破碎非常规储层微尺度超临界CO泡沫运输的高压 试验微流体制造技术

Summary

本文介绍了一种协议，以及两种微流体制造技术的比较研究，即光刻/湿蚀/热粘结和选择性激光诱导蚀刻（SLE），适用于高压条件。这些技术构成直接观测储层条件下代理渗透介质和破碎系统中流体流动的有利平台。

Abstract

许多微流体平台的压力限制是断裂介质微流体实验研究中的一个重大挑战。因此，这些平台尚未被充分利用，无法直接观测断裂中的高压传输。这项工作引入了微流体平台，能够直接观察具有代理渗透介质和破碎系统的器件中的多相流。这些平台提供了解决重要和及时问题的途径，例如与 CO₂捕获、利用和存储相关的问题。这项工作提供了制造技术和实验设置的详细说明，可用于分析超临界CO2（SCCO_2）泡沫的行为，其结构和稳定性。这些研究提供了关于加强石油回收过程和水力裂缝在非常规储层资源回收中的作用的重要见解。本工作介绍了使用两种不同技术开发的微流体器件的比较研究:光刻/湿蚀/热粘结与选择性激光诱导蚀刻。这两种技术都使器件具有化学和物理抗性，能够耐受与感兴趣的地下系统对应的高压和温度条件。这两种技术都为高精度蚀刻微通道和能够利用的片上实验室设备提供了路径。然而，光刻/湿蚀刻能够制造具有复杂几何形状的复杂通道网络，这将是激光蚀刻技术的一项具有挑战性的任务。这项工作总结了分步光刻、湿蚀和玻璃热粘结方案，并介绍了泡沫运输的代表性观测结果，与非常规紧固和页岩层的石油回收有关。最后，本文描述了使用高分辨率单色传感器来观察 scCO₂泡沫行为，其中同时观察整个渗透介质，同时保留解析小至 10 μm 的特征所需的分辨率。

Introduction

水力压裂已经使用相当长一段时间，作为刺激流量的手段，特别是在紧密地层^1。水力压裂所需的大量水与环境因素、供水问题^2、地层损伤^3、成本⁴和地震影响^5。因此，人们对替代压裂方法（如无水压裂和使用泡沫）的兴趣正在上升。替代方法可提供重要好处，^{如减少用水6，与水}敏感地^{层7相容，最小至无堵塞地层8，}压裂液^9，可回收^性10，易于清理和支撑承载^能力6。CO₂泡沫是一种潜在的无水压裂液，与传统压裂技术^{6、7、11相比，}有助于提高石油液体的高效生产，提高地下_CO2的储存能力，其环境足迹可能^更小。

在最佳条件下，超临界_CO2泡沫....

Protocol

注意:此协议涉及处理高压装置、高温炉、危险化学品和紫外线。请仔细阅读所有相关材料安全数据表，并遵守化学品安全指南。在开始喷射过程之前，请检查压力测试（静液压和气动）安全准则，包括所需的培训、所有设备的安全操作、相关危险、紧急触点等。

1. 设计几何图案

1. 设计一个光掩贴，包括几何特征和感兴趣的流动路径（图1，补充文件1:图S1）。
2. 定义边界框（器件的表面面积），以识别基材的面积，并限制设计所需的介质尺寸。
3. 设计入口/出口端口。选择端口尺寸（例如，在这种情况下直径为 4 mm），在进入介质之前实现泡沫相对均匀的分布（图 1）。
4. 通过将设计打印到透明薄膜或玻璃基板上，准备设计几何图案的光贴膜。
   1. 将二维设计拉伸到第三维，并合并入口和出口端口（在 SLE 中使用）。
      注:SLE 技术需要三维绘图（图2）。

2. 使用光刻将几何图案传输到玻璃基板

注:必须极其小心地处理埃茨甘特和食人鱼解决方案。建议使用个人防护设备，包括面部可重复使用....

