專利名稱：利用微流體平臺的相特性分析的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利說明書涉及用于測量流體熱物理屬性的設(shè)備和方法。更特別地，本專利說明書涉及用于分析在微流體裝置中流動(dòng)的儲層流體的相特性的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
儲層流體屬性的測量是規(guī)劃和開發(fā)潛在油田中的關(guān)鍵步驟。經(jīng)常希望的是，在生 產(chǎn)井上頻繁地執(zhí)行這種測量以提供性能的指示和生產(chǎn)過程的特性。這種測量的例子有壓力、體積和溫度測量，經(jīng)常稱為“PVT”測量，這些有助于預(yù)測儲層流體的復(fù)雜熱物理特性。PVT測量的一項(xiàng)重要使用是構(gòu)造描述儲層流體中油狀態(tài)的狀態(tài)方程式?？梢岳肞VT測量確定的其他感興趣的屬性包括流體粘滯性、密度、化學(xué)成分、油氣比等。一旦PVT分析完成，狀態(tài)方程式和其他參數(shù)可以輸入儲層建模軟件中以預(yù)測油田地層的特性。常規(guī)的PVT測量利用包含儲層流體的缸體進(jìn)行。置于缸體內(nèi)的活塞在流體上保持希望的壓力，而液相和氣相的高度例如利用高差計(jì)進(jìn)行測量。盡管應(yīng)用范圍很廣，常規(guī)的PVT測量遭受幾項(xiàng)非常重要的限制。首先，常規(guī)的PVT分析通常需要長達(dá)幾個(gè)星期來完成。另外，儲層流體的相當(dāng)大的體積，經(jīng)常是4公升那么多的體積，必須從井場到測試實(shí)驗(yàn)室維持在高達(dá)大約1400千克/平方厘米(20000磅/平方英寸)的壓力。在此高壓下運(yùn)送和處理這么大的樣品成本很高且造成不可忽視的安全問題。盡管本領(lǐng)域已知多種描述儲層流體屬性的方法，但仍留有不可忽視的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)實(shí)施例，提出用于分析微流體裝置中的相屬性的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括適于運(yùn)送流體且具有進(jìn)入通道和排出通道的微通道。與進(jìn)入通道流體連通的流體引入系統(tǒng)在壓力下經(jīng)由進(jìn)入通道將流體引入。光學(xué)傳感系統(tǒng)適于定位為在沿著微通道的多個(gè)位置檢測流體的相狀態(tài)。光學(xué)傳感系統(tǒng)優(yōu)選地包括處理系統(tǒng)，該處理系統(tǒng)適于和編程為基于微通道中流體的多個(gè)數(shù)字圖像在沿著微通道的多個(gè)位置處區(qū)分微通道中流體的氣相和液相。優(yōu)選地基于微通道中流體的數(shù)字圖像生成多個(gè)二值圖像，并且優(yōu)選地至少部分基于多個(gè)二值圖像針對多個(gè)壓力估計(jì)與流體中液相率或氣相率有關(guān)的值。對于流體像泡點(diǎn)值和/或相體積分布比與壓力的關(guān)系這種屬性優(yōu)選地至少部分基于檢測到的流體相狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。另外，根據(jù)一些實(shí)施例提出在微流體裝置中分析相屬性的方法。設(shè)有適于輸送流體的微通道，其具有進(jìn)入通道和排出通道。流體在壓力下經(jīng)由進(jìn)入通道被引入到微通道內(nèi)，并且在沿著微通道的多個(gè)位置以光學(xué)方式檢測流體的相狀態(tài)。由下文結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將會更顯而易見。


通過本發(fā)明示例性實(shí)施例的非限制性例子，參照所提到的多幅附圖，在下文詳細(xì)的描述中進(jìn)一步對本發(fā)明進(jìn)行描述，附圖中相似的附圖標(biāo)記在附圖的多個(gè)視圖中代表相似的部件，并且其中，圖I是用于測量儲層流體熱物理特性的、第一說明性實(shí)施例的微流體裝置的程式化立體分解圖；圖2是當(dāng)儲層流體流經(jīng)圖I的微流體裝置時(shí)儲層流體的反應(yīng)的程式化圖示；圖3是圖I的微流體裝置的俯視圖，描繪了三種儲層流體流態(tài)；圖4是儲層流體測量系統(tǒng)的程式化前視圖，該測量系統(tǒng)包括圖I的微流體裝置和用于在使用中生成微流體裝置圖像的照相機(jī)；圖5是用于測量儲層流體熱物理特性的、第二說明性實(shí)施例的微流體裝置的俯視圖；圖6是圖5的微流體裝置的前側(cè)視圖；圖7-9描繪了圖5的微流體裝置的示例性微通道收縮部；圖10是根據(jù)一些實(shí)施例的相特性分析系統(tǒng)的程式化圖示；
