微流控技術在石油工程流體流變性測試中的應用

王曉璞， 丁廷稷， 陳 哲， 徐加放

(中國石油大學(華東) 海洋油氣工程系， 山東 青島 266580)

微流控技術在石油工程流體流變性測試中的應用

王曉璞， 丁廷稷， 陳 哲， 徐加放

(中國石油大學(華東) 海洋油氣工程系， 山東 青島 266580)

借助微流控技術和數(shù)值模擬，設計了一套通過觀測流體流場確定流體流變性的實驗體系。實驗結果表明：實際流場分布與模擬結果基本吻合，所測得的平均流速為74.84 μm/s,和實驗設定75 μm/s接近，且計算所得的動力黏度值與參考值相符；所測油品在不同溫度下的流場皆與模擬曲線相吻合，說明該實驗測定流體黏度精確度高；得到了較大溫度范圍內流變性的定量變化規(guī)律，所測油品皆在低于300 K時油品的動力黏度隨溫度降低呈指數(shù)性增長。該方法簡單可行、準確度高，適用于相關學科的本科教學實驗。

石油； 流變性； 微流控技術； 數(shù)值模擬

微流控芯片(microfluidics)又稱為芯片實驗室(Lab-on-a-chip),是指在一塊面積很小(約幾cm2)的透明載體(如玻璃、塑料等)上構建的尺寸精確的化學或生物實驗室[1]，它實現(xiàn)了化學和生物實驗室常規(guī)功能的集成,具有高靈敏度、高精度、透明可視化、低成本等特點,是一種新興的分析檢測手段[2]。國外已經(jīng)將微流控技術引入到了化學、生物、醫(yī)藥、環(huán)境等各個領域,并使之發(fā)揮了重要的作用[3-4]。我國的微流控芯片技術起步較晚,但發(fā)展很快,如林炳承、王立鼎、方肇倫等人都為我國微流控技術的應用提供了很好的理論指導和現(xiàn)實意義[5]。

在石油工程領域,涉及流體的問題很多,如從流動形式包括油氣水的滲流、管流、環(huán)空流等,流動狀態(tài)包括層流、紊流、段塞流等。目前,這些問題的傳統(tǒng)教學研究手段十分有限,且耗時耗材、精度不高,而微流控技術為這些問題的教學與研究提供了新的可能。

1 實驗設計背景

2014年,3.1億噸的原油進口量標志著我國成為世界第一原油進口國,此進口量占我國原油消費總量的59.6%,也意味著我國能源消耗巨大[6]，迫使我國尋找更多的油氣資源。南海幅員遼闊,蘊藏著豐富的油氣資源,具有巨大的開發(fā)潛力,然而大多數(shù)油氣資源蘊藏于1 000～1 500 m甚至更深區(qū)域[7],開發(fā)難度大,而鉆井液須經(jīng)歷從水下低溫到地層溫度的大溫差交變作用,所以鉆井液的流變性調控是難點之一[8]。

目前低高溫交變作用對深水鉆井液流變性的影響規(guī)律,以及化學藥劑的調控作用和微觀機制尚不清楚,對鉆井液流變性調控比較盲目,易引起井下復雜情況甚至井噴等惡性事故[9]。因此,理解溫度對流體流變性的影響規(guī)律不僅是對流體力學課的應用與補充,更是石油工程、海洋油氣工程、油氣集輸工程等專業(yè)的重要學習內容之一。通過該實驗體系掌握溫度與流體流變性的關系,將會對理解環(huán)空流、滲流、深水鉆井液設計等提供有力的支持與幫助。

傳統(tǒng)的鉆井液流變參數(shù)的測量依靠旋轉黏度計完成,但旋轉黏度計僅限于常壓下某幾個溫度點的流變性測量,且精度較低。針對深水鉆井液的特點,雖然已有專門的儀器可以測定低高溫及高壓條件下的鉆井液流變性能[10],但是現(xiàn)有儀器價格昂貴、操作復雜,不能普遍適用于本科及研究生日常教學。因此本文提出一套新的可行性教學方案,借助微流控芯片技術和COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件,通過對流體流場的觀測及擬合,得到恒壓下溫度對流體流變性的影響規(guī)律,并可擴展到對變壓變溫條件下流變性的認知,從而使學生理解流體力學相關知識點并掌握其應用。

