Techniki wytwarzania mikroprzepływowego do wysokociśnieniowych prób transportu nadkrytycznej piany CO2 w mikroskali w pękniętych zbiornikach niekonwencjonalnych

Summary

Ten artykuł opisuje protokół wraz z analizą porównawczą dwóch technik wytwarzania mikroprzepływowego, a mianowicie fotolitografii/trawienia na mokro/termicznego łączenia oraz selektywnego trawienia indukowanego laserem (SLE), które są odpowiednie dla warunków wysokiego ciśnienia. Techniki te stanowią platformy umożliwiające bezpośrednią obserwację przepływu płynów w zastępczych ośrodkach przepuszczalnych i systemach szczelinowych w warunkach złożowych.

Abstract

Ograniczenia ciśnienia wielu platform mikroprzepływowych były znaczącym wyzwaniem w eksperymentalnych badaniach mikroprzepływowych pękniętych mediów. W związku z tym platformy te nie zostały w pełni wykorzystane do bezpośredniej obserwacji transportu wysokociśnieniowego w szczelinach. W pracy przedstawiono platformy mikroprzepływowe, które umożliwiają bezpośrednią obserwację przepływu wielofazowego w urządzeniach z zastępczymi ośrodkami przepuszczalnymi i układami szczelinowanymi. Takie platformy zapewniają ścieżkę do odpowiedzi na ważne i aktualne pytania, takie jak te związane z wychwytywaniem, utylizacją i składowaniem CO₂ . Niniejsza praca zawiera szczegółowy opis technik wytwarzania i układu doświadczalnego, który może służyć do analizy zachowania pianki CO₂ w stanie nadkrytycznym (scCO₂), jej struktury i stabilności. Badania te dostarczają ważnych informacji na temat usprawnionych procesów wydobycia ropy naftowej oraz roli szczelin hydraulicznych w odzyskiwaniu zasobów ze złóż niekonwencjonalnych. W niniejszej pracy przedstawiono badanie porównawcze urządzeń mikroprzepływowych opracowanych przy użyciu dwóch różnych technik: fotolitografii/trawienia na mokro/wiązania termicznego oraz selektywnego trawienia indukowanego laserowo. W wyniku obu technik powstają urządzenia, które są odporne chemicznie i fizycznie oraz tolerancyjne na wysokie ciśnienie i temperaturę, które odpowiadają interesującym nas systemom podpowierzchniowym. Obie techniki zapewniają ścieżki do bardzo precyzyjnych mikrokanałów i wydajnych urządzeń typu lab-on-chip. Fotolitografia/trawienie na mokro umożliwia jednak wytwarzanie złożonych sieci kanałów o złożonej geometrii, co byłoby trudnym zadaniem dla technik trawienia laserowego. Praca ta podsumowuje krok po kroku protokół fotolitografii, trawienia na mokro i termicznego łączenia szkła oraz przedstawia reprezentatywne obserwacje transportu piany mające znaczenie dla wydobycia ropy naftowej z niekonwencjonalnych formacji szczelnych i łupkowych. Wreszcie, w pracy opisano zastosowanie monochromatycznego czujnika o wysokiej rozdzielczości do obserwacji zachowania piany scCO₂, w której całość przepuszczalnego medium jest obserwowana jednocześnie, przy zachowaniu rozdzielczości potrzebnej do rozdzielczości cech tak małych jak 10 μm.

Introduction

Szczelinowanie hydrauliczne jest używane od dłuższego czasu jako sposób stymulowania przepływu, szczególnie w ciasnych formacjach¹. Na duże ilości wody potrzebne do szczelinowania hydraulicznego nakładają się czynniki środowiskowe, problemy z dostępnością wody², formation damage³, cost⁴ i sejsmiczne efekty⁵. W związku z tym rośnie zainteresowanie alternatywnymi metodami szczelinowania, takimi jak szczelinowanie bezwodne i stosowanie pianek. Alternatywne metody mogą przynieść ważne korzyści, takie jak zmniejszenie zużycia wody⁶....

Protocol

UWAGA: Ten protokół obejmuje obsługę instalacji wysokociśnieniowej, pieca wysokotemperaturowego, niebezpiecznych chemikaliów i światła UV. Prosimy o uważne przeczytanie wszystkich odpowiednich kart charakterystyki substancji niebezpiecznych i przestrzeganie wytycznych dotyczących bezpieczeństwa chemicznego. Zapoznaj się z wytycznymi dotyczącymi bezpieczeństwa prób ciśnieniowych (hydrostatycznych i pneumatycznych), w tym wymaganym szkoleniem, bezpieczną obsługą wszystkich urządzeń, powiązanymi zagrożeniami, kontaktami awaryjnymi itp. przed rozpoczęciem procesu wtrysku.

