本发明涉及一种应用CT测量多孔介质内气液间舍伍德数的装置及方法，装置包括CT扫描系统和气液传质系统。该方法首先将反应容器控制为恒温恒压，利用CT扫描成像技术获得不同注液流量与不同注液方向下高压容器中多孔介质内的气泡体积随时间变化的CT图像，处理后得到液体中的气体浓度值和两相界面比表面积的值，进而计算出多孔介质内气液间传质的舍伍德数。通过对实验装置的控制，在实验过程中可以设置不同的注液方向，为分析重力对于气液界面形状和舍伍德数数值的影响带来便利。应用该方法及其测定装置可得到孔隙尺度下气液间舍伍德数，增进对气液两相物质质量传递规律的认识，为地层环境下多相多组分运移规律分析提供基础物性数据。
1.一种应用CT测量多孔介质内气液间舍伍德数的装置，该装置包括CT扫描系统和气液传质系统；所述的CT扫描系统包括CT扫描装置(12)与数据处理计算机；其特征在于：所述的气液传质系统包括气瓶(1)、液体罐(2)、水浴(3)、针阀A(4a)、针阀B(4b)、针阀C(4c)、针阀D(4d)、针阀E(4e)、针阀F(4f)、针阀G(4g)、针阀H(4h)、针阀I(4i)、针阀J(4j)、针阀K(4k)、针阀L(4l)、针阀M(4m)、注入泵A(5)、注入泵B(6)、背压泵(7)、压力传感器(8)、控温装置(9)、温度传感器(10)、高压容器(11)、真空泵(13)以及配套管路系统；
其中注入泵A(5)、注入泵B(6)和背压泵(7)与高压容器(11)两端通过管路系统连接；所述的高压容器(11)内填充多孔介质，放置于CT扫描装置(12)中；压力传感器(8)连接于高压容器(11)两端的管路，用于测量容器内部压力，温度传感器(10)连接于高压容器(11)顶端测量容器内部温度；注入泵A(5)、注入泵B(6)分别用于向高压容器(11)内注入气体和液体，并控制注入流量；背压泵(7)用于控制高压容器(11)和管路系统内部压力；
注入泵A(5)连接针阀D(4d)的一端，针阀D(4d)的另一端同时连接针阀G(4g)和针阀K(4k)；注入泵B(6)连接针阀E(4e)的一端，针阀E(4e)的另一端同时连接针阀H(4h)和针阀I(4i)；背压泵(7)连接针阀F(4f)的一端，针阀F(4f)的另一端同时连接针阀J(4j)和针阀L(4l)；针阀K(4k)、针阀H(4h)、针阀L(4l)分别通过管路与高压容器(11)的上端连接，针阀G(4g)、针阀I(4i)、针阀J(4j)分别通过管路与高压容器(11)的下端连接；通过管路系统中各个针阀的开闭控制高压容器(11)内部注入气体和液体的方向；真空泵(13)通过针阀M(4m)与管路系统的出口端连接。
2.应用权利要求1所述装置测量多孔介质内气液间舍伍德数的方法，其特征包括如下步骤：
(一)将多孔介质装填入高压容器(11)内，再将高压容器(11)放入CT扫描装置内部并连接上下端管路；保持所有针阀为开启状态；
(二)关闭针阀A(4a)、针阀B(4b)、针阀C(4c)，将真空泵(13)连接至针阀M(4m)出口端，进行抽真空后，关闭针阀M(4m)，开启控温装置(9)对高压容器(11)进行控温；
(三)关闭针阀D(4d)、针阀E(4e)，打开气瓶(1)和针阀A(4a)，向注入泵A(5)中充入气体，待气压稳定后，关闭针阀A(4a)；打开液体罐(2)和针阀B(4b)，向注入泵B(6)中充入满足测量用量的液体后，关闭针阀B(4b)；开启水浴(3)对注入泵A(5)、注入泵B(6)、背压泵(7)进行持续控温；
第二步，向上注气、向下注液，并用CT扫描装置进行扫描；
(一)关闭针阀H(4h)、针阀K(4k)和针阀L(4l)，打开针阀D(4d)，将注入泵A(5)中的气体释放至管路系统中，并自下而上的进入高压容器(11)内部；同时利用注入泵A(5)调节系统压力至预设压力，并保持恒压直至管路和高压容器(11)内部系统压力稳定，然后关闭针阀D(4d)；
