吴彬彬 ，王成胜，陈平，黄波，唐恩高
1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津塘沽300452
2.海洋石油高效开发国家重点实验室，北京朝阳100028
3.中海油研究总院有限责任公司，北京朝阳100028
作为三次采油常用的一种手段，泡沫驱具有优秀的调剖堵水和提高原油采收率的能力，在国内外多个油田的矿场试验中，均取得了良好的效果[1-6]。但泡沫驱仍未能大规模推广应用，原因在于泡沫注入存在压力大、易气窜、稳定性差及有效作用期短等缺点[7-8]。随着泡沫复合驱和强化泡沫驱的研究发展[9-12]，一定程度上解决了泡沫驱存在的问题，但也导致泡沫驱的使用条件更为苛刻。近年来，微泡沫驱油逐渐引起重视，由微气泡所带来的微尺度特性使得微泡沫具有很多不同于常规泡沫的性质，比如半衰期长、界面ζ 电位高、传质效率高、耐盐耐温性强等特性[13]。微泡沫的这些特性势必会产生不同于常规泡沫驱的驱油特性，如Telmadarreie 通过实验证明在相同的驱油效率下，微泡沫的注入压力仅有基液（未发泡）的1/5，具有更好的注入性能[14]。
尽管目前国内外针对微泡沫的性质进行了大量研究[15-18]，但关于微泡沫在地层中的渗流特性研究还较少。本文借助于微流控技术，通过设计制作集成模拟微气泡生成和模拟多孔介质中孔喉构型的微流控芯片，开展了液体类型、液体流速和气体压力对微气泡在变径通道中流动特性的影响，并采用数值模拟方法分析了微气泡在变径通道中流动时流体速度场和压力场的变化，以期增加对微气泡在多孔介质中运移规律的认识。
1.1 材料与仪器
实验所用微流控芯片的示意图如图1 所示，模拟多孔介质中单一喉道——孔道——喉道串联起来的变径通道构型，A 和B 分别是液体和气体的入口，C 为出口，实验时制备的微气泡为空气气泡，液体为去离子水和添加表面活性剂（吐温20，国药集团化学试剂有限公司，化学纯）的水溶液，气体为实验室内空气。
图1 模拟“喉—孔—喉”构型微流控芯片示意图Fig.1 Schematic diagram of“throat–hole–throat”microfluidic chip
实验所用微流控实验平台如图2 所示，由流动驱动系统和显微成像系统组成。实验仪器主要有：光学显微镜，德国Leica 公司；
高速摄像机，日本FASTCAM 公司；
压力控制器，安徽智微科技有限公司；
空气压缩机；
流量传感器，上海澎赞生物科技有限公司；
磁力搅拌器，德国IKA 公司；
电子天平，德国赛多利斯公司。
图2 可视化微流控实验系统Fig.2 Visual microfluidic experiment system
1.2 实验过程
本实验采用空气压缩机提供整个系统所需要的压力，经过精密压力控制器实现储液槽前段的压力控制，通过压缩封闭储液槽内的液相和气相分别从A、B 口进入芯片，两相流体在T 型通道处汇聚形成微气泡并经过变径通道，最后从C 口排出。液相的瞬时流率通过流量传感器控制，气相压力由压力控制器直接控制。当两相流动稳定后，采用光学显微镜和高速摄像机进行观察和记录。具体实验步骤如下：
（1）通过夹具将微流控芯片接入微流控实验系统，打开计算机、空气压缩机、压力控制器、显微镜、高速摄像机和计算机等实验仪器，通入空气检查芯片与毛细管的密封性。
（2）调整光学显微镜的放大倍数、亮度以及芯片位置，使观察目标区清晰地显示在视野中央。
（3）实验前先从A 口注入液体，待微通道中充满液体后开始从B 口通入空气。
（4）设定液体流速和气体压力，观察T 型通道处的气泡生成情况，待气泡生成稳定后，开启高速摄像机观察变径通道中微气泡的流动行为并记录数据。
（5）实验结束后，关闭所有实验仪器，并将压缩机中的压缩空气排出。
1.3 实验内容
（1）方案一：从A 口注入去离子水，B 口注入空气，设定液体流速和气体压力，观察图1 变径通道处（红色方框内）微气泡的流动行为，实验工况如表1所示。
表1 液体为去离子水时的实验工况Tab.1 Experimental conditions of deionized water
（2）方案二：从A 口注入0.02%吐温20 水溶液，B 口注入空气，设定液体流速和气体压力，观察图1中变径通道处（红色方框内）微气泡的流动行为，实验工况如表2 所示。
表2 液体为0.02%吐温20 水溶液时的实验工况Tab.2 Experimental conditions of 0.02%Tween 20 solution
2.1 建立模型
为了得到微气泡在通过变径通道时速度和压力的分布状况，采用基于Linux 的开源CFD 软件OpenFOAM，模拟了变径通道内微气泡融合和变形现象，模拟所用的三维几何模型如图3 所示。为了节省计算资源，模型省略了T 型微气泡生成结构，仅包括水平入口、中间宽通道以及通道出口。模型入口和出口段的窄通道宽度为50µm，长度为500µm，中间段宽通道的宽度为150µm，长度为1 000µm。然后采用OpenFOAM 自带的网格划分工具对计算模型进行离散化，经过多次模拟尝试，最后得到划分网格数为60×104个。
