CN111638172A - 一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置及其方法，针对真实油藏岩石的孔喉特征及孔喉尺度特点，设计了不同特征的微纳米通道模型，通过对流体在微纳米通道模型内流动的运移过程和分布状态的实时观察、记录和定量分析，实现了不同流体通过微纳米通道模型时的流动特征研究，从而使基于微流控技术的微纳米通道流体流动模拟实验装置具有了高度模拟真实岩石孔喉特征、测量数据精确、操作灵活可重复、微观可视化的效果。
Description
技术领域
本发明涉及微观流体流动模拟技术领域，具体涉及一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置及其方法。
背景技术
近年来，在油气田开发领域，随着油气开采技术的不断革新，虽然开采程度不断加大，但仍有大量剩余油存于地下难以采出，而其中致密岩(微纳米喉尺度)中存在的剩余油就占有较大比重。在致密岩油藏中，由于原油受到油藏内岩石的微孔隙和裂缝的毛细管力、表面张力等力的作用，难以被常规开采方法驱出，而通过注入不同性质的流体来进一步提高原油采收率作为一种常见的采油方式近年来被广泛应用于致密岩油藏的开发，常见的注入流体包括化学试剂、泡沫、弹性微球、微生物等等同时，由于致密岩孔隙尺度较小，常规的实验方法难以直观呈现流体在微米尺度裂缝与纳米尺度孔喉间渗流现象和流动规律，就难以确定不同流体的注入方式和注入量，因此，探明不同性质流体在微纳米通道中的流动特征对改善致密岩油藏的油气开发效果具有重要意义。
为解决此类问题，现有的常见的方法有数值模拟，该方法基于CT扫描等技术，在了解岩石的内部结构、孔喉参数之后，以获取的数据信息构建三维岩石数学模型，并根据地层实际情况设置相应的模拟条件，通过模型来进行流体流动模拟研究该方法主要是利用模拟软件计算，但不同软件计算方法的理论设定是不同的，因此不同方法得到的结论也具有一定的差异；除此之外，模拟计算往往是基于理想化的条件，而实际情况是复杂多变的；同时，它所构建的数学模型往往也是基于岩层某一小部分岩石的结构特征来构建，而一般这些岩石特征明显、结构复杂。
除此之外，也可通过直观的物理实验进行研究，将真实岩石打磨过后放入匹配的凹槽中，同时将岩石四周密封，由一侧注入流体，研究流体在岩石中的流动特性但该技术有很大的局限性，一方面，岩石在使用过程中会受到磨损，随着实验进行，它的基本参数会改变，而且用过的岩石不易冲洗，重复使用性低；同时，流体在岩石中的流动行为也无法观察，难以获取各参数变化的原因；此外，大多此类实验选用单缸计量泵测量压力，仪器笨重，实验场所较固定，测量精度低、灵敏度有限。
因此，要全面深入了解不同性质流体在微纳米通道中的流动特征，我们不仅要尽可能的还原复杂的地层条件，还要能尽可能的直观了解孔喉内流体的流动行为和流动规律，同时对实验操作的灵活性和实验数据的精确性等方面也提出了新的要求。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置及其方法，根据实际岩石内部的孔喉特征，设计尺寸精确的微纳米尺度通道可视化模型，同时构建流体注入控制系统、温度控制系统、压力传感系统以及微观图像采集系统，通过显微观察和定量分析，从而深入了解在不同温度下微纳米通道中所注入的不同性质流体的流动特征,解决了目前实验装置存在的模拟程度低、重复使用性差、不易观察、测量精度低、灵活性差的问题。
鉴于上述问题，本发明提出的技术方案是：
一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置，包括注射泵、注射泵控制器、计算机、集成电路板和三维视频显微镜，所述注射泵的一侧安装有注射器，所述注射器的出水口连通有平口针头的一端，所述平口针头的另一端连通有软管，所述软管从左至右依次贯通连接有连通器和微纳米通道模型并延伸至微纳米通道模型的外部并连通有取样杯，所述微纳米通道模型的底部设置有热水循环加热器，所述热水循环加热器的一侧连通有出水管的一端，所述出水管的另一端连通有恒温循环水浴，所述恒温循环水浴的一端连通有进水管的一端，所述进水管的另一端与所述热水循环加热器的另一侧连通，所述注射泵控制器通过第一数据线与所述注射泵通信连接，所述集成电路板的顶部依次安装有连通器和压力传感器，所述压力传感器通过第二数据线与所述计算机通信连接，所述计算机通过第三数据线与所述三维视频显微镜通信连接。
为了更好的实现本发明技术方案，还采用了如下技术措施。
