Summary
Este artículo describe un protocolo junto con un estudio comparativo de dos técnicas de fabricación microfluídica, a saber, fotolitografía/grabado húmedo/enlace térmico y grabado selectivo inducido por láser (SLE), que son adecuadas para condiciones de alta presión. Estas técnicas constituyen plataformas que permiten la observación directa del flujo de fluidos en medios permeables suplentes y sistemas fracturados en condiciones de depósito.
Abstract
Las limitaciones de presión de muchas plataformas microfluídicas han sido un desafío significativo en los estudios experimentales microfluídicos de medios fracturados. Como resultado, estas plataformas no han sido plenamente explotadas para la observación directa del transporte de alta presión en fracturas. Este trabajo presenta plataformas microfluídicas que permiten la observación directa del flujo multifásica en dispositivos con medios permeables suplentes y sistemas fracturados. Estas plataformas proporcionan una vía para abordar cuestiones importantes y oportunas, como las relacionadas con la captura, utilización y almacenamiento deCO2. Este trabajo proporciona una descripción detallada de las técnicas de fabricación y una configuración experimental que puede servir para analizar el comportamiento de la espuma supercrítica CO2 (scCO2),su estructura y estabilidad. Estos estudios proporcionan información importante sobre los procesos de recuperación de aceite mejorados y el papel de las fracturas hidráulicas en la recuperación de recursos de los reservorios no convencionales. Este trabajo presenta un estudio comparativo de dispositivos microfluídicos desarrollados utilizando dos técnicas diferentes: fotolitografía/grabado húmedo/enlace térmico frente a grabado selectivo inducido por láser. Ambas técnicas dan como resultado dispositivos química y físicamente resistentes y tolerantes a las condiciones de alta presión y temperatura que corresponden a los sistemas de interés del subsuelo. Ambas técnicas proporcionan vías a microcanales grabados de alta precisión y dispositivos de laboratorio en chip capaces. La fotolitografía/grabado en húmedo, sin embargo, permite la fabricación de redes de canales complejas con geometrías complejas, lo que sería una tarea difícil para las técnicas de grabado láser. Este trabajo resume una fotolitografía paso a paso, el protocolo de grabado en húmedo y de unión térmica de vidrio y, presenta observaciones representativas del transporte de espuma con relevancia para la recuperación de aceite de formaciones ajustadas y de esquisto no convencionales. Por último, este trabajo describe el uso de un sensor monocromático de alta resolución para observar el comportamiento de la espuma scCO2 donde la totalidad del medio permeable se observa simultáneamente, preservando la resolución necesaria para resolver características tan pequeñas como 10 m.
Introduction
La fracturación hidráulica se ha utilizado durante bastante tiempo como medio para estimular el flujo, especialmente en formaciones apretadas1. Grandes cantidades de agua necesarias en la fracturación hidráulica se componen de factores ambientales, problemas de disponibilidad de agua2,daños de formación3, costo4 y efectos sísmicos5. Como resultado, el interés en métodos de fracturación alternativos como la fracturación sin agua y el uso de espumas está en aumento. Los métodos alternativos pueden proporcionar beneficios importantes tales como la reducción en el uso del agua6, la compatibilidad con formaciones sensibles al agua7, mínimo a no taponamiento de la formación8, alta viscosidad aparente de los fluidos de fracturación9,reciclabilidad10, facilidad de limpieza y capacidad de transporte de proppant6. La espuma de CO2 es un fluido de fracturación sin agua potencial que contribuye a una producción más eficiente de fluidos de petróleo y a la mejora de la capacidad de almacenamiento de CO2 en el subsuelo con una huella ambiental potencialmente menor en comparación con las técnicas de fracturación convencionales6,7,11.
En condiciones óptimas, la espuma de CO2 supercrítica (espuma scCO2) a presiones superiores a la presión mínima de miscibilidad (MMP) de un depósito determinado proporciona un sistema miscible multicrítico que es capaz de dirigir el flujo a partes menos permeables de la formación, mejorando así la eficiencia de barrido y la recuperación de los recursos12,13. scCO2 ofrece gas como la difusividad y líquido como la densidad14 y es muy adecuado para aplicaciones del subsuelo, como la recuperación de petróleo y la captura de carbono, la utilización y el almacenamiento (CCUS)13. La presencia de los componentes de espuma en el subsuelo ayuda a reducir el riesgo de fugas en el almacenamiento a largo plazo de CO215. Además, los efectos de choque térmico de compresión acoplada de los sistemas de espuma scCO2 pueden servir como sistemas de fracturación eficaces11. Las propiedades de los sistemas de espuma CO2 para aplicaciones subsuperficiales se han estudiado ampliamente a diversas escalas, tales como la caracterización de su estabilidad y viscosidad en sistemas de paquetes de arena y su eficacia en los procesos de desplazamiento3,6,12,15,16,17. La dinámica de espuma a nivel de fractura y sus interacciones con medios porosos son aspectos menos estudiados que son directamente relevantes para el uso de espuma en formaciones apretadas y fracturadas.
