CN115487887B - 一种高温高压微纳流控芯片夹持器温压控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种高温高压微纳流控芯片夹持器温压控制方法，包括具有环压内腔室的芯片密封组件，其环压内腔室连通流体入口和流体出口，还包括夹持本体、密封圈组件、注液组件以及通讯连接外部计算机的加热器、第一压力跟踪泵和第二压力跟踪泵，夹持本体的安装腔与芯片密封组件之间形成连通的环压内腔室，注液组件和加热器用于提供驱动力注入流体和加热供入流体温度，第一压力跟踪泵用于维持流体入口和流体出口间压力恒定，第二压力跟踪泵用于向芯片施加围压，通过光学显微镜实现了微纳米孔隙中渗流状态的可视化检测。本申请通过方案优化为真实模拟地下储层高温高压环境、研究微观渗流机理提供了新的技术手段和良好的技术保障。

Description

一种高温高压微纳流控芯片夹持器温压控制方法

技术领域

本申请涉及微纳流控技术领域，更具体地说，涉及一种高温高压微纳流控芯片夹持器温压控制方法。

背景技术

随着油气资源勘探开发的不断深入，低渗、特低渗储层内赋存的非常规油气在现有经济技术条件下展示出巨大潜力。初步预测，我国低渗、特低渗油藏的技术可采储量占油气资源可采储量的30％以上。其中，页岩油藏是一种典型的低渗油藏，该类储层的复杂性导致了复杂的渗流机理。因此，针对复杂渗流机理的研究，物理模拟是认识复杂渗流机理的重要手段。

目前针对微观渗流机理的室内实验，通常采用岩心实验来研究储层岩石孔隙结构及渗流规律变化特征，但传统的岩心实验无法可视化检测岩心内部的渗流规律，且传统岩心实验还存在实验周期长、实验结果重复性较差和岩心样品脆性大易碎的问题。因此，通过物理模拟岩心的性质及内部的孔隙结构来确保实验的成功进行是必要的。

近年来，涌现出一种采用微纳流控芯片物理模拟储层岩石的孔隙结构并研究微观渗流规律，该方法的一个核心优势是可视化检测微纳米孔隙中的渗流状态，因而在石化行业具有较为广阔的应用前景。在油气微观渗流实验过程中，由于芯片本身的承压能力较小且不耐高温、高压，无法满足真实模拟储层高温高压的地层环境，芯片模拟的结果与实际地层中存在较大的差距。并且针对现有微纳流控芯片夹持装置大部分是使用蓝宝石玻璃对芯片进行压持，密封性仍然存在改进的空间。由于固体相互接触使得在安装微纳流控芯片时易因为玻璃受力不均匀使的玻璃破碎，造成实验的失败，更严重的还可能损坏芯片，造成不必的经济损失。

研究表明，夹持器的结构以及选用何种辅助装置对微纳流控芯片进行压持，尤其在进行实验时整个系统的密封性以及耐压耐高温性能对于实验能否成功进行起着十分重要的作用。

有鉴于此，亟需针对微纳流控芯片压持结构进行优化设计，以克服上述缺陷。

发明内容

本申请提供一种高温高压微纳流控芯片夹持器温压控制方法，通过方案优化以有效提高承压能力、耐高温能力强、密封性好的微纳流控芯片夹持装置，在能够保证其具有操作方便、体积小的前提下，保证较好的耐压、耐高温性能，使微纳流控芯片可承受高压和高温以模拟真实的储层条件，为确保微观渗流室内实验成功提供良好的技术保障。

本申请提供一种高温高压微纳流控芯片夹持器装置，包括：

芯片密封组件，包括底座和压板，所述底座具有放置芯片的芯片安装腔，所述压板与所述芯片安装腔之间形成环压内腔室，所述底座具有用于连通所述环压内腔室的流体入口和流体出口；

