一种裂隙网络两相流实验装置及方法与流程

本发明涉及岩土工程测量仪器领域，尤其涉及一种裂隙网络两相流实验装置及方法。可用来检测和研究岩石裂隙网络两相流特性。

背景技术：

近年来，随着地下能源的开采，核废料的处理，co2的地质封存，地下储油、储气等大型工程的兴建，岩体两相流问题日益引起广泛关注。因地质构造作用，岩体中存在着各种各样的不连续面，如材料分界面，断层，软弱夹层，节理，裂隙等。通常，这些不连续面构成了地下流体的渗流通道，使得裂隙介质的水力学性质不同于多孔介质。当前，关于裂隙岩体两相流的研究多是借鉴多孔介质的相关理论，但是该方法不能很好地反映裂隙介质的两相流特性。因此，从裂隙岩体这一材料性质出发，采用实验的手段研究岩体中单裂隙面、裂隙网络两相流特性是认识，理解裂隙岩体两相流的关键，也是建立合适的裂隙岩体两相流数学模型进而有效预测裂隙岩体两相流行为的基础。

在现有的技术中，中国专利号为cn201510906972.1的发明专利公开了一种“裂隙岩体两相流可视化实验装置”。但该装置的主要功能为观察裂隙岩体中两相流的流动过程和界面变化，不能量测裂隙面中流体压力的大小与分布。这些参数对于裂隙岩体裂隙面两相流的研究同样是非常重要的。chih-yingchen在其博士论文(chih-yingchen.liquid-gasrelativepermeabilitiesinfractures:effectsofflowstructures，phasetransformationandsurfaceroughness[d].stanforduniversity，califonia，2004.)提出一套用于单裂隙面两相流研究的实验装置，但是该装置只能通过流速控制和监测流体的流入和流出。在很多实际情况，压力控制流体的进出也很常见。在裂隙岩体两相流的研究中，特别是对于油—水两相流的研究，油水混合物的处理也是至关重要的，使之既能达到环保要求又能高效利用实验材料。

截止目前，一个可以实时记录两相流流动过程的，有效量测观测点压力变化情况的，既可以通过流速控制又能够通过压力控制流体进出的，同时能有效处理油水混合物的通用的裂隙网络两相流实验装置还未见报道。

技术实现要素：

鉴于上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供了一种通用的裂隙网络两相流实验装置及方法，以满足对裂隙网络两相流研究工作的需要。

一种裂隙网络两相流实验装置，该装置包括一套裂隙网络模型、一套裂隙模型放置台、两套流体供给系统、一套油水分离系统和一套信号采集系统。

裂隙网络模型1由两块尺寸相同的透明亚克力板制作而成，在其中的一块亚克力板内雕刻有裂隙网络，然后通过亚克力板专用胶将其与另一块透明的亚克力板进行粘结。裂隙网络模型1的每个裂隙出口处均安装有裂隙出口转换头，裂隙出口转换头连接裂隙网络模型1和导管。

在裂隙网络模型1的底部设置有多个测压孔1d，各个测压孔1d中布置有水压传感器2，水压传感器2与电脑18相连接，通过水压传感器2实时记录监测测压孔1d位置处的压力大小变化情况。

裂隙网络模型1放置在裂隙模型放置台3上。裂隙模型放置台3上部为铜制多孔结构板3a。铜制多孔结构板3a的四角底部各设有一个可调节高度的螺杆3b，螺杆3b与裂隙模型放置台3的底部支座3c相连。通过旋转螺杆3b上的旋钮调整裂铜制多孔结构板3a的水平度。

裂隙网络模型1的两侧设有两套流体供流系统。每套流体供流系统包括单向阀5、流体分流器6、电子流量计7、流量调节阀8、供流系统箱体、压力表11、泄压阀12、空气压缩机13及导管。其中，供流系统箱体是流体供流系统的核心部件。每套流体供流系统的供流系统箱体均由两个子箱体组成，其中一个子箱体供给流体流出被称为供流箱，另一个子箱体回收流体被称为回收箱。两个子箱体的底部相隔，顶部相通。两套流体供流系统的供流系统箱体内部结构相同。

两套流体供流系统的供流系统箱体分别为供流系统箱体a9和供流系统箱体b10，供流系统箱体9中的两个子箱体被同一个密封盖a9c密封，密封盖a9c顶部装有压力表11和泄压阀12。压力表11和泄压阀12的作用为调节，显示流体供给系统箱体a9内的压力。

