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Methodenartikel

Mikrofluidische Fertigungstechniken zur Hochdruckprüfung von mikroskaligen superkritischenCO2-Schaumtransporten in gebrochenen unkonventionellen Reservoirs

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DOI:

10.3791/61369

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2. Juli 2020

 ,  ,  , 
1Department of Chemical and Petroleum Engineering, University of Kansas, 2Department of Chemical Engineering, University of Wyoming

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieser Beitrag beschreibt ein Protokoll zusammen mit einer vergleichenden Untersuchung von zwei mikrofluidischen Fertigungstechniken, nämlich Photolithographie/Nassätzung/thermische Bindung und Selektive Laser-induzierte Ätzung (SLE), die für Hochdruckbedingungen geeignet sind. Diese Techniken sind Förderplattformen für die direkte Beobachtung des Flüssigkeitsflusses in ersatzdurchlässigen Medien und gebrochenen Systemen unter Reservoirbedingungen.

Zusammenfassung

Druckbegrenzungen vieler mikrofluidischer Plattformen stellten eine große Herausforderung in mikrofluidischen experimentellen Studien von gebrochenen Medien dar. Infolgedessen wurden diese Plattformen für die direkte Beobachtung des Hochdrucktransports bei Frakturen nicht voll ausgenutzt. Diese Arbeit stellt mikrofluidische Plattformen vor, die eine direkte Beobachtung des mehrphasigen Durchflusses in Geräten mit durchlässigen Ersatzmedien und gebrochenen Systemen ermöglichen. Solche Plattformen bieten einen Weg, um wichtige und aktuelle Fragen wie die im Zusammenhang mit CO2-Abscheidung, -Nutzung und -Speicherung anzugehen. Diese Arbeit bietet eine detaillierte Beschreibung der Fertigungstechniken und ein experimentelles Setup, das dazu dienen kann, das Verhalten von überkritischemCO2-Schaum (scCO2) Schaumstoff, seine Struktur und Stabilität zu analysieren. Solche Studien liefern wichtige Erkenntnisse über verbesserte Ölrückgewinnungsprozesse und die Rolle hydraulischer Frakturen bei der Ressourcenrückgewinnung aus unkonventionellen Reservoirs. Diese Arbeit stellt eine vergleichende Studie über mikrofluidische Geräte dar, die mit zwei verschiedenen Techniken entwickelt wurden: Photolithographie/Nassätzung/thermische Bindung im Vergleich zur selektiven Laser-induzierten Ätzung. Beide Techniken führen zu Geräten, die chemisch und physikalisch beständig und tolerant gegenüber hohen Druck- und Temperaturbedingungen sind, die den von Interesse sindden Oberflächensystemen entsprechen. Beide Techniken bieten Wege zu hochpräzisegeätzten Mikrokanälen und leistungsfähigen Lab-on-Chip-Geräten. Photolithographie/Nassätzung ermöglicht jedoch die Herstellung komplexer Kanalnetzwerke mit komplexen Geometrien, was eine anspruchsvolle Aufgabe für Laserätztechniken wäre. Diese Arbeit fasst ein Schritt-für-Schritt-Photolithographie-, Nassätz- und Glas-Thermo-Bonding-Protokoll zusammen und präsentiert repräsentative Beobachtungen des Schaumtransports mit Relevanz für die Ölrückgewinnung aus unkonventionellen engen und Schieferformationen. Schließlich beschreibt diese Arbeit die Verwendung eines hochauflösenden monochromatischen Sensors, um das ScCO 2-Schaumverhalten zu beobachten, bei dem die Gesamtheit des durchlässigen Mediums gleichzeitig beobachtet wird, wobei die Auflösung erhalten bleibt, die erforderlich ist, um Funktionen von bis zu 10 m aufzulösen.

Einleitung

Hydraulisches Fracking wird seit geraumer Zeit als Mittel zur Stimulierung des Durchflusses vor allem in engen Formationen1eingesetzt. Große Wassermengen, die beim hydraulischen Fracking benötigt werden, werden mit Umweltfaktoren, Wasserverfügbarkeitsproblemen2,Formationsschäden3, Kosten4 und seismischen Effekten5. Infolgedessen steigt das Interesse an alternativen Fracking-Methoden wie wasserlosem Fracking und der Verwendung von Schaumstoffen. Alternative Methoden können wichtige Vorteile wie Verringerung der Wassernutzung6, Kompatibilität mit wasserempfindlichen Formationen7, minimale bis keine Verstopfung der Formation8, hohe scheinbare Viskosität der Fracking-Flüssigkeiten9, Recyclingfähigkeit10, einfache Reinigung und Proppant Tragefähigkeit6. CO2-Schaum ist eine potentielle wasserlose Fracking-Flüssigkeit, die zu einer effizienteren Produktion von Erdölflüssigkeiten und verbessertenCO2-Speicherkapazitäten im Untergrund mit einem potenziell geringeren ökologischen Fußabdruck im Vergleich zu herkömmlichen Fracking-Techniken6,7,11beiträgt.

