Técnicas de fabricación microfluídica para pruebas de alta presión de transporte de espuma de CO2 supercrítico supercrítico a microescala en depósitos no convencionales fracturados

Summary

Este artículo describe un protocolo junto con un estudio comparativo de dos técnicas de fabricación microfluídica, a saber, fotolitografía/grabado húmedo/enlace térmico y grabado selectivo inducido por láser (SLE), que son adecuadas para condiciones de alta presión. Estas técnicas constituyen plataformas que permiten la observación directa del flujo de fluidos en medios permeables suplentes y sistemas fracturados en condiciones de depósito.

Abstract

Las limitaciones de presión de muchas plataformas microfluídicas han sido un desafío significativo en los estudios experimentales microfluídicos de medios fracturados. Como resultado, estas plataformas no han sido plenamente explotadas para la observación directa del transporte de alta presión en fracturas. Este trabajo presenta plataformas microfluídicas que permiten la observación directa del flujo multifásica en dispositivos con medios permeables suplentes y sistemas fracturados. Estas plataformas proporcionan una vía para abordar cuestiones importantes y oportunas, como las relacionadas con la captura, utilización y almacenamiento de_CO2. Este trabajo proporciona una descripción detallada de las técnicas de fabricación y una configuración experimental que puede servir para analizar el comportamiento de la espuma supercrítica CO₂ (scCO_2),su estructura y estabilidad. Estos estudios proporcionan información importante sobre los procesos de recuperación de aceite mejorados y el papel de las fracturas hidráulicas en la recuperación de recursos de los reservorios no convencionales. Este trabajo presenta un estudio comparativo de dispositivos microfluídicos desarrollados utilizando dos técnicas diferentes: fotolitografía/grabado húmedo/enlace térmico frente a grabado selectivo inducido por láser. Ambas técnicas dan como resultado dispositivos química y físicamente resistentes y tolerantes a las condiciones de alta presión y temperatura que corresponden a los sistemas de interés del subsuelo. Ambas técnicas proporcionan vías a microcanales grabados de alta precisión y dispositivos de laboratorio en chip capaces. La fotolitografía/grabado en húmedo, sin embargo, permite la fabricación de redes de canales complejas con geometrías complejas, lo que sería una tarea difícil para las técnicas de grabado láser. Este trabajo resume una fotolitografía paso a paso, el protocolo de grabado en húmedo y de unión térmica de vidrio y, presenta observaciones representativas del transporte de espuma con relevancia para la recuperación de aceite de formaciones ajustadas y de esquisto no convencionales. Por último, este trabajo describe el uso de un sensor monocromático de alta resolución para observar el comportamiento de la espuma scCO₂ donde la totalidad del medio permeable se observa simultáneamente, preservando la resolución necesaria para resolver características tan pequeñas como 10 m.

Introduction

La fracturación hidráulica se ha utilizado durante bastante tiempo como medio para estimular el flujo, especialmente en formaciones apretadas¹. Grandes cantidades de agua necesarias en la fracturación hidráulica se componen de factores ambientales, problemas de disponibilidad de agua^2,daños de formación³, costo⁴ y efectos sísmicos⁵. Como resultado, el interés en métodos de fracturación alternativos como la fracturación sin agua y el uso de espumas está en aumento. Los métodos alternativos pueden proporcionar beneficios importantes tales como la reduc....

Protocol

ADVERTENCIA: Este protocolo implica el manejo de una configuración de alta presión, un horno de alta temperatura, productos químicos peligrosos y luz UV. Lea atentamente todas las fichas de datos de seguridad de materiales relevantes y siga las directrices de seguridad química. Revise las pautas de seguridad de las pruebas de presión (hidrostáticas y neumáticas), incluida la capacitación requerida, el funcionamiento seguro de todos los equipos, los peligros asociados, los contactos de emergencia, etc. antes de iniciar el proceso de inyección.

1. Diseñar patrones geométricos

1. Diseñar una fotomasca que incluya características geométr....

Results

Esta sección presenta ejemplos de observaciones físicas del flujo de espuma scCO₂ a través de una fractura principal conectada a una serie de micro-grietas. Un dispositivo microfluídico de vidrio hecho a través de fotolitografía o LES se coloca dentro de un soporte y en el campo de visión de una cámara con un sensor de 60 megapíxeles, monocromático de cuadro completo. La Figura 11 ilustra el proceso de fabricación de dispositivos microfluídicos y su colocación en la configuración .......

Discussion

Este trabajo presenta un protocolo relacionado con una plataforma de fabricación para crear dispositivos microfluídicos de vidrio robustos y de alta presión. El protocolo presentado en este trabajo alivia la necesidad de una sala limpia realizando varios de los pasos finales de fabricación dentro de una guantera. Se recomienda el uso de una sala limpia, si está disponible, para minimizar el potencial de contaminación. Además, la elección del grabador debe basarse en la rugosidad de la superficie deseada. El uso de una me.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Pernos y tuercas			Para la fabricación de las placas metálicas para intercalar el chip de vidrio entre ellas para la unión térmica
3,45 x 3,45 mm LED UV	Kingbright		Para emitir luz LED
Medición 3D Microscopio láser	OLYMPUS	LEXT OLS4000	Para medir profundidades de canal
40 mm x 40 mm x 10 mm Ventilador de refrigeración de 12 V CC	Uxcell		Para enfriar las luces LED UV
120 mm x 38 mm Ventilador de enfriamiento de 24 V CC	Uxcell		Para enfriar las luces LED UV
5 ml (6 ml) Jeringa NORM-JECT	HENKE SASS WOLF	Lote #16M14CB	Para enjuagar el chip antes de cada experimento
Acetona (Certificado ACS)	Fisher Chemical	Lote #177121	Para la limpieza
Pinza resistiva de ácido/corosión	TED PELLA		Para manipular la pieza de vidrio en soluciones corosivas
Pinzas resistentes a ácidos/disolventes	TED PELLA, INC	#53009 y #53010	Para manipular el vidrio en soluciones corrosivas
Aleación X	METALES ESPECIALES AMERICANOS	Número de calor: ZZ7571XG11	Unión térmica
Hidróxido de amonio (reactivo ACS)	Sigma Aldrich	Lote #SHBG9007V	Para limpiar el chip al final del proceso
AutoCAD	Autodesk, San Rafael, CA		Para diseñar patrones 2D y chips 3D
BD Etchant para sistemas PSG-SiO2	TRANSENE	Lote #028934	Una formulación mejorada de grabado tamponado para la delineación de vidrio fosfosílico – SiO2 (PSG), y vidrio de borosílice – Sistemas SiO2 (BSG)
Sustrato Borofloat	en blanco TELIC	CG-HF	Sustrato superior para grabado UV
Sustrato Borofloat con metalizaciones	TELIC	PG-HF-LRC-Az1500	Sustrato inferior para grabado UV
Software de edición de fotos Capture One	Phase One		Para capturar/editar/convertir las imágenes tomadas por la cámara Phase One Estación
captura	DT Scientific	DT Versa	Para colocar el chip en el campo de visión de la cámara
Gas de dióxido de carbono (Grado E)	PRAXAIR	UN 1013, Número CAS 124-38-9	Porción no aquerosa de espuma
Grabado de cromo 1020	TRANSENE	Lote #025433	Sistemas de nitrato de amonio cérico de alta pureza para un grabado preciso y limpio de películas de cromo y óxido de cromo.
Baños de circulación con controlador de temperatura digital	PolyScience		Para controlar la salmuera y las temperaturas de CO2
Ordenador Tarjeta		gráfica NVIDIA Tesla K20 - 706 MHz Core - 5 GB GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16	Para procesar y visualizar las imágenes obtenidas a través de la cámara Phase One
Soporte			de chip de vidrio de alta presión hecho a medidaPara sujetar firmemente el chip y sus conexiones para pruebas de alta presión
Cutrain (personalizado)			Para proteger contra las radiaciones UV/IR
Agua desionizada (DI)			Para la limpieza
Cámara digital con sensor monocromático de 60 MP	Phase One	IQ260	Sistema de visualización
Etanol, Anhidro, USP Especificaciones	DECON LABORATORIES, INC.	Lote #A12291505J, CAS# 64-17-5	Para la limpieza
Mascarilla respirador reutilizable		3M 6502QL, Gases, Vapores, Polvo, Medio	Para proteger contra la inhalación de soluciones volátiles
Oblea de sílice fundida (grado UV)	SIEGERT WAFER	Grado UV	Precursor de vidrio para impresión SLE
	de procesamiento de imágenes de código abierto	GIMP	Para caracterizar la textura y las propiedades de la imagen
Guantera (cámara anaeróbica de vinilo)	Coy		Para proporcionar un entorno limpio y libre de polvo
Baño de limpieza ultrasónico calentado	Fisher Scientific		Para acelerar el proceso de grabado
Hexametildisilazano (HMDS) Sala limpia® MB	KMG	62115	Imprimación para recubrimiento fotorresistente
Manguera (tubo de PEEK)	IDEX HEALTH & SCIENCE	Natural 1/16" OD x .010" ID x 5ft, Parte # 1531	Conexiones de flujo
Ácido clorhídrico, certificado ACS plus	Fisher Chemical	Lote # 187244	Solvente en el protocolo de limpieza de semiconductores RCA
Peróxido de hidrógeno	Fisher Chemical	H325-500	Solvente en el protocolo de limpieza de semiconductores RCA
ImageJ	NIH		Para caracterizar la textura y las propiedades de la imagen
Bomba de jeringa	ISCO TELEDYNE ISCO	D-SERIES (100DM, 500D)	Para bombear los fluidos
Kaiser Caja de luz LED	Kaiser		Para iluminar el chip
Máquina de impresión láser	LightFab GmbH, Alemania.	FILL	Fabricación de chips Glass-SLE
Gafas de seguridad láser	FreeMascot	B07PPZHNX4	Para proteger contra las radiaciones UV/IR
LED Engin 5W Lente UV	LEDiL		Para emitir luz LED
Impresora 3D Light Fab (láser de femtosegundo)	Light Fab		Para grabar selectivamente con láser de sílice fundida
Impresora 3D LightFab	LightFab GmbH, Alemania		Para imprimir SLE los chips de sílice fundida
MATLAB	MathWorks, Inc., Natick, MA		Procesamiento de imágenes
Placas metálicas Chorreadoras
arena microabrasivas (Problast 2)	VANIMAN	Problast 2 – 80007	Para hacer agujeros en las placas de cubierta
Revelador MICROPOSIT 351	Dow	10016652	Solución de revelador fotorresistente
Mufla horno	Thermo Scientific	Thermolyne Tipo 1500	Unión térmica
N2 grado de investigación puro	Airgas	Research Plus - NI RP300	Para secar las virutas en cada paso
Grado semiconductor NMP - 0.1μ m Filtered	Ultra Pure Solutions, Inc	Lote #02191502T	Solvente orgánico
Horno	convección por gravedad	18EG
Phase One IQ260 con sensor acromático	Phase One	IQ260	Para visualizar el transporte en dispositivos microfluídicos utilizando un ajuste ISO 200 y una apertura a f/8.
Photomask	Fine Line Imaging	20,320 DPI FILM	Patrón de canales
Photoresist (SU-8)	MICRO CHEM	Artículo del producto: Y0201004000L1PE, Número de lote: 18110975
Microscopio de luz polarizada	OLYMPUS	BX51	Examen visual de los puertos de micro canales
(ensamblaje de NanoPort)	IDEX HEALTH & CIENCIA	Ensamblaje NanoPort Sin cabeza, 10-32 Conos, para 1/16" de diámetro exterior, Parte # N-333	Conexiones al chip
Python	Python Software Foundation		Procesamiento de imágenes
Pantalla facial de seguridad	Sellstrom	S32251	Para proteger contra las radiaciones UV/IR Película
de sellado (Parafilm)	Bemis Company, Inc		Aislamiento de contenedores Software de
control de obturadores	Schneider-Kreuznach		Para ajustar la configuración del obturador
Placas cerámicas			Unión térmica
Placa calefactora de agitación	Corning®	PC-620D	Para calentar las soluciones
Ácido sulfúrico, reactivo ACS 95.0-98.0%	Sigma Aldrich	Lote # SHBK0108	Solvente en el protocolo de limpieza de semiconductores RCA
Bomba de jeringa (Standard Infuse/Withdraw PHD ULTRA)	Harvard Apparatus	70-3006	Para saturar el chip antes de cada experimento
Llave dinamométrica	Snap-on	TE25A-34190	Para apretar los tornillos
Potencia UV medidor	Optical Associates, Incorporated	Modelo 308	Para medir la intensidad de la luz ultravioleta
Medidor de potencia UV	Optical Associates, Incorporated	Modelo 308	Para cuantificar la fuerza de la luz UV Soporte de
radiación UV (luces LED)			Para transferir el patrón al vidrio (capa fotorresistente)
Bomba de vacío	WELCH VACCUM TECHNOLOGY, INC	1380	Para secar la viruta
Fuentes de alimentación de CC variables	Eventek	KPS305D	Para alimentar las luces LED UV