圖11示出了根據(jù)一些實(shí)施例的、從流經(jīng)微流體裝置的流體捕捉的一幀視頻的例子;圖12A是根據(jù)一些實(shí)施例的、針對C1和Cltl的混合物，微通道中的壓降與通道長度的關(guān)系圖；圖12B是根據(jù)一些實(shí)施例的、針對C1和Cltl的混合物，相體積分布與壓力的關(guān)系圖；圖13A是根據(jù)一些實(shí)施例的、針對多組分氣體和Cltl的混合物，微通道中壓降與通道長度的關(guān)系圖；圖13B是根據(jù)一些實(shí)施例的、針對多組分氣體和Cltl的混合物，相體積分布與壓力的關(guān)系圖；圖14A是根據(jù)一些實(shí)施例的、針對輕質(zhì)油和C1的混合物，微通道中壓降與通道長度的關(guān)系圖；圖14B是根據(jù)一些實(shí)施例的、針對輕質(zhì)油和C1的混合物，相體積分布與壓力的關(guān)系圖；圖15示出了根據(jù)一些其它實(shí)施例的、用于測量微流體裝置中液相率的行掃描方法的例子；圖16示出了根據(jù)一些實(shí)施例的、相狀態(tài)矩陣的例子；圖17A和圖17B是根據(jù)一些實(shí)施例的、示出行掃描視頻結(jié)果的圖；圖18A和圖18B示出了根據(jù)替代實(shí)施例的微通道；以及圖19示出了根據(jù)替代實(shí)施例的、螺旋微通道的設(shè)計(jì)圖案的例子。本發(fā)明容許各種修改和替代方式，其特定的實(shí)施例已經(jīng)在此通過附圖中的例子詳細(xì)示出。但應(yīng)該理解的是，在此特定實(shí)施例的描述并沒有想要將本發(fā)明限制于所公開的特殊方式，而是正好相反，本發(fā)明要覆蓋落在本發(fā)明由附上的權(quán)利要求書所限定的范圍內(nèi)的所有修改、等同方案和替代方案。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的說明性實(shí)施例進(jìn)行說明。為了清楚，本說明書中沒有描述實(shí)際實(shí)施方案的所有特征。應(yīng)理解在任何這種實(shí)際實(shí)施例的研發(fā)過程中，必須做出許多根據(jù)實(shí)施而特定的決定，以實(shí)現(xiàn)研發(fā)者的特定目標(biāo)，例如符合與系統(tǒng)相關(guān)和與商業(yè)相關(guān)的約束，一種實(shí)施方案與另一種實(shí)施方案的這些約束都不同。此外，應(yīng)理解這種研發(fā)努力是復(fù)雜的且耗費(fèi)時(shí)間的，但仍然是保證本領(lǐng)域普通技術(shù)人員享有本公開益處的常規(guī)程序。 此外，各附圖中類似的附圖標(biāo)記表示類似的元件。根據(jù)實(shí)施例，提出用于測量氣液混合物的相特性的技術(shù)。該技術(shù)利用由微通道制成的微加工芯片，所述微通道與在流體壓力下變形的薄的硅酮膜連接。利用在共同待授權(quán)的題目為 “PRESSURE MEASUREMENT OF A RESERVOIR FLUID IN A MICROFLUIDIC DEVICE”、律師卷號117.0037 US NP、與本申請同日提交且通過引用合并入本文的美國專利申請12/533292、專利申請US 2010/0017135中進(jìn)一步描述的薄膜來測量通道內(nèi)的壓力。根據(jù)一些實(shí)施例，通過捕捉流動(dòng)的視頻并用Matlab程序?qū)σ曨l進(jìn)行處理來測量沿著通道的液相率。通過繪制液相率隨壓力變化的圖得到相特性曲線。根據(jù)一些實(shí)施例，提出用于測量微流體裝置中的儲層流體壓力的系統(tǒng)和方法。出于本發(fā)明的目的，術(shù)語“儲層流體”意思是儲存在滲透性巖石的地下本體中的流體或者從其中輸送出的流體。因此，“儲層流體”可以包括碳?xì)浠衔锪黧w、例如鹽水的鹽性流體以及其他地層水和例如超臨界相二氧化碳的其他流體，但不局限于此。此外，出于本發(fā)明的目的，術(shù)語“微流體”意思是具有呈現(xiàn)出幾微米到幾百微米范圍內(nèi)寬度但長度比通道的寬度長很多倍的流體運(yùn)輸通道。類似地，術(shù)語“微通道”意思是呈現(xiàn)出幾微米至幾百微米范圍內(nèi)的寬度的流體運(yùn)輸通道。盡管由于實(shí)際制造技術(shù)在此描述的許多微通道的橫截面是矩形，但微通道的橫截面可以是任意形狀，包括圓形、卵形、橢圓形、方形等等。圖I示出了根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的、用于研究相特性的微流體裝置101的程式化立體分解圖。在說明性實(shí)施例中，微流體裝置101包括限定微通道105、進(jìn)入井107和排出井109的第一基底103。微通道105在進(jìn)入井107和排出井109之間延伸并且與進(jìn)入井107和排出井109流體連通。微通道105在第一基底103中形成蛇狀彎曲的圖案，因此使得微通道105能夠延伸相當(dāng)長的長度但僅占據(jù)相對小的面積。根據(jù)一種實(shí)施例，微通道105呈現(xiàn)一米或多米的長度、大約100微米的寬度和大約50微米的深度，但對于微通道105本發(fā)明也可預(yù)期有其他的尺寸。微流體裝置101還包括第二基底111，其具有與第一基底103的上表面115結(jié)合的下表面113。當(dāng)?shù)诙?11與第一基底103結(jié)合時(shí)，除了在進(jìn)入井107處的進(jìn)口 117和在排出井109處的出口 119之外，微通道105被密封。第二基底111限定了從中經(jīng)過的進(jìn)入通道121和排出通道123，其分別與第一基底103的進(jìn)入井107和排出井109流體連通。在圖I中還示出了多個(gè)空腔，例如空腔150，每個(gè)空腔利用小的側(cè)面通道與主要的微通道105連接。如下文進(jìn)一步詳細(xì)解釋的，每個(gè)空腔(例如空腔150)部分地由可變形的薄膜限定，該薄膜使得能夠進(jìn)行壓力測量。