CN114011478B - 一种多功能微流控芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多功能微流控芯片及其制作方法，包括上芯片基底、下芯片基底、模拟注入模块和模拟非均质多孔介质模块，模拟注入模块和模拟非均质多孔介质模块对称设置在上芯片基底和下芯片基底的上表面，上芯片基底和下芯片基底对接后形成多功能微流控芯片。该芯片能够模拟两倍渗透率级差的非均质多孔介质及微尺度下驱油体系的注入、运移和驱油等一体化实验。

Description

一种多功能微流控芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，更具体地说涉及一种多功能微流控芯片及其制作方法。

背景技术

物理模拟驱替实验是一种直接有效的评价驱油体系提高采收率效果的实验方法，实验室研究通常采用天然和人造岩芯进行实验，由于岩芯内部孔喉分布未知，驱油过程不可视，难以表征驱油体系的作用机理。微流控芯片可以轻松构建微米尺度下的复杂流道，实现模拟对象从多孔介质转变到更微小的孔喉结构，从微尺度角度研究驱油体系的作用机理，一定程度上弥补传统物模实验的不足。

目前，国内外针对地层多孔介质孔喉分布模拟的微流控芯片较多，但是现有的芯片所选用的材质多为易加工的有机聚合物，少数采用玻璃材质芯片的刻蚀孔道尺寸较大，这与地层多孔介质物性或孔喉尺寸大小的相似性存在一定差距；现有的芯片设计未考虑多孔介质的渗透率分布以及如何将驱油体系注入、运移和在多孔介质中驱油一体化实验。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，现有的芯片所选用的材质与地层多孔介质物性或孔喉尺寸大小的相似性存在一定差距，提供了一种多功能微流控芯片及其制作方法，该芯片能够模拟两倍渗透率级差的非均质多孔介质及微尺度下驱油体系的注入、运移和驱油等一体化实验。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

一种多功能微流控芯片，包括上芯片基底、下芯片基底、模拟注入模块和模拟非均质多孔介质模块，所述模拟注入模块和所述模拟非均质多孔介质模块对称设置在所述上芯片基底和所述下芯片基底的上表面，所述上芯片基底和所述下芯片基底对接后形成多功能微流控芯片；

所述模拟注入模块包括第一模拟流体注入口、第二模拟流体注入口、模拟T型流道和模拟弯型流道，所述模拟T型流道的入口端分别形成有所述第一模拟流体注入口和所述第二模拟流体注入口，所述模拟T型流道的出口端与所述模拟弯型流道的入口端相连通，所述模拟弯型流道的出口端通过管路与所述模拟非均质多孔介质模块相连通，在所述管路上设置有模拟测压口；

所述模拟非均质多孔介质模块包括模拟非均质多孔介质注入端、模拟低渗区、模拟高渗区、非均质多孔介质产出端和模拟流体产出口，所述管路的出口端与所述模拟非均质多孔介质注入端相连通，所述模拟非均质多孔介质注入端和所述非均质多孔介质产出端分别设置在模拟区的沿流体流动方向的首尾两端，垂直于流体流动方向的所述模拟区上分别设置所述模拟低渗区和所述模拟高渗区，所述非均质多孔介质产出端的出口与所述模拟流体产出口相连通。

所述模拟低渗区包括低渗横向微通道和低渗纵向微通道，所述低渗横向微通道和所述低渗纵向微通道之间垂直设置，在所述低渗横向微通道和所述低渗纵向微通道相交处形成一低渗圆切角，所述低渗圆切角的半径为80μm。

所述模拟高渗区包括高渗横向微通道和高渗纵向微通道，所述高渗横向微通道和所述高渗纵向微通道之间垂直设置，在所述高渗横向微通道和所述高渗纵向微通道相交处形成一高渗圆切角，所述高渗圆切角的半径为150μm。

一种多功能微流控芯片的制作方法，芯片基底选择玻璃，按照下述步骤进行：

步骤1，根据第一模拟流体注入口、第二模拟流体注入口、模拟T型流道、模拟弯型流道、模拟测压口、模拟非均质多孔介质注入端、模拟低渗区、模拟高渗区、非均质多孔介质产出端和1/4圆切角的结构和尺寸设计掩模，即先在芯片基底上镀一层铬，铬上再涂一层光刻胶，然后利用激光和刻蚀工艺在铬上形成所需要的微孔道图形；

步骤2，在芯片基底上均匀涂上光刻胶并烘干，采用准直紫外线透过精密掩模照射光刻胶，被照射部分的光刻胶发生化学反应，利用显影液将反应后的光刻胶洗掉，暴露出通道部分的芯片基底，然后，在高精度的微尺度标定仪辅助下，采用氢氟酸腐蚀掉暴露部分的玻璃从而得到所需尺寸的孔道，通过精准键合技术将两片玻璃压合到一起；