Results

本节介绍从 scCO₂ 泡沫流穿过与微裂纹阵列相连的主裂缝的物理观测示例。通过光刻或 SLE 制造的玻璃微流体装置放置在支架内，并放置在摄像机的视野中，该摄像机具有 6000 万像素的单色全帧传感器。 图11 说明了微流体器件的制造过程及其在实验装置中的放置。 图 12 说明了在生成/隔离前₂₀ 分钟内，UV 光刻微流体器件（4 MPa 和 40°C）中的 CO 2 泡沫运输和稳定性。多相在断裂/微裂纹和泡沫中移动，通过微裂缝产生。 图 13 显示了 SLE 微流体器件（7.72 MPa 和 40°C）中的 scCO₂ 泡沫生成，从无流量的环境条件开始，以高低流量完全开发 scCO₂ 泡沫。 图 14 显示在生成/隔离前 20 分钟内储层条件下（7.72 MPa 和 40°C）的泡沫分布和稳定性图像。

Discussion

这项工作提出了一个与制造平台相关的协议，用于制造坚固的高压玻璃微流体器件。这项工作中提出的协议通过在手套箱内执行几个最终的制造步骤来缓解对洁净室的需要。建议使用洁净室（如果有）以尽量减少污染的可能性。此外，蚀刻机的选择应基于所需的表面粗糙度。使用HF和HCl的混合物作为蚀刻，往往减少表面粗糙度^30。这项工作涉及微流体平台，使复杂流体在复杂渗透介质中的传输能够直接、就地可视化，忠实地代表感兴趣的地下介质的复杂结构。因此，这项工作使用缓冲蚀刻，使研究质量转移和传输的代理介质类似地质渗透介质。

