基于微流控模型的自发吸吮采油过程实验研究

曲占庆， 姚 佳，2， 杨 阳， 王 冰， 何利敏

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580；2.美国怀俄明大学，怀俄明拉勒米82071；3.中海油研究总院钻采研究院，北京，100027）

近年来新探明的裂缝性油藏探明储量不断增加，其探明地质储量已占总探明储量的28%以上，裂缝性油藏的勘探开发在我国石油工业中占有越来越重要的地位［1］。自发吸吮过程，对提高裂缝性油藏的采收率具有特殊的意义［2－3］，尤其是当裂缝性油藏具有较低渗透率时，通过微流控模型对自发吸吮过程进行室内模拟研究，了解地层流体在裂缝性油藏中的流动特性，研究结果对裂缝性油藏开发具有指导意义。

1 自发吸吮采油机理

在油藏条件下，油层岩石的润湿性影响着油水在岩石孔道中的微观分布，决定着孔道中毛管力的大小和方向，影响残余油在孔隙中的存在方式及最终驱油效率［4］。

油藏岩石是典型的孔隙介质［5］。当不相溶的两相流体（如油、水）与油藏岩石接触时，润湿相可沿着岩石表面铺开，使得体系的表面自由能降低，因此能够保证两相流体在孔隙介质中流动的稳定性。在油藏岩石中，润湿相驱替非润湿相的过程称为“吸吮过程”，反之为“驱替过程”［6］。水驱油时，亲水油藏采收率一般高于亲油油藏，即吸吮过程采收率较高。

油水的流动规律，除了取决于岩石表面润湿性外，也取决于岩石孔道中的毛管压力。当毛管力是岩石孔隙内的唯一作用力时的吸吮过程，称为自发吸吮过程［7］。对于裂缝型油藏来说，后期的注水生产从油藏岩石基质中采出的原油很大程度都是靠自发吸吮过程实现的。因此，对于渗透率较低的油气藏来说，研究自发吸吮采油过程具有重要意义［8］。

2 微流控模型的加工与制备

微流控技术从概念提出到诞生和发展，微加工技术是关键。T.Englder等［6］利用微加工手段，在硅片上蚀刻出了微细的管道，实现了第一个现代意义上的微流控模型。Whitesides等提出了软蚀刻技术，简化了微流控模型的制备［7］。

微流控模型制作的主要过程如图1所示。首先，微流控模型的图形是利用计算机绘图软件进行设计，如CAD软件，随后通过高分辨率打印得掩膜；根据实际实验所需的微流控模型中管道尺寸选取合适的光胶；将适量SU8光胶倒置于表面经过抛光及等离子处理的基底上，利用隔光离心机将基底固定在真空吸附盘上，设定合适的转速，使得光胶在基底表面覆盖所需厚度；将被光胶覆盖了特定厚度的基底放于特定温度的高敏性水平加热器上进行一定时间的软烘（soft bake）处理；再将掩膜放于经软烘处理过的基底表面，在紫外光的照射下进行曝光处理；随后再次进行特定时间和温度的烘烤处理；将经过以上处理过程的基底浸泡于双丙酮醇溶液中适当时间，取出后用乙醇冲洗，即可得到印有所需深度管道的微流控模型的阳模。其中，凸起部位为管道，是由曝光部分发生聚合后得以保留，未曝光部分被双丙酮醇溶液溶洗去［8－9］。

图1 微流控模型的制作过程Fig.1 Fabrication process of wafer

与传统的用于模拟原油驱替过程的方法相比，微流控模型可以通过显微镜对驱替过程进行直接观察，并能由高速照相机将现象准确记录。

3 微流控模型自发吸允模拟研究

通过室内微流控模型模拟实验研究自发吸吮过程中油、水流动规律，及不同尺寸管道之间差异，以期对裂缝性油藏开发过程中多相流体流动有更深入的了解。

3.1 实验原理

利用具有不同尺寸管道的微流控模型分别模拟在管道深度均为50μm时，管道宽度分别为300 μm，550μm。整个实验过程中微流控模型管道始终为油湿，油相为润湿相，水相为非润湿相。在显微镜下观察自发吸吮过程中，润湿相驱替非润湿相过程，并用高速照相机记录此过程。拟合出驱替过程中驱替前缘的运动方程，及两种尺寸管道的对比。

3.2 实验仪器和药品

3.2.1 主要实验仪器 奥林巴斯IX71倒转光学显微镜，高速照相机，注射泵。

3.2.2 药品 去离子水，矿物油，荧光剂，疏水剂。

3.3 实验步骤

（1）按照实验要求制作微流控模型，如图2所示。注入疏水剂，确保整个微流控模型的润湿相为油湿。

（2）检查并连接仪器，以矿物油为润湿相填充微流控模型，置于显微镜下。

（3）排驱过程模拟，从一端入口加压泵入少量加有荧光剂的去离子水，使非润湿相驱替微流控模型中原有的润湿相。

（4）自发吸吮过程模拟，停止泵入非润湿相，矿物油自发驱替水。

实验条件为室内25℃，泵入压力为1MPa。

图2 所用微流控模型CAD设计图Fig.2 CAD schematic of microfluidic model

4 实验结果分析

图3为在270s内，高速照相机所记录的大小两个管道内驱替前缘的位置变化。测量驱替前缘每5s内移动的距离，进行拟合后，得如图4所示两管道内驱替前缘移动距离与时间的关系。

