基于微流控模型的自發(fā)吸吮采油過程實驗研究

曲占慶， 姚 佳，2， 楊 陽， 王 冰， 何利敏

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580；2.美國懷俄明大學，懷俄明拉勒米82071；3.中海油研究總院鉆采研究院，北京，100027）

近年來新探明的裂縫性油藏探明儲量不斷增加，其探明地質(zhì)儲量已占總探明儲量的28%以上，裂縫性油藏的勘探開發(fā)在我國石油工業(yè)中占有越來越重要的地位［1］。自發(fā)吸吮過程，對提高裂縫性油藏的采收率具有特殊的意義［2－3］，尤其是當裂縫性油藏具有較低滲透率時，通過微流控模型對自發(fā)吸吮過程進行室內(nèi)模擬研究，了解地層流體在裂縫性油藏中的流動特性，研究結(jié)果對裂縫性油藏開發(fā)具有指導意義。

1 自發(fā)吸吮采油機理

在油藏條件下，油層巖石的潤濕性影響著油水在巖石孔道中的微觀分布，決定著孔道中毛管力的大小和方向，影響殘余油在孔隙中的存在方式及最終驅(qū)油效率［4］。

油藏巖石是典型的孔隙介質(zhì)［5］。當不相溶的兩相流體（如油、水）與油藏巖石接觸時，潤濕相可沿著巖石表面鋪開，使得體系的表面自由能降低，因此能夠保證兩相流體在孔隙介質(zhì)中流動的穩(wěn)定性。在油藏巖石中，潤濕相驅(qū)替非潤濕相的過程稱為“吸吮過程”，反之為“驅(qū)替過程”［6］。水驅(qū)油時，親水油藏采收率一般高于親油油藏，即吸吮過程采收率較高。

油水的流動規(guī)律，除了取決于巖石表面潤濕性外，也取決于巖石孔道中的毛管壓力。當毛管力是巖石孔隙內(nèi)的唯一作用力時的吸吮過程，稱為自發(fā)吸吮過程［7］。對于裂縫型油藏來說，后期的注水生產(chǎn)從油藏巖石基質(zhì)中采出的原油很大程度都是靠自發(fā)吸吮過程實現(xiàn)的。因此，對于滲透率較低的油氣藏來說，研究自發(fā)吸吮采油過程具有重要意義［8］。

2 微流控模型的加工與制備

微流控技術從概念提出到誕生和發(fā)展，微加工技術是關鍵。T.Englder等［6］利用微加工手段，在硅片上蝕刻出了微細的管道，實現(xiàn)了第一個現(xiàn)代意義上的微流控模型。Whitesides等提出了軟蝕刻技術，簡化了微流控模型的制備［7］。

微流控模型制作的主要過程如圖1所示。首先，微流控模型的圖形是利用計算機繪圖軟件進行設計，如CAD軟件，隨后通過高分辨率打印得掩膜；根據(jù)實際實驗所需的微流控模型中管道尺寸選取合適的光膠；將適量SU8光膠倒置于表面經(jīng)過拋光及等離子處理的基底上，利用隔光離心機將基底固定在真空吸附盤上，設定合適的轉(zhuǎn)速，使得光膠在基底表面覆蓋所需厚度；將被光膠覆蓋了特定厚度的基底放于特定溫度的高敏性水平加熱器上進行一定時間的軟烘（soft bake）處理；再將掩膜放于經(jīng)軟烘處理過的基底表面，在紫外光的照射下進行曝光處理；隨后再次進行特定時間和溫度的烘烤處理；將經(jīng)過以上處理過程的基底浸泡于雙丙酮醇溶液中適當時間，取出后用乙醇沖洗，即可得到印有所需深度管道的微流控模型的陽模。其中，凸起部位為管道，是由曝光部分發(fā)生聚合后得以保留，未曝光部分被雙丙酮醇溶液溶洗去［8－9］。

圖1 微流控模型的制作過程Fig.1 Fabrication process of wafer

與傳統(tǒng)的用于模擬原油驅(qū)替過程的方法相比，微流控模型可以通過顯微鏡對驅(qū)替過程進行直接觀察，并能由高速照相機將現(xiàn)象準確記錄。

3 微流控模型自發(fā)吸允模擬研究

通過室內(nèi)微流控模型模擬實驗研究自發(fā)吸吮過程中油、水流動規(guī)律，及不同尺寸管道之間差異，以期對裂縫性油藏開發(fā)過程中多相流體流動有更深入的了解。

3.1 實驗原理

利用具有不同尺寸管道的微流控模型分別模擬在管道深度均為50μm時，管道寬度分別為300 μm，550μm。整個實驗過程中微流控模型管道始終為油濕，油相為潤濕相，水相為非潤濕相。在顯微鏡下觀察自發(fā)吸吮過程中，潤濕相驅(qū)替非潤濕相過程，并用高速照相機記錄此過程。擬合出驅(qū)替過程中驅(qū)替前緣的運動方程，及兩種尺寸管道的對比。

