微流控芯片：可放在手掌上的“微缩”油藏实验室

郭永峰 王秋月 郭子宁

1. 中海油田服务股份有限公司；2. 中国石油华北油田公司

在油气田勘探开发过程中，必备条件之一是建立油藏实验室。作业者利用实验室对地下油藏取出的岩心进行各种特性参数实验，获取关于地下油藏参数信息，如温度、压力、饱和度、孔隙度、渗透率等。由于这些参数是制定油气田开发方案的基础指标，确保参数获取准确与符合实际地层特性规律是保证作业者高效能、低成本开发油气田的重要基础。

建立油藏实验室需要配置各种设备与专业人员，成本较高，近几年的低油价迫使石油公司千方百计降低成本、压缩开支、减少人员。欧美石油公司率先开发“微流控芯片”（Micro-fluidics）技术，将原有的油气田油藏实验室“微缩”到手掌大小的集成装置中，基本上替代了原有实验室的功能和作用。

目前部分石油公司和科研院所在油气田现场对微流控技术进行了初步应用，获得预期效果，包括斯伦贝谢[1]、哈里伯顿公司[2]以及法国石油研究院(IFP Energies Nouvelles)[3]、加拿大卡尔加里（Calgary）大学[4]等。特别需要指出，英国于2001年创刊的国际著名科学杂志《Lab on a Chip》（芯片上的实验室），为油藏微流控技术的现场应用提供了重要的理论指导。

我国的微流控芯片技术在医学领域已投入初步应用[5]，如利用病人微量血液或唾液进行全科疾病、病史与基因的检查等，但在油田勘探与开发方面尚无现场应用实例。近几年国内石油企业与科研院所已敏锐追踪到该项技术信息，积极组织自主研发，现已获得一定进展。

1 油藏“微流控芯片”

石油行业使用的油藏微流控芯片，来自于常用的计算机芯片。简单讲，就是将带有计算机处理功能的油藏实验室的相关业务集成在一块计算机芯片上。

20世纪80年代，美国微型计算机应用兴起，以Intel公司为代表的微型计算机芯片业快速发展。到20世纪末，原来用于计算机运算的各类微机芯片开始进入各产业领域，走进千家万户，例如家庭用电视机、洗衣机等均使用计算机芯片作为其核心控制装置。

油气田在油气开采过程中，当需要进行样品分析时，一般都是使用少量油气样品，利用实验室内的显微镜或照相机等设备进行物理或化学分析，再使用计算机进行分析计算，获得最终结果。世界各地的油气田，无论是作业现场，还是后方技术支持中心，均配有各种规模不等的油藏实验室。这种获取常规油气田物性参数的方式，缺点是使用样品数量较大、检测周期长，不能满足油气井开采的现场时间要求，且购置设备与人员操作成本较高。

面对越来越大的油藏实验室规模，以及越来越多的油气样品实验项目，欧美石油技术人员希望利用芯片技术，将油气样品分析的全部功能集成在一块小小的计算机芯片上。图1展示的就是一种用于油气样品分析的微流控芯片。

图1 用于油藏参数分析的微流控芯片

2 功能与研究

一块姆指大小的芯片，不仅可用于计算，还能对油气流体进行直接处理与分析。具体来说，油藏微流控芯片可对来自油气田地层的样品进行各种测试，获取包括温度、压力、饱和度、渗透率等各种物理参数，基本涵盖了一个油气田常规油藏实验室所能测试的大部分物性参数，特别的是，仅凭从地层采出的极少量原油或气体，就能获其地下资源的大部分数据。

目前各大石油公司均有自行开发的油藏微流控芯片设备。加拿大卡尔加里大学用于重油油藏分析的微流控芯片设备，由计算机、微流控芯片、照相机、打印输出等设备组成（图2）。在加拿大阿尔伯达（Alberta）省北部地区，蕴藏着世界最丰富的重油资源。其中近50%的重油通过钻井，向地层注入流体或气体，与深层重油混合后流到地面，从而完成重油生产过程。

2016年，这所大学科研人员利用油藏微流控芯片设备，在实验室内进行了“化学基流体驱重油开采”与“纳米基流体驱重油开采”的效果对比试验。通过微流控芯片对重油开采过程进行微观模拟与监测，发现纳米基流体对于重油乳化作用的重要特性。试验区块采用纳米基流体驱重油方式后，提高了重油产量，降低了开采成本。

