微流控模型在油氣田開發(fā)中的應(yīng)用

李俊鍵 ，蘇航 ，姜漢橋 ，于馥瑋 ，梁天博 ，趙玉云 ，高亞軍 ，HOSSEIN Hejazi

1 中國石油大學(xué)(北京)油氣探測與工程國家重點實驗室，北京 102249

2 中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249

3 中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)天然氣研究院，北京 102249

4卡爾加里大學(xué)化學(xué)與石油工程學(xué)院，卡爾加里 T2N 1N4, 加拿大

0 引言

隨著油氣資源開發(fā)的不斷深入，油氣田開發(fā)的熱點與難點問題逐漸由常規(guī)油氣的開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)槔嫌吞锾岣卟墒章屎头浅Ｒ?guī)油氣高效開發(fā)等方面[1-2]。受孔隙尺度的限制，常規(guī)實驗方法難以直觀呈現(xiàn)出原油在微納尺度通道中的流動行為。而依靠常規(guī)實驗方法建立的油氣滲流理論也大多基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，只適用于常規(guī)油氣藏的開發(fā)初期。對于微尺度效應(yīng)顯著的非常規(guī)油氣藏和油水界面作用顯著的高含水老油藏，常規(guī)實驗手段很難為認(rèn)識油氣滲流通道內(nèi)部流動規(guī)律提供參考。在油氣藏高效開發(fā)日趨困難的背景下，旨在直觀認(rèn)識巖心內(nèi)部滲流機(jī)理的核磁共振、CT掃描以及微觀可視化等實驗手段的持續(xù)發(fā)展與深化應(yīng)用將為油氣滲流機(jī)理的認(rèn)識提供有效支撐[3-5]。

通常把在微納尺度空間里流動的流體稱為微納流體，把在微納尺度通道中對低雷諾數(shù)或?qū)恿鳁l件下微流體進(jìn)行驅(qū)替控制的相關(guān)技術(shù)稱為微流控技術(shù)。微流控技術(shù)能夠在微米尺度空間對流體進(jìn)行操控，將生物、化學(xué)等實驗室的基本功能微縮到一個幾平方厘米的模型上，承載這一功能的微流控模型又可稱為芯片實驗室(Lab on a chip)[6-7]。這種技術(shù)已在航空航天、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境檢測等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)實驗室分析方法相比，微流控技術(shù)具有樣品消耗量小、分析速度快、自動化程度高、熱量質(zhì)量傳遞速率高、易于集成、安全性高等優(yōu)勢[8]。微流控技術(shù)展現(xiàn)出的價值已經(jīng)被學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界所認(rèn)同。

國內(nèi)外剩余油微觀物理模擬實驗起步較早，1952年Chatenever等[9]使用玻璃材料制作粒狀充填微觀模型來研究多孔介質(zhì)驅(qū)替過程的可視化研究，分析了微觀剩余油的形態(tài)和形成機(jī)理。中國科學(xué)院滲流所于1960年代就提出了“微觀滲流”的思想，郭尚平院士[10]利用微觀物理模型對滲流機(jī)理進(jìn)行了大量實驗研究，開展了注水指進(jìn)發(fā)育和孔隙級機(jī)制研究，并闡述了油水二相滲流機(jī)理。Lenormand[11]通過玻璃刻蝕模型驅(qū)替實驗，研究了孔隙尺度下的油水兩相滲流規(guī)律，認(rèn)為驅(qū)替前緣的油水分布情況與黏滯力和毛管力的相互作用有關(guān)，在此基礎(chǔ)上討論了利用相圖和統(tǒng)計模型表征非混相驅(qū)替的方法。但鑒于模型制作材料、工藝和數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備的局限性，導(dǎo)致模型通道尺度過大且尺寸不能定量控制，驅(qū)替實驗過程流量和壓力也無法定量描述，很多微觀模型不能稱之為微流控模型，所以之前大部分學(xué)者的相關(guān)研究都是以描述驅(qū)替過程、剩余油位置，分析潤濕性影響等現(xiàn)象觀察的定性描述為主，缺乏對流動狀態(tài)、流動路徑、剩余油狀態(tài)參數(shù)(賦存位置、油水接觸關(guān)系、形態(tài))等的定量研究。隨著微流控模型技術(shù)的發(fā)展，微流控模型的制作材料逐漸從硅、玻璃/石英擴(kuò)展到了PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)與PMMA(Polymethylmecrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)等聚合物材料，模型通道尺寸也逐漸從微米量級做到了亞微米、納米量級，這就為利用微流控模型定量研究微納孔隙流體流動提供了很好的實驗手段?；谝?guī)則通道或不規(guī)則通道的微觀模型能夠?qū)崿F(xiàn)對微尺度效應(yīng)作用效果以及油水界面作用的直觀觀察，微觀可視化實驗對于研究油氣水在裂縫、微尺度基質(zhì)、納尺度基質(zhì)中的滲流機(jī)理和化學(xué)驅(qū)提高采收率等方向都有著重要意義。

本文介紹了常見的微流控模型制作工藝、微觀模型驅(qū)替實驗數(shù)據(jù)采集與處理方法以及微觀模型在油氣田開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展和存在的問題，以期為微流控模型在油氣田開發(fā)的深入應(yīng)用提供有益參考。

1 微流控模型制作工藝

1.1 微流控模型制作材料

作為微流控模型的基本載體，材料對模型加工精度和功能實現(xiàn)等有極其重要的意義。材料的選擇決定著模型的不同特征，如透光性、硬度、潤濕性、穩(wěn)定性以及加工成本高低，是否能夠重復(fù)使用等等。

