实验设备主要包括Leica M165FC显微镜、Leica CCD相机（100帧, 2 560像素× 1 920像素）、neMESYS 注射泵、分析天平等。

实验用油为煤油, 微流控实验用水为去离子水, 表面活性剂为十二烷基硫酸钠, 助溶剂为正丁醇。

1.3.1 微乳液体系

采用较为常用的十二烷基硫酸钠与正丁醇复配WⅠ 体系。考虑到后续微流控实验, 选择平衡时间较短、溶油量较大的配方, 表面活性剂与助溶剂配比为1︰1.5, 表面活性剂浓度为86.5 g/L。

1.3.2 润湿性判别模型

用于两相流体润湿性判别的微流控模型结构如图1所示。模型主要包括润湿相注入通道A（长60 mm, 宽0.3 mm, 深15 μ m）, 非润湿相注入通道B（长60 mm, 宽0.3 mm, 深15 μ m）, 两条注入通道间设计一条直通道（长30 mm, 宽100 μ m, 深15 μ m）。在模型饱和非润湿相流体后, 分别从A相和B相入口注入两相流体。润湿相流体会渗吸到直通道里, 此时可以在直通道中观察油水界面变化情况, 进而实现两相流体接触角的观测。为了保证模型的亲油性, 在模型键合之前, 用食人鱼溶液（浓硫酸与双氧水配比为7︰3）浸泡模型30 min, 清洗后再用三甲基氯硅烷（浓度2.0%）甲醇溶液浸泡模型2 h, 浸泡后模型的水接触角约为120° 。

图1

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	图1 润湿性判别微流控模型结构图

1.3.3 2.5D油湿微流控渗吸模型

渗吸实验2.5D微流控渗吸模型结构如图2所示, 包括2.5D基质区域、2个裂缝通道、A相入口、B相入口及2个出口。两条裂缝通道形状及结构完全相同且平行, 该设计可以为基质中的油相提供油水接触界面, 营造渗吸环境。当A、B相流体注入压力为零时, 基质两侧无注入压力作用, 可用于渗吸研究。

图2

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	图2 2.5D微流控渗吸模型结构图

裂缝通道与基质区域采用T型方式连接, 可避免流体受惯性作用被注入到基质区域中。单个裂缝通道长55.5 mm, 宽330 μ m, 深16 μ m; 基质区域由配位数为6的2.5D孔喉单元组成, 长13.0 mm, 宽3.8 mm, 其中孔隙体深度约为20 μ m, 喉道深度约为4 μ m（见图3）。

图3

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	图3 2.5D基质孔喉结构图

2.5D孔喉结构的制作是通过氢氟酸（HF）腐蚀的各向同性来实现的, 最初由Xu等^[19]提出。通过这种腐蚀方法, 可以在两个孔隙体之间创建一个比孔隙体更窄且更浅的喉道。2.5D微观模型具有更接近储集层三维孔喉结构的特征, 近年来已经被广泛应用于油气渗流的相关研究^{[20, 21]}。本文采用2.5D孔喉结构作为基质单元, 并将其整合到微流控渗吸模型中, 用以研究原位微乳液在多孔介质中的形成过程及渗流动态, 同时将该模型与润湿性判别模型均进行相同的亲油性处理。

1.4.1 微乳液NaCl浓度扫描实验

微乳液NaCl浓度扫描实验具体步骤：①将玻璃移液管用酒精喷灯进行烧结, 封住底端出口; ②将一定量的表面活性剂、助溶剂与水混匀, 并通过注射器转移到移液管中, 再向移液管中加入等体积的煤油, 并记录油相和水相的初始界面; ③依次向移液管中加入不同质量（以0.5%作为浓度梯度）的NaCl, 再将移液管另一端出口封住, 充分混合后静置; ④观察微乳液的相行为, 并记录界面变化。

1.4.2 两相流体润湿性判别实验

利用图1所示的微流控模型进行两相流体润湿铺展性能研究：①将微观模型饱和非润湿相流体; ②分别从入口A和入口B以1.0 kPa压力注入润湿相和非润湿相流体, 出口压力为大气压, 待直通道中发生界面运移时采集油水两相界面照片。

1.4.3 微流控渗吸模型实验

2.5D油湿微流控渗吸模型WⅠ 体系渗吸动态实验步骤为：①同时从图2所示模型中的A相注入口和出口1以300 kPa的压力注入染色煤油, 使模型完全饱和油; ②同时从A相注入口和B相注入口以2.0 kPa压力注入油相和WⅠ 体系, 待两相流体到达出口后, 将注入压力降低为零; ③对基质区域进行实时录像, 并观察油水流动动态; ④通过ImageJ软件对采集的图像进行处理, 计算不同时刻基质区域的含油饱和度; ⑤每次实验结束后分别用5%盐酸溶液、2% NaOH溶液、乙醇和去离子水反复冲洗微通道, 并在120 ℃下烘干微观模型; ⑥每组实验重复3次, 确保实验结果准确及实验可重复。

