基于微流控芯片的微气泡生成与驱油实验研究
2021-01-27吴彬彬唐恩高陈士佳田津杰刘文华
吴彬彬，唐恩高，陈士佳，，张 强，田津杰，季 闻，刘文华
(1.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452；2.海上石油高效开发国家重点实验室，北京 100028)
引 言
国内外关于泡沫驱的研究内容非常丰富[1-9]，尤其是近年来借助于微流控技术，很多学者开始从微米尺度上研究泡沫驱并获得不错的研究成果。P.Nguyen等[10]使用微流控芯片模拟不同尺寸孔隙下CO2气体和CO2泡沫的驱油效果，实验结果表明，纳米颗粒稳定的CO2泡沫驱油效果最好，其提高驱油效率的幅度是CO2气体的3倍；N.Quennouz等[11]分别制造了Y型结构、布置一定数量等距圆柱阵列的S型结构和梳子结构的微流控芯片，并研究了CO2泡沫的形成和流动行为；F.Guo等[12]用微流控芯片评价了不同方法生成的CO2泡沫驱油效果，结果表明使用Si-LAPB-AOS混合物生成的泡沫具有最高的驱油效率。
笔者设计制作了一种集成T型微通道和模拟油藏多孔介质的微流控芯片，开展了气相压力和液相流速对微气泡生成方式、气泡尺寸和生成频率的影响，并对比分析了大、小两种尺寸微气泡的驱油效果，以期增加对微气泡在多孔介质中运移规律和驱油机理的认识。
1 实验准备
1.1 芯片设计制作
微流控芯片如图1所示，其中，A、B分别为液相和气相的入口，入口C根据实验需要可作为注油口或排空口，D为芯片出口，通过毛细管与废液槽连接。根据所处实验过程的不同，需要手动控制各个出入口的开关。
芯片中模拟多孔介质高低渗透率的设计原理是根据Kozeny-Carmen公式，在刻蚀工艺一致、孔道规则及相对理想条件下保持φ和τ相近，通过改变微通道尺寸的大小来实现[13]。
图1 微流控芯片实物图Fig.1 Pictureofmicrofluidic chip
1.2 实验材料准备
实验材料：表面活性剂吐温20、石蜡油、去离子水、实验室内空气。微气泡是由质量分数为0.02%的吐温20溶液和空气形成的气泡。
实验设备：光学显微镜，德国Leica公司；高速摄像机，日本FASTCAM公司；压力控制器，安徽智微科技有限公司；空气压缩机；流量传感器，上海澎赞生物科技有限公司；小型真空泵，上海澎赞生物科技有限公司；磁力搅拌器，德国IKA公司；电子天平，德国赛多利斯公司。
2 实验内容
实验流程如图2所示。使用压力控制器控制液相流速和气相压力生成微气泡，利用显微镜观测微气泡在T型微通道处的生成情况及在非均质多孔介质中的驱替情况，同时运用高速摄像机来记录微气泡生成和驱替的实验过程，以便对比分析。
图2 可视化微流控实验系统Fig.2 Visual microfluidic experiment system
2.1 微气泡生成实验
2.1.1 实验操作步骤
(1)使用去离子水配制100 mL质量分数为0.02%的吐温20溶液，经0.22 μm微孔滤膜过滤，备用；
(2)通过夹具或接头将微流控芯片与毛细管连接；
(3)打开计算机、空气压缩机、压力控制器、显微镜和高速摄像机等实验仪器，并检查微流控芯片与毛细管的密封性，使用堵头关闭D口；
(4)选择合适的放大倍数，调整显微镜的亮度和芯片位置，使拍摄位置清晰地显示在视野中央；
(5)实验前先从A口通入液相，使液体完全浸润整个微通道，C口为排液口，待微通道中充满液体后开始从B口通入空气；
(6)设定液相流速和气相压力，观察T型微通道处的气泡行为，待气泡运动稳定后，开启摄像机记录数据；
(7)改变液相流速和气相压力重复步骤(6)(工况见表1)；
(8)实验结束后，将芯片微通道中残余的液体冲干，以便循环使用。关闭所有实验仪器，并将压缩机中的压缩空气排出。
2.1.2 实验工况
先固定液相流速，然后逐渐增大气相压力，以第一个气泡形成时的压力为下限，选取下限以上的气相压力作为实验工况，观察T型微通道处微气泡的生成情况并拍照记录。选取的实验工况见表1。
表1 微气泡生成实验工况Tab.1 Experimental conditions of microbubble formation
2.2 微气泡驱油实验
2.2.1 实验操作步骤
(1)饱和水阶段：设定B口流速为0，防止水倒流进入压力控制器，同时，采用堵头关闭C口，缓缓增大A口水流速，使水缓慢流入C和D之间的非均质多孔介质区域并充满整个微通道，当非均质多孔介质内不存在任何气泡时即完成了饱和水过程。
(2)饱和油阶段：设定A、B口流速为0，防止油从A、B口倒灌进入储液槽。从C口将油缓慢注入非均质多孔介质，直至非均质多孔介质内大部分水被冲走且油水分布保持不变时停止注油。
