一种变孔喉数量的微通道实验装置

摘要

本发明公开了一种变孔喉数量的微通道实验装置，其特征在于，包括由下板和上板键合而成的样片；样片上的通道通过在下板上蚀刻、在上板上开通孔以及使二者键合得到；样片由上盖板、下底板以及橡胶密封垫封装，并且两端的开口分别与毛细管连接；其中，样片上的通道包括主导管和多条一端与主导管连接的支路通道；主导管上开设有一个主开口，每个支路通道的另一端都设有一个分支开口；除其中一条支路通道上没有设置孔喉结构外，其余支路通道上依次设置有1个、2个、...、N个孔喉结构，其中，N为大于等于1的自然数；喉道的特征尺寸为1～50μm。本发明与已有微通道相比考虑了孔喉结构及其数量对微尺度渗流的影响。

权利要求

1.一种变孔喉数量的微通道实验装置，其特征在于，包括由下板和上板键合而成的样片；样片上的通道通过在下板上蚀刻、在上板上开通孔以及使二者键合得到；样片由上盖板、下底板以及橡胶密封垫封装，并且两端的开口分别与毛细管连接；其中，样片上的通道包括主导管和多条一端与主导管连接的支路通道；主导管上开设有一个主开口，每个支路通道的另一端都设有一个分支开口，且样片上每个支路通道均与主导管垂直设置；除其中一条支路通道上没有设置孔喉结构外，其余支路通道上依次设置有1个、2个、...、N个孔喉结构，且多个孔喉结构之间依次串联在一起，其中，N为大于等于1的自然数；喉道的特征尺寸为1～50μm；每个孔喉结构均包括孔道、喉道以及设置在二者之间的过渡段；其中，喉道宽度为1～50μm；孔道和喉道的宽度比为5:1～20:1；同一样片上的每一条通道的深度都相同，通道深度为喉道宽度的0.5～2.0倍；过渡段长度为喉道长度的0.5～

2.0倍。

2.根据权利要求1所述的一种变孔喉数量的微通道实验装置，其特征在于，下板采用硅片制成，上板采用玻璃片制成。

3.根据权利要求2所述的一种变孔喉数量的微通道实验装置，其特征在于，硅片的厚度为0.2～1.0mm，玻璃片的厚度为0.5～1.5mm。

说明书

一种变孔喉数量的微通道实验装置

技术领域：

[0001] 本发明属于微尺度渗流领域，具体涉及一种变孔喉数量的微通道实验装置，用于实验探究孔喉结构及其数量对微尺度渗流情况的影响。背景技术：

[0002] 低渗透油田在我国油田开发中有着重要意义。我国新发现的低渗透油藏占到新发现的油气藏的一半以上，并且其产能建设规模占到总量的70％以上，已经成为油气开发建设的主战场，例如，我国长庆、延长、新疆等油区都存在数量相当可观的非常规低渗透油藏。由于低渗透的特性以及技术的限制，低渗透油藏不仅采收率比较低，而且还要消耗大量的能源。因此，通过研究低渗透微尺度渗流以便高效开发低渗透油田也已经成为我国油田开发工作中的一个重点。

[0003] 传统的渗流主要研究多孔介质的宏观特性，并不能确切了解油水驱替过程油滴移运的微观机理。夹珠模型、光刻玻璃模型和砂岩微观模型等，虽然可以对微观渗流现象进行可视化观测，但是不能对微观渗流过程的流动参数进行测量，缺少微流动过程的测量数据来支撑对可视化观测结果的定量力学分析。因而，需要对渗流的内在机理进行介观尺度的研究，即研究流体在微尺度通道中的渗流特性。另外，传统的硅基微通道模型一般为直通道，不能模拟岩心样本中实际存在的孔隙-喉道微观结构及其数量对渗透率等微尺度渗流参数的影响。

[0004] 由此看来，现在基于微通道模型对微尺度渗流介观机理的研究还存在一些问题，有待改进和改善。发明内容：

[0005] 本发明的目的在于提供一种变孔喉数量的微通道实验装置，用于在相同流量条件下通过测量不同通道的压差来探究孔喉结构及其数量对微尺度渗流状况的影响，以及用于在相同压差条件下通过测量不同通道的流量来探究孔喉结构及其数量对微尺度渗流状况的影响。

[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

[0007] 一种变孔喉数量的微通道实验装置，包括由下板和上板键合而成的样片；样片上的通道通过在下板上蚀刻、在上板上开通孔以及使二者键合得到；样片由上盖板、下底板以及橡胶密封垫封装，并且两端的开口分别与毛细管连接；其中，

[0008] 样片上的通道包括主导管和多条一端与主导管连接的支路通道；主导管上开设有一个主开口，每个支路通道的另一端都设有一个分支开口；除其中一条支路通道上没有设置孔喉结构外，其余支路通道上依次设置有1个、2个、...、N个孔喉结构，其中，N为大于等于1的自然数；喉道的特征尺寸为1～50μm。

[0009] 本发明进一步的改进在于，每个孔喉结构均包括孔道、喉道以及设置在二者之间的过渡段；其中，

[0010] 喉道宽度为1～50μm；孔道和喉道的宽度比为5:1～20:1；同一样片上的每一条通道的深度都相同，通道深度为喉道宽度的0.5～2.0倍；过渡段长度为喉道长度的0.5～2.0倍。