通过NaCl浓度扫描实验对微乳液的静态相行为进行测定, 实验主要目的是确定不同NaCl浓度条件下WⅠ 体系的溶油量以及所形成微乳液与油相的界面张力, 实验结果如图4所示。在低NaCl浓度条件下, WⅠ 体系会与油相形成Winsor Ⅰ 型（水包油）微乳液; 因通过NaCl的盐析作用, 可改变表面活性剂亲水、亲油性的相对强度, 进而实现微乳液的相变。因此, 随着NaCl浓度升高, 形成的微乳液由Winsor Ⅰ 型向Winsor Ⅲ 型（双连续相）及Winsor Ⅱ 型（油包水）转变。在Winsor Ⅰ 型微乳液体系中, 表面活性剂和助溶剂的亲水性强于亲油性, 油相以纳米液滴的形式分散于水相中。随着NaCl浓度升高, 盐析作用加强, 表面活性剂和助溶剂在NaCl溶液中溶解度降低, 亲油性会逐渐变强, 进而水相与油相形成双连续或油包水的微观结构。

图4

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	图4 NaCl浓度扫描实验结果

通过微乳液相图, 可以进一步确定不同NaCl浓度条件下WⅠ 体系的溶油与溶水能力。WⅠ 体系的溶油或溶水能力, 可用油或水在单位体积表面活性剂中的溶解度来表征。

\[{{\sigma }_{\text{x}}}\text{=}\frac{{{V}_{\text{x}}}}{{{V}_{\text{s}}}}\ （1）\]

NaCl的加入会影响体系中表面活性剂和助溶剂的溶解度, 当NaCl质量浓度超过30 000 mg/L时, WⅠ 体系会在盐析作用下分层, 无法用于三次采油。因Winsor Ⅰ 型微乳液的溶油量随NaCl浓度的增加呈近似线性上升, 因此, 选择低于WⅠ 体系耐盐度且差距较大的3个质量浓度（0, 10 000, 20 000 mg/L）开展NaCl浓度对WⅠ 体系渗吸效率的影响研究。

微乳液-油相界面张力可根据Chun-Huh公式^[22]进行计算。

\[\gamma \text{=}\frac{C}{{{\sigma }_{\text{x}}}^{2}}\ （2）\]

微乳液溶油量与微乳液-油相界面张力的计算结果如图5所示。从静态实验结果来看, NaCl浓度对WⅠ 体系性能的影响主要体现在微乳液的溶油量上。在Winsor Ⅰ 型微乳液体系中, 随着NaCl浓度的升高, 微乳液溶油量逐渐增高, 界面张力逐渐降低。然而, 静态实验的结果并不能体现WⅠ 体系在多孔介质中与油相的作用效果, 也不能反映整个体系的润湿性特征及自发渗吸的可行性, 因此需要更加直观的实验来呈现WⅠ 体系在动态条件下的润湿铺展行为。

图5

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	图5 不同WⅠ 体系溶油量与微乳液-油相界面张力随NaCl质量浓度的变化关系

WⅠ 体系和油相之间界面张力低且易混溶, 在常规接触角测定设备中, 滴入油相中的表面活性剂溶液在岩心表面铺展并迅速混溶, 导致无法进行“ WⅠ 体系-油相-固相” 3相接触角的测定^[23]。直通道微流控模型可提供弱接触、轻扰动的环境, 实现对表面活性剂体系润湿铺展行为的研究。在对润湿铺展行为进行研究之前, 先对微观模型中微乳液体系进行了识别, 以便于在微流控实验中区分油相、微乳液相与水溶液相（见图6）, 微观模型中红色为油相、粉色为微乳液相、白色为水溶液相。

图6

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	图6 微观模型中微乳液识别结果

研究各相润湿性的主要目的是为微流控渗吸实验中润湿相与非润湿相的区分提供依据。低NaCl浓度的WⅠ 体系在多孔介质中流动的过程中, 在扩散、对流等作用下, 油与WⅠ 体系会在界面处自发地形成微乳液（见图7a）。根据Tagavifar等^[21]的研究结果, 多孔介质中微乳液体系的动态相变行为与移液管中的静态相变行为是不一致的。后者符合微乳液体系静态平衡理论, 而前者符合原位微乳液的局部平衡理论。即在流动条件下, 原位微乳液的形成及其微观结构都与油- WⅠ 体系接触的局部区域的油水比、NaCl浓度和表面活性剂浓度等参数有关。根据原位微乳液局部平衡理论, 高NaCl浓度条件下, 在WⅠ 体系与油相接触面上, 由于盐析作用, 会导致表面活性剂和助溶剂在油水界面过量富集, 形成“ 过平衡微乳液” ^[21], 同时在“ 过平衡微乳液” 后沿会析出NaCl溶液（见图7b）。