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，基底103制造有圓形的開口，空腔在側(cè)面由基底103內(nèi)的開口的壁限定，在底部通過可變形的薄膜限定，并且在頂部由第二基底111限定。在圖I中，第一基底103優(yōu)選地由硅制成并且大約500微米厚，第二基底111由玻璃，例如硅硼酸鹽玻璃制成，但如在此要更詳細(xì)討論的，本發(fā)明可預(yù)期有其他的材料用于第一基底103。根據(jù)一些優(yōu)選的實(shí)施例，基底103是傳統(tǒng)的絕緣體上硅(SOI)晶片。示例性的娃硼酸鹽玻璃由美國紐約的Schott North America, Inc. of Elmsford以及美國紐約的Corning Incorporated of Cornin g 制造。在操作中，促使增壓的儲層流體經(jīng)過進(jìn)入通道121、進(jìn)入井107和進(jìn)口 117流入微通道105。儲層流體經(jīng)過出口 119、排出井109和排出通道123離開微通道105。微通道105對經(jīng)過它的儲層流體的流動(dòng)提供很大的阻力，因?yàn)槲⑼ǖ?05的橫截面相對于微通道105的長度非常小。當(dāng)在微通道105的進(jìn)口 117和出口 119之間形成流體流動(dòng)時(shí)，微通道105內(nèi)的儲層流體的壓力從進(jìn)口 117處的輸入壓力(例如儲層壓力)下降到出口 119處的輸出壓力(例如大氣壓力)。流速是進(jìn)口 117和出口 119之間的總壓降以及粘滯性的函數(shù)。經(jīng)過微通道105的流體流動(dòng)是層流，因此當(dāng)儲層流體呈現(xiàn)單相流動(dòng)時(shí)，進(jìn)口 117和出口 119之間的壓降是線性的。對于用于測量儲層流體的熱物理屬性的微流體裝置和方法的進(jìn)一步細(xì)節(jié)，例如參閱2009年2月7日提交的國際專利申請PCT/IB09/50500，其通過引用合并在此。一旦形成流動(dòng)，每個(gè)空腔(例如空腔150)中的薄膜由于流體壓力而變形，并且可以通過光學(xué)方式檢測此變形，如在共同待授權(quán)的題目為“PRESSURE MEASUREMENT OF ARESERVOIR FLUID IN A MICROFLUIDIC DEVICE”序列號為 12/533292、專利申請公布號為US2010/0017135、律師卷號為117. 0037 US NP的同日提交的美國專利申請中更全面描述的。圖2示出了根據(jù)一些實(shí)施例的、當(dāng)儲層流體沿整體上對應(yīng)于箭頭202的方向流經(jīng)微通道105時(shí)儲層流體201的反應(yīng)的程式化圖示。當(dāng)儲層流體進(jìn)入微通道105的進(jìn)口 117時(shí)，儲層流體的壓力在儲層流體的“泡點(diǎn)壓力”之上。流體的泡點(diǎn)壓力是在該壓力時(shí)或在低于該壓力時(shí)在給定溫度下流體開始沸騰即起泡的壓力。當(dāng)儲層流體離開微通道105的出口 119時(shí)，儲層流體的壓力在儲層流體的泡點(diǎn)壓力之下。因此，“第一個(gè)”泡203在微通道105內(nèi)儲層流體處于泡點(diǎn)壓力的某一位置(例如圖2中的205處)在儲層流體中形成。在位置205的下游，在微通道105中發(fā)生儲層流體201的多相流動(dòng)，例如氣相和液相流動(dòng)。之前形成的泡，例如泡207、209、211、213、215等的大小隨著儲層流體201在微通道105內(nèi)流動(dòng)超過對應(yīng)于第一個(gè)泡形成的位置而變大，因?yàn)槲⑼ǖ?05的這部分中的壓力下降且更多儲層流體201的較輕成分汽化。這些泡通過例如液體塊217、219、221、223、225等的液體塊隔開。泡(例如泡207、209、211、213、215)的膨脹引起這些泡和液體塊(例如液體塊217、219、221、223、225)在微通道105內(nèi)的流動(dòng)速度增加。儲層流體201的質(zhì)量流速沿著微通道105大體上是恒定的；然而儲層流體201的體積流速隨著儲層流體沿著微通道105流動(dòng)而增加。儲層流體也經(jīng)過小的通道152進(jìn)入空腔150。根據(jù)一些實(shí)施例，小的側(cè)面通道152的寬度為大約50微米或微通道105寬度的大約一半，以及為大約50微米深。儲層流體(例如圖2的儲層流體201)的熱物理屬性(例如油氣比、相包絡(luò)線、狀態(tài)方程式)可以通過測量微通道105內(nèi)的泡的大小和濃度來確定?，F(xiàn)在參照圖3，以三種流態(tài)描繪了經(jīng)過微通道105的儲層流體的流動(dòng)。第一個(gè)泡，例如圖2的第一個(gè)泡203，在沿著微通道105的301處形成。從微通道105的進(jìn)口 117到第一個(gè)泡的位置301，在圖3中指示為第一區(qū)域303，儲層流體的壓力在泡點(diǎn)之上。在第一區(qū)域303內(nèi)沒有觀察到泡。在第一區(qū)域303中，由于低雷諾數(shù)，儲層流體的流動(dòng)為層流，并且在此區(qū)域中壓力線性下降。一旦形成泡，泡沿著在微通道105內(nèi)朝向出口 119移動(dòng)并且泡的體積增大。在第二區(qū)域305中，儲層流體的含氣率(即氣體的體積與總體積的比)小于I。在第三區(qū)域307中，儲層流體的流動(dòng)由高速氣體流動(dòng)所主導(dǎo)。氣泡由液體(例如水)的小液滴分隔開。