本發(fā)明涉及一種微觀物理模擬實驗裝置及方法，特別是關(guān)于一種水驅(qū)油微觀物理模擬實驗裝置及方法。

背景技術(shù)：

國內(nèi)外微觀物理模擬實驗起步較早，1952年，chatenever等使用玻璃材料制作粒狀充填微觀模型來研究多孔介質(zhì)驅(qū)替過程的可視化研究，分析了微觀剩余油的形態(tài)和形成機理。中國科學院滲流所于1960年代就提出了“微觀滲流”的思想，郭尚平院士利用微觀物理模型對滲流機理進行了大量實驗研究，開展了注水指進發(fā)育和孔隙級機制研究，并闡述了油水二相滲流機理。lenormand通過玻璃刻蝕模型驅(qū)替實驗，研究了孔隙尺度下的油水兩相滲流規(guī)律，認為驅(qū)替前緣的油水分布情況與粘滯力和毛管力的相互作用有關(guān)，在此基礎(chǔ)上討論了利用相圖和統(tǒng)計模型表征非混相驅(qū)替的方法。

但介于芯片制作材料、工藝和數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備的局限性，導(dǎo)致了芯片通道尺度過大且尺寸不能定量控制，驅(qū)替實驗過程流量和壓力也無法定量描述，很多微觀模型不能稱之為微流控芯片，所以之前大部分學者的相關(guān)研究都是以描述驅(qū)替過程、剩余油位置，分析潤濕性影響等現(xiàn)象觀察的定性描述為主，缺乏對流動狀態(tài)、流動路徑、剩余油狀態(tài)參數(shù)(賦存位置、油水接觸關(guān)系、形態(tài))等的定量研究。隨著芯片材料的優(yōu)選，制作工藝與配套設(shè)備的逐漸進步，微觀模型逐漸實現(xiàn)了微納尺度通道中對低雷諾數(shù)或?qū)恿鳁l件下微流體進行驅(qū)替控制的相關(guān)技術(shù)，將在石油工業(yè)發(fā)揮巨大作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種水驅(qū)油微觀物理模擬實驗裝置及方法，該裝置能夠?qū)τ鸵夯旌弦何灰七M行掃描，掃描結(jié)果更加直觀，同時能夠根據(jù)掃描結(jié)果給出驅(qū)替過程中油液和水移動的體積及質(zhì)量的定量描述。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種水驅(qū)油微觀物理模擬實驗裝置，其特征在于：其包括油液微觀觀測系統(tǒng)、液面激光掃描系統(tǒng)、計算機終端、設(shè)置在所述油液微觀觀測系統(tǒng)上的第一試樣以及設(shè)置在所述液面激光掃描系統(tǒng)上的第二試樣；所述液面激光掃描系統(tǒng)包括平臺、支撐架、電機、絲杠、平移臺、激光傳感器、廢液回收器、支架和液壓泵；所述平臺頂部兩側(cè)分別相對設(shè)置所述支撐架和電機；所述支撐架頂部設(shè)置所述第二試樣，所述支撐架一端的所述平臺頂部設(shè)置用于回收廢液的所述廢液回收器；所述電機的所述絲杠上設(shè)置可平行移動的所述平移臺，所述平移臺上設(shè)置所述激光傳感器；所述平臺底部設(shè)置所述支架，且所述平臺底部與所述支架之間設(shè)置有可升降的所述液壓泵；所述激光傳感器與所述計算機終端相連，用于對所述第二試樣進行激光掃描，并將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送到所述計算機終端。

所述油液微觀觀測系統(tǒng)采用光學顯微鏡。

所述第一試樣放置在底板上，所述第一試樣一端上表面設(shè)置有油入口和水入口，所述油入口與所述第一試樣內(nèi)部設(shè)置的輸油管線相連通，所述水入口與所述第一試樣內(nèi)部設(shè)置的輸水管線相連通，所述輸油管線與所述輸水管線之間連通，所述輸水管線另一端作為第一油液出口與所述第二試樣相連。

