Tecniche di fabbricazione microfluidiche per test ad alta pressione del trasporto supercritico in schiuma di CO2 su microscala in serbatoi non convenzionali fratturati

Summary

Questo documento descrive un protocollo insieme a uno studio comparativo di due tecniche di fabbricazione microfluidica, vale a dire la fotolitografia / incisione a umido / legame termico e l'incisione selettiva indotta dal laser (LES), che sono adatte per condizioni di alta pressione. Queste tecniche costituiscono piattaforme abilitanti per l'osservazione diretta del flusso di fluido in mezzi permeabili surrogati e sistemi fratturati in condizioni di serbatoio.

Abstract

I limiti di pressione di molte piattaforme microfluidici sono stati una sfida significativa negli studi sperimentali microfluidici su mezzi fratturati. Di conseguenza, queste piattaforme non sono state sfruttate appieno per l'osservazione diretta del trasporto ad alta pressione nelle fratture. Questo lavoro introduce piattaforme microfluidiche che consentono l'osservazione diretta del flusso multifase in dispositivi con supporti permeabili surrogati e sistemi fratturati. Tali piattaforme forniscono un percorso per affrontare questioni importanti e tempestive come quelle relative all'acquisizione, all'utilizzo e allo stoccaggio di CO_2. Questo lavoro fornisce una descrizione dettagliata delle tecniche di fabbricazione e una configurazione sperimentale che può servire ad analizzare il comportamento della schiuma supercritica di CO₂ (scCO_2),la sua struttura e stabilità. Tali studi forniscono importanti informazioni sui processi di recupero dell'olio potenziati e sul ruolo delle fratture idrauliche nel recupero delle risorse da serbatoi non convenzionali. Questo lavoro presenta uno studio comparativo dei dispositivi microfluidici sviluppati utilizzando due diverse tecniche: fotolitografia/incisione a umido/legame termico rispetto all'incisione selettiva indotta dal laser. Entrambe le tecniche si traducono in dispositivi chimicamente e fisicamente resistenti e tolleranti alle condizioni di alta pressione e temperatura che corrispondono a sistemi di sottosuolo di interesse. Entrambe le tecniche forniscono percorsi verso microcanali incisi ad alta precisione e dispositivi lab-on-chip capaci. La fotolitografia/incisione a umido, tuttavia, consente la fabbricazione di reti di canali complesse con geometrie complesse, il che sarebbe un compito impegnativo per le tecniche di incisione laser. Questo lavoro riassume un protocollo di fotolitografia passo-passo, incisione a umido e incollaggio termico del vetro e presenta osservazioni rappresentative del trasporto della schiuma con rilevanza per il recupero dell'olio da formazioni strette e scisto non convenzionali. Infine, questo lavoro descrive l'uso di un sensore monocromatico ad alta risoluzione per osservare il comportamento della schiuma scCO₂ in cui l'intero mezzo permeabile viene osservato contemporaneamente preservando la risoluzione necessaria per risolvere caratteristiche di dimensioni fino a 10 μm.

Introduction

La fratturazione idraulica è stata utilizzata per un bel po 'di tempo come mezzo per stimolare il flusso soprattutto nelle formazioni strette^1. Grandi quantità di acqua necessarie nella fratturazione idraulica sono composte da fattori ambientali, problemi di^{disponibilità dell'acqua 2,danni alla formazione 3,costo 4} ed effetti sismici^5. Di conseguenza, l'interesse per metodi di fratturazione alternativi come la fratturazione senza acqua e l'uso di schiume è in aumento. Metodi alternativi possono fornire importanti benefici come la riduzione dell'uso

Protocol

ATTENZIONE: Questo protocollo prevede la gestione di una configurazione ad alta pressione, un forno ad alta temperatura, sostanze chimiche pericolose e luce UV. Si prega di leggere attentamente tutte le schede di dati di sicurezza dei materiali pertinenti e seguire le linee guida sulla sicurezza chimica. Esaminare le linee guida di sicurezza per i test di pressione (idrostatici e pneumatici), compresa la formazione richiesta, il funzionamento sicuro di tutte le apparecchiature, i rischi associati, i contatti di emergenza, ecc. prima di iniziare il processo di iniezione.

1. Progettare motivi geometrici

1. Progettare una maschera fotog....

Results

Questa sezione presenta esempi di osservazioni fisiche dal flusso di schiuma scCO_{2 attraverso} una frattura principale collegata a una serie di micro-crepe. Un dispositivo microfluidico in vetro realizzato tramite fotolitografia o LES è collocato all'interno di un supporto e nel campo visivo di una fotocamera dotata di un sensore da 60 megapixel, monocromatico, full-frame. La figura 11 illustra il processo di fabbricazione dei dispositivi microfluidici e il loro posizionamento nell.......

Discussion

Questo lavoro presenta un protocollo relativo a una piattaforma di fabbricazione per creare dispositivi microfluidici in vetro robusti e ad alta pressione. Il protocollo presentato in questo lavoro allevia la necessità di una camera bianca eseguendo diverse delle fasi finali di fabbricazione all'interno di un portaoggetti. L'uso di una camera bianca, se disponibile, è consigliato per ridurre al minimo il potenziale di contaminazione. Inoltre, la scelta dell'incisione deve essere basata sulla rugosità superficiale desider.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Bulloni e dadi			Per la fabbricazione delle lastre metalliche per inserire il chip di vetro tra di loro per l'incollaggio termico
3,45 x 3,45 mm UV LED	Kingbright		Per emettere luce LED
Microscopio laser 3D	OLYMPUS	LEXT OLS4000	Per misurare la profondità dei canali
40 mm x 40 mm x 10 mm Ventola di raffreddamento 12V DC Uxcell			Per raffreddare le luci UV LED
120 mm x 38 mm 24V DC Ventola di raffreddamento	Uxcell		Per raffreddare le luci UV LED
5 ml (6 ml) Siringa NORM-JECT	HENKE SASS WOLF	Lotto #16M14CB	Per sciacquare il chip prima di ogni esperimento
Acetone (certificato ACS)	Fisher Chemical	Lot #177121	Per la pulizia
Pinzetta resistente agli acidi/corrosione	TED PELLA		Per maneggiare il pezzo di vetro in soluzioni corosive
Pinzette resistenti agli acidi/solventi	TED PELLA, INC#	53009 e #53010	Per maneggiare il vetro in soluzioni corrosive
Lega X	AMERICAN SPECIAL METALS	Numero di calore: ZZ7571XG11	Legame termico
Idrossido di ammonio (reagente ACS)	Sigma Aldrich	Lot #SHBG9007V	Per pulire il truciolo alla fine del processo
AutoCAD	Autodesk, San Rafael, CA		Per progettare modelli 2D e chip 3D
BD Etchant per sistemi PSG-SiO2	TRANSENE	Lot #028934	Una formulazione migliorata di mordenzatura tamponata per la delineazione del vetro fosfosilice; SiO2 (PSG) e vetro borosilice... Sistemi SiO2 (BSG)
Substrato Borofloat bianco	TELIC	CG-HF	Substrato superiore per incisione UV
Substrato Borofloat con metallizzazioni	TELIC	PG-HF-LRC-Az1500	Substrato inferiore per incisione UV
Software di fotoritocco Capture One	Fase Uno		Per catturare/modificare/convertire le immagini scattate dalla stazione di acquisizione della fotocamera Phase One
	DT Scientific	DT Versa	Per posizionare il chip nel campo visivo della fotocamera Gas di
anidride carbonica (Grado E)	PRAXAIR	UN 1013, numero CAS 124-38-9	porzione non accea di schiuma
Mordenzante al cromo 1020	TRANSENE	Lotto #025433	Sistemi di nitrato di ammonio cerico ad alta purezza per un'incisione precisa e pulita di film di cromo e ossido di cromo
Bagni circolanti con regolatore di temperatura digitale	PolyScience		Per controllare le temperature della salamoia e della CO2
Computer		NVIDIA Tesla K20 Scheda grafica - 706 MHz Core - 5 GB GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16	Per elaborare e visualizzare le immagini ottenute tramite la fotocamera Phase One
chip			in vetro ad alta pressione su misuraPer tenere saldamente il chip e le sue connessioni per i test ad alta pressione
Cutrain (Custom)			Per proteggere dalle radiazioni UV/IR
Acqua deionizzata (DI)			Per la pulizia
Fotocamera digitale con sensore monocromatico da 60 MP	Phase One	IQ260	Sistema di visualizzazione
Etanolo, anidro, USP Specifiche	DECON LABORATORIES, INC.	Lotto #A12291505J, CAS# 64-17-5	Per la pulizia
Respiratore riutilizzabile per facciale	3M	6502QL, Gas, Vapori, Polvere, Mezzo	Per proteggere dall'inalazione di soluzione volatile
Wafer di silice fusa (grado UV)	SIEGERT WAFER	UV grado	UV Precursore in vetro per la stampa SLE
GIMP	Software		Per caratterizzare la struttura e le proprietà
dell'immagineGlovebox (camera anaerobica in vinile)	Coy		Per fornire un ambiente pulito e privo di polvere
Bagno di pulizia ad ultrasuoni riscaldato	Fisher Scientific		Per accelerare il processo di incisione
Esametildisilazano (HMDS) Camera bianca® MB	KMG	62115	Primer per rivestimento fotoresist
Tubo flessibile (tubo PEEK)	IDEX HEALTH & SCIENZA	Naturale 1/16" OD x .010" ID x 5ft, Parte # 1531	Connessioni di flusso
Acido cloridrico, certificato ACS più	Fisher Chemical	Lot # 187244	Solvente nel protocollo di pulizia dei semiconduttori RCA
Perossido di idrogeno	Fisher Chemical	H325-500	Solvente nel protocollo di pulizia dei semiconduttori RCA
ImageJ	NIH		Per caratterizzare la struttura e le proprietà dell'immagine
Pompa a siringa ISCO	TELEDYNE ISCO	D-SERIES (100DM, 500D)	Per pompare i fluidi
Kaiser LED light box	Kaiser		Per illuminare il chip
Macchina da stampa laser	LightFab GmbH, Germania.	FILL	Fabbricazione di chip Glass-SLE
Occhiali di sicurezza laser	FreeMascot	B07PPZHNX4	Per proteggere dalle radiazioni UV/IR
LED Engin 5W Lente UV	LEDiL		Per emettere luce LED
Light Fab Stampante 3D (laser a femtosecondi)	Light Fab		Per incidere selettivamente al laser la silice
fusa LightFab Stampante 3D LightFab	LightFab, Germania		Per SLE stampare i chip di silice fusa
MATLAB	MathWorks, Inc., Natick, MA		Elaborazione delle immagini
Piastre
Sabbiatrici microabrasive (Problast 2)	VANIMAN	Problast 2 – 80007	Per scavare fori nelle piastre di copertura
MICROPOSIT 351 sviluppatore	Dow	10016652	Photoresist developer solution
Muffle forno	Thermo Scientific	Thermolyne Tipo 1500	Legame termico
N2 puro grado di ricerca	Airgas	Research Plus - NI RP300	Per l'essiccazione dei chip in ogni fase
NMP semiconductor grade - 0.1μ m Soluzioni	ultra pure filtrate, Inc	Lotto #02191502T Forno a	solventi organici
Forno	convezione a gravità	18EG
Fase Uno IQ260 con sensore acromatico	Fase Uno	IQ260	Per visulizzare il trasporto in dispositivi microfluidici utilizzando un'impostazione ISO 200 e un'apertura a f/8.
Fotomaschera	Imaging a linee sottili	20.320 DPI FILM	Modello di canali
Photoresist (SU-8)	MICRO CHEM	Articolo sul prodotto: Y0201004000L1PE, Numero di lotto: 18110975	Fotoresist
Microscopio a luce polarizzata	OLYMPUS	BX51	Esame visivo dei micro canali
Porte (NanoPort Assembly)	IDEX HEALTH & SCIENZA	Assemblaggio NanoPort senza testa, 10-32 conico, per 1/16" OD, Parte # N-333	Connessioni al chip
Python	Python Software Foundation		Elaborazione delle immagini
Visiera di sicurezza	Sellstrom	S32251	Per proteggere dalle radiazioni UV/IR
Pellicola sigillante (Parafilm)	Bemis Company, Inc		Isolamento di contenitori
Software di controllo dell'otturatore	Schneider-Kreuznach		Per regolare le impostazioni dell'otturatore
		in ceramica liscia	Incollaggio termico
Piastra riscaldante di agitazione	Corning®	PC-620D	Per riscaldare le soluzioni
Acido solforico, reagente ACS 95,0-98,0%	Sigma Aldrich	Lotto # SHBK0108	Solvente nel protocollo di pulizia dei semiconduttori RCA
Pompa a siringa (Standard Infonder/Withdraw PHD ULTRA)	Harvard Apparatus	70-3006	Per saturare il chip prima di ogni esperimento
Chiave dinamometrica	Snap-on	TE25A-34190	Per serrare le viti
Potenza UV metro	Optical Associates, Incorporated	Modello 308	Per misurare l'intensità della luce UV
Misuratore di potenza UV	Optical Associates, Incorporated	Modello 308	Per quantificare la forza della luce UV
Stativo di radiazione UV (luci a LED)			Per trasferire il modello sul vetro (strato di fotoresist)
Pompa a vuoto	WELCH VACCUM TECHNOLOGY, INC	1380	Per asciugare il chip
Alimentatori DC variabili	Eventek	KPS305D	Per alimentare le luci UV LED