微流控芯片：可放在手掌上的“微縮”油藏實(shí)驗(yàn)室

郭永峰 王秋月 郭子寧

1. 中海油田服務(wù)股份有限公司；2. 中國(guó)石油華北油田公司

在油氣田勘探開發(fā)過程中，必備條件之一是建立油藏實(shí)驗(yàn)室。作業(yè)者利用實(shí)驗(yàn)室對(duì)地下油藏取出的巖心進(jìn)行各種特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)，獲取關(guān)于地下油藏參數(shù)信息，如溫度、壓力、飽和度、孔隙度、滲透率等。由于這些參數(shù)是制定油氣田開發(fā)方案的基礎(chǔ)指標(biāo)，確保參數(shù)獲取準(zhǔn)確與符合實(shí)際地層特性規(guī)律是保證作業(yè)者高效能、低成本開發(fā)油氣田的重要基礎(chǔ)。

建立油藏實(shí)驗(yàn)室需要配置各種設(shè)備與專業(yè)人員，成本較高，近幾年的低油價(jià)迫使石油公司千方百計(jì)降低成本、壓縮開支、減少人員。歐美石油公司率先開發(fā)“微流控芯片”（Micro-fluidics）技術(shù)，將原有的油氣田油藏實(shí)驗(yàn)室“微縮”到手掌大小的集成裝置中，基本上替代了原有實(shí)驗(yàn)室的功能和作用。

目前部分石油公司和科研院所在油氣田現(xiàn)場(chǎng)對(duì)微流控技術(shù)進(jìn)行了初步應(yīng)用，獲得預(yù)期效果，包括斯倫貝謝[1]、哈里伯頓公司[2]以及法國(guó)石油研究院(IFP Energies Nouvelles)[3]、加拿大卡爾加里（Calgary）大學(xué)[4]等。特別需要指出，英國(guó)于2001年創(chuàng)刊的國(guó)際著名科學(xué)雜志《Lab on a Chip》（芯片上的實(shí)驗(yàn)室），為油藏微流控技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了重要的理論指導(dǎo)。

我國(guó)的微流控芯片技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已投入初步應(yīng)用[5]，如利用病人微量血液或唾液進(jìn)行全科疾病、病史與基因的檢查等，但在油田勘探與開發(fā)方面尚無(wú)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例。近幾年國(guó)內(nèi)石油企業(yè)與科研院所已敏銳追蹤到該項(xiàng)技術(shù)信息，積極組織自主研發(fā)，現(xiàn)已獲得一定進(jìn)展。

1 油藏“微流控芯片”

石油行業(yè)使用的油藏微流控芯片，來(lái)自于常用的計(jì)算機(jī)芯片。簡(jiǎn)單講，就是將帶有計(jì)算機(jī)處理功能的油藏實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)業(yè)務(wù)集成在一塊計(jì)算機(jī)芯片上。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用興起，以Intel公司為代表的微型計(jì)算機(jī)芯片業(yè)快速發(fā)展。到20世紀(jì)末，原來(lái)用于計(jì)算機(jī)運(yùn)算的各類微機(jī)芯片開始進(jìn)入各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，走進(jìn)千家萬(wàn)戶，例如家庭用電視機(jī)、洗衣機(jī)等均使用計(jì)算機(jī)芯片作為其核心控制裝置。

油氣田在油氣開采過程中，當(dāng)需要進(jìn)行樣品分析時(shí)，一般都是使用少量油氣樣品，利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的顯微鏡或照相機(jī)等設(shè)備進(jìn)行物理或化學(xué)分析，再使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，獲得最終結(jié)果。世界各地的油氣田，無(wú)論是作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，還是后方技術(shù)支持中心，均配有各種規(guī)模不等的油藏實(shí)驗(yàn)室。這種獲取常規(guī)油氣田物性參數(shù)的方式，缺點(diǎn)是使用樣品數(shù)量較大、檢測(cè)周期長(zhǎng)，不能滿足油氣井開采的現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間要求，且購(gòu)置設(shè)備與人員操作成本較高。

面對(duì)越來(lái)越大的油藏實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，以及越來(lái)越多的油氣樣品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，歐美石油技術(shù)人員希望利用芯片技術(shù)，將油氣樣品分析的全部功能集成在一塊小小的計(jì)算機(jī)芯片上。圖1展示的就是一種用于油氣樣品分析的微流控芯片。

圖1 用于油藏參數(shù)分析的微流控芯片

2 功能與研究

一塊姆指大小的芯片，不僅可用于計(jì)算，還能對(duì)油氣流體進(jìn)行直接處理與分析。具體來(lái)說，油藏微流控芯片可對(duì)來(lái)自油氣田地層的樣品進(jìn)行各種測(cè)試，獲取包括溫度、壓力、飽和度、滲透率等各種物理參數(shù)，基本涵蓋了一個(gè)油氣田常規(guī)油藏實(shí)驗(yàn)室所能測(cè)試的大部分物性參數(shù)，特別的是，僅憑從地層采出的極少量原油或氣體，就能獲其地下資源的大部分?jǐn)?shù)據(jù)。

目前各大石油公司均有自行開發(fā)的油藏微流控芯片設(shè)備。加拿大卡爾加里大學(xué)用于重油油藏分析的微流控芯片設(shè)備，由計(jì)算機(jī)、微流控芯片、照相機(jī)、打印輸出等設(shè)備組成（圖2）。在加拿大阿爾伯達(dá)（Alberta）省北部地區(qū)，蘊(yùn)藏著世界最豐富的重油資源。其中近50%的重油通過鉆井，向地層注入流體或氣體，與深層重油混合后流到地面，從而完成重油生產(chǎn)過程。

