这是Microblox的第65篇微流控推文。
在油气行业里，“提高采收率（EOR, Enhanced Oil Recovery）”是一套“科学 + 工程”的组合拳：即理解孔隙中的油水气如何运动，用恰当的化学剂、气体或热能改变流体与岩石的关系，让被困住的原油再次移动[1]。
1856年，法国工程师 Henry Darcy 通过地表供水试验，总结出 Darcy 定律，建立了多孔介质中压差、黏度、渗透率与流量的定量关系[2]。随后 Maurice Muskat 在 1937/1946 年出版《多孔介质中的流动》，把油藏渗流的数学框架系统化[3]。
1941年，M.C. Leverett 提出 J 函数，把毛细管压力与孔隙结构、润湿性和饱和度联系起来；1942年，Buckley–Leverett 的分数流理论揭示两相驱替前缘（flood front）与含水上升的内在逻辑。[4, 5] 这些“理论”让工程师可以预测：若用清水驱替（水驱，waterflooding），前缘如何推进、采收率会在哪些机理上受限。换句话说，那时的工程师们基于理论，已经可估算单纯水驱的最好/最坏结果：前缘会怎么走、哪里会被旁通（bypass）、哪里会留下哪些残余油（仍被困住的油的形态，比如滴状、膜状、颈部被卡住等）。
术语：
1. 前缘（flood front）：被注入的水与被驱的油之间那条“推进的边界”。例如从海绵一端挤水，湿/干的分界线就是“前缘”。
2. 旁通（bypass）：注入流体挑“好走的通道”，绕开部分储层体积，导致那些地方的油没被扫到。
法国工程师 Henry Darcy
图片来源：维基百科
1950年代，研究者用玻璃刻蚀/微观模型（micromodels）把孔隙通道做成可视网格，首次直观看到水驱/油驱的前缘、旁通和残余油形态[6]。同期，Saffman–Taylor 揭示流度比M（mobility ratio）会导致的指进失稳（Viscous fingering）：即当低黏度的流体去驱替高黏度的流体时，界面（前缘）很难保持平直，小的起伏会被放大，长成一根根“手指状”突进。结果会造成少数“手指”抢先到达生产井，大面积区域被旁通，波及（扫到更多体积）效率变差。[7]。工程领域，1958年，Caudle & Dyes 提出气水交替驱（WAG, Water-Alternating-Gas）以稳定气体前缘[8]，1964年，Pye 把聚合物驱（Polymer Flooding）引入，通过“流度控制（mobility control）”抑制指进失稳与早期窜流（Channeling / Early Breakthrough）[9]。
黏性指进随时间的演化
（黏度比 M=3，流量 Q=0.1 mL/s；间隙 b=0.3/0.8 mm）。
（论文使用黏度比 M；在 Hele–Shaw 中 M与流度比数值相同）
图片来源：Nand S. et al., “Effect of Hele–Shaw cell gap on radial viscous fingering”, Scientific Reports (2022), Figure 1, CC BY 4.0.
