CN113791016B - 乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置、监测方法 - Google Patents

乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置、监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及油气田开发工程技术领域，公开了乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置、监测方法，包括：连续相与分散相注入系统，管路乳状液滴生成及分流量系统，微通道内液滴运移系统以及信息采集与传输系统。通过选择不同类型的表面活性剂并改变连续相与分散相流体的注入速度，可以生成油包水和水包油两种类型的乳状液滴，可精准生成不同大小的乳状液滴，且液滴均一稳定，进而研究不同类型的乳状液在孔喉中的变形通过机制、捕集滞留机制、破裂分散机制等微观渗流机制。

Description

乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置、监测方法
技术领域
本发明涉及油气田开发工程技术领域，具体为乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置、监测方法。
背景技术
在油田开发中，原油可以通过乳化降粘的方式进行开采。通过乳化降粘会生成油包水乳状液、水包油乳状液、多重乳状液等类型。这些乳状液在地层运移的过程中有不同的流动形式，包括粘附于岩石壁面、自由通过、堵塞喉道、液滴聚并、液滴卡断等，微观的非连续相流动特征使得宏观压力不断波动。
目前常用的微观可视化研究手段主要是通过二维微观刻蚀模型驱替实验，其通过制作一个能直接在微流控芯片内部生成乳状液的方式来进行观察和研究。这类微流控芯片内部通道比较复杂，若发生堵塞很难进行清洗，导致其有效使用寿命较短，且无法研究液滴通过喉道时引起的压力波动变化。同时，目前研究对于微观条件下不同渗透率的孔喉分流量的研究以及压力波动的研究较少。
因此，为了简化实验装置并研究乳状液的渗流机理，需要制造一种简便有效的乳状液滴生成及实时观测装置，进而研究不同类型的乳状液在孔喉中的变形通过机制、捕集滞留机制、破裂分散机制等微观渗流机制及分流量波动特征。
发明内容
为精准且定量生成乳状液滴，研究不同类型的乳状液在孔喉中的变形通过机制、捕集滞留机制、破裂分散机制等微观渗流机制，并研究这些渗流机制与压力之间的关系，本发明提供了一种乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置，包括：连续相与分散相注入系统，管路乳状液滴生成及分流量系统，微通道内液滴运移系统以及信息采集与传输系统，
所述连续相与分散相注入系统包括微流量注射泵A与微流量注射泵B以及微量注射器A与微量注射器B；
其中，微量注射器A固定于微流量注射泵A，微量注射器B固定于微流量注射泵B上，微量注射器A与微量注射器B分别注入连续相以及分散相液体；
所述管路乳状液滴生成及分流量系统包括微流控内丝Y型接头、定制分流器、截止阀A与截止阀B，其中，
所述微流控内丝Y型接头的第一分叉与微量注射器A相连接，所述微流控内丝Y型接头的第二分叉与微量注射器B相连接，所述微流控内丝Y型接头的合流端与定制分流器的进液端相连接，所述定制分流器的出液端分别与截止阀A和截止阀B相连接，用于管路流体的分流；
微通道内液滴运移系统包括一个以上微流控芯片以及一个以上尾液收集器，其中一个所述微流控芯片的进液端与截止阀A的出液端相连接，其中另一个所述微流控芯片的出液端与尾液收集器A的内部相连通；
连接微流控芯片与截止阀B的通路上设有压力传感器，所述压力传感器与计算机通讯。
在一个实施例中，所述微流控芯片包括乳状液滴注入端口、激光刻蚀通道区域和流体流出端口，其中，
所述乳状液滴注入端口、激光刻蚀通道区域和流体流出端口依次首尾连通，乳状液滴依次经过乳状液滴注入端口、激光刻蚀通道区域以及体流出端口。
在一个实施例中，所述管路乳状液滴生成及分流量系统还包括一个以上倒锥接头以及两相流交汇区，其中，
任一所述倒锥接头嵌装于微流控内丝Y型接头的第一分叉以及第二分叉的端部；
所述微流控内丝Y型接头的第一分叉以及第二分叉的交汇处形成两相流交汇区，乳状液在两相流交汇区形成。
