Cet article décrit un protocole ainsi qu’une étude comparative de deux techniques de fabrication microfluidiques, à savoir la photolithographie/gravure humide/liaison thermique et l’gravure sélective induite par laser (SLE), qui conviennent aux conditions de haute pression. Ces techniques constituent des plates-formes habilitantes pour l’observation directe du flux de fluides dans les supports perméables de substitution et les systèmes fracturés dans des conditions de réservoir.
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Article de méthode
Techniques de fabrication microfluidiques pour l’essai à haute pression du transport supercritique de mousse de CO2 à micro-échelle dans les réservoirs non conventionnels fracturés
Dans cet article
Résumé
Résumé
Les limitations de pression de nombreuses plates-formes microfluidiques ont été un défi important dans les études expérimentales microfluidiques sur les médias fracturés. En conséquence, ces plates-formes n’ont pas été pleinement exploitées pour l’observation directe du transport à haute pression dans les fractures. Ces travaux introduisent des plates-formes microfluidiques qui permettent l’observation directe du flux multiphase dans les dispositifs dotés de supports perméables de substitution et de systèmes fracturés. Ces plates-formes offrent une voie pour répondre à des questions importantes et opportunes telles que celles liées à la capture, à l’utilisation et au stockage du CO2. Ce travail fournit une description détaillée des techniques de fabrication et une configuration expérimentale qui peut servir à analyser le comportement de la mousse supercritique de CO2 (scCO2),sa structure et sa stabilité. Ces études fournissent des informations importantes sur les processus améliorés de récupération du pétrole et le rôle des fractures hydrauliques dans la récupération des ressources à partir de réservoirs non conventionnels. Ce travail présente une étude comparative des dispositifs microfluidiques développés à l’aide de deux techniques différentes : photolithographie/gravure humide/liaison thermique versus gravure sélective induite par laser. Ces deux techniques aboutit à des dispositifs chimiquement et physiquement résistants et tolérants aux conditions de haute pression et de température qui correspondent aux systèmes souterrains d’intérêt. Ces deux techniques permettent d’obtenir des microcanaux gravés de haute précision et des dispositifs de laboratoire sur puce capables. La photolithographie/gravure humide permet toutefois la fabrication de réseaux de canaux complexes à géométrie complexe, ce qui serait une tâche difficile pour les techniques de gravure au laser. Ces travaux résument une photolithographie étape par étape, une gravure humide et un protocole de collage thermique du verre et présentent des observations représentatives du transport de mousse pertinentes pour la récupération du pétrole à partir de formations non conventionnelles de schistes serrés et non conventionnels. Enfin, ces travaux décrivent l’utilisation d’un capteur monochrome haute résolution pour observer le comportement de mousse scCO2 où l’ensemble du milieu perméable est observé simultanément tout en préservant la résolution nécessaire pour résoudre des caractéristiques aussi petites que 10 μm.
Introduction
La fracturation hydraulique est utilisée depuis un certain temps comme moyen de stimuler l’écoulement, en particulier dans les formations serrées1. De grandes quantités d’eau nécessaires à la fracturation hydraulique sont aggravées par des facteurs environnementaux, des problèmes de disponibilitéde l’eau 2,des dommages à la formation3,un coût 4 et des effetssismiques 5. Par conséquent, l’intérêt pour d’autres méthodes de fracturation comme la fracturation sans eau et l’utilisation de mousses est à la hausse. Les méthodes alternatives peuvent fournir des avantages importants tels que la réduction de l’utilisationde l’eau 6,la compatibilité avec les formations sensibles àl’eau 7,minimal à aucun branchement de la formation8, la viscosité apparente élevée des fluides de fracturation9, la recyclabilité10, la facilité de nettoyage et la capacité de transport proppant6. La mousse de CO2 est un fluide de fracturation sans eau potentiel qui contribue à une production plus efficace de fluides pétroliers et à l’amélioration descapacités de stockage du CO 2 dans le sous-sol avec une empreinte environnementale potentiellement plus faible par rapport aux techniques conventionnelles defracturation 6,7,11.
Dans des conditions optimales, la mousse supercritique de CO2 (mousse scCO2) à des pressions supérieures à la pression minimale de miscibilité (MMP) d’un réservoir donné fournit un système miscible multi-contact capable de diriger le flux dans des parties moins perméables de la formation, améliorant ainsi l’efficacité du balayage et la récupération desressources 12,13. scCO2 fournit du gaz comme la diffusivité et le liquide comme la densité14 et est bien adapté aux applications souterraines, telles que la récupération du pétrole et le captage, l’utilisation et le stockage du carbone (CCUS)13. La présence des constituants de mousse dans le sous-sol contribue à réduire le risque de fuite dans le stockage à long terme du CO215. En outre, les effets de choc couplé-compressibilité-thermique des systèmes de mousse scCO2 peuvent servir de systèmes de fracturationefficaces 11. Les propriétés des systèmes de mousse de CO2 pour les applications souterraines ont été étudiées en profondeur à différentes échelles, telles que la caractérisation de sa stabilité et de sa viscosité dans les systèmes de sacs de sable et son efficacité dans les processus dedéplacement 3,6,12,15,16,17. La dynamique de mousse de niveau de fracture et ses interactions avec les médias poreux sont des aspects moins étudiés qui sont directement pertinents à l’utilisation de la mousse dans les formations serrées et fracturées.
Les plateformes microfluidiques permettent la visualisation directe et la quantification des processus microscaliques pertinents. Ces plates-formes assurent un contrôle en temps réel de l’hydrodynamique et des réactions chimiques pour étudier les phénomènes à l’échelle poreuse aux côtés de considérations de récupération1. La production, la propagation, le transport et la dynamique de mousse peuvent être visualisés dans les dispositifs microfluidiques imitant les systèmes fracturés et les voies conductrices de fracture-microcrack-matrice pertinentes à la récupération d’huile des formations serrées. L’échange de fluides entre fracture et matrice s’exprime directement en fonction de la géométrie18, soulignant ainsi l’importance de représentations simplistes et réalistes. Un certain nombre de plateformes microfluidiques pertinentes ont été développées au fil des ans pour étudier divers processus. Par exemple, Tigglaar et ses collègues discutent de la fabrication et des essais à haute pression des dispositifs microréacteurs en verre par le biais d’une connexion en plan de fibres pour tester le flux à travers des capillaires de verre reliés aux microréacteurs19. Ils présentent leurs conclusions relatives à l’inspection des liaisons, aux tests de pression et à la surveillance des réactions in situ 1Spectroscopie H NMR. En tant que tel, leur plate-forme peut ne pas être optimale pour des taux d’injection relativement élevés, la pré-génération de systèmes de fluides multiphases pour la visualisation in situ de fluides complexes dans les médias perméables. Marre et ses collègues discutent de l’utilisation d’un microréacteur en verre pour étudier la chimie à haute pression et les processus des fluides supercritiques20. Ils comprennent les résultats comme une simulation d’élément fini de la distribution du stress pour explorer le comportement mécanique des dispositifs modulaires sous la charge. Ils utilisent des connexions modulaires non transparentes pour la fabrication interchangeable de microréacteurs, et les dispositifs microfluidiques silicium/Pyrex ne sont pas transparents; ces dispositifs conviennent à l’étude cinétique, à la synthèse et à la production en génie des réactions chimiques lorsque la visualisation n’est pas une préoccupation majeure. Le manque de transparence rend cette plate-forme impropre à la visualisation directe et in situ de fluides complexes dans les supports de substitution. Paydar et ses collègues présentent une nouvelle façon de prototyper des microfluidiques modulaires à l’aide de l’impression 3D21. Cette approche ne semble pas bien adaptée aux applications à haute pression puisqu’elle utilise un polymère photocurable et que les appareils ne résistent qu’à 0,4 MPa. La plupart des études expérimentales microfluidiques liées au transport dans les systèmes fracturés rapportées dans la littérature portent sur la température ambiante et les conditions de pression relativement basse1. Il y a eu plusieurs études axées sur l’observation directe des systèmes microfluidiques qui imitent les conditions souterraines. Par exemple, Jimenez-Martinez et ses collègues introduisent deux études sur les mécanismes critiques de flux et de transport à l’échelle des pores dans un réseau complexe de fractures et de matrices.22,23. Les auteurs étudient des systèmes en trois phases utilisant des microfluidiques dans des conditions de réservoir (8,3 MPa et 45 °C) pour l’efficacité de la production; ils évaluent scCO2 pour la restimulation lorsque les restes de saumure provenant d’une fracturation antérieure sont2 et l’hydrocarbure résiduel23. Les dispositifs microfluidiques de silicium humide à l’huile ont un rapport avec le mélange huile-saumure-scCO2 dans les applications de récupération améliorée du pétrole (EOR); toutefois, ces travaux ne traitent pas directement de la dynamique à l’échelle poreuse dans les fractures. Un autre exemple est le travail de Rognmo et coll. qui étudient une approche haut de gamme pour les2 génération de mousse24. La plupart des rapports de la littérature qui tirent parti de la microfabrication2-EOR et ils n’incluent souvent pas les détails importants de fabrication. Au meilleur de la connaissance des auteurs, un protocole systématique pour la fabrication de dispositifs capables à haute pression pour les formations fracturées est actuellement absent de la littérature.
Ce travail présente une plate-forme microfluidique qui permet l’étude des structures en mousse scCO2, des formes de bulles, des tailles et de la distribution, de la stabilité de la lamella en présence d’huile pour les applications de fracturation hydraulique et d’assainissement des aquifères. La conception et la fabrication d’appareils microfluidiques utilisant la lithographie optique et l’gravure sélective induite par laser29 (SLE) sont discutées. En outre, ces travaux décrivent les modèles de fracture qui sont destinés à simuler le transport de fluides dans des formations serrées fracturées. Les voies simulées peuvent aller de modèles simplifiés à des microfissages complexes basés sur des données de tomographie ou d’autres méthodes qui fournissent des informations sur les géométries réalistes des fractures. Le protocole décrit les instructions de fabrication étape par étape pour les dispositifs microfluidiques en verre à l’aide de photolithographie, de gravure humide et de liaison thermique. Une source lumineuse ultra-violette (UV) collimée développée à l’interne est utilisée pour transférer les motifs géométriques désirés sur une mince couche de photorésistance, qui est finalement transférée sur le substrat de verre à l’aide d’un procédé de gravure humide. Dans le cadre de l’assurance de la qualité, les motifs gravés sont caractérisés à l’aide de microscopie confoccale. Comme alternative à la photolithographie/gravure humide, une technique SLE est utilisée pour créer un dispositif microfluidique et une analyse comparative des plates-formes est présentée. La configuration des expériences de débit comprend des bouteilles et des pompes à gaz, des contrôleurs de pression et des transducteurs, des mélangeurs et accumulateurs de fluides, des dispositifs microfluidiques, des supports en acier inoxydable performants à haute pression ainsi qu’une caméra haute résolution et un système d’éclairage. Enfin, des échantillons représentatifs d’observations provenant d’expériences de flux sont présentés.
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Protocole
MISE EN GARDE : Ce protocole consiste à manipuler une installation à haute pression, un four à haute température, des produits chimiques dangereux et de la lumière UV. Veuillez lire attentivement toutes les fiches de données pertinentes sur la sécurité des matériaux et suivre attentivement les directives sur la sécurité chimique. Examiner les lignes directrices sur la sécurité des essais de pression (hydrostatiques et pneumatiques), y compris la formation requise, le fonctionnement sécuritaire de tout l’équipement, les dangers connexes, les contacts d’urgence, etc. avant de commencer le processus d’injection.
1. Concevoir des motifs géométriques
- Concevoir un masque photo comprenant des caractéristiques géométriques et des voies d’intérêt (Figure 1, Fichier supplémentaire 1 : Figure S1).
- Définissez la boîte de dingage (surface de l’appareil) pour identifier la zone du substrat et confiner la conception aux dimensions du milieu désiré.
- Concevoir des ports d’entrée/de sortie. Choisissez des dimensions portuaires (p. ex., 4 mm de diamètre dans ce cas) pour obtenir une distribution relativement uniforme de mousse avant d’entrer dans le milieu (figure 1).
- Préparez un photomask du motif géométrique conçu en imprimant la conception sur une feuille de film transparent ou un substrat en verre.
- Extrudez la conception bidimensionnelle à la troisième dimension et incorporez des ports d’entrée et de sortie (pour une utilisation dans SLE).
REMARQUE : La technique SLE nécessite un dessin tridimensionnel (Figure 2).
- Extrudez la conception bidimensionnelle à la troisième dimension et incorporez des ports d’entrée et de sortie (pour une utilisation dans SLE).
2. Transférer les motifs géométriques sur le substrat de verre à l’aide de la photolithographie
REMARQUE : Les solutions Etchants et piranha doivent être traitées avec un soin extrême. Il est recommandé d’utiliser de l’équipement de protection individuelle, y compris un respirateur réutilisable pour le visage, des lunettes, des gants et l’utilisation de pinces résistantes à l’acide et à la corrosion (Table of Materials).
- Préparez les solutions nécessaires dans le processus de gravure humide en suivant ces étapes (voir également l’information électronique à l’appui fournie sous le nom de fichier supplémentaire 1).
- Versez une quantité suffisante de solution d’étchant chromé dans un bécher de sorte que le substrat puisse être immergé dans l’étchant. Chauffer le fluide à environ 40 °C.
- Préparer une solution de développeur ( Tableau desmatériaux) dans l’eau déionisée (eau DI) avec un rapport volumétrique de 1:8 de sorte que le substrat est capable d’être complètement immergé dans le mélange.
- Imprimez le motif géométrique sur un substrat borosilicate recouvert d’une couche de chrome et d’une couche de photorésistance à l’aide de l’irradiation UV.
- À l’aide de mains gantées, placez le masque (substrat de verre ou film transparent portant le motif géométrique) directement sur le côté du substrat borosilicate recouvert de chrome et de photorésistant.
- Placez le photomask et la combinaison de substrat sous la lumière UV avec le photomask face à la source.
REMARQUE : Ce travail utilise la lumière UV avec une longueur d’onde de 365 nm (pour correspondre à la sensibilité maximale du photorésistant) et à une intensité moyenne de 4,95 mW/cm2. - Transférez le motif géométrique dans la couche de photorésist en exposant la pile du substrat et du masque à la lumière UV.
REMARQUE : Le temps d’exposition optimal est fonction de l’épaisseur de la couche photorésistante et de la force du rayonnement UV. Photorésist est sensible à la lumière et tout le processus d’impression du motif doit être effectué dans une pièce sombre équipée d’un éclairage jaune.
- Développez le photorésistant.
- Retirez le photomask et la pile de substrat du stade UV à l’aide de mains gantées.
- Retirez le photomask et submergez le substrat dans la solution de développement pendant environ 40 s, transférant ainsi le modèle au photorésist.
- Rincez le substrat en cascade en faisant couler de l’eau DI du haut du substrat et sur toutes ses surfaces au moins trois fois et laissez le substrat sécher.
- Étchez le motif dans la couche chromée.
- Submergez le substrat dans un étchant chromé chauffé à environ 40 °C pendant environ 40 s, transférant ainsi le motif du photorésistant à la couche chromée.
- Retirez le substrat de la solution, rincez le substrat en cascade à l’aide d’eau DI et laissez-le sécher.
- Graver le motif dans le substrat borosilicate.
REMARQUE : Un etchant tamponné(Tableau des matériaux)est utilisé pour transférer le motif géométrique vers le substrat de verre. Avant l’utilisation de l’etchant tamponné, l’arrière du substrat est recouvert d’une couche de photorésistante pour le protéger de l’étchant. L’épaisseur de cette couche protectrice est sans importance pour l’ensemble du processus de fabrication.- À l’aide d’une brosse, appliquer plusieurs couches d’hexaméthyldisilazane (SMHM) sur la face découverte du substrat et laisser sécher.
REMARQUE : HMDS aide à favoriser l’adhérence du photorésistant à la surface du substrat borosilicate. - Appliquez une couche de photorésistant sur l’amorce. Placer le substrat dans un four à 60\u201290 °C pendant 30-40 min.
- Verser une quantité suffisante de l’etchant dans un récipient en plastique et plonger complètement le substrat dans l’étchant.
REMARQUE : Le taux de gravure est influencé par la concentration, la température et la durée de l’exposition. L’etchant tamponné utilisé dans ce travail grave une moyenne de 1\u201210 nm/min. - Laissez le substrat à motifs dans la solution etchant pendant une période prédéterminée en fonction des profondeurs de canal souhaitées.
REMARQUE : Le temps d’eau-forte peut être réduit par la sonication intermittente de bain de la solution. - Retirer le substrat de l’étchant à l’aide d’une pince à épiler résistante aux solvants et rincer en cascade le substrat à l’aide d’eau DI.
- Caractériser les caractéristiques gravées sur le substrat pour s’assurer que les profondeurs souhaitées ont été atteintes.
REMARQUE : Cette caractérisation peut être effectuée à l’aide d’un microscope confocal à balayage laser (figure 3). Dans ce travail, un grossissement 10x est utilisé pour l’acquisition de données. Une fois que les profondeurs du canal sont satisfaisantes, passez à l’étape du nettoyage et de la liaison.
- À l’aide d’une brosse, appliquer plusieurs couches d’hexaméthyldisilazane (SMHM) sur la face découverte du substrat et laisser sécher.
3. Propre et lien
- Supprimer les couches photorésistantes et chromées.
- Retirer le photorésistant du substrat en exposant le substrat à un solvant organique, comme la solution N-Méthyl-2-pyrrolidone (NMP) chauffée à l’aide d’une plaque chauffante sous un capot à environ 65 °C pendant environ 30 minutes.
- Rincer le substrat en cascade avec de l’acétone (de qualité ACS), suivi de l’éthanol (de qualité ACS) et de l’eau DI.
- Placez le substrat nettoyé dans un étchant chromé chauffé à l’aide d’une plaque chauffante sous un capot à environ 40 °C pendant environ 1 min, en enlevant ainsi la couche chromée du substrat.
- Une fois que le substrat est exempt de chrome et photorésiste, caractérisez les profondeurs du canal à l’aide de microscopie confoccale à balayage laser.
REMARQUE : Ce travail utilise un grossissement de 10 x pour l’acquisition de données (figure 4).
- Préparer la plaque de couverture et le substrat gravé pour le collage.
- Marquer les positions des trous d’entrée/sortie sur un substrat de borosilicate vierge (plaque de couverture) en alignant la plaque de couverture contre le substrat gravé.
- Percer des trous dans les endroits balisés à l’aide d’un sablier micro abrasif et d’un micro sablage d’oxyde d’aluminium de 50 μm.
REMARQUE : Alternativement, les ports peuvent être créés à l’aide d’une perceuse mécanique. - Cascade rincer à la fois le substrat gravé et la plaque de couverture avec de l’eau DI.
- Effectuer une procédure de nettoyage des gaufrettes RCA pour éliminer les contaminants avant le collage à l’aide d’une technique standard. Effectuez les étapes de nettoyage des gaufrettes sous un capot en raison de la volatilité des solutions impliquées dans le processus.
- Porter à ébullition une solution 1:4 par volume H2O2:H2SO4 piranha et submerger le substrat et la plaque de couverture dans la solution pendant 10 min sous un capot.
- Cascade rincer le substrat et la plaque de couverture avec de l’eau DI.
- Submergez le substrat et la plaque de couverture dans l’étchant tamponné pendant 30-40 s.
- Cascade rincer le substrat et la plaque de couverture avec de l’eau DI.
- Submerger le substrat et la plaque de couverture pendant 10 min dans un 6:1:1 par volume d’eau DI:H2O2:HClsolution qui est chauffée à environ 75 °C.
REMARQUE : L’eau-forte et le collage sont de préférence effectués dans une salle blanche. Si une salle blanche n’est pas disponible, il est recommandé d’effectuer les étapes suivantes dans un environnement exempt de poussière. Dans ce travail, les étapes 3.2.9-3.2.12 sont exécutées dans une boîte à gants pour minimiser la possibilité de contamination des substrats. - Appuyez hermétiquement sur le substrat et la plaque de couverture les uns contre les autres pendant qu’ils sont submergés.
- Retirez le substrat et la plaque de couverture de l’eau DI: H2O2:HCl solution. Rincer en cascade à l’eau DI et plonger dans de l’eau DI.
- Assurez-vous que le substrat et la plaque de couverture sont solidement fixés ensemble et retirez soigneusement les deux tout en étant pressés les uns contre les autres de l’eau DI.
- Lier les substrats thermiquement.
- Placez les substrats empilés (le substrat gravé et la plaque de couverture) entre deux plaques lisses de 1,52 cm d’épaisseur en verre et en céramique pour les lier.
- Placez les plaques de verre-céramique entre deux plaques métalliques en alliage X(Table des Matériaux),qui est capable de résister aux températures requises sans distorsion significative.
- Centrer les gaufrettes en verre dans le support métallique en céramique.
REMARQUE : Ce travail utilise des plaques de verre et de céramique de 10 cm x 10 cm x 1,52 cm d’épaisseur. La configuration empilée est sécurisée à l’aide de boulons et de écrous de 1/4 " (Figure 5). - Serrer les noix à la main et placer le support dans une chambre à vide pendant 60 minutes à environ 100 °C.
- Retirer le support de la chambre et serrer soigneusement les écrous à l’aide d’environ 10 lb-in de couple.
- Placez le support à l’intérieur d’un four et exécutez le programme de chauffage suivant. Augmenter la température à 1 °C/min jusqu’à 660 °C; maintenir la température constante à 660 °C pendant 6 h, suivie d’une étape de refroidissement à environ 1 °C/min jusqu’à la température ambiante.
- Retirez le dispositif microfluidique thermiquement collé, rincez-le à l’eau DI, placez-le dans HCl (12,1 M) et bain-sonicate (40 kHz à 100 W de puissance) la solution pendant une heure (figure 6).
4. Fabriquer des dispositifs microfluidiques en verre gravé au laser
REMARQUE : La fabrication de l’appareil a été effectuée par un service tiers d’impression 3D en verre(Table of Materials)par le biais d’un procédé SLE et en utilisant un substrat de silice fondu comme précurseur.
- Écrivez le motif désiré dans un substrat de silice fondu à l’aide d’un faisceau laser polarisé linéairement orienté perpendiculairement au stade généré par une source laser femtoseconde d’une durée d’impulsion de 0,5 ns, d’un taux de répétition de 50 kHz, d’une énergie pulsée de 400 nJ et d’une longueur d’onde de 1,06 μm.
- Retirer le verre du motif écrit à l’intérieur du substrat de silice fondu à l’aide d’une solution KOH (32 wt%) à 85 °C avec échographie (figure 7).
5. Effectuer des tests à haute pression
- Saturer le dispositif microfluidique avec le liquide résident (p. ex., eau DI, solution surfactant, huile, etc. selon le type d’expérience) à l’aide d’une pompe à seringues.
- Préparez des fluides générateurs de mousse et des instruments connexes.
- Préparer la solution de saumure (liquide résident) avec la salinité désirée et dissoudre le surfactant (comme la bêtaine de lauramidopropyl et l’alpha-oléfin-sulfonate) avec la concentration désirée (selon la concentration critique de micelle du surfactant) dans la saumure.
- Remplissez les réservoirs du CO2 et des pompes à eau avec des quantités suffisantes de liquides par expérience à température ambiante.
- Remplissez l’accumulateur de saumure et les lignes d’écoulement avec la solution surfactant à l’aide d’une seringue. Ce travail utilise un accumulateur d’une capacité de 40 mL.
- Rincer la ligne de saumure avec la solution de saumure.
- Rincez la ligne reliant l’accumulateur à l’appareil et aux lignes de sortie avec le fluide résident (la solution de saumure dans ce cas).
- Placez l’appareil microfluidique saturé dans un support résistant à la pression et connectez les ports d’entrée/sortie aux lignes appropriées à l’aide d’un tube de diamètre intérieur de 0,010 po (figure 8, fichier supplémentaire 1 : figure S5).
- Augmenter la température du bain en circulation, qui contrôle la température des lignes de saumure et de CO2, à la température désirée (p. ex., 40 °C ici (figure 9)).
- Vérifiez toutes les lignes pour assurer l’intégrité de la configuration avant l’injection.
- Générer la mousse.
- Commencez à injecter la saumure à un taux de 0,5 mL/min et vérifiez l’écoulement de la solution de surfactant dans l’appareil et la ligne de contre-pression.
- Augmentez simultanément la pression de la contre-pression et de la saumure-pompe par étapes progressives (~ 0,006 MPa/s) tout en maintenant le flux continu de la sortie du régulateur de la contre-pression (BPR). Augmentez la pression jusqu’à ~7.38 MPa (pression minimale requise de scCO2) et arrêtez les pompes.
- Augmenter la pression de la ligne de CO2 jusqu’à une pression supérieure à 7,38 MPa (pression minimale scCO2).
- Ouvrez lavanne de CO 2 et laissez le scCO2 mélangé à la solution de surfactant haute pression s’écouler à travers un mélangeur en ligne pour générer de la mousse.
- Attendez que le débit soit entièrement développé à l’intérieur de l’appareil et que les canaux soient saturés. Surveillez la sortie pour l’apparition de la production de mousse.
REMARQUE : Les ports auxiliaires peuvent être utilisés pour aider à préaturer complètement le milieu avec le liquide résident (figure 1). Les incohérences dans le taux d’accumulation de pression et les augmentations soudaines du BPR peuvent entraîner une rupture (figure 10). Les pressions du liquide et la contre-pression doivent être augmentées graduellement afin de minimiser le risque de dommages à l’appareil.
- Effectuez l’imagerie en temps réel et l’analyse des données.
- Allumez la caméra pour capturer des images détaillées du flux à l’intérieur des canaux. Ce travail utilise un appareil photo doté d’un capteur de 60 mégapixels, monochromes et plein cadre.
- Lancez le logiciel dédié de contrôle de l’obturateur( Table of Materials). Sélectionnez une vitesse d’obturation de 1/60, un rapport focal (f-nombre) de f/8.0, et sélectionnez l’objectif approprié.
- Lancez le logiciel de caméra dédié( Table of Materials). Sélectionnez l’appareil photo, le format désiré (par exemple, IIQL) et un paramètre ISO de 200 dans le menu pulldown sous le paramètre « CAMERA » du logiciel.
- Ajustez la distance de travail de la caméra au milieu au besoin pour vous concentrer sur le support. Capturez des images à intervalles de temps prescrits en appuyant sur le bouton de capture du logiciel.
- Dépressuriser le système dans des conditions ambiantes.
- Arrêtez l’injection (pompes à gaz et à liquide), fermez les entrées de co2 et de pompe à saumure, ouvrez le reste des vannes de la ligne et éteignez les radiateurs.
- Diminuer graduellement la pression arrière (p. ex., à un taux de 0,007 MPa/s) jusqu’à ce que le système atteigne les conditions de pression ambiante. Diminuez les pressions de la pompe desaumure et de CO 2 séparément.
REMARQUE : La diminution de la pression du SCCO2 peut entraîner une sortie incohérente ou turbulente du BPR, c’est pourquoi le retrait de la pression doit être effectué avec le soin nécessaire.
- Nettoyez soigneusement le dispositif microfluidique après chaque expérience au besoin en faisant circuler la séquence suivante de solutions à travers le milieu : isopropanol/éthanol/eau (1:1:1), solution HCl de 2 M, eau DI, solution de base (EAU DI/NH4OH/H2O2 à 5:5:1) et eau DI.
- Images collectées après le processus.
- Isoler le paysage poreux en excluant l’arrière-plan des images.
- Corriger les désalignements mineurs en effectuant la transformation des perspectives et en mettant en œuvre une stratégie de seuil local au besoin pour tenir compte de l’éclairage non uniforme28.
- Calculer les paramètres géométriques et statistiques pertinents à l’expérience tels que la taille moyenne des bulles, la distribution de la taille des bulles et la forme de bulle pour chaque image microstructurale en mousse dans le canal.
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Résultats
Cette section présente des exemples d’observations physiques provenant du flux de mousse scCO2 à travers une fracture principale reliée à un réseau de micro-fissures. Un dispositif microfluidique en verre fabriqué par photolithographie ou SLE est placé à l’intérieur d’un support et dans le champ de vision d’un appareil photo doté d’un capteur de 60 mégapixels, monochromes et plein cadre. La figure 11 illustre le processus de fabrication des dispositifs microfluidiques et leur plac...
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Discussion
Ce travail présente un protocole lié à une plate-forme de fabrication pour créer des dispositifs microfluidiques en verre robustes et à haute pression. Le protocole présenté dans ce travail soulage le besoin d’une salle blanche en effectuant plusieurs des dernières étapes de fabrication à l’intérieur d’une boîte à gants. L’utilisation d’une salle blanche, si disponible, est recommandée pour minimiser le risque de contamination. En outre, le choix de l’etchant doit être basé sur la rugosité de surface désirée. L’utilisati...
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Déclarations de divulgation
Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts et divulgation.
Remerciements
Les auteurs de l’Université du Wyoming reconnaissent avec gratitude leur soutien dans le cadre du Center for Mechanistic Control of Water-Hydrocarbon-Rock Interactions in Unconventional and Tight Oil Formations (CMC-UF), un energy frontier research center financé par le U.S. Department of Energy, Office of Science under DOE (BES) Award DE-SC0019165. Les auteurs de l’Université du Kansas aimeraient remercier la National Science Foundation EPSCoR Research Infrastructure Improvement Program: Track -2 Focused EPSCoR Collaboration award (OIA- 1632892) pour le financement de ce projet. Les auteurs remercient également Jindi Sun du Département de génie chimique de l’Université du Wyoming pour son aide généreuse dans la formation aux instruments. SAA remercie Kyle Winkelman de l’Université du Wyoming pour son aide dans la construction des stands d’imagerie et d’UV. Last but not the least, les auteurs remercient John Wasserbauer de microGlass, LLC pour des discussions utiles concernant la technique SLE.
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Boulons et écrous | Pour la fabrication des plaques métalliques afin de prendre en sandwich la puce de verre entre elles pour le collage thermique | ||
| 3,45 x 3,45 mm LED UV | Kingbright | Pour émettre de la lumière LED | |
| Mesure 3D Microscope laser | OLYMPUS | LEXT OLS4000 | Pour mesurer les profondeurs des canaux |
| 40 mm x 40 mm x 10 mm 12V DC Ventilateur de refroidissement | Uxcell | Pour refroidir les lampes LED UV | |
| 120 mm x 38 mm 24V DC Ventilateur de refroidissement | Uxcell | Pour refroidir les lampes LED UV | |
| 5 ml (6 ml) Seringue NORM-JECT | HENKE SASS WOLF | Lot #16M14CB | Pour rincer la puce avant chaque expérience |
| Acétone (Certifié ACS) | Fisher Chemical | Lot #177121 | Pour le nettoyage |
| Pince à épiler résistive à l’acide/corrosion | TED PELLA | Pour manipuler la pièce en verre dans des solutions corrosives | |
| Pince à épiler résistante aux acides/solvants | TED PELLA, INC | #53009 et #53010 | Pour manipuler le verre dans des solutions corrosives |
| Alliage X | AMERICAN SPECIAL METALS | Numéro de chaleur : ZZ7571XG11 | Liaison thermique Hydroxyde d’ammonium |
| (réactif ACS) | Sigma Aldrich | Lot #SHBG9007V | Pour nettoyer la puce à la fin du processus |
| AutoCAD | Autodesk, San Rafael, CA | Pour concevoir des motifs 2D et des puces 3D | |
| Gravure BD pour les systèmes PSG-SiO2 | TRANSENE | Lot #028934 | Une formulation améliorée de gravure tamponnée pour la délimitation du verre phosphosilica &ndash ; SiO2 (PSG) et verre borosilica &ndash ; Systèmes SiO2 (BSG) |
| Substrat Borofloat vierge | TELIC | CG-HF | Substrat supérieur pour gravure UV |
| Substrat borofloat avec métallisations | TELIC | PG-HF-LRC-Az1500 | Substrat inférieur pour gravure UV |
| Logiciel de retouche photo Capture One | Phase One | Pour capturer/Modifier/Convertir les photos prises par Phase One | |
| Station de capture | de caméra DT Scientific | DT Versa | Pour placer la puce dans le champ de vision de la caméra |
| Dioxyde de carbone gazeux (Grade E) | PRAXAIR | UN 1013, numéro CAS 124-38-9 | Partie non aqée de la mousse Gravure au |
| chrome 1020 | TRANSENE | Lot #025433 | Systèmes de nitrate d’ammonium céramique de haute pureté pour une gravure précise et nette des films de chrome et d’oxyde de chrome. |
| Bains de circulation avec régulateur de température numérique | PolyScience | Pour contrôler les températures de saumure et de CO2 | |
| Ordinateur | graphique NVIDIA Tesla K20 - Noyau 706 MHz - 5 Go GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16 | Pour traiter et visualiser les images obtenues via la caméra Phase One | |
| Porte-puce | en verre haute pression sur mesurePour maintenir fermement la puce et ses connexions pour les tests à haute pression | ||
| Cutrain (personnalisé) | Pour protéger contre les rayonnements UV/IR | ||
| Eau déminéralisée (DI) | Pour le nettoyage | ||
| Appareil photo numérique avec capteur monochromatique 60 MP | Phase One | IQ260 | Système de visualisation |
| Éthanol, Anhydre, USP | Specs DECON LABORATORIES, INC. | Lot #A12291505J, CAS# 64-17-5 | Pour le nettoyage |
| Masque respiratoire réutilisable | 3M | 6502QL, Gaz, Vapeurs, Poussière, Milieu | Pour protéger contre l’inhalation de solution volatile |
| Plaquette de silice fondue (grade UV) | PAWA SIEGERT | Précurseur en verre de qualité UV pour l’impression | |
| SLE GIMP | Logiciel | Pour caractériser la texture et les propriétés | |
| de l’imageBoîte à gants (chambre anaérobie en vinyle) | Coy | Pour fournir un environnement propre et sans poussière | |
| Bain de nettoyage par ultrasons chauffé | Fisher Scientific | Pour accélérer le processus de gravure | |
| Hexaméthyldisilazane (HMDS) Salle blanche® ; MB | KMG | 62115 | Primaire pour revêtement photosensible |
| Tuyau (tube PEEK) | IDEX HEALTH & SCIENCE | Natural 1/16 » OD x .010 » ID x 5ft, Part # 1531 | Raccords d’écoulement |
| Acide chlorhydrique, certifié ACS plus | Fisher Chemical | Lot # 187244 | Solvant dans le protocole de nettoyage des semi-conducteurs RCA |
| Peroxyde d’hydrogène | Fisher Chemical | H325-500 | Solvant dans le protocole de nettoyage des semi-conducteurs RCA |
| ImageJ | NIH | Pour caractériser la texture et les propriétés de l’image | |
| Pompe à seringue ISCO | TELEDYNE ISCO | D-SERIES (100DM, 500D) | Pour pomper les fluides |
| Kaiser LED light box | Kaiser | Pour éclairer la puce | |
| Machine d’impression laser | LightFab GmbH, Allemagne. | FILL | Fabrication de puces Glass-SLE |
| Lunettes de sécurité laser | FreeMascot | B07PPZHNX4 | Pour protéger contre les rayonnements UV/IR |
| LED Engin 5W Lentille UV | LEDiL | Pour émettre de la lumière LED | |
| Imprimante 3D Light Fab (laser femtoseconde) | Light Fab | Pour graver sélectivement au laser de silice fondue | |
| Imprimante 3D LightFab | GmbH, Allemagne | Pour imprimer SLE les puces de silice fondue | |
| MATLAB | MathWorks, Inc., Natick, MA | Traitement d’image | |
| Plaques | |||
| Sableurs micro-abrasifs (Problast 2) | VANIMAN | Problast 2 &ndash ; 80007 | Pour percer des trous dans les plaques de recouvrement |
| MICROPOSIT 351 développeur | Dow | 10016652 | Photoresist solution de développement |
| Muffle four | Thermo Scientific | Thermolyne Type 1500 | Liaison thermique |
| N2 qualité pure de recherche | Airgas | Research Plus - NI RP300 | Pour le séchage des copeaux à chaque étape |
| Qualité semi-conductrice NMP - 0.1&mu ; m Filtered | Ultra Pure Solutions, Inc | Lot #02191502T Four à | solvant organique |
| Four à convection par gravité | 18EG | ||
| Phase One IQ260 avec un capteur achromatique | Phase One | IQ260 | Pour visualiser le transport dans les dispositifs microfluidiques à l’aide d’un réglage ISO 200 et d’une ouverture à f/8. |
| Photomask | Fine Line Imaging | 20,320 DPI FILM | Motif des canaux |
| Photoresist (SU-8) | MICRO CHEM | Article du produit : Y0201004000L1PE, Numéro de lot : 18110975 | Photoresist |
| Microscope à lumière polarisée | OLYMPUS | BX51 | Examen visuel des micro-canaux |
| Ports (NanoPort Assembly) | IDEX HEALTH & SCIENCE | Assemblage NanoPort Sans tête, 10-32 Coned, pour 1/16" OD, Part # N-333 | Connexions à la puce |
| Python | Python Software Foundation | Traitement d’image | |
| Écran facial de sécurité | Sellstrom | S32251 | Pour se protéger contre les rayonnements UV/IR |
| Film d’étanchéité (Parafilm) | Bemis Company, Inc | Isolation des conteneurs | |
| Logiciel de commande de volet | Schneider-Kreuznach | Pour régler les réglages de l’obturateur | |
| céramiques lisses | Collage thermique | ||
| Agitation plaque chauffante | Corning® ; | PC-620D | Pour chauffer les solutions |
| Acide sulfurique, réactif ACS 95.0-98.0 % | Sigma Aldrich | Lot # SHBK0108 | Solvant dans le protocole de nettoyage des semi-conducteurs |
| RCA Pompe à seringue (Standard Infuse/Retire PHD ULTRA) | Appareil Harvard | 70-3006 | Pour saturer la puce avant chaque expérience |
| Clé dynamométrique | Snap-on | TE25A-34190 | Pour serrer les vis |
| Puissance UV mètre | Optical Associates, Incorporated | Modèle 308 | Pour mesurer l’intensité de la lumière UV |
| Optical Associates, Incorporated | Modèle 308 | Pour quantifier l’intensité de la lumière UV | |
| Support de rayonnement UV (lumières LED) | Pour transférer le motif sur le verre (couche de photorésine) | ||
| Pompe à vide | WELCH VACCUM TECHNOLOGY, INC | 1380 | Pour sécher la puce |
| Alimentations DC variables | Eventek | KPS305D | Pour alimenter les lumières LED UV |
Références
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