图3 两个管道中驱替前缘的位置变化Fig.3 Changes of displacement fronts in micro－channels

图4 管道内驱替前缘移动距离与时间关系曲线Fig．4 Relationship between distance of displacement front and time in micro－channels

由图4可知，拟合曲线表明不论大管道，还是小管道，驱替前缘的移动距离均是时间的三次方函数，并且两条曲线的相关系数R2值均大于0．998。

a）当t＝0s时，小管道中驱替前缘距左端点的距离为1 237．094μm，大管道中驱替前缘距左端点的距离是5 223．406μm；

b）当t＝270s时，小管道中驱替前缘距左端点的距离为851．304μm，大管道中驱替前缘距左端点的距离是4 720．444μm。

图5是两管道中驱替前缘的移动速度与时间关系曲线。由图5可知，两管道中的驱替前缘的移动速度存在交点，即在交点时刻，驱替前缘的移动速度在大小管道中是相等的，在此时刻前，大管道中驱替前缘的移动速度较小管道中的快，而在此时刻后，小管道中驱替前缘的移动速度较大管道中的快。

图5 管道内驱替前缘移动速度与时间关系曲线Fig．5 Relationship between velocity of displacement front and time in micro－channels

这种驱替前缘移动速度在两种尺寸管道中的变化规律可通过管道内驱替前缘移动的加速度与时间关系曲线得到较明确的解释。如图6所示两管道内驱替前缘移动加速度与时间关系曲线，两管道内驱替前缘移动加速度与时间成线性关系。

图6 管道内驱替前缘移动加速度与时间关系曲线Fig．6 Relationship between acceleration of displacement front and time in micro－channels

由图6中加速度曲线的变化趋势可知，与小管道相比，在大管道中驱替前缘移动加速度绝对值较大，但由于大管道中驱替前缘的加速度为负，即其加速度方向与驱替前缘实际流动方向相反，而对于小管道中的驱替前缘来说，尽管其加速度的绝对值较小，但加速度的方向与速度方向是相同的，因此，在加速度作用下，大管道内驱替前缘的速度是减小的，小管内驱替前缘的速度是增大的，在某一时刻，两管内驱替前缘的速度大小达到一致，此后，小管道内驱替前缘的速度将大于大管道内的驱替速度。

5 结论

（1）在重力作用可忽略的情况下，毛管力是自发吸吮过程中的唯一驱替作用力，此时，驱替前缘移动的距离与驱替时间呈三次方关系，驱替前缘的移动速度是驱替时间的二次函数。

（2）当两个管道之间存在大小差异时，在自发吸吮过程中，存在某一时刻，使得驱替前缘在大小不同的管道中具有相同的移动速度。在此时刻达到之前，大管道中驱替前缘的移动速度较小管道中的大；在此时刻后，小管道中驱替前缘具有较大的移动速度。

（3）微流控模型可精确模拟微米级别的管道情况，并且能够实现清晰观察并记录，为实验室内的管道流动模拟研究提供了有利条件。

［1］袁士义.裂缝性油藏开发技术［M］.北京：石油工业出版社，2006.

［2］Zhang Xiaoyun，Morrow N R.Ma Shouxiang.Experimental verification of a modified scaling group for spontaneous imbibition［J］.SPE Reservoir Engineering，1996，11（4）：280－285.

［3］Morrow N R，Mason G.Recovery of oil by spontaneous imbibition［J］.Current Opinion in Colloid ＆Interface Science，2001，6（4）：321－337.

［4］杨胜来，魏俊之.油层物理学［M］.北京：石油工业出版社，2007：201－204.

［5］姜汉桥.油藏工程原理与方法［M］.东营：石油大学出版社，2003：76－77.

［6］Engelder T.Capillary tension and imbibition sequester fractal fluid in marcellus gas shale［J］.National Acad Sciences，2012，109（52）：3625.

［7］Cai Jianchao.An analytical model for spontaneous imbibition in fractal porous media including gravity［J］.Colloids and Surfaces，2012，8（47）：228－283.

［8］王俊伟.低渗透复杂小断块油藏合理井网模式探讨［J］.石油化工高等学校学报，2012，25（3）：32－36.Wang Junwei.Low permeability reservoirs small complex fault block model to explore reasonable well［J］.Journal of Petrochemical Universities，2012，25（3）：32－36.

［9］Terry S C.A gas chromatographic air analyser fabricated on silicon wafer using integrated circuit technology［D］.US：Stanford University，1975：50－53.

［10］Duffy D C，McDonald J C，Schueller O J A，et al.Fabrication of microfluidic systems in poly（dimethylsiloxane）［J］.Anal.Chem.，2000，21（1）：27－40.

［11］Utada A S，Chu L Y，Fernandez N A，et al.Dripping，jetting，drops，and wetting：the magic of microfludics［J］.MRS Bulletin，2007（32）：702－708.

［12］Joshua D T，Adam D L，Rustem F I.Effects of viscosity on droplet formation and mixing in microfluidic channels［J］.Analytical Chemical Acta，2004（57）：73－77.