由于良好的化學(xué)惰性和熱穩(wěn)定性，硅片曾作為早期微流控模型的主要材料。但其造價昂貴，后來玻璃[12]和石英[13]在微流控模型制作上被廣泛使用，作為比硅材料價格低的替代品，玻璃和石英具有良好的透光性、穩(wěn)定性，制作過程與硅模型相似，可以獲得成熟的微電子加工工藝的支持。1998年，哈佛大學(xué)Whitesides[14]提出了軟蝕刻技術(shù)的概念，以PDMS、PMMA為代表的聚合物材料進(jìn)入了該領(lǐng)域并逐漸成為模型加工的主要材料[15-16]。聚合物材料模型制作的通道尺寸可比玻璃模型更小，并且種類繁多，制作相對簡單并且價格便宜。也有學(xué)者使用真實巖心切片制作了砂巖模型，如2015年，付曉燕等[17]利用真實砂巖薄片模型和微觀可視化技術(shù)，實驗?zāi)M了氣水兩相驅(qū)替過程中流體的滲流特征及參與水、氣的分布規(guī)律。這種真實巖心切片制作的模型優(yōu)點在于其模型的真實性，保持了原巖心的孔隙結(jié)構(gòu)、巖石表面物理性質(zhì)及大部分膠結(jié)物[18]。

我們對硅、玻璃或石英、PDMS、PMMA和巖石真實切片進(jìn)行了性能比較，如表1。從比較結(jié)果來看，PDMS屬于油濕聚合物，穩(wěn)定性較差，遇油易發(fā)生溶脹，在石油領(lǐng)域中應(yīng)用時受限較大，一般只進(jìn)行一些氣水兩相流的研究；真實巖心模型由于其透光性較差，很難實現(xiàn)流體形態(tài)的觀察，特別是微觀殘余油的觀察干擾因素較多。另外，巖心的孔喉結(jié)構(gòu)是三維的，無法保證制作的二維觀察模型切片通道在一個平面上，增加了實驗的不確定性，因此應(yīng)用也很局限；硅模型易碎，材料透光性差只能通過反射光觀察，鍵合難度較大，制作成本高昂，沒有獨(dú)特的優(yōu)勢；所以其普遍被玻璃、PDMS和PMMA模型所取代，應(yīng)用較少。目前在石油領(lǐng)用應(yīng)用最廣泛的模型是玻璃模型，但同樣存在一定弊端，其制作過程過分依賴標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)，成本高，工序繁雜并且常規(guī)工藝(濕刻法)加工的玻璃模型通道最小線寬尺度較大，所以在一些非常規(guī)油氣的相關(guān)研究中，也有一些學(xué)者使用PDMS、硅以及PMMA等其他材質(zhì)的模型。

1.2 微流控模型設(shè)計與制備

根據(jù)微流控模型通道幾何形狀和空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，可以將其分為規(guī)則通道和不規(guī)則通道。規(guī)則通道是根據(jù)研究需要制作含有規(guī)則結(jié)構(gòu)的重復(fù)圖像或孔喉比、形狀因子、配位數(shù)、通道尺寸等參數(shù)呈規(guī)律性變化的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，而不規(guī)則模型可以分為人工隨機(jī)模型、巖石實際模型和真實巖心切片模型。早期制作的微觀模型比較簡單，例如：1952年Chatenever等[9]制作了粒狀充填微觀模型完成驅(qū)替實驗，模型的原理很簡單，由兩塊平行的透明玻璃板中間夾一層玻璃或石英珠得到，流體在玻璃珠或石英珠的構(gòu)造孔隙中流動，如圖1。2002年，Tsakiroglou等[19]也制作了孔喉通道規(guī)則的模型，但孔的大小由統(tǒng)計學(xué)分布確定，這些孔的尺寸分布會影響到整個通道的滲透率，如圖2；早期的模型都與真實的儲層結(jié)構(gòu)有一定差距，特別是模型孔喉大小是油層孔喉大小的幾十倍甚至上百倍。經(jīng)過幾十年技術(shù)的發(fā)展與材料的優(yōu)選，流體通道的尺寸可達(dá)到納米級別。目前規(guī)則通道模型主要用于研究多相流滲流機(jī)理，裂縫機(jī)理等基礎(chǔ)性理論，而針對特定油藏，如高含水油藏提高采收率，低滲透、致密油、頁巖氣開發(fā)等，主要使用巖石實際模型。

微流控模型微通道的質(zhì)量是影響微流體流動的重要因素。不同材質(zhì)的模型對應(yīng)了很多不同的工藝方法。濕法刻蝕是玻璃微流控模型的典型制作工藝，其主要包括：犧牲層(金屬層和光刻膠)制備和刻蝕(光刻蝕和濕法刻蝕)兩步。由于濕法刻蝕刻蝕通道受到尺度的限制，也不能精確加工通道形狀和深度，未來能夠在玻璃石英模型上加工高深寬比通道的干法刻蝕技術(shù)將更受到重視。聚合物材料微通道與玻璃微通道的制作工藝有較大的區(qū)別，主要包括模塑法、熱壓法、激光燒灼法、LIGA技術(shù)、軟刻蝕法等[6-7]。PDMS[20]和PMMA[21]以模塑法最為常見。這些常規(guī)方法制作出的模型一般只能達(dá)到微米量級。許多學(xué)者通過方法改進(jìn)，制作出了納米孔道，如：大連理工大學(xué)微納控實驗室能夠通過先制作微米通道模型，并在鍵和微米通道模型時中間夾納米孔膜構(gòu)成了納米孔道即三明治形PDMS微納流控模型(直徑 15～200 nm)[6]。

表1 常見微流控模型性能比較Table 1 Performance comparison of common microf l uidic model materials

圖1 Chatenever和Calhoun粒狀充填模型驅(qū)替過程圖Fig. 1 Glass-bead model displacement process of Chatenever and Calhoun