儲層流體的壓力在第三區(qū)域307內(nèi)迅速下降。氣泡在第二區(qū)域305內(nèi)以比在第三區(qū)域307中低的速度流動(dòng)，在第二區(qū)域中以肉眼經(jīng)常幾乎不能跟隨所述氣泡。一旦在微通道105中形成儲層流體的穩(wěn)定流動(dòng)，使用照相機(jī)401來捕捉流動(dòng)的快照，如圖4所示。需注意，(圖I和圖3中示出的)儲層流體流入進(jìn)口 117的流動(dòng)由箭頭403表示，并且(圖I和圖3中示出的)儲層流體從出口 119流出的流動(dòng)由箭頭405表示。在一種實(shí)施例中，照相機(jī)401是電荷耦合器件(CCD)類型的照相機(jī)。由照相機(jī)401產(chǎn)生的圖像利用圖像分析軟件，例如可從美國馬里蘭州貝塞斯達(dá)的美國國家衛(wèi)生院獲得的ImageJ
I.38x以及可從美國馬薩諸塞州Xcitex, Inc. of Cambridge獲得的ProAnalyst進(jìn)行處理，以測量置于微通道105中的儲層流體內(nèi)的泡的大小和濃度。利用這項(xiàng)技術(shù)，可以確定儲層 流體的許多熱物理屬性，例如油氣比、相包絡(luò)線和狀態(tài)方程式。圖5和圖6描繪了根據(jù)一些實(shí)施例的微流體裝置501。如同圖I的微流體裝置101，微流體裝置501包括限定微通道505、進(jìn)入井507和排出井509的第一基底503。微通道505在進(jìn)入井507和排出井509之間延伸并且與進(jìn)入井507和排出井509流體連通。在所不的實(shí)施例中，第一基底503由娃制成；然而，第一基底503可以由玻璃制成。在一種實(shí)施例中，首先利用光刻技術(shù)將微通道505、進(jìn)入井507和排出井509摹制到第一基底503上，然后利用深反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)將其蝕刻到第一基底503中。如圖I所示的第一實(shí)施例那樣，在優(yōu)選的實(shí)施例中，微通道505呈現(xiàn)一米或多米的長度、大約100微米的寬度和大約50微米的深度，但對于微通道105本發(fā)明也預(yù)期有其他的尺寸。多個(gè)小的側(cè)面通道(例如側(cè)面通道552和556)從主要的微通道505通向圓形的空腔，例如空腔550和554。還示出了通向空腔558的側(cè)面通道560。根據(jù)一些實(shí)施例，沿著微通道505的長度間隔開十二個(gè)空腔，每個(gè)空腔的直徑大約為2mm，盡管本發(fā)明也預(yù)期有其他數(shù)量的空腔且對于每一空腔也預(yù)期有其他的直徑。每個(gè)空腔部分地由在裝置501底側(cè)上的柔性薄膜限定。薄膜在局部靜壓力下發(fā)生變形。利用共聚焦多色傳感器(CCS)來測量變形，并且在校準(zhǔn)之后給出通道內(nèi)的壓力值。微流體裝置501還包括第二基底511，其限定了與進(jìn)入井507和排出井509流體連通的進(jìn)入通道513和排出通道515。第二基底511由玻璃制成，如在此關(guān)于(在圖I中所示的)第二基底111所討論的。通過使裝置501的前部成為透明的，可以觀察流動(dòng)并且提供捕捉微通道505內(nèi)流動(dòng)的視頻。在一種實(shí)施例中，利用水射流或磨料水射流技術(shù)在第二基底511中形成進(jìn)入通道513和排出通道515。優(yōu)選地，在仔細(xì)地對基底503和511的結(jié)合表面進(jìn)行清潔后，利用陽極鍵合方法將第一基底503和第二基底511熔合。本發(fā)明預(yù)期微流體裝置501具有對于特定的實(shí)施方式所需的任意適合大小和/或形狀。在一種實(shí)施例中，微流體裝置501呈現(xiàn)出大約80毫米的總體長度A和大約15毫米的總體寬度B。在這種實(shí)施例中，通道513和515被隔開大約72毫米的距離C，空腔558和550被隔開大約3毫米的距離D，并且沿著微通道505呈蛇狀彎曲部分的空腔(例如空腔550和554)被隔開大約5毫米的距離E。應(yīng)注意的是，微流體裝置101也可以呈現(xiàn)與微流體裝置501相對應(yīng)的尺寸。但并不是對本發(fā)明范圍的限制。參照圖7，微通道505的一個(gè)或多個(gè)部分包括橫截面面積減小的區(qū)域，以在儲層流體中引起形成泡核。例如，如在圖7和圖8中所示，將微文丘里管701并入到微通道505的進(jìn)口中。微文丘里管701包括噴嘴口 801，其寬度W1小于微通道505的寬度W2。由微文丘里管701所提供的收縮使得在噴嘴口 801處儲層流體中有很大的壓降并且儲層流體的流動(dòng)速度增大。壓降和增大的速度的結(jié)合效應(yīng)引起儲層流體中形成泡核。優(yōu)選地，微通道505還包括一個(gè)或多個(gè)附加的收縮部703，如圖7和圖9所示。收縮部703呈現(xiàn)出比微通道505的寬度W4小的寬度W3。優(yōu)選地，噴嘴口 801的寬度W1和收縮部703的寬度W3為大約20微米，而微通道505的優(yōu)選寬度W2和W4為100微米。這些限制條件使儲層流體的速度增加最多大約500%。圖10是根據(jù)一些實(shí)施例的、相特性分析系統(tǒng)的程式化圖示。高容量注射泵1054由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1030電子控制并且推動(dòng)在壓力下儲存在樣品瓶1052中的測試流體。