Unter optimalen Bedingungen bietet überkritischerCO2-Schaum (ScCO2-Schaum) bei Drücken, die über den minimalen Mischbarkeitsdruck (MMP) eines bestimmten Reservoirs hinausgehen, ein Multikontaktmischsystem, das in der Lage ist, den Durchfluss in weniger durchlässige Teile der Formation zu leiten und so die Sweep-Effizienz und die Rückgewinnung der Ressourcen12,13zu verbessern. scCO2 liefert gasähnliche Diffusivität und Flüssigkeit wie Dichte14 und eignet sich gut für Untergrundanwendungen wie Ölrückgewinnung und Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS)13. Das Vorhandensein der Schaumstoffbestandteile im Untergrund trägt dazu bei, das Risiko von Leckagen bei der Langzeitspeicherung von CO215zu reduzieren. Darüber hinaus können gekoppelte Kompressibilitäts-Thermoschockeffekte von scCO2-Schaumsystemen als effektive Fracking-Systeme dienen11. Die Eigenschaften vonCO2-Schaumsystemen für Untergrundanwendungen wurden in verschiedenen Maßstäben ausgiebig untersucht, wie z.B. die Charakterisierung seiner Stabilität und Viskosität in Sandpaketsystemen und seiner Wirksamkeit in Verdrängungsprozessen3,6,12,15,16,17. Die Frakturschaumdynamik und ihre Wechselwirkungen mit porösen Medien sind weniger untersuchte Aspekte, die für die Verwendung von Schaum in engen und gebrochenen Formationen unmittelbar relevant sind.

Mikrofluidische Plattformen ermöglichen eine direkte Visualisierung und Quantifizierung der relevanten Mikroskalierungsprozesse. Diese Plattformen bieten Echtzeit-Kontrolle der Hydrodynamik und chemische Reaktionen, um Poren-Skala-Phänomene neben Erholungsüberlegungen zu untersuchen1. Schaumerzeugung, -ausbreitung, -transport und -dynamik können in mikrofluidischen Geräten visualisiert werden, die gebrochene Systeme und leitfähige Pfade nachahmen, die für die Ölrückgewinnung aus engen Formationen relevant sind. Der Flüssigkeitsaustausch zwischen Fraktur und Matrix wird direkt in Übereinstimmung mit der Geometrie ausgedrückt18, wobei die Bedeutung vereinfachter und realistischer Darstellungen hervorgehoben wird. Im Laufe der Jahre wurden eine Reihe relevanter mikrofluidischer Plattformen entwickelt, um verschiedene Prozesse zu untersuchen. Tigglaar und Kollegen diskutieren beispielsweise die Herstellung und Hochdruckprüfung von Glasmikroreaktoren durch in-Plane-Verbindung von Fasern, um den Durchfluss durch Glaskapillaren zu testen, die mit den Mikroreaktoren verbunden sind.19. Sie stellen ihre Ergebnisse im Zusammenhang mit der Bond-Inspektion, den Drucktests und der In-situ-Reaktionsüberwachung durch 1H NMR-Spektroskopie. Daher ist ihre Plattform möglicherweise nicht optimal für relativ große Injektionsraten, die Vorerzeugung von Mehrphasen-Flüssigkeitssystemen zur In-situ-Visualisierung komplexer Flüssigkeiten in durchlässigen Medien. Marre und Kollegen diskutieren den Einsatz eines Glasmikroreaktors zur Untersuchung von Hochdruckchemie und überkritischen Flüssigkeitsprozessen20. Sie enthalten Ergebnisse als Finite-Elemente-Simulation der Spannungsverteilung, um das mechanische Verhalten modularer Geräte unter der Last zu untersuchen. Sie verwenden nicht permanente modulare Verbindungen für die austauschbare Mikroreaktorfertigung, und die Silizium/Pyrex-Mikrofluidgeräte sind nicht transparent; Diese Geräte eignen sich für kinematische Untersuchungen, Synthese und Produktion in der chemischen Reaktionstechnik, bei denen die Visualisierung nicht im Vordergrund steht. Der Mangel an Transparenz macht diese Plattform ungeeignet für die direkte, in situ Visualisierung komplexer Flüssigkeiten in Ersatzmedien. Paydar und Kollegen präsentieren eine neue Möglichkeit, modulare Mikrofluidik mit 3D-Druck zu prototypisieren21. Dieser Ansatz scheint nicht gut für Hochdruckanwendungen geeignet zu sein, da er ein photoheilbares Polymer verwendet und die Geräte nur bis zu 0,4 MPa standhalten können. Die meisten mikrofluidischen experimentellen Studien im Zusammenhang mit dem Transport in gebrochenen Systemen, die in der Literatur berichtet werden, konzentrieren sich auf Umgebungstemperatur und relativ niedrige Druckbedingungen1. Es gab mehrere Studien mit dem Schwerpunkt auf der direkten Beobachtung mikrofluidischer Systeme, die unterirdische Bedingungen nachahmen. So führen Jimenez-Martinez und Kollegen zwei Studien zu kritischen Porenstrom- und Transportmechanismen in einem komplexen Netzwerk von Frakturen und Matrixen ein.22,23. Die Autoren untersuchen dreiphasige Systeme mit Mikrofluidik unter Reservoirbedingungen (8,3 MPa und 45 °C) für die Produktionseffizienz; sie bewerten scCO2 Restimulation, wenn die übrig gebliebene Sole eines vorherigen Frakturierens mit CO2 und den Restkohlenwasserstoff23. Ölnasse Silizium-Mikrofluid-Geräte sind für das Mischen von Öl-Sole-ScCO relevant2 in Enhanced Oil Recovery (EOR)-Anwendungen; Diese Arbeit befasst sich jedoch nicht direkt mit der Porendynamik bei Frakturen. Ein weiteres Beispiel ist die Arbeit von Rognmo et al., die einen Upscaling-Ansatz für Hochdruck-IN-situ-CO untersuchen.2 Schaumerzeugung24. Die meisten Berichte in der Literatur, die Mikrofertigung nutzen, betreffen CO2-EOR und sie enthalten oft keine wichtigen Fertigungsdetails. Nach bestem Wissen der Autoren fehlt derzeit ein systematisches Protokoll zur Herstellung hochdruckfähiger Geräte für bruchförmige Formationen in der Literatur.