圖2 Tsakiroglou和Avraam微觀模型局部放大圖Fig. 2 Micromodel partial magnification of Tsakiroglou and Avraam

2 微流體數(shù)據(jù)采集與處理

微流控模型驅(qū)替系統(tǒng)的主要部件包括：顯微鏡、CCD相機(jī)、圖像粒子測速系統(tǒng)(PIV)、微流體驅(qū)動系統(tǒng)、微流體流量監(jiān)控系統(tǒng)、高壓微流體進(jìn)樣系統(tǒng)等設(shè)備，如圖3。其核心部件是依托顯微鏡的圖像采集系統(tǒng)，模型自身的密封性以及注入設(shè)備與模型連接處的密封性對實驗成敗同樣有著關(guān)鍵影響。

2.1 圖像采集

圖3 微流控驅(qū)替系統(tǒng)示意圖[22]Fig. 3 Microf l uidic displacement system[22]

微觀可視化驅(qū)替系統(tǒng)一般通過光學(xué)顯微鏡與CCD相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再通過Zeiss Axiovert、ImageJ等軟件進(jìn)行圖像處理分析，可實現(xiàn)微流通通道中流體流動圖像采集功能。通過micro-PIV系統(tǒng)可實現(xiàn)對微流控驅(qū)替的定量化分析。Perrin等[23]使用micro-PIV觀察微毛細(xì)管中的非牛頓流動，并計算了非牛頓流動參數(shù)驗證了PIV速度場的測定。Roman[24]等使用micro-PIV觀察單相流流動，并用數(shù)值模擬驗證了設(shè)備測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，觀察不穩(wěn)定非混相兩相流實驗，發(fā)現(xiàn)了流體在侵入界面前，處于高度振動的狀態(tài)并伴隨著速度大小和方向突變，階躍和水相渦流的現(xiàn)象。但Micro-PIV的應(yīng)用目前也存在一些問題，主要在于當(dāng)熒光粒子直徑過小時，布朗運(yùn)動顯著，流動跟隨特性變差，導(dǎo)致實驗誤差較大，因此Mciro-PIV一般用1～2 μm的粒子來實現(xiàn)10 μm以上通道內(nèi)部速度場監(jiān)測。目前，最直觀的監(jiān)測界面或液滴運(yùn)移速率的方法是通過高速攝像機(jī)連續(xù)采集流體運(yùn)動圖像，通過記錄不同時刻下界面位置來實現(xiàn)移動速率的計算。Moebius等[25]利用高速攝像機(jī)揭示了滲流理論，但沒有揭示的界面階躍現(xiàn)象，證實了排驅(qū)過程中界面階躍速率是前緣移動速率的50倍。Armstrong等[26]根據(jù)高速攝像機(jī)采集的視場范圍內(nèi)流體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及動態(tài)變化情況分析了排驅(qū)過程的驅(qū)替速率及主作用力的影響，并在定性層次上揭示了低毛管數(shù)條件下液滴微觀動態(tài)與宏觀尺度流體流動的聯(lián)系。高速攝像機(jī)的采集速度一般在每秒1000～10000幀，但普遍分辨率較低，視野范圍較小，只能實現(xiàn)對幾十甚至幾個孔喉的觀察，應(yīng)用比較局限。微流控模型實現(xiàn)了機(jī)理研究既要滿足大視野下的流體分布、流線軌跡的描述，又要捕捉到小尺寸下的兩相界面、流體形態(tài)的細(xì)微變化?！按笠曇靶〕叨取钡男枨髮D像采集系統(tǒng)內(nèi)的所有組件都提出了更高的要求。

2.2 模型參數(shù)測試

為了模擬微納通道下的界面耦合效應(yīng)，在研究微納尺度下兩相流流動規(guī)律時制作的微流控模型側(cè)重于控制通道尺寸，但在針對某一油田區(qū)塊的油氣田開發(fā)物理模擬實驗中，孔隙度和滲透率對于認(rèn)識油藏特征，研究滲流規(guī)律是至關(guān)重要的。保證微觀模型孔隙度和滲透率與油藏孔隙度與滲透率的一致性是能夠利用模型替代巖心的重要前提。2011年，Joseph等[27]提出了“芯片上的儲層”(Reservoir-on-a-Chip，ROC)的概念，通過圖像識別法統(tǒng)計了模型的孔喉面積，進(jìn)行了孔隙度的計算，并利用達(dá)西定律對模型有效滲透率進(jìn)行了計算，首次將真實儲層巖心的孔滲特征復(fù)制在硅基底的微流控模型上，利用其研究水驅(qū)油的過程。Karadimitriou等[28-29]在2012年也引述了ROC的概念，他將同樣的網(wǎng)絡(luò)刻蝕在了玻璃模型上。這些微流控模型是油藏的微型版本，可以有效地理解孔隙度與滲透率之間的關(guān)系。

圖4 Molla等單毛細(xì)管微流控模型Fig. 4 Single capillary microf l uidic model of Molla

PVT參數(shù)的測量是認(rèn)識、評價儲油層性質(zhì)，選擇油田開采方式必不可少的參數(shù)，為以壓力和溫度為函數(shù)的儲層流體體積性質(zhì)提供了關(guān)鍵信息[30]。一些學(xué)者嘗試?yán)梦⒘骺丶夹g(shù)來測量PVT參數(shù)，微通道系統(tǒng)所需要的樣品體積僅幾微升，為快速混合流體提供了很好的控制環(huán)境，并且與流體接觸的微通道表面積較大，可以快速改變流體溫度，相比常規(guī)的PVT測量方法如原油的等組成膨脹(CCE)實驗，可以更快得到結(jié)果。Molla等[31]制作的模型通道是彎曲狹窄的單毛細(xì)管，總長度可達(dá)1 m，總?cè)萘恐挥? μL，如圖4，可以完成86 MPa和150 ℃內(nèi)大范圍油藏流體PVT測試工作。