夹持本体，所述夹持本体内部设有相通的观察窗和安装腔，所述安装腔安装有高压玻璃、固定所述高压玻璃的挡板和所述芯片密封组件，所述安装腔与所述芯片密封组件之间形成连通于所述环压内腔室的环压外腔室，所述夹持本体还具有连通所述环压外腔室的围压入口和围压出口；

密封圈组件，设置于所述高压玻璃与所述安装腔之间、所述压板与所述底座之间、所述芯片与所述芯片安装腔之间；

注液组件，连通于所述流体入口和所述流体出口、用于提供驱动力注入流体；

加热器，设置于所述注液组件与所述流体入口之间，用于加热供入流体温度；

第一压力跟踪泵，设置于所述流体出口、用于维持所述流体入口和所述流体出口间压力恒定以及施加回压；

第二压力跟踪泵，设置于所述围压出口、用于向芯片施加围压；

所述注液组件、所述加热器、所述第一压力跟踪泵和所述第二压力跟踪泵可在计算机的数据采集与处理系统的控制下运行。

在一些实施例中，所述注液组件包括液罐、至少两个活塞容器、连通于所述液罐与各所述活塞容器以及各所述活塞容器与所述加热器之间的管路和设置于所述液罐与活塞容器组之间的双缸恒压恒速泵。

在一些实施例中，还包括：

真空系统，用于对所述芯片密封组件、所述夹持本体、管线和环压内腔室内的空气进行排空。

在一些实施例中，还包括：

回压阀，用于对所述流体出口端施加回压。

在一些实施例中，还包括：

加热保温套，套装于所述夹持本体和所述芯片密封组件的外部。

在一些实施例中，所述高压玻璃具体为蓝宝石玻璃。

本申请还提供一种温压控制方法，应用于上述高温高压微纳流控芯片夹持器装置，包括以下步骤：

将清洁后的微纳流控芯片和芯片密封组件装配并装入夹持本体；

光学显微镜可视化检测芯片孔隙中液体的流动状态，连接到计算机，观察得到初始芯片的孔隙结构图；

打开真空泵进行抽真空，当真空表示数达到最大时关闭真空泵；

将第二压力跟踪泵设置为恒压模式，为微纳流控芯片施加围压，将加热器温度设定为与地层真实温度相近的值；

将第一压力跟踪泵设置恒压模式，始终保持夹持器的流体入口与流体出口的压力差为恒定值；

由注液组件向芯片密封组件的流体入口注入实验液体；

通过光学显微镜连接到计算机实时观察芯片中微孔隙的驱替过程，待计算机成像变化不大时，驱替完成，停泵；

打开放空阀，进行自然卸压，直到不再有液体进入计量系统，实验结束。

在一些实施例中，所述步骤：将第二压力跟踪泵设置为恒压模式，为微纳流控芯片施加围压，将加热器温度设定为与地层真实温度相近的值中，始终保持围压比入口压力高1.5～2Mpa。

在一些实施例中，所述步骤：由注液组件向芯片密封组件的流体入口注入实验液体，具体包括：

打开装有油的第一活塞容器，打开双缸恒压恒速泵，对芯片进行油饱和，直至芯片专用夹持器入口端压力表压力升高至回压阀压力值，停泵；

关闭第一活塞容器，打开第二活塞容器，打开双缸恒压恒速泵，将去离子水注入到芯片中进行水驱油实验。

与现有的流控芯片夹持装置相比，本申请高效地模拟了地下储层高温高压环境，为研究微观渗流机理提供了技术手段。芯片密封组件和夹持本体具有环压腔室，构成液体环压结构，液体环压结构实现了与芯片的软接触，避免了玻璃因安装过程中受力不均匀而破碎，提高了芯片的耐高温及承压性能，延长芯片的使用寿命。此外，通过光学显微镜可视化检测孔隙中的微观渗流状态，解决了常规方法无法物理模拟地下储层渗流过程的问题。

