高压微流量实验系统压力调控装置技术领域
本发明涉及高压实验的稳压调控技术领域，尤其涉及一种高压微流量实验系统压
力调控装置。
背景技术
在与致密油气藏开采相关的模拟实验中，其实验压力很高，一般为几十甚至近百
兆帕；另外，由于实验系统用的微管孔隙非常细小，实验流体的流量超低，一般为纳升级/分
钟(即流量单位为nL/min)。实验过程中稳定精确的控制实验系统的高压环境，是致密油气
藏开采实验亟待攻克的技术难点。
目前高压微流量实验的压力控制有两类方法，一种是弹簧式针型阀控制；一种是
膜片式流体增压控制。弹簧式针型阀是利用弹簧作用力线性范围所做的控制调整，压力控
制范围相对较窄，适合于流速稳定、控制要求精度不高的实验。膜片式流体增压控制方法的
设备是利用流体对压力的高敏感性，快速调节膜片的前后移动。膜片有时向后移动困难，或
者膜片已经向后移动，但是注入流体仍不能排出而释放压力，膜片移动控制的不及时，膜片
式流体增压控制方法的回压阀的压力控制效果如图4所示。前述两种控制压力的方法的工
作原理是利用了压力来开启针型阀或膜片，当压力大于背压时，针型阀或膜片开启。由于实
验的流量为纳升级/分钟(即流量的单位为nL/min)，开启针型阀或膜片的时间长，系统压力
升高，泄压时系统压力又迅速降低，不可避免地导致实验系统的压力波动。除了上述两种控
制压力的方法，还有用高精度泵控制压力的方法，由于价格昂贵，其通用性受到限制。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种高压微流量实验
系统压力调控装置，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压微流量实验系统压力调控装置，克服现有技术中
存在的压力控制范围相对较窄、控制精度不高、压力调控波动等问题，该装置利用高压气体
储能稳压和微管辅助调压，稳压精度高，压力调控平稳无波动。
本发明的目的是这样实现的，一种高压微流量实验系统压力调控装置，所述高压
微流量实验系统压力调控装置包括高压气体储罐，所述高压气体储罐中滑动设置有气体罐
活塞，所述气体罐活塞的一侧为第一高压气体空间，所述高压气体储罐位于所述气体罐活
塞另一侧的侧壁上设置有实验系统流体入口，所述实验系统流体入口通过第一连接管、第
一阀门与高压微流量实验系统的出口连通；所述高压微流量实验系统压力调控装置还包括
高压液体调控罐，所述高压液体调控罐中滑动设置有液体罐活塞，所述液体罐活塞的一侧
为第二高压气体空间，所述液体罐活塞的另一侧为存储控制液的高压液体空间，所述第一
高压气体空间通过第二连接管与所述第二高压气体空间连通，所述高压液体调控罐位于所
述高压液体空间一侧的侧壁通过第三连接管、第二阀门连通有辅助调压系统，所述辅助调
压系统的出口开放。
在本发明的一较佳实施方式中，所述辅助调压系统包括多个并联设置的微管，各
所述微管的入口均与所述第二阀门连通，各所述微管的出口开放。
在本发明的一较佳实施方式中，各所述微管分别固定设置于一微管夹持器中。
在本发明的一较佳实施方式中，各所述微管分别通过一耐高压管线与所述第二阀
门连通，各所述耐高压管线上设置有一第三阀门。
在本发明的一较佳实施方式中，所述微管的管径大于等于0.4微米且小于等于50
微米。
在本发明的一较佳实施方式中，所述微管为纳米管，所述微管的外壁上涂覆有涂
层保护单元。
在本发明的一较佳实施方式中，所述微管为厚壁弹性熔融石英毛细管。
在本发明的一较佳实施方式中，所述高压气体储罐位于所述第一高压气体空间的
一侧设置有能封闭的高压气体入口，所述高压气体储罐位于所述第一高压气体空间的一侧
还设置有压力传感器。
在本发明的一较佳实施方式中，所述高压液体调控罐位于所述高压液体空间一侧