微流控模型可以實現(xiàn)很多常規(guī)實驗室無法實現(xiàn)的功能，比如定量化測量兩相間的界面面積，早在1951年就有學(xué)者認(rèn)識到了兩相流中流體之間的界面性質(zhì)的重要性。Rapoport等[32]指出了相界面有推動兩相流體同時運(yùn)動的作用。Hassanizadeh等[33-35]提出完整的多孔介質(zhì)兩相流描述應(yīng)該考慮相界面變化和界面動力學(xué)。Cheng等[36-37]觀察了準(zhǔn)靜態(tài)排驅(qū)和滲吸過程中的兩相流分布，通過圖像處理得到相飽和度和相界面面積，并且研究了相飽和度、毛管壓力和界面面積3個參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)界面面積與毛管壓力和飽和度數(shù)據(jù)點是一一對應(yīng)的關(guān)系。如圖5。

2.3 實驗結(jié)果定量表征

圖5 Cheng等排驅(qū)實驗過程得到的相飽和度、毛管壓力和界面面積三維圖Fig. 5 Three-dimensional diagram of phase saturation, capillary pressure and interface area during displacement by Chang’s method

微流控技術(shù)最初依托其可視化的優(yōu)勢而在油氣田開發(fā)領(lǐng)域受到了國內(nèi)外許多學(xué)者的重視。在微觀可視化實驗中，剩余油流動動態(tài)及其賦存位置始終是兩相驅(qū)替的重要研究對象。但在過去的研究中，大部分學(xué)者的相關(guān)研究都是以現(xiàn)象觀察的定性描述為主，缺乏對剩余油狀態(tài)參數(shù)(賦存位置、油水接觸關(guān)系、形態(tài))的定量研究[38]。Chatize等[39]研究了巖石顆粒尺寸及其分布情況、宏觀及微觀非均質(zhì)性以及孔喉尺寸對微觀剩余油的影響，并認(rèn)為剩余油的數(shù)量、形態(tài)及分布情況與孔喉結(jié)構(gòu)有關(guān)而與孔喉尺寸無關(guān)，在此基礎(chǔ)上將水驅(qū)后的剩余油分為單液滴、雙液滴及枝狀液滴等3種類型，并分別討論了它們對應(yīng)的形成機(jī)理。Jamaloei等[40]在二維模型上研究了表活劑對剩余油分布和形態(tài)的影響，并建立了微觀剩余油形態(tài)與孔隙尺度原油捕集和運(yùn)移的聯(lián)系。近年來，隨著微流控技術(shù)不斷進(jìn)步，通過對微流控模型實驗結(jié)果圖像采集，對于得到的圖像，分類的主要標(biāo)準(zhǔn)：形狀因子、長寬比、圓形度等，導(dǎo)入計算機(jī)通過圖像處理軟件對剩余油分塊編號進(jìn)行像素計算，統(tǒng)計像素點和面積之間的關(guān)系實現(xiàn)分類識別。Mi L等[5]通過微流控模型模擬了特高含水后期油藏，考慮油-氣-水接觸關(guān)系，引入形狀因子、接觸比、歐拉數(shù)等特征參數(shù)將剩余油分為膜狀流、滴狀流、柱狀流、多孔流、簇狀流5類。水或化學(xué)劑驅(qū)油實驗過程中，通過記錄各種類型剩余油形態(tài)變化，即可得到驅(qū)替劑對各種形態(tài)剩余油的作用效果。隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，剩余油形態(tài)與特征參數(shù)的表征也逐漸向定量化、自動化發(fā)展。

3 微流控模型在油氣田開發(fā)中的應(yīng)用

近年來，隨著微流控技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者將其引入石油工程領(lǐng)域，圍繞油氣田開發(fā)方向的基礎(chǔ)理論開展了深入的研究，在油氣水在裂縫、微尺度基質(zhì)、納尺度基質(zhì)中的滲流規(guī)律研究以及化學(xué)驅(qū)提高采收率等方面取得了一系列基礎(chǔ)理論成果，為微流控技術(shù)在油氣田開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

3.1 油氣水在裂縫中滲流規(guī)律研究

裂縫作為地下油藏中重要的滲流通道，也是油氣田開發(fā)領(lǐng)域的熱門研究對象。目前針對裂縫方面的實驗研究主要基于巖心驅(qū)替實驗，但裂縫的生成往往缺乏一定的科學(xué)依據(jù)，也很難對裂縫中流體流動規(guī)律進(jìn)行定量研究。微觀可視化模型能夠很好地將隨機(jī)生成或巖心切片觀察到的裂縫在二維模型上進(jìn)行表征，對于研究裂縫中流體流動規(guī)律有著重要意義。陳瑩瑩等[41]利用真實巖心切片研究了微觀網(wǎng)絡(luò)裂縫模型水驅(qū)油過程中巖石表面潤濕性和裂縫連通性對油水分布特征的影響。此外，利用裂縫網(wǎng)絡(luò)微觀模型也能進(jìn)行縫網(wǎng)中示蹤劑流動機(jī)理的相關(guān)研究，為利用示蹤劑壓裂返排液縫網(wǎng)反演提供參考。Boschan[42]等用平行玻璃板模擬單條裂縫，研究示蹤劑在牛頓流體和非牛頓流體中的彌散行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)彌散系數(shù)隨著聚合物濃度的增大而減小，這與在多孔介質(zhì)中觀察到的結(jié)論相反，可能與該模型下速度分布有關(guān)。Bauget[43]用上部表面粗糙，下部相對均質(zhì)的兩塊樹脂板來模擬裂縫表面粗糙度對示蹤劑在牛頓流體中傳質(zhì)的影響，分別用對流擴(kuò)散方程(ADE)，連續(xù)時間隨機(jī)行走模型(CTRW)和分層模型對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合。Stockman等[44-45]通過微流控模型實驗(如圖6)和數(shù)值模擬，研究了通道幾何結(jié)構(gòu)、邊界條件以及雷諾數(shù)和佩克萊數(shù)對裂縫相交處溶液混合過程的影響。微流控實驗手段不僅能夠在微觀模型上實現(xiàn)不同尺度裂縫-基質(zhì)的刻畫，也能夠通過Micro-PIV系統(tǒng)對通道內(nèi)部速度場、濃度場進(jìn)行監(jiān)測，這能夠為復(fù)雜縫網(wǎng)中流體流動方程構(gòu)建和數(shù)值模擬結(jié)果的驗證提供實驗依據(jù)。