2 實驗設置與原理

本文以水和油為例,就溫度對鉆井液流變性的影響規(guī)律進行實驗驗證和數(shù)值模擬研究。

2.1 實驗裝置與試劑

本次實驗使用的微流控芯片通道構型為單直通道,如圖1所示，其一面為聚二甲基硅氧烷高分子材料(PDMS),底面載體為玻璃。微通道寬為460.5 μm、高為44.2 μm。

圖1 單直通道芯片

整體實驗裝置如圖2所示,由微量進樣器、微流控芯片等組成。其中微量進樣器和微流控芯片通過特氟龍管線連接。微量注射泵用于對水的流變性的基本觀測。當觀測流體為油時,微量注射泵換為恒壓泵,用以研究壓力一定時,溫度對流體流變性的影響規(guī)律。

圖2 鉆井基液流變性實驗裝置

實驗試劑包括尼羅紅熒光顆粒,顆粒直徑為1 μm。實驗流體分別為去離子水、機油、甘油。

2.2 實驗原理

因為微通道的寬高比大于10∶1,所以管道內的流場近似認為是在二維平面上分布，而且實驗設定的流速范圍保證流體處于層流狀態(tài),故流體在微通道內的流動近似與圓管層流的規(guī)律一致。根據(jù)圓管層流理論,結合N-S方程和連續(xù)性方程的化簡可知流速u分布方程為

(1)

式中：u為管內某點的流速,m/s；Δp為管路兩端壓差,Pa；L為管路長度,m；R為管路有效半徑,m；r為觀測點距軸線距離,m。

式(1)表明,圓管有效斷面上各點流速u與該點所在半徑呈二次拋物線關系,微流控芯片內流體的層流流速分布示意圖見圖3,即軸線處流速為最大值,向兩側流速逐漸降低。

圖3 芯片內流體的層流流速分布示意圖

實驗過程中,將含有熒光顆粒的樣品吸入微量進樣器,通過微量注射泵或恒壓泵以一定的流量注入微流控芯片并保持注入狀態(tài),芯片內樣品將在通道內以設定的流速流動,而熒光顆粒隨流體流動,且與該流層的流體具有相同的速度。通過顯微鏡可觀察到芯片內樣品的流動,使用照相機進行適當?shù)拈L曝光,可得到樣品跡線的照片。在設定的曝光時間下取得的照片,每顆熒光顆粒留下一條軌跡。某一熒光顆粒可代表流體中該處的質點,該熒光顆粒的軌跡可看作該處質點的跡線。通過分析質點跡線的長短可量化得到流體在微流管道中的速度分布,并通過COMSOL Multiphysics的模擬工作驗證實驗結果的正確性。

COMSOL Multiphysics是一款基于有限元法的數(shù)值模擬軟件,在多領域的科學研究以及工程計算都可應用,被稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”[11]。該軟件可模擬科學和工程領域的各種物理過程,憑借著高效智能的計算方法、多場雙向直接耦合的分析能力等特點,被并廣泛應用于聲學、流體力學、結構力學、量子力學、多孔介質等領域。

3 實驗結果與討論

3.1 水相的流場觀測與模擬驗證

為了驗證實驗的可行性,首先針對去離子水進行實驗,觀測并模擬其流場,具體實驗步驟如下：

(1) 直接使用熒光顆粒溶液作為樣品進行實驗,用微量進樣器吸入熒光顆粒溶液適量,然后將微量進樣器架設在微量注射泵上,在微量注射泵面板上設定相關參數(shù)后,即可開始注入樣品；

(2) 開啟微量注射泵向微流控芯片注射樣品,將樣品充滿微流控芯片通道并流出少許后暫停注入,然后調整顯微鏡,使目鏡下的視野為微流控芯片通道中段,且大小適當,將照相機與顯微鏡連接,并調整焦距；

