用于研究碳酸盐岩微纳米裂缝中流体运移的仿生微流控装置的制备方法

本发明属于微流控芯片制造技术和碳酸盐岩裂缝流体运移研究领域，具体涉及一种用于研究碳酸盐岩微纳米裂缝中流体运移的仿生微流控装置的制备方法。

背景技术：

1、碳酸盐岩裂缝是油气运移和储层改造研究中的重要课题。传统的研究方法如岩心实验和核磁共振(nmr)技术，因其时间和空间分辨率的限制，难以准确表征微纳米裂缝中的流体运移过程。此外，现有的微流控芯片通常通过规则几何结构的加工方法制造，其裂缝形态和表面物理化学性质与真实碳酸盐岩裂缝差异显著，难以全面反映实际地下储层环境中的复杂性。

2、为了解决上述问题，设计一种能够高度还原碳酸盐岩裂缝形态和表面物理化学特性的仿生微流控装置，对探索复杂物理场、化学场及流体-矿物耦合研究具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明提供一种仿生微流控装置的制备方法，能够真实复刻天然碳酸盐岩裂缝结构及表面物理化学特性。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种用于研究碳酸盐岩微纳米裂缝中流体运移的仿生微流控装置的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤一、通过随机森林算法对碳酸盐岩岩心薄片的扫描电子显微镜图像进行分析和分类，生成芯片设计图纸；