Las plataformas microfluídicas permiten la visualización directa y la cuantificación de los procesos de microescala relevantes. Estas plataformas proporcionan control en tiempo real de la hidrodinámica y las reacciones químicas para estudiar los fenómenos a escala de los poros junto con consideraciones de recuperación1. La generación, propagación, transporte y dinámica de espuma pueden visualizarse en dispositivos microfluídicos que emulan sistemas fracturados y vías conductoras de matriz de fracturas-microcrones relevantes para la recuperación de aceite a partir de formaciones apretadas. El intercambio de fluidos entre la fractura y la matriz se expresa directamente de acuerdo con la geometría18, destacando así la importancia de representaciones simplistas y realistas. A lo largo de los años se han desarrollado una serie de plataformas microfluídicas relevantes para estudiar diversos procesos. Por ejemplo, Tigglaar y sus compañeros de trabajo discuten la fabricación y las pruebas de alta presión de dispositivos de microrreactor de vidrio a través de la conexión en plano de fibras para probar el flujo a través de capilares de vidrio conectados a los microrreactores19. Presentan sus hallazgos relacionados con la inspección de bonos, las pruebas de presión y el monitoreo de reacciones in situ 1Espectroscopia de RMN H. Como tal, su plataforma puede no ser óptima para tasas de inyección relativamente grandes, pregeneración de sistemas de fluidos multifásicos para la visualización in situ de fluidos complejos en medios permeables. Marre y sus compañeros de trabajo discuten el uso de un microrreactor de vidrio para investigar la química de alta presión y los procesos de fluidos supercríticos20. Incluyen resultados como una simulación de elementos finitos de distribución de tensión para explorar el comportamiento mecánico de los dispositivos modulares bajo la carga. Utilizan conexiones modulares no individuales para la fabricación intercambiable de microrreactores, y los dispositivos microfluídicos de silicio/Pyrex no son transparentes; estos dispositivos son adecuados para el estudio cinemático, la síntesis y la producción en ingeniería de reacción química donde la visualización no es una preocupación principal. La falta de transparencia hace que esta plataforma no sea adecuada para la visualización directa e in situ de fluidos complejos en medios sustitutos. Paydar y sus compañeros de trabajo presentan una forma novedosa de crear prototipos de microfluidos modulares utilizando la impresión 3D21. Este enfoque no parece adecuado para aplicaciones de alta presión ya que utiliza un polímero fotocurable y los dispositivos son capaces de soportar sólo hasta 0,4 MPa. La mayoría de los estudios experimentales microfluídicos relacionados con el transporte en sistemas fracturados reportados en la literatura se centran en la temperatura ambiente y las condiciones de presión relativamente baja1. Ha habido varios estudios con un enfoque en la observación directa de sistemas microfluídicos que imitan las condiciones del subsuelo. Por ejemplo, Jiménez-Martinez y sus compañeros de trabajo introducen dos estudios sobre los mecanismos críticos de flujo y transporte a escala de poros en una compleja red de fracturas y matrices22,23. Los autores estudian sistemas trifásicos utilizando microfluídicos en condiciones de reservorio (8,3 MPa y 45 oC) para la eficiencia de la producción; evalúan scCO2 para la reestimulación donde la salmuera sobrante de una fracturación previa es inmiscible con CO2 y el hidrocarburo residual23. Los dispositivos microfluídicos de silicio húmedo de aceite tienen relevancia para la mezcla de aceite-salmuera-scCO2 en aplicaciones de recuperación mejorada de aceite (EOR); sin embargo, este trabajo no aborda directamente la dinámica a escala de los poros en las fracturas. Otro ejemplo es el trabajo de Rognmo y otros, que estudian un enfoque de ampliación para la alta presión, el CO in situ2 generación de espuma24. La mayoría de los informes en la literatura que aprovechan la microfabricación se refieren al CO2-EOR y a menudo no incluyen detalles importantes de fabricación. Hasta donde los autores lo mejor de los autores, actualmente falta en la literatura un protocolo sistemático para la fabricación de dispositivos con capacidad de alta presión para formaciones fracturadas.