使流體從樣品瓶1052經(jīng)過閥1050流入微流體裝置501的蛇形彎曲的通道。維持恒定的輸入壓力，并·且通過壓力計(jì)1056對恒定的輸入壓力進(jìn)行測量。強(qiáng)光1062照射微流體裝置501的透明面511，并且照相機(jī)1060捕捉微通道內(nèi)的流動(dòng)的視頻。當(dāng)氣泡和液體塊在通道中在同一時(shí)間出現(xiàn)時(shí)，這兩相之間在亮度方面有很大的區(qū)別。然后，由照相機(jī)1060捕捉的圖像提供液體塊和氣泡沿著流動(dòng)的分布。光學(xué)傳感器1010安裝在高精度平臺1014上。光學(xué)傳感器1010沿著微流體裝置501的背面運(yùn)動(dòng)，并且針對裝置501上的每一空腔測量薄膜的變形。分光儀1020經(jīng)由光纖鏈路1012從光學(xué)傳感器1010接收信號。分光儀的結(jié)果供給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1030，由此給出在裝置501上的空腔位置處的通道內(nèi)壓力的記錄。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1030包括一個(gè)或多個(gè)處理器、儲存系統(tǒng)1032(該儲存系統(tǒng)包括接受計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的一個(gè)或多個(gè)可移動(dòng)儲存裝置)、顯示器1036和一個(gè)或多個(gè)人輸入裝置1034，例如鍵盤和/或鼠標(biāo)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1030還包括用于從分光儀1020收集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用例如可從美國EPIX公司獲得的視頻采集程序，將來自照相機(jī)1060的視頻儲存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1030中。根據(jù)一些實(shí)施例，微通道的完整圖像的視頻由接近300幀組成。根據(jù)一些實(shí)施例，泵1054的控制器、壓力計(jì)1056、平臺1014和光學(xué)傳感器1012都與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1030上的控制應(yīng)用程序連通，該控制應(yīng)用程序控制所有裝置并記錄測量，例如美國國家儀器公司的LabVIEW程序。圖11示出了根據(jù)一些實(shí)施例的、從流經(jīng)微流體裝置的流體捕捉的一幀視頻的例子。測量由一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)視頻以及利用光學(xué)傳感器在微流體裝置的不同空腔處測量的壓力值組成。幀1102是捕捉的流動(dòng)視頻中的一幀，而幀1104是由其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制產(chǎn)生的圖像或者黑白圖像。如在此所使用的，術(shù)語“二進(jìn)制圖像”或“二值圖像”意思是對于每一像素只具有兩個(gè)可能值的數(shù)字圖像。在第一片段處(在幀的左側(cè)附近)，正好在輸入之后，壓力仍然很高并且不多的氣體從液體中逸出。然而，進(jìn)一步向下游(到幀的右側(cè))，隨著壓力下降，越來越多的氣體從液體中出來。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1030上運(yùn)行的例如在Matlab下編程的圖像處理程序?qū)⒃嫉幕叶葓D像(例如1102)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制圖像(例如1104)。該過程包括合理地選擇一些圖像處理參數(shù)。然后，二進(jìn)制圖像本身通過計(jì)算程序進(jìn)行分析，例如也在Matlab下進(jìn)行編程的程序。計(jì)算的輸出是組成微通道的各片段中的每一片段中的液相率。然后，液相率在捕捉到的視頻的所有幀上進(jìn)行平均，因此給出更精確的測量值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值。因此，該過程提供液相率沿著通道的演變。圖12A是根據(jù)一些實(shí)施例的、對于C1和Cltl示出微通道中壓降與通道長度關(guān)系的圖。圖12B是根據(jù)一些實(shí)施例的、針對&和(1(|混合物示出相體積分布與壓力關(guān)系的圖。圖12A和圖12B描繪了在圖5所示的微流體裝置中的流動(dòng)流體和圖10所示的機(jī)構(gòu)上進(jìn)行的測量結(jié)果。流體是在500psig飽和的甲烷和癸烷的混合物。曲線1210的壓力測量示出了裝置內(nèi)的線性壓降。將壓力測量與通道內(nèi)的相體積分布相結(jié)合，提供了流體在不同壓力下的相體積分布，如圖12B所示。圖12B中，圓圈(例如點(diǎn)1212)描繪了利用圖10所示機(jī)構(gòu)中的微流體裝置進(jìn)行的測量，而實(shí)心正方形(例如點(diǎn)1214)示出了由傳統(tǒng)的PVT設(shè)備執(zhí)行的測量。