的侧壁上设置有能封闭的控制液入口。
在本发明的一较佳实施方式中，所述高压微流量实验系统的出口与所述第一阀门
之间设置有油气水计量系统。
由上所述，本发明提供的高压微流量实验系统压力调控装置中，高压气体储罐的
第一高压气体空间、高压液体调控罐的第二高压气体空间中存储有高压气体，体积较大的
高压气体有强大的压缩性，进入实验系统压力调控装置的实验系统流体流量较小，对实验
系统压力调控装置压力影响很小，压力调控平稳无波动，实现了实验系统压力调控装置的
回路稳压，并实现高压微流量实验系统出口压力恒定；本发明提供的高压微流量实验系统
压力调控装置中还设置有辅助调压系统，辅助调压系统由多根微管并联构成，辅助调压系
统充分利用微管的微流动原理，保证实验系统压力调控装置中压力控制精度高。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1a：为本发明的高压微流量实验系统压力调控装置的结构示意图。
图1b：为本发明的辅助调压系统的结构示意图。
图2：为本发明的单位长度的微管不同管径和压力所对应的流量关系图。
图3：为本发明的高压微流量实验系统压力调控装置的压力控制效果图。
图4：为现有的膜片式流体增压控制方法的回压阀的压力控制效果图。
图中：
100、高压微流量实验系统压力调控装置；
1、高压气体储罐；11、气体罐活塞；12、第一高压气体空间；13、实验系统流体入口；
14、压力传感器；
2、高压液体调控罐；21、液体罐活塞；22、第二高压气体空间；23、高压液体空间；
3、辅助调压系统；31、微管；32、微管夹持器；33、耐高压管线；
41、第一连接管；42、第二连接管；43、第三连接管；
51、第一阀门；52、第二阀门；53、第三阀门；
6、油气水计量系统；
9、高压微流量实验系统。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发
明的具体实施方式。
如图1a所示，本发明提供一种高压微流量实验系统压力调控装置100，高压微流量
实验系统的压力为常压(1个大气压，即0.1兆帕)至80兆帕，微流量为0.0001nL/min～
100000nL/min。高压微流量实验系统压力调控装置100连通设置于高压微流量实验系统9的
出口处，高压微流量实验系统压力调控装置100包括高压气体储罐1，高压气体储罐1中滑动
设置有气体罐活塞11，气体罐活塞11的一侧为第一高压气体空间12(在一具体实施例中，气
体罐活塞11的上方为第一高压气体空间12)，高压气体储罐1位于气体罐活塞11另一侧的侧
壁上设置有实验系统流体入口13(在一具体实施例中，高压气体储罐1的下部侧壁上设置有
实验系统流体入口13)，实验系统流体入口13通过第一连接管41、第一阀门51与高压微流量
实验系统9的出口连通，在本发明的一具体实施例中，第一连接管41为钢管线，其内径为
3mm；高压微流量实验系统压力调控装置100还包括与高压气体储罐1中压力相同的高压液
体调控罐2，高压液体调控罐2中滑动设置有液体罐活塞21，液体罐活塞21的一侧为第二高
压气体空间22(在一具体实施例中，液体罐活塞21的上方为第二高压气体空间22)，液体罐
活塞21的另一侧为存储控制液的高压液体空间23(在一具体实施例中，液体罐活塞21的下
方为高压液体空间23)，在本发明的一具体实施例中，控制液为去离子水；第一高压气体空
间12通过第二连接管42与第二高压气体空间22连通，高压液体调控罐2位于高压液体空间
23一侧的侧壁通过第三连接管43、第二阀门52连通有辅助调压系统3。本发明的一具体实施
例中，高压微流量实验系统压力调控装置100中的压力为常压(1个大气压，即0.1兆帕)至80
