CN114272963B - 一种模拟co2吞吐的微观可视化芯片、实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模拟CO₂吞吐的微观可视化芯片，该芯片包括流体主通道、连接通道和孔喉结构区域，流体主通道设置于孔喉结构区域的一侧，流体主通道通过连接通道与孔喉结构区域相连通；流体主通道的一端为注入口，另一端为采出口，注入口和采出口分别位于连接通道的两侧。所述孔喉结构区域包括用于模拟页岩孔隙结构的实际孔喉结构区域，实际孔喉结构区域设置在远离流体主通道的一侧中间；孔喉结构区域除实际孔喉结构区域外的其余部分为概念孔喉结构区域。本发明微观可视化芯片模型将流体主通道与孔喉结构区域分开，使得气液进出孔喉结构区域只能通过连接通道，与油田现场单井吞吐过程相同，实验可以更确切的表征吞吐。

Description

一种模拟CO2吞吐的微观可视化芯片、实验装置及方法

技术领域

本发明属于微观油藏开采技术领域，具体涉及一种微观可视化研究注气吞吐的微流控芯片及实验方法。

背景技术

随着全球范围内对于油气等能源需求的持续增长，非常规油气资源在能源供应中所占比重日益增加。我国的页岩油资源丰富，具有良好的勘探开发前景。而在现有的水平井压裂开发条件下，页岩油的采收率不足10％，而CO₂吞吐技术能够有效的提高页岩油的采收率，但CO₂吞吐过程中的微观渗流机理尚不明确。因此，探明地层条件下不同吞吐模式下CO₂在微纳米孔道中的扩散、渗流状态及油气渗流规律对页岩油藏CO₂吞吐开发甚为重要。

现有的研究CO₂吞吐的实验方法是利用室内岩心实验，将饱和油的岩心放置岩心夹持器中，由入口端注入CO₂后关闭阀门模拟焖井，之后打开出口阀门，降压排气，研究CO₂吞吐提高采收率程度。但该技术有较大的局限性，页岩具有低渗透率低孔隙度的特点，实验时间较长，实验结果精度有限，且用过的岩石不易冲洗，重复性很低。此外，常规CO₂吞吐室内实验装置存在另外三个问题：一方面，部分页岩有高温高压的地层条件，常规的实验装置难以复刻真实储层条件，且不能直观呈现CO₂在微纳米孔道中的扩散和渗流状态，不能定性定量的分析剩余油的分布规律；另一方面，之前的微观可视化芯片，芯片中孔喉模型与流体主通道处于同一水平线，便于驱替实验进行，但并不适用于模拟CO₂吞吐实验；最后，之前微流控芯片中的孔喉大小一般为100-300μm，不足以模拟更加细小的页岩孔隙，但直接减小孔喉大小，易令流体难以饱和进入芯片中。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种模拟CO₂吞吐的微观可视化芯片、实验装置及方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种模拟CO₂吞吐的微观可视化芯片，该芯片包括流体主通道、连接通道和孔喉结构区域，流体主通道设置于孔喉结构区域的一侧，流体主通道通过连接通道与孔喉结构区域相连通；流体主通道的一端为注入口，另一端为采出口，注入口和采出口分别位于连接通道的两侧。

优选的，所述孔喉结构区域包括用于模拟页岩孔隙结构的实际孔喉结构区域，实际孔喉结构区域设置在远离流体主通道的一侧中间；孔喉结构区域除实际孔喉结构区域外的其余部分为概念孔喉结构区域，概念孔喉结构区域与实际孔喉结构区域相连通，且概念孔喉结构区域的喉道宽度大于实际孔喉结构区域的喉道宽度。

优选的，所述实际孔喉结构区域的三面与周围包裹的概念孔喉结构区域连通，实际孔喉结构区域和概念孔喉结构区域的喉道深度均为1～5μm，实际孔喉结构区域的喉道宽度最小为20μm。

优选的，该芯片是由两片玻璃组成，所述流体主通道、连接通道和孔喉结构区域均刻蚀在其中一片玻璃上，流体主通道位于孔喉结构区域上方，流体主通道的伸展方向与连接通道相垂直；另一片玻璃为无刻蚀的光滑玻璃；两片玻璃通过键合得到密封的微观可视化芯片。