圖13A是根據(jù)一些實(shí)施例的、針對多組分氣體和Cltl的混合物示出微通道中的壓降與通道長度關(guān)系的圖。圖13B是根據(jù)一些實(shí)施例的、針對多組分氣體和Cltl示出相體積分布與壓力關(guān)系的圖。在圖13A和圖13B中，示出了在600pisg與癸烷重新組合的多組分氣 體上的測量結(jié)果。在圖13A中，曲線1310的壓力測量示出了裝置內(nèi)的線性壓降。在圖13B中，圓圈(例如點(diǎn)1312)描繪了利用圖10所示機(jī)構(gòu)中的微流體裝置進(jìn)行的測量，而實(shí)心正方形(例如點(diǎn)1314)示出了由傳統(tǒng)的PVT設(shè)備進(jìn)行的測量。圖14A是根據(jù)一些實(shí)施例的、針對輕質(zhì)油和C1的混合物示出微通道中的壓降與通道長度關(guān)系的圖。圖14B是根據(jù)一些實(shí)施例的、針對輕質(zhì)油和C1示出相體積分布與壓力關(guān)系的圖。在圖14A和圖14B中，示出了在500psig飽和壓力下與甲烷重新組合的輕質(zhì)油上的測量結(jié)果。在圖14A中，曲線1410的壓力測量示出了裝置內(nèi)的線性壓降。在圖14B中，圓圈(例如點(diǎn)1412)描繪了利用圖10所示機(jī)構(gòu)中的微流體裝置進(jìn)行的測量，而實(shí)心正方形(例如點(diǎn)1414)示出了由傳統(tǒng)的PVT設(shè)備進(jìn)行的測量。如由圖12B、圖13B和圖14B可見，在用微流體裝置和傳統(tǒng)的PVT進(jìn)行的測量之間達(dá)成良好的一致。圖15示出了根據(jù)其他一些實(shí)施例的、用于測量微流體裝置中液相率的行掃描方法的一個(gè)例子。照相機(jī)(例如圖10的照相機(jī)1060)可以設(shè)置成僅捕捉通道圖像中選定的行。在某種程度上，照相機(jī)以與條形碼識別器類似的方式工作。通過長方形虛線框高亮的每一幀實(shí)質(zhì)上是將在蛇形彎曲的微通道的所有片段內(nèi)同一位置處的相狀態(tài)重組的行。對于給定的片斷，框起來的位置實(shí)質(zhì)上是一個(gè)點(diǎn)，并且相狀態(tài)可以是液態(tài)，在該情況下行上的對應(yīng)于所述片斷的點(diǎn)是亮的(并且被賦予值I)，或者相狀態(tài)可以是氣態(tài)，在該情況下相同的點(diǎn)是暗的(并且被賦予值O)。由單幀產(chǎn)生的賦值的簡化例子如二進(jìn)制字串1510。每一測量到的行首先是灰度圖像，然后經(jīng)歷與以上參照圖11所描述的相同的圖像處理過程。然后類似的計(jì)算為經(jīng)過處理的幀的每一片斷給出行位置處的相狀態(tài)(0或I)。最后，在所有視頻幀上對該二進(jìn)制值進(jìn)行平均以獲得沿著通道的液相率。該行掃描技術(shù)使得能夠捕捉接近20000幀，因此改進(jìn)了在視頻幀上的求平均并且降低了誤差。根據(jù)替代的實(shí)施例，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的照相機(jī)，使用與光電二極管陣列連接的光纖陣列。陣列中的每一光纖被引向蛇形彎曲的微通道505的單個(gè)垂直片斷。圖16示出了根據(jù)一些實(shí)施例的、相狀態(tài)矩陣的例子。如參照圖15描述的行掃描視頻的幀，在轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制圖像后，可以放入垂直序列以形成矩陣1610。獲得的矩陣1610顯示在視頻所有瞬間在所有片斷中的相狀態(tài)。Y軸為時(shí)間并且向前向下移動(dòng)-幀周期將兩行分開。X軸是出現(xiàn)在全圖像中的片斷數(shù)量。微通道輸入在左側(cè)，輸出在右側(cè)。這個(gè)表示形成一種類型的“指紋”，該指紋對于通道中的流動(dòng)來說是特定的并且在該指紋上面給出有價(jià)值的信息，如可以在矩陣中觀察到的頻率。圖17A和圖17B是根據(jù)一些實(shí)施例的、示出行掃描視頻結(jié)果的圖。行掃描技術(shù)給出與通過全圖像視頻獲得的測量值非常接近的液相率測量值。這里再次繪出了液相率與通道中的壓力分布的關(guān)系圖，并且所獲得的曲線再次與傳統(tǒng)的測量相匹配。在圖17A中，在500pisg飽和的甲烷-癸烷混合物上的行掃描測量結(jié)果以實(shí)心正方形示出，例如點(diǎn)1710，并且傳統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)以空心三角形示出，例如點(diǎn)1712。在圖17B中，在600pisg飽和有癸烷的多組分氣體上的行掃描測量結(jié)果以空心圓示出，例如點(diǎn)1720，并且傳統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)以實(shí)心正方形示出，例如點(diǎn)1722。圖18A和圖18B示出了根據(jù)替代實(shí)施例的微通道。盡管在此的討論多涉及由傳統(tǒng)的硅蝕刻工藝制成的微通道，但其他類型的微通道也可以與本文描述的微流體裝置和相關(guān)技術(shù)一起使用。例如，微通道1805由蛇形形狀的玻璃管制成。圖18B示出了玻璃管微通道 的橫截面，其是圓形的。此外，除了蛇形之外，微流體裝置可以使用其他的微通道設(shè)計(jì)圖案。圖19示出了根據(jù)替代實(shí)施例的、螺旋形的微通道設(shè)計(jì)圖案例子。