基于微流控芯片的微氣泡生成與驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究

吳彬彬，唐恩高，陳士佳，，張 強(qiáng)，田津杰，季 聞，劉文華

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.海上石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028)

引 言

國(guó)內(nèi)外關(guān)于泡沫驅(qū)的研究?jī)?nèi)容非常豐富[1-9]，尤其是近年來借助于微流控技術(shù)，很多學(xué)者開始從微米尺度上研究泡沫驅(qū)并獲得不錯(cuò)的研究成果。P.Nguyen等[10]使用微流控芯片模擬不同尺寸孔隙下CO2氣體和CO2泡沫的驅(qū)油效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米顆粒穩(wěn)定的CO2泡沫驅(qū)油效果最好，其提高驅(qū)油效率的幅度是CO2氣體的3倍；N.Quennouz等[11]分別制造了Y型結(jié)構(gòu)、布置一定數(shù)量等距圓柱陣列的S型結(jié)構(gòu)和梳子結(jié)構(gòu)的微流控芯片，并研究了CO2泡沫的形成和流動(dòng)行為；F.Guo等[12]用微流控芯片評(píng)價(jià)了不同方法生成的CO2泡沫驅(qū)油效果，結(jié)果表明使用Si-LAPB-AOS混合物生成的泡沫具有最高的驅(qū)油效率。

筆者設(shè)計(jì)制作了一種集成T型微通道和模擬油藏多孔介質(zhì)的微流控芯片，開展了氣相壓力和液相流速對(duì)微氣泡生成方式、氣泡尺寸和生成頻率的影響，并對(duì)比分析了大、小兩種尺寸微氣泡的驅(qū)油效果，以期增加對(duì)微氣泡在多孔介質(zhì)中運(yùn)移規(guī)律和驅(qū)油機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 芯片設(shè)計(jì)制作

微流控芯片如圖1所示，其中，A、B分別為液相和氣相的入口，入口C根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要可作為注油口或排空口，D為芯片出口，通過毛細(xì)管與廢液槽連接。根據(jù)所處實(shí)驗(yàn)過程的不同，需要手動(dòng)控制各個(gè)出入口的開關(guān)。

芯片中模擬多孔介質(zhì)高低滲透率的設(shè)計(jì)原理是根據(jù)Kozeny-Carmen公式，在刻蝕工藝一致、孔道規(guī)則及相對(duì)理想條件下保持φ和τ相近，通過改變微通道尺寸的大小來實(shí)現(xiàn)[13]。

圖1 微流控芯片實(shí)物圖Fig.1 Pictureofmicrofluidic chip

1.2 實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)材料：表面活性劑吐溫20、石蠟油、去離子水、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣。微氣泡是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的吐溫20溶液和空氣形成的氣泡。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：光學(xué)顯微鏡，德國(guó)Leica公司；高速攝像機(jī)，日本FASTCAM公司；壓力控制器，安徽智微科技有限公司；空氣壓縮機(jī)；流量傳感器，上海澎贊生物科技有限公司；小型真空泵，上海澎贊生物科技有限公司；磁力攪拌器，德國(guó)IKA公司；電子天平，德國(guó)賽多利斯公司。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。使用壓力控制器控制液相流速和氣相壓力生成微氣泡，利用顯微鏡觀測(cè)微氣泡在T型微通道處的生成情況及在非均質(zhì)多孔介質(zhì)中的驅(qū)替情況，同時(shí)運(yùn)用高速攝像機(jī)來記錄微氣泡生成和驅(qū)替的實(shí)驗(yàn)過程，以便對(duì)比分析。

圖2 可視化微流控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Visual microfluidic experiment system

2.1 微氣泡生成實(shí)驗(yàn)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)操作步驟

(1)使用去離子水配制100 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的吐溫20溶液，經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過濾，備用；

(2)通過夾具或接頭將微流控芯片與毛細(xì)管連接；

(3)打開計(jì)算機(jī)、空氣壓縮機(jī)、壓力控制器、顯微鏡和高速攝像機(jī)等實(shí)驗(yàn)儀器，并檢查微流控芯片與毛細(xì)管的密封性，使用堵頭關(guān)閉D口；