Diese Arbeit präsentiert eine mikrofluidische Plattform, die die Untersuchung von scCO2 Schaumstrukturen, Blasenformen, Größen und Verteilung, Lamellenstabilität in Gegenwart von Öl für EOR und hydraulische Fracturing und Aquifer-Sanierung Anwendungen ermöglicht. Das Design und die Herstellung von mikrofluidischen Geräten mittels optischer Lithographie und selektiver Laser-induzierter Radierung29 (SLE) werden diskutiert. Darüber hinaus beschreibt diese Arbeit Frakturmuster, die den Transport von Flüssigkeiten in gebrochenen engen Formationen simulieren sollen. Simulierte Pfade können von vereinfachten Mustern bis hin zu komplexen Mikrorissen auf der Grundlage von Tomographiedaten oder anderen Methoden reichen, die Informationen über realistische Frakturgeometrien liefern. Das Protokoll beschreibt Schritt-für-Schritt-Fertigungsanweisungen für mikrofluidische Glasgeräte mit Photolithographie, Nassätzung und thermischer Verklebung. Eine eigens entwickelte kollimierte Ultraviolett-Lichtquelle (UV) wird verwendet, um die gewünschten geometrischen Muster auf eine dünne Schicht von Photoresist zu übertragen, die schließlich in einem Nassätzverfahren auf das Glassubstrat übertragen wird. Im Rahmen der Qualitätssicherung werden die geätzten Muster mittels konfokaler Mikroskopie charakterisiert. Als Alternative zur Photolithographie/Nassätzung wird eine SLE-Technik eingesetzt, um ein mikrofluidisches Gerät zu erstellen und eine vergleichende Analyse der Plattformen wird vorgestellt. Der Aufbau für Strömungsexperimente umfasst Gasflaschen und Pumpen, Druckregler und Messumformer, Fluidmischer und -akkumulatoren, mikrofluidische Vorrichtungen, Hochdruckfähige Edelstahlhalter sowie eine hochauflösende Kamera und ein Beleuchtungssystem. Schließlich werden repräsentative Proben von Beobachtungen aus Strömungsexperimenten vorgestellt.

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Protokoll

VORSICHT: Dieses Protokoll umfasst die Handhabung eines Hochdruck-Setups, eines Hochtemperaturofens, gefährlicher Chemikalien und UV-Licht. Bitte lesen Sie alle relevanten Materialsicherheitsdatenblätter sorgfältig durch und befolgen Sie die Chemikaliensicherheitsrichtlinien. Überprüfen Sie die Sicherheitsrichtlinien für die Druckprüfung (hydrostatisch und pneumatisch), einschließlich der erforderlichen Schulung, des sicheren Betriebs aller Geräte, der damit verbundenen Gefahren, der Notfallkontakte usw. vor Beginn des Injektionsprozesses.

1. Entwerfen geometrischer Muster

  1. Entwerfen Sie eine Fotomaske mit geometrischen Merkmalen und Fließwegen von Interesse (Abbildung 1, Ergänzende Datei 1: Abbildung S1).
  2. Definieren Sie den Begrenzungsrahmen (Oberfläche des Geräts), um die Fläche des Substrats zu identifizieren und die Konstruktion auf die Abmessungen des gewünschten Mediums zu beschränken.
  3. Design Ein-/Auslassanschlüsse. Wählen Sie die Anschlussabmessungen (in diesem Fall z. B. 4 mm Durchmesser), um eine relativ gleichmäßige Schaumverteilung vor dem Betreten des Mediums zu erreichen (Abbildung 1).
  4. Bereiten Sie eine Fotomaske des entworfenen geometrischen Musters vor, indem Sie das Design auf ein Blatt transparenter Folie oder ein Glassubstrat drucken.
    1. Extrudieren Sie das zweidimensionale Design in die dritte Dimension und integrieren Sie Ein- und Auslassanschlüsse (für den Einsatz in SLE).
      HINWEIS: Die SLE-Technik erfordert eine dreidimensionale Zeichnung (Abbildung 2).

2. Übertragen Sie die geometrischen Muster auf das Glassubstrat mittels Photolithographie

HINWEIS: Etchants und Piranha-Lösungen müssen mit äußerster Sorgfalt behandelt werden. Es wird empfohlen, persönliche Schutzausrüstungen wie Gesichtsschutz, Schutzbrille, Handschuhe und die Verwendung von säure-/korrosionsbeständiger Pinzette(Materialtabelle) zu verwenden.