[0011] 本发明进一步的改进在于，下板采用硅片制成，上板采用玻璃片制成。

[0012] 本发明进一步的改进在于，硅片的厚度为0.2～1.0mm，玻璃片的厚度为0.5～1.5mm。

[0013] 本发明进一步的改进在于，样片上每个支路通道均与主导管垂直设置。

[0014] 与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

[0015] 本发明对真实的岩心样本进行分析，模拟出含有孔隙-喉道结构的微通道模型；本发明与传统的渗流模型相比，采用了尺寸确定的微通道，能够测量微观渗流过程的相关参数，对渗流过程进行定量分析，对微观渗流的内在机理进行介观尺度的研究；本发明与已有微通道相比考虑了孔喉结构及其数量对微尺度渗流的影响；本发明中样片的主开口和支路开口都可以作为进口，主开口作为进口可以用于探究各支路通道压差相同情况下孔喉结构及其数量对微尺度渗流的影响，支路开口作为进口可以用于探究各支路通道流量相同情况下孔喉结构及其数量对微尺度渗流的影响；以喉道宽度为基准分为多组样片，能够提高实验的准确性；本发明中的样片采用微蚀刻技术和键合技术进行加工，能够满足对微小尺寸的要求；本发明采用上盖板、下底板以及橡胶密封垫对样片进行封装有利于保护样片，方便与外部管路进行连接，并且便于显微观察微通道中的流动情况。

[0016] 综上所述，本发明以真实的岩心模型为基础抽象出带有孔隙-喉道结构的微观模型，采用MEMS微蚀刻技术进行加工，用于探究孔喉结构及其数量对微尺度渗流的影响。附图说明：

[0017] 图1～图7为本发明提供的一种变孔喉数量的微通道实验装置的结构示意图(以4条通道为例)。

[0018] 图1和图2分别为样片的平面示意图和立体结构示意图，其中：1为主导管，2为支路通道，3为主开口，4为支路开口，5为孔喉结构。图3表示了其具体结构，包括孔道、喉道以及二者之间的过渡段。

[0019] 图4和图5分别表示的是样片的硅片下板和玻璃片上板。

[0020] 图6为本发明所述的一种变孔喉数量的微通道实验装置的各部件装配关系示意图。

[0021] 图7为本发明所述的一种变孔喉数量的微通道实验装置的立体结构示意图。具体实施方式：

[0022] 以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

[0023] 本发明采用MEMS微蚀刻技术在硅片上蚀刻出设计的微通道，其中硅片的厚度大于微通道深度；在玻璃片上板与硅片下板微通道对应的位置开有通孔作为主开口和支路开口；采用阳极键合技术将作为下板的硅片与作为上板的玻璃片键合得到样片；使用有机玻璃加工封装样片用的上盖板和下底板，其中下底板开有沉槽，恰好容纳样片，上盖板中间开有方形通孔，便于显微观测样片通道中的流动状况，上盖板与样片上开口的相应位置上开有通孔，便于与外部管道连接；橡胶密封垫与有机玻璃上盖板形状一致；用螺栓封装好有各部件，从下到上依次是机玻璃下底板、样片、橡胶密封垫和有机玻璃上盖板，一方面便于固定和保护样片，另一方面便于使样片与外部毛细管连接；上端开口与毛细管连接。

[0024] 以喉道宽度为10μm的一组样片为例对样片的结构进行说明：各条支路通道相互平行，其中一端与主导管连通，另一端与支路开口连通；支路通道中的一条没有设置孔喉结构，其余支路通道设置的孔喉结构数量按照一定规律变化(以1个、3个、5个孔喉结构为例)；孔道、喉道以及过渡通道有相同的深度(其值以10μm为例)，孔道宽度与喉道宽度的比例一定(以10:1为例)，过渡通道孔 道由孔道逐渐过渡到喉道；采用强度好的玻璃材质硅片键合得到样片。

[0025] 本发明使用的方法是：以主开口端作为进口端、支路开口作为出口端，在进口处给定一定压力的流体，出口端接流量计，分别测量通过各个支路通道的流量，结合其它观察和测量手段求解出各通道的渗透率等参数；以支路开口作为进口端、主开口作为出口端，在各个进口提供等流量的流体，分别测量各条支路通道的进出口压差，比较各支路通道压差的情况，得出孔喉结构及其数量对微尺度渗流的影响。

[0026] 以各支路等流量为例，阐述实验的具体实施步骤：

[0027] 1)利用氮气和去离子水洗净并吹干样片中的微通道以及连接管道；

[0028] 2)连接各部分管道：支路开口作为进口，分别接注射泵；主开口作为出口；

[0029] 3)在样片前后接压差变送器，将实验部分置于恒温环境中并使用温度传感器检测实验温度；

[0030] 4)调节各台注射泵至相同的注射流量，同时开启各台注射泵；流动状况稳定后开始记录各支路压差值；

[0031] 5)处理数据：根据所得定流量条件下各支路的压差值分析得到孔喉结构及其数量对流动阻力、渗透率等微尺度渗流相关参数的影响。