因此，本申请所提供的微纳流控芯片夹持装置，具有优异的承压能力和耐高温能力，密封性能优良，操作方便，自动化控制，效率高效，解决了芯片在高温高压条件下不耐压、不耐温的技术难题，实现了地下储层高温高压环境的真实模拟，为微观渗流机理研究提供了新的技术手段。此外，本装置外型体积小，占用空间小，减小占地面积。如此设置，可方便现场布置，降低实验成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请所提供的高温高压微纳流控芯片夹持器装置的剖视图；

图2为本申请所提供的高温高压微纳流控芯片夹持器装置中芯片密封组件的结构示意图；

图3为本申请所提供的高温高压微纳流控芯片夹持器装置的流程图。

其中，0-芯片、1-芯片密封组件、2-夹持本体、3-密封圈组件、4-注液组件、5-加热器、6-第一压力跟踪泵、7-第二压力跟踪泵、9-回压阀、10-加热保温套、11-XY轴移动平台、12-光学防震平台；

101-压板、102-底板、103-流体入口、104-流体出口、105-芯片安装腔、201-高压玻璃、202-挡板、203-围压入口、204-围压出口、401-液罐、402-双缸恒压恒速泵、403-活塞容器、801-真空泵、802-真空容器、803-真空表。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

请参考图1至图3，图1为本申请所提供的高温高压微纳流控芯片夹持器装置的剖视图；图2为本申请所提供的高温高压微纳流控芯片夹持器装置中芯片密封组件的结构示意图；图3为本申请所提供的高温高压微纳流控芯片夹持器装置的流程图。

本申请提供一种高温高压微纳流控芯片夹持器装置，主要包括芯片密封组件1、夹持本体2、密封圈组件3、注液组件4、加热器5、第一压力跟踪泵6和第二压力跟踪泵7。

芯片密封组件1包括底座102和压板101，底座102具有芯片安装腔105，用于放置芯片0，压板101与底座102的芯片安装腔105通过螺栓紧固。安装后，压板101与芯片安装腔105之间形成环压内腔室。底座102具有流体入口103和流体出口104，流体入口103和流体出口104分别通过入液细管和出液细管连通于环压内腔室，流体入口103和流体出口104两者大体对称设置，且连通于环压内腔室。

夹持本体2内部设有观察窗和安装腔，观察窗设置于夹持本体2的中央上部，安装腔与观察窗两者相通，且安装腔设置于观察窗的下部，两者同轴设置。安装腔安装有高压玻璃201和固定高压玻璃201的挡板202，高压玻璃201套装组合密封圈，并通过螺栓将挡板202锁紧固定在夹持本体2上。安装腔与芯片密封组件1之间形成连通于环压内腔室的环压外腔室，夹持本体2还具有围压入口203和围压出口204，该围压入口203和围压出口204连通于环压外腔室。

芯片密封组件1安装在夹持本体2的安装腔中。具体地，芯片密封组件1设置于高压玻璃201与安装腔之间，以及压板101与底座102之间，以及芯片0与芯片安装腔105之间。芯片密封组件1均采用轴用U型组合式高压密封圈，以提高整个夹持装置的密封性。

注液组件4连通于流体入口103和流体出口104，以使注液组件4向芯片密封组件1提供注入流体的驱动力。加热器5设置于注液组件4与流体入口103之间，对供入流体入口103的流体温度进行加热，供入模拟真实实验温度的流体，保证进入夹持器时的流体温度符合实验要求，最高加热温度300℃。

第一压力跟踪泵6通过管路连接于流体出口104，通过第一压力跟踪泵6控制微纳流控芯片夹持器流体入口103和流体出口104处的压力差为恒定值，利用恒定压差为流体提供持续恒定的驱动力。此外，第二压力跟踪泵7设置于围压出口204，用于为高温高压微纳流控芯片夹持器中的芯片0施加围压(也即环压)。