微通道1905可以通過傳統(tǒng)的硅處理制造或者可以使用其他技術(shù)制成，例如可以是如圖18A和圖18B所示的玻璃管。盡管在此參照儲層流體的分析描述了多種實(shí)施例，本發(fā)明也適用于許多其他類型流體的分析。根據(jù)一些實(shí)施例，提供對一種或多種類型的生物醫(yī)學(xué)流體的分析，所述流體包括但不局限于體液，例如血液、尿液、血清、粘液和唾液。根據(jù)其它實(shí)施例，與環(huán)境監(jiān)測相關(guān)地提供對一種或多種流體的分析，所述環(huán)境監(jiān)測包括但不局限于水的凈化、水的質(zhì)量、廢水處理、飲用水和/或海水處理和/或分析。根據(jù)其他的實(shí)施例，提供對其他流體化學(xué)成分的分析。鑒于對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說在閱讀過前面的描述后本發(fā)明的多種替代方案和修改方案毫無疑問是顯而易見的，易于理解的是，通過附圖示出和描述的特殊實(shí)施例絕不能認(rèn)為是限制性的。此外，已經(jīng)參照特別優(yōu)選的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的變型方案。需注意的是，僅僅為了解釋才提出前述例子，因此絕不能理解為是對本發(fā)明的限制。已經(jīng)參照示例性實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，易于理解的是，在此所使用的措辭是描述性和說明性的措辭，而不是局限性的措辭。如目前陳述和修正的，可以在附上的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)作出改變，而不會在本發(fā)明方面脫離本發(fā)明的范圍和精神。盡管在此已參照特殊的裝置、材料和實(shí)施例描述了本發(fā)明，但不是要將本發(fā)明局限于在此所公開的細(xì)節(jié)；而是，本發(fā)明延伸到例如在所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有功能上等同的結(jié)構(gòu)、方法和用途。
權(quán)利要求
1.一種用于分析微流體裝置中的相特性的系統(tǒng)，包括 微通道，其能夠運(yùn)送流體且具有進(jìn)入通道和排出通道； 流體引入系統(tǒng)，其與所述進(jìn)入通道流體連通并且能夠在壓力下經(jīng)由所述進(jìn)入通道將流體引入；以及 光學(xué)傳感系統(tǒng)，其能夠定位為在沿著微通道的多個(gè)位置處檢測流體的相狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)傳感系統(tǒng)包括處理系統(tǒng)，該處理系統(tǒng)能夠被編程為基于微通道中流體的多幅數(shù)字圖像在沿著微通道的多個(gè)位置處區(qū)分微通道中的流體的氣相和液相。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述處理系統(tǒng)基于微通道中的流體的數(shù)字圖像生成多幅二值圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述處理系統(tǒng)還被編程為至少部分基于多幅二值圖像針對多個(gè)壓力對與流體中的液相率或氣相率有關(guān)的值進(jìn)行估計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，數(shù)字圖像中的每一幅都具有大于20比I的高寬比。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述數(shù)字圖像利用被引向微通道多個(gè)部分的光纖陣列生成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括壓力測量系統(tǒng)，其能夠被定位為在沿著微通道的多個(gè)位置處測量流體的壓力。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述壓力測量系統(tǒng)包括 一個(gè)或多個(gè)可變形的薄膜，其能夠被定位為在微通道中的流體壓力下變形；以及 第二光學(xué)傳感系統(tǒng)，其能夠被定位為檢測所述一個(gè)或多個(gè)柔性薄膜的變形。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述流體是從包括儲層流體、生物醫(yī)學(xué)流體和與環(huán)境監(jiān)控相結(jié)合進(jìn)行監(jiān)控的流體的組中選出的類型的流體。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括處理系統(tǒng)，該處理系統(tǒng)能夠被編程為至少部分基于檢測到的流體的相狀態(tài)對流體的泡點(diǎn)值進(jìn)行估計(jì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括處理系統(tǒng)，該處理系統(tǒng)能夠被編程為至少部分基于檢測到的流體的相狀態(tài)對流體的相特性與壓力的關(guān)系進(jìn)行估計(jì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括處理系統(tǒng)，該處理系統(tǒng)能夠被編程為至少部分基于檢測到的流體的相狀態(tài)對流體的相體積分布比進(jìn)行估計(jì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述微通道具有大體上呈矩形的橫截面。