(3)吐温20溶液驱油阶段：当饱和油阶段完成后，堵住D口。设定B口流速为0，A口流速设定为固定数值，将残留在芯片微通道中的油从C口排出。待C口前端微通道内的油全部排空后，堵住C口的同时打开D口，观察吐温20溶液流入非均质多孔介质的驱油效果，并采用相机的终止点触发模式进行摄录直至非均质多孔介质内流体分布稳定时停止驱油。
(4)微气泡驱油阶段：当吐温20溶液驱油结束后，堵住D口，打开C口。根据设计实验工况调节A口液相流速和B口气相压力，在T型微通道处生成微气泡。待微气泡生成稳定后，打开D口同时堵住C口，使稳定生成的微气泡进入非均质多孔介质进行驱油实验，同样采用相机的终止点触发方式记录整个微气泡驱油过程直至非均质多孔介质内流体分布稳定时停止驱油。
(5)后续水驱实验：当微气泡驱油结束后，关闭B口，同时堵住D口。保持A口液相流速不变，待流动稳定后开启D口的同时堵住C口，使水进入非均质多孔介质内，观察并记录此时非均质多孔介质内的流体流动状况。
2.2.2 实验工况
由质量分数为0.02%的吐温20溶液和空气混合后形成两种尺寸的微气泡，生成工况分别是：生成大气泡的液相流速为80 μL/min，气相压力为65 kPa；生成小气泡的液相流速为35 μL/min，气相压力为35 kPa。
3 结果与讨论
3.1 微气泡生成
3.1.1 生成方式
微气泡的生成过程如图3所示，整个生成过程持续6.15 ms，大致可分为3个阶段：首先，在上一个气泡断裂的瞬间，气液表面由于表面张力的存在出现一定程度的回弹((a)—(b))，此阶段持续时间较短，只有0.1 ms；随着气相在T型微通道处继续生长，由于微通道的限制和液相的黏性剪切，气相头部开始向下游运动，直至气泡的颈部开始出现((b)—(e))，此阶段持续4.9 ms，占整个生成周期的绝大部分；当气泡颈部开始出现后，表面张力的方向发生改变，由最开始的阻碍作用转变为促进作用，气泡颈部在液相压力、黏性剪切力和表面张力的共同作用下迅速收缩断裂形成单个气泡向通道下游流动((e)—(h))。
图3 T型微通道中微气泡生成过程(Q=80 μL/min，p=110 kPa)Fig.3 Formation process of microbubbles in T-channel(Q=80 μL/min，p=110 kPa)
根据液相流速的不同，T型微通道内的微气泡会出现3种不同的生成机制，分别是挤压型、过渡型和剪切型。在挤压型中，气相完全堵塞T型微通道，此时液相的压力在气泡生成过程中起决定性作用，如图4(a)所示。随着液相流速的增大，微气泡的生成机制由挤压型向过渡型转变。在过渡阶段，气相头部刚好完全占据整个微通道，在黏性剪切力和液相压力共同作用下克服表面张力，气相收缩分裂，生成微气泡，如图4(b)所示。随着液相流速的继续增加，气相头部在充满整个微通道前就已经被剪切成单个微气泡，此时黏性剪切力在气泡生成过程中起决定性作用。
图4 T型微通道中3种微气泡生成机制Fig.4 Three formation mechanisms of microbubbles in T-channel
3.1.2 无量纲长度
微气泡的无量纲长度指的是微气泡沿孔道轴线上的长度(L)与孔道宽度(Wc)的比值，其随气相压力的变化情况如图5(a)所示，无量纲长度随着气相压力的增加逐渐增大，且呈线性关系。此外，不同液相流速条件下微气泡无量纲长度随气相压力的变化率基本相同。当固定气相压力时，液相流速对微气泡尺寸的影响比气相压力更明显。随着液相流速的增加，微气泡无量纲长度逐渐减小。
3.1.3 生成频率
生成频率，即每秒内的气泡生成量。微气泡生成频率随气相压力的变化如图6(a)所示，随着气相压力的增加生成频率呈线性增加，且随着液相流速的增大生成频率的增加速度越来越大。图6(b)为微气泡生成频率随液相流速的变化，当气相压力一定时，生成频率随着液相流速的增加呈先增大后减小的趋势，该现象主要是由生成机制转变引起的。在低液相流速的条件下，液相需要相对较长时间积聚压力来克服表面张力迫使气相头部断裂，此时微气泡生成频率较小。随着液相流速的增大，气相头部所受液相压力逐渐增大，致使气泡更容易断裂，生成频率逐渐增大。当流速从200 μL/min增大到300 μL/min时，微气泡的生成机制从过渡型进入剪切型，此时微气泡不能完全堵塞微通道，液相压力的作用逐渐减小，表面张力主要靠黏性剪切力来克服。此外，由于液相流速的增大，造成T型微通道处空气流阻增大，空气更难进入主通道被剪成单个气泡，从而出现气泡生成频率下降的趋势。
3.2 微气泡驱油
3.2.1 驱油实验前处理
