CN101603971B - 微量流动中的流速测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

微量流动中的流速测量仪，应用于石油采收率微观流动实验。特征是：在固定板上水平固定至少有三段微米测速管，第一段微米测速管的一端连接入口管线。在第一段微米测速管的另一端连接三通，三通的垂直端连接有加段塞管线。三通的另一端水平连接有第二段微米测速管。沿第二段微米测速管并在第二段微米测速管旁固定有标尺。在第二段微米测速管的另一端连接有弯管和微米测速管。在最后一段微米测速管的端部连接出口管线。效果是：能定量测量微观模型中流体的渗流速度。不仅能对微观模型内的渗流瞬时速度进行定量化，而且实现了在高压条件下对渗流速度进行测量，提高微观模型驱替实验的计量精度。

Description

微量流动中的流速测量仪及测量方法

技术领域

本发明涉及石油提高采收率微观流动实验中流量计量技术领域，特别涉及一种微量流动中的流速测量仪及测量方法。

背景技术

随着油田开发规模扩大和研究加深，提高采收率技术研究愈来愈受到石油工作者的重视。在提高采收率技术研究中，物理模型驱替实验是评价化学驱油剂性能最重要技术手段。其中在宏观或微观物理模型上取得的模拟实验结果(如：压力、采收率数据等)，更是决定化学驱矿场实施方案的重要依据。由于微观物理模型能清楚、直观地观察到流体的流动特征并分析出剩余油分布而倍受青睐。然而，由于微观物理模型的孔隙体积较小(数量级为10^-5L)，孔道直径为微米级，驱替速度较慢，难以准确计量微观物理模型内的液体流速；另外，运用微观物理模型进行试验时，微观物理模型的连接管线、接头和阀门等部件内的沿程水头损失，对微观物理模型内的渗流速度造成较大影响。因此，化学剂在微观孔隙介质中的渗流速度难以准确测量，影响模拟实验结果。

目前，利用微观物理模型进行微流速的计量手段是称重法：称重法是在常压条件下，使用千分之一感量电子天平测量模型的质量变化，通过计量时间计算流速的平均值。此种方法要求流速不能过低0.1ml/min，且只能测量渗流流速的平均值，不能测量出瞬时流速。另外，在试验过程中水、油或化学剂蒸发损失，水、油或化学剂低流速的问题导致很难测得水、油或化学剂流速的准确数值。因此，利用微观物理模型进行提高采收率的微观驱替实验的渗流速度定量计量问题，还没有得到很好地解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种微量流动中的流速测量仪及测量方法，利用微米测速管(内径为10μm-100μm)定量测量微观模型中流体的渗流速度。不仅能对微观模型内的渗流瞬时速度进行定量化，而且能实现高压条件下对渗流速度进行测量，提高微观模型驱替实验的计量精度。克服目前微流速的计量只能测量水、油或化学剂流速的平均值，不能测量出水、油或化学剂瞬时流速和很难测得水、油或化学剂流速的准确数值的不足。

本发明采用的技术方案是：微量流动中的流速测量仪，包括入口管线、三通、加段塞管线、出口管线、固定板、微米测速管、标尺和弯管，其特征是：在固定板上水平固定至少有三段微米测速管，第一段微米测速管的一端连接入口管线。在第一段微米测速管的另一端连接三通，三通的垂直端连接有加段塞管线。三通的另一端水平连接有第二段微米测速管。沿第二段微米测速管并在第二段微米测速管旁固定有标尺，标尺上有长度刻度。在第二段微米测速管的另一端连接有弯管，弯管的另一端连接有下一段微米测速管。在最后一段微米测速管的端部连接有出口管线。

所述的微米测速管的内径在10μm～100μm之间。微米测速管的长度在100～120mm之间。微米测速管采用石英玻璃材料制成。

加段塞管线是一段连接管线，测试试验前连接补充阀，其功能是能通过为加段塞管线向测试流体内注入段塞。

所述的固定在固定板上的微米测速管为五段，固定在固定板上的标尺为两个。标尺的最小刻度单位是毫米。

在加段塞管线上还可以连接有补充阀，补充阀包括手柄、压帽、端盖、顶丝杆、活塞、阀筒和后盖，阀筒为圆筒状，两端有螺纹，阀筒内有一个活塞，在阀筒的一端螺纹固定有端盖，在端盖的中心孔螺纹上固定有圆柱形压帽，压帽的中心孔有螺纹，外壁有螺纹的顶丝杆通过螺纹与压帽连接，顶丝杆穿过压帽中心孔，顶丝杆一端在阀筒内，顶丝杆端部与活塞端部连接，顶丝杆旋转时能使活塞在阀筒内往复运动，顶丝杆的另一端在压帽的外端，在顶丝杆的所述另一端的端部固定有旋转手柄，在阀筒的另一端螺纹固定有后盖，在后盖上有出液孔，阀筒为钢制筒状体，阀筒与活塞之间有密封圈，微螺距顶丝杆的螺距在0.15～0.25mm之间，使微量补充流体的精度达到顶丝杆每转30°出液孔流出的流体量为0.005mL。