在一个实施例中，所述信息采集与传输系统包括：一个以上压力传感器、高速摄像机、高分辨率显微镜和计算机，其中，
连接微流控芯片与截止阀A的通路上设有压力传感器，所述压力传感器与计算机通讯；
所述高分辨率显微镜设置于其中一个微流控芯片的激光刻蚀通道区域正上方，且高分辨率显微镜的一侧设有高速摄像机，所述高速摄像机与计算机通讯。
在一个实施例中，所述管路连接均使用PTFE导管连接。
在一个实施例中，所述PTFE导管的外径为1mm-2mm，内径为0.5mm-1.5mm。
在一个实施例中，所述微流控芯片的厚度为0.5cm-1.0cm。
根据本发明公开实施例的第一方面，提供一种适用于上述的乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置的监测方法，该方法包括：
步骤1：利用压力传输系统的压力传感器检测管路压力，并将检测的数据传送至计算机；
步骤2：利用信息采集与传输系统的高速摄像机观测，观测不同几何通道结构下液滴运移形式的类型及相应的转化对应关系，并将视频传送至计算机。
有益效果
本发明提供了一种乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置。具备以下有益效果：(1)通过选择不同类型的表面活性剂并改变连续相与分散相流体的注入速度，可以生成油包水和水包油两种类型的乳状液滴，可精准生成不同大小的乳状液滴，且液滴均一稳定，进而研究不同类型的乳状液在孔喉中的变形通过机制、捕集滞留机制、破裂分散机制等微观渗流机制。
(2)实现了乳状液生成部位与孔喉部位的分离，通过微流控内丝Y型接头、定制分流器以及定制微流控芯片三者之间的相互配合可以实现实验研究所需的各种功能，简化了微流控芯片内部结构，便于清洗芯片，增加了芯片实验有效使用寿命。同时也对生成的乳状液无法注入微通道的问题进行了有效的解决。
(3)在乳状液生成部位与微流控芯片之间增加了压力传感器，可以研究由于液滴捕获或通过孔喉而引起的压力变化规律，解决了微流控芯片内部生成乳状液时无法监测压力波动的问题。
(5)通过调节管路内截止阀的开关，可以研究单个芯片内压力的变化，也可以研究平行管路内分流量特征以及压力波动的变化。
(4)通过高分辨率显微镜和高速摄像机可以实现可视化研究。
附图说明
图1为本发明所述基于乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置结构示意图；
图2为本发明所述微流控内丝Y型接头装配倒锥接头的结构示意图；
图3为微流控芯片的单通道示意图；
图4为微流控芯片的双通道示意图；
图5为乳状液滴生成示意图；
图6为乳状液临界释放示意图；
图7为乳状液通过单通道管路压力波动曲线图；
图8为乳状液通过双通道发生破裂示意图；
图9为两个平行管路内压力波动曲线对比图；
图10为不同流量以及不同水油流速比下生成的乳状液滴长度的变化曲线。
图11(A)为10μL/min流量下的液滴通过喉道形式；
图11(B)为20μL/min流量下的液滴通过喉道形式。
图中：1-微流量注射泵A，2-微流量注射泵B，3-微量注射器A，4-微量注射器B，5-微流控内丝Y型接头，6-定制分流器，7-压力传感器A，8-压力传感器B，9-高分辨率显微镜，10-高速摄像机，11-计算机，12-PTFE导管，13-微流控芯片A，14-微流控芯片B，15-尾液收集器A，16-尾液收集器B，17-截止阀A，18-截止阀B，19-两相流交汇区，20-倒锥接头，21-乳状液注入端口，22-激光刻蚀通道区域，23-尾液流出端口。
具体实施方式
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图9，本发明提供一种技术方案：乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置、监测方法。
为了使本申请所属技术领域中的研究人员更加清楚地了解本申请，首先结合图1并通过具体实施例对本发明的整体连接进行详细描述。