一种模拟CO₂吞吐的微观可视化实验装置，采用如上所述的微观可视化芯片，该实验装置还包括高压注入泵、原油中间容器、CO₂气体中间容器、显微镜和回压单元；

微观可视化芯片的注入口通过注入管线分别连接原油中间容器和CO₂气体中间容器的出口端，在注入管线上设置有第一控制阀和压力传感器，原油中间容器的进口端通过原油输送管线与高压注入泵连接，在原油输送管线上设置有第二控制阀，CO₂气体中间容器的进口端通过CO₂气体输送管线与高压注入泵连接，在CO₂气体输送管线上设置有第三控制阀；

显微镜设置在微观可视化芯片的上方；

微观可视化芯片的采出口通过采出管线连接回压单元，在采出管线上设置有第四控制阀；

所述注入管线还连接有围压跟踪泵。

一种模拟CO₂吞吐的微观可视化实验方法，采用如上所述的实验装置，包括以下步骤：

S1将微观可视化芯片安装在高压可视釜中，加入围压液并加热至预设的地层温度；由围压跟踪泵控制围压，使其高于微观可视化芯片内部压力；将显微镜置于微观可视化芯片上方，打开计算机上已安装的显微镜配套软件，调节显微镜聚集位置以及放大倍数，至计算机上显示清晰的微纳米尺度通道图像；

S2将与高压注入泵连接的原油中间容器中装入原油，CO₂气体中间容器中装入CO₂气体，关闭第一控制阀，将微观可视化芯片抽真空，确保芯片内部没有空气存在，保证原油能够更好的饱和进芯片内部；

S3利用高压注入泵向微观可视化芯片的注入口注入原油，进行原油饱和，原油由于负压作用由流体主通道通过连接通道进入概念孔喉结构区域及实际孔喉结构区域，至芯片孔隙均充满原油；

S4关闭第二控制阀，打开第一控制阀、第三控制阀和第四控制阀，使用高压注入泵将CO₂气体中间容器中的CO₂注入，将注入管线和微观可视化芯片流体主通道中的原油排出，后将第四控制阀关闭，使用高压注入泵将CO₂注入，注气过程注意及时采集图像，当芯片内压力到达预设压力值时，停止注气；

S5将围压由跟踪模式调为恒压模式，压力高于芯片内部压力2MPa以内，后将芯片注入口处第一控制阀关闭，设置芯片采出口处回压高于预设压力1MPa以上，模拟焖井；

S6焖井结束，依次降低采出口端回压，打开采出口端第四控制阀，恒压模式控制围压，使其高于芯片采出口端压力，直至流体趋于稳定不再流动，再次设置出口端回压高于预设压力1MPa以上；

S7重复步骤S4至S6两次，进行吞吐的第二轮次及第三轮次，利用显微镜配套软件记录通道中流体流动的图像及视频，在计算机上实时观察芯片中流体的流动行为；

S8实验结束，将与高压注入泵连接的原油中间容器中装石油醚或甲苯，冲刷清洗微观可视化芯片，直至微观可视化芯片内部无残余油，取下微观可视化芯片，并擦拭烘干。

本发明的有益技术效果是：

本发明综合考虑了传统吞吐实验和之前微观可视化芯片的局限性，在模拟地层岩石孔喉特征的基础上，设计出更加合理的微观可视化芯片模型，该微观可视化芯片模型将流体主通道与孔喉结构区域分开，进而模拟现场吞吐；不同于常用微观可视化芯片模型的流体主通道与孔喉结构区域处于同一水平线，本发明芯片模型中流体主通道位于孔喉刻蚀区域上方，流体主通道注入口和采出口连接实验装置，而气液进出孔喉结构区域只能通过连接通道，与油田现场单井吞吐过程相同，实验可以更确切的表征吞吐。

本发明将孔喉结构区域分为实际孔喉结构区域和概念孔喉结构区域，即在孔喉结构区域最下方中间为模拟页岩孔隙结构，喉道宽度较小的实际孔喉结构区域，其余部分为喉道宽度较大的概念孔喉结构区域。本发明采用概念孔喉结构区域毛管力小，流体易流入，部分饱和原油后原油由于负压作用从三个方向向毛管力较大的实际孔喉结构区域流入，保证了原油可完全充满微观可视化芯片内部。

