以注入阈值流体实验确定多孔介质孔径分布的方法及装置

本发明属于多孔介质测量表征领域，具体涉及一种以注入阈值流体实验确定多孔介质孔径分布的方法及装置。

背景技术：

1、多孔介质是由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所构成的物质，这种空间结构特性使得多孔介质广泛应用于建筑、医药、航空航天等诸多领域。孔径分布是多孔介质的重要孔隙结构特征，对药物释放、催化剂效能、滤材过滤效果、建材性能、岩石储集能力等均有重要影响，如何准确、便捷测定多孔介质的孔径分布是当下和未来研究的热点。

2、国内外学者常用压汞法确定多孔介质的孔径分布，其原理是利用汞对一般固体的不可浸润性，施加压力将汞压入多孔介质的孔隙当中以克服毛细管的阻力。外压越大，汞能进入的孔隙半径越小，测量不同外压下进入孔中汞的量，即可知相应孔径的孔体积，从而得到多孔介质的孔径分布曲线。

3、尽管压汞法测定孔径分布快速、准确，仪器设备测试原理相对简单，但也存在许多弊端。压汞法对多孔介质样品的机械强度要求较高，施加压力过大会导致样品损坏，多孔介质的固体基质在实验过程中必须保持其形状不变，进一步限制了最大允许压力，这意味着压汞法能测得的孔径范围是较有限的。此外汞的毒性使得实验方案复杂化，对于废弃物处理的要求较高。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种以注入阈值流体实验确定多孔介质孔径分布的方法及装置，能便捷、准确测定孔径分布，相对于压汞法测量范围更大、适用范围更广，且毒性更小、安全系数更高。

2、第一方面，本发明提供了一种以注入阈值流体实验确定多孔介质孔径分布的装置，包括依次连接的压缩机、储液罐、上游腔室、样品室、带出口孔的下游腔室、精密天平，以及测压口分别连接上游腔室和下游腔室的差压传感器，所述差压传感器带调零阀门。

3、压缩机，用于提供压力迫使阈值流体通过多孔介质样品，配备两个调压阀门可以调节储液罐内的压力，罐体内的自由活塞传递静气压给阈值流体。储液罐配备压力表，可以实时定性控制施加压力。

4、样品室，嵌入在上游腔室和下游腔室之间，用于建立阈值流体的流动路径，将样品固定在适当位置，以方头螺栓压缩的o形环确保密封性。

5、差压传感器，用于差压测量，其测试主体垂直放置在外壳中，并用泡沫填充以防止内部温度变化。差压传感器的两个测压口分别与上游腔室和下游腔室连接，可以直接测量样品上下端的压力差，防止其他元件造成的实验误差。

6、精密天平，用于测量输出端质量流量。出口托盘放置在精密天平上，并通过水平柔性管和水下射流连接到下游腔室，避免毛细作用的影响。在出口托盘上布置一层塑料薄膜，防止流体蒸发带来的质量损失。水下射流指的是水平柔性管两端都应该处于阈值流体中，避免空气影响，托盘上可以预先准备一些流体，将柔性管插进去。

7、进一步的，所述压缩机、储液罐、上游腔室通过柔性管依次连接，所述压缩机与所述储液罐之间设置有第二调压阀门，所述压缩机与第二调压阀门连接路径上输出一条带第一调压阀门的支路，即所述压缩机与第二调压阀门、储液罐及上游腔室依次通过柔性管连接，在压缩机与第二调压阀门连接路径中输出一条带第一调压阀门的支路。

8、进一步的，所述储液罐上设置有压力表和/或排放阀门，所述储液罐罐体内配备有自由活塞。所述储液罐额外单独连接的排放阀门，用于排放罐内压力，防止出现问题。

9、进一步的，所述样品室、上游腔室及下游腔室的内直径均为550mm，所述样品室嵌入在上游腔室和下游腔室之间，四周安装方头螺栓保证密封性。

10、进一步的，所述下游腔室与出口托盘通过水平柔性管连接，并于出口托盘上覆盖一层塑料薄膜，所述出口托盘置于精密天平上；所述差压传感器主体部分垂直放置在外壳中，并以泡沫填充保持内部温度稳定，两个测压口分别与上游腔室、下游腔室连接，连接处应置于样品室两侧50mm处，即两个测压口分别置于样品两侧50mm处。两端测压线路与调零阀门连接。所述差压传感器的两条测压线路与调零阀门连接，可以使测压口短路，实现对传感器的校准调零。

