一种测量CO2/盐水/岩石体系接触角的实验装置技术领域
本发明属于温室气体地质封存技术领域，具体涉及一种测量CO2/盐水/岩石
体系接触角的实验装置。
背景技术
全球对化石燃料的严重依赖，导致大气中温室气体CO2不断增加，全球气
温持续上升，引发温室效应。为了缓解温室效应，各国纷纷采用碳捕集和封存
技术，将收集的CO2以超临界状态注入地质结构中，如油田、气田、咸水层和
无法开采的煤矿等，实现长期地质封存的目的。
在地质封存环境下，CO2/盐水/岩石体系的接触角是影响CO2在封存介质中
运移规律、毛细压力、毛细封存效率、残余捕获能力、地质封存量大小和盖层
泄漏的一个重要参数。因此，为了保证CO2地质封存的长期性、安全性和稳定
性，需设计实验装置，模拟地质封存环境，测量CO2/盐水/岩石体系中相界面接
触角，了解接触角变化规律。
研究表明：影响接触角的因素很多，比如温度、压力、岩石表面粗糙度、
盐水组成成分、离子强度和岩石种类等。现有测量CO2/盐水/岩石体系接触角的
实验装置，存在以下不足：实验测量温度为高温高压釜壁温，无法测量接触界
面的温度，由于内部盐水温度场的不均性，用壁温来表征接触界面的温度存在
较大的误差；实验装置只能测量岩石中心处的接触角，无法测量岩石表面不同
位置的接触角；实验过程中，无法调节CO2气泡在盐水中的脱离位置与岩石表
面垂直距离，无法研究气泡脱离位置对接触角的影响，无法测量动态接触角。
发明内容
本发明的目的为了解决上述现有技术中存在的不足，提供一种测量CO2/盐
水/岩石体系接触角的实验装置。实现温度采集器的有级调节，精确测量接触界
面的温度；测量岩石表面不同位置的接触角；无级调节CO2气泡在盐水中脱离
位置与岩石表面垂直距离，研究气泡脱离位置对接触角的影响以及测量动态接
触角。
本发明通过如下技术方案实现：
一种测量CO2/盐水/岩石体系接触角的实验装置，包括光源、封头、高温高
压釜、环形特氟龙密封圈、蓝宝石视镜、环形紫铜垫片、加热带、高速摄像仪、
图像分析仪、温度控制台、CO2气瓶、CO2泵、流量控制阀、CO2注射器、锥面
接头、泄液阀、溶液瓶、真空泵、双手柄三通针阀、压力表、载物片、插槽、
温度采集器和岩石。
所述的高温高压釜内部为水平圆柱形腔体，腔体内部竖直方向2/3处焊接插
槽，插槽位置水平，腔体左右两侧均分布有台阶孔，高温高压釜两侧端口处为
内螺纹结构；高温高压釜左右对称截面上分布四个螺纹孔，分别位于高温高压
釜的顶部、底部、前下方和后方。
所述的温度采集器包括堵头、压紧螺母、热电偶和卡套；卡套用于固定热
电偶，固定部位不可调节；压紧螺母将卡套压在堵头内，堵头与高温高压釜后
方的螺纹孔配合连接；热电偶贯穿于堵头，其前端伸入高温高压釜腔体内；堵
头长度为3个系列，长度差依次为3mm，通过更换不同长度堵头，热电偶前端
在高温高压釜腔体内的位置发生有级移动，实现温度采集器的有级调节，精确
测量接触界面的温度。
所述的CO2注射器包括针头、环形特氟龙密封圈、螺筒、凸台、螺杆把和
针管。针头安装在针管前端，凸台焊接在针管中部，针管前端穿过螺筒，凸台
被套入螺筒内；螺杆把从针管末端套入，螺杆把的外螺纹和螺筒的内螺纹配合
连接，螺杆把的前端顶着针管中部的凸台，旋转螺杆把，凸台上下移动，带动
针头上下移动，实现无级调节CO2气泡在盐水中脱离位置与岩石表面垂直距离；
针头伸入高温高压釜腔体内，螺筒的外螺纹与高温高压釜底部螺纹孔配合连接，
并将环形特氟龙密封圈压在高温高压釜底部的螺纹孔内，实现密封；针头为直
型针头和偏心距弯型针头，偏心距为3mm和6mm。
岩石粘贴在载物片下表面，载物片卡在高温高压釜的插槽内，用于固定岩