(3) 設置溫控平臺溫度為298 K,待溫度達到設定溫度后開啟微量注射泵,觀察到流動穩(wěn)定后,開始拍照,照片數(shù)量可根據(jù)實際效果決定,但不應少于5張；

(4) 照片收集后,利用圖形分析軟件進行量化分析,從而得到特定溫度和特定流速下的去離子水流場分布,如圖4所示。

圖4 298 K下去離子水的流場分布與模擬結果對比

由圖4可知,由熒光顆粒跡線分析所得的流場分布符合圓管層流理論解析解的拋物線形式,且流速于管軸處最大,實際流場分布與模擬結果基本吻合。由實驗結果擬合所得的平均流速為74.84 μm/s，和實驗設定的平均流速75 μm/s接近,由此計算所得的水的動力黏度μ(0.8985 cP)與查表及模擬所用的值皆一致,代表實驗方案準確可行。

3.2 油相的流場觀測與模擬驗證

熒光顆粒表面進行疏水性處理后,加入油相以指示其流場分布,具體操作步驟與水相觀測一樣,但注入方式從恒流改為恒壓,即將流量注射泵換為恒壓泵,進口壓力控制為1.5個大氣壓。且完成一組觀測后,將溫控平臺的溫度調整至348 K,待系統(tǒng)穩(wěn)定將測量步驟再重復一遍。得到的流場分布與模擬結果見圖5和圖6。

圖5 機油在298 K和348 K下的流場分布與模擬結果對比

圖6 甘油在298 K和348 K下的流場分布與模擬結果對比

由圖5可知,在恒壓條件下,機油流場可通過實驗觀測測得,通過擬合可得其動力黏度在298 K時為0.574 Pa·s,348 K時動力黏度降低為0.028 Pa·s,可見溫度對動力黏度影響顯著,且兩組實驗數(shù)據(jù)皆與模擬曲線相吻合。由圖6可知,甘油的動力黏度在298 K時為0.995 Pa·s,348 K時為0.024 Pa·s,且兩組實驗數(shù)據(jù)皆與模擬曲線相吻合。對比圖5與圖6,溫度升高皆起到了降黏的作用,且不同溫度下流體流場差別顯著,擬合黏度與參考值吻合,說明該實驗測定流體黏度準確有效,且可定量分析溫度等因素對流變性的影響。

3.3 溫度對油相流場影響與黏度結果擬合

在更多溫度條件下對兩種油品的流場分布進行了模擬,并選取了其中5條曲線以便說明。機油和甘油在不同溫度下的速度分布曲線分別見圖7和圖8?？梢钥闯?機油的速度分布曲線近似為平板型層流曲線，明顯區(qū)別于甘油的尖峰型層流曲線。平板型層流有利于攜帶巖屑及井壁穩(wěn)定[12],符合機油的特點要求,也是鉆井液所需要的特性。

圖7 不同溫度下機油流速分布曲線

圖8 不同溫度下甘油流速分布曲線

進一步對比機油與甘油的流速分布曲線可得,在273 K～373 K的溫度變化范圍內,機油的黏度不斷降低,而甘油的黏度從323 K開始便不再隨溫度的升高發(fā)生明顯的變化。

通過圓管層流理論提取不同溫度下的流體黏度,則可得動力黏度變化曲線,如圖9和圖10所示。并利用阿倫尼烏斯公式進行擬合,機油和甘油的動力黏度μ的擬合公式如下：

(2)

(3)

式中:μ為流體的動力黏度,Pa·s；T為溫度,K。

從圖9和10中可以看出,隨著溫度的降低,兩種油品的動力黏度皆增大。特別是在低于300K時,流體黏度受溫度的影響很大,黏度隨溫度降低呈指數(shù)性增長；溫度較高時對流體的黏度影響不是很明顯。這也充分表明,低溫流變性的調控是深水鉆井液必須要攻克的難題之一。通過實驗,使學生從實際和理論兩方面對這一問題得到更深層的認識，同時也可借助這一實驗體系對“恒流變”鉆井體系進行設計與驗證。