本实施例展示了一种乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置的连接方式，包括：连续相与分散相注入系统，管路乳状液滴生成及分流量系统，微通道内液滴运移系统以及信息采集与传输系统，所述微通道内液滴运移系统与信息采集与传输系统用于对乳状液滴存在形式进行观测，所述连续相与分散相注入系统包括微流量注射泵A1与微流量注射泵B2以及微量注射器A3与微量注射器B4，需要进一步指出的是，其中，微量注射器A3固定于微流量注射泵A1上，微量注射器B4固定于微流量注射泵B2上，微流量注射泵A1与微流量注射泵B2的可调流量范围均为76nl/min-79ml/min,微量注射器A3与微量注射器B4的量程均为25ml；其中，微量注射器A3与微量注射器B4分别注入连续相以及分散相液体。
所述管路乳状液滴生成及分流量系统包括微流控内丝Y型接头5、定制分流器6、截止阀A17与截止阀B18，其中，所述微流控内丝Y型接头5的第一分叉与微量注射器A3相连接，所述微流控内丝Y型接头5的第二分叉与微量注射器B4相连接，所述微流控内丝Y型接头5的合流端与定制分流器6的进液端相连接，所述定制分流器6的出液端分别与截止阀A17和截止阀B18相连接，用于管路流体的分流，需要进一步指出的是，利用微流控内丝Y型接头的内部结构生成乳状液，乳状液从微流控内丝Y型接头的流出端流入PTFE导管，随后流经定制分流器6，通过调节截止阀A17和截止阀B18来使流体流入不同的管路，通过调节截止阀A17的流体经过管路后，经压力传感器A7流入到微通道内液滴运移系统中，通过调节截止阀B18的流体经过管路后，经压力传感器B8流入到微通道内液滴运移系统中。
微通道内液滴运移系统包括微流控芯片A13、微流控芯片B14、尾液收集器A15、尾液收集器B16，其中所述微流控芯片A13的进液端与截止阀A17的出液端相连接，所述微流控芯片A13的出液端与尾液收集器A15的内部相连通；所述微流控芯片B14的进液端与截止阀B18的出液端相连接，所述微流控芯片B14的出液端与尾液收集器B16的内部相连通。
在一个实施例中，所述微流控芯片A13以及微流控芯片B14的结构相同，微流控芯片A13或微流控芯片B14均包括乳状液滴注入端口21、激光刻蚀通道区域22和流体流出端口23，其中，所述乳状液滴注入端口21、激光刻蚀通道区域22和流体流出端口23依次首尾连通，乳状液滴依次经过乳状液滴注入端口、激光刻蚀通道区域以及流体流出端口，需要进一步指出的是，乳状液由乳状液注入端口流入，经过内部通道，从尾液流出端口流出，最后经PTFE导管流入尾液收集器中。
在一个实施例中，所述管路乳状液滴生成及分流量系统还包括两个倒锥接头20以及两相流交汇区19，其中，所述倒锥接头20嵌装于微流控内丝Y型接头5的第一分叉以及第二分叉的端部；所述微流控内丝Y型接头5的第一分叉以及第二分叉的交汇处形成两相流交汇区19，乳状液在两相流交汇区19形成。
在一个实施例中，所述信息采集与传输系统包括：压力传感器A7、压力传感器B8、高速摄像机10、高分辨率显微镜9和计算机11，其中，连接微流控芯片14与截止阀A17的通路上设有压力传感器A7，所述压力传感器A7与计算机11通讯，需要进一步指出的是，由管路乳状液滴生成系统生成的乳状液经压力传感器A7的流入端流入，从压力传感器A7的流出端流出，经PTFE导管流入微流控芯片A13的注入端口中。PTFE导管中所产生的压力波动压力传感器A7的压力输出端输入到计算机11中进行显示；由管路乳状液滴生成系统生成的乳状液经压力传感器B8的流入端流入，从压力传感器B8的流出端流出，经PTFE导管流入微流控芯片B14的注入端口中。PTFE导管中所产生的压力波动压力传感器B8的压力输出端输入到计算机11中进行显示。
所述高分辨率显微镜9设置于微流控芯片A13或微流控芯片B14的激光刻蚀通道区域22正上方，且高分辨率显微镜9的一侧设有高速摄像机10，所述高速摄像机10与计算机通讯。
在一个实施例中，所述管路连接均使用PTFE导管12连接，所述PTFE导管12的外径均为＂1/16＂约1.6mm，内径均为0.8mm。
在一个实施例中，所述微流控芯片A13或微流控芯片B14的厚度均为0.5cm，进一步指出的是，微流控内丝Y型接头5是PP材质，适配1/4-28UNF倒锥接头，可将外径为1.6mm的PTFE导管连接起来。所用微流控内丝Y型接头5的外径为9mm，内径为2mm，两个流入端内径通道的长度均为19mm，流出端内径通道的长度为15mm。
为了使本发明的目的以及操作流程更加明白，下面结合图1至图11对本发明进行详细描述。
连续相和分散相流体分别由微量注射器A3以及微量注射器B4注射，流入微流控内丝Y型接头5，在微流控内丝Y型接头5的内部通道交汇处，连续相和分散相流体发生交汇、卡断及乳化，从而形成水包油或者是油包水的乳状液滴，由微流控内丝Y型接头5产生的乳状液流入定制分流器内部，通过调节截止阀A17和截止阀B18的开关来观察平行管路内流量及压力的波动。
