Técnicas de fabricação microfluidica para testes de alta pressão do transporte de espuma de CO2 supercrítica de microescala em reservatórios não convencionais fraturados

Summary

Este artigo descreve um protocolo juntamente com um estudo comparativo de duas técnicas de fabricação microfluida, a fotolitografia/gravura úmida/ligação térmica e Gravura Seletiva induzida por laser (SLE), que são adequadas para condições de alta pressão. Essas técnicas constituem plataformas de habilitação para observação direta do fluxo de fluidos em mídia permeável substituta e sistemas fraturados em condições de reservatório.

Abstract

Limitações de pressão de muitas plataformas microfluídicas têm sido um desafio significativo em estudos experimentais microfluidos de mídia fraturada. Como resultado, essas plataformas não foram totalmente exploradas para observação direta do transporte de alta pressão em fraturas. Este trabalho introduz plataformas microfluídicas que permitem a observação direta do fluxo multifásico em dispositivos com mídia permeável substituta e sistemas fraturados. Tais plataformas fornecem um caminho para abordar questões importantes e oportunas, como aquelas relacionadas à captura, utilização e armazenamento de CO_2. Este trabalho fornece uma descrição detalhada das técnicas de fabricação e uma configuração experimental que pode servir para analisar o comportamento da espuma supercrítica de CO₂ (scCO_2),sua estrutura e estabilidade. Tais estudos fornecem importantes insights sobre o aprimoramento dos processos de recuperação de óleo e o papel das fraturas hidráulicas na recuperação de recursos de reservatórios não convencionais. Este trabalho apresenta um estudo comparativo de dispositivos microfluidos desenvolvidos utilizando duas técnicas diferentes: fotolitografia/gravura úmida/ligação térmica versus Etching Selective induced a Laser. Ambas as técnicas resultam em dispositivos que são quimicamente e fisicamente resistentes e tolerantes a condições de alta pressão e temperatura que correspondem a sistemas subsuperfícies de interesse. Ambas as técnicas fornecem caminhos para microcanais gravados de alta precisão e dispositivos capazes de laboratório em chip. A fotolithografia/gravura úmida, no entanto, permite a fabricação de redes de canais complexas com geometrias complexas, o que seria uma tarefa desafiadora para técnicas de gravação a laser. Este trabalho resume um protocolo de fotolitografia passo a passo, gravura úmida e vidro e apresenta observações representativas do transporte de espuma com relevância para a recuperação do óleo de formações não convencionais de xisto e cilira. Finalmente, este trabalho descreve o uso de um sensor monocromático de alta resolução para observar o comportamento da espuma scCO₂ onde a totalidade do meio permeável é observada simultaneamente, preservando a resolução necessária para resolver características tão pequenas quanto 10 μm.

Introduction

A fratura hidráulica tem sido usada há algum tempo como forma de estimular o fluxo especialmente em formações apertadas¹. Grandes quantidades de água necessárias na fratura hidráulica são agravadas com fatores ambientais, problemas de disponibilidade de água^2,dano de formação^3,custo⁴ e efeitos sísmicos⁵. Como resultado, o interesse em métodos alternativos de fraturamento, como fraturas sem água e o uso de espumas está em ascensão. Métodos alternativos podem proporcionar benefícios importantes como a redução do uso da água^6,com....

Protocol

ATENÇÃO: Este protocolo envolve o manuseio de uma configuração de alta pressão, um forno de alta temperatura, produtos químicos perigosos e luz UV. Leia cuidadosamente todas as fichas de segurança do material relevante e siga as diretrizes de segurança química. Revise as diretrizes de segurança de testes de pressão (hidrostática e pneumática), incluindo treinamento necessário, operação segura de todos os equipamentos, riscos associados, contatos de emergência, etc. antes de iniciar o processo de injeção.

1. Projetar padrões geométricos

1. Projete uma fotomasca composta por características geométricas e caminhos de fluxo de interesse<....

Results

Esta seção apresenta exemplos de observações físicas do fluxo de espuma scCO₂ através de uma fratura principal conectada à matriz de micro-rachaduras. Um dispositivo microfluido de vidro feito via fotolithografia ou SLE é colocado dentro de um suporte e no campo de visão de uma câmera com um sensor de 60 megapixels, monocromático, full frame. A Figura 11 ilustra o processo de fabricação de dispositivos microfluidos e sua colocação na configuração experimental.

