面积得到表3中的流动面积比，通过对比可以看到在0.5～5μL/min条件下流动面积比在0.7～0.8之间，而在8μL/min条件下流动面积比达到了0.884，这与3.3节中对于驱替状态的划分规律相似。本发明实施例的8μL/min垂直向下驱替过程对应属于稳定驱替状态，拥有平稳的驱替前缘大大减少了驱替相的死孔面积，而0.5～5μL/min垂直向下驱替过程对应属于毛细指进驱替，指进前缘在推进过程中会因截停其他流路而形成较大面积的死孔。
2、垂直向上驱替过程
在0.5μL/min条件下垂直向上驱替过程如图4-7(a)所示，在视场中可以看到前缘的形状与垂直向下驱替过程一样属于指状前缘且右侧的前缘发展要快于左侧前缘，但不同的是向上驱替过程中突出的前缘没有向落后的前缘方向快速地进行水平扩展而造成部分的油相被圈闭，以及截断落后前缘的流动路径从而影响整体流路的流动方向产生绕流流道。向上驱替过程突出前缘沿竖直方向进行推进，突出前缘的末端则会向水平方向，甚至逆流方向进行推进与落后前缘相连通，带动落后前缘向前推进，并最终占据视场中绝大部分的孔隙空间，如图14(b)所示。图14(b)为图14(a)中方框内突出前缘末端向逆流方向流动并与相邻落后前缘相连通并带动流动的过程，可以看到在t＝19～21.6s之间有两条平行流路从主流路中以逆流方向流经两个孔隙空间，在t＝22.8s时流路与相邻流路连通消除了此处的局部毛细管力，使得原本流速很小的流路(如图中t＝21.6s时流道速度为8.16×10-5m/s)快速流动推进落后的前缘(如图中t＝22.8s时流道速度为4×10-4m/s)。这种现象普遍存在于垂直向上驱替过程中，而造成两种注入方式下前缘推进现象差异的原因是由于重力作用的方向不同，以及在低注入流量下重力作用大于粘性作用，如表2所示在0.5μL/min条件下NG＝42.28。在垂直向下驱替过程中重力与粘性力作为推进力通过界面处累积压力的释放更容易将指进推进到更远处，并且在指进前缘以重力为主导沿喉道向斜前方向进行扩展，而在垂直向上驱替过程中重力与毛细管力作为阻力阻碍前缘的推进，前缘想要向前推进需要累积更多的压力，从图14(a)中可以看到突出前缘最先流出视场所用时间37.4s，而向下驱替过程所用时间为11.25s左右。在累积压力过程中突出前缘更容易从底部沿喉道向斜后方向流动，因为在斜后方向上重力作为推进力减小了流动阻力，将流路推进超过三个孔隙长度，而在垂直向下驱替过程中只能将流路逆向推进不到一个孔隙长度。
图15(a)所示为在0.5μL/min条件下向上稳定流动过程的速度云图，可以看出即使在驱替过程中没有形成大面积的圈闭残余油，但由于部分流道之间相互截断使得喉道或孔隙中夹杂一段油相或油水界面，改变部分流路的流动方向以及流场速度分布。从图15(a)中可以看到视场上半部分堵塞的喉道与孔隙要多于下半部分，导致上半部分流路中的流速要大于下半部分流路中的流速。对图15(a)中上游被虚线框选的水平孔隙速度场进行截取并从左到右依次进行划分得到(1)-(7)的编号孔隙，提取相应孔隙的速度云图以及白色虚线对应的流体流速得到图15(b)。从图15(b)中可以发现孔隙中的速度变化与向下驱替过程中的速度变化相似，当孔隙中上下两侧流道都能流通时孔隙中流速存在两个峰值，当孔隙两侧流道不全都能流动时孔隙中流速就只有一个峰值，从对应流线上可以看出这种变化是由于流体之间相互作用引起的。与图9相比，向上驱替过程的孔隙流速(4.24～9.17×10-4m/s)要高于向下驱替过程的孔隙流速(3～5×10-4m/s)，这是由于向上驱替过程前缘推进阻力较大，使得流路中的孔隙压力升高，导致整体流速增大。图15(c)展示了图15(a)中实现方框处多孔介质内的视场和速度场，由于在油相中没有适合的示踪粒子，无法对被困在喉道内的油相是否存在粘性诱导剪切旋转运动进行验证，但是在速度云图中可以看到在两相界面处水相速度场存在一个速度梯度变化。对从孔隙中心到两相界面处的A-B路径进行速度提取得到水平速度和纵向速度/>沿A-B路径的变化，两个速度在界面处附近逐渐降低到最小并保持恒定，最终测得在界面处的纵向和水平速度分别为0.713×10-4m/s和0.439×10-4m/s，与孔隙中心速度仅相差一个数量级。在界面处显示非零速度分布说明两相流体之间存在相互作用，两相界面处的粘性耦合效应不能忽略，这个实验现象与Roman等人得到的结论相同，这为多孔介质中两相流的建模，特别是地质储层中的CO2封存或地下水的修复提供了相应的数据及现象。
在0.5μL/min的向上驱替过程中也能够观察到与向下驱替过程类似的海恩斯跳跃现象，如图16(a)所示为在t＝29.6～30.2s之间发生的一次海恩斯跳跃过程的速度云图，图16(b)为发生海恩斯跳跃时前缘推进过程，当前缘在狭窄喉道处积累足够压力后，两相界面流出喉道时界面曲率半径增大，毛细阻力减小产生较大的压力释放，造成快速的流动，将界面推进到相邻的喉道后恢复缓慢流动来重新积累压力。对海恩斯跳跃过程中A-B路径上对应的流体流速进行提取得到图16(c)，在发生海恩斯跳跃前这条路径上的平均流速为3.39×10-4m/s，发生海恩斯跳跃时的最大流速能达到25.02×10-4m/s，两个速度之间相差一个数量级，说明海恩斯跳跃现象同样能够在很大程度上影响前缘附近流路中的流速。