Este trabajo presenta una plataforma microfluídica que permite el estudio de estructuras de espuma scCO2, formas de burbujas, tamaños y distribución, estabilidad de lamella en presencia de aceite para EOR y aplicaciones hidráulicas de fracturación y remediación de acuíferos. Se discute el diseño y la fabricación de dispositivos microfluídicos mediante litografía óptica y grabado selectivo inducido por láser29 (SLE). Además, este trabajo describe patrones de fractura que están destinados a simular el transporte de fluidos en formaciones apretadas fracturadas. Las vías simuladas pueden variar desde patrones simplificados hasta microgries complejos basados en datos de tomografía u otros métodos que proporcionan información sobre geometrías de fracturas realistas. El protocolo describe instrucciones de fabricación paso a paso para dispositivos microfluídicos de vidrio mediante fotolitografía, grabado en húmedo y unión térmica. Una fuente de luz Collimated Ultra-Violet (UV) desarrollada internamente se utiliza para transferir los patrones geométricos deseados a una fina capa de fotorresista, que en última instancia se transfiere al sustrato de vidrio mediante un proceso de grabado húmedo. Como parte del aseguramiento de la calidad, los patrones grabados se caracterizan utilizando microscopía confocal. Como alternativa a la fotolitografía/grabado húmedo, se emplea una técnica SLE para crear un dispositivo microfluídico y se presenta un análisis comparativo de las plataformas. La configuración para experimentos de flujo comprende cilindros y bombas de gas, controladores y transductores de presión, mezcladores y acumuladores de fluidos, dispositivos microfluídicos, soportes de acero inoxidable de alta presión, junto con una cámara de alta resolución y un sistema de iluminación. Por último, se presentan muestras representativas de observaciones de experimentos de flujo.
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Protocol
ADVERTENCIA: Este protocolo implica el manejo de una configuración de alta presión, un horno de alta temperatura, productos químicos peligrosos y luz UV. Lea atentamente todas las fichas de datos de seguridad de materiales relevantes y siga las directrices de seguridad química. Revise las pautas de seguridad de las pruebas de presión (hidrostáticas y neumáticas), incluida la capacitación requerida, el funcionamiento seguro de todos los equipos, los peligros asociados, los contactos de emergencia, etc. antes de iniciar el proceso de inyección.
1. Diseñar patrones geométricos
- Diseñar una fotomasca que incluya características geométricas y vías de flujo de interés (Figura 1, Archivo Suplementario 1: Figura S1).
- Defina el cuadro delimitador (área de superficie del dispositivo) para identificar el área del sustrato y limitar el diseño a las dimensiones del medio deseado.
- Diseño de puertos de entrada/salida. Elija las dimensiones del puerto (por ejemplo, 4 mm de diámetro en este caso) para lograr una distribución relativamente uniforme de la espuma antes de entrar en el medio (Figura 1).
- Prepare una fotomasca del patrón geométrico diseñado imprimiendo el diseño en una hoja de película transparente o un sustrato de vidrio.
- Extruir el diseño bidimensional a la tercera dimensión e incorporar puertos de entrada y salida (para su uso en LES).
NOTA: La técnica SLE requiere un dibujo tridimensional(Figura 2).
- Extruir el diseño bidimensional a la tercera dimensión e incorporar puertos de entrada y salida (para su uso en LES).
2. Transfiera los patrones geométricos al sustrato de vidrio mediante fotolitografía
NOTA: Las soluciones de etchants y pirañas deben manejarse con extremo cuidado. Se recomienda el uso de equipos de protección personal, incluyendo respirador reutilizable, gafas, guantes y uso de pinzas resistentes al ácido/corrosión (Tabla de materiales).
- Prepare las soluciones necesarias en el proceso de grabado en húmedo siguiendo estos pasos (consulte también la información de soporte electrónico proporcionada como Archivo Suplementario 1).
- Verter una cantidad adecuada de solución de cromo etchant en un vaso de precipitados de tal manera que el sustrato se pueda sumergir en el etchant. Calentar el líquido a aproximadamente 40 oC.