进一步的，所述三维视频显微镜设置于所述微纳米通道模型的正上方，所述三维视频显微镜用于纪录流体通过所述微纳米通道模型时的微观动态图像，所述三维视频显微镜配套有图像采集分析软件，该软件为瀚光测量软件，用于进行录像、拍照以及对长度、宽度、直径、角度和面积参数进行测量，长度的测量精度为0.001μm、角度的测量精度为0.001度，录像速度上限为360帧/s、拍照功能像素上限为1600万。
进一步的，所述注射泵控制器用于控制所述注射泵注入流体时的注入速率，所述注射泵控制器可同时控制的所述注射泵的个数为八个，可调节流体的注入速率范围为0.01μL/min-127mL/min。
进一步的，所述注射泵可安装所述注射器的规格范围为10μL-60mL，所述注射器用于存放不同性质的注入流体。
进一步的，所述压力传感器的测量精度为0.001kPa，采集频率为120次/s。
进一步的，所述取样杯用于分离和计量排出流体。
进一步的，所述恒温循环水浴用于控制微纳米通道模型中流体的温度。
进一步的，所述微纳米通道模型的类型为单通道和双通道两种通道中任一种，所述微纳米通道模型的深宽尺寸为10μm、50μm、100μm、1nm和10nm中任一种，所述微纳米通道模型通道表面润湿性为油润湿和水润湿中任一种，所述微纳米通道模型的内表面粗糙度为光滑和粗糙中任一种，所述微纳米通道模型的横截面的形状为矩形型、正方形型和梯形型中任一种。
进一步的，所述微纳米通道模型用于模拟岩石内部的孔喉结构及特征，所述微纳米通道模型的材料为PDMS和玻璃。
一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置的操作方法，包括以下步骤：
S1，确定微纳米通道模型的结构，设计实验所需要的微纳米通道模型；
S2，设备安装，将待研究流体吸入注射器，将注射器和微纳米通道模型连入整个实验装置；
S3，参数设定，设定恒温循环水浴温度，在注射泵控制器上设置所选注射器类型、流体注入速率及注入单元等参数；
S4，设备调试，打开三维视频显微镜配套软件，调节画面中微纳米通道模型位置及放大倍数，直到模型内的通道在计算机上显示的图像清晰、放大倍数和显示范围适中，同时打开压力传感器配套软件并调节端口设置，获取通道内实时的压力数据；
S5，流体注入，通过注射泵控制器开启注入，驱替注射器中的流体通过连通器、微纳米通道模型和取样杯；
S6，获取微观动态图像，利用三维视频显微镜纪录流体通过微纳米通道模型时的微观动态图像；
S7，获取压力数据，利用压力传感器配套软件记录流体通过微纳米通道模型时的实时压力数值；
S8，数据分析，根据压力传感器记录的压力数值，绘制压力数值随时间变化曲线，同时根据微观动态图像对流体通过微纳米通道模型的流动特征进行分析。
相对于现有技术而言，本发明的有益效果是：
本发明针对真实油藏岩石的孔喉特征及孔喉尺度特点，设计了不同特征的微纳米通道模型，并构建了由压力传感器、三维视频显微镜和计算机组成的图像实时采集及数据分析系统，实现了对不同性质流体通过微纳米通道模型的运移过程和分布状态的实时观察、记录和定量分析，实现了不同流体通过微纳米通道模型时的实时压力数据记录；通过设置恒温循环水浴实现了对微纳米通道模型的温度控制；通过设置注射泵控制器、注射泵和注射器实现了注射泵的自动控制和多个控制以及不同性质流体的同时注入、分段注入的实时控制，实现了不同性质流体驱替石油的产水率、产油量和采收率的计量和分析，本发明装置结构简单、轻巧便捷、压力测量精确，微纳米通道模型由PDMS和玻璃，易冲洗、可重复、易观测，从而使基于微流控技术的微纳米通道流体流动模拟实验装置具有了高度模拟真实岩石孔喉特征、测量数据精确、操作灵活可重复、微观可视化的效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
图1为本发明实施例公开的基于微流控技术的微纳米通道流体流动模拟实验装置结构示意图；
图2为本发明实施例公开的压力随时间变化曲线示意图；
图3为本发明实施例公开的弹性微球溶液通过微纳米通道模型时的显微照片示意图；
图4为本发明实施例公开的微纳米通道模型实物图；
图5为本发明实施例公开的微纳米通道模型单通道型和双通道型结构示意图；
图6为本发明实施例公开的微纳米通道模型不同粗糙度内表面结构示意图；
图7为本发明实施例公开的微纳米通道模型不同截面形状结构示意图；
图8为本发明实施例公开的一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置的操作方法流程示意图。