术语
1. 流度比 M（mobility ratio）：注入相的相对渗透率/黏度与被驱相之比。若 M>1 则易失稳；气水交替驱、聚合物驱等本质上在“降 M”。
2. 窜流（Channeling / Early Breakthrough）：注入相（水或气）沿着极少数高导通道（导流能力高）或在流度比M不利（M > 1）的条件下，形成细长突进，过早到达生产井（early breakthrough），导致大量储层体积被旁通，采收率受限。水驱里的叫水窜，气驱里的叫气窜。
热（Thermal）：1960 - 70年代，热采在稠油与油砂中迅速崛起，形成蒸汽吞吐（CSS）、蒸汽驱（Steamflood）与 SAGD（Steam-Assisted Gravity Drainage，蒸汽辅助重力泄油）三大形态；Roger Butler 将 SAGD 从概念推至体系化，使降低黏度、热膨胀与重力泄油三效合一，显著改善蒸汽利用效率与 SOR（Steam-Oil Ratio，蒸汽油比）。水平井、完井与保温技术的成熟，进一步压低热损失并扩大适用窗口。[10]。
气（Gas Injection）：与此同时，气体驱从实验走向工业。1972 年起，SACROC油田启动CO2 驱，混相/近混相理论快速发展，MMP（Minimum Miscibility Pressure，最小混相压力）的实验/相关方法成为设计基石。[11, 12]。
化（Chemical）：化学驱形成两条主力：聚合物驱以流度控制为核心，抑制不利通道与早期窜流；表面活性剂与 ASP（Alkaline–Surfactant–Polymer，碱–表–聚）体系通过降低 IFT 与润湿性调控动用束缚油，形成可设计、可验证的组合策略[13, 14]。
美国二叠盆地的 SACROC 油田早在 20 世纪 70 年代就开始使用二氧化碳驱油技术
图片来源：维基百科
（1）三维孔隙成像与数字岩石
1990 年代以后，CT/μCT （Computed Tomography / micro-CT，计算机断层扫描/微米级 CT）让三维孔隙结构与相分布得以重建，数字岩心（digital rock）、 LBM/DNS（Lattice Boltzmann Method / Direct Numerical Simulation，格子玻尔兹曼/直接数值）与实验互证[15]。近地层 PVT（Pressure–Volume–Temperature）观测与相态模拟把“气-油-溶剂”的相互作用、MMP 评估带入可复现实验与计算[12,16]。
（2）微流控芯片的崛起
微流控/微观模型（Microfluidic Micromodels）把真实岩心的复杂孔隙网络抽象到透明基底（玻璃/硅/石英/PDMS），通过光刻/湿法刻蚀/DRIE（Deep Reactive Ion Etching，深反应离子刻蚀）等工艺复现非均质条带、裂缝网络与孔-喉分布等储层特征；再通过表面改性润湿性，可在单块芯片上实现水湿→油湿、亲/疏水条带、接触角梯度等复杂边界条件[17-19]。
更重要的是，微流控与荧光示踪 + PIV（Particle Image Velocimetry，粒子图像测速）/PLIF（Planar Laser-Induced Fluorescence，平面激光诱导荧光）联用，把“看见”升级为“逐帧定量”，具体表现为：
• 速度场：PIV 通过示踪粒子位移复原瞬时二维速度矢量场（Δt 级），可量化指进前缘速度、指进指数以及流场剪切带，并与流度比 M 关系对标[20-22]。
• 浓度/饱和度场：PLIF 以荧光染料强度标定相体积分数/标量浓度，支持局部饱和度、波及效率与混相混合区厚度的定量[23-24]。
• 孔隙尺度机理：在低 Ca（毛细管数）下可观察 Haines 跳跃（Haines jump）、snap-off（断颈：油滴“掐断”现象） 与接触角滞后；在高 Ca 下可建立 Capillary Desaturation Curves（去毛细管曲线）并与相对渗透率曲线联动校核[17-19]。
• 可比性与可放大：通过 Rapoport–Leas 数（尺度相似判据）/几何相似准则选择芯片尺寸与流量，使芯片实验与岩心/数值模拟可互证；对混相/不稳定前缘，还可用 Koval K-factor（Koval 系数） 进行名义混合度与波及的工程估算[25-26]。
Microblox高压夹具、EOR芯片及实拍（点击可跳至产品页面）
Microblox提供的 EOR 微流控芯片分为规则网络、随机孔隙结构、模拟岩石三大类。即三种表达储层特征的几何范式：在任意一种范式上，我们都能按需求加载非均质条带、裂缝网络和目标孔–喉分布，再配合润湿性图案化与 PIV/PLIF 定量，把‘前缘、旁通、残余油形态’这些关键现象做到可视化且可度量。
术语
1. Haines 跳跃（Haines jump）：在孔-喉处，界面受毛细管阈值控制，压力一过阈，界面会“突然跳动”，导致饱和度瞬时变化。
2. Koval K-factor（Koval 系数）：混相/近混相驱中，为了近似考虑指进与不均匀混合，用一个经验系数 K 去修正“有效流度/混合度”，做快速性能预测的工程模型参数。
微流控把“孔隙尺度的物理-化学作用”变成可复现、可量化、可放大的证据链——这正是当代 EOR 方案对比与机理验证的核心方法之一。