1. Projektowanie wzorów geometrycznych

1. Zaprojektuj fotomaskę ....

Results

Ta sekcja przedstawia przykłady obserwacji fizycznych przepływu piany scCO₂ przez główne pęknięcie połączone z szeregiem mikropęknięć. Szklane urządzenie mikroprzepływowe wykonane metodą fotolitografii lub SLE umieszcza się w uchwycie i w polu widzenia kamery wyposażonej w 60-megapikselową, monochromatyczną, pełnoklatkową matrycę. Rysunek 11 ilustruje proces produkcji urządzeń mikroprzepływowych i ich rozmieszczenie w eksperymentalnym układzie. Rysunek 12 ilust.......

Discussion

W niniejszej pracy przedstawiono protokół związany z platformą produkcyjną do tworzenia solidnych, wysokociśnieniowych szklanych urządzeń mikroprzepływowych. Protokół przedstawiony w tej pracy zmniejsza potrzebę pomieszczenia czystego, wykonując kilka końcowych etapów produkcji wewnątrz komory rękawicowej. Zaleca się korzystanie z pomieszczenia czystego, jeśli jest dostępne, w celu zminimalizowania możliwości zanieczyszczenia. Dodatkowo wybór wytrawiacza powinien opierać się na pożądanej chropowatości powierzchni. Zastos.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
i nakrętki			Do produkcji metalowych płyt do umieszczenia między nimi wióra szklanego w celu klejenia termicznego
3,45 x 3,45 mm UV LED	Kingbright		Do emitowania światła LED
Pomiar 3D Mikroskop laserowy	OLYMPUS	LEXT OLS4000	Do pomiaru głębokości kanału
40 mm x 40 mm x 10 mm Wentylator chłodzący 12 V DC	Uxcell		Do chłodzenia lamp UV LED
120 mm x 38 mm 24V DC Wentylator chłodzący	Uxcell		Do chłodzenia lamp UV LED
5 ml (6 ml) Strzykawka NORM-JECT	HENKE SASS WOLF	Lot #16M14CB	Aby wypłukać chip przed każdym eksperymentem
Aceton (certyfikowany ACS)	Fisher Chemical	Lot #177121	Do czyszczenia
Pęseta odporna na kwasy/korozję	TED PELLA		Do obchodzenia się z kawałkiem szkła w roztworach korozyjnych
Pęseta odporna na kwasy/rozpuszczalniki	TED PELLA, INC	#53009 i #53010	Do obchodzenia się ze szkłem w roztworach korozyjnych
Stop X	AMERICAN SPECIAL METALS	Liczba cieplna: ZZ7571XG11	Klejenie termiczne
Wodorotlenek amonu (odczynnik ACS)	Sigma Aldrich	Lot #SHBG9007V	Aby wyczyścić chip na końcu procesu
AutoCAD	Autodesk, San Rafael, CA		Do projektowania wzorów 2D i chipów 3D
BD Etchant dla systemów PSG-SiO2	TRANSENE	Lot #028934	Ulepszona buforowana formuła wytrawiania do wyznaczania szkła fosfokrzemionkowego – SiO2 (PSG) oraz szkło borokrzemionkowe – Systemy SiO2 (BSG)
Puste podłoże Borofloat	TELIC	CG-HF	Górne podłoże do trawienia UV
Podłoże Borofloat z metalizacjami	TELIC	PG-HF-LRC-Az1500	Dolne podłoże do trawienia UV
Oprogramowanie do edycji zdjęć Capture One	Faza pierwsza		do przechwytywania/edycji/konwersji zdjęć zrobionych przez Phase One
Camera Capture station	DT Naukowy	DT Versa	Do umieszczenia chipa w polu widzenia kamery
Gazowy dwutlenek węgla (klasa E)	PRAXAIR	UN 1013, numer CAS 124-38-9	niewodnej porcji pianki
Wytrawiacz chromowy 1020	TRANSENE	Lot #025433	Systemy azotanu amonu cerowego o wysokiej czystości do precyzyjnego, czystego wytrawiania chromu i warstw tlenku chromu.
Kąpiele cyrkulacyjne z cyfrowym regulatorem temperatury	PolyScience		Do kontrolowania temperatury solanki i CO2
Komputer Karta		graficzna NVIDIA Tesla K20 - Rdzeń 706 MHz - 5 GB GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16	Do przetwarzania i wizualizacji obrazów uzyskanych za pomocą kamery fazy pierwszej
Wykonany na zamówienie wysokociśnieniowy uchwyt			na wióry szklaneAby mocno przytrzymać chip i jego połączenia do testów wysokociśnieniowych
Cutrain (Custom)			Aby chronić przed promieniowaniem UV/IR
Woda dejonizowana (DI)			Do czyszczenia
Aparat cyfrowy z monochromatyczną matrycą 60 MP	Faza pierwsza	IQ260	System wizualizacji
Etanol, Bezwodny, USP Specyfikacje	DECON LABORATORIES, INC.	Lot #A12291505J, CAS # 64-17-5	Do czyszczenia
