一种气驱气窜微流控实验系统及方法与流程

1.本发明属于原油气窜实验领域，涉及一种气驱气窜微流控实验系统及方法。


背景技术：

2.对于低渗透油田，采用注气开发的效果优于注水效果，但是在注气驱替过程中，由于岩心的非均质性，随着注入时间的延续和注入孔隙体积倍数的增加，注入气的前缘部分会沿岩心的高渗透层形成窜流通道，注入气会很快发生突破，形成气窜，能否及时发现和防治气窜是注气开发成功的关键性因素，一旦发生气窜，不但是浪费人力物力，还会对油井产生不可逆转的损失。为研究注气驱替过程中注入气与地层流体间的微观作用过程，揭示驱油机理，设计并搭建一套稳定性好、精度高的微观可视化实验装置具有重要意义。
3.目前研究气驱可视化实验装置现状及存在问题：
4.目前研究气驱所用的流程基本相似，即采用摄像机直接观测的可视化实验装置，区别主要在观测模型的不同，目前主要有4种模型，第一种是直接将筛选后的石英砂填充玻璃夹层制作而成的填充模型，该模型制作简单，但是实验过程中颗粒可能移动，因此不能重现孔隙结构；第二种是采用激光刻蚀玻璃而成的仿真玻璃模型，该模型孔隙结构接近真实岩石但流动通道比较大，较难模拟盲端的影响；第三种是用全直径岩心磨成很薄的薄片后用两块玻璃夹住，并用橡胶把模型薄片周围粘结起来，制作成真实岩心模型，该模型孔隙结构和填隙物为真实岩心储层，孔隙度和渗透率更符合实际情况，但是模型制作难度比较大、岩心获取不容易；第四种是通过岩心铸体薄片技术得到的真实孔隙系统抽提出的孔隙网络模型，采用光化学刻蚀工艺，精密光刻到平面玻璃上，最后经高温烧结制成的三维玻璃模型，该模型与多孔介质孔隙结构特征相符，但是成像精度低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种气驱气窜微流控实验系统及方法，制作方便且成本较低，可以直观、方便地使用高速摄像机直接观测驱替过程中pdms芯片内部气体的驱替图案变化、入口压力变化等。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种气驱气窜微流控实验系统，包括观测模型、摄像机、压力传感器和气源；
8.观测模型入口连接压力传感器和气源，摄像机设置在观测模型的侧面，摄像机镜头朝向观测模型内部；
9.观测模型内设置有两片键合连接的pdms芯片，其中一片pdms芯片上设置有多孔介质结构。
10.优选的，多孔介质结构的孔隙宽度为50～110μm。
11.优选的，多孔介质的左右两侧设置有等腰三角形的进出口，等腰三角形的两个锐角为
°
。
12.优选的，观测模型入口和气源之间设置有注射泵。
13.优选的，气源采用天然气。
14.优选的，摄像机采用高速摄像机。
15.优选的，摄像机设置在观测模型的一侧，观测模型的另一侧设置有光源，光源朝向观测模型内部。
16.一种基于上述任意一项所述系统的气驱气窜微流控实验方法，包括以下过程：
17.将实验所用的石油注入设置有多孔介质结构的pdms芯片，直到该pdms芯片内的多孔介质区域被石油填满；然后将气源的气体通入观测模型中，开始进行气驱采油实验，实验过程中，采用摄像机对设置有多孔介质结构的pdms芯片上气驱油的全过程进行动态监测，采用压力传感器对观测模型入口压力进行监测，当达到设定条件时，结束实验。
18.优选的，观测模型中气体通入速率与多孔介质结构的毛细数关系为：
[0019][0020]
其中，ca是毛细数，μ
nw
是驱替相的动力粘度，u是驱替相的表观速度，σ是两相之间的表面张力系数。
[0021]
优选的，摄像机的拍摄帧率为30帧每秒到2000帧每秒。
[0022]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0023]
本发明系统利用pdms材料具有良好的可复制性，芯片加工方便、成本较低、光透明性好、不易损坏、具有化学惰性，并且毒性低，可用pdms芯片真实模拟出储层内部复杂的孔喉结构。可以直观、方便地使用摄像机直接观测驱替过程中pdms芯片内部气体的驱替图案变化，使用压力传感器监测观测模型入口压力变化等，可以利用这些结果量化得到采收率、驱替界面长度等数据，并根据图案观察到毛细指进、粘性指进、气窜等微观现象。
[0024]
本发明方法使用摄像机直接观测驱替过程中pdms芯片内部气体的驱替图案变化，使用压力传感器监测观测模型入口压力变化等，可以利用这些结果量化得到采收率、驱替界面长度等数据，并根据图案观察到毛细指进、粘性指进、气窜等微观现象。
[0025]
进一步，通过观测模型中气体通入速率与多孔介质结构的毛细数关系，从而确定观测模型中气体通入速率，保证驱替效果。
附图说明
[0026]
图1为本发明的系统结构示意图；
[0027]
图2为本发明的设置有多孔介质结构的pdms芯片结构示意图。
[0028]
其中：1-观测模型；2-注射泵；3-压力传感器；4-摄像机；5-光源；6-电脑；7-废液瓶；8-pdms芯片。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0030]
如图1所示，为本发明所述的气驱气窜微流控实验系统，包括观测模型1、摄像机4、聚光板、光源5、压力传感器3、气源、注射泵2、电脑6和废液瓶7。