微量流动中的流速测量方法：

A、连接微量流动中的流速测量仪：

(1)先将补充阀内吸入一定量气体，然后连接到微量流动中的流速测量仪的加段塞管线上；

(2)在微量流动中的流速测量仪的入口管线上，通过连接管线连接实验模型，实验模型的另一端连接驱替系统。本领域的驱替实验的技术人员熟知连接管线、实验模型和驱替系统并能完成连接。

(3)在微量流动中的流速测量仪的出口管线上连接回压阀，在回压阀的下部放一个集液容器。回压阀是一种能设定出口压力的机械装置，也称压力调节阀。当管线内压力低于设定值时，出口端不出液，压力大于或等于设定值时，出口端出液，并能使整个系统内保持实验所需的压力。

B、驱入液体：开动驱替系统，利用驱替系统驱替实验模型内的水、油或化学剂，压力在0-20Mpa之间；实验模型内的水、油或化学剂通过连接管线进入微量流动中的流速测量仪的微米测速管，实验模型内的水、油或化学剂以稳定流速进入微米测速管并流到集液容器。

C、注入一个气体段塞：当流入集液容器出液流速稳定时，旋转补充阀，注入一个气体段塞。段塞是气泡，易于观察液体流动速度。

D、观察段塞：在气体段塞前缘进入微米测速管并与标尺的零刻度线位置开始计时，到某一刻度停止计时，记下段塞所走路程长度(S)，以及所用时间(T)；

E、计算结果：利用公式1和公式2计算出实验模型内的水、油或化学剂的渗流速度V和流量Q。

所述的公式1是： $V=\frac{S}{T},m/s$

所述的公式2是： $Q=\mathrm{V\π}{\left(\frac{D}{2}\right)}^2,m^3/s$

在公式1和公式2中：段塞通过的距离为S，单位是m；段塞通过该距离所用时间为T，单位是秒；计算结果速度V的单位是m/s(每秒米)。微米测速管内径为D，单位是m；计算出流速V，单位是m/s；计算出流量为Q，单位是m³/s。

本发明的有益效果：本发明微量流动中的流速测量仪及测量方法，能定量测量微观模型中流体的渗流速度。不仅能对微观模型内的渗流瞬时速度进行定量化，而且实现了在高压条件下对渗流速度进行测量，提高微观模型驱替实验的计量精度。

与现有的方法比较，本发明具有以下优点：

1.准确地测量不同阶段的渗流的瞬时速度；

2.实现可视化测量；

3.提高低流速测量的准确性；

4.简化了实验程序；

5.缩短了测量的时间间隔，重复性强。

6.用“微观测量法”能替代现有的“称重量法”。

附图说明

图1是本发明微量流动中的流速测量仪结构示意图。

图2是利用微量流动中的流速测量仪进行定量测量微观模型中流体的渗流速度的工作原理图

图3是本发明方法和称重法的测量结果，两种方法计算数值对比图。

图4是补充阀9的结构示意图。

其中，1.入口管线，2.三通，3.加段塞管线，4.出口管线，5.固定板，6.微米测速管，7.标尺，8.弯管，9.补充阀，10.回压阀，11.集液容器，12.微量流动中的流速测量仪，13.连接管线，14.试验模型，15.驱替系统，16.手柄，17.压帽，18.端盖，19.顶丝杆，20.活塞，21.阀筒，22.后盖，23.出液孔，24.密封圈。