上述夹持本体2用于装夹安装有芯片的芯片密封组件1，同时可以提高芯片0的耐高压耐高温性能，使得光学显微镜观察得到微纳米通道中液体流动的图像。

本申请中的高温高压微纳流控芯片夹持器装置，耐高压100Mpa，耐高温200℃，可视范围位于直径33mm范围内。该高温高压微纳流控芯片夹持器装置能够有效地固定微纳流控芯片，并在自发渗吸实验过程中通过光学显微镜直接观察流体的运动状态。

优选的，本申请中的上述两个压力跟踪泵所能提供的流速范围为0.001ml/min～30ml/min，恒压模式下压力波动为±0.02Mpa，最高工作压力为120Mpa。

注液组件4、加热器5、第一压力跟踪泵6和第二压力跟踪泵7均通讯连接外部计算机，可以进行数值输入、更改以及对各部件进行控制，并可在计算机的数据采集与处理系统的控制下实现数据的自动化采集、处理及各部件的自动化运行。

本申请采用在芯片密封组件1和夹持本体2内部构成对芯片0的环压环境，并且由外部构件构成环压压力维持系统，采用环向液体对芯片0进行均匀压持，可避免压坏微纳流控芯片。通过在夹持本体2以及芯片密封组件1设置密封圈组件3，提高了夹持装置内部的密封性。通过压力跟踪泵提升液体的驱动力，提高了芯片0的耐高压性能。

注液组件4包括液罐401、至少两个活塞容器403、双缸恒压恒速泵402和若干管路。管路连通于液罐401与各活塞容器403以及各活塞容器403与加热器5之间，双缸恒压恒速泵402设置于液罐401与活塞容器403组之间，活塞容器403组与加热器5的入口相连，加热器5通过管路与芯片专用夹持器的流体入口103连接。

各活塞容器403分别用于盛装实验所需的流体，活塞容器403优选采用耐压100Mpa，工作温度200℃的活塞容器403，材质优选但不限于采用316L不锈钢。

双缸恒压恒速泵402用于向活塞容器403提供注入流体的驱动力并控制压力和流速。利用双缸恒压恒速泵402向活塞容器403提供动力，将流体压入管线。双缸恒压恒速泵402所能提供的流速范围为0.0001～30ml/min，最高工作压力为120Mpa。

此外，双缸恒压恒速泵402和三个活塞容器403之间的管路上设置有阀门a、阀门b、阀门c，在三个活塞容器403与加热器5之间的管路上设置有阀门d、阀门e、阀门f，在加热器5与夹持器的流体入口103之间的管路上设置有阀门g、阀门h、阀门i以及压力传感器；在夹持器的流体出口104与压力跟踪泵之间的管路上设置有阀门j和压力传感器，且该管路通过真空容器802连接着一台真空泵801，在真空容器802的入口和出口处设置有阀门k和阀门l。计算机与上述对应的各放空阀相连。各处连接的放空阀直接与大气相连接，在实验前排空夹具、管线、芯片0内部的空气。

本申请还具有系统抽真空功能。具体来说，在液体出口端通过管路连接真空系统，利用真空系统对芯片密封组件1、夹持本体2、管线和环压内腔室中的空气进行排真空。具体包括真空泵801、真空容器802和真空表803。真空泵801对整个系统抽真空，该过程持续时间一般较长，结合真空表803的显示数值跟踪抽真空过程，并且关闭真空泵801。