本发明还提供一种利用上述微观可视化芯片的实验装置及方法，该装置及方法可通过显微镜观测和定量分析结合，研究流体在微纳通道的流动特征，实现了观察CO₂在微纳米孔道中扩散、渗流状态，以及对页岩孔隙中剩余油的定量化分析，从而明确CO₂吞吐的微观机理，能够为页岩油藏CO₂吞吐提高采收率提供理论依据。

附图说明

图1为本发明微观可视化芯片的结构原理示意图；

图2为本发明微观可视化芯片的最小喉道宽度标记示意图；

图3为本发明微观可视化芯片在实验时的成像图；

图4为本发明模拟CO₂吞吐的微观可视化实验装置的结构简图；

图5为采用本发明实验方法进行页岩储层下CO₂吞吐的实验图。

具体实施方式

如图1-3所示，一种模拟CO₂吞吐的微观可视化芯片，该芯片包括流体主通道A、连接通道B和孔喉结构区域C，流体主通道A设置于孔喉结构区域C的一侧，流体主通道A通过连接通道B与孔喉结构区域C相连通。流体主通道A的一端为注入口，另一端为采出口，注入口和采出口分别位于连接通道B的两侧。该微观可视化芯片的关键是芯片模型的流体主通道与孔喉结构区域分开，进而模拟油田现场单井注气吞吐。不同于常规微观可视化芯片模型的流体主通道与孔喉结构区域处于同一水平线，本发明芯片模型中流体主通道位于孔喉结构区域上方，流体主通道的注入口和采出口连入实验装置，而气液进出孔喉结构区域只能通过连接通道，这与油田现场单井吞吐过程相同，将该芯片模型用于模拟实验可以更确切的表征吞吐。

作为对本发明芯片模型的进一步设计，所述孔喉结构区域C包括用于模拟页岩孔隙结构的实际孔喉结构区域1，实际孔喉结构区域1设置在远离流体主通道A的一侧中间。孔喉结构区域除实际孔喉结构区域外的其余部分为概念孔喉结构区域2，概念孔喉结构区域2与实际孔喉结构区域1相连通，且概念孔喉结构区域2的喉道宽度大于实际孔喉结构区域1的喉道宽度。所述实际孔喉结构区域1的三面与周围包裹的概念孔喉结构区域2连通，实际孔喉结构区域1和概念孔喉结构区域2的喉道深度均为1～5μm。实际孔喉结构区域1的喉道宽度最小为20μm，相应的概念孔喉结构区域的喉道宽度等适当放大或按等比例放大即可。也就是说，采用本发明芯片结构喉道深度可刻蚀为1～5μm，最小喉道宽度或者说喉道直径可达到20μm，能够更加接近真实模拟页岩储层。

本发明微观可视化芯片模型是在孔喉结构刻蚀区域融合概念孔喉结构和实际孔喉结构。在孔喉结构区域，最下方中间为模拟页岩孔隙结构，喉道宽度较小的实际孔喉结构区域2，其余部分为喉道宽度较大的概念孔喉结构区域1。采用概念孔喉结构区域毛管力小，流体易流入，部分饱和原油后原油由于负压作用从三个方向向毛管力较大的实际孔喉结构区域流入，保证了原油可完全充满微观可视化芯片内部。

具体地，上述芯片模型是由两片玻璃加工组成，所述流体主通道A、连接通道B和孔喉结构区域C均刻蚀在其中一片玻璃上，流体主通道A位于孔喉结构区域上方，流体主通道A的伸展方向与连接通道B相垂直。另一片玻璃为无刻蚀的光滑玻璃。两片玻璃通过键合得到密封的微观可视化芯片。

本发明微观可视化芯片模型不同于常规气驱芯片中流体主通道直接贯通孔隙结构的刻蚀区域，此微尺度模型可较好模拟油田现场单井吞吐。流体仅从连接通道B流入流出，且为更好的模拟页岩孔隙，此模型的孔喉深度较常规气驱芯片深度小，更增添了流体流动的难度，因此采用概念孔喉结构区域2与实际孔喉结构区域1相结合。将孔喉宽度较宽的概念孔喉结构区域2认为是页岩内部的微裂缝，能更为容易的饱和进流体。为使流体能更好的在实际孔喉结构区域1中流动，故将实际孔喉结构区域1置于底部中间，三面被概念孔喉结构区域2包围，概念孔喉结构区域2中的流体从三个方向都能流入实际孔喉结构区域1中，降低了实际孔喉结构区域1的流体饱和难度。