图7

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	图7 不同条件下原位微乳液形成示意图

“ 过平衡微乳液” 是由于局部表面活性剂浓度、助溶剂浓度高于原溶液浓度而产生的溶油量大于平衡状态微乳液溶油量的微乳液相。因此, 在进行原位微乳液体系润湿铺展性能研究的过程中, 考虑了WⅠ 体系、微乳液相、油相和NaCl溶液相等共存条件下的润湿铺展行为。WⅠ 体系、微乳液相、油相和NaCl溶液相接触角如图8所示, 可以看出, 在油湿多孔介质中, 整个体系的润湿性相对强度从大到小排序为：微乳液或WⅠ 体系、油相、NaCl溶液相。这也就意味着, 在油湿多孔介质中, WⅠ 体系和Winsor Ⅰ 型微乳液相都能够实现自发渗吸。但润湿性判别的结果仅能反映两相流体间自发渗吸的可行性, 要明确WⅠ 体系渗吸机理, 则需要利用微流控模型更进一步地研究多孔介质中WⅠ 体系的渗吸过程。

图8

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	图8 油湿芯片中“ 油-NaCl溶液-WⅠ 体系-微乳液” 的相接触角测定结果

2.3.1 NaCl浓度对WⅠ 体系渗吸效率的影响

利用油湿微观渗吸模型, 进行不同NaCl浓度的WⅠ 体系微观模型自发渗吸实验（见图9）。可以看出, WⅠ 体系最终渗吸采收率随NaCl浓度的增加显著增大：NaCl质量浓度为0 mg/L时最终渗吸采收率为62.5%; NaCl质量浓度为10 000 mg/L时最终渗吸采收率为76.8%; NaCl质量浓度为20 000 mg/L时最终渗吸采收率为95.3%。同时随着NaCl浓度增加, 油湿介质自发渗吸速度和采出程度都逐渐升高, 即高NaCl浓度的WⅠ 体系能够显著提高油湿介质自发渗吸效率。

图9

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	图9 微观模型中不同NaCl浓度的WⅠ 体系渗吸效果

从油湿微观模型自发渗吸过程（见图10）可以看出：①在NaCl质量浓度为0 mg/L时, 模型中只包括油相与Winsor Ⅰ 型微乳液相; ②随着NaCl浓度升高, Winsor Ⅰ 型微乳液条带逐渐变窄, 所形成微乳液不能迅速与后续表面活性剂溶液混溶; ③随着NaCl浓度升高, 不仅体系渗吸速度升高, WⅠ 体系已波及区域中滞留的油相也会减少, 在渗吸初期被圈闭住的油相也会逐渐被采出, 这种作用效果在NaCl质量浓度为20 000 mg/L的WⅠ 体系中尤为明显。

图10

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	图10 不同NaCl浓度的WⅠ 体系渗吸动态过程

2.3.2 NaCl浓度对WⅠ 体系渗吸机制的影响

根据图10的研究结果, WⅠ 体系的渗吸机制可分为2种模式。

①低NaCl浓度条件下, 盐析作用弱, 表面活性剂和助溶剂的亲水性远大于亲油性, 在油-WⅠ 体系界面处形成的Winsor Ⅰ 型微乳液能够与后续WⅠ 体系持续混溶, 实现Winsor Ⅰ 型微乳液的瞬间再平衡（见图10a）, 低NaCl浓度条件下模型中只有Winsor Ⅰ 型微乳液与油两相共存。整个渗吸过程都是更润湿的Winsor Ⅰ 型微乳液相推动油相的过程（见图11）。该过程中, 同一孔隙中的油相与微乳液相在多个喉道存在接触, 当一个喉道中的微乳液相突破后, 会出现由于毛细管屏蔽效应导致的残余油（图11中紫色箭头指示区域）, 这是渗吸过程中形成残余油的主要原因。这里将WⅠ 体系-微乳液已波及区域中滞留的油相定义为渗吸残余油。

图11

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	图11 NaCl质量浓度为0 mg/L条件下微乳液渗吸微观图像