进入 2020 年代，EOR 与 CCUS 结合成为新常态：既追求采收率，也追求碳的地层滞留与可监测性。IPCC《CCS 特别报告》与多方技术评估显示：把 EOR 设计与储存监测一体化，可同时服务增采与碳管理（“EOR+”模式）。[26-27]
Microblox微观可视化石油驱替实验平台（点击可跳至产品页面）
面向 CO2与提高采收率融合的应用，我们的微观可视化驱替平台可在接近地层的压力与温度下运行（如50 MPa、200 ℃）。通过液/气体超高精度注入、恒流/恒压 + 背压控制、可加热密封夹具，并配合规则网络、随机孔隙结构、模拟岩石三类 EOR 芯片，直观看到前缘形态、通道选择、被扫过区域等差异，并输出图片/短视频与时间序列数据，可用于方案比选、模型输入与监测设计的沟通。
缩写/术语 | 英文全称 | 中文释义 |
EOR | Enhanced Oil Recovery | 提高采收率 |
WAG | Water-Alternating-Gas | 气水交替驱 |
SAGD | Steam-Assisted Gravity Drainage | 蒸汽辅助重力泄油 |
MMP | Minimum Miscibility Pressure | 最小混相压力 |
PIV | Particle Image Velocimetry | 粒子图像测速 |
PLIF | Planar Laser-Induced Fluorescence | 平面激光诱导荧光 |
CT/μCT | Computed Tomography / micro-CT | 计算机断层扫描 / 微米级CT |
PVT | Pressure–Volume–Temperature | 压力–体积–温度（相态表征） |
LBM | Lattice Boltzmann Method | 格子玻尔兹曼方法 |
DNS | Direct Numerical Simulation | 直接数值模拟 |
IFT | Interfacial Tension | 界面张力 |
Ca / Nc | Capillary number | 毛细管数，常记作Ca，有资料写Nc |
CDC | Capillary Desaturation Curve | 去细毛细管曲线 |
J-function (Leverett J) | Leverett J function | Leverett J 函数（或记为J 函数） |
Fractional Flow | Fractional Flow | 分数流 |
Relative Permeability | Relative Permeability | 相对渗透率 |
Viscous Fingering | Viscous Fingering | 黏性指进 |
Wettability | Wettability | 润湿性 |
ASP | Alkaline–Surfactant–Polymer | 碱–表面活性剂–聚合物 |
CCUS | Carbon Capture, Utilization and Storage | 碳捕集、利用与封存 |
Haines Jump | Haines Jump | 海因斯跳跃 |
Snap-off | Snap-off | 断颈（油滴“掐断”现象） |
K-factor | Koval factor (Koval model) | Koval 系数（不稳定混相估算） |
Rapoport–Leas number | Rapoport–Leas number | Rapoport–Leas 数（尺度相似判据） |
1856：Darcy 定律：奠定多孔介质渗流的基本定律。
1937：Muskat《多孔介质中的流动》：系统化油藏渗流学。
1941：Leverett J 函数：把毛细管压力与孔隙结构/润湿性联系起来。
1942：Buckley–Leverett 分数流理论：描述两相驱替前缘与采收率。
1952：玻璃刻蚀微观模型可视化（Chatenever & Calhoun）：首次“看见”孔隙尺度水驱。
1958：Saffman–Taylor 指进 & 1958：WAG 概念（Caudle & Dyes）：揭示黏度比失稳；提出气水交替驱。
1964：聚合物驱（Pye）：以“流度控制”稳定前缘、降低含水上升。
1960s–1970s：热采兴起：加热、蒸汽吞吐/蒸汽驱；
1978：SAGD（Roger Butler）提出。
1972：SACROC开始 CO2驱：混相/近混相驱进入工业化阶段；80s 建立 MMP 相关与相态设计。
1970s–1980s：表活/碱-表-聚（ASP）：超低界面张力、润湿性调控。
1990s：CT/μCT & 数字岩石：三维可视化与孔隙网格/直推模拟；水平井推动 SAGD 商业化。
1997–2008：低盐水驱（Tang & Morrow 等）：润湿性重置机理提出与现场验证。
2010s：纳米流体/智能水、微流控芯片：孔隙尺度实验与可视化定量化。
2020s：CCUS + CO₂-EOR 融合：采收率与碳管理协同，强调监测与可视化验证。
参考文献：
[1] Lake L W. Fundamentals of Enhanced Oil Recovery[M]. SPE, 2014.
