CN219051371U - 一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片，涉及油气田开发技术领域。该纳流体芯片包括盖片和基片，盖片和基片通过封装的方式连接；基片开有三对通孔，每对通孔等间距分布，每对通孔为一个注气口和注油口，注气口和注油口位于基片同一侧面；基片表面设有三条多孔介质，每条多孔介质采取S形迂回的流道形式，每条多孔介质通过微通道连通注气口和注油口；三条多孔介质从上到下分别为纳米级孔隙型多孔介质、孔隙‑裂缝型多孔介质和孔隙‑裂缝‑溶洞型多孔介质。该纳流体芯片通过S形迂回流道设计，充分利用芯片空间体积，将多孔介质长度从几微米增加至几厘米到数十厘米，以确保注入气与原油有充分的接触过程，实验结果也更为精确。
Description
技术领域
本实用新型涉及油气田开发技术领域，特别是涉及一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来页岩油等非常规油气资源已经成为我国油气勘探开发的重点领域。页岩油藏具有纳米级孔隙发育、储集空间多尺度、超低渗透率和非均质性强等特点，储层压裂投产后产量递减极快，初次采收率低，衰竭式开发周期短。同时，微纳米级孔隙使得储层补充能量困难，常规注水开发方式面临“注不进，采不出”的开发难题，亟待寻找新的有效注入的流体介质。注气因其注入能力强、储层伤害小等特点，现已成为国内外油田提高非常规油气采收率的主导技术，特别是在美国、加拿大、俄罗斯等气源丰富的国家。目前油田常用的提高采收率气体包括CO2、天然气、烟道气、空气等，其中CO2和天然气因易与原油混相达到极高驱替效率而被认为是目前比较理想的注入介质。混相可以分为一次接触混相和多级接触混相，从我国页岩油藏条件来看，注入气体与原油在地层中的混相过程大多数属于多级接触混相。准确模拟多级接触混相过程是精确测量最小混相压力和混相驱方案设计的基础。
传统物理方法模拟多级接触混相过程是通过细管测试，这是目前石油行业标准采用的方法。细管测试存在固有缺陷，其能模拟多级接触混相过程，但该过程无法可视化，缺乏对注入气与原油混相动态过程、流体分布特征、混相带运移特征等的定性与定量认识，仅能采集注入压力和产油量等数据确定最小混相压力。此外，细管实验模拟的多孔介质尺寸为微米级，渗透率为达西级，与页岩储层纳米级孔隙及纳微级达西差异极大。因此，现有细管实验无法模拟页岩储层条件，且无法满足多级接触混相过程的可视化需求。
新兴发展的微纳流控技术可以同时满足模拟微纳孔隙及可视化要求。然而目前芯片设计存在两点缺陷，一是芯片设计的孔隙尺寸为微米级，尚未达到纳米级尺度，并且孔隙尺度规则单一，未能考虑页岩储层强非均质性、孔缝洞多尺度等特点，二是芯片中的流道设计长度为毫米(受限于芯片长度)，该长度过短，不能有效模拟多级接触混相过程，实验误差大。因此，现在缺乏一种可以模拟页岩油藏注气多级接触混相过程的纳流体芯片。
实用新型内容
针对细管实验无法模拟页岩储层特征，混相过程无法可视化，以及现有微流体芯片在模拟纳米尺度和孔缝洞多尺度性方面的不足，本实用新型提供一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片，该纳流体芯片通过S形迂回流道设计，充分利用芯片空间体积，将多孔介质长度从几微米增加至几厘米到数十厘米，以确保注入气与原油有充分的接触过程，实验结果也更为精确。同时，在多孔介质设计中考虑孔缝洞多尺度性，将纳米级孔隙、微米级缝洞融合叠加，充分模拟页岩储层纳米级孔隙发育、储集空间多尺度性和强非均质性的特点，从而使模拟的注气多级接触混相过程更接近真实页岩储层地下多级接触混相过程。
本实用新型采用如下技术方案：
一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片，包括：
盖片和基片，所述盖片和所述基片通过封装的方式连接；所述基片开有三对通孔，每对通孔等间距分布，每对通孔为一个注气口和注油口，注气口和注油口位于基片同一侧面；基片表面设有三条多孔介质，每条多孔介质采取S形迂回的流道形式，每条多孔介质通过微通道连通注气口和注油口；三条多孔介质从上到下分别为纳米级孔隙型多孔介质、孔隙-裂缝型多孔介质和孔隙-裂缝-溶洞型多孔介质。