(4)選擇合適的放大倍數(shù)，調(diào)整顯微鏡的亮度和芯片位置，使拍攝位置清晰地顯示在視野中央；

(5)實(shí)驗(yàn)前先從A口通入液相，使液體完全浸潤(rùn)整個(gè)微通道，C口為排液口，待微通道中充滿液體后開始從B口通入空氣；

(6)設(shè)定液相流速和氣相壓力，觀察T型微通道處的氣泡行為，待氣泡運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，開啟攝像機(jī)記錄數(shù)據(jù)；

(7)改變液相流速和氣相壓力重復(fù)步驟(6)(工況見表1)；

(8)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將芯片微通道中殘余的液體沖干，以便循環(huán)使用。關(guān)閉所有實(shí)驗(yàn)儀器，并將壓縮機(jī)中的壓縮空氣排出。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)工況

先固定液相流速，然后逐漸增大氣相壓力，以第一個(gè)氣泡形成時(shí)的壓力為下限，選取下限以上的氣相壓力作為實(shí)驗(yàn)工況，觀察T型微通道處微氣泡的生成情況并拍照記錄。選取的實(shí)驗(yàn)工況見表1。

表1 微氣泡生成實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Experimental conditions of microbubble formation

2.2 微氣泡驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)操作步驟

(1)飽和水階段：設(shè)定B口流速為0，防止水倒流進(jìn)入壓力控制器，同時(shí)，采用堵頭關(guān)閉C口，緩緩增大A口水流速，使水緩慢流入C和D之間的非均質(zhì)多孔介質(zhì)區(qū)域并充滿整個(gè)微通道，當(dāng)非均質(zhì)多孔介質(zhì)內(nèi)不存在任何氣泡時(shí)即完成了飽和水過程。

(2)飽和油階段：設(shè)定A、B口流速為0，防止油從A、B口倒灌進(jìn)入儲(chǔ)液槽。從C口將油緩慢注入非均質(zhì)多孔介質(zhì)，直至非均質(zhì)多孔介質(zhì)內(nèi)大部分水被沖走且油水分布保持不變時(shí)停止注油。

(3)吐溫20溶液驅(qū)油階段：當(dāng)飽和油階段完成后，堵住D口。設(shè)定B口流速為0，A口流速設(shè)定為固定數(shù)值，將殘留在芯片微通道中的油從C口排出。待C口前端微通道內(nèi)的油全部排空后，堵住C口的同時(shí)打開D口，觀察吐溫20溶液流入非均質(zhì)多孔介質(zhì)的驅(qū)油效果，并采用相機(jī)的終止點(diǎn)觸發(fā)模式進(jìn)行攝錄直至非均質(zhì)多孔介質(zhì)內(nèi)流體分布穩(wěn)定時(shí)停止驅(qū)油。

(4)微氣泡驅(qū)油階段：當(dāng)吐溫20溶液驅(qū)油結(jié)束后，堵住D口，打開C口。根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工況調(diào)節(jié)A口液相流速和B口氣相壓力，在T型微通道處生成微氣泡。待微氣泡生成穩(wěn)定后，打開D口同時(shí)堵住C口，使穩(wěn)定生成的微氣泡進(jìn)入非均質(zhì)多孔介質(zhì)進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，同樣采用相機(jī)的終止點(diǎn)觸發(fā)方式記錄整個(gè)微氣泡驅(qū)油過程直至非均質(zhì)多孔介質(zhì)內(nèi)流體分布穩(wěn)定時(shí)停止驅(qū)油。

(5)后續(xù)水驅(qū)實(shí)驗(yàn)：當(dāng)微氣泡驅(qū)油結(jié)束后，關(guān)閉B口，同時(shí)堵住D口。保持A口液相流速不變，待流動(dòng)穩(wěn)定后開啟D口的同時(shí)堵住C口，使水進(jìn)入非均質(zhì)多孔介質(zhì)內(nèi)，觀察并記錄此時(shí)非均質(zhì)多孔介質(zhì)內(nèi)的流體流動(dòng)狀況。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)工況

由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的吐溫20溶液和空氣混合后形成兩種尺寸的微氣泡，生成工況分別是：生成大氣泡的液相流速為80 μL/min，氣相壓力為65 kPa；生成小氣泡的液相流速為35 μL/min，氣相壓力為35 kPa。

