高克鑫，范一強(qiáng)，金志明，劉士成，張亞軍

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

0 引言

微流控技術(shù)是研究、處理和控制納微米尺寸流體的技術(shù)，它可以在最少一維尺度上達(dá)到微米甚至納米的微通道結(jié)構(gòu)中，對體積為納升乃至皮升的流體進(jìn)行流動控制和傳質(zhì)［1］。微流控芯片作為微流控技術(shù)發(fā)展最為活躍的前沿領(lǐng)域之一，可以將采樣、分離、檢測等分析功能集成到幾厘米的芯片上，目前已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生物化學(xué)分析、即時診斷、高通量篩選等領(lǐng)域［2-4］。

早在20世紀(jì)80年代，微流控行業(yè)已注意到石化領(lǐng)域。當(dāng)時該領(lǐng)域最權(quán)威的雜志《Lab Chip》就出版了“能源：微流控技術(shù)的待墾之地”?？?］。目前，微流控技術(shù)研究的目標(biāo)主要是油層中的微觀結(jié)構(gòu)和流體力學(xué)。N.K.Karadimitriou等［6］最近的一篇綜述總結(jié)了土壤學(xué)背景下微模型技術(shù)的發(fā)展及其在兩相流動研究中的應(yīng)用，介紹了赫爾-肖氏模型和玻璃基微珠模型在相關(guān)研究中的應(yīng)用，探討了軟光刻技術(shù)、傳統(tǒng)MEMS技術(shù)和3D打印技術(shù)在制造微尺寸模型時的優(yōu)劣,并探討了微模型技術(shù)與提高石油采收率的關(guān)系，因?yàn)槎咄瑯佣忌婕傲黧w在微孔中的流動，這也是第1次出現(xiàn)涉及石油采集的多孔巖石的微尺寸模型。

隨著微流控芯片加工制造技術(shù)的不斷成熟，微流控技術(shù)有望在提高石油采收率方面實(shí)現(xiàn)新的突破。本文綜述了近期微流控芯片在提高石油采收率方面的相關(guān)研究成果，并對其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 提高石油采收率技術(shù)簡介

傳統(tǒng)的油田開發(fā)按技術(shù)進(jìn)步的規(guī)律可分為一次采油、二次采油和三次采油3個階段。一次采油階段，石油通常會在地層壓力的作用下自噴產(chǎn)出，或者使用常規(guī)泵將其抽出。當(dāng)?shù)貙訅毫Σ蛔銜r，通過注水或非混相注氣的方式補(bǔ)充地層壓力，這個階段稱為二次采油階段。然而，在許多油藏，特別是砂巖和頁巖當(dāng)中，石油會因毛細(xì)管力、表面張力等的作用被困在巖層的盲端、孔隙、裂縫中，單純的注水和注氣難以將其驅(qū)出，二次采油后期采出液含水率高達(dá)80%以上，采收率卻只有30%左右，效率較低。因此，出現(xiàn)了利用物理、化學(xué)和生物等方法提高石油采收率的技術(shù)（EOR），又稱三次采油或強(qiáng)化采油。該技術(shù)可以在二次采油的基礎(chǔ)上，將采收率進(jìn)一步提高10百分點(diǎn)左右。

目前，三次采油技術(shù)已發(fā)展成較為系統(tǒng)的技術(shù)系列，分別為化學(xué)驅(qū)、氣驅(qū)、熱力驅(qū)和微生物驅(qū)。其基本原理是利用特制的驅(qū)油劑將油從巖石縫隙中沖刷或推擠到主流通道中。驅(qū)油劑可以是改變表面潤濕性和表面張力的表面活性劑［7］，也可以是堵塞高滲透區(qū)域以控制流體流向的堵劑［8］。這些復(fù)合流體在油藏中的流動狀況非常復(fù)雜，其流動行為與其在宏觀尺度通道中的有著明顯差別。