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述微通道至少部分由蝕刻到透明的硅基底和玻璃基底中的通道限定，使得光學(xué)傳感系統(tǒng)能夠生成微通道中的流體的多幅數(shù)字圖像。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述微通道呈現(xiàn)出蛇形彎曲的形狀并且具有至少一米的長度。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述微通道具有在兩微米至幾百微米范圍內(nèi)的覽度。
17.一種用于分析微流體裝置中的相特性的方法，包括 提供能夠運(yùn)送流體且具有進(jìn)入通道和排出通道的微通道； 在壓力下經(jīng)由進(jìn)入通道將流體引入微通道中；以及在沿著微通道的多個(gè)位置處以光學(xué)方式感測流體的相狀態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，以光學(xué)方式感測的步驟包括生成微通道中的流體的多幅數(shù)字圖像以及基于多幅數(shù)字圖像區(qū)分微通道中的流體的氣相和液相。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，以光學(xué)方式感測的步驟包括基于微通道中的流體的多幅數(shù)字圖像生成多幅二值圖像。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，以光學(xué)方式感測的步驟進(jìn)一步包括至少部分基于多幅二值圖像針對多個(gè)壓力對與流體中的液相率或氣相率有關(guān)的值進(jìn)行估計(jì)。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括在沿著微通道的多個(gè)位置處測量流體的壓力。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述壓力通過以光學(xué)方式感測一個(gè)或多個(gè)柔性薄膜的變形進(jìn)行測量，所述薄膜被定位為在微通道中的流體壓力下變形。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述流體是從包括儲層流體、生物醫(yī)學(xué)流體和與環(huán)境監(jiān)控相結(jié)合進(jìn)行監(jiān)控的流體的組中選出的類型的流體。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括至少部分基于檢測到的流體的相狀態(tài)對流體的泡點(diǎn)值進(jìn)行估計(jì)。
25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括至少部分基于檢測到的流體的相狀態(tài)對流體的相特性與壓力的關(guān)系進(jìn)行估計(jì)。
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括至少部分基于檢測到的流體的相狀態(tài)對流體的相體積分布比進(jìn)行估計(jì)。
27.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述微通道具有大體上呈矩形的橫截面。
28.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述微通道至少部分由蝕刻到透明的硅基底和玻璃基底中的通道限定，使得光學(xué)傳感系統(tǒng)能夠生成微通道中的流體的多幅數(shù)字圖像。
29.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述微通道呈現(xiàn)出蛇形彎曲的形狀并且具有至少一米的長度。
30.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述微通道具有在兩微米至幾百微米范圍內(nèi)的寬度。
全文摘要
本發(fā)明描述用于分析微流體裝置中的相特性的方法和相關(guān)系統(tǒng)。流體在壓力下被引入到微通道中，在沿著微通道的多個(gè)位置處對流體的相狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)檢測。流體的氣相和液相基于微通道內(nèi)流體的多幅數(shù)字圖像進(jìn)行區(qū)分?；跀?shù)字圖像可以生成二值圖像，并且可以基于二值圖像對流體中的液相率或氣相率隨壓力的變化進(jìn)行評估。對于流體的特性，例如泡點(diǎn)值和/或相體積分布比隨壓力的變化關(guān)系，可以基于檢測到的流體相狀態(tài)進(jìn)行評估。
文檔編號G01N33/28GK102753971SQ201080042976
公開日2012年10月24日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者F·蒙斯陶菲, Y·貝拉內(nèi)什 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司