微流控芯片在提高石油采收率技术中的应用

高克鑫，范一强，金志明，刘士成，张亚军

（北京化工大学机电工程学院，北京 100029）

0 引言

微流控技术是研究、处理和控制纳微米尺寸流体的技术，它可以在最少一维尺度上达到微米甚至纳米的微通道结构中，对体积为纳升乃至皮升的流体进行流动控制和传质［1］。微流控芯片作为微流控技术发展最为活跃的前沿领域之一，可以将采样、分离、检测等分析功能集成到几厘米的芯片上，目前已广泛应用于现代生物化学分析、即时诊断、高通量筛选等领域［2-4］。

早在20世纪80年代，微流控行业已注意到石化领域。当时该领域最权威的杂志《Lab Chip》就出版了“能源：微流控技术的待垦之地”专刊［5］。目前，微流控技术研究的目标主要是油层中的微观结构和流体力学。N.K.Karadimitriou等［6］最近的一篇综述总结了土壤学背景下微模型技术的发展及其在两相流动研究中的应用，介绍了赫尔-肖氏模型和玻璃基微珠模型在相关研究中的应用，探讨了软光刻技术、传统MEMS技术和3D打印技术在制造微尺寸模型时的优劣,并探讨了微模型技术与提高石油采收率的关系，因为二者同样都涉及流体在微孔中的流动，这也是第1次出现涉及石油采集的多孔岩石的微尺寸模型。

随着微流控芯片加工制造技术的不断成熟，微流控技术有望在提高石油采收率方面实现新的突破。本文综述了近期微流控芯片在提高石油采收率方面的相关研究成果，并对其未来发展方向进行了展望。

1 提高石油采收率技术简介

传统的油田开发按技术进步的规律可分为一次采油、二次采油和三次采油3个阶段。一次采油阶段，石油通常会在地层压力的作用下自喷产出，或者使用常规泵将其抽出。当地层压力不足时，通过注水或非混相注气的方式补充地层压力，这个阶段称为二次采油阶段。然而，在许多油藏，特别是砂岩和页岩当中，石油会因毛细管力、表面张力等的作用被困在岩层的盲端、孔隙、裂缝中，单纯的注水和注气难以将其驱出，二次采油后期采出液含水率高达80%以上，采收率却只有30%左右，效率较低。因此，出现了利用物理、化学和生物等方法提高石油采收率的技术（EOR），又称三次采油或强化采油。该技术可以在二次采油的基础上，将采收率进一步提高10百分点左右。

目前，三次采油技术已发展成较为系统的技术系列，分别为化学驱、气驱、热力驱和微生物驱。其基本原理是利用特制的驱油剂将油从岩石缝隙中冲刷或推挤到主流通道中。驱油剂可以是改变表面润湿性和表面张力的表面活性剂［7］，也可以是堵塞高渗透区域以控制流体流向的堵剂［8］。这些复合流体在油藏中的流动状况非常复杂，其流动行为与其在宏观尺度通道中的有着明显差别。

微流控技术可以有效研究复杂流体在多孔介质中的流动行为。微流控芯片是微流控技术当前热门的发展领域之一，它可以轻松构建尺度在10～100 μm的复杂流道，这与岩层下的孔隙和裂缝尺寸在同一个量级上［9］。微加工技术的日趋成熟也为模拟油藏芯片的制造提供了条件。近期，学者们尝试用微流控芯片代替传统岩心进行石油驱替、流体流动可视化、驱油剂效果测试等提高石油采收率相关技术的研究。

2 微流控芯片用于EOR的研究进展

目前，提高石油采收率的实验室研究通常采用天然和人造岩心进行石油驱替实验［10-11］。但巨大的实验设备、大量的试剂消耗、高成本的可视化方法等因素都阻碍着相关研究的进一步发展［12］。

微流控芯片具有所需样品少、使用成本低、易与其他设备整合等优点。相比复杂的岩心模型，微流控芯片可以很大程度上对实验的变量进行简化和控制，其优秀的光学性能也易于实现流体流动的可视化。