兆帕。本发明的高压微流量实验系统压力调控装置100中，高压气体储罐1的第一高压气体
空间12、高压液体调控罐2的第二高压气体空间22中存储有高压气体，体积较大的高压气体
有强大的压缩性，通过实验系统流体入口13进入实验系统压力调控装置的实验系统流体流
量较小，对实验系统压力调控装置压力影响很小，压力调控平稳无波动，实现了实验系统压
力调控装置的回路稳压，进而实现高压微流量实验系统9出口压力恒定；高压微流量实验系
统压力调控装置100中的辅助调压系统3，能够保证实验系统压力调控装置中压力控制精度
高。
进一步，如图1b所示，辅助调压系统3包括多个并联设置的、且管径相异的微管31，
各微管31的入口均与第二阀门52连通，各微管31的出口开放。在本发明的一具体实施例中，
辅助调压系统3由四个微管31并联构成。高压微流量实验时，实验系统流体进入高压气体储
罐1中气体罐活塞11远离第一高压气体空间12的一侧，气体罐活塞11向第一高压气体空间
12方向移动，第一高压气体空间12中的高压氮气向第二高压气体空间22流动，液体罐活塞
21在高压气体的作用下向高压液体空间23方向移动，高压液体空间23中的控制液在液体罐
活塞21推动下通过辅助调压系统3的微管流出到装置外部，控制液在微管31中的流量为纳
升级/分钟(即流量的单位为nL/min)，利用微管31的微尺度流动效应和高压气体储能原理，
保证了高压气体储罐1内的压力稳定以及实验系统压力的高精度调整，进而保证了高压微
流量实验系统9的压力稳定。
在本实施方式中，如图1b所示，各微管31分别固定设置于一微管夹持器32中。
进一步，如图1a、图1b所示，各微管31分别通过一耐高压管线33与第二阀门52连
通，各耐高压管线33上设置有一第三阀门53。高压微流量实验过程中，实验系统流体进入高
压气体储罐1中，各第三阀门53最初均为关闭状态，利用第一高压气体空间12、第二高压气
体空间22中高压气体的储能作用，保持实验系统压力稳定测出实验系统流体的流量(利用
位移法测量流量)后，选定适当管径的微管31，开启相应的第三阀门53，利用辅助调压系统3
排出的控制液流量等于进入高压气体储罐1的实验系统流体流量来稳定高压微流量实验系
统压力。高压微流量实验中选用的微管31一般为多个，通过多个微管31的组合完成高压微
流量实验的辅助调压。
进一步，微管31的管径大于等于0.4微米且小于等于50微米。在高压微流量实验
中，需要对辅助调压系统3的微管31的管径和长度进行选择，微管31的选择依据是高压微流
量实验的压力和控制液的流量，单位长度的微管31不同管径和压力所对应的流量如图2所
示。经过理论公式计算及反复实验得出，微管流量和微管长度成反比关系。本发明的一个具
体实施例中，进入辅助调压系统3的流体流量为22000nL/min，实验系统压力为10兆帕，辅助
调压系统3中选择长度为1cm，管径为2μm、5μm、10μm的微管组合；本发明的另一具体实施例
中，进入辅助调压系统3的流体流量为0.01nL/min，实验系统压力为10兆帕，辅助调压系统3
中选择长度为5cm，管径为0.4μm的微管。
进一步，微管31为纳米管，在本发明的一具体实施例中，微管为厚壁弹性熔融石英
毛细管。为了防止微管31折断，微管的外壁上涂覆有涂层保护单元，在本发明的一具体实施
例中，涂层保护单元材质为聚酰亚胺，其具有良好的耐压性能。
进一步，高压气体储罐1位于第一高压气体空间12的一侧设置有能封闭的高压气
体入口，实验前，第一阀门51、第二阀门52均关闭，高压微流量实验系统压力调控装置100处
于封闭状态，实验者通过高压气体入口向高压气体储罐1的第一高压气体空间12注入高压