附图标记：
1-注射泵控制器；2-第一数据线；3-注射泵；4-注射器；5-平口针头；6-软管；7-连通器；8-压力传感器；9-集成电路板；10-微纳米通道模型；11-三维视频显微镜；12-热水循环加热器；13-计算机；14-取样杯；15-出水管；16-恒温循环水浴；17-进水管；18-第二数据线；19-第三数据线。
具体实施例
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照附图1-7所示，一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置，其包括注射泵3、注射泵控制器1、计算机13、集成电路板9和三维视频显微镜11，注射泵3的一侧安装有注射器4，注射器4的出水口连通有平口针头5的一端，平口针头5的另一端连通有软管6，软管6从左至右依次贯通连接有连通器7和微纳米通道模型10并延伸至微纳米通道模型10的外部并连通有取样杯14，微纳米通道模型10用于模拟岩石内部的孔喉结构及特征，微纳米通道模型10的材料为PDMS和玻璃，易冲洗、可重复、易观测，微纳米通道模型10的类型为单通道和双通道两种通道中任一种，微纳米通道模型10的深宽尺寸为10μm、50μm、100μm、1nm和10nm中任一种，微纳米通道模型10通道表面润湿性为油润湿和水润湿中任一种，微纳米通道模型10的内表面粗糙度为光滑和粗糙中任一种，在本实施例中限定粗糙内表面的形状为三角形凸起和半圆形凸起中任一种，可以实现表面具有不同粗糙度，如图7所示，微纳米通道模型10的横截面的形状为矩形型、正方形型和梯形型中任一种，在本实施例中限定该矩形型、正方形型和梯形型的深度尺寸限定为a，其中矩形型的宽度尺寸为2a，正方形型的宽度尺寸为a，梯形型的顶部宽度尺寸为1.5a，底部宽度尺寸为a，取样杯14用于分离和计量排出流体，微纳米通道模型10的底部设置有热水循环加热器12，热水循环加热器12的一侧连通有出水管15的一端，出水管15的另一端连通有恒温循环水浴16，恒温循环水浴16用于控制微纳米通道模型10中流体的温度，恒温循环水浴16的一端连通有进水管17的一端，进水管17的另一端与热水循环加热器12的另一侧连通，注射泵控制器1通过第一数据线2与注射泵3通信连接，注射泵控制器1用于控制注射泵3注入流体时的注入速率，注射泵控制器可同时控制的注射泵的个数为八个，可调节流体的注入速率范围为0.01μL/min-127mL/min，注射泵3可安装注射器4的规格范围为10μL-60mL，注射器4用于存放不同性质的注入流体，集成电路板9的顶部依次安装有连通器7和压力传感器8，集成电路板9用于安装连通器7和压力传感器8，并用于对压力传感器8进行供电，压力传感器8通过第二数据线18与计算机13通信连接，压力传感器8的测量精度为0.001kPa，采集频率为120次/s，压力传感器8设置有配套软件，该软件为uProcess，用于记录流体通过微纳米通道模型10时的实时压力数值，计算机13通过第三数据线19与三维视频显微镜11通信连接，三维视频显微镜11设置于微纳米通道模型10的正上方，三维视频显微镜11用于纪录流体通过微纳米通道模型10时的微观动态图像，三维视频显微镜11配套有图像采集分析软件，该软件为瀚光测量软件，用于进行录像、拍照以及对长度、宽度、直径、角度和面积参数进行测量，长度的测量精度为0.001μm、角度的测量精度为0.001度，录像速度上限为360帧/s、拍照功能像素上限为1600万，根据真实油藏岩石的孔喉特征及孔喉尺度特点设计不同特征的微纳米通道模型10，由压力传感器8、三维视频显微镜11和计算机13组成构建的图像实时采集及数据分析系统，实现对不同性质流体通过微纳米通道模型10的运移过程和分布状态的实时观察、记录和定量分析，实现了不同流体通过微纳米通道模型10时的实时压力数据记录；通过设置恒温循环水浴16实现了对微纳米通道模型10的温度控制，通过设置注射泵控制器1、注射泵3和注射器4实现了注射泵3的自动控制和多个控制以及不同性质流体的同时注入、分段注入的实时控制，实现了不同性质流体驱替石油的产水率、产油量和采收率的计量和分析，本发明装置结构简单，轻巧便捷、压力测量精确，微纳米通道模型10由PDMS和玻璃，易冲洗、可重复、易观测，从而使基于微流控技术的微纳米通道流体流动模拟实验装置具有了高度模拟真实岩石孔喉特征、测量数据精确、操作灵活可重复、微观可视化的效果。