步骤3，在芯片基底上第一模拟流体注入口、第二模拟流体注入口、模拟测压口和模拟流体产出口所在位置打孔，完成芯片制作。

一种多功能微流控芯片的实验方法，按照下述步骤进行：

步骤1，恒定压力或者速度从第一模拟流体注入口、第二模拟流体注入口注入不同流体，打开模拟测压口作为产出口，观察注入流体的形态、运移、相互作用等情况并进行拍摄记录；

步骤2，利用模拟测压口和模拟流体产出口对模拟非均质多孔介质模块进行饱和水、饱和油，恒定压力或速度注入驱油体系，观察模拟非均质多孔介质模块中油、水和体系的形态、分布和运移情况并进行拍摄记录，对不同驱油体系的运移规律、驱油机理及驱油效果进行评价。

本发明的有益效果为：本发明能够可以模拟2倍渗透率级差的非均质多孔介质及微尺度下驱油体系的注入、运移和驱油等一体化实验，通过该芯片能观测到驱油体系的注入、运移和相互作用，以及驱油时多孔介质中油、水、体系的形态、分布和运移状态，从而研究驱油体系的相互作用、运移规律及驱油机理。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中模拟1/4圆切角在高渗流区/低渗流区微通道交口切角示意图；

图中：1为第一模拟流体注入口，2为第二模拟流体注入口，3为模拟T型流道，4为模拟弯型流道，5为模拟测压口，6为模拟非均质多孔介质注入端，7为模拟低渗区，8为模拟高渗区，9为非均质多孔介质产出端，10为模拟流体产出口，11为模拟注入模块，12为模拟非均质多孔介质模块，13为模拟1/4圆切角。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例一

一种多功能微流控芯片，包括上芯片基底、下芯片基底、模拟注入模块11和模拟非均质多孔介质模块12，模拟注入模块11和模拟非均质多孔介质模块12对称设置在上芯片基底和下芯片基底的上表面，上芯片基底和下芯片基底对接后形成多功能微流控芯片；

模拟注入模块11包括第一模拟流体注入口1、第二模拟流体注入口2、模拟T型流道3和模拟弯型流道4，模拟T型流道3的入口端分别形成有第一模拟流体注入口1和第二模拟流体注入口2，模拟T型流道3的出口端与模拟弯型流道4的入口端相连通，模拟弯型流道4的出口端通过管路与模拟非均质多孔介质模块12相连通，在管路上设置有模拟测压口5；

模拟非均质多孔介质模块12包括模拟非均质多孔介质注入端6、模拟低渗区7、模拟高渗区8、非均质多孔介质产出端9和模拟流体产出口10，管路的出口端与模拟非均质多孔介质注入端6相连通，模拟非均质多孔介质注入端6和非均质多孔介质产出端9分别设置在模拟区的沿流体流动方向的首尾两端，垂直于流体流动方向的模拟区上分别设置模拟低渗区7和模拟高渗区8，非均质多孔介质产出端9的出口与模拟流体产出口10相连通。

实施例二

在实施例一的基础上，模拟低渗区7包括低渗横向微通道和低渗纵向微通道，低渗横向微通道和低渗纵向微通道之间垂直设置，在低渗横向微通道和低渗纵向微通道相交处形成一低渗圆切角，低渗圆切角的半径为80μm。

实施例三

在实施例二的基础上，模拟高渗区8包括高渗横向微通道和高渗纵向微通道，高渗横向微通道和高渗纵向微通道之间垂直设置，在高渗横向微通道和高渗纵向微通道相交处形成一高渗圆切角，高渗圆切角的半径为150μm。

实施例四

一种多功能微流控芯片的制作方法，芯片基底选择玻璃，按照下述步骤进行：

步骤1，根据第一模拟流体注入口、第二模拟流体注入口、模拟T型流道、模拟弯型流道、模拟测压口、模拟非均质多孔介质注入端、模拟低渗区、模拟高渗区、非均质多孔介质产出端和1/4圆切角的结构和尺寸设计掩模，即先在芯片基底上镀一层铬，铬上再涂一层光刻胶，然后利用激光和刻蚀工艺在铬上形成所需要的微孔道图形；

步骤2，在芯片基底上均匀涂上光刻胶并烘干，采用准直紫外线透过精密掩模照射光刻胶，被照射部分的光刻胶发生化学反应，利用显影液将反应后的光刻胶洗掉，暴露出通道部分的芯片基底，然后，在高精度的微尺度标定仪辅助下，采用氢氟酸腐蚀掉暴露部分的玻璃从而得到所需尺寸的孔道，通过精准键合技术将两片玻璃压合到一起；

