用于表征多孔介质中孔隙尺度事件过程以应用于石油开采的微流控装置

本实验的总体目标是快速制备一种具有可定制几何结构的微流控装置，用于石油采收率研究。该方法使我们能够研究多孔介质中的多相流动。通过利用微流控系统对这类复杂流动进行直接可视化观察，我们可以为大规模油藏系统设计出更高效的提高石油采收率方法。

该技术的主要优势在于能够以安全且经济的方式快速收集数据，并比较不同的提高石油采收率方法。该方法有助于深入理解提高石油采收率的作用机制，还可应用于其他体系，如二氧化碳封存和含水层修复。

首先，使用 CAD 软件设计一个光刻掩模，该掩模包含一个充满阵列微柱的矩形微通道。将此图案曝光于涂有 20 微米光刻胶的硅晶圆上。然后按照随附文本方案中所述方法，利用此母版制作 PDMS 模具。

将洁净的PDMS模具带有图案的一面朝上放置于无尘的150毫米塑料培养皿底部。让PDMS在塑料表面附着10秒，然后用透明塑料胶带保护PDMS表面。此步骤可暂停操作。

接下来，从图案表面移除胶带，并将光学胶倒入培养皿中，使其深度达到模具顶面以上约 0.9 厘米。使用棉签轻轻去除形成的任何气泡。然后，按照随附的文字实验方案，使用紫外光固化系统固化光学胶。

接下来，使用美工刀小心地将光学胶从模具中剥离出来。然后，使用一把坚固的剪刀剪去设计边缘多余的光学胶。缓慢地将PDMS模具从光学胶圆片上剥离。

使用1毫米活检打孔器，在装置上制作出入口、出口和排水孔。最后，用透明胶带保护光学胶和PDMS表面的图案化区域。将一张新的载玻片放置在旋涂仪上，并在载玻片上滴加1毫米光学胶。

分两步进行旋涂。首先以500 RPM转速旋转5秒，然后将转速提高至4000 RPM，再旋转20秒。迅速将基底转移至紫外光处理装置，在紫外光下对薄层光学胶进行部分固化，持续30秒。

接下来，将光学胶铸模的图案面朝上，以及基底的涂覆面朝上，放入氧气等离子体清洗机中。抽真空至540毫托，然后对表面进行20秒的等离子体处理。

完成后，取下部件并将两个处理过的表面紧密贴合，直至所有不需要的气泡被最小化或完全去除。然后将装置重新置于紫外光下，完全固化20分钟。接着，将装置放置在加热至50摄氏度的加热板上，持续18小时。

完成后，将长六英寸、内径为0.58毫米的低密度聚乙烯管插入装置的各个端口。然后，加入快干环氧树脂以固定管路。使用胶带将微流控装置固定在配备高速相机的倒置显微镜上。

选择4倍物镜并聚焦于感兴趣区域。此处显示的是装置的入口区域。然后，将三毫升原油或模拟油装入带有23号工业分配针头的10毫升玻璃注射器中。

将注射器固定在注射泵支架上，并在注射泵设置中输入相应的直径值。接着，将一毫升置换液吸入一个带有23号工业分配针头的三毫升塑料注射器中。将该注射器固定在注射泵支架上，并再次在注射泵设置中输入相应的直径值。

将排驱流体连接至装置的入口，方法是将针头插入管路中。然后将充满油的注射器连接至其端口。以每小时2毫升的流速开始将油注入装置的出口端口，同时以每小时0.8毫升的流速将排驱流体注入入口端口。

本演示将使用可选的泡沫发生器。收集流出液至一个 20 毫升的玻璃小瓶中，直至两种液体均从排水口流出。驱替液不应进入多孔介质，而应直接从排水口排出，直到相机就位并开始拍摄为止。

以足够快的帧率开始拍摄多孔介质装置上目标区域的影像，以捕捉所需的现象。同时，拍摄一张油饱和度为100%区域的静态图像。随后，迅速且同时剪断输油管路，并用5厘米长的文件夹夹子夹紧排水管。

让驱替流体持续进入装置，直至油相驱替达到稳态或相机存储空间耗尽。此处展示了油饱和微模型的典型实验结果。在裂缝区域，泡沫如预期般转向渗透率较低的基质区域。

泡沫主要通过两种机制生成，即断裂分离（pinch-off）和液膜分裂（lamella division）。泡沫的破坏可通过聚并、毛细管抽吸和扩散粗化等形式被轻易识别。通过该方法，我们实际上能够利用这些微流控系统研究其他提高石油采收率的过程，例如碱驱、聚合物驱、表面活性剂驱，以及用于研究其他复杂的多孔介质过程，如含水层修复。

因此，另一个研究兴趣是利用这些微流控装置来研究碳捕获与封存。通过这些微流控系统，我们能够观察二氧化碳在多孔介质中被封存的具体机制。