3.2 油氣水多相在微尺度基質(zhì)中滲流規(guī)律研究

微流控模型油氣水微尺度基質(zhì)多相流動集中于非混相驅(qū)油水、油氣兩相流、油-氣-水三相滲流3種類型，國內(nèi)外學(xué)者對黏性與毛管指進(jìn)、兩相界面、二氧化碳埋存等基礎(chǔ)理論與現(xiàn)象進(jìn)行了研究并取得了一定的成果。Lenormand等[11,46-50]最早進(jìn)行了關(guān)于兩相流的研究，他們使用了帶有毛細(xì)管網(wǎng)格的微觀模型，觀察到了不同條件下兩相驅(qū)替產(chǎn)生的彎液面，其與活塞式驅(qū)替和階躍現(xiàn)象的彎液面相似。他們還發(fā)現(xiàn)充滿非濕相的通道數(shù)量和空間不同會表現(xiàn)出兩種不同類型的滲吸現(xiàn)象。之后，Chang等[51]進(jìn)行了與lenormand相同假設(shè)的驅(qū)替實驗，并用實驗驗證了lenormand驅(qū)替公式。Meheust等[52]研究了黏性指進(jìn)現(xiàn)象對動態(tài)飽和度壓力曲線的影響并得到了壓力、飽和度、毛管數(shù)和模型尺寸之間的比例關(guān)系。Alizadeh等[53]觀察了飽和有二氧化碳的水驅(qū)過程中油氣水三相的形態(tài)變化，如圖7，發(fā)現(xiàn)隨著飽和二氧化碳水驅(qū)過程的進(jìn)行，巖心中的壓力不斷降低，壓力降逐漸增高，導(dǎo)致二氧化碳從水相洗出，氣相增多利于殘余油移動和采出。Lin等[54]發(fā)現(xiàn)飽和二氧化碳水驅(qū)過程中，在充滿水相的孔隙中，二氧化碳的析出會導(dǎo)致水相流動堵塞，使局部的水流入充滿油的孔隙中，使殘余油發(fā)生移動。氣相扮演了一個流動控制開關(guān)的角色，它驅(qū)使水相進(jìn)入到充滿油相的孔隙中與油相置換。Chevrier等[55]研究了排驅(qū)過程中毛管數(shù)對毛管指進(jìn)和黏性指進(jìn)的控制作用，實驗揭示了低毛管數(shù)下，排驅(qū)前緣在毛管力的作用下沿著單一通道向各個方向流動，甚至向注入面延伸，排驅(qū)前緣在延伸過程中相互連接阻礙侵入流體流動。當(dāng)毛管數(shù)較大時，黏滯力的作用增加，使得排驅(qū)向出口方向進(jìn)行。

圖6 Stockman等裂縫交點平面模型模擬實驗Fig. 6 Fracture intersection models of Stockman. The left shows a planar intersection wih wrap dondition; The right shows planar intersection,mass-flow cindition

圖7 Alizadeh等飽和二氧化碳水驅(qū)提采原理示意圖和微流控模型實驗快照，孔隙尺度下油相采收率與氣相的動態(tài)變化強(qiáng)度相關(guān)Fig. 7 Alizadeh EOR principle of saturated carbon dioxide waterf l ooding and microf l uidic modelexperimental snapshot, the oil phase recovery at the pore scale is related to the dynamic change intensity of the gas phase