微流控技術(shù)可以有效研究復(fù)雜流體在多孔介質(zhì)中的流動行為。微流控芯片是微流控技術(shù)當(dāng)前熱門的發(fā)展領(lǐng)域之一，它可以輕松構(gòu)建尺度在10～100 μm的復(fù)雜流道，這與巖層下的孔隙和裂縫尺寸在同一個量級上［9］。微加工技術(shù)的日趨成熟也為模擬油藏芯片的制造提供了條件。近期，學(xué)者們嘗試用微流控芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)巖心進(jìn)行石油驅(qū)替、流體流動可視化、驅(qū)油劑效果測試等提高石油采收率相關(guān)技術(shù)的研究。

2 微流控芯片用于EOR的研究進(jìn)展

目前，提高石油采收率的實(shí)驗(yàn)室研究通常采用天然和人造巖心進(jìn)行石油驅(qū)替實(shí)驗(yàn)［10-11］。但巨大的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、大量的試劑消耗、高成本的可視化方法等因素都阻礙著相關(guān)研究的進(jìn)一步發(fā)展［12］。

微流控芯片具有所需樣品少、使用成本低、易與其他設(shè)備整合等優(yōu)點(diǎn)。相比復(fù)雜的巖心模型，微流控芯片可以很大程度上對實(shí)驗(yàn)的變量進(jìn)行簡化和控制，其優(yōu)秀的光學(xué)性能也易于實(shí)現(xiàn)流體流動的可視化。

2.1 模擬油藏的微流控芯片加工技術(shù)

天然油藏在幾何形狀、孔徑分布、化學(xué)異質(zhì)性等方面有著天然復(fù)雜性。如何在對系統(tǒng)進(jìn)行部分簡化，同時又不忽略關(guān)鍵參數(shù)的前提下，構(gòu)建二維微流控芯片，是該研究得以進(jìn)行下去的基礎(chǔ)。

A.Cuenca等［13］開發(fā)了2種模擬油藏的芯片成型方法：一種是在PDMS中隨機(jī)嵌入間距約為30 μm的玻璃微珠，孔隙度一般為50%；另一種是將計算機(jī)生成的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)直接刻蝕到玻璃芯片上，可生成寬115 μm、深12 μm的流道，流道表面使用十八烷基三氯硅烷進(jìn)行疏水化改造。

天然油藏的天然復(fù)雜性導(dǎo)致其滲透率分布的復(fù)雜性，流體在不同滲透率條件下的流動行為也是影響石油采收率的因素之一。K.Ma等［14］成功制造了一種同時具有高、低滲透率區(qū)域的微流控芯片（見圖1）。芯片高滲透區(qū)由直徑300 μm、間距60 μm的圓柱陣列組成，低滲透區(qū)由直徑50 μm、間距20 μm的圓柱陣列組成，通過200 μm寬的通道連接多柱區(qū)和5個出入口，芯片采用su-8光刻膠轉(zhuǎn)印PDMS制成。使用該芯片研究了二氧化碳泡沫對流體從高滲透區(qū)擴(kuò)散到低滲透區(qū)的促進(jìn)作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與純水相比，起泡能力穩(wěn)定的二氧化碳泡沫可以明顯提升2個區(qū)域的親水性，促進(jìn)流體的傳播和擴(kuò)散。

圖1 擁有2種滲透區(qū)的微流控芯片

C.J.Landry等［15］構(gòu)建了一種模擬巖心的三維模型。該模型由直徑115～210 μm的玻璃顆粒燒結(jié)制成，具有隨機(jī)的孔隙分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在模型燒結(jié)過程中意外產(chǎn)生的細(xì)微斷裂和裂紋恰好可以模擬地層中的隨機(jī)裂縫。雖然該文章并不屬于微流控芯片的范疇，但它為模擬油藏的玻璃芯片的構(gòu)建提出了新的思路。

