CN111239132A - 一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置及其应用，它包括微量流体注射与压力控制单元、耐压微流控水合物反应单元、温度控制单元、生成气体处理单元及实时显示单元，各单元间通过管线或数据线相连，并通过相应阀门或开关进行控制，本发明应用微流控技术可模拟地层多孔介质中天然气水合物所处的真实低温高压环境；并可对水合物反应的微观过程进行实时的清晰观测；且能够针对气体水合物在微孔隙/喉道内的反应特征完成多种类型的实验，具有良好的实验可操作性与综合性。

Description

一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置及其应用

技术领域

本发明属于水合物技术研究领域，具体涉及一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置及其应用。

背景技术

气体水合物是一类非化学计量笼形固态晶体，是由一种或几种气体或易挥发的液体和水在高压、低温的环境下相互作用而形成的包络状晶体。其中，天然气水合物是指由水分子和烃类气体分子组成的晶体化合物，属于一种清洁能源，在空气中燃烧后生成水和CO₂，对环境的污染小。天然气水合物分布广泛，大多分布于深水沉积物和陆上永冻土内。目前，在世界各地已经探明的天然气水合物储量约为全球不可再生能源的2.84倍左右。与传统能源(煤、石油)相比，天然气水合物具有清洁、储量丰富、能量密度高等特点，具有极高的资源价值。因此，天然气水合物具有极高的研究价值，已成为国内外学者研究的热点。

关于水合物的实验研究，当前大多集中在相态研究、抑制剂评价、开采方式优选等方面。这些方面的研究多采用大尺寸反应釜或密闭填砂筒进行实验探究，实验过程中难以精确模拟多孔介质的微孔隙形态，且不能直观的对水合物微观反应过程进行实时观测。

微流控技术是一种精确操控微量流体的新兴技术。由于它比传统实验手段分析时间短、灵敏度高、误差小，微流控已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。微流控芯片的诸多优点使它适用于模拟地层多孔介质内水合物相行为的相关研究：(1)微流控芯片的透明材质消除了传统方法的“黑盒效应”，实现了对体系内部的实时观测；(2)微米级的孔道刻蚀技术，可以精确地复制复杂的水合物地层微孔隙结构；(3)微量流体调控技术可以精确控制芯片内的流体压力与流速，以便更好的量化研究微孔隙内水合物的相态反应。

中国专利文献CN106969957A公开了一种多功能气体水合物实验***，包括反应釜单元、温度控制单元、压力控制单元、数据采集单元和监测单元。反应釜单元包括核心设备高压可视反应釜；温度控制单元由恒温水浴控制反应釜内的温度；压力控制单元向反应釜通入/排出气体或溶液并控制反应釜内的压力；数据采集单元采集以上各单元的数据并进行分析；监测单元通过多种不同的测试手段如气相色谱和拉曼光谱等对实验进行监测。但是，该专利所述的高压可视反应釜无法模拟地层条件下的多孔介质环境，难以对微孔隙内水合物真实的反应情况进行研究。且所述的一种多功能气体水合物实验***装置与管线阀门十分复杂，操作较为繁琐。

中国专利文献CN108519384A公开了一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化装置及方法，包括低温恒温控制***、常压可视化反应装置、三维精密移动平台、温度采集仪及实时显示***；常压可视化反应装置包括温控循环箱、上下嵌出两个反应槽、循环液入口、循环液出口。两个反应槽可分别对砂岩多孔介质内水合物生成和分解过程，微观刻蚀模型喉道内水合物生成和分解过程进行观测。但是，该专利所述的一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化装置使用环戊烷在大气压条件下进行实验，而天然气水合物主要由甲烷气体水合物在低温高压条件下生成与储存，因此该装置无法模拟真实地层条件下气体水合物的反应环境及反应过程；且该装置所使用的体式显微镜光学性能有限，难以对水合物反应过程中的相界面进行清晰的表征。