步骤3，在芯片基底上第一模拟流体注入口、第二模拟流体注入口、模拟测压口和模拟流体产出口所在位置打孔，完成芯片制作。

实施例五

一种多功能微流控芯片的实验方法，按照下述步骤进行：

步骤1，恒定压力或者速度从第一模拟流体注入口、第二模拟流体注入口注入不同流体，打开模拟测压口作为产出口，观察注入流体的形态、运移、相互作用等情况并进行拍摄记录；

步骤2，利用模拟测压口和模拟流体产出口对模拟非均质多孔介质模块进行饱和水、饱和油，恒定压力或速度注入驱油体系，观察模拟非均质多孔介质模块中油、水和体系的形态、分布和运移情况并进行拍摄记录，对不同驱油体系的运移规律、驱油机理及驱油效果进行评价。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (3)

1.一种多功能微流控芯片，其特征在于：包括上芯片基底、下芯片基底、模拟注入模块和模拟非均质多孔介质模块，所述模拟注入模块和所述模拟非均质多孔介质模块对称设置在所述上芯片基底和所述下芯片基底的上表面，所述上芯片基底和所述下芯片基底对接后形成多功能微流控芯片；

所述模拟注入模块包括第一模拟流体注入口、第二模拟流体注入口、模拟T型流道和模拟弯型流道，所述模拟T型流道的入口端分别形成有所述第一模拟流体注入口和所述第二模拟流体注入口，所述模拟T型流道的出口端与所述模拟弯型流道的入口端相连通，所述模拟弯型流道的出口端通过管路与所述模拟非均质多孔介质模块相连通，在所述管路上设置有模拟测压口；

所述模拟非均质多孔介质模块包括模拟非均质多孔介质注入端、模拟低渗区、模拟高渗区、非均质多孔介质产出端和模拟流体产出口，所述管路的出口端与所述模拟非均质多孔介质注入端相连通，所述模拟非均质多孔介质注入端和所述非均质多孔介质产出端分别设置在模拟区的沿流体流动方向的首尾两端，垂直于流体流动方向的所述模拟区上分别设置所述模拟低渗区和所述模拟高渗区，所述非均质多孔介质产出端的出口与所述模拟流体产出口相连通；

所述模拟低渗区包括低渗横向微通道和低渗纵向微通道，所述低渗横向微通道和所述低渗纵向微通道之间垂直设置，在所述低渗横向微通道和所述低渗纵向微通道相交处形成一低渗圆切角，所述低渗圆切角的半径为80μm；

所述模拟高渗区包括高渗横向微通道和高渗纵向微通道，所述高渗横向微通道和所述高渗纵向微通道之间垂直设置，在所述高渗横向微通道和所述高渗纵向微通道相交处形成一高渗圆切角，所述高渗圆切角的半径为150μm。

2.一种多功能微流控芯片的制作方法，其特征在于：芯片基底选择玻璃，按照下述步骤进行：

步骤1，根据第一模拟流体注入口、第二模拟流体注入口、模拟T型流道、模拟弯型流道、模拟测压口、模拟非均质多孔介质注入端、模拟低渗区、模拟高渗区、非均质多孔介质产出端和1/4圆切角的结构和尺寸设计掩模，即先在芯片基底上镀一层铬，铬上再涂一层光刻胶，然后利用激光和刻蚀工艺在铬上形成所需要的微孔道图形；

步骤2，在芯片基底上均匀涂上光刻胶并烘干，采用准直紫外线透过精密掩模照射光刻胶，被照射部分的光刻胶发生化学反应，利用显影液将反应后的光刻胶洗掉，暴露出通道部分的芯片基底，然后，在高精度的微尺度标定仪辅助下，采用氢氟酸腐蚀掉暴露部分的玻璃从而得到所需尺寸的孔道，通过精准键合技术将两片玻璃压合到一起；

步骤3，在芯片基底上第一模拟流体注入口、第二模拟流体注入口、模拟测压口和模拟流体产出口所在位置打孔，完成芯片制作。

3.一种多功能微流控芯片的实验方法，其特征在于：按照下述步骤进行：

步骤1，恒定压力或者速度从第一模拟流体注入口、第二模拟流体注入口注入不同流体，打开模拟测压口作为产出口，观察注入流体的形态、运移、相互作用等情况并进行拍摄记录；

步骤2，利用模拟测压口和模拟流体产出口对模拟非均质多孔介质模块进行饱和水、饱和油，恒定压力或速度注入驱油体系，观察模拟非均质多孔介质模块中油、水和体系的形态、分布和运移情况并进行拍摄记录，对不同驱油体系的运移规律、驱油机理及驱油效果进行评价。

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