圖9 不同溫度下機油黏度變化曲線

圖10 不同溫度下甘油黏度變化曲線

4 結論

(1) 在恒流下,水的實際流場分布與模擬結果基本吻合,由實驗結果擬合所得的平均流速為74.84 μm/s，和實驗設定的平均流速75 μm/s誤差較小,且計算所得的動力黏度值與參考值相符；

(2) 在恒壓條件下,測得機油在不同溫度下的流場,并得到其動力黏度在298 K和348 K時分別為0.574 Pa·s和0.028 Pa·s,與模擬曲線相吻合；甘油的動力黏度在298 K和348 K時分別為0.995Pa·s和0.024 Pa·s,與模擬曲線相吻合,說明該實驗測定流體黏度精確度高,可定量分析溫度對流變性的影響；

(3) 利用阿倫尼烏斯公式進行擬合,可得到較大溫度范圍內溫度對流變性影響的定量規(guī)律,在低于300 K時油品的動力黏度隨溫度降低呈指數(shù)性增長,說明研究低溫下深水鉆井液流變性調控是必要的；

(4) 加強了學生對流體力學中對N-S方程和動力黏度隨溫度變化知識點的理解,比傳統(tǒng)方法可研究的溫度點多很多、可進行低溫區(qū)域的研究、成本低、操作簡單可行,適于作為流體力學相關學科的本科教學實驗。

References)

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[2] 方肇倫.微流控芯片發(fā)展與展望[J]. 現(xiàn)代科學儀器,2001(4):3-6.

[3] Sackmann E K, Fulton A L, Beebe D J. The present and future role of microfluidics in biomedical research[J]. Nature, 2014,507(7491):181-189.

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[5] 方肇倫.微流控分析芯片發(fā)展與展望[J].大學化學,2001,16(2):1-6.

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[8] Xu L, Xu M B, Zhao L, et al. Experimental investigations into the performance of a flat-rheology water-based drilling fluid[J]. SPE Journal,2014,19(1):69-77.

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[10] 鄢捷年.鉆井液工藝學[M].東營：中國石油大學出社,2012.

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[12] 倪玲英.工程流體力學[M].北京:石油工業(yè)出版社,2013.

Application of microfluidic technology to test of fluid rheological properties in petroleum engineering

Wang Xiaopu, Ding Tingji, Chen Zhe, Xu Jiafang

(Department of Offshore Oil and Gas Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

By means of microfluidic technology and numerical simulation, an experimental system is designed to determine the rheological properties of the fluid by observing the fluid flow field. The experimental results show that the real velocity distribution is basically identical to the simulation result, the measured mean velocity of 74.84 μm/s is close to the set value of 75 μm/s, the calculated dynamic viscosity is consistent with the reference value, and the flow field of the measured oil under different temperatures is in agreement with the simulation curve, meaning that the experiment has good accuracy in the determination of viscosity, and obtaining quantitative variation law of the rheological properties over a wide temperature range. When the measured oil temperature is lower than 300 K, the dynamic viscosity of the oil increases exponentially with decreasing temperature. This method is easy, feasible and highly accurate, and is suitable for the undergraduate teaching experiment in the related subjects of Fluid Mechanics.

petroleum; rheological properties; microfluidic technology; numerical simulation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.016

2016-08-27 修改日期：2016-10-13

“973”計劃項目(2015CB251200)；國家自然科學基金項目(51509260)；“十三五”國家科技重大專項(2016ZX05044003)；山東省本科高校教學改革研究項目(2015M019)；山東省研究生教育創(chuàng)新計劃項目(SDYY15135)；中國石油大學(華東)教學研究與改革重點項目(JY-A201414)；中國石油大學(華東)研究生教育研究與教學改革項目(YJ-A1403)

王曉璞(1985—)男，山東陽谷,博士,講師，主要研究方向為石油環(huán)境污染處理、微流控芯片應用、環(huán)保型鉆井液開發(fā)等.

E-mail：xiaopu_wang@163.com

TP332.3；TB126

B

1002-4956(2017)2-0057-05