发明内容

本发明为了探究气体水合物在微孔隙内的微观反应过程，针对现有的技术缺陷，提供一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置。

与现有实验装置相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明应用微流控技术可精确模拟地层多孔介质中天然气水合物所处的真实低温高压环境；

(2)本发明应用微量流体调控技术可以精确控制芯片内的流体压力与流速，以便更好的量化研究地层微孔隙内水合物相态反应的影响因素；

(3)本发明可对水合物在多孔介质微孔隙中的反应微观过程进行实时的清晰观测；

(4)本发明能够针对气体水合物在微孔隙/喉道内的反应特征完成多种类型的实验，如模拟地层微孔隙内水合物生成与分解、水合物抑制剂溶液作用效果评价、天然气水合物的置换开采等，具有良好的实验可操作性与综合性，可为气体水合物在多孔介质中的微观反应过程研究提供理论支持与优化基础。。

附图说明

图1为本发明所述的一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置示意图。

A、微量流体注射与压力控制单元，B、耐压微流控水合物反应单元，C、温度控制单元，D、生成气体处理单元，E、实时显示单元；

1、精密高压注射泵，2、耐压注射器，3、4、7、15、16、气液阀门，5、6、气瓶，8、数字式压力表，9、微冷却泵，10、控温台，11、耐压微流控玻璃芯片，12、光学相差显微镜，13、计算机，14、放空阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步详细的说明。

本发明提供的一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置，包括微量流体注射与压力控制单元A、耐压微流控水合物反应单元B、温度控制单元C、生成气体处理单元D及实时显示单元E；所述微量流体注射与压力控制单元A向水合物所在的耐压微流控芯片定量注射气体或溶液并精确调节水合物反应所在芯片内压力；所述耐压微流控水合物反应单元B核心主要由多种耐压微流控玻璃芯片12构成；所述温度控制单元C可精确控制水合物反应所在芯片的温度；所述生成气体处理单元D可对水合物反应过程中的产物进行干燥，并计量气体产物流量，以及收集反应气体；所述实时显示单元E可实时观测耐压玻璃芯片中微孔隙内水合物反应过程。各单元间通过管线或数据线相连，并通过相应阀门或开关进行控制。

所述的微量流体注射与压力控制单元A，包括精密高压注射泵1、耐压注射器2、多个带调节阀的小型气瓶5、6、数字式压力表8、多种调节阀门3、4、7、15、16、14及管线，其中3、4、7、15、16为气液阀门，14为放空阀；精密高压注射泵1可通过操控耐压注射器2，向耐压微流控水合物反应单元B以恒定流速定量注射气体或溶液；气瓶5、6向耐压注射器2内供气；关闭气体通道，耐压注射器2抽吸液体后，可通过精密高压注射泵1向耐压微流控水合物反应单元B注射液体，并调节液体注入速度及相应阀门来实现水合物反应的压力控制；数字式压力表8位于直接与耐压微流控玻璃芯片11相连的管线上，可实时显示水合物反应过程中的压力。

所述的耐压微流控水合物反应单元B，包括多种刻蚀有微米级孔道以模拟水合物地层微孔隙的耐压微流控玻璃芯片11；通过管线向耐压微流控玻璃芯片11所刻蚀出的微孔隙内注入去离子水或溶液后，注入水合物生成相应的气体进行反应，并调节所述的温度控制单元C及微量流体注射与压力控制单元A使耐压微流控玻璃芯片11内达到水合物反应所需温压条件；耐压微流控玻璃芯片11通过夹具固定在控温台10上，并通过不锈钢管线及接头连接微量流体注射与压力控制单元A。

