利用微流控技術(shù)評價(jià)聚合物與儲(chǔ)層巖石相互作用

張銅耀 陳 科 劉泠杉 張旭東 張 芃 于建雨

（中海油能源發(fā)展工程技術(shù)分公司中海油實(shí)驗(yàn)中心（渤海），天津 300452）

0 引 言

聚合物驅(qū)油技術(shù)是指在石油開采中向地層注入水中加入少量水溶性、相對分子質(zhì)量高的聚合物進(jìn)行驅(qū)油的一種增產(chǎn)措施，是目前油田提高采收率的主要方法，但是還存在很多問題。比如聚合物驅(qū)替后地層中仍有大量剩余油殘留未被驅(qū)出，并且經(jīng)由聚合物驅(qū)替的儲(chǔ)層物性普遍會(huì)發(fā)生變化。近年來，隨著聚合物驅(qū)替技術(shù)的成熟，很多學(xué)者針對聚合物驅(qū)后儲(chǔ)層物性的變化進(jìn)行了宏觀方面的分析總結(jié)。高建等［1］認(rèn)為聚合物驅(qū)后儲(chǔ)層的物性參數(shù)變大，儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)變好；朱健等［2］則認(rèn)為在注入聚合物后儲(chǔ)層的物性數(shù)據(jù)大幅度變差。在相同的問題上，前人的宏觀研究產(chǎn)生了完全不同的結(jié)果。本文針對此問題，認(rèn)為聚合物篩選時(shí)要檢測其高通量后產(chǎn)生的問題，通過微流控技術(shù)在微觀層面對聚合物與儲(chǔ)層巖石間的相互作用進(jìn)行了詳細(xì)分析研究，以在微觀層面確定聚合物驅(qū)后地層物性的變化。

微流控技術(shù)是一種在微、納米尺度空間對流體進(jìn)行操控的科學(xué)技術(shù)，主要研究處理和控制微、納米尺寸流體，可以在一維尺度上通過微米甚至納米的孔隙結(jié)構(gòu)對體積為納米甚至更小的流體進(jìn)行流動(dòng)控制［3］，是一門涉及化學(xué)、流體物理、微電子、新材料和生物醫(yī)學(xué)工程的新興交叉學(xué)科。微流控技術(shù)的核心部分為微流控芯片（microfluidics），又被稱為芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab‐on‐a‐chip）［4］和微全分析系統(tǒng)（micro‐Total Analytical System）。通過專業(yè)的刻蝕設(shè)備，可以在一塊面積很小的透明載體（如玻璃、硅膠、塑料等）上構(gòu)建尺寸在微米甚至納米級別的化學(xué)或者生物實(shí)驗(yàn)室，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)室中常規(guī)功能的集成。微流控芯片具有高靈敏度、高精確度、可視化、低成本等特點(diǎn)，是目前較為新興且尖端的實(shí)驗(yàn)分析檢測手段［5］。目前在石油工程領(lǐng)域中，涉及到關(guān)于流體的研究有很多，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式以及研究方法存在耗時(shí)長、成本高、精確度相對較低等問題，而微流控技術(shù)為這些問題提供了新的解決方案［6］。

近年來，微流體實(shí)驗(yàn)越來越多地用于研究評價(jià)油藏中流體移動(dòng)的過程［7‐11］，研究用類似于砂巖薄片的微流控芯片來研究水和聚合物溶液對油氣驅(qū)替過程的影響［12］，其顆粒尺寸為50~300 μm。M.Bu‐chgraber 等［12］研究認(rèn)為，當(dāng)?shù)貙泳酆衔镔|(zhì)量濃度較低時(shí)，地層會(huì)產(chǎn)生較多微裂紋，導(dǎo)致地層滲透率升高，采收率提高；而當(dāng)聚合物質(zhì)量濃度超過1 500 mg/L 時(shí)，聚合物會(huì)堵塞微孔隙，從而降低采收率。研究結(jié)果體現(xiàn)了聚合物驅(qū)過程中地層物性變化。本文基于微流控技術(shù)，通過將真實(shí)的三維孔隙結(jié)構(gòu)映射成二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方法，可以在薄片上建立具有代表性的儲(chǔ)層模型薄片。而微流控所用芯片便基于這種理論，從而建立具有代表性的儲(chǔ)層模型［13‐17］，研究聚合物驅(qū)產(chǎn)生的堵塞情況以篩選適用于目標(biāo)油田的聚合物溶液。