图案设计
这些模式是使用计算机辅助设计软件（材料表）创建的，其功能旨在表示事实和微裂纹，以研究泡沫的运输和稳定性（参见 图1）。这些图案可以印在高对比度、聚酯基透明薄膜或波罗浮或石英板（光面罩）上。光刻学中使用的图案包括主通道，宽度为127 μm，长度为2.2厘米，用作主断裂。此通道连接到各种尺寸的微断裂阵列，或由直径.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1/4" 螺栓和螺母			用于制造金属板，将玻璃芯片夹在它们之间以进行热粘合
3.45 x 3.45 mm UV LED	Kingbright		发射 LED 光
3D 测量 激光显微镜	OLYMPUS	LEXT OLS4000	测量通道深度
40 mm x 40 mm x 10 mm 12V 直流冷却风扇	Uxcell		冷却 UV LED 灯
120 毫米 x 38 毫米 24V 直流冷却风扇	Uxcell		冷却紫外线 LED 灯
5 毫升（6 毫升） NORM-JECT 注射器	HENKE SASS WOLF	批次 #16M14CB	每次实验前冲洗芯片
丙酮（ACS 认证）	Fisher Chemical	批次 #177121	用于清洁
耐酸/腐蚀镊子	TED PELLA		在腐蚀性溶液中处理玻璃片
酸/耐溶剂的镊子	TED PELLA， INC	#53009 和 #53010	在腐蚀性溶液中处理玻璃
合金 X	美国特殊金属	热号： ZZ7571XG11	热粘合
氢氧化铵（ACS 试剂）	Sigma Aldrich	Lot #SHBG9007V	在工艺结束时清洁芯片
AutoCAD	Autodesk，加利福尼亚州圣拉斐尔		2D 模型和 3D
芯片 BD 蚀刻剂	TRANSENE	批次 #028934	用于描绘磷酸二硅玻璃的改进缓冲蚀刻配方 –SiO2 （PSG） 和硼硅玻璃 –SiO2 （BSG） 系统
空白浮球衬底	TELIC	CG-HF	用于紫外线蚀刻的上部衬底
金属化的浮球衬底	TELIC	PG-HF-LRC-AZ1500	用于紫外线蚀刻的下部衬底
Capture One 照片编辑软件	Phase One		捕捉/编辑/转换 Phase One Camera
Capture Station	DT 拍摄的照片科学仪器	DT Versa	将芯片放置在相机的视野中
二氧化碳气体（E 级）	PRAXAIR	UN 1013，CAS 编号 124-38-9	泡沫的非水溶液部分
铬蚀刻剂 1020	TRANSENE	批次 #025433	高纯度铈硝酸铵系统，用于精确、清洁地蚀刻铬和氧化铬薄膜。
带数字温度控制器的循环浴	PolyScience		控制盐水和 CO2 温度
计算机		NVIDIA Tesla K20 显卡 - 706 MHz 核心 - 5 GB GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16	处理和可视化通过 Phase One 相机获得的图像
定制的高压玻璃芯片支架			紧紧固定芯片及其连接以进行高压测试
Cutrain（定制）			防止紫外线/红外辐射
去离子水 （DI）			用于清洁
带单色 60 MP 传感器的数码相机	Phase One	IQ260	可视化系统
乙醇、无水、USP 规格	DECON LABORATORIES， INC.	批次 #A12291505J，CAS# 64-17-5	用于清洁
可重复使用的呼吸器	3M	6502QL，气体、蒸气、灰尘、介质	防止挥发性溶液吸入
熔融石英（UV 级）晶圆	SIEGERT WAFER	UV 级	用于 SLE 打印的玻璃前体
GIMP	开源图像处理软件		表征图像纹理和特性
手套箱（乙烯基厌氧室）	Coy		提供清洁、无尘的环境
加热超声波清洗浴	Fisher Scientific		加速蚀刻过程
六甲基二硅氮烷 （HMDS） 洁净室®MB	KMG	62115	光刻胶涂层底
漆软管（PEEK 管）	IDEX HEALTH &科学	自然色 1/16" 外径 x .010" 内径 x 5 英尺，零件 # 1531	流量连接
盐酸，经认证的 ACS 加	Fisher Chemical	批次 # 187244	RCA 半导体清洁方案中的溶剂
过氧化氢	Fisher Chemical	H325-500	RCA 半导体清洁方案中的溶剂
ImageJ	NIH		表征图像纹理和特性
ISCO 注射泵	TELEDYNE ISCO	D-SERIES （100DM， 500D）	泵送液体
Kaiser LED 灯箱	Kaiser		照明芯片
LightFab GmbH	印刷机	FILL	Glass-SLE芯片制造
激光安全眼镜	FreeMascot	B07PPZHNX4	防止UV/IR辐射
LED Engin 5W UV透镜	LEDiL		发射LED光
Light Fab 3D打印机（飞秒激光）	Light Fab		选择性激光蚀刻熔融石英
LightFab 3D打印机 LightFab	GmbH，德国		要打印 SLE 熔融石英芯片
MATLAB	MathWorks， Inc.， Natick， MA		图像处理
金属板
微砂喷砂机 （Problast 2）	VANIMAN	Problast 2 – 80007	在盖板上开孔
MICROPOSIT 351 显影	Dow	10016652	光刻胶显影液
Muffle炉	Thermo Scientific	Thermolyne Type 1500	热粘合
N2 纯研究级	Airgas	Research Plus - NI RP300	用于干燥每个步骤中的芯片
NMP 半导体级 - 0.1μm 过滤	Ultra Pure Solutions， Inc	Lot #02191502T	有机溶剂
烘箱	重力对流烘箱	18EG
Phase One IQ260 带消色差传感器	Phase One	IQ260	使用 ISO 200 设置和 f/8 光圈观察微流体设备中的传输。
光掩模	细线成像	20,320 DPI 胶片	通道图案
光刻胶 （SU-8）	MICRO CHEM	产品项目：Y0201004000L1PE，批号：18110975	光刻胶
偏振光学显微镜	OLYMPUS	BX51	微通道的目视检查
端口（纳米端口组件）	IDEX HEALTH &科学	纳米端口组件 无头，10-32 锥形，用于 1/16" 外径，部件 # N-333	与芯片的连接
Python	Python 软件基金会		图像处理
安全面罩	Sellstrom	S32251	防止紫外线/红外辐射
密封膜（封口膜）	Bemis Company， Inc		容器隔离
快门控制软件	Schneider-Kreuznach		调整快门设置
光滑的陶瓷板			热粘合
搅拌 热板	Corning®	PC-620D	加热溶液
硫酸，ACS 试剂 95.0-98.0%	Sigma Aldrich	批次 # SHBK0108	RCA 半导体清洁方案中的溶剂
注射泵（标准注入/抽出 PHD ULTRA）	哈佛仪器	70-3006	每次实验前使芯片饱和
扭矩扳手	扣	式 TE25A-34190	拧紧螺钉
紫外线功率仪表	Optical Associates， Incorporated	Model 308	测量紫外线强度
紫外线功率计	Optical Associates， Incorporated	Model 308	量化紫外线
强度 紫外线辐射架（LED 灯）			将图案转移到玻璃上（光刻胶层）
真空泵	WELCH VACCUM TECHNOLOGY， INC	1380	干燥芯片
可变直流电源	Eventek	KPS305D	为 UV LED 灯供电