进一步的，所述微通道宽度为200μm，深度为20μm。
进一步的，所述每对通孔的位置对应于芯片夹具的流体接口。
进一步的，所述盖片材质为硼硅玻璃，基片材质为硅晶。
进一步的，所述纳米级孔隙型多孔介质内部包含大量纳米级孔隙和基质，所述孔隙-裂缝型多孔介质内部包含大量纳米级孔隙、基质和微米级裂缝；所述孔隙-裂缝-溶洞型多孔介质内部包含大量纳米级孔隙、基质、微米级裂缝和溶洞。
更进一步的，所述纳流体芯片中的基质通过湿法刻蚀得到，基质与孔隙直径比在1～3之间。
更进一步的，所述基质包括两种直径不同的基质颗粒，基质颗粒以阵列形式布满多孔介质内，不同基质之间形成纳米级孔隙。
进一步的，所述纳米级孔隙深度为纳米级，直径为微米级。
进一步的，纳流体芯片的尺寸为38.2mm*21.69mm*2mm。
进一步的，所述多孔介质宽度为100μm～1000μm。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型提供的纳流体芯片通过采取S形迂回多孔介质流道设计，最大程度利用了芯片体积，将多孔介质长度提高1～2个数量，从几微米增加到几厘米乃至几十厘米，充分满足油气多级接触混相过程模拟所需的长度，减小实验误差。同时，在纳流体芯片中考虑了纳米级孔隙型储层、孔隙-裂缝型储层、孔隙-裂缝-溶洞型储层等三类储层，充分模拟了真实页岩储层孔洞缝多尺度性、强非均质性的特征，能够满足多尺度性和非均质性对渗流规律影响的实验目的。此外，本实用新型采用三对通孔对和三条多孔介质的配套设计，可实现同时观察流体三类储层中的渗流规律，极大地提高实验效率。
附图说明
构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
图1为本实用新型实施例的纳流体芯片主视图；
图2为本实用新型实施例的纳流体芯片左视图；
图3为本实用新型实施例的纳米级孔隙型多孔介质内部结构图；
图4为本实用新型实施例的孔隙-裂缝型多孔介质内部结构图；
图5为本实用新型实施例的孔隙-裂缝-溶洞型多孔介质内部结构图；
图中，1.基片，2.盖片，3-1.第一注气口，3-2.第一注(采)油口，4-1.第二注气口，4-2.第二注(采)油口，5-1.第三注气口，5-2.第三注(采)油口，6-1.第一微通道，6-2.第二微通道，6-3.第三微通道，7.纳米级孔隙型多孔介质，8.孔隙-裂缝型多孔介质，9.孔隙-裂缝-溶洞型多孔介质，10-1.第一基质，10-2.第二基质，11.纳米级孔隙，12.微米级裂缝，13.溶洞。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例：
本实用新型在现有技术的基础上为解决背景技术中的技术问题提出一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片，如图2所示，纳流体芯片的长、宽、高分别为38.20mm、21.69mm、2.00mm，包括封接(如阳极键合方式)的基片1和盖片2，其中，盖片2材质为硼硅玻璃，基片1材质为硅晶。如图1所示，基片1开有三对通孔，每对通孔等间距分布，每对通孔为一个注气口和注油口，注气口和注油口位于基片同一侧面。基片表面设有三条多孔介质，每条多孔介质采取S形迂回的流道形式，每条多孔介质通过微通道连通注气口和注油口；微通道宽度为200μm，深度为20μm。本实施例中，注油口也可以作为采油口。三条多孔介质从上到下分别为纳米级孔隙型多孔介质7、孔隙-裂缝型多孔介质8和孔隙-裂缝-溶洞型多孔介质9，分别用于模拟发育纳米级孔隙储层、孔隙-裂缝型储层和孔隙-裂缝-溶洞型储层。
本实施例中，每对通孔的位置对应于芯片夹具的流体接口。其中，芯片夹具为实验室中具有玻璃视窗的金属腔体，可以通过芯片夹具将芯片固定并且通过芯片夹具上的流体接口将芯片上的微纳米级流道与其余实验设备的通道连接。
