微流体器件用于表征多孔介质中的孔隙尺度事件过程, 用于采油应用
January 16th, 2018
这一过程的目的是容易和迅速地产生一个可定制的几何和耐膨胀的有机流体的微流控油回收研究。首先生成一个烷模具, 然后用它来铸造氧设备。有代表性的位移研究报告。
该程序的总体目标是快速生产具有可定制几何形状的微流体装置，用于石油采收研究。这种方法使我们能够研究多孔介质中的多相流。通过使用微流体系统来实际可视化这些类型的复杂流动，我们可以为大型油藏系统设计更好的提高石油采收率的方法。
这项技术的主要优点是，它使我们能够以安全且经济高效的方式快速收集数据和不同的提高石油采收率方法。这种方法可以深入了解提高采收率的机制。它也可以应用于其他系统，例如 CO2 封存和含水层修复。
首先，使用 CAD 软件设计一个照片蒙版，该蒙版由一个矩形通道组成，该通道填充了一系列帖子。将此图案曝光在涂有 20 微米光刻胶的硅胶晶圆上。并使用此母版创建 PDMS 模具，如随附的文本协议中所述。
将干净的 PDMS 模具模型面朝上放在无尘的 150 毫米塑料培养皿的底部。让 PDMS 粘附在塑料上 10 秒钟，然后用透明塑料胶带保护 PDMS 表面。此时，该过程可能会暂停。
接下来，从图案表面撕下胶带，将光学胶粘剂倒入培养皿中，直到模具顶面上方约 0.9 厘米的深度。使用棉签轻轻去除形成的任何气泡。现在，按照随附的文本方案中的说明，使用 UV 光固化系统固化光学胶粘剂。
接下来，使用美工刀小心地将光学胶粘剂从模具中掰出。然后，使用一把结实的剪刀从设计边缘去除多余的光学胶粘剂。慢慢地将 PDMS 模具从光学胶圆盘上剥离。
使用 1 毫米的活检打孔器，在设备中创建一个入口、一个出口和引流孔。最后，使用透明胶带保护光学胶粘剂和 PDMS 表面的图案部分。将新的载玻片放在旋涂机上，并在载玻片上分配 1 毫米的光学胶粘剂。
分两步旋涂玻片。首先，以 500 RPM 的速度旋转 5 秒，然后将 RPM 增加到 4000 并旋转 20 秒。快速将基材转移到紫外光处理中，并在紫外光下部分固化薄薄的光学胶层 30 秒。
接下来，将光学胶粘剂流延图案面朝上，将基材涂层面朝上放入氧气等离子清洗剂中。将真空拉至 540 毫托。然后对表面进行等离子处理 20 秒。
完成后，取出碎片并将两个处理过的表面用力压在一起，直到所有不需要的气泡都最小化或去除。然后，将设备放回紫外线下并完全固化 20 分钟。接下来，将设备放在加热至 50 摄氏度的热板上 18 小时。
完成后，将 6 英寸长的 0.58 毫米内径低密度聚乙烯管插入设备上的每个端口。然后，添加快速固化环氧树脂以将管路固定到位。使用胶带将微流体装置固定在配备高速相机的倒置显微镜上。
选择一个 4 倍物镜并专注于感兴趣的区域。此处显示了设备的入口区域。然后，将 3 毫升粗油或莫代尔油装入配备 23 号工业分液针头的 10 毫升玻璃注射器中。
将注射器固定到注射泵支架上，并在注射泵设置中设置适当的直径值。接下来，将 1 毫升置换液装入配备 23 号工业分液针头的 3 毫升塑料注射器中。将注射器固定在注射泵支架中，然后再次在注射泵设置上设置适当的直径值。
通过将针尖插入管道，将置换液连接到设备的入口。然后，将充油注射器连接到其端口。开始以每小时 2 毫升的速度将油流入设备的出口，同时以每小时 0.8 毫升的速度将置换液流入入口。
可选的泡沫发生器将用于此演示。将富液收集到 20 mL 玻璃瓶中，直到两种液体都流出排液口。置换液不应进入多孔介质，而应直接从排水管中流出，直到摄像机就位并开始拍摄。
开始在多孔介质设备上以足够快的帧速率拍摄感兴趣区域，以捕获所需的现象。此外，捕获 100% 油饱和区域的静止图像。然后，快速、同时地切割在油中流动的管子，同时用 5 厘米的活页夹夹住排废管。
让置换液侵入设备，直到驱油量达到稳定状态或相机内存耗尽。此处显示了油饱和微观模型的典型结果。在裂缝区域，泡沫如预期般转移到渗透率较低的基质中。
泡沫是通过两个主要机制产生的，可以描述为夹断和薄片分裂。泡沫破坏可以很容易地以聚结、毛细管吸入和扩散粗化的形式来识别。按照这种方法，我们实际上可以使用这些微流体系统来研究其他提高石油采收率的过程，例如碱性驱、聚合物驱、表面活性剂驱，以及能够使用它们来研究其他复杂的多孔介质过程，例如含水层修复。
因此，另一个感兴趣的领域实际上是使用这些微流体设备来研究碳捕获和封存。我们实际上可以看到二氧化碳通过这些微流体系统被困在多孔介质中的机制。
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概览
本程序概述了一种快速生产具有可定制几何形状的微流控装置的方法，用于石油开采研究。它可以实现多相流体在多孔介质中的可视化，有助于设计增强型石油开采方法。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流控
- 石油开采
- 多孔介质流动
背景
- 微流控系统允许研究复杂的流体流动。
- 增强型石油开采方法对于优化储层系统至关重要。
- 快速数据收集对于有效研究至关重要。
- 这种技术也可以用于CO2封存和含水层修复。
研究目的
- 生产微流控装置以研究石油开采。
- 在多孔介质中可视化多相流动。
- 高效收集增强型石油开采方法的数据。
使用的方法
- 创建聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具。
- 浇铸环氧基微流控装置。
- 进行置换研究以分析流动行为。
- 在各种流体动力学研究中应用该装置。
主要结果
- 该方法允许快速生产可定制装置。
- 它提供了关于增强型石油开采机制的见解。
- 收集的数据可以为大规模储层管理提供信息。
- 该技术对研究目的来说具有成本效益且安全。
结论
- 这种微流控装置是石油开采研究的有价值工具。
- 它增强了对多相流动动力学的理解。
- 该方法可以适用于其他环境应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