此外，流体入口103端以及流体出口104端分别设置有一处压力传感器，两者量程均为0～100Mpa，精度为0.1Mpa。

夹持本体2和芯片密封组件1的外部还套装有加热保温套10，该加热保温套10为采用柔性材料制成的保温套，用于保温夹持器，以模拟真实的地层环境。

高压玻璃优选但不限于选用蓝宝石，夹持器材质优选但不限于为TC4钛合金。

除此之外，本申请还提供一种温压控制方法，应用于上述高温高压微纳流控芯片夹持器装置，包括以下步骤：

步骤一、将清洁后的微纳流控芯片和芯片密封组件1装配并装入夹持本体2；

步骤二、利用光学显微镜可视化检测芯片孔隙中液体的流动状态，连接到计算机，观察得到初始芯片0的孔隙结构图；

步骤三、将第二压力跟踪泵7设置为恒压模式，为微纳流控芯片施加围压；

步骤四、打开真空泵801进行抽真空，当真空表803示数达到最大时关闭真空泵801；

步骤五、将加热器5温度设定为与地层真实温度相近的值；

步骤六、将压力跟踪泵设置恒压模式，始终保持夹持器的流体入口103与出口的压力差为恒定值；

步骤七、由注液组件4向芯片密封组件1的流体入口注入实验液体；

步骤八、通过光学显微镜连接到计算机实时观察芯片中微孔隙的驱替过程，待计算机成像变化不大时，驱替完成，停泵；

步骤九、打开放空阀，进行自然卸压，直到不再有液体进入计量系统，实验结束。

在步骤一中，提前制作好实验所用的微纳流控芯片，将清洁后的芯片0装入芯片密封组件，构成夹持组件，再将夹持组件整体装入高温高压微纳流控芯片的夹持本体2之中，构成夹持装置，再将夹持装置安装于XY轴移动平台11-光学防震平台12的复合平台上。

此外，在实验准备阶段还需要在活塞容器403组中装入实验液体，例如，在第一活塞容器中装入庚烷，第二活塞容器中装入去离子水，然后，在实验前检查好整个系统的密封性，确保实验的顺利进行。

在步骤二中，使用光学显微镜可视化检测芯片孔隙中液体的流动状态，连接到计算机，可得到初始芯片的孔隙结构图。

在步骤三中，在正式实验开始之前需对整个系统抽真空，先关闭阀门a、阀门b、阀门c、阀门d、阀门e、阀门f、阀门g、阀门i，打开阀门h、阀门j、阀门k、阀门l，然后打开真空泵801对整个系统进行抽真空，该过程持续时间一般较长，当真空表803示数达到最大时表示抽真空结束，然后关闭阀门k、阀门l，关闭真空泵801。

在步骤四中，先关闭阀门m，打开第二压力跟踪泵7，模式设置为恒压模式，设置压力值(优选为82Mpa)，为高温高压微纳流控芯片夹持器中的芯片施加围压。

在步骤五中，将加热器5温度设定为与地层真实温度相近的值，将双缸恒压恒速泵402设置为恒压模式，设定压力值(优选为80Mpa)，同时将第一压力跟踪泵6在恒压模式下设置压力值(优选为75Mpa)，始终保持夹持器的流体入口103与出口的压力差为恒定值。

在步骤七中，通过光学显微镜连接到计算机可实时观察芯片中微纳米孔隙的驱替过程，待计算机成像变化不大且回压阀9出口流出的液体是去离子水附带少量庚烷时，驱替实验基本完成。

在步骤八中，驱替实验结束后，逐渐减小恒压模式下双缸恒压恒速泵402的压力值，直至压力值为0Mpa，关闭双缸恒压恒速泵402和两个压力跟踪泵，实验结束。

在步骤四中，优选设定为：围压比驱替压力高1.5～2Mpa，随着驱替的进行，始终保持围压比入口压力高1.5～2Mpa，可保证实验过程中对芯片0的围压始终维持在恒定值。

在步骤六中，由注液组件4向芯片密封组件1的流体入口103注入实验液体，具体操作为：打开第一活塞容器403的阀门a、阀门d，关闭阀门b、阀门c、阀门e、阀门f、阀门j，运行双缸恒压恒速泵402，先对芯片0进行油饱和，直至芯片专用夹持器入口端压力表压力升高至回压阀9压力值，停泵。

此后，关闭第一活塞容器403的阀门a、阀门d，打开第二活塞容器403的阀门b、阀门e，打开阀门j，再运行双缸恒压恒速泵402和第一压力跟踪泵6，将去离子水注入到芯片夹持系统的芯片中进行水驱油实验。