  1. Bereiten Sie die lösungen vor, die im Nassätzprozess erforderlich sind, indem Sie diese Schritte ausführen (siehe auch die elektronischen unterstützenden Informationen als Ergänzende Datei 1).
    1. Gießen Sie eine ausreichende Menge an Chrom-Etchant-Lösung in einem Becher, so dass das Substrat in den Etchant getaucht werden kann. Erhitzen Sie die Flüssigkeit auf ca. 40 °C.
    2. Bereiten Sie eine Lösung des Entwicklers(Tabelle der Materialien) in entionisiertem Wasser (DI-Wasser) mit einem volumentrüben Verhältnis von 1:8 vor, so dass das Substrat vollständig in der Mischung untertauchen kann.
  2. Bedrucken Sie das geometrische Muster auf einem Borosilikatsubstrat, das mit einer Chromschicht und einer Schicht von Photoresistenz mit UV-Bestrahlung beschichtet ist.
    1. Mit handschuhen legen Sie die Maske (Glassubstrat oder die transparente Folie mit dem geometrischen Muster) direkt an der Seite des mit Chrom und Photoresist bedeckten Borosilikatsubstrats ab.
    2. Platzieren Sie die Fotomaske und die Substratkombination unter das UV-Licht mit der Fotomaske zur Quelle.
      HINWEIS: Diese Arbeit verwendet UV-Licht mit einer Wellenlänge von 365 nm (um die Spitzenempfindlichkeit des Photowiderstands zu entsprechen) und mit einer durchschnittlichen Intensität von 4,95 mW/cm2.
    3. Übertragen Sie das geometrische Muster in die Ebene des Photowiderstands, indem Sie den Stapel des Substrats und der Maske UV-Licht aussetzen.
      HINWEIS: Die optimale Belichtungszeit ist eine Funktion der Dicke der Photoresist-Schicht und der Stärke der UV-Strahlung. Photoresist ist lichtempfindlich und der gesamte Prozess der Prägung des Musters muss in einem dunklen Raum mit gelber Beleuchtung durchgeführt werden.
  3. Entwickeln Sie den Photoresist.
    1. Entfernen Sie die Fotomaske und den Substratstapel mit Handschuhen von der UV-Bühne.
    2. Entfernen Sie die Fotomaske und tauchen Sie das Substrat in die Entwicklerlösung für ca. 40 s, wodurch das Muster auf den Photoresist übertragen wird.
    3. Kaskadenspülen Sie das Substrat, indem Sie DI-Wasser von der Oberseite des Substrats und über alle seine Oberflächen mindestens dreimal fließen lassen und das Substrat trocknen lassen.
  4. Ätzen Sie das Muster in der Chromschicht.
    1. Untertauchen Sie das Substrat in einem auf ca. 40 °C erhitzten Chrom-Etchant für ca. 40 s, wodurch das Muster vom Photoresist auf die Chromschicht übertragen wird.
    2. Entfernen Sie das Substrat aus der Lösung, kaskadieren Sie das Substrat mit DI-Wasser und lassen Sie es trocknen.
  5. Ätzen Sie das Muster im Borosilikatsubstrat.
    HINWEIS: Ein gepufferter Etchant (Materialtabelle) wird verwendet, um das geometrische Muster auf das Glassubstrat zu übertragen. Vor der Verwendung des gepufferten Etchants wird die Rückseite des Substrats mit einer Photoresistschicht beschichtet, um es vor dem Etchant zu schützen. Die Dicke dieser Schutzschicht ist für den gesamten Herstellungsprozess unerheblich.
    1. Mit einem Pinsel mehrere Schichten Hexamethyldisilazan (HMDS) auf die unbedeckte Fläche des Substrats auftragen und trocknen lassen.
      HINWEIS: HMDS fördert die Haftung von Photoresist an der Oberfläche des Borosilikatsubstrats.
    2. Tragen Sie eine Ebene photoresist auf die Grundierung auf. Legen Sie das Substrat in einen Ofen bei 60-u201290 °C für 30–40 min.
    3. Gießen Sie eine ausreichende Menge des Etchant in einen Kunststoffbehälter und tauchen Sie das Substrat vollständig in den Etchant.
      HINWEIS: Die Ätzrate wird durch die Konzentration, Temperatur und Dauer der Exposition beeinflusst. Der gepufferte Etchant, der in dieser Arbeit verwendet wird, ätzt mit einem Durchschnitt von 1'u201210 nm/min.
    4. Lassen Sie das gemusterte Substrat in der etchant-Lösung für eine vorgegebene Zeit zeitabhängig auf der Grundlage der gewünschten Kanaltiefen.
      HINWEIS: Die Ätzzeit kann durch intermittierende Badbeschallung der Lösung verkürzt werden.
    5. Entfernen Sie das Substrat aus dem Etchant mit einer lösungsmittelbeständigen Pinzette und kaskadieren Sie das Substrat mit DI-Wasser.
    6. Charakterisieren Sie die geätzten Eigenschaften auf dem Substrat, um sicherzustellen, dass die gewünschten Tiefen erreicht wurden.
      HINWEIS: Diese Charakterisierung kann mit einem Laserscanning-Konfokalmikroskop erfolgen (Abbildung 3). In dieser Arbeit wird eine 10-fache Vergrößerung für die Datenerfassung verwendet. Sobald die Kanaltiefen zufriedenstellend sind, bewegen Sie sich in die Reinigungs- und Verklebungsphase.