3.2 實驗儀器和藥品

3.2.1 主要實驗儀器 奧林巴斯IX71倒轉(zhuǎn)光學顯微鏡，高速照相機，注射泵。

3.2.2 藥品 去離子水，礦物油，熒光劑，疏水劑。

3.3 實驗步驟

（1）按照實驗要求制作微流控模型，如圖2所示。注入疏水劑，確保整個微流控模型的潤濕相為油濕。

（2）檢查并連接儀器，以礦物油為潤濕相填充微流控模型，置于顯微鏡下。

（3）排驅(qū)過程模擬，從一端入口加壓泵入少量加有熒光劑的去離子水，使非潤濕相驅(qū)替微流控模型中原有的潤濕相。

（4）自發(fā)吸吮過程模擬，停止泵入非潤濕相，礦物油自發(fā)驅(qū)替水。

實驗條件為室內(nèi)25℃，泵入壓力為1MPa。

圖2 所用微流控模型CAD設計圖Fig.2 CAD schematic of microfluidic model

4 實驗結(jié)果分析

圖3為在270s內(nèi)，高速照相機所記錄的大小兩個管道內(nèi)驅(qū)替前緣的位置變化。測量驅(qū)替前緣每5s內(nèi)移動的距離，進行擬合后，得如圖4所示兩管道內(nèi)驅(qū)替前緣移動距離與時間的關系。

圖3 兩個管道中驅(qū)替前緣的位置變化Fig.3 Changes of displacement fronts in micro－channels

圖4 管道內(nèi)驅(qū)替前緣移動距離與時間關系曲線Fig．4 Relationship between distance of displacement front and time in micro－channels

由圖4可知，擬合曲線表明不論大管道，還是小管道，驅(qū)替前緣的移動距離均是時間的三次方函數(shù)，并且兩條曲線的相關系數(shù)R2值均大于0．998。

a）當t＝0s時，小管道中驅(qū)替前緣距左端點的距離為1 237．094μm，大管道中驅(qū)替前緣距左端點的距離是5 223．406μm；

b）當t＝270s時，小管道中驅(qū)替前緣距左端點的距離為851．304μm，大管道中驅(qū)替前緣距左端點的距離是4 720．444μm。

圖5是兩管道中驅(qū)替前緣的移動速度與時間關系曲線。由圖5可知，兩管道中的驅(qū)替前緣的移動速度存在交點，即在交點時刻，驅(qū)替前緣的移動速度在大小管道中是相等的，在此時刻前，大管道中驅(qū)替前緣的移動速度較小管道中的快，而在此時刻后，小管道中驅(qū)替前緣的移動速度較大管道中的快。

圖5 管道內(nèi)驅(qū)替前緣移動速度與時間關系曲線Fig．5 Relationship between velocity of displacement front and time in micro－channels

這種驅(qū)替前緣移動速度在兩種尺寸管道中的變化規(guī)律可通過管道內(nèi)驅(qū)替前緣移動的加速度與時間關系曲線得到較明確的解釋。如圖6所示兩管道內(nèi)驅(qū)替前緣移動加速度與時間關系曲線，兩管道內(nèi)驅(qū)替前緣移動加速度與時間成線性關系。

圖6 管道內(nèi)驅(qū)替前緣移動加速度與時間關系曲線Fig．6 Relationship between acceleration of displacement front and time in micro－channels

由圖6中加速度曲線的變化趨勢可知，與小管道相比，在大管道中驅(qū)替前緣移動加速度絕對值較大，但由于大管道中驅(qū)替前緣的加速度為負，即其加速度方向與驅(qū)替前緣實際流動方向相反，而對于小管道中的驅(qū)替前緣來說，盡管其加速度的絕對值較小，但加速度的方向與速度方向是相同的，因此，在加速度作用下，大管道內(nèi)驅(qū)替前緣的速度是減小的，小管內(nèi)驅(qū)替前緣的速度是增大的，在某一時刻，兩管內(nèi)驅(qū)替前緣的速度大小達到一致，此后，小管道內(nèi)驅(qū)替前緣的速度將大于大管道內(nèi)的驅(qū)替速度。

5 結(jié)論

（1）在重力作用可忽略的情況下，毛管力是自發(fā)吸吮過程中的唯一驅(qū)替作用力，此時，驅(qū)替前緣移動的距離與驅(qū)替時間呈三次方關系，驅(qū)替前緣的移動速度是驅(qū)替時間的二次函數(shù)。

（2）當兩個管道之間存在大小差異時，在自發(fā)吸吮過程中，存在某一時刻，使得驅(qū)替前緣在大小不同的管道中具有相同的移動速度。在此時刻達到之前，大管道中驅(qū)替前緣的移動速度較小管道中的大；在此時刻后，小管道中驅(qū)替前緣具有較大的移動速度。

（3）微流控模型可精確模擬微米級別的管道情況，并且能夠?qū)崿F(xiàn)清晰觀察并記錄，為實驗室內(nèi)的管道流動模擬研究提供了有利條件。

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