纳米级孔隙型多孔介质7内部包含大量纳米级孔隙11和基质，孔隙-裂缝型多孔介质8内部包含大量纳米级孔隙11、基质和微米级裂缝12；孔隙-裂缝-溶洞型多孔介质9内部包含大量纳米级孔隙11、基质、微米级裂缝12和溶洞13。其中，孔隙-裂缝型多孔介质8采取双层叠置方法，具体在加工时先湿法刻蚀纳米级孔隙11，然后在纳米级孔隙11中叠加微米级裂缝12，将裂缝图形对应的部分刻蚀为微米级；孔隙-裂缝-溶洞型多孔介质9采取三层叠置方法，具体在加工时先湿法刻蚀纳米级孔隙11，然后在纳米级孔隙11中叠加微米级裂缝12，将裂缝图形对应的深度刻蚀为微米级，最后再叠加溶洞13，并将溶洞对应的深度刻蚀为微米级。
纳流体芯片中的基质通过湿法刻蚀得到，基质与孔隙直径比在1～3之间。直径比过小，则会导致加工过程中孔隙流道不稳定，容易塌陷；直径比过大，则会导致整个多孔介质的孔隙度过小，饱和流体量太少，无法满足观察要求。
纳米级孔隙11深度为纳米级，直径(宽度)为微米级。采取该种设计既能保证流体流动的特征长度是纳米级(深度)，且能用光学显微镜观察(微米级直径)的要求。纳米级孔隙11深度设计范围为10～1000nm范围，孔隙直径与孔隙深度的比值一般不超过100，确保加工过程中流道结构稳定，孔隙深度的选择依据实际页岩储层孔隙尺寸中值设定。微米级裂缝12和微米级溶洞13指的是深度为微米级，裂缝和溶洞的宽度为微米，且宽度和深度的比值在1～10为宜。
为充分利用纳流体芯片空间，增加多孔介质(内部包含孔、洞、缝等多尺度空间)长度，每条多孔介质采取S形迂回的流道形式，多孔介质宽度100μm～1000μm为宜，长度设计可达几厘米至几十厘米，具体的多孔介质几何结构设计需要平衡长度和宽度的关系，因采用的是S形迂回设计，增加多孔介质宽度则必然减少多孔介质的长度，增加多孔介质的长度则必然减少多孔介质的宽度。
更为具体的，第一通孔对包括第一注气口3-1和第一注油口3-2，第一注气口3-1和第一注油口3-2位于基片1上部的左右两侧，第一微通道6-1的宽度为200μm，深度为20μm，是流体注入口和多孔介质的连接通路，纳米级孔隙型多孔介质7内部包含大量纳米级孔隙和基质，多孔介质宽度200μm，S型迂回的总长度为5.72cm，第一注气口3-1、第一注油口3-2、第一微通道6-1和纳米级孔隙型多孔介质7相互连接共同构成了模拟注气与原油在孔隙型储层内多级接触混相的完整物理模型。如图3所示，纳米级孔隙型多孔介质7的长、宽分别为5.72cm、200μm，内部包含纳米级孔隙11、基质包括两种直径不同的基质结构——基质10-1和基质10-2。基质10-1和基质10-2的直径分别为10μm和4μm，不同基质之间形成了纳米级孔隙11，孔隙平均直径为5μm，深度为100nm，基质颗粒以阵列形式布满多孔介质内，从而模拟纳米级孔隙型储层。
第二通孔对包括第二注气口4-1和第二注油口4-2，第二注气口4-1和第二注油口4-2位于基片1中部的左右两侧，第二微通道6-2宽度为200μm，深度为20μm，是流体注入口和多孔介质的连接通路，孔隙-裂缝型多孔介质8内部包含大量纳米级孔隙、基质和微米级裂缝，多孔介质宽度200μm，S型迂回的总长度为5.72cm，第二注气口4-1、第二注油口4-2、第二微通道6-2和孔隙-裂缝型多孔介质8相互连接共同构成了模拟注气与原油在孔隙-裂缝型储层内多级接触混相的完整物理模型。如图4所示，孔隙-裂缝型多孔介质8的长、宽分别为5.72cm、200μm，内部包含纳米级孔隙11、基质10-1和10-2、微米级裂缝12。实施例3是在实施例2的纳米级孔隙型多孔介质7基础上叠加微米级裂缝12进行刻蚀，单个微裂缝宽度为5μm，深度为1μm，从而模拟孔隙-裂缝型储层。
第三通孔对包括第三注气口5-1和第三注油口5-2，第三注气口5-1和第三注油口5-2位于基片1下部的左右两侧，第三微通道6-3宽度为200μm，深度为20μm，是流体注入口和多孔介质的连接通路，孔隙-裂缝-溶洞型多孔介质9内部包含大量纳米级孔隙、基质、微米级裂缝和溶洞，多孔介质宽度200μm，S型迂回的总长度为5.72cm，第三注气口5-1、第三注油口5-2、第三微通道6-3和孔隙-裂缝-溶洞型多孔介质9相互连接共同构成了模拟注气与原油在孔隙-裂缝-溶洞型储层内多级接触混相的完整物理模型。如图5所示，孔隙-裂缝-溶洞型多孔介质9的长、宽分别为5.72cm、200μm，内部包含纳米级孔隙11、基质10-1和10-2、微米级裂缝12和溶洞13。实施例4是在实施例3的孔隙-裂缝型多孔介质8基础上叠加微米级溶洞13进行刻蚀，单个溶洞宽度为10～20μm，深度为10μm，从而模拟孔隙-裂缝-溶洞型储层。