参照附图1-8所示，一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置的操作方法，包括以下步骤：
S1，确定微纳米通道模型10的结构，设计实验所需要的微纳米通道模型10，在本实例中限定微纳米通道模型10的类型为单孔道、矩形截面、水润湿、光滑表面、深宽50μm型，如图4所示；
S2，设备安装，将待研究流体吸入注射器4，将注射器4和微纳米通道模型10连入整个实验装置，在本实例中限定待研究流体为0.002g/ml浓度的弹性微球溶液，微球粒径范围为50-90μm，注射器4型号为10ml；
S3，参数设定，设定恒温循环水浴16温度，在注射泵控制器1上设置所选注射器4类型、流体注入速率及注入单元等参数，在本实例中限定恒温循环水浴16的温度设置为50℃，注射器4类型选取10ml选项，流体注入速率为5μL/s；
S4，设备调试，打开三维视频显微镜11配套软件，调节画面中微纳米通道模型10位置及放大倍数，直到模型内的通道在计算机13上显示的图像清晰、放大倍数和显示范围适中，同时打开压力传感器8配套软件并调节端口设置，在计算机13上获取通道内实时的压力数据；
S5，流体注入，通过注射泵控制器1开启注入，驱替注射器4中的流体通过连通器7、微纳米通道模型10和取样杯14；
S6，获取微观动态图像，利用三维视频显微镜11纪录流体通过微纳米通道模型10时的微观动态图像；
S7，获取压力数据，利用压力传感器8配套软件记录流体通过微纳米通道模型10时的实时压力数值；
S8，数据分析，根据压力传感器8记录的压力数值，绘制压力数值随时间变化曲线，同时根据微观动态图像和待测点压力计数值对流体通过微纳米通道模型10的流动特征进行分析，压力随时间变化图如图2，压力开始记录后130s时的显微观测图像如图3，微球进入微纳米通道模型10后压力开始上升，微球通过通道中心即最窄处时发生最大变形，此时通道内压力达到峰值，压力大小随微球的运移不断变化。
具体的，根据真实油藏岩石的孔喉特征及孔喉尺度特点设计不同特征的微纳米通道模型10，将待研究流体吸入注射器4，将注射器4和微纳米通道模型10连入流体流动模拟实验装置，设定恒温循环水浴16温度，在注射泵控制器1上设置所选注射器4类型、流体注入速率及注入单元等参数，打开三维视频显微镜11配套软件，调节画面中微纳米通道模型10位置及放大倍数，直到模型内的通道在计算机13上显示的图像清晰、放大倍数和显示范围适中，同时打开压力传感器8配套软件并调节端口设置，在计算机13上获取通道内实时的压力数据，通过注射泵控制器1开启注入，驱替注射器4中的流体通过连通器7、微纳米通道模型10和取样杯14，利用三维视频显微镜11纪录流体通过微纳米通道模型10时的微观动态图像，利用压力传感器8配套软件记录流体通过微纳米通道模型10时的实时压力数值，根据压力传感器8记录的压力数值，绘制压力数值随时间变化曲线，同时根据微观动态图像对流体通过微纳米通道模型10的流动特征进行分析，微球进入微纳米通道模型10后压力开始上升，微球通过通道中心即最窄处时发生最大变形，此时通道内压力达到峰值，压力大小随微球的运移不断变化，由压力传感器8、三维视频显微镜11和计算机13组成的图像实时采集及数据分析系统，实现对不同性质流体通过微纳米通道模型10的运移过程和分布状态的实时观察、记录和定量分析，实现不同流体通过微纳米通道模型10时的实时压力数据记录，通过设置注射泵控制器1、注射泵3和注射器4实现了对注射泵3的自动控制和多个控制以及不同性质流体的同时注入、分段注入的实时控制，实现不同性质流体驱替石油的产水率、产油量和采收率的计量和分析，从而使基于微流控技术的微纳米通道流体流动模拟实验装置具有了高度模拟真实岩石孔喉特征、测量数据精确、操作灵活可重复、微观可视化的效果。
需要说明的是，注射泵控制器1、注射泵3、压力传感器8、集成电路板9、三维视频显微镜11和计算机13具体的型号规格需根据该装置的实际规格等进行选型确定，具体选型计算方法采用本领域现有技术，故不再详细赘述。