1 模擬油藏的微流控芯片制作

微流控芯片是微流控技術(shù)的下游應(yīng)用單元，是微全分析系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。通過微型電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)，根據(jù)具體的研究以及實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，微流控芯片的結(jié)構(gòu)迥異，該技術(shù)對材料的要求首先是介質(zhì)應(yīng)具有足夠的化學(xué)和生物相容性，不能發(fā)生反應(yīng)；其次是芯片材料具有電絕緣性和散熱性，以便于更好進(jìn)行操作，芯片材料對于檢測信號(hào)的干擾程度小或者沒有干擾；最后芯片材料應(yīng)具有良好的可修飾性，可產(chǎn)生電滲流或固載生物大分子。

為了準(zhǔn)確模擬多孔介質(zhì)的孔隙系統(tǒng)，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，以求得到盡量接近地層真實(shí)情況的詳細(xì)研究結(jié)果，要確保微流控芯片具備2種性能：其一是模擬多孔介質(zhì)孔隙系統(tǒng)的孔徑大小、孔徑幾何形態(tài)以及表面礦物成分等，模擬得越逼真，越接近實(shí)際油層孔隙介質(zhì)的孔隙系統(tǒng)就越好；其二是具有必要的透光性，以便于借助儀器觀測并測定孔道內(nèi)多相流體的分布和流動(dòng)狀況。但不是所有芯片都符合上述2種性能，因此，研制了不同類型的物理模型以進(jìn)行微觀滲流模擬實(shí)驗(yàn)，研究滲流的各種問題。這些物理模型大體上可分為4類：夾砂模型、毛管網(wǎng)絡(luò)模型、孔隙網(wǎng)絡(luò)模型和砂巖孔隙模型，通過對比，本文用的是毛管網(wǎng)絡(luò)模型。

為避免巖石中三維多孔的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)了1個(gè)二維微觀模型以模擬巖石孔喉非均質(zhì)性的特征，從而可觀察在孔隙尺度下的驅(qū)替特征。按照巖心孔隙結(jié)構(gòu)制作能夠代表目標(biāo)油田的芯片，其中最大孔喉半徑為18.161 μm，平均孔喉半徑為8.131 μm，分選系數(shù)為6.085，均質(zhì)系數(shù)為0.448，建立一個(gè)面積為2 cm×2 cm 的多孔介質(zhì)微流控芯片（圖1）。假設(shè)巖石大孔喉半徑分布在10 μm 以內(nèi)，小孔喉半徑分布在1 μm以內(nèi)，大孔隙被小孔隙非均勻包圍，模擬多孔介質(zhì)的非均勻結(jié)構(gòu)，進(jìn)行刻片。為明確得到滲流特征，將100 mL 蒸餾水溶液與0.05 mL 的紅色熒光水微珠進(jìn)行混合，作為水驅(qū)的主要流體。聚合物是質(zhì)量濃度為2 000 mg/L 的部分水解聚丙烯酰胺溶液，相對分子質(zhì)量約1 500×104，礦化度為10 g/L 時(shí)，在地層溫度60 ℃時(shí)黏度為20.3 mPa·s，并按照100∶0.05 的比例與熒光水珠進(jìn)行混合。在使用熒光顯微鏡進(jìn)行圖像處理時(shí)，為了突出不同的熒光強(qiáng)度，使用RGB 圖像處理方法，其中藍(lán)色代表低強(qiáng)度（即無熒光材料），而綠色和紅色分別代表熒光珠的中強(qiáng)度和高強(qiáng)度。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，水和聚合物的流動(dòng)方向都沒有變化。

圖1 微流控芯片示意Fig.1 Sketch of microfluidic chip

2 微流體實(shí)驗(yàn)

在本研究中，在獨(dú)立的芯片上進(jìn)行了2 套微流體實(shí)驗(yàn)：水驅(qū)實(shí)驗(yàn)和聚合物驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。在注水實(shí)驗(yàn)中，首先在沒有熒光珠的情況下注入1/3 總體積水，然后將剩下的2/3 換成水和熒光珠的混合物，總注入孔隙體積倍數(shù)為50。其次，在聚合物驅(qū)實(shí)驗(yàn)中，在沒有熒光珠的情況下注入了50 PV 的聚合物溶液，然后切換到用熒光珠注射聚合物，增加了50 PV 注入量。聚合物驅(qū)替實(shí)驗(yàn)總體注入量比水驅(qū)實(shí)驗(yàn)多一倍，能夠更好地觀察低孔隙度區(qū)域的變化程度。通過使用這種注入方案，可以模擬不同孔徑的聚合物在細(xì)孔和粗孔內(nèi)的流動(dòng)行為。