供流系统箱体a9的两个子箱体分别为供流箱a9a和回收箱a9b，供流系统箱体b10的两个子箱体分别为供流箱b10a和回收箱b10b；流体供给系统的各个子箱体各被引出一根导管，导管中各安装有一个单向阀5。其中，从供流箱a9a和供流箱b10a引出的单向阀5只能使流体从供流箱a9a、供流箱b10a流出不能使流体流入；从回收箱a9b和回收箱b10b引出的单向阀5只能使流体流入回收箱a9b、回收箱b10b不能使流体流出。从供流箱a9a，供流箱b10a引出的导管上还依次安装有流量调节阀8和电子流量计7。供流箱a9a和供流箱b10a分别连接空气压缩机13，供流箱a9a和供流箱b10a内的压力由空气压缩机13提供。

每套流体供流系统的两个子箱体引出的导管通过流体分流器6与裂隙网络模型1相连接。

油水两相流时，两套流体供给系统中的回收箱a9b、回收箱b10b各通过一根导管与油水分离器14相连通，油水分离器14将回收箱a9b、回收箱b10b中的油水混合物进行分离，通过油水分离器14的出水口15和出油口16将分离出的水和油各通过一根导管分别对应流回供流箱a9a和供流箱b10a。油水分离器14的设计既可降低油水混合物随意排放对环境的污染，又能够实现油水循环利用。

差压计4设置在裂隙网络模型1的两侧，差压计4与电脑18相连，实时监测某两个裂隙出口或入口的压力差；

裂隙网络模型1的正上方放置有高清摄像机17，高清摄像机17与电脑18相连接，通过高清摄像机17实时监测两相流的流动过程和两相流界面的变化情况。

利用所述的裂隙网络两相流实验装置的实验方法，方法流程如下，

步骤1、制作裂隙网络模型1。

步骤2、连接各个装置：用导管将裂隙网络模型1、供流系统箱体a9，供流系统箱体b10、电子流量计7、流量调节阀8、流体分流器6、单向阀5以及差压计4连接起来。

步骤3、安装检测系统：1)将水压传感器2安装于裂隙网络模型1底部的测压孔1d内，并与电脑18进行连接，调节好相关线路和电源；2)将差压计4与电脑18进行连接，调节好相关线路和电源；3)将高清摄像机17与电脑18连接，调节好光线、位置、相关线路和电源。

步骤4、调整模型放置台3上部铜制多孔板3a水平度；

步骤5、检测整个装置的密封性；

步骤6、进行压力控制或者流速控制的裂隙网络两相流实验；

步骤7、重复实验步骤2-步骤6的操作，对设计的所有裂隙网络模型1进行两相流实验；

步骤8、实验完成后，卸下裂隙网络模型和所有连接件，放空供水系统箱体a9，供水系统箱体10和电子流量计7及所有回路中的水，关闭空压机13和油水分离器14，整理好所有实验用具以备以后再用。

从上述技术方案可以看出，本发明裂隙网络两相流实验装置具有以下有益效果：

(1)设计了一种针对裂隙网络两相流的实验装置，通过高速摄像机可实时监测裂隙网络两相流的流动过程和两相流之间的界面变化情况，通过精密水压传感器可实时记录监测点处的压力变化情况，填补了国内外裂隙网络两相流实验装置的空白。

(2)供水系统中供流相和回收箱的集成设计可以使两个箱体的压力保持一致，实现即可通过压力控制流体进出又可通过流速控制流体进出。

(3)油水分离器的设计即既可以实现油水循环利用，又可降低油水混合物随意排放对环境的污染。

上述内容仅是本发明技术方案概述，为更清楚地了解本发明的手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明设计的一种裂隙网络两相流实验装置结构示意图；