油氣田開發(fā)滲流理論基本都是以達(dá)西方程為基礎(chǔ)。在達(dá)西尺度下，多相流體流動通常用平均參數(shù)來描述。然而，多相流流體之間界面效應(yīng)的存在，使得簡單的達(dá)西公式備受質(zhì)疑。儲層的許多宏觀性質(zhì)，如相對滲透率、毛管數(shù)，均取決于它的微觀結(jié)構(gòu)和組成它的固體及其孔隙空間中流體的物理性質(zhì)，即微觀形態(tài)是根本，宏觀現(xiàn)象是表現(xiàn)。因此，從微觀角度來看，相對滲透率就不僅僅是飽和度函數(shù)那么簡單了，它還同樣取決于潤濕性、孔隙幾何形態(tài)、毛管數(shù)、黏度比、流動過程(滲吸與驅(qū)替狀態(tài)下，相滲表現(xiàn)不同)等微觀參數(shù)。類似相對滲透率這種表征多相流的參數(shù)，是建立在流體微觀滲流狀態(tài)與宏觀現(xiàn)象之間的橋梁[56-58]。通過這些參數(shù)，才能使宏微觀研究相輔相成，真正的將微流控技術(shù)成果帶入油氣田開發(fā)實踐當(dāng)中。國內(nèi)外學(xué)者針對相對滲透率做了很多微觀機(jī)理方面的研究，Tsakiroglou[59]等研究了毛管數(shù)、潤濕性等參數(shù)對非混相兩相流相對滲透率的影響，發(fā)現(xiàn)相對滲透率不僅僅是飽和度的函數(shù)它還取決于毛管數(shù)。Chang[57]等研究了孔隙連通性和潤濕性對相對滲透率的影響。由于兩相流的達(dá)西拓展公式是基于實驗現(xiàn)象得到的，因此之前學(xué)者的大部分研究都集中在研究相對滲透率的影響因素上，并沒有推導(dǎo)出表征相對滲透率的數(shù)學(xué)方程[60]。從物理本質(zhì)上來講，相對滲透率是反映兩相流間相互作用的參數(shù)，可以通過流體形態(tài)及其動態(tài)變化體現(xiàn)出來。近年來相對滲透率的研究重點逐漸轉(zhuǎn)移到了非潤濕相微觀結(jié)構(gòu)上來，許多學(xué)者嘗試著用表征流體形態(tài)的參數(shù)來表征相對滲透率[61-62]。Armstrong等[63]研究了不同毛管數(shù)條件下反映流體結(jié)構(gòu)的歐拉特征值以及界面面積等參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果表明相對滲透率的變化與歐拉特征值及界面面積的變化規(guī)律是一致的，可以用這些表征流體微觀動態(tài)的參數(shù)來對達(dá)西定律進(jìn)行修正。這也意味著，不同微觀形態(tài)的非潤濕相對應(yīng)著不同的流動能力，而相對滲透率是對系統(tǒng)中不同形態(tài)流體非潤濕相流動能力的綜合體現(xiàn)。Mi L等[5]將特高含水期油藏巖心實際模型驅(qū)替后微觀剩余油劃分為5類，研究發(fā)現(xiàn)隨著含水飽和度的增加，非連續(xù)流動形態(tài)(滴狀流、膜狀流、柱狀流、多孔流)比例持續(xù)增加，連續(xù)流動形態(tài)(簇狀流)比例逐漸減小，圖8和圖9中相滲曲線拐點出現(xiàn)的時機(jī)恰為相對滲透率較小的非連續(xù)相開始發(fā)育的時間。因此，通過微流控技術(shù)根據(jù)流體的微觀形態(tài)對剩余油進(jìn)行分類，研究驅(qū)替過程中，不同類型剩余油的動態(tài)變化對于建立剩余油微觀動態(tài)與相對滲透率的聯(lián)系有很大意義，這也是連通微觀現(xiàn)象與宏觀表現(xiàn)的橋梁。

圖8 Mi L等不同流動形態(tài)剩余油變化特征Fig. 8 Transformation characteristics of remaining oil in different flow patterns by Mi L’s method

3.3 油氣水多相在納尺度基質(zhì)中滲流規(guī)律研究

隨著北美頁巖氣的成功開發(fā)，全球非常規(guī)油氣資源已經(jīng)成為全球油氣生產(chǎn)的重要組成部分。非常規(guī)油氣儲層致密，多發(fā)于納米-微米多尺度的復(fù)雜孔喉系統(tǒng)中[64]，這是導(dǎo)致其在儲層特點、源儲配置、滲流機(jī)理等方面有別于常規(guī)油氣藏的重要原因。因此，開展微納米尺度下的非常規(guī)油氣儲層孔喉結(jié)構(gòu)、滲流特征研究，對于非常規(guī)油氣資源的開發(fā)有重要意義。最基本的巖心實驗，實驗成本高，周期長，對非常規(guī)儲層的巖心來說，孔隙度、滲透率實驗測定計量難度較高，不具備代表性，甚至束縛水難造，驅(qū)替實驗困難，無法完成實驗，由于無法直接觀察到孔隙中流體的流動，也就無法得知非達(dá)西滲流條件下對非常規(guī)儲層滲流的影響。

圖9 Mi L等簇狀流剩余油與相對滲透率下降拐點Fig. 9 The knee points of clustered stream and relative permeabilityby MiL’s method

由于微流控模型的改進(jìn)，聚合物材料的引入，縮小了模型的孔喉尺寸，這種新型油藏物理模擬手段使得認(rèn)識納米尺度下孔隙分布、流體分布、驅(qū)替狀況、驅(qū)替潛力的想法變成現(xiàn)實。2013年，Carpenter C等[65]制作了規(guī)則通道模型進(jìn)行了納米通道油氣兩相流研究，模型包含100個納流通道和2個微流通道，微流通道主要向納流通道中注入流體。通過水驅(qū)氣實驗發(fā)現(xiàn)，殘余氣體主要以氣泡和氣體段塞的形式附著在管道邊界。分析后他們認(rèn)為，在納流通道中，在表面能的影響下，不同驅(qū)替壓差會造成驅(qū)替前緣形態(tài)以及氣相在管道邊界附著量不同，影響最終驅(qū)替效率。2014年，Wu等[66]使用了結(jié)構(gòu)類似的模型研究納米通道油水兩相流，模型增加了納流通道的長、寬、深，如圖10和圖11。進(jìn)行了油驅(qū)水、自發(fā)滲吸和水驅(qū)油實驗，發(fā)現(xiàn)在滲吸過程中，水相前緣會突然出現(xiàn)油相中，部分油被圈閉在前緣。據(jù)此，他們認(rèn)為，滲吸的過程是潤濕相先沿著管壁形成一個薄膜，再突破前緣。因此，在形成水層后，油層逐漸變薄，即信號越來越弱，直到全部淡出。2013年，Kelly[67]仍然使用了這種相同的模型結(jié)構(gòu)，改變了尺寸，進(jìn)行了不同流體的自發(fā)滲吸實驗、研究、納米通道中分子表面接觸對滲吸的影響。通過對流體參數(shù)(潤濕角、黏度、界面張力、分離壓力等相關(guān)參數(shù))的對比，他們認(rèn)為固液間相互作用的分離壓力也會對滲吸過程造成影響，并且分離壓力也會對油水界面形狀造成影響。微流控技術(shù)將納米尺度的實驗可視化，并大大節(jié)約了室內(nèi)實驗時間，對于認(rèn)識、掌握致密油氣和頁巖油氣滲流規(guī)律，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)有著重要意義。

