用于表征多孔介质中孔隙尺度事件过程以应用于石油开采的微流控装置

摘要

本实验的目的是简便、快速地制备一种具有可定制几何结构且耐有机流体溶胀的微流控装置，用于石油采收研究。首先制备聚二甲基硅氧烷模具，然后利用该模具浇铸环氧树脂基装置。文中报道了一项典型的驱替实验研究。

摘要

微流控装置是研究微观尺度下传输过程的多功能工具。目前需要一种能够耐受低分子量油组分的微流控装置，这不同于传统的聚二甲基硅氧烷（PDMS）装置。本文展示了一种制备具有此类特性的装置的简便方法，并利用该方案所得产品来研究泡沫在孔隙尺度上回收原油的作用机制。首先使用计算机辅助设计（CAD）软件设计图案，并通过高分辨率打印机将其打印在透明胶片上。随后通过光刻工艺将该图案转移至光刻胶上。将PDMS浇铸在该图案上，在烘箱中固化后剥离，从而获得模具。然后将一种常用于光学粘合剂（OA）的硫醇-烯交联聚合物倒入模具中，并在紫外光下固化。将PDMS模具从固化的光学粘合剂铸件上剥离。接着准备一块玻璃基底，将装置的两部分键合在一起。基于光学粘合剂的装置比传统的PDMS微流控装置更坚固。其环氧结构对多种有机溶剂引起的溶胀具有抗性，从而为涉及轻质有机液体的实验开辟了新的可能性。此外，这些装置的表面润湿性行为比PDMS更稳定。光学粘合剂微流控装置的构建过程简单，但相比PDMS装置的制作仍需稍多的操作步骤。此外，尽管光学粘合剂装置在有机液体中具有稳定性，但在长时间使用后其键合强度可能下降。光学粘合剂微流控装置可制成二维多孔介质微模型结构。这些装置可用于研究原油驱替过程，以增进我们对提高原油采收率和含水层修复中孔隙尺度机制的理解。

引言

该方法的目的是可视化并分析多相、多组分流体在多孔介质中的相互作用以及复杂的孔隙尺度动态过程。多孔介质中的流体流动与传质现象长期以来备受关注，因为这些系统涉及多种地下过程，如石油开采、含水层修复以及水力压裂^1,2,3,4,5。通过使用微流控模型模拟这些复杂的孔隙结构，可对不同流体相与介质之间在孔隙尺度上的动态事件进行可视化，从而获得独特的研究见解^{6,7,8,9,10,11}。

传统硅基微模型的制备成本高、耗时长且具有挑战性，而使用光学胶构建微模型则提供了一种相对廉价、快速且简便的替代方案^12,

方案

警告：本实验方案涉及高温烘箱、有毒化学品和紫外光的操作。请仔细阅读所有材料安全数据表，并严格遵守所在机构的化学品安全指南。

1. 装置设计

1. 使用 CAD 软件设计光刻掩模。
   1. 绘制一个长 3 cm、宽 0.5 cm 的矩形通道（图 1b-右上）。
   2. 创建一组封闭图形，代表多孔介质中的颗粒。
      注：这些图形被称为“柱”（posts），因为在软光刻过程中它们将形成三维结构。柱的形状和尺寸应在数十微米量级，间距为十到一百微米。可采用多种尺寸的柱以构建非均质性，并可留出无柱区域以模拟介质中的裂缝。
   3. 绘制进样和出样通道，其宽度约为多孔介质部分宽度的三分之一。从进样口引出一条通道作为排液通道。
   4. 在整体设计周围绘制一个边界框，设计与边界框之间至少保留 1.0 cm 的间距。
      注：在光刻掩模上，边界框与设计边缘之间的区域以及柱结构部分应保持透明。
2. 将 CAD 文件提交给公司进行高分辨率 CAD 制版
   注：可选步骤：对于泡沫驱替实验，需设计一个微流控泡沫发生器（图 1a）。重复步骤 1，但省略设计非均质性和边界框。建议在多孔介质设计之前的进样口处采用聚焦流（flow-focusing）结构....

结果

在本示例实验中，使用水基泡沫在具有层状渗透率差异的非均质多孔介质中驱替中东原油（黏度为 5.4 cP，API 重度为 40°）。将一个 PDMS 泡沫发生器连接至先前已完全饱和原油的光学胶微模型。图 1a 展示了 PDMS 泡沫发生器的光掩模 CAD 设计图、光刻胶图案化硅片以及插入进样和出样管后的完整泡沫发生器。图 1b 展示了具有层状渗透率差异的非均质光学胶模型多孔介质的对应图像。请注意光掩模设计中相应的透明与不透明区域。如图 2所示，通过气液共注入聚焦流动结构生成粗泡沫。本演示所选用的总流速为 0.8 mL/h，氮气的分相流速约为 90%。所用表面活性剂溶液为十四至十六碳α-烯烃磺酸盐与月桂酰胺丙基甜菜碱按 1:1 比例混合，浓度为 1 wt%。在水相中添加 1 wt% 的蓝色食用级染料，以帮助区分该相与装置中的支撑柱。当泡沫从聚焦流动区域进入均质泡沫发生器微模型后，形成更细密的泡沫结构。.......

讨论

本方案通过使用光学胶微模型研究采油过程，在非聚合物微模型（如玻璃或硅）的稳定性与PDMS微流控器件的易加工性之间实现了平衡。与玻璃或光学胶制成的微模型不同，PDMS器件对轻质有机物缺乏耐受性。此外，由于PDMS微模型表面的润湿性不稳定，且聚合物基质对气体具有通透性，因此在许多实验中并不理想¹⁹。相比之下，光学胶表现出比PDMS更稳定的润湿性，且对气体的通透性显著更低^20,21,22。具体而言，经过O₂ 等离子体处理后，光学胶的水接触角可在数天内保持稳定，而PDMS仅能维持数小时²¹。因此，只需极少额外操作，采用光学胶而非PDMS构建微模型，即可获得更优的溶剂耐受性、更稳定的润湿性能以及更低的气体通透性。然而，光学胶并不能取代玻璃或硅微模型，因为后两者可耐受更高的温度和压力。此外，光学胶微流控器件在长期实验中可能出现键合性能退化

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3 mL 鲁尔锁注射器	Fischer Scientific	14-823-435
10 mL 玻璃注射器	Fischer Scientific	1482698G
光掩模	CAD/Art Services
硅晶圆	University Wafer	452
丙二醇甲醚醋酸酯	Sigma Aldrich	484431-4L
150 mm 玻璃培养皿	Carolina Biological Supply	#721134
60 mm 塑料培养皿	Carolina Biological Supply	#741246
掩模对准器	EV Group	EVG 620
1 mm 活检打孔器	Miltex, Plainsboro, NJ	69031-01
工业分配针头	CML Supply	23 号规格
倒置显微镜	Olympus	IX-71
等离子体系统	Harrick Plasma	PDC-32G	等离子清洗仪
聚二甲基硅氧烷 (PDMS)	Dow Corning, Midland, MI	SYLGARD 184
Norland 光学胶 81 (NOA81) 或 (OA)	Norland Products Inc.	8116	光学胶
快干环氧树脂	Fisher Scientific	4001
载玻片	Globe Scientic Inc.	1321
SU-8 2015 光刻胶	MicroChem	SU-8 2015	光致抗蚀剂
注射泵	Harvard Apparatus	Fusion 400
玻璃毛细管	SGE Analytical Science	1154710C
高速相机	Vision Research	V 4.3
聚乙烯管	Scientific Commodities Inc.	#BB31695-PE/3