所述的温度控制单元C，包括控温台10及微冷却泵9，温控台10通过保温管线与微冷却泵9相连；可通过微冷却泵9设置循环冷却液的温度和流量；控温台10升温通过其内部半导体加热装置，降温通过微冷却泵所泵送的循环冷却液，并可实时显示其表面温度；控温台10放置在光学相差显微镜12的载物台上，中间有玻璃透光孔可以使光学相差显微镜的光源透过；耐压微流控玻璃芯片11放置在控温台10恒温区内；由于耐压微流控玻璃芯片11很薄(3mm)，且与控温台完全贴合、传热效果良好，可认为控温台10表面温度即为耐压微流控玻璃芯片9的温度。

所述的生成气体处理单元D，包括干燥装置17、气体微流量计18、气体收集装置19；干燥装置17内含有过量氯化钙干燥剂；水合物反应过程中生成的气液混合物首先通过干燥装置17干燥后流经气体微流量计18；气体微流量计18可对水合物反应过程中的实时流量及累计流量进行计量；气体收集装置19可收集水合物反应生成的气体，如需要可将气体送检来分析收集到的气体成分。

所述的实时显示单元E，包括光学相差显微镜12、计算机13；光学相差显微镜12具有多个可用于相差观察的物镜，最大放大倍数可达1000倍、最大分辨率可达0.27μm，可清晰观测水合物在微孔隙中的反应行为，并能够准确显示水合物-气体-液体三相的相界面；光学相差显微镜12通过数据线与计算机相连，通过计算机上的图像处理软件可实时获取耐压微流控玻璃芯片中水合物的微观形态。

所述的一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置可完成多种不同类型的水合物反应实验。

具体的，将本发明一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置用于模拟地层微孔隙内水合物生成与分解实验，以去离子水体系中CH₄水合物的生成与分解为例，结合图1，实验过程如下：

耐压注射器2充有去离子水，气瓶5充有CH₄，所有阀门初始状态默认关闭；

步骤1：打开气液阀门3、7和放空阀14，操控精密高压注射泵1使耐压注射器2开始注射去离子水，并使耐压微流控玻璃芯片11所刻蚀的微孔隙内完全充满去离子水；

步骤2：步骤1完成后，操控精密高压注射泵1使耐压注射器2停止注射，关闭气液阀门3和放空阀14，打开气液阀门4和气瓶5，开始向耐压微流控玻璃芯片11定量注入CH₄气体，注入适量气体后关闭气液阀门4、气瓶5；

步骤3：步骤2完成后，操控微冷却泵9，使控温台10达到水合物生成所需要的温度，并维持温度不变；

步骤4：步骤3完成后，打开气液阀门3、15，操控精密高压注射泵1使耐压注射器2向耐压微流控玻璃芯片11两端同时注射去离子水以增加压力，观察数字式压力表8，当压力达到水合物生成所需压力后通过控制精密高压注射泵1使耐压注射器2停止注射，并关闭气液阀门3、7、15，此时压力表显示耐压微流控玻璃芯片11微孔隙内压力；

步骤5：步骤4完成后，通过光学相差显微镜12和计算机13所带的图像处理软件实时观测水合物生成过程，并获取水合物在微孔隙内的图片和视频以待后续分析，直到水合物形态不在变化、压力表数值稳定；

步骤6：步骤5完成后，打开放空阀14，观察水合物分解过程，水合物完全分解后，打开气液阀门3、7、15，通过耐压注射器2注射去离子水清洗管线及耐压微流控玻璃芯片11，并妥善收集实验废气与废液。

实施例2：

与实施例1不同的是：将本发明一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置用于水合物抑制剂溶液作用效果评价实验，以CH₄气体在5wt％和10wt％的NaCl溶液中分别生成水合物的诱导时间对比为例，结合图1，实验过程如下：

气瓶5充有CH₄，所有阀门初始状态默认关闭；

步骤1：打开气液阀门3、7和放空阀14，操控精密高压注射泵1使耐压注射器2开始注射5wt％的NaCl溶液，并使耐压微流控玻璃芯片11所刻蚀的微孔隙内完全充满5wt％的NaCl溶液；