图3 计算域三维模型Fig.3 Three-dimensional model of calculation domain
2.2 边界条件及控制方程
实际两相流动较为复杂，为便于数值模拟，作以下假设[19]：（1）两相流体在微通道内以层流方式流动；
（2）两相流体均不可压缩且不与外界发生热交换；
（3）界面张力作为一个源项引入动量守恒方程；
（4）流动过程中不考虑重力作用。
因此，连续性方程和动量方程可分别表示为
控制方程中的密度和黏度均为混合属性，可通过式（4）和式（5）计算
使用OpenFOAM 软件中的界面压缩方法对VOF 模型进行优化，式（6）又可表示为
其中，方程式左边第三项为人工添加的压缩项，在非界面处为0。为确保相界面位置不发生改变，ul可表示为
式中：
c——可控压缩因子，c=0 时表示无压缩效应，c值越大表示压缩效应越强。本文选取c=1 进行界面压缩。
2.3 计算参数设置
数值模拟过程中，利用setFields 功能在计算域中生成微气泡，压力和速度的耦合采用PISO 算法。设置水相流速为0.149 m/s，出口为大气压，设置参考压力为0。模拟所用水相和气相的物性参数如表3所示。
表3 两相物性参数Tab.3 Physical properties of two phases
3.1 微气泡在“喉——孔”变径通道中的流动特性
3.1.1 实验结果及分析
（1）去离子水+空气生成微气泡
当以去离子水为液体时，实验观察到微气泡存在融合和不融合两种基本流动行为。通过分析多组实验数据，发现液体流速和气体压力对微气泡的流动特性具有重要的影响。液体流速和气体压力对微气泡融合行为的关系如图4 所示，微气泡是否发生融合存在明显的分界线，即图4 中黑色直线。只有当液体流速或气体压力达到一定值时才会在变径通道中发生融合。
图4 液体流速及气体压力对微气泡融合行为的影响Fig.4 Effects of liquid velocity and gas pressure on the fusion behavior of microbubbles
图5a 是液体流速Qwater=15µL/min，气体压力pair=70 kPa 时，微气泡在流经变径通道过程中不发生融合现象的实验图片。从图中可以看出，当微气泡从“喉道”流入“孔道”时会出现速度骤减（以红线为参照物，相同时间t=0.25 ms 内微气泡移动距离），由于微气泡间的距离较大，相邻微气泡不会接触融合，而是保持一段距离流动。
图5b 是液体流速Qwater=15µL/min，气体压力pair=110 kPa 时，微气泡在流经变径通道过程中发生融合现象的实验图片。这主要是由于相邻微气泡间的距离较小，第一个微气泡进入“孔道”后流动速度发生骤减，后续微气泡以较大速度进入“孔道”时与第一个微气泡接触，微气泡之间发生融合。在实验过程中，改变液体流速和气体压力时，在“孔道”内发生融合的微气泡数量也会有所不同。
图5 液体为去离子水时“喉——孔”变径通道内微气泡流动特性Fig.5 Flow characteristics of microbubbles in“throat–hole”channel when the liquid is deionized water
（2）0.02%吐温20 溶液+空气生成微气泡
当以0.02%吐温20 溶液为液体时，实验观察发现，微气泡在流经变径通道时都没有出现融合现象，微气泡的流动如图6 所示。当去离子水中添加表面活性剂时，由于微气泡周围被活性剂分子包裹，表面稳定性增加，即使微气泡在“孔道”内由于速度差发生接触也不会融合，形成上下两层交错气泡向下游流动。当微气泡开始进入“孔道”时，微气泡前缘流速减小并膨胀（t=0.15 ms）；
当微气泡尾部流出“喉道”时，速度骤降，微气泡受挤压变成扁平状（t=0.40 ms）。在表面张力作用下，微气泡迅速恢复成球形（t=0.75～1.50 ms）。在“孔道”中，微气泡的直径要小于通道宽度，在液体的扰动作用下，微气泡在通道内向下游流动的同时还会上下摆动，微气泡分布杂乱。
图6 液体为表面活性剂溶液时“喉—孔”变径通道内微气泡流动特性（Qwater=15µL/min，pair=160 kPa）Fig.6 Flow characteristics of microbubbles in“throat-hole”channel when the liquid is surfactant solution（Qwater=15µL/min，pair=160 kPa）
3.1.2 数模结果与分析
微气泡在变径通道中不发生融合时的流动行为较简单，不再深入分析。这里主要对微气泡从“喉道”进入“孔道”后发生融合的过程进行数值模拟，如图7 所示，数值模拟的微气泡在融合过程中的形态变化与实验结果基本一致，说明模拟具有一定参考性。
图7 微气泡融合的数模和实验结果比对Fig.7 Comparison of numerical simulation and experimental results of microbubble fusion