图2为图1所示的裂隙网络两相流实验装置中的裂隙网络模型图；

图3为图1所示的裂隙网络两相流实验装置中的模型放置台结构简图；

图4为在调整图3所示的上层多孔板是否处于水平位置时水平尺依次放置的位置；

图5为图1所示的裂隙网络两相流实验装置中的流体供给系统箱体结构简图；

图6为图1所示的裂隙网络两相流实验装置中的流体分流器结构简图；

图7为图1所示的裂隙网络两相流实验装置中，当流体供流系统箱体a9内的压力大于流体供流系统箱体b10内压力时流体的流动方向；

图8为图1所示的裂隙网络两相流实验装置中，当流体供流系统箱体b10内的压力大于流体供流系统箱体a9内压力时流体的流动方向。

图中：1、裂隙网络模型；1a、裂隙网络模型上层；1b、裂隙网路模型下层；1c、裂隙网络模型裂隙出口转换头；1d、裂隙网络模型下层测压孔；2、水压传感器；3、裂隙网络模型放置台；3a、铜制多孔结构板；3b、螺杆；3c、裂隙网络模型放置台下层支座；3d、水平尺；4、差压计；5、单向阀；6、流体分流器；7、电子流量计；8、流量调节阀；9、供流系统箱体a，10、供流系统箱体b；9a、供流箱a，10a、供流箱b；9b、回收箱a，10b、回收箱b；9c、供流系统箱体密封盖；9d、压力表安装孔；9e、泄压阀安装孔；9f、供流箱体密封圈；9g、供流箱出口；9h、供流箱入口；9i、回收箱入口；9j、回收箱出口；9k、气压孔；9l、螺栓孔；11、压力表；12、泄压阀；13、空气压缩机；14、油水分离器；15、出水口；16、出油口；17、高清摄像机；18、电脑。图1中的实线为管道，点画线为导线。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步说明。

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强的裂隙网络两相流实验装置。该实验装置不仅能实现精准反应两相流流动过程，获取监测点流体压力，而且能够实现油水循环利用，降低油水混合物随意排放对环境的污染，更重要的是该装置可以根据研究人员的要求实现流体的进出由压力控制或者由流速控制。

本发明的裂隙网络两相流实验装置主要由五部分组成：裂隙网络模型1、裂隙模型放置台3、流体供给系统、油水分离器和信号采集系统。

信号采集系统包括水压传感器2、差压计4、高清摄像机17和电脑18。

该装置的结构示意图如图1所示，图中标识出了该设备的主要元件，其连接顺序为：裂隙网络模型1底部安装水压传感器2，水压传感器2通过导线与电脑18连接。裂隙网络模型1放置在模型放置台3上。放置台正上方安装有高清摄像机17，高清摄像机17通过导线与电脑18相连。裂隙网络模型1的两侧出口引出导管，根据实验要求在裂隙网络模型左右两侧的某两根导管中设置差压计4，差压计4通过导线与电脑18相连。裂隙网络出口导管通过两个流体分流器6分别与供流箱a9a，供流箱b10a流体出口和回收箱a9b，回收箱b10b流体入口引出的两根导管相连。从供流箱a9a，供流箱b10a流体出口至流体分流器6依次布置有流量调节阀8，电子流量计7和单向阀5；从回收箱流体入口至流体分流器布置有单向阀5。回收箱a9b，回收箱b10b流体出口通过导管与油水分离器14入口相连，供流箱的流体入口与油水分离器的出口相连。供流系统箱体a9，供流系统箱体b10通过导管与空气压缩机机13相连。两套流体供给系统除了内置的流体不一样，其布置与连接顺序完全一样。

图2为一裂隙网络模型示例，主要有三部分组成：裂隙网络模型下层1a，裂隙网络模型上层1b，裂隙出口转换头1c。本示例中的裂隙网络模型下层1尺寸为：220mm×220mm×16mm(长×宽×高)其内设置了随机裂隙。其中，裂隙的隙宽和隙长不等，裂隙深度均为5mm。裂隙与边界的接触出设置了裂隙出口，其在裂隙网络模型下层1b的尺寸为10mm×10mm×7.5mm。裂隙网络模型上层1b尺寸为：220mm×220mm×8mm(长×宽×高)。裂隙网络模型上层1b不雕刻任何裂隙，只在裂隙出口处对应的位置雕刻裂隙出口，尺寸为10mm×10mm×2.5mm。当裂隙网络模型上层1b和裂隙网络模型下层1a粘合时会形成尺寸为10mm×10mm×10mm的裂隙出口。裂隙出口横截面的尺寸要大于裂隙横截面的尺寸，这样可以保证实验过程中流体是全断面进入裂隙的。裂隙与管道通过裂隙出口转换头1c相连接。裂隙出口转换头1c一侧为长方体一侧为圆柱体，相应于10mm×10mm×10mm裂隙出口，裂隙转换头长方体部分的尺寸为：9.0mm×9.0mm×10mm(长×宽×高)；裂隙转换头圆柱体部分的尺寸为9mm×20mm(直径×高度)。