石；环形特氟龙密封圈位于蓝宝石视镜的侧面，带有通孔的封头与高温高压釜
两侧端口处内螺纹啮合连接，并依次将环形紫铜垫片和侧面套有环形特氟龙密
封圈的蓝宝石视镜压在高温高压釜的台阶孔内，环形紫铜垫片位于台阶孔端面
和蓝宝石视镜间，实现高温高压釜两侧端口密封；双手柄三通针阀的下端口通
过锥面接头与高温高压釜顶部螺纹孔连接，双手柄三通针阀的上左端口与真空
泵连接，双手柄三通针阀的上右端口依次连接压力表和流量控制阀后，与CO2
泵的出口连接；CO2注射器的针管通过流量控制阀与CO2泵的出口连接；CO2
泵的入口依次连接流量控制阀和CO2气瓶；溶液瓶与流量控制阀连接，并分出
两条支路，一条支路通过锥面接头与高温高压釜前下方螺纹孔连接，以注液；
另一条支路连接泄液阀，以泄液；温度控制台分别与加热带和温度采集器的热
电偶末端相连，加热带缠绕在高温高压釜外壁，以加热；光源和高速摄像仪置
于高温高压釜左右两侧封头处，光源、高速摄像和高温高压釜的中心轴线位于
同一水平线上，高速摄像仪与图像分析仪相连接，以处理图像，测量接触角。
本发明的功能和有益效果是：
(1)更换不同长度系列的堵头，热电偶前端在高温高压釜内位置发生有级
移动，实现温度采集器的有级调节，精确测量接触界面的温度。
(2)更换针头类型，测量岩石表面不同位置的接触角。采用直型针头，测
量岩石中心处的接触角；采用偏心距弯型针头，旋转针管，带动偏心距弯型针
头做圆周运行，测量以岩心为中心，半径为偏心距的圆周上的接触角。
(3)旋转螺杆把，无级调节CO2气泡在盐水中的脱离位置与岩石表面垂直
距离，研究气泡脱离位置对接触角的影响，以及测量动态接触角。
(4)利用本发明，可以研究温度、压力、岩石表面粗糙度、盐水组成成分、
离子强度和岩石种类等因素对CO2气泡与岩石表面接触角的影响规律，为CO2
地质封存提供可靠的实验依据。
附图说明
图1是本发明一种测量CO2/盐水/岩石体系接触角的实验装置结构示意图。
图2是本发明的温度采集器结构示意图。
图3是本发明的CO2注射器结构示意图。
图4是本发明的直型针头结构示意图。
图5是本发明的偏心距弯型针头结构示意图。
图中：1光源；2封头；3高温高压釜；4环形特氟龙密封圈；5蓝宝石视镜；
6环形紫铜垫片；7加热带；8高速摄像仪；9图像分析仪；10温度控制台；11CO2
气瓶；12CO2泵；13流量控制阀；14CO2注射器；15锥面接头；16泄液阀；
17溶液瓶；18真空泵；19双手柄三通针阀；20压力表；21载物片；22插槽；
23温度采集器；24岩石；25堵头；26压紧螺母；27热电偶；28卡套；29针
头；30螺筒；31凸台；32螺杆把；33针管；34直型针头；35偏心距弯型针头。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细描述说明。
本发明一种测量CO2/盐水/岩石体系接触角的实验装置，如图1所示，由光
源1，封头2，高温高压釜3，环形特氟龙密封圈4，蓝宝石视镜5，环形紫铜垫
片6，加热带7，高速摄像仪8，图像分析仪9，温度控制台10，CO2气瓶11，
CO2泵12，流量控制阀13，CO2注射器14，锥面接头15，泄液阀16，溶液瓶
17，真空泵18，双手柄三通针阀19，压力表20，载物片21，插槽22，温度采
集器23和岩石24组成。
所述的温度采集器，如图2所示，由堵头25，压紧螺母26，热电偶27和
卡套28组成。
所述的CO2注射器，如图3所示，由针头29，环形特氟龙密封圈4，螺筒
30，凸台31，螺杆把32和针管33组成。
具体实验装置安装步骤：
(1)安装温度采集器23。按照图2所示，卡套28固定热电偶27，压紧螺