3. Reinigen und Verklebung

  1. Entfernen Sie photoresist- und chrome-Schichten.
    1. Entfernen Sie den Photoresist aus dem Substrat, indem Sie das Substrat einem organischen Lösungsmittel aussetzen, wie z. B. N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP)-Lösung, die mit einer Kochplatte unter einer Haube auf ca. 65 °C erhitzt wird.
    2. Kaskadenspülen Sie das Substrat mit Aceton (ACS-Grad), gefolgt von Ethanol (ACS-Grade) und DI-Wasser.
    3. Legen Sie das gereinigte Substrat mit einer Kochplatte unter einer Haube ca. 1 min in Chrometchant erhitzt auf ca. 40 °C und entfernen Sie so die Chromschicht aus dem Substrat.
    4. Sobald das Substrat frei von Chrom und Photoresist ist, charakterisieren Sie die Kanaltiefen mittels Laserscanning konfokale Mikroskopie.
      ANMERKUNG: Diese Arbeit verwendet eine 10-fache Vergrößerung für die Datenerfassung (Abbildung 4).
  2. Bereiten Sie die Abdeckplatte und das geätzte Substrat zum Verkleben vor.
    1. Markieren Sie die Positionen der Ein-/Auslasslöcher auf einem leeren Borosilikatsubstrat (Abdeckplatte), indem Sie die Abdeckplatte gegen das geätzte Substrat ausrichten.
    2. Blast Durchgangslöcher in den markierten Stellen mit einem Mikro-Schleifsandblaster und 50 m Aluminium-Oxid-Mikrosandstrahlmedien.
      HINWEIS: Alternativ können die Ports mit einem mechanischen Bohrer erstellt werden.
    3. Kaskadenspülen sowohl das geätzte Substrat als auch die Abdeckplatte mit DI-Wasser.
    4. Führen Sie ein RCA-Wafer-Reinigungsverfahren durch, um Verunreinigungen vor dem Verkleben mit Standardtechnik zu entfernen. Führen Sie die Waferreinigungsschritte unter einer Haube aufgrund der Volatilität der am Prozess beteiligten Lösungen durch.
    5. Bringen Sie eine 1:4 volumenH2O2:H2SO4 Piranha Lösung zum Kochen und tauchen Sie das Substrat und die Abdeckplatte in der Lösung für 10 min unter einer Haube.
    6. Kaskade spülen das Substrat und die Abdeckplatte mit DI-Wasser.
    7. Untertauchen Sie das Substrat und die Abdeckplatte in der gepufferten Etchant für 30-40 s.
    8. Kaskade spülen das Substrat und die Abdeckplatte mit DI-Wasser.
    9. Substrat und Abdeckplatte 10 min in einem 6:1:1 Volumen DI-Wasser untertauchen:H2O2:HCl Lösung, die auf ca. 75 °C erhitzt wird.
      HINWEIS: Ätzen und Kleben werden vorzugsweise in einem Reinraum durchgeführt. Wenn kein Reinraum verfügbar ist, wird empfohlen, die folgenden Schritte in einer staubfreien Umgebung auszuführen. In dieser Arbeit werden die Schritte 3.2.9–3.2.12 in einem Handschuhkasten ausgeführt, um die Möglichkeit einer Kontamination der Substrate zu minimieren.
    10. Drücken Sie das Substrat und die Abdeckplatte beim Untertauchen fest gegeneinander.
    11. Entfernen Sie das Substrat und die Abdeckplatte aus DI-Wasser:H2O2:HCl Lösung. Kaskadenspülen mit DI-Wasser und tauchen in DI-Wasser ein.
    12. Stellen Sie sicher, dass das Substrat und die Abdeckplatte fest miteinander verbunden sind und entfernen Sie die beiden vorsichtig, während sie aus DI-Wasser gegeneinander gedrückt werden.
  3. Verkleben Sie die Substrate thermisch.
    1. Legen Sie die gestapelten Substrate (das geätzte Substrat und die Abdeckplatte) zwischen zwei glatten, 1,52 cm dicken Glaskeramikplatten zum Verkleben.
    2. Platzieren Sie die Glaskeramikplatten zwischen zwei Metallplatten aus Legierung X(Materialtisch), die den geforderten Temperaturen ohne nennenswerte Verzerrung standhalten können.
    3. Zentrieren Sie die Glaswafer im keramik-metallischen Halter.
      HINWEIS: Bei dieser Arbeit werden Glaskeramikplatten verwendet, die 10 cm x 10 cm x 1,52 cm dick sind. Das gestapelte Setup wird mit 1/4" Schrauben und Muttern gesichert (Abbildung 5).
    4. Die Muttern von Hand festziehen und den Halter 60 min bei ca. 100 °C in eine Vakuumkammer stellen.
    5. Entfernen Sie den Halter aus der Kammer und ziehen Sie die Muttern vorsichtig mit ca. 10 lb-in des Drehmoments fest.
    6. Legen Sie den Halter in einen Ofen und führen Sie das folgende Heizprogramm aus. Die Temperatur bei 1 °C/min auf 660 °C anheben; halten Sie die Temperatur konstant bei 660 °C für 6 h gefolgt von einem Abkühlschritt bei ca. 1 °C/min zurück auf Raumtemperatur.
    7. Entfernen Sie das thermisch gebundene mikrofluidische Gerät, spülen Sie es mit DI-Wasser, legen Sie es in HCl (12,1 M) und Bad-Sonicat (40 kHz bei 100 W Leistung) die Lösung für eine Stunde(Abbildung 6).

4. Herstellung von lasergeätzten Glas mikrofluidischen Geräten

HINWEIS: Die Herstellung des Geräts erfolgte durch einen 3D-Druckservice für Glas(Tabelle)eines Drittanbieters über ein SLE-Verfahren und die Verwendung eines geschmolzenen Kieselsäuresubstrats als Vorläufer.

  1. Schreiben Sie das gewünschte Muster in ein geschmolzenes Kieselsäuresubstrat mit einem linear polarisierten Laserstrahl, der senkrecht zur Stufe ausgerichtet ist, die über eine Femtosekunden-Laserquelle mit einer Pulsdauer von 0,5 ns, einer Wiederholungsrate von 50 kHz, einer Pulsenergie von 400 nJ und einer Wellenlänge von 1,06 m erzeugt wird.
  2. Entfernen Sie das Glas aus dem geschriebenen Muster im geschmolzenen Kieselsäuresubstrat mit einer KOH-Lösung (32 Gew.) bei 85 °C mit Ultraschallbeschallung (Abbildung 7).