3 結(jié)果與討論

3.1 微氣泡生成

3.1.1 生成方式

微氣泡的生成過程如圖3所示，整個(gè)生成過程持續(xù)6.15 ms，大致可分為3個(gè)階段：首先，在上一個(gè)氣泡斷裂的瞬間，氣液表面由于表面張力的存在出現(xiàn)一定程度的回彈((a)—(b))，此階段持續(xù)時(shí)間較短，只有0.1 ms；隨著氣相在T型微通道處繼續(xù)生長(zhǎng)，由于微通道的限制和液相的黏性剪切，氣相頭部開始向下游運(yùn)動(dòng)，直至氣泡的頸部開始出現(xiàn)((b)—(e))，此階段持續(xù)4.9 ms，占整個(gè)生成周期的絕大部分；當(dāng)氣泡頸部開始出現(xiàn)后，表面張力的方向發(fā)生改變，由最開始的阻礙作用轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)作用，氣泡頸部在液相壓力、黏性剪切力和表面張力的共同作用下迅速收縮斷裂形成單個(gè)氣泡向通道下游流動(dòng)((e)—(h))。

圖3 T型微通道中微氣泡生成過程(Q=80 μL/min，p=110 kPa)Fig.3 Formation process of microbubbles in T-channel(Q=80 μL/min，p=110 kPa)

根據(jù)液相流速的不同，T型微通道內(nèi)的微氣泡會(huì)出現(xiàn)3種不同的生成機(jī)制，分別是擠壓型、過渡型和剪切型。在擠壓型中，氣相完全堵塞T型微通道，此時(shí)液相的壓力在氣泡生成過程中起決定性作用，如圖4(a)所示。隨著液相流速的增大，微氣泡的生成機(jī)制由擠壓型向過渡型轉(zhuǎn)變。在過渡階段，氣相頭部剛好完全占據(jù)整個(gè)微通道，在黏性剪切力和液相壓力共同作用下克服表面張力，氣相收縮分裂，生成微氣泡，如圖4(b)所示。隨著液相流速的繼續(xù)增加，氣相頭部在充滿整個(gè)微通道前就已經(jīng)被剪切成單個(gè)微氣泡，此時(shí)黏性剪切力在氣泡生成過程中起決定性作用。

圖4 T型微通道中3種微氣泡生成機(jī)制Fig.4 Three formation mechanisms of microbubbles in T-channel

3.1.2 無量綱長(zhǎng)度

微氣泡的無量綱長(zhǎng)度指的是微氣泡沿孔道軸線上的長(zhǎng)度(L)與孔道寬度(Wc)的比值，其隨氣相壓力的變化情況如圖5(a)所示，無量綱長(zhǎng)度隨著氣相壓力的增加逐漸增大，且呈線性關(guān)系。此外，不同液相流速條件下微氣泡無量綱長(zhǎng)度隨氣相壓力的變化率基本相同。當(dāng)固定氣相壓力時(shí)，液相流速對(duì)微氣泡尺寸的影響比氣相壓力更明顯。隨著液相流速的增加，微氣泡無量綱長(zhǎng)度逐漸減小。

3.1.3 生成頻率

生成頻率，即每秒內(nèi)的氣泡生成量。微氣泡生成頻率隨氣相壓力的變化如圖6(a)所示，隨著氣相壓力的增加生成頻率呈線性增加，且隨著液相流速的增大生成頻率的增加速度越來越大。圖6(b)為微氣泡生成頻率隨液相流速的變化，當(dāng)氣相壓力一定時(shí)，生成頻率隨著液相流速的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，該現(xiàn)象主要是由生成機(jī)制轉(zhuǎn)變引起的。在低液相流速的條件下，液相需要相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間積聚壓力來克服表面張力迫使氣相頭部斷裂，此時(shí)微氣泡生成頻率較小。隨著液相流速的增大，氣相頭部所受液相壓力逐漸增大，致使氣泡更容易斷裂，生成頻率逐漸增大。當(dāng)流速?gòu)?00 μL/min增大到300 μL/min時(shí)，微氣泡的生成機(jī)制從過渡型進(jìn)入剪切型，此時(shí)微氣泡不能完全堵塞微通道，液相壓力的作用逐漸減小，表面張力主要靠黏性剪切力來克服。此外，由于液相流速的增大，造成T型微通道處空氣流阻增大，空氣更難進(jìn)入主通道被剪成單個(gè)氣泡，從而出現(xiàn)氣泡生成頻率下降的趨勢(shì)。