最后应说明的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片，其特征在于，包括：盖片和基片，所述盖片和所述基片通过封装的方式连接；所述基片开有三对通孔，每对通孔等间距分布，每对通孔为一个注气口和注油口，注气口和注油口位于基片同一侧面；基片表面设有三条多孔介质，每条多孔介质采取S形迂回的流道形式，每条多孔介质通过微通道连通注气口和注油口；三条多孔介质从上到下分别为纳米级孔隙型多孔介质、孔隙-裂缝型多孔介质和孔隙-裂缝-溶洞型多孔介质。
2.如权利要求1所述的一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片，其特征在于，所述微通道宽度为200μm，深度为20μm。
3.如权利要求1所述的一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片，其特征在于，所述每对通孔的位置对应于芯片夹具的流体接口。
4.如权利要求1所述的一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片，其特征在于，所述盖片材质为硼硅玻璃，基片材质为硅晶。
5.如权利要求1所述的一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片，其特征在于，所述纳米级孔隙型多孔介质内部包含大量纳米级孔隙和基质，所述孔隙-裂缝型多孔介质内部包含大量纳米级孔隙、基质和微米级裂缝；所述孔隙-裂缝-溶洞型多孔介质内部包含大量纳米级孔隙、基质、微米级裂缝和溶洞。
6.如权利要求5所述的一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片，其特征在于，所述纳流体芯片中的基质通过湿法刻蚀得到，基质与孔隙直径比在1～3之间。
7.如权利要求6所述的一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片，其特征在于，所述基质包括两种直径不同的基质颗粒，基质颗粒以阵列形式布满多孔介质内，不同基质之间形成纳米级孔隙。
8.如权利要求1所述的一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片，其特征在于，所述纳米级孔隙深度为纳米级，直径为微米级。
9.如权利要求1所述的一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片，其特征在于，纳流体芯片的尺寸为38.2mm*21.69mm*2mm。
10.如权利要求1所述的一种具有迂回多孔介质流道的纳流体芯片，其特征在于，所述多孔介质宽度为100μm～1000μm。
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Cited By (1)
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| CN116643031A (zh) * | 2023-07-27 | 2023-08-25 | 东北石油大学三亚海洋油气研究院 | 用于测定co2-原油最小混相压力的装置以及方法 |
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Cited By (2)
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| CN116643031A (zh) * | 2023-07-27 | 2023-08-25 | 东北石油大学三亚海洋油气研究院 | 用于测定co2-原油最小混相压力的装置以及方法 |
| CN116643031B (zh) * | 2023-07-27 | 2023-09-22 | 东北石油大学三亚海洋油气研究院 | 用于测定co2-原油最小混相压力的装置以及方法 |
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