2.1 水驅(qū)定量分析

在確認(rèn)熒光珠顆粒不會(huì)對芯片孔隙產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象后，對芯片進(jìn)行水驅(qū)。選取芯片中的3 個(gè)區(qū)域進(jìn)行定量研究，包括2 個(gè)小孔隙區(qū)域及1 個(gè)大孔隙區(qū)域（圖2（a））。對于3 個(gè)區(qū)域，歸一化平均像素強(qiáng)度隨注入孔隙體積倍數(shù)的變化呈現(xiàn)出相對恒定的趨勢（圖2（b）），表明在所有區(qū)域內(nèi)熒光珠的通量幾乎恒定。這些結(jié)果表明，2 個(gè)小孔隙區(qū)域之間以及大孔隙區(qū)域之間的流動(dòng)行為相似。因此，熒光珠完全可以接觸到芯片中的整個(gè)孔隙，流動(dòng)無阻礙。

圖2 水驅(qū)實(shí)驗(yàn)定量分析Fig.2 Quantitative analysis of water flooding experiment

2.2 聚合物注入通量評價(jià)

基于水驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過對實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分析。圖3（a）中熒光形態(tài)顯示的為在已注入50 PV 的聚合物溶液后圖像，在這種情況下，報(bào)告的注入孔隙體積倍數(shù)對應(yīng)于聚合物注入熒光珠的開始，在注入50 PV 的無珠聚合物之后，再分為4個(gè)注入間隔0~5、5~16.7、16.7~33.4、33.4~50 PV 進(jìn)行圖像對比，其中綠色和紅色表示累計(jì)粒子路徑。在聚合物復(fù)合驅(qū)替0~5 PV 時(shí)，注入端及出口端均有藍(lán)色區(qū)域，證明之前無珠聚合物驅(qū)替時(shí)無熒光粒子通過但是存在聚合物堵塞情況。

小孔隙區(qū)域附近的流動(dòng)程度較低，可能是由于聚合物流線繞過了小孔隙區(qū)域。在圖3（b）中可發(fā)現(xiàn)觀察窗右上方出現(xiàn)了新的堵塞特征，說明隨著驅(qū)替倍數(shù)增加到16.7 PV 的時(shí)候，堵塞程度增加。與圖3（a）相比，大孔隙區(qū)域變化不大，小孔隙區(qū)域可發(fā)現(xiàn)在中心有早期聚合物堵塞的跡象。到16.7～33.4 PV 時(shí)（圖3（c）），熒光強(qiáng)度增加，這是孔隙區(qū)域內(nèi)外聚合物堵塞增多導(dǎo)致的特定區(qū)域內(nèi)流動(dòng)路徑集中。小孔隙區(qū)域中的流線基本從中心穿過至外圍區(qū)域，流體在大孔隙區(qū)域建立了2條優(yōu)勢通道，圖3（c）中顯示為偏紅區(qū)域。圖3（d）中在大小孔隙區(qū)域內(nèi)幾乎不存在流動(dòng)路徑，表明多孔介質(zhì)的復(fù)雜性和入口區(qū)域的高度堵塞。將累計(jì)粒子路徑進(jìn)行三維歸一化的像素強(qiáng)度處理，制作三維立體圖以顯示聚合物溶液的優(yōu)先流動(dòng)路徑。紅色表示熒光強(qiáng)度最高，藍(lán)色表示熒光強(qiáng)度最低。

圖3 不同注入間隔的累計(jì)熒光粒子路徑圖像Fig.3 Cumulative fluorescent particle path images with different injection intervals

從圖4（a）中可以看出，大孔隙區(qū)域濃度高，流體主要通過大孔隙，小孔隙存在堵塞情況。從圖4（b）中可以看出隨著驅(qū)替倍數(shù)增加到100 PV（50 PV 的無珠聚合物+50 PV 的含熒光珠聚合物）后，大小孔隙區(qū)域均出現(xiàn)了過度的聚合物堵塞現(xiàn)象。

圖4 不同注入間隔中累計(jì)熒光粒子路徑的像素強(qiáng)度Fig.4 Pixel intensities of cumulative fluorescent particle path in different injection intervals

對顆粒進(jìn)行跟蹤測速分析，發(fā)現(xiàn)聚合物的連續(xù)堆積會(huì)降低多孔介質(zhì)的有效孔喉尺寸，擴(kuò)大大孔隙區(qū)域內(nèi)不可連通的孔隙體積。用軟件識(shí)別溶液中的熒光顆粒，并重建運(yùn)動(dòng)軌跡，劃分3個(gè)驅(qū)替間隔0~16.7、16.7~33.4、33.4~50 PV 以便觀察（圖5）。從流線的分布可以看出，在多孔介質(zhì)的入口處聚合物的累計(jì)尺寸增大，流體流動(dòng)軌跡逐漸分散。最后一次注入井段的流線（33.4～50 PV）集中在多孔介質(zhì)之外，只有稀疏的流線穿過多孔介質(zhì)，突出了聚合物加劇堵塞的情況。