[2] Darcy H. Les fontaines publiques de la ville de Dijon[M]. 1856.
[3] Muskat M. The Flow of Homogeneous Fluids Through Porous Media[M]. 1937/1946.
[4] Leverett M C. Capillary Behavior in Porous Solids[J]. Transactions of the AIME, 1941.
[5] Buckley S E, Leverett M C. Mechanism of Fluid Displacement in Sands[J]. Transactions of the AIME, 1942.
[6] Anbari A, et al. Microfluidic Model Porous Media: Fabrication and Applications[J]. Lab on a Chip, 2018.
[7] Saffman P G, Taylor G I. The penetration of a fluid into a porous medium or Hele–Shaw cell[J]. Proc. Royal Society A, 1958.
[8] Caudle B H, Dyes A B. Improving Miscible Displacement by Gas–Water Injection[J]. Transactions of the AIME, 1958.
[9] Pye D J. Improved Secondary Recovery by Control of Water Mobility[J]. Journal of Petroleum Technology, 1964.
[10] Butler R M. Thermal Recovery of Oil and Bitumen[M]. Prentice Hall, 1991.
[11] Holm L W, Josendal V A. Mechanisms of Oil Displacement by Carbon Dioxide[J]. JPT, 1974.
[12] Yellig W F, Metcalfe R S. Determination and Prediction of CO₂ Minimum Miscibility Pressures[J]. JPT, 1980.
[13] Hirasaki G J. Wettability: Fundamentals and Surface Forces[J]. SPE Formation Evaluation, 1991.
[14] Green D W, Willhite G P. Enhanced Oil Recovery[M]. SPE Textbook Series, 1998.
[15] Blunt M J, et al. Pore-scale imaging and modelling[J]. Advances in Water Resources, 2013.
[16] Danesh A. PVT and Phase Behaviour of Petroleum Reservoir Fluids[M]. Elsevier, 1998.
[17] Karadimitriou N, Hassanizadeh S. A Review of Micromodels and Their Use in Two-Phase Flow Studies[J]. Vadose Zone Journal, 2012.
[18] Jahanbakhsh A, et al. Review of Microfluidic Devices and Imaging Techniques for Porous Media[J]. Sensors, 2020.
[19] Massimiani A, et al. 2D Microfluidic Devices for Pore-Scale Phenomena-A Review[J]. Water, 2023.
[20] Adrian R J, Westerweel J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide[M]. 2011/2013.
[21] Abdulwahab M R, et al. A Review in Particle Image Velocimetry Techniques[J]. 2020.
[22] Crimaldi J P. Planar Laser-Induced Fluorescence in Aqueous Flows[J]. 2008.
[23] NASA. OH Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) Measurements…[R]. 2012.
[24] Rapoport L A, Leas W J. Properties of Linear Waterfloods[J]. Transactions of the AIME, 1953.
[25] Koval E J. A Method for Predicting the Performance of Unstable Miscible Displacements[J]. SPE Journal, 1963.
[26] IPCC. Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage[R]. 2005.
[27] U.S. DOE. CCUS Handbook Chapter 8: CO₂-EOR[R]. 2021.
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