5、步骤二、基于所述芯片设计图纸，采用软光刻技术，通过光刻胶模板和聚二甲基硅氧烷复刻裂缝结构，并与玻璃基底键合形成微流控芯片；

6、步骤三、在所述微流控芯片流道内注入含有方解石纳米晶种的前体液，通过紫外光照射将晶种固定，并通过饱和平衡液注入实现碳酸钙矿物沉淀，形成仿生微流控装置。

7、进一步地，所述步骤一具体为：

8、从碳酸盐岩岩心中切割薄片，对其进行抽真空处理并喷涂导电碳膜，利用扫描电子显微镜和能量色散x射线光谱分析裂缝和矿物成分，确认母岩类型及矿物分布；

9、通过高斯滤波器平滑裂缝边界并增强其清晰度，采用二维高斯曲率矩阵提取裂缝的初步轮廓；

10、标记裂缝及周围矿物类型和孔隙特征，构建随机森林算法的训练集；

11、通过随机森林算法对图像像素进行分类，实现矿物、裂缝和孔隙的语义分割，动态调整训练参数以提高分类精度，形成矿物与裂缝分布数据。

12、提取裂缝的主边界和多尺度特征，生成芯片设计图纸。

13、进一步地，所述步骤二具体为：

14、制备su-8光刻胶模板，通过涂胶、曝光、显影及硬化工艺形成裂缝结构模具；

15、将聚二甲基硅烷pdms的组分a(预聚物)和组分b(交联剂)按质量比10:1混合，倒入模具后抽真空排气并在加热固化；

16、将固化后的pdms和玻璃待键合面清洗机中进行等离子处理通过等离子清洗后键合在一起，形成微流控芯片。

17、进一步地，所述制备su-8光刻胶模板，通过涂胶、曝光、显影及硬化工艺形成裂缝结构模具具体为：

18、匀胶：清洗干燥硅片后，在匀胶机中以低速和高速涂布su-8光刻胶，并静置5分钟；

19、软烘：将匀胶后的硅片放在调平后的加热台上，在65℃加热2分钟，随后在95℃加热10分钟，再降至室温；

20、曝光：将掩模版和软烘后的硅片贴合在一起，用365nm紫外光曝光75秒，使光刻胶感光固化；

21、后烘：将曝光后的硅片和掩模版分开，并使用加热板再一次在65℃加热2分钟，随后在95℃加热10分钟，随后使曝光后的硅片随加热板降低至室温；

22、显影：使用显影液溶解未曝光区域，清洗后用氮气吹干硅片；

23、硬烘：显影后的硅片用加热板以95℃加热5min、随后以175℃加热20min、以65℃加热5min随室温冷却，形成裂缝结构模具。

24、进一步地，所述步骤三具体为：

25、在所述微流控芯片流道内注入氢氧化钠溶液清洗通道表面，并通过3-丙烯酸丙酯进行硅烷化处理；

26、在硅烷化处理后的微流控芯片流道内注入含方解石纳米晶种的前置液，通过紫外光照射将晶种固定于裂缝表面；

27、注入碳酸氢钠溶液和氯化钙溶液的混合溶液进行碳酸钙矿物沉淀，优化裂缝表面的物理化学性质。

28、进一步地，所述前置液的制备方法为：

29、将5mg的方解石晶种,20μl聚乙二醇二丙烯酸酯，5μl光引发剂，40μl聚乙二醇，2μl丙烯酸,33μl去离子水均匀混合，通过超声震荡分散形成均匀溶液。

30、进一步地，所述碳酸氢钠溶液和氯化钙溶液按1：2.84比例混合，得到饱和度为1的平衡液。

31、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

32、本发明可以用于所有流体和碳酸盐岩裂缝的耦合研究，提供了最大程度复原碳酸盐岩裂缝结构的方法和岩石表面性质克隆方法，使芯片内的裂缝无论结构还是表面物理化学性质，与地下碳酸盐岩裂缝结构保持一致，且根据矿物生长方式不同，流道表面性质进行控制。通过标记少量矿物孔隙纳入随机森林模型用于难以辨别的孔隙结构的分类与提取，利用软光刻技术对提取的裂缝结构进行复刻，形成与碳酸盐岩裂缝微流道一致的结构。

33、本发明采用了方解石纳米晶种原位矿物生长方法。这种方法能够制造孔隙结构、表面矿物动态可调节的微模型，便于对照试验的开展，深度探究流体-矿物耦合作用，如对凝析油在裂缝运移中发生的分馏、地层的酸化压裂、ccus封存效果等，不仅具有经济和便捷性，还有巨大的可拓展空间和实用价值。

技术特征：

1.一种用于研究碳酸盐岩微纳米裂缝中流体运移的仿生微流控装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于研究碳酸盐岩微纳米裂缝中流体运移的仿生微流控装置的制备方法，其特征在于，所述步骤一具体为：

3.根据权利要求1所述的用于研究碳酸盐岩微纳米裂缝中流体运移的仿生微流控装置的制备方法，其特征在于，所述步骤二具体为：

4.根据权利要求3所述的用于研究碳酸盐岩微纳米裂缝中流体运移的仿生微流控装置的制备方法，其特征在于，所述制备su-8光刻胶模板，通过涂胶、曝光、显影及硬化工艺形成裂缝结构模具具体为：

5.根据权利要求1所述的用于研究碳酸盐岩微纳米裂缝中流体运移的仿生微流控装置的制备方法，其特征在于，所述步骤三具体为：

6.根据权利要求3所述的用于研究碳酸盐岩微纳米裂缝中流体运移的仿生微流控装置的制备方法，其特征在于，所述前置液的制备方法为：

7.根据权利要求6所述的用于研究碳酸盐岩微纳米裂缝中流体运移的仿生微流控装置的制备方法，其特征在于，所述碳酸氢钠溶液和氯化钙溶液按1：2.84比例混合，得到饱和度为1的平衡液。

技术总结
本发明提供一种用于研究碳酸盐岩微纳米裂缝中流体运移的仿生微流控装置的制备方法，包括以下步骤：步骤一、通过随机森林算法对碳酸盐岩岩心薄片的扫描电子显微镜图像进行分析和分类，生成芯片设计图纸；步骤二、基于所述芯片设计图纸，采用软光刻技术，通过光刻胶模板和聚二甲基硅氧烷复刻裂缝结构，并与玻璃基底键合形成微流控芯片；步骤三、在所述微流控芯片流道内注入含有方解石纳米晶种的前体液，通过紫外光照射将晶种固定，并通过饱和平衡液注入实现碳酸钙矿物沉淀，形成仿生微流控装置。本发明可以用于所有流体和碳酸盐岩裂缝的耦合研究，提供了最大程度复原碳酸盐岩裂缝结构的方法和岩石表面性质克隆方法。

技术研发人员：金玉洁,庞雄奇,徐帆,范一强,陈君青,姜福杰,韩长城,胡涛,徐帜,陈迪,王雷,张子英
受保护的技术使用者：中国石油大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2025/1/23