步骤2：步骤1完成后，继续注射5wt％的NaCl溶液，直到耐压注射器2内溶液排尽，关闭气液阀门7和放空阀14，打开气液阀门4和气瓶5，操控精密高压注射泵1使耐压注射器2抽吸适量CH₄，并记录抽吸体积V和气瓶上压力表读数P₁；

步骤3：步骤2完成后，关闭气液阀门4以及气瓶5，打开气液阀门7，操控精密高压注射泵1使耐压注射器2注射步骤2中抽吸的全部CH₄，然后关闭气液阀门3；

步骤4：步骤3完成后，操控微冷却泵9，使控温台10达到水合物生成所需要的温度T₁，并维持温度不变；

步骤5：步骤4完成后，从精密高压注射泵1上取下耐压注射器2抽吸足量5wt％的NaCl溶液，放回后打开气液阀门3、15，操控精密高压注射泵1使耐压注射器2向耐压微流控玻璃芯片11两端同时注射5wt％的NaCl溶液以增加压力，观察数字式压力表8，当压力达到水合物生成所需压力P₂后通过控制精密高压注射泵1使耐压注射器2停止注射，关闭气液阀门3、7、15，并开始计时，此时压力表显示耐压微流控玻璃芯片11微孔隙内压力；

步骤6：步骤5完成后，密切关注数字式压力表8的数值，当压力从P₂开始快速下降时，停止计时，此时CH₄水合物在5wt％的NaCl溶液生成的诱导时间记为t₁；

步骤7：步骤6完成后，打开气液阀门3、7、15和放空阀14，通过耐压注射器2重新注射去离子水清洗管线及耐压微流控玻璃芯片11，并妥善收集实验废气与废液；

步骤8：步骤7完成后，重复上述步骤1～7中的操作，但是，将耐压注射器2中初始充有的溶液更换为10wt％的NaCl溶液，在重复步骤2操作时，注意将耐压注射器2抽吸CH₄的体积定为V、气瓶出口压力设为P₁，重复操作步骤4、5时，控温台10与数字式压力表8的示数须分别为T₁与P₂，最终可得CH₄水合物在5wt％的NaCl溶液生成的诱导时间记为t₂，通过诱导时间可对比两种溶液的抑制效果。

实施例3：

与实施例1不同的是：将本发明一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置用于天然气水合物置换开采实验，以CO₂置换开采CH₄水合物为例，结合图1，实验过程如下：

耐压注射器2初始充有去离子水，气瓶5充有CH₄，气瓶6充有CO₂,所有阀门初始状态默认关闭；

步骤1：打开气液阀门3、7和放空阀14，操控精密高压注射泵1使耐压注射器2开始注射去离子水，并使耐压微流控玻璃芯片11所刻蚀的微孔隙内完全充满去离子水；

步骤2：步骤1完成后，操控精密高压注射泵1使耐压注射器2停止注射，关闭气液阀门3和放空阀14，打开气/液阀门4和气瓶5，开始向耐压微流控玻璃芯片11注入CH₄气体，注入少量CH₄气体(可完全生成水合物)后关闭气液阀门4、气瓶5；

步骤3：步骤2完成后，操控微冷却泵9，使控温台10达到水合物生成所需要的温度T₁，并维持温度不变；

步骤4：步骤3完成后，打开气液阀门3、15，操控精密高压注射泵1使耐压注射器2向耐压微流控玻璃芯片11两端同时注射去离子水以增加压力，观察数字式压力表8，当压力达到水合物生成所需压力P₁后，通过控制精密高压注射泵1使耐压注射器2停止注射，并关闭气液阀门3、7、15；

步骤5：步骤4完成后，通过光学相差显微镜12和计算机13所带的图像处理软件实时测量微孔隙中CH₄气体所占微孔隙体积V₁，并观测CH₄水合物逐步形成的过程，直到水合物形态不在变化；