5. Hochdruckprüfungen durchführen

  1. Sättigen Sie das mikrofluidische Gerät mit der Resident-Flüssigkeit (z. B. DI-Wasser, Tensidlösung, Öl usw., je nach Art des Experiments) mit einer Spritzenpumpe.
  2. Bereiten Sie schaumerzeugende Flüssigkeiten und verwandte Instrumente vor.
    1. Bereiten Sie die Solelösung (Resident Fluid) mit dem gewünschten Salzgehalt vor und lösen Sie das Tensid (wie Lauramidopropylbetain und Alpha-Olefin-Sulfonat) mit der gewünschten Konzentration (entsprechend der kritischen Micelle-Konzentration des Tensids) in der Sole auf.
    2. Füllen Sie die Tanks derCO2- und Wasserpumpen mit ausreichend Flüssigkeiten pro Experiment bei Raumtemperatur.
    3. Füllen Sie den Soleakkumulator und die Fließlinien mit der Tensidlösung mit einer Spritze. Diese Arbeit verwendet einen Akku mit einer Kapazität von 40 ml.
    4. Spülen Sie die Solelinie mit der Solelösung.
    5. Spülen Sie die Leitung, die den Akku an das Gerät und die Auslassleitungen mit der Resident-Flüssigkeit verbindet (in diesem Fall die Solelösung).
    6. Legen Sie das gesättigte mikrofluidische Gerät in einen druckfesten Halter und schließen Sie die Ein-/Auslassanschlüsse mit den entsprechenden Leitungen mit 0,010" Innendurchmesserrohren an (Abbildung 8, Zusatzdatei 1: Abbildung S5).
    7. Erhöhen Sie die Temperatur des Zirkulierenden Bades, das die Temperatur der Sole- undCO2-Leitungen steuert, auf die gewünschte Temperatur (z. B. 40 °C hier (Abbildung 9)).
    8. Überprüfen Sie alle Zeilen, um die Integrität des Setups vor der Injektion zu gewährleisten.
  3. Generieren Sie den Schaum.
    1. Beginnen Sie mit der Injektion der Sole mit einer Rate von 0,5 ml/min und überprüfen Sie den Fluss der Tensidlösung in das Gerät und die Gegendruckleitung.
    2. Erhöhen Sie den Gegendruck und den Solepumpendruck gleichzeitig in schrittweisen Schritten (ca. 0,006 MPa/s) bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des kontinuierlichen Durchflusses vom Ausgang des Gegendruckreglers (BPR). Erhöhen Sie den Druck auf 7,38 MPa (mindestens erforderlich scCO2 Druck) und stoppen Sie die Pumpen.
    3. Erhöhen Sie denCO2-Leitungsdruck auf einen Druck über 7,38 MPa (mindestens scCO2 Druck).
    4. Öffnen Sie das CO2-Ventil und lassen Sie den scCO2 gemischt mit der Hochdruck-Tensidlösung durch einen Inline-Mischer fließen, um Schaum zu erzeugen.
    5. Warten Sie, bis der Fluss im Inneren des Geräts vollständig entwickelt ist und die Kanäle gesättigt sind. Überwachen Sie den Auslass für den Beginn der Schaumerzeugung.
      ANMERKUNG: Hilfsanschlüsse können verwendet werden, um das Medium vollständig mit der ansässigen Flüssigkeit vorzusät (Abbildung 1). Inkonsistenzen in der Druckaufbereitung und plötzliche Erhöhungen der BPR können zu Bruch führen (Abbildung 10). Flüssigkeitsdrücke und Gegendruck müssen schrittweise erhöht werden, um das Risiko von Schäden am Gerät zu minimieren.
  4. Führen Sie Echtzeit-Bildgebung und Datenanalyse durch.
    1. Schalten Sie die Kamera ein, um detaillierte Strömungsbilder innerhalb der Kanäle zu erfassen. Diese Arbeit verwendet eine Kamera mit einem 60 Megapixel, monochromatische, Vollformat-Sensor.
    2. Starten Sie die dedizierte Shutter-Steuerungssoftware (Tabelle der Materialien). Wählen Sie eine Verschlusszeit von 1/60, ein Brennverhältnis (f-Zahl) von f/8.0, und wählen Sie das entsprechende Objektiv aus.
    3. Starten Sie die dedizierte Kamerasoftware (Tabelle der Materialien). Wählen Sie die Kamera, das gewünschte Format (z.B. IIQL) und eine ISO-Einstellung von 200 im Pulldown-Menü unter der Einstellung "CAMERA" der Software aus.
    4. Passen Sie den Arbeitsabstand der Kamera nach Bedarf an das Medium an, um sich auf das Medium zu konzentrieren. Erfassen Sie Bilder in vorgeschriebenen Zeitintervallen, indem Sie die Aufnahmetaste in der Software drücken.
  5. Unterdrücken Sie das System wieder auf Umgebungsbedingungen.
    1. Stop-Injektion (Gas- und Flüssigkeitspumpen), schließen Sie die EINlässe CO2 und Solepumpen, öffnen Sie die restlichen Leitungsventile und schalten Sie die Heizungen aus.
    2. Verringern Sie den Gegendruck schrittweise (z. B. mit einer Rate von 0,007 MPa/s), bis das System Umgebungsdruckbedingungen erreicht. Verringern Sie die Sole- undCO2-Pumpendrücke getrennt.
      HINWEIS: Eine Verringerung des scCO 2-Drucks kann zu einem inkonsistenten oder turbulenten BPR-Abfluss führen, daher muss der Druckabzug mit der erforderlichen Sorgfalt ausgeführt werden.
  6. Reinigen Sie das mikrofluidische Gerät nach jedem Experiment gründlich, indem Sie die folgende Lösungsfolge durch das Medium fließen: Isopropanol/Ethanol/Wasser (1:1:1), 2 M HCl-Lösung, DI-Wasser, eine Grundlösung (DI-Wasser/NH4OH/H2O2 bei 5:5:1) und DI-Wasser.
  7. Nach dem Prozess gesammelte Bilder.
    1. Isolieren Sie die Porenlandschaft, indem Sie den Hintergrund von den Bildern ausschließen.
    2. Korrigieren Sie kleinere Fehlausrichtungen, indem Sie eine perspektivische Transformation durchführen und eine lokale Schwellenwertstrategie implementieren, die erforderlich ist, um eine ungleichmäßige Beleuchtung zu berücksichtigen28.
    3. Berechnen Sie geometrische und statistische Parameter, die für das Experiment relevant sind, wie die durchschnittliche Blasengröße, die Blasengrößenverteilung und die Blasenform für jeden Schaum mikrostrukturalen Bilder im Kanal.