②高NaCl浓度条件下, 盐析作用增强, 表面活性剂和助溶剂的亲油性增强, WⅠ 体系中的表面活性剂和助溶剂会在油-WⅠ 体系界面处富集, 其在与油相形成微乳液的同时, 会在微乳液相的后沿出现非润湿的NaCl溶液相。此时, 整个体系呈现出“ WⅠ 体系-NaCl溶液相-微乳液相-油相” 共存的特征（见图10b、图10c）。在渗吸过程中, 微乳液相仍会以润湿相的形式在壁面铺展（见图12a）, 而非润湿的NaCl溶液相则会在后续润湿的WⅠ 体系的推动下驱替微乳液相（见图12b）。

图12

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	图12 NaCl质量浓度为20 000 mg/L条件下WⅠ 体系渗吸微观动态图像

结合前述原位微乳液体系的润湿性判别, 可以确 定从低NaCl浓度到高NaCl浓度, WⅠ 体系的渗吸机制是逐渐由“ 微乳液-油相” 渗吸向“ WⅠ 体系-NaCl溶液-微乳液-油相” 渗吸过渡的过程（见图13）。

图13

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	图13 NaCl浓度对原位微乳液体系渗吸排油机制的影响

2.3.3 NaCl浓度对WⅠ 体系溶油效率的影响

图14展示了图10中已波及区域滞留的油相被再次动用的微观动态, 红色箭头所指为后续WⅠ 体系的流动方向, 可以看出, 在WⅠ 溶液与Winsor Ⅰ 型微乳液的接触面上, WⅠ 溶液与微乳液的边界逐渐变模糊, 边界区域微乳液颜色变浅, 即微乳液相与WⅠ 体系发生了互溶, 该现象与Winsor Ⅰ 型微乳液的水溶性有关。在微乳液相与后续WⅠ 体系互溶过程中, 所形成的颜色更浅的“ 未平衡微乳液相” （溶油能力未达到饱和的微乳液）仍具有一定的溶油能力, 会溶解滞留在孔隙中的油相, 进而趋向平衡态微乳液相（图中蓝圈区域）, 但这种作用仅在局部区域出现, 其周边没有参与到该再平衡过程的油相则不会被溶解。

图14

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	图14 后续WⅠ 体系流动动态图像

采用imageJ软件计算微观渗吸实验结果的饱和度剖面, 定量化研究不同WⅠ 体系对渗吸过程中已圈闭油相的动用情况（见图15）。WⅠ 体系/微乳液已波及区域中滞留的油相饱和度剖面为图中虚线部分。可以看出：①NaCl质量浓度为0 mg/L的WⅠ 体系渗吸残余油饱和度约为20%, 且渗吸残余油在后续WⅠ 体系流动过程中基本未被动用; ②NaCl质量浓度为10 000 mg/L的WⅠ 体系渗吸残余油饱和度约为15%, 且模型末端的渗吸残余油可在后续WⅠ 体系流动过程中继续通过溶解作用采出; ③NaCl质量浓度为20 000 mg/L的WⅠ 体系渗吸残余油饱和度约为10%, 且整个模型中的渗吸残余油大多都可以在后续WⅠ 体系流动过程中通过溶解作用采出。

图15

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	图15 不同WⅠ 体系渗吸过程中含油饱和度剖面与渗吸残余油饱和度分布

结合图5与图15的分析可知：①WⅠ 体系的NaCl浓度与渗吸残余油饱和度呈负相关, NaCl浓度越高, 渗吸残余油饱和度越低; ②WⅠ 体系的NaCl浓度与渗吸残余油的动用效果正相关, NaCl浓度越高, 渗吸残余油的动用效果越好。渗吸模型中, 相对渗吸残余油而言, WⅠ 体系都属于过量相, 即3种NaCl浓度的WⅠ 体系溶油量都远大于模型中渗吸残余油的含量。因此, 渗吸残余油动用效果与WⅠ 体系的溶油量无明显相关性, NaCl浓度不同导致Winsor Ⅰ 型微乳液再平衡机制不同是影响渗吸残余油动用效果的主控因素。高NaCl浓度WⅠ 体系中, 盐析作用较强, 整个体系表现为“ WⅠ 体系-高浓度NaCl溶液-Winsor Ⅰ 型微乳液-油” 4相共存、共同流动状态, 表面活性剂将在NaCl溶液界面处富集并形成具有一定强度的界面膜, 界面膜附近进而形成WⅠ 溶液与Winsor Ⅰ 型微乳液间的隔离条带, 该隔离条带将阻碍水溶性的Winsor Ⅰ 型微乳液与后续WⅠ 体系迅速混溶, 从而后续WⅠ 体系能够溶解更多的油相（见图16）。

图16

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	图16 NaCl浓度对WⅠ 体系溶解渗吸残余油影响示意图