具体实施方式

实施例1：以一个微量流动中的流速测量仪为例，并对利用该仪器进行测量的方法，作进一步详细说明。

参阅图1。本发明微量流动中的流速测量仪，包括入口管线1、三通2、加段塞管线3、出口管线4、固定板5、微米测速管6、标尺7和弯管8，固定板5的长度30mm，宽度20mm。在固定板5上水平固定至少有五段微米测速管6。五段微米测速管6的长度分别是100mm，内径是0.1mm，厚度是0.3mm。微米测速管6采用石英玻璃材料制成。第一段微米测速管6的一端连接入口管线1。在第一段微米测速管6的另一端连接三通2，三通2的垂直端连接有加段塞管线3。三通2的另一端水平连接有第二段微米测速管6。沿第二段微米测速管6并在第二段微米测速管6旁固定有标尺7，标尺上有长度刻度，精度为1个毫米。在第二段微米测速管6的另一端连接有弯管8，弯管8的另一端连接有第三段微米测速管6。第三段微米测速管6的后边连接有一个弯管8、第四段微米测速管6、一个弯管8和第五段微米测速管6。在第五段微米测速管6的端部连接有出口管线4。在第四段微米测速管6的下部平行固定有第二个标尺7。入口管线1、加段塞管线3和出口管线4的内径是0.1mm。连接处保证密封。

补充阀9包括手柄16、压帽17、端盖18、顶丝杆19、活塞20、阀筒21、后盖22和密封圈24。阀筒21为圆筒状，内径20mm，长度60mm，壁厚25mm。阀筒21内有一个活塞20。活塞20为圆柱形，在活塞20的外壁上有两道环形凹槽，在凹槽内分别有一个密封圈24。阀筒21两端有螺纹，在阀筒21的一端螺纹固定有端盖18，在端盖18的中心孔螺纹上固定有一个圆柱形压帽17，压帽17的中心孔有螺纹。外壁有螺纹的顶丝杆19通过螺纹与压帽17连接，顶丝杆19穿过压帽17中心孔。顶丝杆19一端在阀筒21内，顶丝杆19端部与活塞20端部连接。顶丝杆19旋转时能使活塞20在阀筒21内往复运动。顶丝杆19的另一端在压帽17的外端，在顶丝杆19的所述另一端的端部固定有一个圆形旋转手柄16。在阀筒21的另一端螺纹固定有后盖22，在后盖22上有出液孔23。阀筒21与活塞20之间有密封圈24。微螺距顶丝杆19的螺距为0.2mm，阀筒21直径为20毫米。微量补充流体的精度达到顶丝杆19每旋转30°出液孔23流出的流体量为0.005mL。

微量流动中的流速测量的过程：参阅图2。

A、连接微量流动中的流速测量仪12：

(1)先将补充阀吸入一定量气体后连接到微量流动中的流速测量仪12的加段塞管线3上；

(2)在微量流动中的流速测量仪12的入口管线1上，通过连接管线13连接实验模型14，实验模型14的另一端连接驱替系统15。

(3)在微量流动中的流速测量仪的出口管线4上连接回压阀10，在回压阀10的下部放一个集液容器11。

B、驱入液体：开动驱替系统15，利用驱替系统15驱替实验模型14内的水、油或化学剂；实验模型14内的水、油或化学剂通过连接管线13进入微量流动中的流速测量仪的微米测速管6，实验模型14内的水、油或化学剂以稳定流速进入微米测速管6并流到集液容器11。

C、注入一个气体段塞：当流入集液容器11出液流速稳定时，旋转补充阀9，注入一个气体段塞；

D、观察段塞：在气体段塞前缘进入微米测速管6并与标尺7的零刻度线位置开始计时，到某一刻度停止计时。记下段塞所走路程长度S是0.052m，以及所用时间T为2.1s；

E、计算结果：利用公式1和公式2计算出实验模型14内的液体的渗流速度V和流量Q。

将段塞所走路程长度S、所用时间T带入公式1。计算结果的单位是m/s(每秒米)。

$V=\frac{S}{T},m/s$

$V=\frac{0.052}{2.1}=0.025m/s$

将V、D、和s带入公式2。计算结果的单位是m³/s(每秒立方米)。

所述的公式2是： $Q=\mathrm{V\π}{\left(\frac{D}{2}\right)}^2,m^3/s$

$Q=0.025\mathrm{\π}{\left(\frac{0.0001}{2}\right)}^2=1.96{\×10}^{-10}{m}^3/s$

通过8次测试并计算，所得的数据列表如下：

通过8次测试并计算，所得的数据绘制成坐标图(图3)，与称重法所获得的计算数据绘制到一张坐标图上对比。

从图3中可以看出，称重法(方法1)的测量结果波动较大，流速测量法(方法2)的测量曲线变化幅度较平缓。且在相同的时间段，流速测量法的测量密度较大，这是称重法无法实现的。称重法的测量结果波动幅度大的主要原因在于承重过程中引起的误差以及天平中液体的蒸发所致。而流速测量法的准确性在于对微管内液体段塞速度的精确测量。