2.1 模拟油藏的微流控芯片加工技术

天然油藏在几何形状、孔径分布、化学异质性等方面有着天然复杂性。如何在对系统进行部分简化，同时又不忽略关键参数的前提下，构建二维微流控芯片，是该研究得以进行下去的基础。

A.Cuenca等［13］开发了2种模拟油藏的芯片成型方法：一种是在PDMS中随机嵌入间距约为30 μm的玻璃微珠，孔隙度一般为50%；另一种是将计算机生成的随机网络直接刻蚀到玻璃芯片上，可生成宽115 μm、深12 μm的流道，流道表面使用十八烷基三氯硅烷进行疏水化改造。

天然油藏的天然复杂性导致其渗透率分布的复杂性，流体在不同渗透率条件下的流动行为也是影响石油采收率的因素之一。K.Ma等［14］成功制造了一种同时具有高、低渗透率区域的微流控芯片（见图1）。芯片高渗透区由直径300 μm、间距60 μm的圆柱阵列组成，低渗透区由直径50 μm、间距20 μm的圆柱阵列组成，通过200 μm宽的通道连接多柱区和5个出入口，芯片采用su-8光刻胶转印PDMS制成。使用该芯片研究了二氧化碳泡沫对流体从高渗透区扩散到低渗透区的促进作用。实验结果表明，与纯水相比，起泡能力稳定的二氧化碳泡沫可以明显提升2个区域的亲水性，促进流体的传播和扩散。

图1 拥有2种渗透区的微流控芯片

C.J.Landry等［15］构建了一种模拟岩心的三维模型。该模型由直径115～210 μm的玻璃颗粒烧结制成，具有随机的孔隙分布。结果发现，在模型烧结过程中意外产生的细微断裂和裂纹恰好可以模拟地层中的随机裂缝。虽然该文章并不属于微流控芯片的范畴，但它为模拟油藏的玻璃芯片的构建提出了新的思路。

2.2 聚合物驱相关研究

聚合物驱是指在水中加入少量水溶性高分子聚合物，通过增加水相黏度和降低水相渗透率来改善流度比，提高波及系数，从而提高石油采收率。聚丙烯酰胺是目前最常用的聚合物驱油剂。

A.M.Howe等［16］研究了部分水解的聚丙烯酰胺溶液在模拟Bentheimer砂岩孔隙组织的微流控芯片中的黏弹性行为。芯片由su-8光刻胶转印PMMA制成，使用不同分子质量（3.6～35.0 MDa）的聚丙烯酰胺溶液作为驱油剂，通过高速摄像机捕捉和观测添加在溶液中的1 μm粒径的聚苯乙烯颗粒来表征流体在微型模型中的流动。该实验观察到聚合物流体的剪切增稠效应和所谓的弹性湍流，是稳定层流向不稳定流动在空间和时间上变化的过渡。研究发现，这种转变只与聚合物的平均分子质量的平方有关。由于传统认知中对聚合物溶液流变行为影响最大的因素是质量浓度，这种颠覆性的结果为相关研究指出了新的方向。

表面活性剂和水的复合流体也是业内普遍使用的驱油剂，特别是在海上采油作业时会使用大量的海水。K.He等［17］使用微流控芯片模拟油藏来比较使用非乳化和弱乳化表面活性剂的驱油效率。为此制造了一个宽3 μm、深300 nm流道的无规多孔网络的微流控芯片， 流道覆盖面积为 400 μm×600 μm。 模型使用Voronoi镶嵌法［18］设计制造，用硅烷处理的Pyrex盖玻片进行阳极键合。实验结果表明，弱乳化表面活性剂的驱油效率更高，与他们早期在Eagle Ford页岩中进行的多井宏观实验结果吻合。