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Ergebnisse

Dieser Abschnitt zeigt Beispiele für physikalische Beobachtungen von scCO2 Schaumdurchfluss durch eine Hauptfraktur, die mit einer Reihe von Mikrorissen verbunden ist. Ein mikrofluidisches Glasgerät aus Licht umfangsbildenden Geräten, das über Photolithographie oder SLE hergestellt wird, befindet sich in einem Halter und im Sichtfeld einer Kamera mit einem 60 Megapixel, monochromatischen Vollformatsensor. Abbildung 11 zeigt den Prozess der Herstellung mikrofluidischer Geräte und i...

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Diskussion

Diese Arbeit stellt ein Protokoll im Zusammenhang mit einer Fertigungsplattform dar, um robuste, Hochdruckglas-Mikrofluid-Geräte zu erstellen. Das in dieser Arbeit vorgestellte Protokoll lindert die Notwendigkeit eines Reinraums, indem mehrere der letzten Fertigungsschritte in einem Handschuhkarton ausgeführt werden. Die Verwendung eines Reinraums, sofern verfügbar, wird empfohlen, um das Kontaminationspotenzial zu minimieren. Darüber hinaus sollte die Wahl des Etchants auf der gewünschten Oberflächenrauheit basieren. Di...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte und Offenlegungen.

