一種氣體擴散速度測定裝置及應用的制作方法
【專利摘要】一種氣體擴散速度測定裝置，包括比色皿、所述比色皿設置在所述的控溫池內，在所述控溫池和比色皿之間設置有一組透光圓孔，在所述控溫池外部與所述透光圓孔相對的位置分別設置有LED光源和CCD探頭，所述LED光源經控溫池、透光圓孔、比色皿、透光圓孔和控溫池穿出，被CCD探頭探測；在所述比色皿中設置有溫度傳感器；在比色皿上設置有兩個相對設置的鉤形針筒，所述兩個鉤形針筒分別與微量泵相連通。本發明中可以在設定溫度下形成可控體積的氣泡，同時利用了光學測量的方法，使氣泡在測試過程中不會受到測試手段的干擾，保證了測試結果的準確性及可對比性。
【專利說明】一種氣體擴散速度測定裝置及應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種氣體擴散速度測定裝置及應用，屬于石油、天然氣開采用泡沫流 體性能評價裝置的【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 泡沫作為一種高效、智能、環保的流體，在油氣田開發領域正逐漸推廣。石油工程 的整個過程，從初期泡沫欠鉆井、到泡沫水泥漿固井以及泡沫壓裂、再到油氣井泡沫沖砂、 洗井、排液、誘噴、酸洗、酸化等作業，最后到地層中泡沫調剖堵水、泡沫驅，泡沫技術均得到 了良好的利用并體現出其獨特的優勢。
[0003] 在泡沫的應用過程中，穩定性是其各相性能優勢有效發揮的基礎。目前普遍認 為，泡沫的穩定性主要影響因素為：①泡沫中液體的流失；②氣體透過液膜的擴散。對于 第一種影響因素目前已經有一系列的評價測試方法，諸如Waring Blender析液半衰期 法、Ross-Miles析液半衰期法、泡沫液電阻率測試法等，且技術技術都已經較成熟，并廣泛 應用。然而，對于第二種影響因素的研究，大多集中在的假設推導及建立模型階段，如De Vries提出的氣體擴散規律、Lemlich提出的泡沫生長定律、Ross等人推導的封閉體系泡沫 方程等，而對氣體透過液膜擴散速度的相關實驗研究較少，缺少精確的、可控的、可重復的 實驗方法對氣體透過液膜的擴散速度進行的定量測試。
[0004] 如在《中國石油大學學報》自然科學版2014年第4期中，記載了由孫乾發表的 《Si0 2納米顆粒穩定的泡沫體系驅油性能研究》一篇文章。該文章雖然提出了 SiO2納米顆 粒分散在泡沫液膜中從而降低氣體擴散速度的機理，但對泡沫穩定性能影響因素的研究中 仍然僅是采用Waring Blender析液半衰期法進行研究，并沒有提出氣體擴散速度的測定方 法及相關實驗數據。
【發明內容】
[0005] 針對現有技術的不足，本發明提供一種氣體擴散速度測定裝置，該裝置彌補了現 有泡沫評價裝置中缺少氣體擴散速度測定的不足，可精確得測量5?95°C范圍內各類泡沫 液體系中氣體的擴散速度，可對比性及可重復性強。
[0006] 本發明還提供一種上述氣體擴散速度測定裝置的使用方法。
[0007] 本發明技術方案在于：
[0008] -種氣體擴散速度測定裝置，包括比色皿、所述比色皿設置在所述的控溫池內，在 所述控溫池和比色皿之間設置有一組透光圓孔，在所述控溫池外部與所述透光圓孔相對的 位置分別設置有LED光源和CCD探頭，所述LED光源經控溫池、透光圓孔、比色皿、透光圓孔 和控溫池穿出，被CCD探頭探測；
[0009] 在所述比色皿中設置有溫度傳感器；
[0010] 在比色皿上設置有兩個相對設置的鉤形針筒，所述兩個鉤形針筒分別與微量泵相 連通；
[0011] 所述溫度傳感器的電信號端與計算機相連；所述CCD探頭的信息采集端與所述計 算機相連；