为了量测裂隙网络中某点处流体压力值，需在裂隙网络模型中设置测压孔1d，安装水压传感器2。测压孔1d设置在裂隙网络模型下层亚克力板中相应位置。裂隙网络模型测压孔1d通过攻丝工艺安装水压传感器2的配套内螺纹，方向垂直向下。本示例中的测压孔布置如图2中的测压孔1d所示。

裂隙网络模型1采用透明亚克力板制作，裂隙模型上层1b和裂隙模型下层1a分别制作好之后，使裂隙模型上层1b模型的裂隙出口和裂隙模型下层1a模型的裂隙出口相对，采用亚克力板专用胶将其粘合在一起。

本示例中只给出了一种裂隙分布，实验时裂隙的隙宽，隙长，裂隙深度，裂隙分布，测压点位置均可由研究人员根据需要自行设置。

制作好的裂隙网络模型1放置在裂隙模型放置台3上。裂隙网络模型放置台3结构简图如图3所示，主要由三部分组成：上层多孔板3a，可调节高度螺杆3b，下层底部支座3c。上层多孔板3a上放置裂隙网络模型1，在放置裂隙网络模型1时需要使全部测压孔位置正好位于多孔板内孔的正上方，以方便安装水压传感器。四个螺杆3b分别位于上层多孔板3a四个角的位置，即连接上层铜制多孔板3a和下层底部支座3c，又通过旋转该螺杆3b调节上层铜制多孔板3a水平度。在调节上层铜制多孔板3a时，借助水平尺3d进行辅助调节，水平尺3d的放置位置依次如图4所示的①，②和③，旋转螺杆使水平尺3d在上述三个方位均处于水平位置。

供流系统箱体a9，供流系统箱体b10是流体供给系统的主体，其结构简图如图5所示。每个供流系统箱体a9，供流系统箱体b10均由两个子箱体组成，分别被称为供流箱a9a，供流箱b10a和回收箱a9b，回收箱b10b，如图5所示。供流箱a9a，供流箱b10a和回收箱a9b，回收箱b10b的底部相隔，顶部相通。这样设计的目的为在由空气压缩机13提供压力时两个子箱体的压力能够保持一致。

供流箱a9a中设置有两个管道接口，分别为供流箱流体出口9g和供流箱流体入口9h。供流箱流体出口9g通过管道依次与流量调节阀8，电子流量计7，单向阀5以及流体分流器6与裂隙网络模型1相连。单向阀5靠近流体分流器6，作用为使流体只能从供流系统箱体a9，供流系统箱体b10流入裂隙网络模型1，不能使之反向流动；电子流量计7位于单向阀5和流量调节阀8之间，作用为显示导管中流体的流量；流量调节阀8靠近供流箱a9a，用以调节导管中流体的流量。供流箱流体入口9h向供流系统箱体a9内注入流体。在研究油水两相流时，两个流体供给系统的流体入口通过导管分别连接油水分离器14的水出口15和油出口16。回收箱b10b与供流箱a9a的结构相同。

回收箱a9b中也设置了两个管道接口，分别为回收箱流体入口9i和回收箱流体出口9j。回收箱流体入口9i通过管道，依次与单向阀5，流体分流器6与裂隙网络模型1相连。单向阀5的作用为使流体只能从裂隙网络模型1流入回收箱a9b，不能使之反向流动。回收箱流体出口9j作用为排出回收箱中的流体。在研究油水两相流时，回收箱流体出口9j通过导管与油水分离器14的入口相连。

供流箱a9a的中上部位置设有气压孔9k，气压孔9k通过管道与空气压缩机13相连。供流箱b10a与供流箱a9a的结构相同。

供流系统箱体a9采用如图5所示的密封盖9c和密封圈9f进行密封。密封盖9f顶部设有两个圆形小孔，分别为压力表安装孔9d和泄压阀安装孔9e。密封盖9c，密封圈9f和箱体一周的圆形孔为螺栓孔9l。供流系统箱体b10与供流系统箱体a9的结构相同。

