用于测量二氧化碳在水中扩散系数的微流体晶片、微流体分歧器及装置的制作方法

1.本实用新型涉及二氧化碳扩散技术领域，具体涉及一种用于测量二氧化碳在水中扩散系数的微流体晶片、微流体分歧器及装置。


背景技术：

2.碳捕捉和碳封存作为重要的减碳技术可将源头或空气中的二氧化碳捕捉并且封存于地下，可有效减少空气中的碳含量，为能源过渡时期提供减碳辅助。碳捕捉主要涉及将二氧化碳从工业生产，能源利用或大气中分离出来的过程，主要分为燃烧前捕捉，后捕捉，和化学链捕捉。碳封存技术主要涉及将二氧化碳注入地质储层中，按照地质封存体的不同，可分为咸水层封存、枯竭油气藏封存等。注入的二氧化碳会慢慢渗入微小的空隙，被岩层中的液体(地层水)吸收或与岩层反应而钙化，从而稳定的储存于地下。
3.碳捕捉和封存(ccus)的主要目标是减少人类的碳足迹，因此二氧化碳被储存的目标为永久性封存。目前可用于碳封存的方式有地下咸水层和近枯竭油井。地下咸水层分布遍及全球，被认为封存二氧化碳的能力达到了10000gt的量级，而全球近枯竭油气田的封存能力也多达900gt。目前碳封存并不能带来明显的经济效益，唯一被证实经济可行性较高的技术为二氧化碳强化采油技术(ccus-eor)。该技术将co2注入近枯竭油井中或渗透性较低的非常规油藏中，利用co2驱替技术将残余油或非常规油驱入周围油井中，提高采收效率。待石油枯竭后，将co2封存于储油层中以保持地质压力，减少地质环境损坏。该技术将捕捉的co2利用起来，提升了石油的开采效率，相比其他技术更具有经济可行性。
4.被注入地下的co2通过三种方式存在于地层中。初始被注入地下后，co2在浮力的作用下逐渐向地表迁移，直至被低渗岩石(caprock)所挡住。随着时间流逝，co2溶解于地层水中。最终，溶解的co2与岩石发生反应导致碳化，可以永久的存在于地下。在这过程中，如 co2溶解时间过长，其浮力长时间作用于低渗岩石，会增大地表泄露的风险。co2在地层水中的溶解速度表现为扩散系数(diffusioncoefficient简称d)，并且受多个外部条件的影响，例如储层压力，渗透性，温度，地表水的成分和盐度等等。因此如何进行准确的co2扩散系数(d)实验计算对其封存的安全性有着至关重要的作用。在传统的方法中，大型的pvt设备结合气压衰减法(pressuredecaymethod)通常被用来计算扩散系数。然而在其样品容器中， co2接触水面被吸收后，高浓度的液体会在对流质量传输(convenction)的作用下进行额外的扩散。但在真实储层中，岩石的缝隙为微米量级，对流质量传输作用被消除，co2的扩散系数明显小于宏观的地面测试。因此，传统的大型设备试验方式并不适合进行此计算。部分技术尝试使用微通道进行扩散实验和计算，但受其实验材料的限制(pmma)，实验过程不可承受高温高压，因此其实验缺少温度和压力的影响，无法计算在真实地层条件下的扩散系数。