母26将卡套28压在堵头25内，堵头25与高温高压釜3后方螺纹孔配合连接，
热电偶27前端伸入高温高压釜3腔体内。
(2)安装CO2注射器14。按照图3所示，针头29安装在针管33前端，针
管33前端穿过螺筒30，并将凸台31套入螺筒30内；螺杆把32从针管33末端
套入，利用外螺纹与螺筒30的内螺纹配合连接，前端顶着凸台31；螺筒30利
用外螺纹与高温高压釜3底部螺纹孔连接，并将环形特氟龙密封圈4压在高温
高压釜3底部螺纹孔内，针头29伸入高温高压釜3腔体内。
(3)按照图1所示，连接各部件。岩石24粘贴在载物片21下表面，载物
片21边缘卡在插槽22内；环形特氟龙密封圈4套在蓝宝石视镜5的侧面，封
头2与高温高压釜3两侧端口处的内螺纹啮合连接，并依次将环形紫铜垫片6
和侧面套有环形特氟龙密封圈4的蓝宝石视镜5压在高温高压釜3的台阶孔内，
环形紫铜垫片6位于台阶孔端面和蓝宝石视镜5之间；双手柄三通针阀19的下
端口通过锥面接头15与高温高压釜3顶部螺纹孔连接，上左端口与真空泵18
连接，上右端口依次连接压力表20和流量控制阀13后，与CO2泵12的出口连
接；CO2注射器14的针管33通过流量控制阀13与CO2泵12的出口连接；CO2
泵12的入口依次连接流量控制阀13和CO2气瓶11；溶液瓶17与流量控制阀
13连接，并分出两条支路，一条支路通过锥面接头15与高温高压釜3前下方螺
纹孔连接；另一条支路连接泄液阀16；温度控制台10分别与加热带7和温度采
集器23的热电偶27末端相连，加热带7缠绕在高温高压釜3外壁；光源1和
高速摄像仪8置于高温高压釜3左右两侧封头2处，中心轴线位于同一水平线
上，高速摄像仪8与图像分析仪9相连接。
具体接触角测量步骤：
(1)关闭所有阀门，检验装置密封性。
(2)开启双手柄三通针阀19上左端口，利用真空泵18，抽出高温高压釜
3内空气，关闭上左端口。
(3)开启与溶液瓶17相连的流量控制阀13，向高温高压釜3腔体内注入
盐水，直至浸没岩石24，将其关闭。
(4)开启加热带7，对高温高压釜3加热，达到设定温度值，设置保温。
(5)开启双手柄三通针阀19上右端口、与压力表20连接的流量控制阀13
以及与CO2气瓶11连接的流量控制阀13，向高温高压釜3内充入CO2，压力达
到设定值，保持半个小时，关闭与压力表20连接的流量控制阀13。
(6)微调与针管33连接的流量控制阀13，向盐水中注入CO2气泡，CO2
气泡脱离针头29，在盐水中上升，附着在岩石24下表面，由高速摄像仪8拍摄
图像，输入图像分析仪9，测量接触角。
(7)旋转螺杆把32，前端顶着凸台31在螺筒30里上下移动，带动针头
29在盐水里上下移动，重复实验步骤(6)，测量CO2气泡在盐水中不同脱离位
置时的接触角。
(8)当针头29上升到一定位置时，CO2气泡还未脱离针头29，就附着在
岩石24下表面，微调与针管33连接的流量控制阀13，继续注入CO2，由高速
摄像仪8拍摄气泡生长过程图像，输入图像分析仪9，测量动态接触角。
(9)关闭所有阀门和加热带7，待高温高压釜3冷却后，拆卸真空泵18，
从双手柄三通针阀19上左端口泄压，从泄液阀16泄液，并清洗高温高压釜。
(10)拆卸CO2注射器14，更换不同偏心距弯型针头35；拆卸温度采集器
23，更换对应长度系列的堵头25；重新安装CO2注射器14、温度采集器23、真
空泵18。重复实验步骤(1)～(8)，在实验过程中，旋转针管33，带动偏心距
弯型针头35在盐水里做圆周运动。精确测量接触界面的温度以及岩石不同位置
的接触角、动态接触角。
(11)实验完成后，冷却、泄压、泄液、拆卸实验仪器，清洗实验装置。