2.2 聚合物驅(qū)相關(guān)研究

聚合物驅(qū)是指在水中加入少量水溶性高分子聚合物，通過增加水相黏度和降低水相滲透率來改善流度比，提高波及系數(shù)，從而提高石油采收率。聚丙烯酰胺是目前最常用的聚合物驅(qū)油劑。

A.M.Howe等［16］研究了部分水解的聚丙烯酰胺溶液在模擬Bentheimer砂巖孔隙組織的微流控芯片中的黏彈性行為。芯片由su-8光刻膠轉(zhuǎn)印PMMA制成，使用不同分子質(zhì)量（3.6～35.0 MDa）的聚丙烯酰胺溶液作為驅(qū)油劑，通過高速攝像機(jī)捕捉和觀測添加在溶液中的1 μm粒徑的聚苯乙烯顆粒來表征流體在微型模型中的流動。該實(shí)驗(yàn)觀察到聚合物流體的剪切增稠效應(yīng)和所謂的彈性湍流，是穩(wěn)定層流向不穩(wěn)定流動在空間和時間上變化的過渡。研究發(fā)現(xiàn)，這種轉(zhuǎn)變只與聚合物的平均分子質(zhì)量的平方有關(guān)。由于傳統(tǒng)認(rèn)知中對聚合物溶液流變行為影響最大的因素是質(zhì)量濃度，這種顛覆性的結(jié)果為相關(guān)研究指出了新的方向。

表面活性劑和水的復(fù)合流體也是業(yè)內(nèi)普遍使用的驅(qū)油劑，特別是在海上采油作業(yè)時會使用大量的海水。K.He等［17］使用微流控芯片模擬油藏來比較使用非乳化和弱乳化表面活性劑的驅(qū)油效率。為此制造了一個寬3 μm、深300 nm流道的無規(guī)多孔網(wǎng)絡(luò)的微流控芯片， 流道覆蓋面積為 400 μm×600 μm。 模型使用Voronoi鑲嵌法［18］設(shè)計制造，用硅烷處理的Pyrex蓋玻片進(jìn)行陽極鍵合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，弱乳化表面活性劑的驅(qū)油效率更高，與他們早期在Eagle Ford頁巖中進(jìn)行的多井宏觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

2.3 氣驅(qū)相關(guān)研究

二氧化碳是一種在水和油中溶解度都很高的氣體，大量溶解于原油中時，可以使原油體積膨脹、黏度下降、降低油水間的界面張力，從而達(dá)到驅(qū)油的作用。P.Nguyen等［19］用微流控芯片進(jìn)行了二氧化碳?xì)怏w和二氧化碳泡沫在不同尺寸孔隙中的驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。分別使用表面活性劑和納米顆粒作為穩(wěn)泡劑對泡沫進(jìn)行處理，表面活性劑處理的二氧化碳泡沫在放置20 h左右時已基本破裂無法使用，而納米顆粒穩(wěn)定的泡沫則在放置10 d后仍能保持優(yōu)異的穩(wěn)定性。使用純水、二氧化碳?xì)怏w、二氧化碳泡沫3種驅(qū)油劑，分別對輕質(zhì)、中質(zhì)、重質(zhì)石油進(jìn)行驅(qū)油對比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：納米穩(wěn)定二氧化碳泡沫有著良好的驅(qū)油作用（額外驅(qū)油效率：輕質(zhì)石油11%，中質(zhì)石油15%，重質(zhì)石油8%），驅(qū)油效率的提高幅度是二氧化碳?xì)怏w的3倍。二氧化碳泡沫有著更小尺寸的水包油乳液，平均為1.7 μm，僅為二氧化碳?xì)怏w的20%（見圖2）。