2016年，這所大學(xué)科研人員利用油藏微流控芯片設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了“化學(xué)基流體驅(qū)重油開采”與“納米基流體驅(qū)重油開采”的效果對(duì)比試驗(yàn)。通過微流控芯片對(duì)重油開采過程進(jìn)行微觀模擬與監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)納米基流體對(duì)于重油乳化作用的重要特性。試驗(yàn)區(qū)塊采用納米基流體驅(qū)重油方式后，提高了重油產(chǎn)量，降低了開采成本。

圖2 卡爾加里大學(xué)用于重油油藏參數(shù)分析的微流控芯片實(shí)驗(yàn)裝置[4]

圖3為卡爾加里大學(xué)進(jìn)行納米基流體驅(qū)重油芯片試驗(yàn)微觀圖像。從圖中看到，外力驅(qū)動(dòng)液體從芯片右上角進(jìn)入，通過作為模擬儲(chǔ)層的巖石芯片，最后從芯片左下角排出。通過顯微鏡觀察，可清楚獲得液體通過芯片時(shí)所流經(jīng)的面積比率，從而定量判斷該液體在儲(chǔ)層的驅(qū)油效率。

圖3 卡爾加里大學(xué)進(jìn)行納米基流體驅(qū)重油芯片試驗(yàn)微觀圖像[4]

3 測(cè)試流程與主要指標(biāo)

斯倫貝謝公司于2014年開始試用油藏微流控芯片，主要目的是用芯片代替原來(lái)井場(chǎng)進(jìn)行的油藏常規(guī)PVT測(cè)試，以測(cè)定油藏流體的壓力、溫度與（飽和）體積、氣液比率等[1]。

微流控芯片主要指標(biāo)為測(cè)定液體流經(jīng)的毛細(xì)管直徑為50μm，單次測(cè)試的最大液體用量為5μL，油氣井地層流體在186MPa與150℃范圍之內(nèi)進(jìn)行參數(shù)測(cè)定，系統(tǒng)測(cè)量誤差率為0.1%。由于測(cè)定所用氣液流體總量極少，實(shí)驗(yàn)室人員可以快速變換測(cè)試溫度，以獲取不同溫度下的飽和度及氣液比率等指標(biāo)。

斯倫貝謝公司的油藏微流控芯片基本流程為：（1）將地層油藏的油氣樣品（容量為5μL），通過微型高壓泵“泵入”芯片集成裝置；（2）油氣樣品再通過芯片中的蛇形管道（直徑為50μm ），并從另一端排出；（3）油氣樣品在通過蛇形管時(shí)，相應(yīng)參數(shù)由傳感器記錄，由照像機(jī)攝像，并輸入控制計(jì)算機(jī)（圖4）。

系統(tǒng)高壓泵的標(biāo)準(zhǔn)壓力精度為0.689MPa，壓阻式壓力傳感器標(biāo)定為103MPa、150℃，照相成像系統(tǒng)的光學(xué)分辨率為5M/pixel（像素），這一精度相當(dāng)于微流控芯片內(nèi)部的微通道總長(zhǎng)度的0.5%。此外，為達(dá)到樣品分析測(cè)定時(shí)的溫度要求，系統(tǒng)設(shè)有精確的溫度調(diào)節(jié)裝置。

這套微流控芯片測(cè)量裝置最突出特點(diǎn)是使用的油氣田現(xiàn)場(chǎng)采集樣品量極少，而且檢測(cè)周期短、測(cè)量速度快、檢測(cè)結(jié)果精度高。系統(tǒng)利用數(shù)毫升體積的儲(chǔ)層流體，就可以測(cè)定石油地質(zhì)油藏的多數(shù)物性參數(shù)，如測(cè)定油藏PVT等參數(shù)，以及儲(chǔ)層原油樣品的飽和壓力、油氣體積比等。

圖4 斯倫貝謝用于油藏參數(shù)分析的微流控芯片流程[1]

4 發(fā)展方向

當(dāng)前在歐美油氣田推廣使用油藏微流控芯片獲取儲(chǔ)層物性參數(shù)已經(jīng)有較大進(jìn)展。美國(guó)、加拿大的石油公司正考慮將該技術(shù)應(yīng)用到極地鉆探中，實(shí)現(xiàn)在遙遠(yuǎn)、艱苦的作業(yè)環(huán)境下，減少現(xiàn)場(chǎng)人數(shù)，降低人員風(fēng)險(xiǎn)與作業(yè)成本。同時(shí)，也正在嘗試將油藏微流控芯片安裝在地層儲(chǔ)層附近，作為井下工具的組成部分，以便隨時(shí)獲取儲(chǔ)層的物性參數(shù)；甚至直接使用瞬間獲取的儲(chǔ)層物性參數(shù)，用以自動(dòng)控制地層節(jié)流器、泵類的運(yùn)行參數(shù)，或者干預(yù)鉆頭的鉆進(jìn)方向。這類研發(fā)已經(jīng)獲得較為滿意的進(jìn)展。

目前我國(guó)的石油院校與大型石油企業(yè)已著手進(jìn)行油藏分析的微流芯片的自主研發(fā)，獲得了一定進(jìn)展。我們有理由相信，國(guó)內(nèi)油藏微流控芯片技術(shù)會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)獲得長(zhǎng)足發(fā)展，取得豐碩成果。

[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,項(xiàng)楠,唐文來(lái),等. 微操控技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 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.