[0012] 所述計算機控制所述微量泵通過氣體閥門、所述兩個鉤形針筒向所述比色皿內注 入氣體。所述鉤形針筒的作用是產生兩個相鄰近的氣泡，同時可以使每個氣泡的形狀沿垂 向中心軸對稱，便于氣泡的體積計算。
[0013] 根據本發明優選的，所述鉤形針筒內徑的范圍為50?500 μ m。本發明優選該內徑 范圍的針筒所產生的氣泡尺度可以匹配絕大部分油氣田生產用泡沫中氣泡尺度。
[0014] 根據本發明優選的，所述鉤形針筒彎曲半徑的范圍為2?5mm。本發明優選該彎曲 半徑的作用在于減弱氣泡距離鉤形針筒堅直段太近產生的實驗影響，又有利于實現和保持 兩鉤形針筒間彎曲段的平行度，保證了實驗的精確性及穩定性。
[0015] 根據本發明優選的，所述的溫控池與水浴鍋相連通。所述控溫池內部可循環蒸餾 水，作用是將比色皿中溶液加熱到測試溫度。
[0016] 根據本發明優選的，所述兩個鉤形針筒通過調距尺固定在所述比色皿內，所述調 距尺用于調整兩個鉤形針筒之間的距離。
[0017] 根據本發明優選的，所述兩個鉤形針筒與微量泵之間通過聚四氟乙烯軟管線相 連。
[0018] 根據本發明優選的，所述比色皿的外部尺寸為30mmX30mmX70mm，容積為35mL, 容積為作用是盛放測試溶液。采用該尺寸和容積的比色皿，其容納適量的測試溶液，使其在 固定粘度下實現最優觀察氣泡生成、擴散的效果。
[0019] 根據本發明優選的，所述LED光源包括三個檔位：150流明、250流明、350流明。此 處設計的作用是分別產生不同功率的入射光，根據不同試驗的需要，照射比色皿，產生透射 光。
[0020] 一種上述氣體擴散速度測定裝置的使用方法，包括如下步驟：
[0021] (1)將待測試溶液攪拌均勻后倒入比色皿中，通過調距尺調節兩鉤形針筒的距 離；
[0022] (2)利用水浴鍋對控溫池進行恒溫加熱，直至將所述待測溶液加熱到試驗溫度；
[0023] (3)打開LED光源開關，設定光源檔位，同時打開C⑶探頭，調節C⑶探頭位置，直 到計算機上顯示出清晰的兩個鉤形針筒彎曲段及鉤形針筒上的出氣口；
[0024] (4)打開兩個微量泵開關，向微量泵中注入測試氣體后，連接微量泵與鉤形針筒， 控制微量泵向鉤形針筒內注入氣體的流速及時間，在鉤形針筒出氣口處生成兩個氣泡，且 氣泡附著在鉤形針筒的出氣口不至脫落；
[0025] (5)通過計算機實時采集步驟（4)所產生氣泡的二維切面圖像，處理圖像并計算 所述氣泡的體積：
[0026] 將采集到的氣泡二維切面圖沿垂向劃分為N個等高的外接圓梯形，采集每個梯形 上底和下底寬度Cl i和di+1 ;其中所述每個等高的外接圓梯形為立體的三維圓臺結構；所述 采集的梯形上底、下底寬度Cli和di+1等于對應的三維圓臺的上底、下底面圓直徑長度；進 行三維圓臺的體積加和計算，即可得到截取圖像時的氣泡體積V，該體積V為氣泡的實測體 積，計算公式如下：
[0027]
【權利要求】
1. 一種氣體擴散速度測定裝置，其特征在于，該裝置包括比色皿、所述比色皿設置在所 述的控溫池內，在所述控溫池和比色皿之間設置有一組透光圓孔，在所述控溫池外部與所 述透光圓孔相對的位置分別設置有LED光源和C⑶探頭，所述LED光源經控溫池、透光圓 孔、比色皿、透光圓孔和控溫池穿出，被C⑶探頭探測； 在所述比色皿中設置有溫度傳感器； 在比色皿上設置有兩個相對設置的鉤形針筒，所述兩個鉤形針筒分別與微量泵相連 通； 所述溫度傳感器的電信號端與計算機相連；所述CCD探頭的信息采集端與所述計算機 相連； 所述計算機控制所述微量泵通過氣體閥門、所述兩個鉤形針筒向所述比色皿內注入氣 體。