随着注入流量的增加，入口处的注入压力增加，使得前缘处压力累积更快，并在压力释放时产生更大的压力降，发生海恩斯跳跃现象时产生的最大速度也随之增加，如下表4所示。
表4不同流量下发生海恩斯跳跃现象前的流路平均速度、海恩斯跳跃速度以及流动面积比
对比不同注入流量条件下发生海恩斯跳跃前流路平均速度和跳跃速度的差距，发现只有在0.5μL/min条件下两者相差7.38倍，而在其他条件下两者相差的大小都稳定保持在2～2.7倍之间，对比表3的向下驱替过程中发生海恩斯跳跃前流路平均速度和跳跃速度的差距，发现除了8μL/min条件外，其余条件下两个速度之间相差都在3倍以上，在8μL/min条件下两个速度相差为2.48倍。而且向上和向下驱替过程在稳定驱替状态下海恩斯跳跃速度与流路平均速度相差保持在2～3倍之间，而在不稳定驱替状态下海恩斯跳跃要比跳跃前流路速度大3倍以上。图17展示了不同注入流量条件下主流路中某一个孔隙的流体速度随驱替过程的变化，在0.5μL/min的低注入流量下可以看到在驱替过程的早期速度变化存在一些波动，在驱替过程的中期孔隙中就没有发生速度跳变的情况，并且随着流动的进行速度逐渐增加，直到两相前缘在突破多孔介质区域时由于阻力较大产生一个憋压行为，导致形成一个先减小后增大的速度波动。与向下驱替过程相比，向上驱替过程的海恩斯跳跃现象对多孔介质中上游流动状态的影响范围减小，多孔介质出口处存在较大阻力对大范围内流路流动产生影响。随着注入流量的增大，驱替相的粘性力逐渐增大并成为主导力，削弱了驱替过程前期的海恩斯跳跃速度波动以及驱替过程后期由于出口阻力产生的速度波动，使得流路中的速度变化逐渐趋于稳定。从图4中可以发现不同条件下的流动面积比，随着注入流量的增加，流动面积比逐渐增大，在8μL/min条件下达到了0.972，说明在此条件下流路之间相互连通，由于流路之间相互截断所造成的死孔面积很小，且向上驱替过程的流动面积比在相同条件下要大于向下驱替过程，这是由于前缘推进方式不同所造成的结果。
随着注入流量的增大，粘性力增大并逐渐成为主导力，在8μL/min条件下也出现了与向下驱替过程中相同的阻碍流动油水界面被突破现象，如图18所示。在t＝14.4s和t＝21.93s时流路分别突破了图中标注的阻断水相连通的油水界面，与向下驱替过程不同的是两条流路流通后对于整体驱替过程的流动状态没有产生很大的影响，如流体的流动方向和速度场的改变，这是因为在此注入流量下多孔介质内的流动面积比很大，死孔面积很小，很难通过突破油水界面连接死孔流路而对整体的流动状态产生影响，而对于流动面积比较小的向下驱替过程更容易改变流动状态。图19统计不同注入条件下稳定流动过程中和/>速度矢量的密度分布以及数量累积百分比，图中给出了/>以及/>的速度数量累积百分比，可以看出水平速度矢量以/>呈对称分布，且在不同条件下水平正向速度和负向速度的占比都能保持在45％～55％之间，说明向上驱替过程在水平方向上没有太大的偏差，前缘整体上沿着竖直方向向上推进，并且纵向的正向速度占比也能稳定保持在92％以上，说明由于流路堵塞而造成的绕流流路占比较少，相比向下驱替过程，向上驱替过程中前缘的推进更加平稳，与油水两相向上驱替状态相图相匹配。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统，其特征在于，包括微模型(1)，微模型(1)的一侧设置有第一微量进液泵(2)和第二微量进液泵(3)，第一微量进液泵(2)和第二微量进液泵(3)通过三通阀(4)与微模型(1)连接；
所述微模型(1)的另一侧依次设置有物镜(5)、第一滤波器(6)、倾斜的反光镜(7)、第二滤波器(8)、摄影机构(9)和计算机，所述物镜(5)的外侧设置有环状的LED光源(10)，反光镜(7)的上方设置有激光器(11)，所述激光器(11)配有电源。
2.如权利要求1所述的基于micro-PIV的粒子成像测速系统，其特征在于，所述微模型(1)包含均质多孔介质芯片(12)和芯片夹持器(13)，均质多孔介质芯片(12)通过芯片夹持器(13)进行夹持固定，均质多孔介质芯片(12)分别与第一微量进液泵(2)和第二微量进液泵(3)连接。
3.如权利要求2所述的基于micro-PIV的粒子成像测速系统，其特征在于，所述均质多孔介质芯片(12)通过在硼硅酸盐玻璃基板上采用化学刻蚀法刻蚀而成，均质多孔介质芯片(12)入口端的两侧分别开设有储液槽。
4.如权利要求2所述的基于micro-PIV的粒子成像测速系统，其特征在于，所述均质多孔介质芯片(12)的渗透率为K＝2.5Darcy，孔隙度为φ＝0.52，孔隙直径为r＝90μm，喉道直径为d＝50μm，相邻固结颗粒距离为a＝200μm，多孔介质特征长度为l＝55μm。
5.如权利要求1所述的基于micro-PIV的粒子成像测速系统，其特征在于，所述激光器(11)为Nd:YAG双腔脉冲激光器，激光器(11)的波长为532nm，宽度为5ns，最高脉冲频率为15Hz，最高能量为200mJ，第一滤波器(6)的波长为532nm，第二滤波器(8)的截止波长为540nm。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的基于micro-PIV的粒子成像测速系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对基于micro-PIV的粒子成像测速系统的硬件连接按数据流向进行检查，并对激光器(11)电源的冷却水的体积进行检查，检查无误后开启冷却水泵，对激光器(11)上电，2分钟后开启激光器(11)电源箱电源，将激光器(11)设置为外控模式，对硬件参数进行设置，同时设置PIV实验工作路径；
