低成本微流控技术在三次采油中的应用研究

【摘要】：三次采油是一种针对水驱后期采出液含水率高但采收率低,利用物理、化学和生物等方法进一步提高石油采收率的技术。目前三次采油实验室研究通常使用天然岩心进行,存在实验过程繁琐、可视化难度大、无法在孔隙尺度下对微观采油过程和采油机理进行研究等问题。微流控技术是一种研究、处理和控制微纳米尺寸流体的技术,微流控芯片是以其为核心,采用微加工技术制造的对微量流体进行操控和处理的装置。使用微流控芯片代替天然岩心进行驱替实验,可以将复杂的采油过程缩小到几平方厘米的芯片上实现,为能源领域研究者提供一种全新的工具。本文首次将低成本微流控技术应用于三次采油研究中,对低成本微流控技术应用于三次采油相关研究中面临的包含芯片结构设计、芯片加工制造工艺、微流控实验平台搭建和实验研究方法在内的关键问题进行研究。基于低成本微流控技术加工成本低、柔性高、无需超净环境等特点,在非超净实验室条件下实现微流控芯片的中小批量柔性制备和微流控实验平台搭建,并开展孔隙尺度条件下多类型三次采油技术的实验研究和采油机理研究,大幅降低微流控技术应用于三次采油研究时的材料、设备成本和技术门槛,为其在石化、能源领域的推广应用提供新的技术路线。本文主要研究工作如下:(1)用于三次采油研究的微流控芯片结构设计方法与有限元模拟目前用于三次采油研究的微流控芯片结构可分为均匀结构、半均匀结构、不规则结构和模拟天然油藏结构,各类结构通常仅针对单次实验进行设计,缺乏统一的设计标准和联系,难以客观比较其性能和适用场合。本文提出一种基于天然油藏切片的芯片结构设计方法,从天然油藏切片中提取出模拟天然油藏结构和对应的孔隙结构参数,并以此为基础进一步提出均匀结构和半均匀结构的设计方法。基于该方法设计出的各类结构具有高度相似的孔隙结构参数,为其性能的客观对比奠定基础。随后,通过驱油过程有限元模拟,分析不同结构的特点和适用场合,实现三类结构性能之间的客观比较,为后续芯片设计和选型提供借鉴。(2)低成本微流控芯片加工工艺研究针对传统微流控芯片加工过程中对精密设备、超净环境、复杂工艺的高度依赖,本文基于低成本微流控技术开展微流控芯片加工工艺研究,提出基于热塑性聚合物和天然矿物的芯片加工工艺和用于多种材料的芯片键合工艺,分析工艺参数对微流控芯片流道尺寸、截面形貌、表面性质和键合效果的影响。最终在热塑性聚合物和天然矿物两类材料表面实现尺寸50μm-500μm范围内微流道的可控加工,从微观结构和表面性质两方面实现对天然油藏的模拟,在非超净环境下实现微流控芯片的低成本柔性制备,大幅降低芯片的使用成本和对精密设备、加工环境的要求。(3)微流控实验平台设计为使微流控系统更好地适应三次采油实验研究,本文从流体驱动、过程控制和基于光学方法的可视化三个方面对微流控实验平台进行设计,满足相关研究对多类型流体驱动、流体顺序进样、多尺度可视化和实时采收率分析等方面的需求,为后续实验研究提供稳定、可靠的实验平台。(4)孔隙尺度三次采油实验和机理研究基于低成本微流控系统,开展孔隙尺度上的三次采油实验和机理研究。通过二次水驱实验和包括热力驱、表面活性剂驱、微生物驱在内的三次采油实验,实现采油过程实时可视化,从芯片整体和单孔隙两个尺度研究不同三次采油技术对采收率的提升效果和具体作用机理,验证本文提出的低成本微流控系统用于三次采油实验研究时的有效性、稳定性和先进性,为其在该领域的进一步应用提供实验基础。