图7((a)-(c))分别是饱和水、饱和油及吐温20溶液驱油结束后芯片中非均质多孔介质中油和水的分布情况。
从图7(b)可以看出，饱和油结束后，大部分的水被油驱走，仅少量束缚水残留(颜色较深)，其中低渗区含有束缚水的量明显要比高渗区多。束缚水主要残留于纵向微通道中，并有多种存在形态：占据整条通道的柱状水(红圈)；吸附在微通道壁面的块状水(蓝圈和黄圈)；以水滴的形式存在(黑圈)；以条状形式存在(绿圈)。从图7(c)可以看出，吐温20溶液驱油时在高渗区出现“指进”现象，主流线沿着中间高渗条带流动，同时流动波及区域不断往高渗区扩大。高渗区被波及到的微通道内无油残留，这与表面活性剂的强洗油能力有关。最终，表面活性剂溶液在非均质多孔介质的分布形状近似为斜边在高渗区的直角三角形。
图7 饱和水、饱和油及吐温20溶液驱油结束后流体分布情况Fig.7 Fluid distributions after flooding with water, oil and Tween 20 solution separately
3.2.2 驱油过程及机理分析
(1)气泡堆积产生封堵作用
在工况为液相流速Q=80 μL/min，气相压力p=65 kPa时生成的微气泡无量纲长度在1和2之间。图8是微气泡驱油过程的进度图。微气泡生成稳定后切换流程开始驱油时，出现一些尺寸较小的气泡(图8(a))，但对实验影响不大。微气泡进入非均质多孔介质后，优先沿着高渗区微通道流动，见图8(b)红色箭头；当微气泡累积一定数量时，微气泡会在纵、横向微通道交口处架桥堆积(图8(c)和图8(d)红色圆圈内)，产生封堵作用，增大渗流阻力，从而转变后续流体的流向(图8(d)中红色箭头所示)。当封堵产生阻力升高到一定值时，压力增大迫使堆积处微气泡发生变形解除堆积，后续流体又继续前进，形成“流动—堆积—变形—解除堆积—流动—再堆积”，从而实现深部动态封堵。微气泡堆积封堵扩大波及作用主要表现在两方面：一是后续微气泡向高渗区外侧微通道流动，驱动高渗区未波及剩余油；二是表面活性剂溶液向低渗区微通道流动，驱动低渗区未波及剩余油。图8(e)中红色矩形内未被剥离即将脱离微通道壁面的油滴。随着驱替的进行，微气泡和表面活性剂在非均质多孔介质中的波及区域不断扩大，图8(f)红色线条左侧所示是t=10 s时波及区域，到t=20 s时(图8(g))，波及区域进一步扩大；t=9 min时高渗区剩余油基本全被驱出，低渗区也有超过一半的剩余油被驱出。
图8 工况Q=80 μL/min，p=65 kPa下微气泡驱油过程中油、水和微气泡分布变化Fig.8 Change of oil, water and microbubble distributions in the process of microbubbles flooding when Q=80 μL/min，p=65 kPa
(2)气泡“贾敏效应”
在工况为液相流速Q=35 μL/min，气相压力p=35 kPa时生成的微气泡无量纲长度大于2。图9是微气泡驱油过程的进度图。微气泡进入非均质多孔介质后，优先沿着高渗区微通道流动(图9(b))；当大气泡流经纵、横向微通道交口时，由于气泡尺寸大于微通道宽度，产生类“贾敏效应”(图9(c)红圈)并产生一定的渗流阻力，迫使后续流体改变流向，驱动未波及微通道内剩余油(图9(c)红色箭头所示)；当大尺寸气泡完全封堵住高渗区流动微通道时(图9(d)红色斜线)，迫使后续液相向低渗区流动(图9(d)红色箭头所示)，从而驱出低渗区的剩余油。同时，由于大气泡在高渗区产出端附近滞留阻断了流动微通道，导致剥离的油珠无法被携带出来(图9(d)红色矩形)。
图9 工况Q=35 μL/min，p=35 kPa下微气泡驱油过程中油、水和微气泡分布变化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 两种尺寸微气泡驱油对比
两种工况下生成两种不同尺寸的微气泡，其中在工况为Q=80 μL/min，p=65 kPa时生成的微气泡无量纲长度较小(1
4 结 论
(1)使用设计制作的微流控芯片，通过控制液相流速和气相压力，可以得到不同无量纲长度和生成频率的微气泡。
(2)微气泡的驱油机理是通过扩大波及系数提高驱油效率，主要有两种作用形式：一是小气泡的堆积封堵作用，二是大气泡的类“贾敏效应”，其中小气泡的堆积封堵作用表现出的驱油效果相对更好。
图10 两种尺寸微气泡驱油结束后剩余油分布Fig.10 Remaining oil distributions after two kinds of microbubbles flooding with different size