(二)设定注入泵B(6)和背压泵(7)的压力为系统压力，关闭针阀I(4i)，打开针阀E(4e)和针阀H(4h)，利用注入泵B(6)以预设流量向高压容器(11)内部自上而下地注入液体；保持注入流量不变，利用温度传感器(10)记录温度，利用压力传感器(8)记录压力，利用CT扫描装置(12)对高压容器(11)内部两相分布进行连续可视化扫描；利用数据采集处理计算机得到气液两相分布的CT图像；
(三)观察获取的CT图像，当高压容器(11)内部多孔介质孔隙内的气体完全溶解于液体中时，停止注入泵B(6)、背压泵(7)；关闭针阀E(4e)；
(四)打开针阀C(4c)、针阀I(4i)、针阀K(4k)、针阀L(4l)和针阀M(4m)，将背压泵(7)中的气体和液体排空，关闭针阀C(4c)，将真空泵(13)连接至针阀M(4m)出口端，进行抽真空后，关闭针阀M(4m)；
(五)改变温度、压力、注入泵B(6)的预设流量，重复第二步的步骤(一)～(四)，得到不同温度压力下向下注液过程高压容器(11)中多孔介质内的气泡体积随时间变化的CT图像；
第三步，向下注气、向上注液，并用CT扫描装置进行扫描；
(一)关闭针阀G(4g)、针阀I(4i)和针阀J(4j)，打开针阀D(4d)，将注入泵A(5)中的气体释放至管路系统中，并自上而下的进入高压容器(11)内部；同时利用注入泵A(5)调节系统压力至预设压力，并保持恒压直至管路和高压容器(11)内部系统压力稳定，然后关闭针阀D(4d)；
(二)设定注入泵B(6)和背压泵(7)的压力为系统压力，关闭针阀H(4h)，打开针阀E(4e)和针阀I(4i)，利用注入泵B(6)以预设流量向高压容器(11)内部自下而上地注入液体；保持注入流量不变，利用温度传感器(10)记录温度，利用压力传感器(8)记录压力，利用CT扫描装置(12)对高压容器(11)内部两相分布进行连续可视化扫描；利用数据采集处理计算机得到气液两相分布的CT图像；
(三)观察获取的CT图像，当高压容器(11)内部多孔介质孔隙内的气体完全溶解于液体中时，停止注入泵B(6)、背压泵(7)；关闭针阀E(4e)；
(四)打开针阀C(4c)、针阀G(4g)、针阀H(4h)、针阀J(4j)和针阀M(4m)，将背压泵(7)中的气体和液体排空，关闭针阀C(4c)，将真空泵(13)连接至针阀M(4m)出口端，进行抽真空后，关闭针阀M(4m)；
(五)改变温度、压力、注入泵B(6)的预设流量，重复第三步的步骤(一)～(四)，得到不同温度压力下向上注液过程高压容器(11)中多孔介质内的气泡体积随时间变化的CT图像；
第四步，根据第二步和第三步获得的CT图像，计算得到液体中的气体浓度值和两相界面比表面积的值，进而计算出多孔介质内气液间传质的舍伍德数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的抽真空时长为至少30分钟，用于恢复系统为测量前的初始状态。
一种应用CT测量多孔介质内气液间舍伍德数的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于石油开采工程技术领域，涉及一种应用CT测量多孔介质内气液间舍伍德数的方法及其测定装置。
背景技术
[0002] 研究气体与液体之间的物质传递(以下简称传质)现象是理解气相与液相间相互溶解过程的重要研究因素。传质现象是已溶解在液体中的气体或者已溶解在气体中的液体通过分子扩散、对流等方式实现对未饱和相内的传质。以气体溶解在水中这一现象举例，当地下水流动时，在气泡与水的界面上由于水中以及气水界面间的气体分子弥散速度变快而达到饱和平衡状态。进而，当饱和了气体的水和未饱和的气体的水之间产生对流时，气水相界面中饱和气相的水会被对流运输，根据传质现象，更多的气相将随之被运输。