- Preparar una solución de desarrollador (Tabla de Materiales) en agua desionizada (agua DI) con una relación volumétrica de 1:8 para que el sustrato sea capaz de sumergirse completamente en la mezcla.
- Imprima el patrón geométrico en un sustrato de borosilicato recubierto con una capa de cromo y una capa de fotorresista mediante irradiación UV.
- Con las agujas enguanadas, coloque la máscara (sustrato de vidrio o la película transparente que lleva el patrón geométrico) directamente en el lado del sustrato de borosilicato que está cubierto de cromo y fotorresista.
- Coloque la combinación de fotomasca y sustrato debajo de la luz UV con la fotomasca hacia la fuente.
NOTA: Este trabajo utiliza luz UV con una longitud de onda de 365 nm (para que coincida con la sensibilidad máxima del fotorresistir) y a una intensidad media de 4,95 mW/cm2. - Transfiera el patrón geométrico a la capa de fotorresistir exponiendo la pila del sustrato y la máscara a la luz UV.
NOTA: El tiempo de exposición óptimo es una función del grosor de la capa fotorresista y la fuerza de la radiación UV. El fotorresistero es sensible a la luz y todo el proceso de impresión del patrón debe realizarse en una habitación oscura equipada con iluminación amarilla.
- Desarrollar el fotorresistir.
- Retire la pila de fotomasca y sustrato de la etapa UV con las manos enguñadas.
- Retire la fotomasca y sumerja el sustrato en la solución para desarrolladores durante aproximadamente 40 s, transfiriendo así el patrón al fotorresistido.
- Enjuague en cascada el sustrato fluyendo agua DI desde la parte superior del sustrato y sobre todas sus superficies un mínimo de tres veces y deje que el sustrato se seque.
- Etch el patrón en la capa de cromo.
- Sumerja el sustrato en un grabador cromado calentado a unos 40 oC durante aproximadamente 40 s, transfiriendo así el patrón del fotorresistente a la capa cromada.
- Retire el sustrato de la solución, enjuague en cascada el sustrato con agua DI y deje que se seque.
- Etch el patrón en el sustrato de borosilicato.
NOTA: Se utiliza un grabado almacenado en búfer (Tabla de materiales) para transferir el patrón geométrico al sustrato de vidrio. Antes del uso del etchant tamponado, la parte posterior del sustrato está recubierta con una capa de fotorresistente para protegerlo del etchant. El grosor de esta capa protectora es irrelevante para el proceso de fabricación general.- Usando un cepillo, aplicar varias capas de hexamethyldisilazane (HMDS) en la cara descubierta del sustrato y dejar que se seque.
NOTA: HMDS ayuda a promover la adhesión del fotorresistir a la superficie del sustrato de borosilicato. - Aplique una capa de fotorresistir en la parte superior de la imprimación. Colocar el sustrato en un horno a 60o U201290 oC durante 30–40 min.
- Vierta una cantidad adecuada del grabador en un recipiente de plástico y sumerja completamente el sustrato en el grabador.
NOTA: La velocidad de grabado está influenciada por la concentración, la temperatura y la duración de la exposición. El etchant almacenado en búfer utilizado en este trabajo graba un promedio de 1-u201210 nm/min. - Deje el sustrato estampado en la solución de etchant durante una cantidad predeterminada de tiempo en función de las profundidades de canal deseadas.
NOTA: El tiempo de grabado puede reducirse mediante la sonicación intermitente del baño de la solución. - Retire el sustrato del grabador con un par de pinzas resistentes a disolventes y enjuague en cascada el sustrato con agua DI.
- Caracterice las características grabadas en el sustrato para asegurarse de que se han alcanzado las profundidades deseadas.
NOTA: Esta caracterización se puede realizar utilizando un microscopio confocal de escaneo láser (Figura 3). En este trabajo, se utiliza un aumento de 10 veces para la adquisición de datos. Una vez que las profundidades del canal sean satisfactorias, pase a la etapa de limpieza y unión.
- Usando un cepillo, aplicar varias capas de hexamethyldisilazane (HMDS) en la cara descubierta del sustrato y dejar que se seque.
3. Limpiar y unir
- Elimine las capas fotoesist y cromada.
- Retire el fotorresistir del sustrato exponiendo el sustrato a un disolvente orgánico, como la solución de N-Metil-2-pirrolidona (NMP) calentada con una placa caliente debajo de una campana a aproximadamente 65 oC durante aproximadamente 30 minutos.