如图4所示，一种模拟CO₂吞吐的微观可视化实验装置，采用如上所述的微观可视化芯片8，该实验装置还包括高压注入泵3、原油中间容器4、CO₂气体中间容器5、显微镜6和回压单元7。微观可视化芯片可放置于高压可视反应釜中，微观可视化芯片8的注入口通过注入管线9分别连接原油中间容器4和CO₂气体中间容器5的出口端，在注入管线9上设置有第一控制阀10和压力传感器11。原油中间容器4的进口端通过原油输送管线与高压注入泵3连接，在原油输送管线上设置有第二控制阀12；CO₂气体中间容器5的进口端通过CO₂气体输送管线与高压注入泵3连接，在CO₂气体输送管线上设置有第三控制阀13。显微镜6设置在微观可视化芯片8的上方，显微镜6与数码检测摄像系统14连接。微观可视化芯片8的采出口通过采出管线连接回压单元7，在采出管线上设置有第四控制阀15。所述注入管线还连接有围压跟踪泵16。

一种模拟CO₂吞吐的微观可视化实验方法，采用如上所述的实验装置，包括以下步骤：

S1将孔隙刻蚀的微观可视化芯片8安装在高压可视釜中，加入围压液(水)并加热至预设的地层温度。由围压跟踪泵16控制围压，使其高于模型内部压力(2Mpa以内)。将显微镜6置于微观可视化芯片上方，打开计算机上已安装的显微镜配套软件，调节显微镜聚集位置以及放大倍数，至计算机上显示清晰的微纳米尺度通道图像。

S2将与高压注入泵连接的原油中间容器4中装入原油，CO₂气体中间容器5中装入CO₂气体，关闭入口和出口端阀门，如第一控制阀10等，将微流控芯片及与其连接的管线抽真空，确保芯片内部没有空气存在，保证原油能够更好的饱和进芯片内部。

S3利用高压注入泵3以0.01mL/min的速度向微观可视化芯片的注入端注入原油，进行原油饱和，原油由于负压作用由流体主通道A通过连接通道B进入概念孔喉结构区域2及实际孔喉结构区域1，至芯片孔隙均充满原油。

S4注气吞吐。关闭第二控制阀12，打开注入端和出口端阀门，即打开第一控制阀10、第三控制阀13和第四控制阀15，使用高压注入泵3将CO₂气体中间容器5中的CO₂注入，将注入管线和微观可视化芯片流体主通道中的原油排出。后将第四控制阀15关闭，使用高压注入泵3以0.01mL/min的速度将CO₂注入，注气过程注意及时采集图像，当芯片内压力到达预设压力值P时，停止注气。

S5焖井。将围压由跟踪模式调为恒压模式，压力高于芯片内部压力2MPa以内，后将芯片入口端第一控制阀10关闭，设置芯片模型出口端回压高于预设压力P(1MPa以上)，模拟焖井30min。

S6焖井结束，依次降低采出口端回压(压力梯度为0.05MPa，直至P1＜P)，打开出口端阀门即第四控制阀15，恒压模式控制围压，使其高于芯片出口端压力(2MPa以内)，直至流体趋于稳定不再流动，再次设置出口端回压高于预设压力P(1MPa以上)。

S7重复步骤S4至S6两次，进行吞吐的第二轮次及第三轮次，利用显微镜配套软件记录通道中流体流动的图像及视频，在计算机上实时观察芯片模型中流体的流动行为。

S8实验结束，将与高压注入泵连接的原油中间容器中装石油醚或甲苯，冲刷清洗微控流芯片及驱替管线，直至芯片内部无残余油，取下微控流芯片，并擦拭烘干。

本发明还采用上述实验装置及方法开展了页岩储层CO₂吞吐微观可视化实验的应用实例，模拟微纳尺度下(刻蚀深度5μm，最小孔喉直径20μm)CO₂吞吐过程中的渗流机理，结果如图5所示。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种模拟CO₂吞吐的微观可视化芯片，其特征在于：该芯片包括流体主通道、连接通道和孔喉结构区域，流体主通道设置于孔喉结构区域的一侧，流体主通道通过连接通道与孔喉结构区域相连通；流体主通道的一端为注入口，另一端为采出口，注入口和采出口分别位于连接通道的两侧；