[0031]
观测模型1入口连接压力传感器3和注射泵2输出端，注射泵2输入端连接气源，气源采用天然气；观测模型1出口连接废液瓶7。
[0032]
聚光板设置在观测模型1的一侧，摄像机4镜头朝向聚光板，聚光板朝向观测模型1内部pdms芯片8的多孔介质结构，光源5设置在观测模型1的另一侧，光源5朝向观测模型1内部的pdms芯片8的多孔介质结构，本实施例中摄像机4采用高速摄像机，能够对驱替过程进行更加细致的记录。
[0033]
摄像机4和压力传感器3输出端连接电脑6，可以对采集的数据进行处理。
[0034]
实验系统还包括陶瓷加热片和红外摄像仪，陶瓷加热片设置在观测模型1内部，用于对pdms芯片8进行加热至实验温度，红外摄像仪设置在观测模型1外部，用于对pdms芯片8温度进行监测。
[0035]
如图2所示，观测模型1内固定设置有两片键合连接的pdms芯片8，一块通过在硅片模具上翻模，形成带有多孔介质结构图案的透明聚二甲基硅氧烷材料(pdms)，长36mm，宽23mm，厚度3mm，另一块没有多孔介质结构的空白键合层透明pdms，长36mm，宽23mm，厚度2mm。带有多孔介质结构的pdms芯片8朝向观测模型1入口设置。
[0036]
多孔介质区域大小20mm
×
20mm，内部结构为孔隙宽度50～110μm，深度50μm的voronoi多孔介质结构，多孔介质的左右两侧设置有等腰三角形的进出口，等腰三角形的两个锐角为30
°
。
[0037]
pdms具有许多优势：良好的可复制性，加工方便、成本较低、光透明性好、不易损坏、具有化学惰性，并且毒性低，十分适合用来制作透明多孔介质微通道芯片。
[0038]
pdms芯片8制作的工艺流程主要包括微通道图案设计、掩膜加工、利用掩膜加工硅片模具、利用硅片模具翻模制作pdms芯片8、pdms打孔键合等步骤，具体过程为：首先，在设计好所需要的图案之后，需要利用此图案制作出相应的掩膜；然后使用掩膜在硅片表面利用光刻和蒸镀等方法覆盖上一层铝膜，其中需要刻蚀的区域保持镂空；接着，使用反应离子刻蚀机，在硅片上将镂空的图案刻蚀出来，形成所需的硅模具；最后再使用pdms预聚物，在硅模具上翻模，并经过固化、打孔、键合等步骤形成的透明多孔介质微通道。
[0039]
基于完善的实验台及芯片的加工，微流控实验的具体操作流程如下所述。首先，针对不同工况所对应的不同温度需求，我们需要调节直流电源以改变陶瓷加热片的温度，同时利用红外摄像仪对芯片温度进行监测，直到陶瓷加热片的温度稳定在实验温度。之后，设置注射泵2的注射速率以满足对应工况的毛细数要求：
[0040][0041]
其中，ca是毛细数，μ
nw
是驱替相的动力粘度，u是驱替相的表观速度，σ是两相之间的表面张力系数。使用毛细数计算出驱替相的表观速度u，再使用表观速度乘以芯片中流道的截面积(如本技术中为20mm
×
50μm)得到驱替相的注射速率。本技术中注射速率约为0.05ml/min～5ml/min。
[0042]
同时，我们调整高速摄像机和光源5的相对位置，将光路调整至清晰成像，并在高速摄像机的操作软件中，设置相应的图像采集参数。
[0043]
此处的参数主要为采集帧率，以实际需求及相机性能为准。本技术中帧率范围为30帧每秒到2000帧每秒。其他参数如补光强度、快门速度等需要根据相机性能及环境变化而调整。
[0044]
采用本发明所述系统进行气驱气窜微流控实验的过程为：
[0045]
通过注射泵2向观测模型1注入气体，气体进入观测模型1中pdms芯片8的多孔介质结构的孔道驱替原油，驱替出来的原油由导管进入废液瓶7，由于使用摄像机4直接拍摄pdms芯片8只能观测到局部影像，所以监测时需要使用聚光板聚焦影像，最后采用摄像机4拍摄聚光板中完整影像。监测的主要内容为微模型中气体的存在状态、与原油的相互作用及流体在微观模型中渗流的变化过程，整个实验过程实现在计算机上动态监控。
[0046]
温度、注射泵2、成像设备的准备工作完成后，将实验所用的石油从pdms芯片8出口侧注入芯片，使pdms芯片8内的多孔介质区域被石油填满，在这个过程中，需要实时监测pdms芯片8注油口的压力变化并控制注入压力，避免注入压力过大，导致pdms芯片8内部出现胀裂等现象。在用石油填满多孔介质区域后，我们使用注射器从天然气袋中抽取天然气，然后固定在注射泵2上，连接上管路，并启动注射泵2，开始进行气驱采油实验。整个实验过程中，我们使用压力传感器3和高速摄像仪对气驱油的全过程进行动态监测；当达到设定条件时，结束实验。
[0047]
使用摄像机4直接观测驱替过程中pdms芯片8内部气体的驱替图案变化，使用压力传感器3监测观测模型1入口压力变化等，可以利用这些结果量化得到采收率、驱替界面长度等数据，并根据图案观察到毛细指进、粘性指进、气窜等微观现象。
[0048]
同时，我们也用红外摄像仪观测芯片温度进行实时检测，发现芯片温度波动在设计工况的
±
3℃范围内，考虑到此温度波动范围内，气、油两相的热物性变动极小，因此可以认为实验在恒定温度下进行。
[0049]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。