3.2 微氣泡驅(qū)油

3.2.1 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)前處理

圖7((a)-(c))分別是飽和水、飽和油及吐溫20溶液驅(qū)油結(jié)束后芯片中非均質(zhì)多孔介質(zhì)中油和水的分布情況。

從圖7(b)可以看出，飽和油結(jié)束后，大部分的水被油驅(qū)走，僅少量束縛水殘留(顏色較深)，其中低滲區(qū)含有束縛水的量明顯要比高滲區(qū)多。束縛水主要?dú)埩粲诳v向微通道中，并有多種存在形態(tài)：占據(jù)整條通道的柱狀水(紅圈)；吸附在微通道壁面的塊狀水(藍(lán)圈和黃圈)；以水滴的形式存在(黑圈)；以條狀形式存在(綠圈)。從圖7(c)可以看出，吐溫20溶液驅(qū)油時(shí)在高滲區(qū)出現(xiàn)“指進(jìn)”現(xiàn)象，主流線沿著中間高滲條帶流動(dòng)，同時(shí)流動(dòng)波及區(qū)域不斷往高滲區(qū)擴(kuò)大。高滲區(qū)被波及到的微通道內(nèi)無油殘留，這與表面活性劑的強(qiáng)洗油能力有關(guān)。最終，表面活性劑溶液在非均質(zhì)多孔介質(zhì)的分布形狀近似為斜邊在高滲區(qū)的直角三角形。

圖7 飽和水、飽和油及吐溫20溶液驅(qū)油結(jié)束后流體分布情況Fig.7 Fluid distributions after flooding with water, oil and Tween 20 solution separately

3.2.2 驅(qū)油過程及機(jī)理分析

(1)氣泡堆積產(chǎn)生封堵作用

在工況為液相流速Q(mào)=80 μL/min，氣相壓力p=65 kPa時(shí)生成的微氣泡無量綱長(zhǎng)度在1和2之間。圖8是微氣泡驅(qū)油過程的進(jìn)度圖。微氣泡生成穩(wěn)定后切換流程開始驅(qū)油時(shí)，出現(xiàn)一些尺寸較小的氣泡(圖8(a))，但對(duì)實(shí)驗(yàn)影響不大。微氣泡進(jìn)入非均質(zhì)多孔介質(zhì)后，優(yōu)先沿著高滲區(qū)微通道流動(dòng)，見圖8(b)紅色箭頭；當(dāng)微氣泡累積一定數(shù)量時(shí)，微氣泡會(huì)在縱、橫向微通道交口處架橋堆積(圖8(c)和圖8(d)紅色圓圈內(nèi))，產(chǎn)生封堵作用，增大滲流阻力，從而轉(zhuǎn)變后續(xù)流體的流向(圖8(d)中紅色箭頭所示)。當(dāng)封堵產(chǎn)生阻力升高到一定值時(shí)，壓力增大迫使堆積處微氣泡發(fā)生變形解除堆積，后續(xù)流體又繼續(xù)前進(jìn)，形成“流動(dòng)—堆積—變形—解除堆積—流動(dòng)—再堆積”，從而實(shí)現(xiàn)深部動(dòng)態(tài)封堵。微氣泡堆積封堵擴(kuò)大波及作用主要表現(xiàn)在兩方面：一是后續(xù)微氣泡向高滲區(qū)外側(cè)微通道流動(dòng)，驅(qū)動(dòng)高滲區(qū)未波及剩余油；二是表面活性劑溶液向低滲區(qū)微通道流動(dòng)，驅(qū)動(dòng)低滲區(qū)未波及剩余油。圖8(e)中紅色矩形內(nèi)未被剝離即將脫離微通道壁面的油滴。隨著驅(qū)替的進(jìn)行，微氣泡和表面活性劑在非均質(zhì)多孔介質(zhì)中的波及區(qū)域不斷擴(kuò)大，圖8(f)紅色線條左側(cè)所示是t=10 s時(shí)波及區(qū)域，到t=20 s時(shí)(圖8(g))，波及區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大；t=9 min時(shí)高滲區(qū)剩余油基本全被驅(qū)出，低滲區(qū)也有超過一半的剩余油被驅(qū)出。