所述孔喉结构区域包括用于模拟页岩孔隙结构的实际孔喉结构区域，实际孔喉结构区域设置在远离流体主通道的一侧中间；孔喉结构区域除实际孔喉结构区域外的其余部分为概念孔喉结构区域，概念孔喉结构区域与实际孔喉结构区域相连通，且概念孔喉结构区域的喉道宽度大于实际孔喉结构区域的喉道宽度；

所述实际孔喉结构区域的三面与周围包裹的概念孔喉结构区域连通，实际孔喉结构区域和概念孔喉结构区域的喉道深度均为1～5μm，实际孔喉结构区域的喉道宽度最小为20μm；

该芯片是由两片玻璃组成，所述流体主通道、连接通道和孔喉结构区域均刻蚀在其中一片玻璃上，流体主通道位于孔喉结构区域上方，流体主通道的伸展方向与连接通道相垂直；另一片玻璃为无刻蚀的光滑玻璃；两片玻璃通过键合得到密封的微观可视化芯片。

2.一种模拟CO₂吞吐的微观可视化实验装置，其特征在于，采用如权利要求1所述的微观可视化芯片，该实验装置还包括高压注入泵、原油中间容器、CO₂气体中间容器、显微镜和回压单元；

微观可视化芯片的注入口通过注入管线分别连接原油中间容器和CO₂气体中间容器的出口端，在注入管线上设置有第一控制阀和压力传感器，原油中间容器的进口端通过原油输送管线与高压注入泵连接，在原油输送管线上设置有第二控制阀，CO₂气体中间容器的进口端通过CO₂气体输送管线与高压注入泵连接，在CO₂气体输送管线上设置有第三控制阀；

显微镜设置在微观可视化芯片的上方；

微观可视化芯片的采出口通过采出管线连接回压单元，在采出管线上设置有第四控制阀；

所述注入管线还连接有围压跟踪泵。

3.一种模拟CO₂吞吐的微观可视化实验方法，采用如权利要求2所述的实验装置，其特征在于包括以下步骤：

S1将微观可视化芯片安装在高压可视釜中，加入围压液并加热至预设的地层温度；由围压跟踪泵控制围压，使其高于微观可视化芯片内部压力；将显微镜置于微观可视化芯片上方，打开计算机上已安装的显微镜配套软件，调节显微镜聚集位置以及放大倍数，至计算机上显示清晰的微纳米尺度通道图像；

S2将与高压注入泵连接的原油中间容器中装入原油，CO₂气体中间容器中装入CO₂气体，关闭第一控制阀，将微观可视化芯片抽真空，确保芯片内部没有空气存在，保证原油能够更好的饱和进芯片内部；

S3利用高压注入泵向微观可视化芯片的注入口注入原油，进行原油饱和，原油由于负压作用由流体主通道通过连接通道进入概念孔喉结构区域及实际孔喉结构区域，至芯片孔隙均充满原油；

S4关闭第二控制阀，打开第一控制阀、第三控制阀和第四控制阀，使用高压注入泵将CO₂气体中间容器中的CO₂注入，将注入管线和微观可视化芯片流体主通道中的原油排出，后将第四控制阀关闭，使用高压注入泵将CO₂注入，注气过程注意及时采集图像，当芯片内压力到达预设压力值时，停止注气；

S5将围压由跟踪模式调为恒压模式，压力高于芯片内部压力2MPa以内，后将芯片注入口处第一控制阀关闭，设置芯片采出口处回压高于预设压力1MPa以上，模拟焖井；

S6焖井结束，依次降低采出口端回压，打开采出口端第四控制阀，恒压模式控制围压，使其高于芯片采出口端压力，直至流体趋于稳定不再流动，再次设置出口端回压高于预设压力1MPa以上；

S7重复步骤S4至S6两次，进行吞吐的第二轮次及第三轮次，利用显微镜配套软件记录通道中流体流动的图像及视频，在计算机上实时观察芯片中流体的流动行为；

S8实验结束，将与高压注入泵连接的原油中间容器中装石油醚或甲苯，冲刷清洗微观可视化芯片，直至微观可视化芯片内部无残余油，取下微观可视化芯片，并擦拭烘干。