应用本申请所提供的温压控制方法，实现了地下储层高温高压环境的真实模拟，自动化程度高，精准高效。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本申请所提供的高温高压微纳流控芯片夹持器温压控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高温高压微纳流控芯片夹持器温压控制方法，应用于高温高压微纳流控芯片夹持器装置，其特征在于，包括以下步骤：

将清洁后的微纳流控芯片和芯片密封组件(1)装配并装入夹持本体(2)；

光学显微镜可视化检测芯片孔隙中液体的流动状态，连接到计算机，观察得到初始芯片(0)的孔隙结构图；

打开真空泵(801)进行抽真空，当真空表(803)示数达到最大时关闭真空泵(801)；

将第二压力跟踪泵(7)设置为恒压模式，为微纳流控芯片施加围压，将加热器(5)温度设定为与地层真实温度相近的值；

将第一压力跟踪泵(6)设置恒压模式，始终保持夹持器的流体入口(103)与流体出口(104)的压力差为恒定值；

由注液组件(4)向芯片密封组件(1)的流体入口(103)注入实验液体；

通过光学显微镜连接到计算机实时观察芯片(0)中微孔隙的驱替过程，待计算机成像变化不大时，驱替完成，停泵；

打开放空阀，进行自然卸压，直到不再有液体进入计量系统，实验结束；

所述高温高压微纳流控芯片夹持器装置包括：

芯片密封组件(1)，包括底座(102)和压板(101)，所述底座(102)具有放置芯片(0)的芯片安装腔(105)，所述压板(101)与所述芯片安装腔(105)之间形成环压内腔室，所述底座(102)具有用于连通所述环压内腔室的流体入口(103)和流体出口(104)；

夹持本体(2)，所述夹持本体(2)内部设有相通的观察窗和安装腔，所述安装腔安装有高压玻璃(201)、固定所述高压玻璃(201)的挡板(202)和所述芯片密封组件(1)，所述安装腔与所述芯片密封组件(1)之间形成连通于所述环压内腔室的环压外腔室，所述夹持本体(2)还具有连通所述环压外腔室的围压入口(203)和围压出口(204)；

密封圈组件(3)，设置于所述高压玻璃(201)与所述安装腔之间、所述压板(101)与所述底座(102)之间、所述芯片(0)与所述芯片安装腔(105)之间；

注液组件(4)，连通于所述流体入口(103)和所述流体出口(104)、用于提供驱动力注入流体；

加热器(5)，设置于所述注液组件(4)与所述流体入口(103)之间，用于加热供入流体温度；

第一压力跟踪泵(6)，设置于所述流体出口(104)、用于维持所述流体入口(103)和所述流体出口(104)间压力恒定；

第二压力跟踪泵(7)，设置于所述围压出口(204)、用于向芯片(0)施加围压；

所述注液组件(4)、所述加热器(5)、所述第一压力跟踪泵(6)和所述第二压力跟踪泵(7)可在计算机的数据采集与处理系统的控制下运行。

2.根据权利要求1所述的高温高压微纳流控芯片夹持器温压控制方法，其特征在于，所述步骤：将第二压力跟踪泵(7)设置为恒压模式，为微纳流控芯片施加围压，将加热器(5)温度设定为与地层真实温度相近的值中，始终保持围压比入口压力高1.5～2Mpa。

3.根据权利要求1所述的高温高压微纳流控芯片夹持器温压控制方法，其特征在于，所述步骤：由注液组件(4)向芯片密封组件(1)的流体入口(103)注入实验液体，具体包括：

打开装有油的第一活塞容器(403)，打开双缸恒压恒速泵(403)，对芯片(0)进行油饱和，直至芯片专用夹持器入口端压力表压力升高至回压阀(9)压力值，停泵；

关闭第一活塞容器(403)，打开第二活塞容器(403)，打开双缸恒压恒速泵(402)，将去离子水注入到芯片(0)中进行水驱油实验。