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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028)

引 言

國內(nèi)外關(guān)于泡沫驅(qū)的研究內(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泡沫的形成和流動行為；F.Guo等[12]用微流控芯片評價了不同方法生成的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微氣泡生成方式、氣泡尺寸和生成頻率的影響，并對比分析了大、小兩種尺寸微氣泡的驅(qū)油效果，以期增加對微氣泡在多孔介質(zhì)中運(yùn)移規(guī)律和驅(qū)油機(jī)理的認(rèn)識。

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，需要手動控制各個出入口的開關(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IKA公司；電子天平，德國賽多利斯公司。

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，使液體完全浸潤整個微通道，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，以第一個氣泡形成時的壓力為下限，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，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)域并充滿整個微通道，當(dāng)非均質(zhì)多孔介質(zhì)內(nèi)不存在任何氣泡時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，同時堵住D口。保持A口液相流速不變，待流動穩(wěn)定后開啟D口的同時堵住C口，使水進(jìn)入非均質(zhì)多孔介質(zhì)內(nèi)，觀察并記錄此時非均質(zhì)多孔介質(zhì)內(nèi)的流體流動狀況。

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，整個生成過程持續(xù)6.15 ms，大致可分為3個階段：首先，在上一個氣泡斷裂的瞬間，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)時間較短，只有0.1 ms；隨著氣相在T型微通道處繼續(xù)生長，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，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氣泡向通道下游流動((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微通道前就已經(jīng)被剪切成單個微氣泡，此時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 無量綱長度

微氣泡的無量綱長度指的是微氣泡沿孔道軸線上的長度(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度隨氣相壓力的變化率基本相同。當(dāng)固定氣相壓力時，液相流速對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，生成頻率隨著液相流速的增加呈先增大后減小的趨勢，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，液相需要相對較長時間積聚壓力來克服表面張力迫使氣相頭部斷裂，此時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)流速從200 μL/min增大到300 μL/min時，微氣泡的生成機(jī)制從過渡型進(jìn)入剪切型，此時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氣泡，從而出現(xiàn)氣泡生成頻率下降的趨勢。

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，同時流動波及區(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時生成的微氣泡無量綱長度在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，出現(xiàn)一些尺寸較小的氣泡(圖8(a))，但對實(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，見圖8(b)紅色箭頭；當(dāng)微氣泡累積一定數(shù)量時，微氣泡會在縱、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，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—堆積—變形—解除堆積—流動—再堆積”，從而實(shí)現(xiàn)深部動態(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，驅(qū)動高滲區(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，驅(qū)動低滲區(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時波及區(qū)域，到t=20 s時(圖8(g))，波及區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大；t=9 min時高滲區(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時生成的微氣泡無量綱長度大于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(圖9(b))；當(dāng)大氣泡流經(jīng)縱、橫向微通道交口時，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)流動微通道時(圖9(d)紅色斜線)，迫使后續(xù)液相向低滲區(qū)流動(圖9(d)紅色箭頭所示)，從而驅(qū)出低滲區(qū)的剩余油。同時，由于大氣泡在高滲區(qū)產(chǎn)出端附近滯留阻斷了流動微通道，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時生成的微氣泡無量綱長度較小(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。對比圖10(a)和圖10(b)會發(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性封堵，隨著壓力變化會隨時解除封堵，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