圖5 不同注入間隔流線特征Fig.5 Streamline characteristics for different injection intervals

在大孔隙區(qū)域（區(qū)域1）中，貫穿3個(gè)注入?yún)^(qū)間的流線呈減小趨勢，其中33.4～50 PV 的區(qū)間顯示流線和流動(dòng)面積顯著減小。相比之下，小孔隙區(qū)域（區(qū)域2）的流線從第1個(gè)注入間隔到第2個(gè)注入間隔數(shù)量顯著減少。在第2個(gè)注入間隔時(shí)，小孔隙區(qū)域的中心被嚴(yán)重淹沒。這一結(jié)果表明，與大孔隙度區(qū)域相比，小孔隙度區(qū)域的堵塞更早，僅在16.7 PV 之后就表現(xiàn)出來了。第3 個(gè)注入段［33.4，50）PV 流線的數(shù)量進(jìn)一步減少，流動(dòng)幾乎只發(fā)生在小孔隙區(qū)域的外圍。通過3個(gè)間隔內(nèi)大孔隙區(qū)域及小孔隙區(qū)域中熒光珠的流動(dòng)速度情況可知（圖6），在大孔隙區(qū)（區(qū)域1），流動(dòng)平均速度在三段注入時(shí)呈下降趨勢。從（0，16.7）PV 期間的5.17 cm/h 下降到［16.7， 33.4） PV 期間的3.60 cm/h，平均速度下降了約30%。在最后注入階 段［33.4， 50） PV， 從3.60 cm/h 下 降 到2.18 cm/h，流速進(jìn)一步下降約40%。在小孔隙度（區(qū)域2），從（0，16.7）PV 期間的3.15 cm/h 下降到［16.7，33.4）PV 期間的2.69 cm/h，流動(dòng)速度下降約15%。同樣，在第3 個(gè)注入段［33.4，50） PV，平均流速進(jìn)一步降低約15%，達(dá)到2.28 cm/h。

圖6 不同注入間隔熒光珠流速Fig.6 Flow velocities of fluorescent bead for different injection intervals

3 總結(jié)與展望

利用微流控芯片模擬地層孔隙，通過水驅(qū)及聚合物驅(qū)2種驅(qū)替形式進(jìn)行對比證明，發(fā)現(xiàn)隨著聚合物注入量的增加，微流控芯片中的大、小孔隙區(qū)域均出現(xiàn)了明顯堵塞，對滲透率產(chǎn)生了一定的影響，滲透率變化主要表現(xiàn)為流速和流線上顆粒密度的降低。通過模擬實(shí)驗(yàn)反映出聚合物篩選具有一定的局限性，不能只通過孔喉大小和聚合物相對分子質(zhì)量大小來確定，在實(shí)際進(jìn)行開發(fā)驅(qū)替時(shí)還要根據(jù)不同層位和孔隙度選擇分層注入以及分井注入方式，開采時(shí)根據(jù)聚合物溶液注入的孔隙體積倍數(shù)和速度進(jìn)行聚合物溶液分子大小的選擇。同時(shí)利用微流控芯片可以在短時(shí)間內(nèi)研究數(shù)百個(gè)孔隙體積的高通量流體，可以補(bǔ)充傳統(tǒng)的井下流體相容性篩選過程。

隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，目前微流控芯片發(fā)展將逐漸由桌面型或大型設(shè)備型向便攜式手持式發(fā)展，檢測模式也由實(shí)驗(yàn)室檢測模式向現(xiàn)場即時(shí)檢測模式發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，未來可以直接進(jìn)行油田開發(fā)現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測和試驗(yàn)，進(jìn)行聚合物注入方案及時(shí)調(diào)整，減少后期人力物力的消耗，降低開發(fā)成本。微流控芯片能夠直觀模擬實(shí)際地層，可以將地質(zhì)情況與開發(fā)生產(chǎn)相結(jié)合，大大降低復(fù)雜儲(chǔ)層油田開發(fā)的難度，有針對性地進(jìn)行專題研究模擬。同時(shí)利用微流控芯片實(shí)際消耗少、成本低，可以在短時(shí)間內(nèi)研究數(shù)百個(gè)孔隙體積的高通量流體的特點(diǎn)，在油田開采前進(jìn)行大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)，對不同配方的聚合物驅(qū)油效果進(jìn)行評價(jià)，提高開發(fā)效率，降低整體成本。