注射泵控制器1、注射泵3、压力传感器8、集成电路板9、三维视频显微镜11和计算机13的供电及其原理对本领域技术人员来说是清楚的，在此不予详细说明。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置，其特征在于，包括注射泵、注射泵控制器、计算机、集成电路板和三维视频显微镜，所述注射泵的一侧安装有注射器，所述注射器的出水口连通有平口针头的一端，所述平口针头的另一端连通有软管，所述软管从左至右依次贯通连接有连通器和微纳米通道模型并延伸至微纳米通道模型的外部并连通有取样杯，所述微纳米通道模型的底部设置有热水循环加热器，所述热水循环加热器的一侧连通有出水管的一端，所述出水管的另一端连通有恒温循环水浴，所述恒温循环水浴的一端连通有进水管的一端，所述进水管的另一端与所述热水循环加热器的另一侧连通，所述注射泵控制器通过第一数据线与所述注射泵通信连接，所述集成电路板的顶部依次安装有连通器和压力传感器，所述压力传感器通过第二数据线与所述计算机通信连接，所述计算机通过第三数据线与所述三维视频显微镜通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置，其特征在于：所述三维视频显微镜设置于所述微纳米通道模型的正上方，所述三维视频显微镜用于纪录流体通过所述微纳米通道模型时的微观动态图像，所述三维视频显微镜配套有图像采集分析软件，该软件为瀚光测量软件，用于进行录像、拍照以及对长度、宽度、直径、角度和面积参数进行测量，长度的测量精度为0.001μm、角度的测量精度为0.001度，录像速度上限为360帧/s、拍照功能像素上限为1600万。
3.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置，其特征在于：所述注射泵控制器用于控制所述注射泵注入流体时的注入速率，所述注射泵控制器可同时控制的所述注射泵的个数为八个，可调节流体的注入速率范围为0.01μL/min-127mL/min。
4.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置，其特征在于：所述注射泵可安装所述注射器的规格范围为10μL-60mL，所述注射器用于存放不同性质的注入流体。
5.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置，其特征在于：所述压力传感器的测量精度为0.001kPa，采集频率为120次/s。
6.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置，其特征在于：所述取样杯用于分离和计量排出流体。
7.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置，其特征在于：所述恒温循环水浴用于控制微纳米通道模型中流体的温度。
8.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置，其特征在于：所述微纳米通道模型的类型为单通道和双通道两种通道中任一种，所述微纳米通道模型的深宽尺寸为10μm、50μm、100μm、1nm和10nm中任一种，所述微纳米通道模型通道表面润湿性为油润湿和水润湿中任一种，所述微纳米通道模型的内表面粗糙度为光滑和粗糙中任一种，所述微纳米通道模型的横截面的形状为矩形型、正方形型和梯形型中任一种。
9.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置，其特征在于：所述微纳米通道模型用于模拟岩石内部的孔喉结构及特征，所述微纳米通道模型的材料为PDMS和玻璃。
10.一种应用如权利要求1-9一种基于微流控技术的流体流动模拟实验装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，确定微纳米通道模型的结构，设计实验所需要的微纳米通道模型；
S2，设备安装，将待研究流体吸入注射器，将注射器和微纳米通道模型连入整个实验装置；
S3，参数设定，设定恒温循环水浴温度，在注射泵控制器上设置所选注射器类型、流体注入速率及注入单元等参数；
S4，设备调试，打开三维视频显微镜配套软件，调节画面中微纳米通道模型位置及放大倍数，直到模型内的通道在计算机上显示的图像清晰、放大倍数和显示范围适中，同时打开压力传感器配套软件并调节端口设置，获取通道内实时的压力数据；
S5，流体注入，通过注射泵控制器开启注入，驱替注射器中的流体通过连通器、微纳米通道模型和取样杯；
S6，获取微观动态图像，利用三维视频显微镜纪录流体通过微纳米通道模型时的微观动态图像；
S7，获取压力数据，利用压力传感器配套软件记录流体通过微纳米通道模型时的实时压力数值；
S8，数据分析，根据压力传感器记录的压力数值，绘制压力数值随时间变化曲线，同时根据微观动态图像对流体通过微纳米通道模型的流动特征进行分析。
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