S2、调节摄影机构(9)的角度，采集标定板图像，进行摄影机构(9)定标，对摄影机构(9)的采集参数进行设置；
S3、对均质多孔介质芯片(12)进行清洗并重置芯片内通道润湿性；
S4、对步骤S3得到的清洗干净的均质多孔介质芯片(12)用无水乙醇进行饱和，接着通过第一微量进液泵(2)将被驱替相快速过量注入到均质多孔介质芯片(12)内以取代均质多孔介质芯片(12)中的无水乙醇，静置一小时使均质多孔介质芯片(12)老化；
S5、开启LED光源，将步骤S4得到的老化的均质多孔介质芯片(12)移动至视场范围内，选择合适的放大倍数，调节摄影机构(9)的焦距使画面清晰，然后通过第二微量进液泵(3)将驱替相注入到老化的均质多孔介质芯片(12)内进行油水两相驱替实验，同时打开激光器(11)形成粒子图像，然后通过摄影机构(9)进行粒子图像的采集与保存，得到粒子图像；
S6、将步骤S5得到的粒子图像根据粒子数量将区域自动划分成有用与无用区域，得到最终水相的速度场，然后对速度场进行分析和数据的提取。
7.如权利要求6所述的基于micro-PIV的粒子成像测速系统的使用方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：
S31、通过第一微量进液泵(2)注入清洗剂对均质多孔介质芯片(12)内通道进行冲刷，接着干燥均质多孔介质芯片(12)内通道；
S32、利用液滴形状分析仪(DSA100)通过座滴法测得芯片呈油润湿，被驱替相作为润湿相，驱替相作为非润湿相在芯片上的接触角为θ＝59.5°。
8.如权利要求6所述的基于micro-PIV的粒子成像测速系统的使用方法，其特征在于，步骤S4中，所述驱替相通过垂直向上注入方式和垂直向下注入方式分别注入到老化的均质多孔介质芯片(12)内，且各注入方式均采用多种不同的注入流量注入，注入流量的范围为0.5-8μL/min。
9.一种如权利要求1-5任一项所述的基于micro-PIV的粒子成像测速系统在多孔介质空隙尺度两相界面演变机理研究上的应用。
CN202211504446.9A 2022-11-28 2022-11-28 一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统、使用方法及其应用 Pending CN116930547A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211504446.9A CN116930547A (zh) 2022-11-28 2022-11-28 一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统、使用方法及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211504446.9A CN116930547A (zh) 2022-11-28 2022-11-28 一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统、使用方法及其应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116930547A true CN116930547A (zh) 2023-10-24

Family

ID=88390280

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211504446.9A Pending CN116930547A (zh) 2022-11-28 2022-11-28 一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统、使用方法及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116930547A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Roumpea et al. Experimental studies on droplet formation in a flow-focusing microchannel in the presence of surfactants
Yun et al. Creation of a dual-porosity and dual-depth micromodel for the study of multiphase flow in complex porous media
Lumma et al. Flow profile near a wall measured by double-focus fluorescence cross-correlation
Inglis et al. Critical particle size for fractionation by deterministic lateral displacement