N.Quennouz等［20］使用微流控芯片研究了2種二氧化碳泡沫的形成方法。一種是通過Y型流道同時注入二氧化碳?xì)怏w和水（見圖3），通過改變氣壓和水壓以研究不同生產(chǎn)條件對泡沫產(chǎn)生的影響，獲得了制造適用于驅(qū)油的均質(zhì)小尺寸氣泡的加工條件范圍。另一種是在S型流道中布置一定數(shù)量的等距圓柱陣列，入口處的大氣泡在流過流道時不斷被分割破碎，在出口處形成細(xì)小均勻的二氧化碳泡沫，這在一定程度上模擬了巖石中泡沫的形成過程。此外，還制造了一種梳子結(jié)構(gòu)的微流控芯片，用于模擬頁巖中的非均質(zhì)儲油層（見圖4），實(shí)現(xiàn)了巖層裂縫非均質(zhì)儲集層中泡沫行為的可視化，這有利于對EOR過程更直觀了解。

圖2 二氧化碳?xì)怏w和泡沫的水包油乳液對比

圖3 氣泡破碎生成二氧化碳泡沫的流道

圖4 模擬巖層裂縫的梳子結(jié)構(gòu)

F.Guo等［21］采用不同方法生成的二氧化碳泡沫進(jìn)行驅(qū)油對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，使用Si-LAPB-AOS混合物生成的泡沫具有最好的驅(qū)油效果，最高驅(qū)油效率可達(dá)95%。

3 總結(jié)與展望

現(xiàn)代微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展使構(gòu)建類多孔巖層模型的難度大大降低，很大程度上方便了對石油采集過程和EOR工藝的研究。微流控芯片作為一種可以在微米級流道內(nèi)對流體進(jìn)行控制的裝置，具有價格低廉、試樣和試劑消耗少、光學(xué)性能好、易于表面改性等優(yōu)勢，非常適合對提高石油采收率至關(guān)重要的流體流動可視化、液體滲透、泡沫產(chǎn)生、二氧化碳混溶等研究。

微流控芯片往往由單一材料制成（如PDMS、PMMA、玻璃、硅等），且只能構(gòu)建二維層面的模型，很難用其模擬油藏在表面潤濕性、孔隙分布等方面的天然復(fù)雜性。而該復(fù)雜性會使?jié)櫥?、溶解、吸附等影響石油采收率的物理化學(xué)過程顯著復(fù)雜化，這是限制微流控芯片廣泛應(yīng)用于提高石油采收率相關(guān)研究的一個根本性問題。截至目前，相關(guān)研究仍只能構(gòu)建相對簡單甚至過度簡化的二維多孔模型，這勢必會在一定程度上限制其研究成果在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中的實(shí)用性。

未來，微流控芯片有望在以下3個方面實(shí)現(xiàn)新的突破：

1）模擬油藏的微流控芯片加工技術(shù)。隨著微細(xì)加工技術(shù)的不斷發(fā)展，未來很有可能加工出具有復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的微流控芯片。高精度的3D打印技術(shù)、微流控芯片疊層制造技術(shù)是構(gòu)建三維芯片的可用方法。采用烘烤、冷凍等物理方法或利用硅、玻璃等的易碎性，是在芯片上加工隨機(jī)裂紋以模擬地層縫隙的可用方法。

2）微觀結(jié)構(gòu)中的流體流動與控制。微流控芯片可以很好地觀察各種組分和狀態(tài)的復(fù)合流體在復(fù)雜微尺寸孔隙結(jié)構(gòu)中的流動行為。復(fù)合流體流動前沿控制，更加鋒利、穩(wěn)定的流體前端可以更好地在不均勻微通道中延長而不擴(kuò)散，從而擴(kuò)大驅(qū)油范圍。石油在毛細(xì)孔和毛細(xì)裂縫中的捕獲現(xiàn)象也是未來可以重點(diǎn)研究的方向之一。

3）驅(qū)油劑、表面改性劑研究。微流控芯片具有試劑消耗量小、成本低廉、可批量制造等優(yōu)勢。在巖心實(shí)驗(yàn)前使用微流控芯片進(jìn)行大量預(yù)實(shí)驗(yàn)，對不同配方驅(qū)油劑的驅(qū)油效果進(jìn)行初步測試，可以很大程度地提高實(shí)驗(yàn)效率，降低整體成本。

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