Claims (5)

1.一种微量流动中的流速测量仪，包括入口管线(1)、三通(2)、加段塞管线(3)、出口管线(4)、固定板(5)、微米测速管(6)、标尺(7)和弯管(8)，其特征是：在固定板(5)上水平固定至少有三段微米测速管(6)，第一段微米测速管(6)的一端连接入口管线(1)，在第一段微米测速管(6)的另一端连接三通(2)，三通(2)的垂直端连接有加段塞管线(3)，三通(2)的另一端水平连接有第二段微米测速管(6)，沿第二段微米测速管(6)并在第二段微米测速管(6)旁固定有标尺(7)，标尺上有长度刻度，在第二段微米测速管(6)的另一端连接有弯管(8)，弯管(8)的另一端连接有下一段微米测速管(6)，在最后一段微米测速管(6)的端部连接有出口管线(4)。

2.根据权利要求1所述的微量流动中的流速测量仪，其特征是：所述的微米测速管(6)的内径在10μm-100μm之间，微米测速管(6)的长度在100～200mm之间，微米测速管(6)采用石英玻璃材料制成。

3.根据权利要求1所述的微量流动中的流速测量仪，其特征是：所述的固定在固定板(5)上的微米测速管(6)为五段，固定在固定板(5)上的标尺(7)为两个。

4.根据权利要求1所述的微量流动中的流速测量仪，其特征是：在加段塞管线(3)上连接有补充阀(9)，补充阀包括手柄(16)、压帽(17)、端盖(18)、顶丝杆(19)、活塞(20)、阀筒(21)和后盖(22)，阀筒(21)为圆筒状，两端有螺纹，阀筒(21)内有一个活塞(20)，在阀筒(21)的一端螺纹固定有端盖(18)，在端盖(18)的中心孔螺纹上固定有圆柱形压帽(17)，压帽(17)的中心孔有螺纹，外壁有螺纹的顶丝杆(19)通过螺纹与压帽(17)连接，顶丝杆(19)穿过压帽(17)中心孔，顶丝杆(19)一端在阀筒(21)内，顶丝杆(19)端部与活塞(20)端部连接，顶丝杆(19)旋转时能使活塞(20)在阀筒(21)内往复运动，顶丝杆(19)的另一端在压帽(17)的外端，在顶丝杆(19)的所述另一端的端部固定有旋转手柄(16)，在阀筒(21)的另一端螺纹固定有后盖(22)，在后盖(22)上有出液孔(23)，阀筒(21)为钢制筒状体，阀筒(21)与活塞(20)之间有密封圈(24)，微螺距顶丝杆(19)的螺距在0.15～0.25mm之间。

5.一种微量流动中的流速测量方法：其特征是：

A、连接微量流动中的流速测量仪：

(1)先将补充阀(9)吸入一定量气体后连接到权利要求1、2、3或4所述的微量流动中的流速测量仪的加段塞管线(3)上；

(2)在微量流动中的流速测量仪的入口管线(1)上，通过连接管线(13)连接实验模型(14)，实验模型(14)的另一端连接驱替系统(15)；

(3)在微量流动中的流速测量仪的出口管线(4)上连接回压阀(10)，在回压阀(10)的下部放一个集液容器(11)；

B、驱入液体：开动驱替系统(15)，利用驱替系统(15)驱替实验模型(14)内的水、油或化学剂；实验模型(14)内的水、油或化学剂通过连接管线(13)进入微量流动中的流速测量仪的微米测速管(6)，实验模型(14)内的水、油或化学剂以稳定流速进入微米测速管(6)并流到集液容器(11)；

C、注入一个气体段塞：当流入集液容器(11)出液流速稳定时，旋转补充阀(9)，注入一个气体段塞；

D、观察段塞：在气体段塞前缘进入微米测速管(6)并与标尺(7)的零刻度线位置开始计时，到某一刻度停止计时，记下段塞所走路程长度(S)，以及所用时间(T)；

E、计算结果：利用公式1和公式2计算出实验模型(14)内的水、油或化学剂的渗流速度V和流量Q，

所述的公式1是： $V=\frac{S}{T},m/s$

所述的公式2是： $Q=\mathrm{V\π}{\left(\frac{D}{2}\right)}^2,m^3/s$

在公式1和公式2中：段塞通过的距离为S，单位是m；段塞通过该距离所用时间为T，单位是秒；计算出流速V，单位是m/s；微米测速管6内径为D，单位是m；计算出流量为Q，单位是m³/s。

Images