2. 根據權利要求1所述的一種氣體擴散速度測定裝置，其特征在于，所述鉤形針筒內 徑的范圍為50?500μm。
3. 根據權利要求2所述的一種氣體擴散速度測定裝置，其特征在于，所述鉤形針筒彎 曲半徑的范圍為2?5mm。
4. 根據權利要求1所述的一種氣體擴散速度測定裝置，其特征在于，所述的溫控池與 水浴鍋相連通。所述控溫池內部可循環蒸餾水，作用是將比色皿中溶液加熱到測試溫度。
5. 根據權利要求1所述的一種氣體擴散速度測定裝置，其特征在于，所述兩個鉤形針 筒通過調距尺固定在所述比色皿內，所述調距尺用于調整兩個鉤形針筒之間的距離。
6. 根據權利要求1所述的一種氣體擴散速度測定裝置，其特征在于，所述兩個鉤形針 筒與微量泵之間通過聚四氟乙烯軟管線相連。
7. 根據權利要求1所述的一種氣體擴散速度測定裝置，其特征在于，所述比色皿的外 部尺寸為30mmX30mmX70mm，容積為35mL，容積為作用是盛放測試溶液。
8. 根據權利要求1所述的一種氣體擴散速度測定裝置，其特征在于，所述LED光源包括 三個檔位：150流明、250流明、350流明。
9. 一種如權利要求1-8任意一項所述氣體擴散速度測定裝置的使用方法，其特征在 于，該方法包括如下步驟： (1) 將待測試溶液攪拌均勻后倒入比色皿中，通過調距尺調節兩鉤形針筒的距離； (2) 利用水浴鍋對控溫池進行恒溫加熱，直至將所述待測溶液加熱到試驗溫度； (3) 打開LED光源開關，設定光源檔位，同時打開CCD探頭，調節CCD探頭位置，直到計 算機上顯示出清晰的兩個鉤形針筒彎曲段及鉤形針筒上的出氣口； (4) 打開兩個微量泵開關，向微量泵中注入測試氣體后，連接微量泵與鉤形針筒，控制 微量泵向鉤形針筒內注入氣體的流速及時間，在鉤形針筒出氣口處生成兩個氣泡，且氣泡 附著在鉤形針筒的出氣口不至脫落； (5) 通過計算機實時采集步驟（4)所產生氣泡的二維切面圖像，處理圖像并計算所述 氣泡的體積： 將采集到的氣泡二維切面圖沿垂向劃分為N個等高的外接圓梯形，采集每個梯形上底 和下底寬度Cli和di+1 ;其中所述每個等高的外接圓梯形為立體的三維圓臺結構；所述采集 的梯形上底、下底寬度Cli和di+1等于對應的三維圓臺的上底、下底面圓直徑長度；進行三維 圓臺的體積加和計算，即可得到截取圖像時的氣泡體積V，該體積V為氣泡的實測體積，計 算公式如下：
所述31和Si+1為對應三維梯臺上下底面積，mm2,其計算公式為=Si =π屯2/2 ;所述H為 氣泡的高度，mm; (6) 通過微量泵繼續向鉤形針筒內注入氣體； (7) 設定測試時間Λt:從氣泡生成，到氣泡脫離鉤形針筒出氣口時的時間；在Λt內， 每隔1?IOmin分別按照步驟（5)采集氣泡二維切面圖像； (8) 計算氣體擴散速度： 所述測試時間Λt內，氣體平均擴散擴散速度Q計算公式如下：
所述分別為初始時刻在兩個鉤形針筒出氣口處氣泡A和氣泡B的體積，mm3 ; 所述VA、Vb分別為經測試時間Λt后，所述氣泡A、氣泡B的體積，mm3。
【文檔編號】G01N13/00GK104237077SQ201410488108
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月22日 優先權日:2014年9月22日
【發明者】李兆敏, 呂其超, 李賓飛, 李松巖, 盧擁軍, 邱曉慧, 張昀 申請人:中國石油大學
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