本发明工作时，如果要生成水包油乳状液滴，实验进行前首先通过高精度微量注射器A3向管路中注入含有表面活性剂的水溶液(连续相)，将管路以及微流控芯片A13饱和连续相流体。随后同时注入分散相和连续相流体，要生成水包油的乳状液，首先要选择合适的表面活性剂；其次是确保微流控内丝Y型接头5内壁始终具有亲水性。水相(连续相)的流速大于油相(分散相)的流速会更容易生成水包油乳状液。通过调节流速比，可以生成不同大小的水包油乳状液，待流速稳定后，生成的乳状液滴的大小是均一的。
本发明工作时，如果要生成油包水乳状液滴，实验进行前首先通过高精度微量注射器B4向管路中注入油相(连续相)，将管路以及微流控芯片B14饱和连续相流体。随后同时注入分散相和连续相流体，要生成油包水的乳状液，首先要选择合适的表面活性剂；其次是确保微流控内丝Y型接头内壁始终具有亲油性。油相(连续相)的流速大于水相(分散相)的流速会更容易生成油包水乳状液。通过调节流速比，可以生成不同大小的乳状液，待流速稳定后，生成的乳状液滴的大小是均一的。图5为乳状液滴生成示意图。
本发明工作时，如果要研究乳状液通过喉道的临界条件时，可以通过调节分散相和连续相流体的流速比生成不同大小的乳状液，同时通过调节流速，缓慢增加流体的注入速度，当流速改变时应稳定一段时间，观察单个液滴通过窄喉道时临界流速以及临界压力的变化。图6为乳状液滴通过单通道喉道时临界释放的示意图。
通过该实验装置研究不同流量以及不同水油流速比下生成的水包油乳状液滴的大小。
实验所用导管为PTFE导管，微流控内丝Y型接头为PP材质，水相为含有质量浓度为1％SDS的水溶液，油相为粘度为50mPa·s的二甲基硅油，通过调节微注射泵的流量，按照不同水油比，通过微量注射器A和微量注射器B向管路中注入水和二甲基硅油，在微流控内丝Y型接头处卡断产生不同的水包油乳状液，调节微注射泵，使水油流速比分别为1、4、9、19等，总流量分别为5uL/min、10uL/min、20uL/min、50uL/min，观察并记录内丝Y型接头通道处卡断生成的乳状液滴尺寸的变化。通过研究不同流量以及不同水油流速比下生成的乳状液滴长度的变化就可以更好的生成实验所需的特定乳状液滴。图10为实验状态下不同流量以及不同水油流速比下生成的乳状液滴长度的变化曲线。
实施例二：
根据本发明公开实施例的第一方面，提供一种适用于上述的乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置的监测方法，该方法包括：步骤1：利用压力传输系统的压力传感器检测管路压力，并将检测的数据传送至计算机；
步骤2：利用信息采集与传输系统的高速摄像机观测，观测不同几何通道结构下液滴运移形式的类型及相应的转化对应关系，并将视频传送至计算机。
验所用导管为PTFE导管，微流控内丝Y型接头为PP材质，水相为含有质量浓度为1％SDS的水溶液，油相为粘度为50mPa·s的二甲基硅油，选择一个图3所示的微流控芯片，所用微流控芯片窄喉道部位的宽度为100μm。采用图1所示的装置连接方式，打开管路中的截止阀(17)，关闭管路中的截止阀(18)，通过调节微注射泵A和微注射泵B的流量，使得总流量分别为10μL/min，20μL/min，水油比均为4:1，生成均一稳定的乳状液滴，利用压力传感器记录下单个液滴通过窄喉道时压力波动的变化，图7为乳状液通过单通道喉道过程中管路内压力波动曲线。利用高速摄像机拍摄出乳状液滴在通过窄喉道时的运移形式，图11为不同流量下的液滴通过喉道形式。
通过平行管路内压力波动的变化，分析喉道结构对液滴渗流的影响。
实验所用导管为PTFE导管，微流控内丝Y型接头为PP材质，水相为含有质量浓度为1％SDS的水溶液，油相为粘度为50mPa·s的二甲基硅油，选择两个图3所示的微流控芯片，所用微流控芯片窄喉道部位的宽度分别为100μm和50μm，其余微流控芯片内部结构完全相同。采用图1所示的装置连接方式，打开管路中的两个截止阀，通过调节微注射泵A和微注射泵B的流量，使得总流量分别为10μL/min，20μL/min，水油比均为4:1，生成均一稳定的乳状液滴，利用压力传感器记录下乳状液滴通过窄喉道时压力波动的变化，图9为两个平行管路内压力波动曲线图。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置，其特征在于，包括：