技术实现要素：

5.针对实验条件不能满足要求且测试数据不准确等技术问题，本实用新型提供一种
用于测量二氧化碳在水中扩散系数的微流体晶片、微流体分歧器及装置，将微流控应用于二氧化碳扩散试验，将微米级的空隙复制到微流体晶片上进行实验，消除对流质量传输造成的误差，同时微流控可承受高温高压的实验条件，提升实验及计算结果的准确性。
6.第一方面，本实用新型提供一种用于测量二氧化碳在水中扩散系数的微流体晶片，包括封接的盖片和基片，基片开有地层水入口、二氧化碳入口、出口，基片正面开有与盖片封接形成的地层水微流通道、二氧化碳微流通道、出口微流通道及扩散微流通道，地层水入口通过地层水微流通道连接扩散微流通道的一端，二氧化碳入口通过二氧化碳微流通道连接扩散微流通道的另一端，出口通过出口微流通道连接二氧化碳微流通道与扩散微流通道的连接处。
7.进一步的，扩散微流通道数量为四个，且并列排布，目的在于可增大液体流量，使其更快的充满微流体晶片和管道空间。实验中也可将四个微通道均纳入荧光变化的记录和计算，用于消除实验误差。地层水微流通道、二氧化碳微流通道、出口微流通道及扩散微流通道深度为60um，宽度为200um。
8.第二方面，本实用新型提供一种用于测量二氧化碳在水中扩散系数的微流体分歧器，包括第一夹持固定装置、第二夹持固定装置，第一夹持固定装置、第二夹持固定装置夹持固定有微流体晶片。
9.进一步的，第一夹持固定装置包括通过螺杆固定连接的第一上固定板、第一下固定板，第一上固定板、第一下固定板对微流体晶片一端夹持，第一下固定板内预埋有换热管，第一下固定板侧部设有进水口及出水口，进水口及出水口分别与换热管两端连接，第一下固定板还设有纵向贯穿的微流体歧管，微流体歧管分别连通地层水入口、二氧化碳入口、出口，目的在于，微流体晶片入口处与流体歧管连接区域需保持室温才可保持连接处的密封圈的密封特性，通过常温水循环可控制入口处的温度，从而实现高温高压实验系统的稳定性。
10.进一步的，第二夹持固定装置包括通过螺杆固定连接第二上固定板、第二下固定板，第二上固定板、第二下固定板对微流体晶片另一端夹持，第二上固定板开有观察窗，微流体晶片的扩散微流通道位于观察窗可观察区域，第二下固定板侧部开有若干个盲孔，每个盲孔内设有电加热管，目的在于可对扩散时晶片加热，模拟地层水的高温条件。
11.第三方面，本实用新型提供一种用于测量二氧化碳在水中扩散系数的装置，包括荧光显微镜、载物台、第一isco泵、第二isco泵及微流体分歧器；
12.荧光显微镜的观察区域为微流体晶片的扩散微流通道；
13.载物台，载有微流体分歧器；
14.第一isco泵通过第一管线、微流体歧管与二氧化碳入口连接；
15.第二isco泵通过第二管线、微流体歧管与通地层水入口连接；
16.还包括第三管线，第三管线一端通过微流体歧管与出口连接。
17.进一步的，第一管线、第二管线、第三管线分别设有第一阀门、第二阀门、第三阀门。
18.本实用新型的有益效果在于，本实用新型提供一种可承受高温高压的微流体晶片，将微流控应用于扩散试验，将微米级的空隙复制到微流体晶片上进行实验，消除对流质量传输造成的误差，而且实验过程可控制在地层真实的温度和压力下，计算过程也将温度，
盐度，压力对溶解过程的影响引入计算过程，更全面考虑真实储存环境条件对计算的影响，明显提升实验和计算结果的准确性。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本实用新型具体实施方式微流体晶片俯视图。
21.图2为图1中p-p剖面图。
22.图3为本实用新型具体实施方式微流体分歧器分解图。
23.图4为本实用新型具体实施方式用于测量二氧化碳在水中扩散系数的装置结构示意图。
24.图中，1-荧光显微镜，2-第一夹持固定装置，3-第三管线，4-第三阀门，5-第二夹持固定装置，6-第一阀门，7-第一isco泵，8-第一管线，9-第二管线，10-第二阀门，11-第二isco 泵，12-载物台，13-微流体晶片，21-第一上固定板，22-第一上固定孔，23第一下固定孔，24
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进水口，25-出水口，26-第一下固定板，51-第二上固定板，52-观察窗，53-盲孔，54-第二下固定板，55-第二下固定孔，56-第二上固定孔，57-电加热管，1301-出口，1302-二氧化碳入口，1303-地层水入口，1304-出口微流通道，1305-二氧化碳微流通道，1306-地层水微流通道， 1307-扩散微流通道，1308-基片，1309-盖片。
具体实施方式
25.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
26.实施例1
27.如图1、2，本实用新型所述的用于测量二氧化碳在水中扩散系数的微流体晶片，包括封接的盖片1309和基片1308，基片1308反面开有地层水入口1303、二氧化碳入口1302、出口1301，基片1308正面开有与盖片1309封接形成的地层水微流通道1306、二氧化碳微流通道1305、出口微流通道1304及扩散微流通道1307，地层水入口1303通过地层水微流通道 1306连接扩散微流通道1307的一端，二氧化碳入口1302通过二氧化碳微流通道1305连接扩散微流通道1307的另一端，出口1301通过出口微流通道1304连接二氧化碳微流通道1305 与扩散微流通道1307的连接处，扩散微流通道1307数量为四个，且并列排布。
28.微流体晶片的制作过程如下，微流体通道(地层水微流通道1306、二氧化碳微流通道1305、出口微流通道1304及扩散微流通道1307)被制作在硅晶片上，使用玻璃盖住晶片便可实现晶片制作。整个制作流程包括了2套旋涂(spincoating)，微影成形(patterning)和深反应离子蚀刻(drie)，并且使用了2种光掩模光刻胶(photoresist)和光掩模(photoresist)。硅晶片为4”直径，1mm厚度，两面抛光。微流体上的微通道通过第一个光掩
80c。 (微流体晶片可承受最高温度为200℃)。
45.(4)打开第二isco泵11以恒定流速将地层水样品输入微流体晶片13，当地层水充满整个实验系统时，关闭第二isco泵11和第二阀门10。
46.(5)将第一isco泵7设置恒定压力(设定的地层压力)注射，然后打开第一阀门6、第三阀门4，高压超临界状态co2会迅速冲入系统将微流体主管道(二氧化碳入口处主管道) 中的水分排走，而四根扩散微流通道1307中的液体则不会被大量的冲走，只会被高速流动的 co2带走少量两相接触界面的液体。待气体冲出第三阀门4时，关闭第三阀门4，因微流体通道和实验连接的管道体积较小，超临界co2会迅速充满系统，系统中的压力会迅速升至地层压力。微流体中的地层水和超临界co2在t形通道处会形成稳定界面，在地层压力和温度下形成实验的初始条件。
47.微流体中的四个扩散微流通道1307为实验的观察区域，实验中可以单独通道中荧光的变化来计算结果。设计四个通道的主要原因为在步骤(3)时增大液体流量，使其更快的充满微流体晶片和晶片与第三阀门4之间的管道空间。实验中也可将四个微通道均纳入荧光变化的记录和计算，用于消除实验误差。
48.本实用新型借助荧光测量方法来进行定量检测和计算co2在地层水中的扩散系数。实验将要封存co2的地层水过滤，与可标定液体ph的荧光剂混合。实验过程中co2溶解，改变液体ph。通过荧光显微镜可记录扩散微流通道1307内液体荧光强度的变化，从而计算出ph 的改变，进而计算出co2浓度的变化。根据co2浓度在固定空间随着时间的变化即可计算出co2在地层水中的扩算系数。
49.尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本实用新型进行了详细描述，但本实用新型并不限于此。在不脱离本实用新型的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本实用新型的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本实用新型的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。