11、第二方面，本发明还提供了一种以注入阈值流体实验确定多孔介质孔径分布的方法，包括以下步骤：

12、s1、建立对毛细管孔隙模型、以及多孔介质样品进行注入实验的实验装置，对实验装置校准、灌装及启动；

13、s2、建立校准直径的单个玻璃毛细管孔隙模型，对所述毛细管孔隙模型进行阈值流体注入实验，测量阈值流体流变参数；

14、s3、进行多孔介质样品注入实验，即对多孔介质样品进行阈值流体注入实验，得到特征曲线qv代表注入实验得到的流量，代表注入实验得到的压力梯度；

15、s4、对所述特征曲线进行数值反演，得到孔径分布曲线。

16、进一步的，所述步骤s1中，

17、步骤一、打开调零阀门校准调差压传感器，校准后关闭调零阀门；

18、步骤二、使用注射器通过出口孔将阈值流体注入整个实验装置，使得多孔介质样品饱和，排出样品孔隙中及两个腔室——上游腔室和下游腔室——内的空气。当实验装置从出口孔到储液罐都被流体饱和后，将配备排气排放装置的储液罐内的自由活塞压在流体上；

19、步骤三、所有设备在使用前两小时开启，保证电子元件的温度稳定。

20、进一步的，所述步骤s2中，测量阈值流体流变参数也在本发明实验装置中进行。

21、建立具有校准直径的玻璃毛细管模型，将其粘在木制基质上，并与实验装置固定。通过注入实验应测得单个玻璃毛细管的特征曲线，处理后得到流体流变图，并通过流体的注入流变图由最小二乘法线性回归得到粘度k、流动性n。

22、关系式1：

23、

24、其中，代表阈值流体的剪切速率，τ代表阈值流体的剪切应力，qv代表注入实验得到的流量，代表注入实验得到的压力梯度，r代表毛细管半径。

25、进一步的，所述步骤s3中，将多孔介质样品固定在样品室适当位置，拧紧方头螺栓保证密封性。

26、阈值流体注入实验测得的流量是基本流量的离散总和，对特性曲线进行多项式插值滤波处理，以减少注入实验中的误差引起的波动。

27、进一步的，所述步骤s4中，对特征曲线进行数值反演，计算公式如下：

28、关系式2：

29、

30、其中，代表通过单个孔隙流体的基本流量、n代表阈值流体的流动性、k代表阈值流体的粘度、代表孔隙方向上的压力梯度、r代表孔隙的外半径、代表阈值流体进入孔隙流动的界限半径，一般认为只有当孔隙半径r≥r0时，阈值流体才会在其中流动，τ0代表阈值流体的初始剪切应力，初始剪切应力指的是阈值流体开始流动时的剪切应力，数值上等于流体流变图横坐标为0处的纵坐标。

31、关系式3：

32、其中，代表通过多孔介质的流体总流量、∞和r0分别表示参与流动的最大孔隙半径和最小孔隙半径，所述流体总流量是由概率密度p(r)加权得到的基本流量的总和，dr表示孔隙半径r的微分。

33、将所述关系式3转换为矩阵形式得到关系式4，

34、关系式4：

35、其中，下标i指定行、下标j指定列，压力梯度和半径的变化范围必须完全对应，同时应满足以保证矩阵qij的可逆性。对所述关系式4进行变换得到关系式5。

36、关系式5：

37、由关系式5可得孔径分布函数p(r)，从而得到多孔介质样品的孔径分布曲线。

38、本发明的有益效果在于：

39、1.本发明提供了一种通过注入阈值流体实验确定多孔介质孔径分布的方法，向多孔介质样品注入阈值流体获得特征曲线，再对特征曲线进行数值反演得到孔径分布曲线，能够有效确定多孔介质的孔径分布，有利于多孔介质的孔隙结构特征研究，对多孔介质的应用开发提供了帮助。

40、2.本发明提供的技术方案相对于现有技术具有一定优势，样品适用范围广、孔径测量范围大；设备装置成本较低、组装操作较简单；用材毒性小、实验安全系数更高。

41、3.本发明采用的阈值流体是非固定的，依据多孔介质样品性质或孔径大小范围，灵活选择不同种类的阈值流体以满足实验需求。