[论文解读] Using Microfluidic Device to Study Rheological Properties of Heavy Oil

Kiarash Keshmiri, Saeed Mozaffari+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2016

Petroleum Processing and Analysis参考文献 5被引用 14

一句话总结

本研究利用微流控通道（宽30 µm，深9 µm）研究纯液体和稀释沥青的毛细驱动流动，发现虽然纯液体遵循理论毛细填充动力学，但沥青浓度超过30%时，由于动态接触角与宏观接触角之间的差异，其偏离理论值逐渐增大。该研究证明微通道是模拟多孔储层中稠油流动的有效工具。

ABSTRACT

In this study, capillary-driven flow of different pure liquids and diluted bitumen samples were studied using microfluidic channel (width of 30 um and depth of 9 um). Capillary filling kinetics of liquids as a function of time were evaluated and compared with theoretical predictions. For pure liquids including water, toluene, hexane, and methanol experimental results agreed well with theoretical predictions. However, for bitumen samples, as concentration of bitumen increased the deviation between theoretical and experimental results became larger. The higher deviation for high concentrations (i.e. above 30%) can be due to the difference between dynamic contact angle and bulk contact angle. Microchannels are suitable experimental devices to study the flow of heavy oil and bitumen in porous structure such as those of reservoirs.

研究动机与目标

• 研究微尺度通道中重质油和沥青的毛细驱动流动行为。
• 评估理论毛细填充模型在预测类似沥青等高粘度复杂流体流动时的准确性。
• 识别沥青流动中理论预测与实验结果之间偏差的原因。
• 评估微流控器件在模拟多孔储层结构中流动行为的适用性。
• 量化沥青浓度增加对流动动力学和接触角动态的影响。

提出的方法

• 制备了宽30 µm、深9 µm的微流控通道，用于控制毛细流动实验。
• 采用毛细驱动流动将液体吸入微通道，并记录随时间的填充动力学。
• 测量并比较实验测得的毛细填充时间与基于卢卡斯-瓦什伯恩方程的理论预测值。
• 测试了纯液体（水、甲苯、己烷、甲醇）以及不同浓度的稀释沥青样品。
• 分析理论与实验之间的偏差，特别关注动态接触角效应的影响。
• 评估浓度对流动行为的影响，以评估其在储层尺度多孔介质中的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 理论毛细填充模型在多大程度上能准确预测纯液体在微通道中的流动？
• RQ2 随着浓度增加，沥青样品与理论毛细填充动力学的偏离程度如何？
• RQ3 在高沥青浓度下，实验结果与理论预测之间偏差不断增大的原因是什么？
• RQ4 微流控器件能否准确模拟多孔储层结构中重质油的流变行为？
• RQ5 在高粘度沥青流动中，动态接触角与宏观接触角有何不同？

主要发现

• 纯液体（水、甲苯、己烷、甲醇）的实验毛细填充动力学与理论预测高度吻合。
• 对于沥青样品，随着浓度升高，与理论模型的偏差显著增加，尤其在30%以上浓度时更为明显。
• 在高浓度下，偏差的主要原因是动态接触角与宏观接触角之间的差异。
• 微通道能有效复现多孔储层中的流动条件，因此适用于研究重质油的流变特性。
• 本研究证实，标准毛细流动模型无法完全捕捉高浓度沥青复杂的界面行为。
• 结果强调了在受限多孔环境中建模重质油流动时，动态接触角效应的重要性。