由于从裂隙出口1c引出的导管数量并非一个，对于图2所示的裂隙网络模型，左上侧引出的导管数量为5个，右下侧引出的导管数量为6个。所以从供流箱a9a和回收箱a9b引出的导管各通过一个流体分流器6与裂隙出口1c引出的导管相连，流体分流器6的结构简图如图6所示。流体分流器6的一侧为多孔，另一侧为单孔，流体分流器6的多孔一侧与裂隙出口1c引出的导管相连，流体分流器6单孔一侧与供流箱a9a或与回收箱a9b引出的导管相连。流体分流器6的每个出口均安装有阀门，图中未给出，在实验中根据具体情况打开或关闭流体分流器6中相应的出口。

该实验设备可通过调整供流系统中的压力控制流体的进出，但有时候研究人员更专注裂隙出口和入口处的压力差，为此本实验设备在裂隙出口处设置了差压计4。差压计4具体连接的导管由研究人员根据实验需求设置。差压计4通过导线与电脑18相连可实时记录两出口之间的压力差。为了实时监测裂隙网络模型1中的两相流的流动过程，在裂隙模型放置台正上方安装有高清摄像机17，摄像机17通过导线与电脑18相连。

图7和图8详细显示了实验过程中流体供流系统a9和流体供流系统b10之间流体的流动情况。当流体供流系统箱体a9内的压力大于流体供流系统箱体b10内的压力时，供流系统箱体9内的供流箱a9a中的流体通过导管依次经过左侧的流量调节阀8、电子流量计7，单向阀5、流体分流器6、裂隙网络模型1、右侧的流体分流器6，右侧的单向阀5流入供流系统箱体b10内的回收箱b10b；当流体供流系统箱体b10内的压力大于流体供流系统箱体a9内的压力时，供流系统箱体b10内的供流箱a10a中的流体会通过导管依次经过右侧的流量调节阀8、电子流量计7，单向阀5、流体分流器6、裂隙网络模型1、左侧的流体分流器6，左侧的单向阀5流入供流系统箱体a9内的回收箱a9b。

本发明提供的一种裂隙网络模型两相流实验装置的操作过程为：

步骤1、制作裂隙网络模型1。裂隙网络模型1采用两块透明亚克力板制作，在其中的一块由雕刻机雕刻设计好的裂隙网络、裂隙出口和水压传感器安装孔，在另一块亚克力板中只雕刻裂隙出口，之后用亚克力板专用胶将两块雕刻好的亚克力板相粘结。

步骤2、连接各个装置：用导管以及裂隙出口转换头1c，将供水系统箱体9，10、裂隙网络模型1、电子流量计7、流量调节阀8、流体分流器6、单向阀5以及差压计4连接起来。

步骤3、安装检测系统和连接线路：(1)将水压传感器2安装于裂隙网络模型测压孔1d内，并与电脑18进行连接，调节好相关线路和电源；(2)将差压计4与电脑18进行连接，调节好相关线路和电源；(3)将高清摄像机17与电脑18连接，调节好光线，位置、相关线路和电源。

步骤4、调整裂隙网络模型放置台3水平度。旋转图3中的螺杆3b使水平尺在图4，①，②，③的方位均处于水平位置即可。

步骤5、检测整个装置的密封性。以油水两相流为例，在其中的一个供流系统供流箱内注满水，在另一个供流系统供流箱内注满油，检查各螺栓和接头处是否固定紧密，打开空气压缩机13电源开关，调节泄压阀12从小到大增加供流系统箱体内的压力，观测整个实验装置是否漏水和漏油，若不满足则需要再次旋紧或置换螺栓和接头。

步骤6、进行压力控制或者流速控制的裂隙网络两相流实验。

步骤7、重复实验步骤2-6的操作，将所有裂隙网络模型进行实验。

步骤8、所有实验完成后，卸下裂隙网络模型和所有连接件，放空供水系统箱体和电子流量计及所有回路中的水，关闭空压机、油水分离器，整理好所有实验用具以备以后再用。

综上所述，本发明提供一种专门针对裂隙网络两相流的实验装置，其既可以通过压力控制流体的进出，又可通过流速控制流体的进出。同时该实验装置可以实时监测两相流的流动过程，记录监测点处流体压力大小的变化情况，具有较强的实用价值。

上述虽然结合附图对本发明的实验装置和具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。