2.3 气驱相关研究

二氧化碳是一种在水和油中溶解度都很高的气体，大量溶解于原油中时，可以使原油体积膨胀、黏度下降、降低油水间的界面张力，从而达到驱油的作用。P.Nguyen等［19］用微流控芯片进行了二氧化碳气体和二氧化碳泡沫在不同尺寸孔隙中的驱油实验。分别使用表面活性剂和纳米颗粒作为稳泡剂对泡沫进行处理，表面活性剂处理的二氧化碳泡沫在放置20 h左右时已基本破裂无法使用，而纳米颗粒稳定的泡沫则在放置10 d后仍能保持优异的稳定性。使用纯水、二氧化碳气体、二氧化碳泡沫3种驱油剂，分别对轻质、中质、重质石油进行驱油对比实验。结果表明：纳米稳定二氧化碳泡沫有着良好的驱油作用（额外驱油效率：轻质石油11%，中质石油15%，重质石油8%），驱油效率的提高幅度是二氧化碳气体的3倍。二氧化碳泡沫有着更小尺寸的水包油乳液，平均为1.7 μm，仅为二氧化碳气体的20%（见图2）。

N.Quennouz等［20］使用微流控芯片研究了2种二氧化碳泡沫的形成方法。一种是通过Y型流道同时注入二氧化碳气体和水（见图3），通过改变气压和水压以研究不同生产条件对泡沫产生的影响，获得了制造适用于驱油的均质小尺寸气泡的加工条件范围。另一种是在S型流道中布置一定数量的等距圆柱阵列，入口处的大气泡在流过流道时不断被分割破碎，在出口处形成细小均匀的二氧化碳泡沫，这在一定程度上模拟了岩石中泡沫的形成过程。此外，还制造了一种梳子结构的微流控芯片，用于模拟页岩中的非均质储油层（见图4），实现了岩层裂缝非均质储集层中泡沫行为的可视化，这有利于对EOR过程更直观了解。

图2 二氧化碳气体和泡沫的水包油乳液对比

图3 气泡破碎生成二氧化碳泡沫的流道

图4 模拟岩层裂缝的梳子结构

F.Guo等［21］采用不同方法生成的二氧化碳泡沫进行驱油对比实验，结果显示，使用Si-LAPB-AOS混合物生成的泡沫具有最好的驱油效果，最高驱油效率可达95%。

3 总结与展望

现代微细加工技术的发展使构建类多孔岩层模型的难度大大降低，很大程度上方便了对石油采集过程和EOR工艺的研究。微流控芯片作为一种可以在微米级流道内对流体进行控制的装置，具有价格低廉、试样和试剂消耗少、光学性能好、易于表面改性等优势，非常适合对提高石油采收率至关重要的流体流动可视化、液体渗透、泡沫产生、二氧化碳混溶等研究。

微流控芯片往往由单一材料制成（如PDMS、PMMA、玻璃、硅等），且只能构建二维层面的模型，很难用其模拟油藏在表面润湿性、孔隙分布等方面的天然复杂性。而该复杂性会使润滑性、溶解、吸附等影响石油采收率的物理化学过程显著复杂化，这是限制微流控芯片广泛应用于提高石油采收率相关研究的一个根本性问题。截至目前，相关研究仍只能构建相对简单甚至过度简化的二维多孔模型，这势必会在一定程度上限制其研究成果在实际生产作业中的实用性。

未来，微流控芯片有望在以下3个方面实现新的突破：

1）模拟油藏的微流控芯片加工技术。随着微细加工技术的不断发展，未来很有可能加工出具有复杂孔隙结构的微流控芯片。高精度的3D打印技术、微流控芯片叠层制造技术是构建三维芯片的可用方法。采用烘烤、冷冻等物理方法或利用硅、玻璃等的易碎性，是在芯片上加工随机裂纹以模拟地层缝隙的可用方法。

2）微观结构中的流体流动与控制。微流控芯片可以很好地观察各种组分和状态的复合流体在复杂微尺寸孔隙结构中的流动行为。复合流体流动前沿控制，更加锋利、稳定的流体前端可以更好地在不均匀微通道中延长而不扩散，从而扩大驱油范围。石油在毛细孔和毛细裂缝中的捕获现象也是未来可以重点研究的方向之一。

3）驱油剂、表面改性剂研究。微流控芯片具有试剂消耗量小、成本低廉、可批量制造等优势。在岩心实验前使用微流控芯片进行大量预实验，对不同配方驱油剂的驱油效果进行初步测试，可以很大程度地提高实验效率，降低整体成本。

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