步骤6：步骤5完成后，打开气液阀门4、7、16和气瓶6，开始向耐压微流控玻璃芯片11连续注入CO₂气体，并调节相应阀门使在数字式压力表读数稳定在P₂，并开始记录实验时间t；

步骤7：步骤6完成后，通过光学相差显微镜12和计算机13所带的图像处理软件实时观测并记录CO₂置换CH₄水合物的过程，同时反应生成的气液混合物经干燥装置17干燥后，干燥气体的流量Q与体积V被气体微流量计18在室温T₀、标准大气压P₀条件下所计量，并被收集在气体收集装置19中，可利用气相色谱仪检测反应生成的气体成分，可得CH₄所占气体体积分数

则在实验时间t时刻，以压力P₂连续注入CO₂气体置换CH₄水合物所得到的开采效率K(采出CH₄的量与生成水合物的CH₄量之比)为：

步骤8：步骤7完成后，打开气/液阀门3、7、15和放空阀14，关闭气/液阀门16，通过耐压注射器2重新注射去离子水清洗管线及耐压微流控玻璃芯片11，并妥善收集实验废气与废液。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。

Claims (8)

1.一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置，其特征在于：它包括微量流体注射与压力控制单元、耐压微流控水合物反应单元、温度控制单元、生成气体处理单元及实时显示单元，所述微量流体注射与压力控制单元向水合物所在的耐压微流控芯片定量注射气体或溶液并调节水合物反应所在芯片内压力；所述耐压微流控水合物反应单元主要由若干耐压微流控玻璃芯片构成；所述温度控制单元控制水合物反应所在芯片的温度；所述生成气体处理单元对水合物反应过程中的产物进行干燥，并计量气体产物流量，以及收集反应气体；所述实时显示单元实时观测耐压玻璃芯片中微孔隙内水合物反应过程，各单元间通过管线或数据线相连，并通过相应阀门或开关进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置，其特征在于：所述微量流体注射与压力控制单元包括精密高压注射泵、耐压注射器、数字式压力表，所述精密高压注射泵操控耐压注射器向耐压微流控水合物反应单元注射气体或溶液，所述数字压力表实时显示相应管线的压力。

3.根据权利要求1或2所述的一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置，其特征在于：所述微量流体注射与压力控制单元还包括若干带调节阀的气瓶和若干调节阀门，所述气瓶向耐压注射器内供气，所述调节阀门调节液体注入速度控制水合物反应的压力。

4.根据权利要求1所述的一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置，其特征在于：所述耐压微流控水合物反应单元的所述耐压微流控玻璃芯片通过夹具与温度控制单元相连接，并通过不锈钢管线及接头与微量流体注射与压力控制单元相连接。

5.根据权利要求1所述的一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置，其特征在于：所述温度控制单元包括控温台及通过保温管线与控温台连接的微冷却泵，所述微冷却泵通过设定循环的冷却液温度对控温台降温、所述控温台通过内部半导体升温。

6.根据权利要求1所述的一种可视化高压水合物反应微流控实验装置，其特征在于：所述生成气体处理单元包括干燥装置、气体微流量计、气体收集装置，所述干燥装置用于水合物反应过程中生成的气液混合物的干燥，所述气体流量计用于水合物反应过程中的实时流量及累计流量的计量，所述气体收集装置用于收集水合物反应生成的气体。

7.根据权利要求1所述的一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置，其特征在于：所述实时显示单元包括光学相差显微镜、计算机及相应的图像处理软件，所述光学相差显微镜用于观测水合物在微孔隙中的反应行为，并显示水合物-气体-液体三相的相界面，所述光学相差显微镜通过数据线与计算机相连，所述计算机内相应图像处理软件可实时获取耐压微流控玻璃芯片中水合物的微观形态。

8.一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置在模拟地层微孔隙内水合物生成与分解实验、水合物抑制剂溶液作用效果评价、天然气水合物的置换开采中的应用。

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