Maska oddechowa wielokrotnego użytku	3M	6502QL, gazy, opary, pył, medium	Do ochrony przed wdychaniem roztworów lotnych
Wafel z topionej krzemionki (klasa UV)	SIEGERT WAFER	Klasa UV	Prekursor szkła do druku SLE
GIMP		przetwarzania obrazów o otwartym kodzie źródłowym	Aby scharakteryzować teksturę i właściwości obrazu
Schowek podręczny (winylowa komora anaerobowa)	Nieśmiały		Aby zapewnić czyste, wolne od kurzu środowisko
Podgrzewana kąpiel do czyszczenia ultradźwiękowego	Fisher Scientific		Aby przyspieszyć proces trawienia
Heksmetylodydisilazan (HMDS) Cleanroom® MB	KMG	62115	Grunt do powłok fotorezystancyjnych
Wąż (rurki PEEK)	IDEX HEALTH & NAUKA	Naturalny 1/16" OD x .010" ID x 5ft, Część # 1531	Połączenia przepływowe
Kwas solny, certyfikowany ACS plus	Fisher Chemical	Lot # 187244	Rozpuszczalnik w protokole czyszczenia półprzewodników RCA
Nadtlenek wodoru	Fisher Chemical	H325-500	Rozpuszczalnik w protokole czyszczenia półprzewodników RCA
ImageJ	NIH		Aby scharakteryzować teksturę i właściwości obrazu
Pompa strzykawkowa ISCO	TELEDYNE ISCO	D-SERIES (100DM, 500D)	Do pompowania płynów
Kaiser LED light box	Kaiser Do		oświetlenia chipa
Laserowa maszyna drukarska	LightFab GmbH, Niemcy.	FILL	Glass-SLE produkcja chipów
Laserowe okulary ochronne	FreeMascot	B07PPZHNX4	Do ochrony przed promieniowaniem UV/IR
LED Engin 5W UV Lens	LEDiL		Do emitowania światła LED
Drukarka 3D Light Fab (laser femtosekundowy)	Light Fab		Do selektywnego wytrawiania laserowego stopionej krzemionki
Drukarka 3D LightFab LightFab	GmbH, Niemcy		Aby wydrukować SLE stopione wióry krzemionkowe
MATLAB	MathWorks, Inc., Natick, MA		Przetwarzanie obrazu
Płyty metalowe Mikrościerne
piaskarki (Problast 2)	VANIMAN	Problast 2 – 80007	Do wycinania otworów w pokrywach
Deweloper MICROPOSIT 351	Dow	10016652	Rozwiązanie dla programistów Photoresist
Muffle piec	Thermo Scientific	Thermolyne Typ 1500	Klejenie termiczne
N2 czysta klasa badawcza	Airgas	Research Plus - NI RP300	Do suszenia wiórów na każdym etapie
Klasa półprzewodnikowa NMP - 0,1μ m Filtered	Ultra Pure Solutions, Inc	Lot #02191502T	Rozpuszczalnik organiczny
	Piekarnik Grawitacyjny Piec konwekcyjny	18EG
Faza pierwsza IQ260 z czujnikiem achromatycznym	Faza pierwsza	IQ260	Do wizualizacji transportu w urządzeniach mikroprzepływowych przy użyciu ustawienia ISO 200 i przysłony f/8.
Fotomaska	Obrazowanie cienkiej linii	20,320 DPI FILM	Wzór kanałów
Photoresist (SU-8)	MICRO CHEM	pozycja produktu: Y0201004000L1PE, Numer partii: 18110975	Mikroskop
światła spolaryzowanego	Photoresist OLYMPUS	BX51	Oględziny mikrokanałów Porty
(NanoPort Assembly)	IDEX ZDROWIE & SCIENCE	NanoPort Assembly Headless, 10-32 Coned, for 1/16" OD, Part # N-333	Połączenia z chipem
Python	Python Software Foundation		Przetwarzanie obrazu
osłona twarzy	Sellstrom	S32251	Do ochrony przed promieniowaniem UV/IR
Folia uszczelniająca (Parafilm)	Bemis Company, Inc		Izolacja pojemników
Oprogramowanie do sterowania migawkami	Schneider-Kreuznach		Do regulacji ustawień migawki
Gładkie płytki			Klejenie termiczne Mieszanie
Płyta grzejna	Corning®	PC-620D	Do podgrzewania roztworów
Kwas siarkowy, odczynnik ACS 95,0-98,0%	Sigma Aldrich	Lot # SHBK0108	Rozpuszczalnik w protokole czyszczenia półprzewodników RCA Pompa
strzykawkowa (standardowa infuse/withdrawal PHD ULTRA)	Harvard Apparatus	70-3006	Aby nasycić chip przed każdym eksperymentem
Klucz dynamometryczny	zatrzaskowy	TE25A-34190	Do dokręcania
Moc UV miernik	Optical Associates, Incorporated	Model 308	Do pomiaru intensywności światła UV
Miernik mocy UV	Optical Associates, Incorporated	Model 308	Aby określić ilościowo siłę światła UV
Stojak na promieniowanie UV (światła LED)			Aby przenieść wzór na szkło (warstwa fotorezystu)
Pompa próżniowa	WELCH VACCUM TECHNOLOGY, INC	1380	Aby wysuszyć chip
Zmienne zasilacze prądu stałego	Eventek	KPS305D	Do zasilania lamp UV LED