连续相与分散相注入系统、管路乳状液滴生成及分流量系统、微通道内液滴运移系统以及信息采集与传输系统，
所述连续相与分散相注入系统包括微流量注射泵A(1)与微流量注射泵B(2)以及微量注射器A(3)与微量注射器B(4),其中，
微量注射器A(3)固定于微流量注射泵A(1)，微量注射器B(4)固定于微流量注射泵B(2)上，微量注射器A(3)与微量注射器B(4)分别注入连续相以及分散相液体；
所述管路乳状液滴生成及分流量系统包括微流控内丝Y型接头(5)、定制分流器(6)、截止阀A(17)与截止阀B(18)，其中，
所述微流控内丝Y型接头(5)的第一分叉与微量注射器A(3)相连接，所述微流控内丝Y型接头(5)的第二分叉与微量注射器B(4)相连接，所述微流控内丝Y型接头(5)的合流端与定制分流器(6)的进液端相连接，所述定制分流器(6)的出液端分别与截止阀A(17)和截止阀B(18)相连接，用于管路流体的分流；
微通道内液滴运移系统包括微流控芯片A(13)、微流控芯片B(14)、尾液收集器A(15)、尾液收集器B(16)，其中所述微流控芯片A(13)的进液端与截止阀A(17)的出液端相连接，所述微流控芯片A(13)的出液端与尾液收集器A(15)的内部相连通；所述微流控芯片B(14)的进液端与截止阀B(18)的出液端相连接，所述微流控芯片B(14)的出液端与尾液收集器B(16)的内部相连通。
2.根据权利要求1所述的一种乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置，其特征在于，所述微流控芯片包括乳状液滴注入端口(21)、激光刻蚀通道区域(22)和流体流出端口(23)，其中，
所述乳状液滴注入端口(21)、激光刻蚀通道区域(22)和流体流出端口(23)依次首尾连通，乳状液滴依次经过乳状液滴注入端口、激光刻蚀通道区域以及流体流出端口。
3.根据权利要求1所述的一种乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置，其特征在于，所述管路乳状液滴生成及分流量系统还包括一个以上倒锥接头(20)以及两相流交汇区(19)，其中，
所述倒锥接头(20)嵌装于微流控内丝Y型接头(5)的第一分叉以及第二分叉的端部；
所述微流控内丝Y型接头(5)的第一分叉以及第二分叉的交汇处形成两相流交汇区(19)，乳状液在两相流交汇区(19)形成。
4.根据权利要求1所述的一种乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置，其特征在于，所述信息采集与传输系统包括：压力传感器、高速摄像机(10)、高分辨率显微镜(9)和计算机(11)，其中，
连接微流控芯片与截止阀A(17)的通路上设有压力传感器，所述压力传感器与计算机通讯；
连接微流控芯片与截止阀B(18)的通路上设有压力传感器，所述压力传感器与计算机通讯；
所述高分辨率显微镜(9)设置于其中一个微流控芯片的激光刻蚀通道区域(22)正上方，且高分辨率显微镜(9)的一侧设有高速摄像机(10)，所述高速摄像机(10)与计算机通讯。
5.根据权利要求1所述的一种乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置，其特征在于，所述管路连接均使用PTFE导管(12)连接。
6.根据权利要求5所述的一种乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置，其特征在于，所述PTFE导管(12)的外径为1mm-2mm，内径为0.5mm-1.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置，其特征在于，所述微流控芯片的厚度为0.5cm-1.0cm。
8.采用根据权利要求1所述的乳状液生成及微观渗流监测一体化实验装置的监测方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：利用压力传输系统的压力传感器检测管路压力，并将检测的数据传送至计算机；
步骤2：利用信息采集与传输系统的高速摄像机观测，观测不同几何通道结构下液滴运移形式的类型及相应的转化对应关系，并将视频传送至计算机。
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