所述第二試樣放置在底板上，所述第二試樣內(nèi)部設(shè)置有一單通道輸油管線，所述單通道輸油管線兩端分別作為第二油液進口和第二油液出口，所述第二油液進口通過入口管線與所述第一試樣的第一油液出口相連，所述第二油液出口通過出口管線設(shè)置在所述廢液回收器上方。

所述第二試樣表面與所述單通道輸油管線相鄰處還設(shè)置有用于觀測油液流動的刻度。

一種采用所述實驗裝置的水驅(qū)油微觀物理模擬實驗方法，其特征在于包括以下步驟：1)將第一試樣固定安裝在光學顯微鏡上，并通過觀察光學顯微鏡調(diào)整第一試樣使其處于一個便于觀察的高度；2)將第二試樣固定安裝在液面激光掃描系統(tǒng)內(nèi)的支撐架上，并將第二試樣的油液進口通過入口管線與第一試樣的油液出口相連，第二試樣的油液出口通過出口管線設(shè)置在廢液回收器上方；3)通過調(diào)節(jié)液壓泵的高度調(diào)節(jié)平臺的高度，進而使得第二試樣的高度與光學顯微鏡上第一試樣高度相同；4)分別向第一試樣的油入口和水入口注入油和水，注入的油和水在第一試樣的輸油管線和輸水管線的連接處混合，并由第一試樣的油液出口進入第二試樣的油液進口，過程中采用光學顯微鏡進行油液微觀觀測；5)啟動電機，電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)從而帶動平移臺上面的激光傳感器來回掃描第二試樣中的油液液面，并將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機終端進行處理，完成油液體積以及質(zhì)量的計算。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明由于液面激光掃描系統(tǒng)中平臺底部與支架之間設(shè)置有可升降的液壓泵，可以調(diào)節(jié)平臺的上下高度，進而調(diào)節(jié)第二試樣的高度，使得兩試樣處于同一高度，有效避免了兩試樣因為重力產(chǎn)生壓差，進而影響模擬實驗效果。2、本發(fā)明由于液面激光掃描系統(tǒng)中設(shè)置有激光傳感器，且該激光傳感器可以在電機驅(qū)動下左右移動，對第二試樣中油液混合液位移進行掃描，并通過計算機終端進行顯示，實驗結(jié)果更加直觀。3、本發(fā)明由于可以通過激光傳感器掃描一段時間內(nèi)油液移動位置，進而計算出單位時間內(nèi)油和水移動的體積及質(zhì)量，對水驅(qū)油實驗過程中流量給出了定量描述。本發(fā)明結(jié)果簡單，操作方便，可以廣泛應(yīng)用于石油領(lǐng)域微觀物理模擬實驗研究領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明水驅(qū)油微觀物理模擬實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明水驅(qū)油微觀物理模擬實驗裝置液面激光掃描系統(tǒng)軸測圖；

圖3是本發(fā)明水驅(qū)油微觀物理模擬實驗裝置液面激光掃描系統(tǒng)俯視圖；

圖4是本發(fā)明水驅(qū)油微觀物理模擬實驗裝置油液微觀觀測系統(tǒng)；

圖5是本發(fā)明水驅(qū)油微觀物理模擬實驗裝置第一試樣的俯視圖；

圖6是本發(fā)明水驅(qū)油微觀物理模擬實驗裝置第一試樣的剖視圖；

圖7是本發(fā)明水驅(qū)油微觀物理模擬實驗裝置第二試樣的剖視圖；

圖8是本發(fā)明水驅(qū)油微觀物理模擬實驗裝置t1時刻激光掃描圖；

圖9是本發(fā)明水驅(qū)油微觀物理模擬實驗裝置t2時刻激光掃描圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種水驅(qū)油微觀物理模擬實驗裝置，包括油液微觀觀測系統(tǒng)1、液面激光掃描系統(tǒng)2、計算機終端3、設(shè)置在油液微觀觀測系統(tǒng)1上的第一試樣4以及設(shè)置在液面激光掃描系統(tǒng)2上的第二試樣5。