This method enables rapid, cost-effective visualization of multi-phase flows in porous media, supporting the design of enhanced oil recovery strategies. It provides a scalable platform for studying displacement mechanisms under controlled conditions, reducing reliance on large-scale reservoir testing. The approach facilitates early-stage de-risking of recovery techniques by delivering quantitative pore-scale insights.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of fluid displacement hypotheses in porous media systems.
- Operational Value: Supports rapid prototyping of device geometries for mechanistic studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates reproducible, quantitative flow data for comparing recovery agents.
- Operational Value: Delivers solvent-resistant platforms compatible with organic displacing fluids.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery-scale observations to field-relevant recovery predictions.
- Operational Value: Enables standardized testing across displacement scenarios such as surfactant or polymer flooding.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum by enabling hypothesis testing and mechanistic de-risking prior to lead identification in recovery agent development.
- Discovery Biology: Facilitates visualization and analysis of multi-phase flow dynamics in porous media.
- Screening: Provides reproducible, quantitative displacement data for agent comparison.
- Analytics: Delivers real-time imaging and flow rate measurements for mechanistic evaluation.
- Translational Research: Supports continuity from microfluidic observation to pilot-scale recovery testing.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, adaptable platform for diverse fluid displacement studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in recovery mechanism elucidation.
- Operational Value: Ensures reproducibility and solvent resistance in organic fluid environments.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing biological and mechanistic uncertainty.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of recovery strategies based on pore-scale performance.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic design, photolithography, and UV curing processes.
- Depends on access to UV curing systems, plasma cleaners, and precision fluid handling equipment.
- Necessitates standardization of bonding and curing protocols across production batches.
- Involves adaptation considerations for varying porous media geometries and fluid properties.
- Includes practical limitations such as potential bond-strength degradation over extended organic solvent exposure.