3.4 化學(xué)驅(qū)提高采收率研究

圖10 Wu Q等納米流體模型和壓力控制示意簡圖Fig. 10 Top view of nanof l uidic model and pressure control by Wu Q’s method

圖11 Wu Q等納米流體模型電鏡掃描(SEM)圖Fig. 11 Nanochannel characterizations through SEM images of fabricated micro-and nanochannels

20世紀(jì)50年代起，國內(nèi)外就開始了油田開發(fā)后期或者水驅(qū)后的化學(xué)驅(qū)方法研究，逐漸成為我國注水開發(fā)、油田提高采收率的重要方法，已經(jīng)從配方優(yōu)選進(jìn)入到先導(dǎo)性礦場試驗階段[68]?；瘜W(xué)驅(qū)油機(jī)理十分復(fù)雜，宏觀上可描述為兩個方向，一是提高驅(qū)油波及系數(shù)，一般是通過注入聚合物減小驅(qū)替液流度；二是提高洗油效率，主要是改變油水混相狀態(tài)和巖石表面潤濕性，減小毛管力不利影響，一般使用表面活性劑[69]。但是在微觀上對化學(xué)劑的驅(qū)油機(jī)理、接觸方式、流動特征仍缺乏足夠的認(rèn)識。很多學(xué)者對化學(xué)劑在孔隙介質(zhì)中的流動特性及剩余油分布特點進(jìn)行了研究。Wegner等[70]基于CT掃描圖形制作玻璃刻蝕模型，研究了水驅(qū)后恒壓恒速條件下聚合物驅(qū)對殘余油滴的驅(qū)替效果，他們將水驅(qū)后的殘余油尺寸進(jìn)行了分類，一類是受尺寸限制被困住的原油，另一類是驅(qū)替不動的原油，并得到聚合物主要驅(qū)替了水驅(qū)條件下驅(qū)替不動的原油來提高采收率。Xu等[71]設(shè)計了包含“乳化反應(yīng)器”的納米粒子+表面活性劑復(fù)合驅(qū)替的微流控模型，如圖12。通過微觀形態(tài)對比了表面活性劑驅(qū)和表面活性劑+納米粒子驅(qū)的驅(qū)替效果，分析了納米粒子對改變?nèi)榛阂旱沃g接觸形式的作用。Kharrat等[72-74]研究了模型潤濕性對聚合物驅(qū)和表面活性劑驅(qū)驅(qū)替效果的影響，發(fā)現(xiàn)水濕模型提高采收率效果更好。Jamaloei[75]等研究了微流控模型中孔喉形狀對低界面張力聚合物驅(qū)的影響，認(rèn)為孔喉幾何形狀會影響驅(qū)替前緣穩(wěn)定性、黏性指進(jìn)效應(yīng)、潤濕性和分布范圍，最終影響了采收率。Maghzi[76]等利用微流控模型研究了稠油聚合物驅(qū)的驅(qū)油機(jī)理，聚合物不會引起巖石表面潤濕角的變化，但是加入納米硅顆粒后，潤濕角迅速減小提高了聚合物驅(qū)的采收率。He等[77]利用微流控模型采收率可視化的優(yōu)勢，得到了弱乳化表面活性劑比非乳化表面活性劑在驅(qū)替小孔喉原油表現(xiàn)更好的結(jié)論。姜振海[78]針對大慶油區(qū)研制的新型表面活性劑+聚合物二元復(fù)合體系，開展了微觀仿真模型驅(qū)油實驗和巖心驅(qū)油實驗，研究了二元復(fù)合體系界面張力和乳狀液的含水率對其驅(qū)油效果的影響規(guī)律。陳挺[79]利用兩種微流控模型來研究聚/表復(fù)合體系對勝利普通水驅(qū)稠油的驅(qū)油機(jī)理，研究了驅(qū)油類型、不同配方和化學(xué)劑濃度等因素對驅(qū)替效果的影響。夏惠芬等[80]通過理論分析和微觀模型驅(qū)油實驗，觀察了不同黏彈性驅(qū)替液的驅(qū)油效果，分析了由速度和流線變化引起的微觀力的變化及其對殘余油的作用，結(jié)果表明：微觀力引起了殘余油突出部分的形狀變化和運(yùn)移。

圖12 Ke Xu等設(shè)計的“乳化反應(yīng)器”微流控模型示意圖Fig. 12 The schematic of the microf l uidic design by Ke Xu

針對高含水油藏，泡沫驅(qū)可進(jìn)入滲透率高但含油飽和度低的部位封堵儲層，又可以被誘導(dǎo)進(jìn)滲透率低但含油飽和度高的部位來驅(qū)替原油，因此有望成為改善高含水儲層開發(fā)效果的有效技術(shù)[81-82]。Ma等[83]在一塊微流控模型上設(shè)置了高滲和低滲區(qū)域，高滲區(qū)域由直徑300 μm，間距60 μm的圓柱體制成，低滲區(qū)域圓柱體直徑50 μm，間距20 μm，如圖13。對比100%氣驅(qū)實驗，氮?dú)馀菽?qū)可以有效驅(qū)替高滲和低滲區(qū)域的剩余油。Conn等[84]使用了類似的微流控模型，如圖14，高滲與低滲區(qū)域中間夾著一條“裂縫”。通過實驗發(fā)現(xiàn)泡沫增加了高滲區(qū)域的驅(qū)替阻力，可以將驅(qū)替液導(dǎo)入低滲區(qū)域，而且高滲區(qū)域泡沫更豐富，而低滲區(qū)域的液體更多一些。