如圖2、圖3所示，液面激光掃描系統(tǒng)2包括平臺201、支撐架202、電機203、絲杠204、平移臺205、激光傳感器206、廢液回收器207、支架208和液壓泵209。平臺201頂部兩側(cè)分別相對設(shè)置支撐架202和電機203；支撐架202頂部設(shè)置第二試樣5，支撐架202一端的平臺201頂部設(shè)置用于回收廢液的廢液回收器207；電機203的絲杠204上設(shè)置可平行移動的平移臺205，平移臺205上設(shè)置激光傳感器206。平臺201底部設(shè)置支架208，且平臺201底部與支架208之間設(shè)置有可升降的液壓泵209。激光傳感器206與計算機終端3相連，用于對第二試樣5進行激光掃描，并將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機終端3。

如圖4所示，油液微觀觀測系統(tǒng)1采用光學顯微鏡101。

如圖5、圖6所示，第一試樣4放置在底板401上，第一試樣4一端上表面設(shè)置有油入口402、水入口403，油入口402與第一試樣4內(nèi)部設(shè)置的輸油管線404相連通，水入口403與第一試樣4內(nèi)部設(shè)置的輸水管線405相連通，且輸油管線404與輸水管線405之間連通，油液與水在輸油管線404與輸水管線405連通處混合后，由輸水管線405另一端的油液出口406排出，進入第二試樣5。

如圖7所示，第二試樣5放置在底板501上，第二試樣5內(nèi)部設(shè)置有一單通道輸油管線502，單通道輸油管線502兩端分別作為油液進口503和油液出口504，油液進口503通過入口管線505與第一試樣4的油液出口406相連，油液出口504通過出口管線506設(shè)置在廢液回收器207上方。第二試樣5表面與單通道相鄰處還設(shè)置有用于觀測油液流動的刻度(圖中未示出)。

上述實施例中，第一、第二試樣4、5內(nèi)部各輸油管線、輸水管線的孔徑均相同。

基于上述水驅(qū)油微觀物理模擬實驗裝置，本發(fā)明還提供一種水驅(qū)油微觀物理模擬實驗方法，包括以下步驟：

1)將第一試樣4固定安裝在光學顯微鏡101上，并通過觀察光學顯微鏡101調(diào)整第一試樣4使其處于一個便于觀察的高度。

2)將第二試樣5固定安裝在液面激光掃描系統(tǒng)2內(nèi)的支撐架202上，并將第二試樣5的油液進口通過入口管線505與第一試樣4的油液出口406相連，第二試樣5的油液出口504通過出口管線506設(shè)置在廢液回收器207上方。

3)通過調(diào)節(jié)液壓泵209的高度調(diào)節(jié)平臺201的高度，進而使得第二試樣5的高度與光學顯微鏡101上第一試樣4高度相同。

4)分別向第一試樣4的油入口402和水入口403注入油和水，注入的油和水在輸油管線404和輸水管線405的連接處混合，并由輸水管線405的油液出口406進入第二試樣5，該過程中通過光學顯微鏡101進行油液微觀觀測。

5)啟動電機203，電機203帶動絲杠204旋轉(zhuǎn)從而帶動平移臺205上面的激光傳感器206來回掃描第二試樣5中的油液液面，并將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機終端3進行處理，完成油液體積以及質(zhì)量的計算。

如圖8、圖9所示，分別為t1、t2時刻激光傳感器206的掃描圖譜。從圖中可以得到，在(t2-t1)時刻油液的移動位移為x1(其中油液位移為x2，水位移為x3)。同時，從第二試樣的刻度可以量出油液的實際移動位移，將油液位移x2與水位移x3相加后與第二式樣上的刻度可驗算是否等于x1。假設(shè)第二試樣5的孔直徑為d，則其中油液混合液驅(qū)動速度為s＝x1/(t2-t1)；單位時間內(nèi)油液混合液移動體積v＝πd²(t2-t1)/4x1；單位時間內(nèi)水移動質(zhì)量m1＝ρ水gπd²(t2-t1)/4x2；單位時間內(nèi)油移動質(zhì)量m2＝ρ油gπd²(t2-t1)/4x3。

上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進行的等同變換和改進，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。