图2 卡尔加里大学用于重油油藏参数分析的微流控芯片实验装置[4]

图3为卡尔加里大学进行纳米基流体驱重油芯片试验微观图像。从图中看到，外力驱动液体从芯片右上角进入，通过作为模拟储层的岩石芯片，最后从芯片左下角排出。通过显微镜观察，可清楚获得液体通过芯片时所流经的面积比率，从而定量判断该液体在储层的驱油效率。

图3 卡尔加里大学进行纳米基流体驱重油芯片试验微观图像[4]

3 测试流程与主要指标

斯伦贝谢公司于2014年开始试用油藏微流控芯片，主要目的是用芯片代替原来井场进行的油藏常规PVT测试，以测定油藏流体的压力、温度与（饱和）体积、气液比率等[1]。

微流控芯片主要指标为测定液体流经的毛细管直径为50μm，单次测试的最大液体用量为5μL，油气井地层流体在186MPa与150℃范围之内进行参数测定，系统测量误差率为0.1%。由于测定所用气液流体总量极少，实验室人员可以快速变换测试温度，以获取不同温度下的饱和度及气液比率等指标。

斯伦贝谢公司的油藏微流控芯片基本流程为：（1）将地层油藏的油气样品（容量为5μL），通过微型高压泵“泵入”芯片集成装置；（2）油气样品再通过芯片中的蛇形管道（直径为50μm ），并从另一端排出；（3）油气样品在通过蛇形管时，相应参数由传感器记录，由照像机摄像，并输入控制计算机（图4）。

系统高压泵的标准压力精度为0.689MPa，压阻式压力传感器标定为103MPa、150℃，照相成像系统的光学分辨率为5M/pixel（像素），这一精度相当于微流控芯片内部的微通道总长度的0.5%。此外，为达到样品分析测定时的温度要求，系统设有精确的温度调节装置。

这套微流控芯片测量装置最突出特点是使用的油气田现场采集样品量极少，而且检测周期短、测量速度快、检测结果精度高。系统利用数毫升体积的储层流体，就可以测定石油地质油藏的多数物性参数，如测定油藏PVT等参数，以及储层原油样品的饱和压力、油气体积比等。

图4 斯伦贝谢用于油藏参数分析的微流控芯片流程[1]

4 发展方向

当前在欧美油气田推广使用油藏微流控芯片获取储层物性参数已经有较大进展。美国、加拿大的石油公司正考虑将该技术应用到极地钻探中，实现在遥远、艰苦的作业环境下，减少现场人数，降低人员风险与作业成本。同时，也正在尝试将油藏微流控芯片安装在地层储层附近，作为井下工具的组成部分，以便随时获取储层的物性参数；甚至直接使用瞬间获取的储层物性参数，用以自动控制地层节流器、泵类的运行参数，或者干预钻头的钻进方向。这类研发已经获得较为满意的进展。

目前我国的石油院校与大型石油企业已着手进行油藏分析的微流芯片的自主研发，获得了一定进展。我们有理由相信，国内油藏微流控芯片技术会在不远的将来获得长足发展，取得丰硕成果。

[1]Shahnawaz Molla, Farshid Mostowfi. Microfluidic platform for PVT measurements[C]. Amsterdam： the SPE Annual Technical Conference and Exhibition,2014. SPE-170910-MS.

[2]Kai He, Liang Xu, Xiaolong Yin, et al. A rock-on-a-chip approach to study fluid invasion and flowback in liquidsrich shale formations[C]. Oklahoma： the SPE Oklahoma Oil and Gas Symposium,2017. SPE-185088-MS.

[3]Moiré M, Peysson Y, Pannacci N, et al. A new micro fluidic tensiometer for optimizing eor formulations[C].Oklahoma： the SPE Improved Oil Recovery Conference,2016.SPE-179557-MS.

[4]Parisa Bazezi, Ian D Gates, Amir Sanati Nezhad, et al.Silica-based nanofluid heavy oil recovery a microfluidic approach[C]. Calgary： the SPE Canada Heavy Oil Technical Conference,2017.SPE-185008-MS.

[5]姜迪,项楠,唐文来,等. 微操控技术发展与应用[J].机械设计与制造, 2017,46(3)：9-22.Jiang Di, Xiang Nan, Tang Wenlai, et al. Development and application of microfluidic manipulation[J]. Machine Design and Manufacturing Engineering,2017,46(3)：9-22.