國外學(xué)者通過巖心實驗、井間示蹤劑測試、礦場應(yīng)用等，發(fā)現(xiàn)降低注入水的礦化度并且優(yōu)化粒子組成可以引發(fā)儲層潤濕性改變，降低殘余油飽和度，從而提高采收率[85-86]，由于這種提采方式經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、潛力巨大，引起國外廣泛重視，在阿拉斯加、懷俄明盆地、北海油田已經(jīng)得到應(yīng)用[87]。有學(xué)者使用微流控模型研究低礦化水驅(qū)，He等[88]進(jìn)行了頁巖儲層巖石驅(qū)替實驗和巖石實際模型實驗，如圖15，發(fā)現(xiàn)鹽分越多界面張力越小，并得到低礦化水配合合適的表面活性劑可以提高油井產(chǎn)能的結(jié)論。

化學(xué)驅(qū)提高采收率技術(shù)兩個關(guān)鍵的地方在于化學(xué)劑注入?yún)?shù)的優(yōu)選和化學(xué)劑與地層的配伍，而微流控技術(shù)可模擬不同驅(qū)替劑進(jìn)行驅(qū)替，也可以模擬不同類型儲層空間驅(qū)替后的的剩余油分布規(guī)律，這對于化學(xué)驅(qū)來說是意義非凡的。

圖13 Ma等設(shè)計的微流控模型示意圖；Fig. 13 The schematic of the microf l uidic design by Ma K

圖14 Conn等設(shè)計的微流控模型示意圖；Fig. 14 The schematic of the microf l uidic design by Conn

4 總結(jié)與展望

(1)通過先進(jìn)的實驗設(shè)備例如：FIB(聚焦離子束)/SEM(掃描電子顯微鏡)雙束電鏡、CT(電子計算機(jī)斷層)掃描等對樣品巖心的孔喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征和重建，并基于實際巖心的孔喉，設(shè)計制作微流控模型是對油藏最精確的表示方法?！靶酒系挠筒亍?Reservoir-ona-chip，簡稱ROC)實現(xiàn)了將微觀實驗結(jié)果精準(zhǔn)、定量、快速、安全地可視化呈現(xiàn)，應(yīng)用前景廣闊。

(2)微流控模型對于常規(guī)開發(fā)實驗難以涉足的微觀基礎(chǔ)理論研究有著重要意義。在微觀剩余油研究方面，通過對多相流的可視化實驗，實現(xiàn)對剩余油形態(tài)、分類及賦存位置的定量描述，并可以在此基礎(chǔ)上對注入?yún)?shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，指導(dǎo)油田現(xiàn)場實踐；在化學(xué)驅(qū)作用機(jī)理方面，研究影響油相與藥劑溶液兩相間相互作用機(jī)理，實現(xiàn)對表活劑、聚合物及納米排驅(qū)體系的優(yōu)選；在非常規(guī)油氣研究方面，直觀呈現(xiàn)流體在微米尺度裂縫與納米尺度孔喉間滲流現(xiàn)象，揭示流體跨尺度流動機(jī)理，進(jìn)而指導(dǎo)探索納米孔隙中流體的有效驅(qū)動方式。隨著微流控技術(shù)的深入發(fā)展和設(shè)備的不斷更新，更多的油藏工程問題如SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage，簡稱SAGD)采油熱傳質(zhì)效應(yīng)、微生物驅(qū)油機(jī)理、雙重介質(zhì)油藏滲流特征等都可借助微流控技術(shù)直觀呈現(xiàn)。

(3)微流控技術(shù)帶來了較多的技術(shù)優(yōu)勢，但現(xiàn)階段很多現(xiàn)存的問題亟待解決：①目前不能嚴(yán)格模擬流體在地下儲集層三維滲流時的潤濕性及溫壓條件，大部分的微流控模型都是二維模型，大部分微觀驅(qū)替實驗都是常溫、低壓條件下進(jìn)行，并且由于模型材料和表面改性效果的局限性，微流控模型潤濕性達(dá)不到與巖心真實情況保持一致，這對利用微觀驅(qū)替實驗結(jié)果指導(dǎo)油氣田現(xiàn)場開發(fā)實踐產(chǎn)生了一定的阻礙。②隨著芯片通道尺度的減小，尤其是在納米孔隙中，受圖像處理算法和設(shè)備精度的影響，在孔道邊界、兩相界面邊界的圖像可能會存在界限不清的現(xiàn)象，導(dǎo)致無法判斷圖像顯示結(jié)果的準(zhǔn)確性(尤其是與現(xiàn)有理論認(rèn)識不一致的結(jié)果)。例如：Liu等[22]描述的滲吸過程中圖像逐漸淡化的現(xiàn)象、殘余油緊密貼附在親水通道邊緣現(xiàn)象、以及Kelly等[67]提出的彎液面不平滑現(xiàn)象。為了得到這些現(xiàn)象的確切解釋，就需要在保證大視野觀察驅(qū)替現(xiàn)象的前提下能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)尺度的可視化實驗手段，“大視野小尺度”這對可視化設(shè)備及圖像識別技術(shù)提出了不小的挑戰(zhàn)。

隨著微流控模型制作材料和微加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相信微流控技術(shù)能夠在油氣田開發(fā)領(lǐng)域得到更廣泛、更深入的使用，為油氣滲流基礎(chǔ)理論提供一種定量研究的工具。