[0003] 在传质领域中，作为一种无量纲参数，舍伍德数被定义为分子传质阻力与对流传质阻力的比值。因此，可以通过测量传质过程中气相与液相之间的舍伍德数来定量化分析气液间的传质现象。在实际流动过程中，气液两相会同时在多孔介质中流动并发生传质现象。例如，地下深部含水层一般位于地下800米以下，其结构多由粒径大小不一的岩石组成，咸水占据在岩石颗粒之间的孔隙与孔隙喉道。为了认知地下深部含水层内发生的传质现象，需要使用多孔介质模型如颗粒填充砂芯以及岩心等进行地层条件模拟，在其中使气相或者液相流动，并分析这一现象。通过计算多孔介质内气液两相的舍伍德数这一无量纲因子，可以实现多孔介质内传质现象的模型化。因此，以孔隙尺度来进行仿真环境实验的方法是能够表征真实环境的。
[0004] 为了强化或削弱传质过程，现有的测量气液相界面间舍伍德数的方法主要是通过改变液体状况和改变气体状况这两个方面，来改变气液间的有效比表面积，改变气液间的湍动程度，最终改变气相体积舍伍德数或液相体积舍伍德数。进行气液两相间舍伍德数测量，所使用的方法包括PVT筒法、微孔气液接触法、离子浓度追踪法、染色示踪法、超声波测量法、光透法等。PVT筒法通常使用PVT筒进行可视化实验，向含有一定体积的液相的容器内注入气相，通过测量实验系统的压力变化和温度变化，以及液相的容积变化来监测传质过程。微孔气液接触法利用微孔气体分布器将气体扩散成微小气泡，利用气相或者液相的相对流动，通过测量气泡的体积大小变化来计算气体在液体中的溶解速度，较大提高了气液接触面积，提高传质效率。离子浓度追踪法通常设定多孔介质模型，并在反应容器出口处的接样口进行取样分析，通过高压液相色谱法或气相色谱法进行质量浓度监测，对出口物质的特定离子浓度进行分析。以上测量方式的测量结果只能观察体系内的宏观相态特征，而在多孔介质内的微观相态特征不容易被观察，也不容易进行定量研究。染色示踪法通常在二维砂箱中进行，对液相进行染色处理，通过注入气相并观察液相的区域分布变化来计算两相间的溶解过程。考虑染色后的液相对光的吸收作用，即计算模型中忽略了染色后液相的吸收系数而只考虑染色剂本身的折射率,且模型中参数较多而且部分参数难以得到，并不能有效的完成孔隙尺度的精确测量。超声波测量法利用两个脉冲发生的互感作用，在多孔介质内部产生探头脉冲并携带着有关介质的信息传播返回接收器。但是当波长λ≤10倍内含物的长度时，内含物作为散射体对传播波具强烈的散射作用。且测量液相饱和度时必须用高频超声波，否则会对结果造成很大的误差甚至导致错误。近年新发展起来的光透法广泛应用于室内二维砂箱实验中流体迁移规律监测，利用CCD相机可以动态监测整个气体入渗过程的光强值，然而空间分辨率仍处于毫米级别，使用较之于白炽灯更加稳定的LED灯作为光源也不能保证入射光源长期使用的稳定性，仍存在一定的局限性。
发明内容
[0005] 本发明旨在克服上述现有技术中存在的问题，开发一种应用CT测量多孔介质内气液间舍伍德数的方法及其测定装置。
[0006] 该方法首先将反应容器控制为恒温恒压，利用CT扫描成像技术获得不同注液流量与不同注液方向下高压容器中多孔介质内的气泡体积随时间变化的CT图像，处理后得到液体中的气体浓度值和两相界面比表面积的值，进而计算出多孔介质内气液间传质的舍伍德数。通过对实验装置的控制，在实验过程中可以设置不同的注液方向，为分析重力对于气液界面形状和舍伍德数数值的影响带来便利。应用该方法及其测定装置可得到孔隙尺度下气液间舍伍德数，增进对气液两相物质质量传递规律的认识，为地层环境下多相多组分运移规律分析提供基础物性数据。
[0007] 本发明的技术方案是：