圖8 工況Q=80 μL/min，p=65 kPa下微氣泡驅(qū)油過程中油、水和微氣泡分布變化Fig.8 Change of oil, water and microbubble distributions in the process of microbubbles flooding when Q=80 μL/min，p=65 kPa

(2)氣泡“賈敏效應(yīng)”

在工況為液相流速Q(mào)=35 μL/min，氣相壓力p=35 kPa時(shí)生成的微氣泡無量綱長(zhǎng)度大于2。圖9是微氣泡驅(qū)油過程的進(jìn)度圖。微氣泡進(jìn)入非均質(zhì)多孔介質(zhì)后，優(yōu)先沿著高滲區(qū)微通道流動(dòng)(圖9(b))；當(dāng)大氣泡流經(jīng)縱、橫向微通道交口時(shí)，由于氣泡尺寸大于微通道寬度，產(chǎn)生類“賈敏效應(yīng)”(圖9(c)紅圈)并產(chǎn)生一定的滲流阻力，迫使后續(xù)流體改變流向，驅(qū)動(dòng)未波及微通道內(nèi)剩余油(圖9(c)紅色箭頭所示)；當(dāng)大尺寸氣泡完全封堵住高滲區(qū)流動(dòng)微通道時(shí)(圖9(d)紅色斜線)，迫使后續(xù)液相向低滲區(qū)流動(dòng)(圖9(d)紅色箭頭所示)，從而驅(qū)出低滲區(qū)的剩余油。同時(shí)，由于大氣泡在高滲區(qū)產(chǎn)出端附近滯留阻斷了流動(dòng)微通道，導(dǎo)致剝離的油珠無法被攜帶出來(圖9(d)紅色矩形)。

圖9 工況Q=35 μL/min，p=35 kPa下微氣泡驅(qū)油過程中油、水和微氣泡分布變化Fig.9 Change of oil, water and microbubble distributions in the process of microbubbles flooding when Q=35 μL/min，p=35 kPa

3.2.3 兩種尺寸微氣泡驅(qū)油對(duì)比

兩種工況下生成兩種不同尺寸的微氣泡，其中在工況為Q=80 μL/min，p=65 kPa時(shí)生成的微氣泡無量綱長(zhǎng)度較小(12)，稱作大氣泡。兩種尺寸的微氣泡驅(qū)油機(jī)理有所不同。圖10是兩種尺寸微氣泡驅(qū)油結(jié)束后的剩余油分布，主要是殘留在高滲區(qū)末端和低滲區(qū)內(nèi)側(cè)微通道。對(duì)比圖10(a)和圖10(b)會(huì)發(fā)現(xiàn)，小氣泡驅(qū)油后的剩余油分布面積要比大氣泡驅(qū)油后小，這是由于：一方面大氣泡產(chǎn)生的“賈敏效應(yīng)”擴(kuò)大了低滲區(qū)的波及系數(shù)，另一方面大氣泡滯留又降低了高滲區(qū)的波及系數(shù)，而小氣泡堆積產(chǎn)生的封堵作用是暫時(shí)性封堵，隨著壓力變化會(huì)隨時(shí)解除封堵，因此波及面積更大，驅(qū)油效果更好。

4 結(jié) 論

(1)使用設(shè)計(jì)制作的微流控芯片，通過控制液相流速和氣相壓力，可以得到不同無量綱長(zhǎng)度和生成頻率的微氣泡。

(2)微氣泡的驅(qū)油機(jī)理是通過擴(kuò)大波及系數(shù)提高驅(qū)油效率，主要有兩種作用形式：一是小氣泡的堆積封堵作用，二是大氣泡的類“賈敏效應(yīng)”，其中小氣泡的堆積封堵作用表現(xiàn)出的驅(qū)油效果相對(duì)更好。

圖10 兩種尺寸微氣泡驅(qū)油結(jié)束后剩余油分布Fig.10 Remaining oil distributions after two kinds of microbubbles flooding with different size