Discussion

Este trabalho apresenta um protocolo relacionado a uma plataforma de fabricação para criar dispositivos microfluidos de vidro robustos e de alta pressão. O protocolo apresentado neste trabalho alivia a necessidade de uma sala de limpeza realizando várias das etapas finais de fabricação dentro de um porta-luvas. Recomenda-se o uso de uma sala de limpeza, se disponível, para minimizar o potencial de contaminação. Além disso, a escolha do etchant deve ser baseada na rugosidade da superfície desejada. O uso de uma mistura de.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Parafusos e porcas			Para fabricação das placas metálicas para colocar o chip de vidro entre elas para colagem térmica
3,45 x 3,45 mm UV LED	Kingbright		Para emitir luz LED
medição 3D Microscópio a laser	OLYMPUS	LEXT OLS4000	Para medir profundidades de canal
40 mm x 40 mm x 10 mm 12V DC Ventilador de refrigeração	Uxcell		Para resfriar as luzes LED UV
120 mm x 38 mm 24V DC Ventilador de Refrigeração	Uxcell		Para resfriar as luzes LED UV
5 ml (6 ml) Seringa NORM-JECT	HENKE SASS	WOLF Lote #16M14CB	Para enxaguar o chip antes de cada experimento
Acetona (Certified ACS)	Fisher Chemical	Lote #177121	Para limpeza
Pinça resistente a ácido/ corrosão	TED PELLA		Para manusear a peça de vidro em soluções
corrosivas Pinças de resistência a ácidos/solventes	TED PELLA, INC	#53009 e #53010	Para manusear o vidro em soluções corrosivas
Liga X	AMERICAN SPECIAL METALS	Número de calor: ZZ7571XG11	Ligação térmica Hidróxido
de amônio (reagente ACS)	Sigma Aldrich	Lote #SHBG9007V	Para limpar o cavaco no final do processo
AutoCAD	Autodesk, San Rafael, CA		Para projetar padrões 2D e chips 3D
BD Etchant para sistemas PSG-SiO2	TRANSENE	Lote #028934	Uma formulação de gravação tamponada melhorada para delineamento de vidro fossílica - ndash; SiO2 (PSG) e vidro de borosílica – Sistemas SiO2 (BSG)
Substrato Borofloat em branco	TELIC	CG-HF	Substrato superior para gravação UV
Substrato Borofloat com metalizações	TELIC	PG-HF-LRC-Az1500	Substrato inferior para gravação UV
Capture One software de edição de fotos	Phase One		Para capturar/editar/converter as fotos tiradas pela estação de captura de câmera Phase One
	DT Scientific	DT	Versa Para colocar o chip no campo de visão da câmera
Gás dióxido de carbono (Grau E)	PRAXAIR	UN 1013, Número CAS 124-38-9	porção não aqeous da espuma
Corrosão de cromo 1020	TRANSENE	Lote #025433	Sistemas de nitrato de amônio cérico de alta pureza para gravação precisa e limpa de cromo e filmes de óxido de cromo
Banhos de circulação com controlador digital	de temperatura PolyScience		Para controlar as temperaturas de salmoura e CO2
Computador		NVIDIA Tesla K20 Placa Gráfica - 706 MHz Núcleo - 5 GB GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16	Para processar e visualizar as imagens obtidas através da câmera Phase One
Porta-chips			de vidro de alta pressão feito sob medidaPara segurar firmemente o chip e suas conexões para testes de alta pressão
Cutrain (Personalizado)			Para proteger contra radiações UV/IR
Água deionizada (DI)			Para limpeza
Câmera digital com sensor monocromático de 60 MP	Phase One	IQ260	Sistema de visualização
Etanol, Anidro, USP Especificações	DECON LABORATORIES, INC.	Lote #A12291505J, CAS# 64-17-5	Para limpeza
Respirador reutilizável de peça facial	3M	6502QL, Gases, Vapores, Poeira, Médio	Para proteger contra a inalação de solução volátil
Bolacha de sílica fundida (grau UV) Pastilha	SIEGERT	WAFER UV	grau Precursor de vidro para impressão SLE
GIMP	Software		Para caracterizar a textura e as propriedades