[0008] 一种应用CT测量多孔介质内气液间舍伍德数的装置，该装置包括CT扫描系统和气液传质系统；
[0009] CT扫描系统包括通用型X射线CT扫描装置与数据处理计算机；气液传质系统包括气瓶、液体罐、水浴、针阀A、针阀B、针阀C、针阀D、针阀E、针阀F、针阀G、针阀H、针阀I、针阀J、针阀K、针阀L、针阀M、注入泵A、注入泵B、背压泵、压力传感器、控温装置、温度传感器、高压容器、真空泵以及配套管路系统；
[0010] 其中注入泵A、注入泵B和背压泵与高压容器两端通过管路系统连接；所述的高压容器内填充多孔介质，放置于CT扫描装置中；压力传感器连接于高压容器两端的管路，用于测量容器内部压力，温度传感器连接于高压容器顶端测量容器内部温度；注入泵A、注入泵B分别用于向高压容器内注入气体和液体，并控制注入流量；背压泵用于控制高压容器和管路系统内部压力；
[0011] 注入泵A连接针阀D的一端，针阀D的另一端同时连接针阀G和针阀K；注入泵B连接针阀E的一端，针阀E的另一端同时连接针阀H和针阀I；背压泵连接针阀F的一端，针阀F的另一端同时连接针阀J和针阀L；针阀K、针阀H、针阀L分别通过管路与高压容器的上端连接，针阀G、针阀I、针阀J分别通过管路与高压容器的下端连接；通过管路系统中各个针阀的开闭控制高压容器内部注入气体和液体的方向；真空泵通过针阀M与管路系统的出口端连接。
[0012] 应用上述装置测量多孔介质内气液间舍伍德数的方法包括如下步骤：
[0013] 第一步，初始准备阶段；
[0014] 1)将多孔介质装填入高压容器内，再将高压容器放入CT扫描装置内部并连接上下端管路；保持所有针阀为开启状态。
[0015] 2)关闭针阀A、针阀B、针阀C，将真空泵连接至针阀M出口端，进行抽真空后，关闭针阀M，开启控温装置对高压容器进行控温。
[0016] 3)关闭针阀D、针阀E，打开气瓶和针阀A，向注入泵A中充入气体，待气压稳定后，关闭针阀A；打开液体罐和针阀B，向注入泵B中充入满足测量用量的液体后，关闭针阀B；开启水浴对注入泵A、注入泵B、背压泵进行持续控温。
[0017] 第二步，向上注气、向下注液，并用CT扫描装置进行扫描；
[0018] 1)关闭针阀H、针阀K和针阀L，打开针阀D，将注入泵A中的气体释放至管路系统中，并自下而上的进入高压容器内部；同时利用注入泵A调节系统压力至预设压力，并保持恒压直至管路和高压容器内部系统压力稳定，然后关闭针阀D。
[0019] 2)设定注入泵B和背压泵的压力为系统压力，关闭针阀I，打开针阀E和针阀H，利用注入泵B以预设流量向高压容器内部自上而下地注入液体；保持注入流量不变，利用温度传感器记录温度，利用压力传感器记录压力，利用CT扫描装置对高压容器内部两相分布进行连续可视化扫描；利用数据采集处理计算机得到气液两相分布的CT图像。
[0020] 3)观察获取的CT图像，当高压容器内部多孔介质孔隙内的气体完全溶解于液体中时，停止注入泵B、背压泵；关闭针阀E。
[0021] 4)打开针阀C、针阀I、针阀K、针阀L和针阀M，将背压泵中的气体和液体排空，关闭针阀C，将真空泵连接至针阀M出口端，进行抽真空后，关闭针阀M。
[0022] 5)改变温度、压力、注入泵B的预设流量，重复步骤1)-4)，得到不同温度压力下向下注液过程高压容器中多孔介质内的气泡体积随时间变化的CT图像。
[0023] 第三步，向下注气、向上注液，并用CT扫描装置进行扫描；
[0024] 1)关闭针阀G、针阀I和针阀J，打开针阀D，将注入泵A中的气体释放至管路系统中，并自上而下的进入高压容器内部；同时利用注入泵A调节系统压力至预设压力，并保持恒压直至管路和高压容器内部系统压力稳定，然后关闭针阀D。
[0025] 2)设定注入泵B和背压泵的压力为系统压力，关闭针阀H，打开针阀E和针阀I，利用注入泵B以预设流量向高压容器内部自下而上地注入液体；保持注入流量不变，利用温度传感器记录温度，利用压力传感器记录压力，利用CT扫描装置对高压容器内部两相分布进行连续可视化扫描；利用数据采集处理计算机得到气液两相分布的CT图像。
[0026] 3)观察获取的CT图像，当高压容器内部多孔介质孔隙内的气体完全溶解于液体中时，停止注入泵B、背压泵；关闭针阀E。
[0027] 4)打开针阀C、针阀G、针阀H、针阀J和针阀M，将背压泵中的气体和液体排空，关闭针阀C，将真空泵连接至针阀M出口端，进行抽真空后，关闭针阀M。
[0028] 5)改变温度、压力、注入泵B的预设流量，重复步骤1)-4)，得到不同温度压力下向上注液过程高压容器中多孔介质内的气泡体积随时间变化的CT图像。
[0029] 第四步，根据第二步和第三步获得的CT图像，计算得到液体中的气体浓度值和两相界面比表面积的值，进而计算出多孔介质内气液间传质的舍伍德数。
[0030] 应用上述方法进行抽真空时，抽真空时长为至少30分钟，用于恢复系统为测量前的初始状态。
[0031] 本发明的有益效果是：上述技术方案利用CT扫描成像技术可直观、无损伤的测定多孔介质中气液间传质的舍伍德数，具有可操作性可重复性测定等优点，并实现气液间传质过程的动态可视化及量化分析。
[0032] CT扫描成像技术作为一种强力的非侵入测试技术，通过不同密度物质对X射线吸收与透过率不同可以对多孔介质内的气泡体积随时间的变化进行直观的、连续的测量，在测量时间间隔十分密集的同时能够极大地减少测量孔隙内微米级别的气泡体积误差，实现孔隙尺度下气液间传质的舍伍德数的测定；可以同时实现孔隙尺度下气液间传质过程的可视化，揭示气液相平衡规律。
[0033] 通过改变系统温度压力以及不同注液流量与不同注液方向，实现在上述时测量多孔介质内气液间舍伍德数，并可以进行全面的、系统的量化分析；对装置中针阀的开闭进行连续设置，可以在不拆卸和改变系统管路的情况下分析不同注液方向时重力条件对气液间舍伍德数的影响，规避了系统误差所造成的影响，保证了测量数据的可比性和准确性，同时也大大提高了测量过程的便利性；通过在同一管路系统中控制针阀的开闭，实现注气和注液方向的不同，防止同一方向的连续注入过程对多孔介质结构造成挤压并形成流动通道，进而造成舍伍德数的测量误差。
附图说明
[0034] 图1是本发明的应用CT测量多孔介质内气液间舍伍德数的装置结构示意图。
[0035] 图中：1气瓶；2液体罐；3水浴；4a针阀A；4b针阀B；4c针阀C；4d针阀D；4e针阀E；4f针阀F；4g针阀G；4h针阀H；4i针阀I；4j针阀J；4k针阀K；4l针阀L；4m针阀M；5注入泵A；6注入泵B；7背压泵；8压力传感器；9控温装置；10温度传感器；11高压容器；12CT扫描装置；13真空泵。
[0036] 图2是40℃、8Mpa时以0.005ml/min的流量向下注入水过程中多孔介质内不同位置的气泡体积随时间的变化图。
[0037] 图3是40℃、8Mpa时以0.005ml/min的流量向上注入水过程中多孔介质内不同位置的气泡体积随时间的变化图。
[0038] 图4是40℃、8Mpa时以0.005ml/min的流量向下注入水过程中多孔介质内不同位置气水间的舍伍德数。
[0039] 图5是40℃、8Mpa时以0.005ml/min的流量向上注入水过程中多孔介质内不同位置气水间的舍伍德数。
具体实施方式
[0040] 以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
[0041] 实施例是在40℃、8Mpa时，以0.005ml/min的流量向下和向上注入水过程中，测量多孔介质内CO2和水间舍伍德数的实验。按图1的装置结构示意图连接系统，对系统进行试压确认系统没有泄露点。将多孔介质装填入高压容器11内，再将高压容器11放入CT扫描装置12内部并连接上下端管路。保持所有针阀为开启状态。
[0042] 关闭针阀A4a、针阀B4b、针阀C4c，将真空泵13连接至针阀M4m出口端，抽真空30分钟后停止，关闭针阀M4m，开启控温装置9对高压容器11控温，使温度保持在40℃。
[0043] 关闭针阀D4d、针阀E4e，打开气瓶1和针阀A4a，向注入泵A5中充入CO2，待气压稳定后，关闭针阀A4a。打开水罐2和针阀B4b，向注入泵B6中充入满足测量用量的水后，关闭针阀B4b。开启水浴3对注入泵A5、注入泵B6、背压泵7进行持续控温，使温度保持在40℃。
[0044] 关闭针阀H4h、针阀K4k和针阀L4l，打开针阀D4d，将注入泵A5中的CO2释放至管路系统中，并自下而上的进入高压容器11内部。同时利用注入泵A5调节系统压力至8Mpa，并保持恒压直至管路和高压容器11内部系统压力稳定，然后关闭针阀D4d。
[0045] 设定注入泵B6和背压泵7的压力为8Mpa，关闭针阀I4i，打开针阀E4e和针阀H4h，利用注入泵B6以0.005ml/min的流量向高压容器11内部自上而下地注入水。保持注入流量不变，利用温度传感器10记录温度，利用压力传感器8记录压力，利用CT扫描装置12对高压容器11内部两相分布进行连续可视化扫描。利用数据采集处理计算机得到40℃、8Mpa时向下注入水过程高压容器11中多孔介质内的气泡体积随时间的变化的CT图像，如图2所示。
[0046] 观察获取的CT图像，当高压容器11内部多孔介质孔隙内的CO2完全溶解于水中时，停止注入泵B6、背压泵7。关闭针阀E4e。
[0047] 打开针阀C4c、针阀I4i、针阀K4k、针阀L4l和针阀M4m，将背压泵7中的CO2和水排空，关闭针阀C4c，将真空泵13连接至针阀M4m出口端，进行抽真空后，关闭针阀M4m。
[0048] 关闭针阀G4g、针阀I4i和针阀J4j，打开针阀D4d，将注入泵A5中的CO2释放至管路系统中，并自上而下的进入高压容器11内部。同时利用注入泵A5调节系统压力至8Mpa，并保持恒压直至管路和高压容器11内部系统压力稳定，然后关闭针阀D4d。
[0049] 设定注入泵B6和背压泵7的压力为8Mpa，关闭针阀H4h，打开针阀E4e和针阀I4i，利用注入泵B6以0.005ml/min的流量向高压容器11内部自下而上地注入水。保持注入流量不变，利用温度传感器10记录温度，利用压力传感器8记录压力，利用CT扫描装置12对高压容器11内部两相分布进行连续可视化扫描。利用数据采集处理计算机得到40℃、8Mpa时向上注入水过程高压容器11中多孔介质内的气泡体积随时间的变化的CT图像，如图3所示。
[0050] 观察获取的CT图像，当高压容器11内部多孔介质孔隙内的CO2完全溶解于水中时，停止注入泵B6、背压泵7。关闭针阀E4e。
[0051] 打开针阀C4c、针阀G4g、针阀H4h、针阀J4j和针阀M4m，将背压泵7中的CO2和水排空，关闭针阀C4c，将真空泵13连接至针阀M4m出口端，进行抽真空后，关闭针阀M4m。
[0052] 根据图2和图3对应的CT图像，通过对气泡的周长和面积进行测量，计算得到水中的CO2浓度值和两相界面比表面积的值。定义公式Sh＝ρ*|△S|*L/((Cs-C)*△t*A)，其中△t为两次CT扫描的时间间隔，A为两相界面比表面积的值，ρ为CO2的密度，|△S|为△t时间内CO2体积含有率的变化值，L为多孔介质的平均粒径，Cs为CO2在水中的溶解度，C为水中的CO2浓度值。通过该式计算多孔介质内CO2和水间传质的舍伍德数，如图4和图5所示。