氮气，同时高压氮气经过第二连接管42注入到高压液体调控罐2的第二高压气体空间22中；
高压气体储罐1位于第一高压气体空间12的一侧还设置有压力传感器14，在本实施方式中，
压力传感器14为高精度压力传感器，精度级别为0.2级。在高压微流量实验系统压力调控装
置100使用过程中，实验者通过压力传感器14监控第一高压气体空间12的气体压力，气体压
力达到实验要求值后停止注气。
进一步，高压液体调控罐2位于高压液体空间23一侧的侧壁上设置有能封闭的控
制液入口。高压气体储罐1注气前，通过控制液入口向高压液体调控罐2的高压液体空间23
中注入控制液，注液后对高压气体储罐1注气。
进一步，如图1a所示，高压微流量实验系统9的出口与第一阀门51之间设置有油气
水计量系统6，油气水计量系统6处的压力与高压微流量实验系统9的出口压力相同。
高压微流量实验前，关闭第一阀门51和第二阀门52，将本发明的高压微流量实验
系统压力调控装置100与高压微流量实验系统9的出口连接，通过高压液体调控罐2的控制
液入口向高压液体空间23中注入控制液(去离子水)，注液结束后封闭控制液入口，之后通
过高压气体储罐1的高压气体入口向第一高压气体空间12注入高压氮气，高压氮气同时通
过第二连接管42进入高压液体调控罐2的第二高压气体空间22中，两罐实现同时充气，当压
力传感器14的示数达到实验要求值之后停止注气，封闭高压气体入口。
准备工作结束后，开始高压微流量实验。当高压微流量实验系统9达到实验要求的
压力值之后，打开第一阀门51和第二阀门52，实验系统流体经油气水计量系统6、第一阀门
51、第一连接管41进入高压气体储罐1，实验系统流体流动过程中通过油气水计量系统6测
定流量，根据实验系统流体的流量选定辅助调压系统3中的微管31，可以是多个微管组合，
也可以是一个微管。选定微管31后，开启相应的第三阀门53，控制液将通过选定的微管31排
出装置。本发明的高压微流量实验系统压力调控装置100压力调控包括两个方面，第一方
面，第一高压气体空间12、第二高压气体空间22中存储有高压气体，体积较大的高压气体有
强大的压缩性，由高压微流量实验系统的出口流入高压气体储罐1的实验系统流体流量较
小，对高压气体的压力影响很小，不会出现明显的压力波动，实现实验系统压力的初步调
控；第二方面，根据控制的系统压力和测得的实验系统流体流量来选择辅助调压系统3的微
管31，经微管31排出的控制液流量等于进入高压气体储罐1的实验系统流体流量，利用微管
31的微尺度流动效应使得调压更加精确，最终实现高压微流量实验系统压力平稳、精确地
调控。在某一具体实验中，本发明的高压微流量实验系统压力调控装置100的压力控制效果
如图3所示，高压微流量实验监控的120分内，系统压力的波动范围在2KPa(即0.002MPa)内，
压力调控得非常平稳。
由上所述，本发明提供的高压微流量实验系统压力调控装置中，高压气体储罐的
第一高压气体空间、高压液体调控罐的第二高压气体空间中存储有高压气体，体积较大的
高压气体有强大的压缩性，进入实验系统压力调控装置的实验系统流体流量较小，对实验
系统压力调控装置压力影响很小，压力调控平稳无波动，实现了实验系统压力调控装置的
回路稳压，并实现高压微流量实验系统出口压力恒定；本发明提供的高压微流量实验系统
压力调控装置中还设置有辅助调压系统，辅助调压系统由多根微管并联构成，辅助调压系
统充分利用微管的微流动原理，保证实验系统压力调控装置中压力控制精度高。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何
本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均
应属于本发明保护的范围。