曲占慶， 姚 佳，2， 楊 陽(yáng)， 王 冰， 何利敏

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580；2.美國(guó)懷俄明大學(xué)，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(lái)新探明的裂縫性油藏探明儲(chǔ)量不斷增加，其探明地質(zhì)儲(chǔ)量已占總探明儲(chǔ)量的28%以上，裂縫性油藏的勘探開(kāi)發(fā)在我國(guó)石油工業(yè)中占有越來(lái)越重要的地位［1］。自發(fā)吸吮過(guò)程，對(duì)提高裂縫性油藏的采收率具有特殊的意義［2－3］，尤其是當(dāng)裂縫性油藏具有較低滲透率時(shí)，通過(guò)微流控模型對(duì)自發(fā)吸吮過(guò)程進(jìn)行室內(nèi)模擬研究，了解地層流體在裂縫性油藏中的流動(dòng)特性，研究結(jié)果對(duì)裂縫性油藏開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。

1 自發(fā)吸吮采油機(jī)理

在油藏條件下，油層巖石的潤(rùn)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(dāng)不相溶的兩相流體（如油、水）與油藏巖石接觸時(shí)，潤(rùn)濕相可沿著巖石表面鋪開(kāi)，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(dòng)的穩(wěn)定性。在油藏巖石中，潤(rùn)濕相驅(qū)替非潤(rùn)濕相的過(guò)程稱為“吸吮過(guò)程”，反之為“驅(qū)替過(guò)程”［6］。水驅(qū)油時(shí)，親水油藏采收率一般高于親油油藏，即吸吮過(guò)程采收率較高。

油水的流動(dòng)規(guī)律，除了取決于巖石表面潤(rùn)濕性外，也取決于巖石孔道中的毛管壓力。當(dāng)毛管力是巖石孔隙內(nèi)的唯一作用力時(shí)的吸吮過(guò)程，稱為自發(fā)吸吮過(guò)程［7］。對(duì)于裂縫型油藏來(lái)說(shuō)，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(guò)程實(shí)現(xiàn)的。因此，對(duì)于滲透率較低的油氣藏來(lái)說(shuō)，研究自發(fā)吸吮采油過(guò)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(shù)從概念提出到誕生和發(fā)展，微加工技術(shù)是關(guān)鍵。T.Englder等［6］利用微加工手段，在硅片上蝕刻出了微細(xì)的管道，實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)現(xiàn)代意義上的微流控模型。Whitesides等提出了軟蝕刻技術(shù)，簡(jiǎn)化了微流控模型的制備［7］。

微流控模型制作的主要過(guò)程如圖1所示。首先，微流控模型的圖形是利用計(jì)算機(jī)繪圖軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，如CAD軟件，隨后通過(guò)高分辨率打印得掩膜；根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(guò)拋光及等離子處理的基底上，利用隔光離心機(jī)將基底固定在真空吸附盤上，設(shè)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(jìn)行一定時(shí)間的軟烘（soft bake）處理；再將掩膜放于經(jīng)軟烘處理過(guò)的基底表面，在紫外光的照射下進(jìn)行曝光處理；隨后再次進(jìn)行特定時(shí)間和溫度的烘烤處理；將經(jīng)過(guò)以上處理過(guò)程的基底浸泡于雙丙酮醇溶液中適當(dāng)時(shí)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(yáng)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(guò)程Fig.1 Fabrication process of wafer

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

3 微流控模型自發(fā)吸允模擬研究

通過(guò)室內(nèi)微流控模型模擬實(shí)驗(yàn)研究自發(fā)吸吮過(guò)程中油、水流動(dòng)規(guī)律，及不同尺寸管道之間差異，以期對(duì)裂縫性油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中多相流體流動(dòng)有更深入的了解。

3.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)，管道寬度分別為300 μm，550μm。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中微流控模型管道始終為油濕，油相為潤(rùn)濕相，水相為非潤(rùn)濕相。在顯微鏡下觀察自發(fā)吸吮過(guò)程中，潤(rùn)濕相驅(qū)替非潤(rùn)濕相過(guò)程，并用高速照相機(jī)記錄此過(guò)程。擬合出驅(qū)替過(guò)程中驅(qū)替前緣的運(yùn)動(dòng)方程，及兩種尺寸管道的對(duì)比。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

3.2.1 主要實(shí)驗(yàn)儀器 奧林巴斯IX71倒轉(zhuǎn)光學(xué)顯微鏡，高速照相機(jī)，注射泵。

3.2.2 藥品 去離子水，礦物油，熒光劑，疏水劑。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）按照實(shí)驗(yàn)要求制作微流控模型，如圖2所示。注入疏水劑，確保整個(gè)微流控模型的潤(rùn)濕相為油濕。

（2）檢查并連接儀器，以礦物油為潤(rùn)濕相填充微流控模型，置于顯微鏡下。

（3）排驅(qū)過(guò)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(rùn)濕相驅(qū)替微流控模型中原有的潤(rùn)濕相。

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

實(shí)驗(yàn)條件為室內(nèi)25℃，泵入壓力為1MPa。

圖2 所用微流控模型CAD設(shè)計(jì)圖Fig.2 CAD schematic of microfluidic model

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為在270s內(nèi)，高速照相機(jī)所記錄的大小兩個(gè)管道內(nèi)驅(qū)替前緣的位置變化。測(cè)量驅(qū)替前緣每5s內(nèi)移動(dòng)的距離，進(jìn)行擬合后，得如圖4所示兩管道內(nèi)驅(qū)替前緣移動(dòng)距離與時(shí)間的關(guān)系。

圖3 兩個(gè)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(dòng)距離與時(shí)間關(guān)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(dòng)距離均是時(shí)間的三次方函數(shù)，并且兩條曲線的相關(guān)系數(shù)R2值均大于0．998。

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

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

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

圖5 管道內(nèi)驅(qū)替前緣移動(dòng)速度與時(shí)間關(guān)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(dòng)速度在兩種尺寸管道中的變化規(guī)律可通過(guò)管道內(nèi)驅(qū)替前緣移動(dòng)的加速度與時(shí)間關(guān)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(dòng)加速度與時(shí)間關(guān)系曲線，兩管道內(nèi)驅(qū)替前緣移動(dòng)加速度與時(shí)間成線性關(guān)系。

圖6 管道內(nèi)驅(qū)替前緣移動(dòng)加速度與時(shí)間關(guān)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(shì)可知，與小管道相比，在大管道中驅(qū)替前緣移動(dòng)加速度絕對(duì)值較大，但由于大管道中驅(qū)替前緣的加速度為負(fù)，即其加速度方向與驅(qū)替前緣實(shí)際流動(dòng)方向相反，而對(duì)于小管道中的驅(qū)替前緣來(lái)說(shuō)，盡管其加速度的絕對(duì)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(shí)刻，兩管內(nèi)驅(qū)替前緣的速度大小達(dá)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(guò)程中的唯一驅(qū)替作用力，此時(shí)，驅(qū)替前緣移動(dòng)的距離與驅(qū)替時(shí)間呈三次方關(guān)系，驅(qū)替前緣的移動(dòng)速度是驅(qū)替時(shí)間的二次函數(shù)。

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

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

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