Alava et al. Imbibition in disordered media
Koochesfahani et al. Molecular tagging velocimetry
Baroud et al. Thermocapillary valve for droplet production and sorting
Yao et al. On the leakage flow around gas bubbles in slug flow in a microchannel
Kazemifar et al. A methodology for velocity field measurement in multiphase high‐pressure flow of CO2 and water in micromodels
Blois et al. A microscopic particle image velocimetry method for studying the dynamics of immiscible liquid–liquid interactions in a porous micromodel
Maynes et al. Velocity profile characterization in sub-millimeter diameter tubes using molecular tagging velocimetry
Hof et al. Turbulence regeneration in pipe flow at moderate Reynolds numbers
Heshmati et al. Interfacial boundary conditions and residual trapping: A pore-scale investigation of the effects of wetting phase flow rate and viscosity using micro-particle image velocimetry
Zhang et al. Microscopic remaining oil initiation mechanism and formation damage of CO2 injection after waterflooding in deep reservoirs
Bolster The fluid mechanics of dissolution trapping in geologic storage of CO2
Liu et al. Laser-induced fluorescence (LIF) studies of liquid–liquid flows. Part I: flow structures and phase inversion
Sun et al. A microfluidic study of transient flow states in permeable media using fluorescent particle image velocimetry
Mohand et al. Molecular tagging velocimetry by direct phosphorescence in gas microflows: correction of Taylor dispersion
Javadpour et al. Nanotechnology-based micromodels and new image analysis to study transport in porous media
CN116930547A (zh) 一种基于micro-PIV的粒子成像测速系统、使用方法及其应用
Guo et al. Crossover from diffusive to convective regimes during miscible displacements in 2D porous media
Li et al. Pore-Scale Dynamics of Liquid CO2–Water Displacement in 2D Axisymmetric Porous Micromodels Under Strong Drainage and Weak Imbibition Conditions: High-Speed μPIV Measurements
Faasen et al. Diffusive and convective dissolution of carbon dioxide in a vertical cylindrical cell
Yamaguchi et al. Micro-molecular tagging velocimetry of internal gaseous flow
Shen et al. Transient flow patterns of start-up flow in round microcavities

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination