油回収用多孔質媒体における細孔スケール イベント プロセスを特徴づけるためのマイクロ流体デバイス
2018年1月16日
この手順の目的は、簡単かつ迅速にカスタマイズ可能なジオメトリとオイルの回復研究有機液体による膨潤抵抗マイクロ流体デバイスを生成することです。ポリジメチルシロキサン金型で最初に生成されたあり、エポキシ ベースのデバイスをキャストするために使用します。代表的な変位の研究が報告されます。
この手順の全体的な目標は、石油回収研究で使用するためのカスタマイズ可能な形状を持つマイクロ流体デバイスを迅速に製造することです。この方法により、多孔質媒体中の多相流を研究することができます。マイクロ流体システムを使用して、これらのタイプの複雑な流れを実際に視覚化できるようにすることで、大規模な貯留システム向けのより優れた石油増進回収方法を設計できます。
この技術の主な利点は、安全で費用対効果の高い方法で、データとさまざまな石油増進回収方法を迅速に収集できることです。この方法により、石油回収メカニズムの増進に関する洞察を得ることができます。また、CO2隔離や帯水層の修復など、他のシステムにも適用できます。
まず、CADソフトウェアを使用して、ポストの配列で満たされた長方形のチャネルで構成されるフォトマスクを設計します。このパターンを、20ミクロンのフォトレジストでコーティングしたシリコーンウェーハに露光します。また、このマスターを使用して、付属のテキスト プロトコルで説明されているように PDMS モールドを作成します。
清潔なPDMSモールドパターン面を上にして、ほこりのない150mmプラスチックシャーレの底に置きます。PDMSをプラスチックに10秒間接着させてから、透明なプラスチックテープでPDMSの表面を保護します。この時点で、手続きは一時停止される場合があります。
次に、パターン表面からテープをはがし、型の上面から約0.9センチメートルの深さまで光学接着剤を皿に注ぎます。綿棒を使用して、形成された泡をそっと取り除きます。次に、付属のテキストプロトコルで説明されているように、UV光硬化システムを使用して光学接着剤を硬化させます。
次に、カッターナイフを使用して、光学接着剤を金型から慎重に取り出します。次に、丈夫なハサミを使用して、デザインの端から余分な光学接着剤を取り除きます。PDMSモールドを光学接着剤パックからゆっくりと剥がします。
1mmの生検パンチで、デバイスに入口、出口、および排水穴を作成します。最後に、透明なテープを使用して、光学接着剤とPDMS表面のパターン化された部分を保護します。新しいスライドガラスをスピンコーターにセットし、スライドに1mmの光学接着剤を塗布します。
スライドを2段階でスピンコートします。まず、500RPMで5秒間回転させ、次にRPMを4000に上げて20秒間回転させます。基板をUV光処理にすばやく移し、UV光の下の薄い光学接着剤層を30秒間部分的に硬化させます。
次に、光学接着剤のキャストパターン面を上にして、基板を上にして酸素プラズマクリーナーに入れます。バキュームを540ミリトーまで引きます。その後、表面を20秒間プラズマ処理します。
終了したら、ピースを取り外し、不要なエアポケットがすべて最小化または除去されるまで、処理された2つの表面をしっかりと押し合わせます。次に、デバイスをUVライトの下に戻し、20分間完全に硬化させます。次に、50°Cに加熱したホットプレートにデバイスを18時間置きます。
終了したら、内径 0.58 mm の低密度ポリエチレン チューブの 6 インチの長さのセグメントをデバイスの各ポートに挿入します。次に、クイックセットエポキシを追加して、チューブを所定の位置に固定します。テープを使用して、高速度カメラを備えた倒立顕微鏡にマイクロ流体デバイスを固定します。
4倍対物レンズを選択し、関心のある領域に焦点を合わせます。ここでは、デバイスの入口領域が示されています。次に、3ミリリットルの原油またはモーダルオイルを、23ゲージの工業用ディスペンシングチップを備えた10ミリリットルのガラスシリンジにロードします。
シリンジをシリンジポンプホルダーに固定し、シリンジポンプの設定で適切な直径の値を設定します。次に、1ミリリットルの変位液を、23ゲージの工業用ディスペンシングチップを備えた3ミリリットルのプラスチックシリンジにロードします。シリンジをシリンジポンプホルダーに固定し、再度、シリンジポンプの設定で適切な直径の値を設定します。
針先をチューブに挿入して、変位液をデバイスの入口に接続します。次に、オイル充填シリンジをポートに接続します。オイルを毎時2ミリリットルでデバイスの出口ポートに流し始めると同時に、変位流体を毎時0.8ミリリットルで入口ポートに流します。
このデモンストレーションでは、オプションのフォームジェネレーターを使用します。富裕層を20ミリリットルのガラスバイアルに集めて、2つの液体が両方とも排水口から流出するまで待ちます。置換液は多孔質媒体に入らず、カメラが設置されて撮影が開始されるまで、直接排水口から出る必要があります。
多孔質メディアデバイスで、目的の現象をキャプチャするのに十分な速度で対象領域の撮影を開始します。さらに、100%オイル飽和領域の静止画をキャプチャします。次に、オイル中を流れているチューブを迅速かつ同時に切断し、ドレンチューブを5センチのバインダークリップで固定します。
オイルの変位が定常状態に達するか、カメラのメモリが不足するまで、変位する流体がデバイスに侵入するのを待ちます。ここでは、油飽和マイクロモデルからの一般的な結果を示します。骨折領域では、フォームは予想どおり透過性の低いマトリックスに迂回します。
フォームは、ピンチオフとラメラ分割として説明できる2つの主要なメカニズムを通じて生成されます。泡の破壊は、合体、毛細管吸引、拡散粗大化の形で簡単に特定できます。この方法に従うと、これらのマイクロ流体システムを実際に使用して、アルカリ性フラッド、ポリマーフラッド、界面活性剤フラッディングなどの他の石油増進回収プロセスを研究できるだけでなく、帯水層の修復などの他の複雑な多孔質媒体プロセスを研究することもできます。
したがって、別の関心領域は、実際にこれらのマイクロ流体デバイスを使用して炭素の回収と隔離を研究することです。これらのマイクロ流体システムを通じて、二酸化炭素が多孔質媒体内に閉じ込められるメカニズムを実際に見ることができます。
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概要
この手順は、石油回収研究用にカスタマイズ可能な形状のマイクロ流体デバイスを迅速に製造する方法を概説しています。多相流体の多孔質媒体内での可視化を可能にし、石油回収の向上方法の設計を容易にします。
主要な研究要素
科学分野
- マイクロ流体工学
- 石油回収
- 多孔質媒体内フロー
背景
- マイクロ流体システムは複雑な流体の流れの研究を可能にします。
- 石油回収の向上方法は、貯留層システムの最適化に不可欠です。
- 迅速なデータ収集は効果的な研究に必要不可欠です。
- この技術はCO2隔離や帯水層修復にも適応可能です。
研究の目的
- 石油回収の研究用にマイクロ流体デバイスを製造すること。
- 多孔質媒体内での多相流の可視化。
- 石油回収の向上方法に関するデータを効率的に収集すること。
使用された方法
- ポリジメチルシロキサン（PDMS）モールドの作成。
- エポキシベースのマイクロ流体デバイスの鋳造。
- フロー挙動を分析するための置換研究の実施。
- 様々な流体力学研究におけるデバイスの適用。
主な結果
- この方法によりカスタマイズ可能なデバイスの迅速な製造が可能。
- 石油回収の向上メカニズムについての洞察を提供。
- 収集したデータは大規模な貯留層管理に役立ちます。
- この技術は研究目的に安全で費用対効果の高い方法です。
結論
- このマイクロ流体デバイスは石油回収研究に価値あるツールです。
- 多相流力学の理解を深めます。
- このアプローチは他の環境応用にも適応可能です。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This method enables rapid, cost-effective visualization of multi-phase flows in porous media, supporting the design of enhanced oil recovery strategies. It provides a scalable platform for studying displacement mechanisms under controlled conditions, reducing reliance on large-scale reservoir testing. The approach facilitates early-stage de-risking of recovery techniques by delivering quantitative pore-scale insights.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of fluid displacement hypotheses in porous media systems.
- Operational Value: Supports rapid prototyping of device geometries for mechanistic studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates reproducible, quantitative flow data for comparing recovery agents.
- Operational Value: Delivers solvent-resistant platforms compatible with organic displacing fluids.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery-scale observations to field-relevant recovery predictions.
- Operational Value: Enables standardized testing across displacement scenarios such as surfactant or polymer flooding.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum by enabling hypothesis testing and mechanistic de-risking prior to lead identification in recovery agent development.
- Discovery Biology: Facilitates visualization and analysis of multi-phase flow dynamics in porous media.
- Screening: Provides reproducible, quantitative displacement data for agent comparison.
- Analytics: Delivers real-time imaging and flow rate measurements for mechanistic evaluation.
- Translational Research: Supports continuity from microfluidic observation to pilot-scale recovery testing.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, adaptable platform for diverse fluid displacement studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in recovery mechanism elucidation.
- Operational Value: Ensures reproducibility and solvent resistance in organic fluid environments.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing biological and mechanistic uncertainty.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of recovery strategies based on pore-scale performance.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic design, photolithography, and UV curing processes.
- Depends on access to UV curing systems, plasma cleaners, and precision fluid handling equipment.
- Necessitates standardization of bonding and curing protocols across production batches.
- Involves adaptation considerations for varying porous media geometries and fluid properties.
- Includes practical limitations such as potential bond-strength degradation over extended organic solvent exposure.