da imagemPorta-luvas (câmara anaeróbica de vinil)	Coy		Para proporcionar um ambiente limpo e livre de poeira
Banho de limpeza ultrassônico aquecido	Fisher Scientific		Para acelerar o processo de gravação
Hexametildisilazane (HMDS) Sala limpa® MB	KMG	62115	Primer para revestimento fotorresistente
Mangueira (tubulação PEEK)	IDEX HEALTH & CIÊNCIA	Natural 1/16" OD x .010" ID x 5ft, Parte # 1531	Conexões de fluxo
Ácido clorídrico, certificado ACS mais	Fisher Chemical	Lote # 187244	Solvente no protocolo de limpeza de semicondutores RCA
Peróxido de hidrogênio	Fisher Chemical	H325-500	Solvente no protocolo de limpeza de semicondutores RCA
ImageJ	NIH		Para caracterizar a textura e as propriedades da imagem
Bomba de seringa ISCO	TELEDYNE ISCO	D-SERIES (100DM, 500D)	Para bombear os fluidos
Kaiser Caixa de luz LED	Kaiser		Para iluminar o chip
Máquina de impressão a laser	LightFab GmbH, Alemanha.	FILL	Fabricação de chips Glass-SLE
Óculos de segurança a laser	FreeMascot	B07PPZHNX4	Para proteger contra radiações UV / IR
Engin 5W Lente UV	LEDiL		Para emitir luz LED
Light Fab Impressora 3D (laser de femtossegundo)	Light Fab		Para laser seletivo Gravação de sílica fundida
Impressora 3D LightFab LightFab	GmbH, Alemanha		Para imprimir SLE os chips de sílica fundida
MATLAB	MathWorks, Inc., Natick, MA		Processamento de imagem
Placas
metálicas Micro jateadores de areia abrasivos (Problast 2)	VANIMAN	Problast 2 - 80007	Para craete furos em placas de cobertura
MICROPOSIT 351 revelador	Dow	10016652	Solução de revelador fotorresistente
Mufla forno	Thermo Scientific	Thermolyne Tipo 1500	Ligação térmica
N2 puro grau de pesquisa	Airgas	Research Plus - NI RP300	Para secar os chips em cada etapa
Grau de semicondutor NMP - 0.1μ m Filtered	Ultra Pure Solutions, Inc	Lote #02191502T	Solvente orgânico
Forno	Convecção por Gravidade	18EG
Phase One IQ260 com um sensor acromático	Phase One	IQ260	Para visulizar o transporte em dispositivos microfluídicos usando uma configuração ISO 200 e uma abertura em f/8.
	Photomask Fine Line Imaging	20.320 DPI FILM	Padrão de canais
Photoresist (SU-8)	MICRO CHEM	Item do produto: Y0201004000L1PE, Número do lote: 18110975	Microscópio
de luz polarizada	Photoresist OLYMPUS	BX51	Exame visual de micro canais
Portas (NanoPort Assembly)	IDEX HEALTH & CIÊNCIA	Montagem NanoPort Sem Cabeça, 10-32 Coned, para 1/16" OD, Parte # N-333	Conexões com o chip
Python	Python Software Foundation		Processamento de imagem
Escudo facial de segurança	Sellstrom	S32251	Para proteger contra radiações UV/IR
Filme de vedação (Parafilme)	Bemis Company, Inc		Isolamento de recipientes
Software de controle de obturador	Schneider-Kreuznach		Para ajustar as configurações do obturador
Placas			Ligação térmica
Placa quente de agitação	Corning®	PC-620D	Para aquecer as soluções
Ácido sulfúrico, reagente ACS 95,0-98,0%	Sigma Aldrich	Lote # SHBK0108	Solvente no protocolo de limpeza de semicondutores RCA
Bomba de seringa (Padrão Infundir/Retirar PHD ULTRA)	Aparelho Harvard	70-3006	Para saturar o chip antes de cada experimento
Chave de torque	Snap-on	TE25A-34190	Para apertar os parafusos
Potência UV medidor	Optical Associates, Incorporated	Modelo 308	Para medir a intensidade da luz UV Medidor de
potência UV	Optical Associates, Incorporated	Modelo 308	Para quantificar a força da luz UV
Suporte de radiação UV (luzes LED)			Para transferir o padrão para vidro (camada fotorresistente)
Bomba de vácuo	WELCH VACCUM TECHNOLOGY, INC	1380	Para secar o chip
Fontes de alimentação DC variáveis	Eventek	KPS305D	Para alimentar as luzes LED UV