Danksagungen

Die Autoren der University of Wyoming würdigen die Unterstützung im Rahmen des Center for Mechanistic Control of Water-Hydrocarbon-Rock Interactions in Unconventional and Tight Oil Formations (CMC-UF), einem vom Us-Energieministerium finanzierten Energy Frontier Research Center, Office of Science under DOE (BES) Award DE-SC0019165. Die Autoren der University of Kansas möchten den EPSCoR Research Infrastructure Improvement Program: Track -2 Focused EPSCoR Collaboration Award (OIA- 1632892) für die Finanzierung dieses Projekts würdigen. Die Autoren danken Jindi Sun von der Chemical Engineering Department, University of Wyoming, auch für ihre großzügige Hilfe bei der Instrumentenausbildung. SAA dankt Kyle Winkelman von der University of Wyoming für seine Hilfe beim Bau der Bildgebungs- und UV-Ständer. Nicht zuletzt würdigen die Autoren John Wasserbauer von microGlass, LLC für nützliche Diskussionen über die SLE-Technik.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
1/4" Schrauben und MutternFür die Herstellung von Metallplatten,
3,45 x 3,45 mm UV LEDKingbrightZur Emission von LED-Licht
3D-Messung LasermikroskopOLYMPUSLEXT OLS4000Zur Messung von Kanaltiefen
40 mm x 40 mm x 10 mm 12V DC LüfterUxcellZur Kühlung der UV-LED-Leuchten
120 mm x 38 mm 24V DC LüfterUxcellZur Kühlung der UV-LED-Leuchten
5 ml (6 ml) NORM-JECT SpritzeHENKE SASS WOLFLot #16M14CBZum Spülen des Chips vor jedem
Experiment Aceton (Certified ACS)Fisher ChemicalLot #177121Zur Reinigung
Säure-/korrosionsbeständige PinzetteTED PELLAUm das Glasstück in korrosiven Lösungen zu handhaben
Pinzette mit Säure-/LösungsmittelbeständigkeitTED PELLA, INC#53009 und #53010Um das Glas in korrosiven Lösungen zu handhaben
Legierung XAMERICAN SPECIAL METALSWärmezahl: ZZ7571XG11Thermische Bindung
Ammoniumhydroxid (ACS-Reagenz)Sigma AldrichLos #SHBG9007VZur Reinigung des Chips am Ende des Prozesses
AutoCADAutodesk, San Rafael, CAZum Entwerfen von 2D-Mustern und 3D-Chips
BD Etchant für PSG-SiO2 SystemeTRANSENELos #028934Eine verbesserte gepufferte Ätzformulierung für die Abgrenzung von Phosphosiliziumglas – SiO2 (PSG) und Borosilicaglas – SiO2 (BSG) Systeme
Blank Borofloat SubstratTELICCG-HFOberes Substrat für UV-Ätzen
Borofloat Substrat mit MetallisierungenTELICPG-HF-LRC-Az1500Unteres Substrat für UV-Ätzen
Capture One FotobearbeitungssoftwarePhase OneZum Erfassen/Bearbeiten/Konvertieren der von Phase One Camera
Capture StationDT aufgenommenen Bilder WissenschaftlichDT VersaZur Platzierung des Chips im Sichtfeld der Kamera
Kohlendioxidgas (Grade E)PRAXAIRUN 1013, CAS-Nummer 124-38-9Nicht-wässriger Teil des Schaums
Chromätzmittel 1020TRANSENELos #025433Hochreine cerische Ammoniumnitrat-Systeme zum präzisen, sauberen Ätzen von Chrom- und Chromoxidfilmen.
Zirkulierende Bäder mit digitalem TemperaturreglerPolyScienceZur Steuerung der Sole- und CO2-Temperaturen
ComputerNVIDIA Tesla K20 Grafikkarte - 706 MHz Core - 5 GB GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16Zur Verarbeitung und Visualisierung der über die Phase-One-Kamera erhaltenen Bilder
Maßgeschneiderter Hochdruck-GlaschiphalterZum festen Halten des Chips und seiner Anschlüsse für Hochdruckprüfungen
Cutrain (benutzerdefiniert)Zum Schutz vor UV/IR-Strahlung
Deionisiertes Wasser (DI)Zur Reinigung
Digitalkamera mit monochromatischem 60-MP-SensorPhase OneIQ260Visualisierungssystem
Ethanol, wasserfrei, USP SpezifikationenDECON LABORATORIES, INC.Los #A12291505J, CAS# 64-17-5Zur Reinigung
Wiederverwendbare Atemschutzmaske für das Gesichtsteil3M6502QL, Gase, Dämpfe, Staub, MediumZum Schutz vor dem Einatmen flüchtiger Lösungen
Quarzglas (UV-Qualität) WaferSIEGERT WAFERUV-QualitätGlasvorläufer für den SLE-Druck
GIMPOpen-Source-BildverarbeitungssoftwareZur Charakterisierung von Bildtextur und -eigenschaften
Glovebox (anaerobe Vinylkammer)CoyFür eine saubere, staubfreie Umgebung
Beheiztes Ultraschall-ReinigungsbadFisher ScientificZur Beschleunigung des Ätzprozesses
Hexamethyldisilazan (HMDS) Reinraum® MBKMG62115Grundierung für Fotolackbeschichtung
Schlauch (PEEK-Schlauch)IDEX HEALTH & SCIENCENatural 1/16" OD x .010" ID x 5ft, Teil # 1531Durchflussanschlüsse
Salzsäure, zertifiziert ACS plusFisher ChemicalLos # 187244Lösungsmittel im RCA-Halbleiter-Reinigungsprotokoll
WasserstoffperoxidFisher ChemicalH325-500Lösungsmittel im RCA-Halbleiter-Reinigungsprotokoll
ImageJNIHZur Charakterisierung der Bildtextur und -eigenschaften
ISCO SpritzenpumpeTELEDYNE ISCOD-SERIES (100DM, 500D)Zum Pumpen der Flüssigkeiten
Kaiser LED-LeuchtkastenKaiserZur Beleuchtung des Chips
LaserdruckmaschineLightFab GmbH, Deutschland.FILLGlas-SLE Chipherstellung
LaserschutzbrilleFreeMascotB07PPZHNX4Zum Schutz vor UV/IR-Strahlung
LED Engin 5W UV LensLEDiLZur Emission von LED-Licht
Light Fab 3D Printer (Femtosekundenlaser)Light FabZum selektiven Lasern Ätzen von Quarzglas
LightFab 3D-Drucker LightFabGmbH, DeutschlandZum SLE-Druck von Quarzglas-Chips
MATLABMathWorks, Inc., Natick, MABildverarbeitung
Metallplatten
Mikro-Sandstrahlgeräte (Problast 2)VANIMANProblast 2 – 80007Zum Fräsen von Löchern in Deckplatten
MICROPOSIT 351 EntwicklerDow10016652Photoresist Entwicklerlösung
Muffle OfenThermo ScientificThermolyne Typ 1500Thermisches Bonden
N2 reine ForschungsqualitätAirgasResearch Plus - NI RP300Zum Trocknen der Chips in jedem Schritt
NMP-Halbleiterqualität - 0,1 μm; m FilteredUltra Pure Solutions, IncLot #02191502TOrganic Solvent
OvenGravity Convektion Oven18EG
Phase One IQ260 mit einem achromatischen SensorPhase OneIQ260Zur Visualisierung des Transports in mikrofluidischen Geräten mit einer ISO 200-Einstellung und einer Blende bei f/8.
PhotomaskFine Line Imaging20.320 DPI FILMMuster der Kanäle
Photoresist (SU-8)MICRO CHEMProdukt-Artikel: Y0201004000L1PE, Los Nummer: 18110975Photoresist
Polarisiertes LichtmikroskopOLYMPUSBX51Visuelle Untersuchung von Mikrokanälen
Ports (NanoPort Assembly)IDEX HEALTH & SCIENCENanoPort Baugruppe Headless, 10-32 konisch, für 1/16" OD, Teil # N-333Verbindungen zum
Chip PythonPython Software FoundationBildverarbeitung
Sicherheits-GesichtsschutzSellstromS32251Zum Schutz vor UV/IR-Strahlung
Siegelfolie (Parafilm)Bemis Company, IncIsolierung von Behältern
Shutter Control SoftwareSchneider-KreuznachZum Anpassen der Verschlusseinstellungen
Glatte KeramikplattenThermisches Verkleben
Rühren von HeizplattenCorning®PC-620DZum Erhitzen der
Lösungen Schwefelsäure, ACS-Reagenz 95,0-98,0%Sigma AldrichLos # SHBK0108Lösungsmittel im RCA-Halbleiterreinigungsprotokoll
Spritzenpumpe (Standard Infuse/Withdraw PHD ULTRA)Harvard Apparatur70-3006Zur Sättigung des Chips vor jedem
Experiment DrehmomentschlüsselSnap-onTE25A-34190Zum Festziehen der Schrauben
MessgerätOptical Associates, IncorporatedModell 308Zur Messung der Intensität von UV-Licht
UV-LeistungsmesserOptical Associates, IncorporatedModell 308Zur Quantifizierung der Stärke von UV-Licht
UV-Strahlungsständer (LED-Leuchten)Zur Übertragung des Musters auf Glas (Fotolackschicht)
VakuumpumpeWELCH VACCUM TECHNOLOGY, INC1380Zum Trocknen des Chips
Variable DC-NetzteileEventekKPS305DZur Stromversorgung der UV-LED-Leuchten
um den Glaschip zwischen ihnen für die thermische Bindung zu befestigenUV-Leistung

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