图8 是微气泡融合过程中流体速度分布变化情况。从图8 可以看出，流体在“孔道”中的流动速度要比在“喉道”中的流动速度低，这与实验观察到的现象一致（图5），当第一个微气泡进入“孔道”后，速度骤减，受后续微气泡的推挤作用，微气泡间的液体从第一个微气泡外侧快速流入“孔道”，相邻微气泡间的距离不断减小。t=0.10 s 时，两微气泡接触后融合，在表面张力的作用下沿着水平方向向中心点快速收缩，同时对液体产生扰动形成涡流，气泡周围液体速度明显增大，此过程中，流体速度的波动会对孔喉交接处产生“冲刷”，有助于驱动此处的残余油。微气泡融合稳定后变成体积更大的球形气泡。
图8 微气泡融合过程中通道内速度分布状况Fig.8 Velocity distribution in the channel during microbubble fusion
微气泡融合过程中通道内压力变化如图9 所示。从图中可以看出：微气泡内部压力明显高于液体的压力（图9a）；
“孔道”内微气泡的压力略低于“喉道”内压力（图9a）；
“孔道”中小气泡内部压力要大于大气泡内部压力（图9a 和图9f）。这说明当微通道结构尺寸小于微气泡直径时会对微气泡产生一定的限制作用，导致微气泡内部压力增大，微气泡内部压力与气泡大小存在一定的关系。当相邻两微气泡发生融合时，表面张力促使微气泡向中心运动，在“孔道”内融合变成大气泡后，气泡内部压力降低，同时“喉道”和“孔道”内部液体连通，压力趋于相同。
图9 微气泡融合过程中通道内压力分布状况Fig.9 Pressure distribution in the channel during microbubble fusion
3.2 微气泡在“孔——喉”变径通道中的流动特性
3.2.1 实验结果及分析
微气泡从“孔道”重新进入“喉道”时的流动情况如图10 所示。从图10 可以看出，无论液体为去离子水还是表面活性剂溶液，微气泡在“孔道”中稳定后，即相邻微气泡保持一定距离的匀速流动，当再次进入“喉道”时，微气泡会依次变形通过，不会发生融合。
图10 “孔—喉”变径通道中微气泡流动行为Fig.10 Flow behavior of microbubbles in“hole–throat”channel
3.2.2 数模结果及分析
从速度分布图11a 可以看出，“喉道”内流体流速要明显高于“孔道”，这是由于相同体积下流动截面越小，流动速率越大。微气泡受后续液体挤压变形后，微气泡内部气体会沿着通道中心快速流向“喉道”，同时微气泡内部和“孔道”内液体压力均增大，阻碍“孔道”内后续流体的流动，渗流阻力增加。
图11 “孔—喉”变径通道中微气泡流动过程中速度和压力分布状况Fig.11 Distribution of velocity and pressure in the process of microbubble flow in“hole-throat”channel
图12 是微气泡在流经“孔——喉”变径通道时，交接处“孔道”壁面液体速度的变化情况。
图12 微气泡流经“孔喉”变径通道时交接处壁面液体速度变化Fig.12 The change of liquid velocity on the wall of the interface whenmicrobubbles flow through the“hole-throat”channel
当微气泡头部开始进入“喉道”时对液体流动形成阻塞时（图12 中a 点），壁面处流速开始逐渐增加；
当微气泡尾部脱离“孔道”横向壁面时（图12 中c 点），交接处壁面液体流速达到最大；
随后，流速开始逐渐减小，直到微气泡完全进入“喉道”（图12 中d 点），流速恢复到正常。
（1）在不同液体流速和气体压力条件下，以去离子水+空气形成的微气泡在流经“喉——孔”变径通道时会产生接触融合和不融合两种流动特性，以0.02%吐温20 溶液+空气形成的微气泡在流经变径通道时均不会发生融合，说明微气泡保持一定的间距或在液相中添加表面活性剂可有效保持微气泡在多孔介质中流动时的稳定性；
而微气泡在流经“孔——喉”变径通道时，无论液相是去离子水还是0.02%吐温20 溶液，微气泡均是依次变形通过。
（2）结合数值模拟中压力和速度分布来看，微气泡在流经变径通道时，当微气泡发生融合或变形时，总是伴随着周围流体压力场和速度场的变化，压力场的波动可形成一定的渗流阻力，扩大微观波及体积，而速度场的波动有助于提高微观洗油效率。
（3）从实验结果延伸来看，油田水驱开发中后期，高渗通道中含水率高，注入表面活性剂+空气形成的微气泡在流经高渗通道时，表面活性剂被地层水稀释，微气泡易发生融合尺寸变大，在高渗孔喉处形成“贾敏效应”，产生封堵作用，迫使后续流体改变流向，从而实现扩大波及体积。因此，本文设计制作的微流控芯片在模拟微气泡在多孔介质孔喉中的流动具有一定的研究价值。
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