- Enjuague en cascada el sustrato con acetona (grado ACS), seguido de etanol (grado ACS) y agua DI.
- Coloque el sustrato limpio en cromo etchant calentado usando una placa caliente debajo de una campana a aproximadamente 40 oC durante aproximadamente 1 min, eliminando así la capa de cromo del sustrato.
- Una vez que el sustrato está libre de cromo y fotorresistir, caracterizar las profundidades del canal utilizando la microscopía confocal de escaneo láser.
NOTA: Este trabajo utiliza un aumento de 10 veces para la adquisición de datos (Figura 4).
- Prepare la placa de cubierta y el sustrato grabado para la unión.
- Marque las posiciones de los orificios de entrada/salida en un sustrato de borosilicato en blanco (placa de cubierta) alineando la placa de cubierta contra el sustrato grabado.
- Explote los orificios transversales en los lugares marcados utilizando un chorro de arena micro abrasivo y un microseros de óxido de aluminio de 50 m.
NOTA: Alternativamente, los puertos se pueden crear utilizando un taladro mecánico. - Enjuague en cascada tanto el sustrato grabado como la placa de cubierta con agua DI.
- Realice un procedimiento de limpieza de obleas RCA para eliminar contaminantes antes de la unión utilizando la técnica estándar. Realice los pasos de limpieza de obleas bajo una campana debido a la volatilidad de las soluciones involucradas en el proceso.
- Lleve una solución de piraña 1:4 por volumen H2O2:H2SO4 a ebullición y sumerja el sustrato y la placa de cubierta en la solución durante 10 minutos bajo una campana.
- Enjuague en cascada el sustrato y la placa de cubierta con agua DI.
- Sumerja el sustrato y la placa de cubierta en el etchant tamponado durante 30–40 s.
- Enjuague en cascada el sustrato y la placa de cubierta con agua DI.
- Sumerja el sustrato y la placa de cubierta durante 10 minutos en una solución DI de volumen de 6:1:1 en volumen: H2O2:HCl que se calienta a aproximadamente 75 oC.
NOTA: El grabado y la unión se realizan preferentemente en una sala limpia. Si una sala limpia no está disponible, se recomienda realizar los siguientes pasos en un entorno libre de polvo. En este trabajo, los pasos 3.2.9–3.2.12 se realizan en una guantera para minimizar la posibilidad de contaminación de los sustratos. - Presione el sustrato y la placa de cubierta firmemente uno contra el otro mientras está sumergido.
- Retire el sustrato y la placa de cubierta del agua DI:H2O2:HCl solución. Enjuague en cascada con agua DI y sumerja en agua DI.
- Asegúrese de que el sustrato y la placa de cubierta estén firmemente unidos y retire cuidadosamente los dos mientras se presionan uno contra el otro del agua DI.
- Unir los sustratos térmicamente.
- Coloque los sustratos apilados (el sustrato grabado y la placa de cubierta) entre dos placas lisas de vidrio-cerámica de 1,52 cm de espesor para la unión.
- Coloque las placas vitrocerámicas entre dos placas metálicas de Aleación X(Tabla de Materiales),que es capaz de soportar las temperaturas requeridas sin distorsión significativa.
- Centrar las obleas de vidrio en el soporte cerámico-metálico.
NOTA: Este trabajo utiliza placas vitrocerámicas de 10 cm x 10 cm x 1,52 cm de espesor. La configuración apilada se fija con pernos y tuercas de 1/4"(Figura 5). - Apriete a mano las tuercas y coloque el soporte en una cámara de vacío durante 60 minutos a aproximadamente 100 oC.
- Retire el soporte de la cámara y apriete cuidadosamente las tuercas con aproximadamente 10 lb de torque.
- Coloque el soporte dentro de un horno y ejecute el siguiente programa de calefacción. Elevar la temperatura a 1 oC/min hasta 660 oC; mantener la temperatura constante a 660 oC durante 6 h seguida de un paso de enfriamiento a aproximadamente 1 oC/min hacia abajo a temperatura ambiente.
- Retire el dispositivo microfluídico termostable, enjuáguelo con agua DI, colóquelo en HCl (12.1 M) y baño-sonicado (40 kHz a 100 W de potencia) la solución durante una hora(Figura 6).
4. Fabricar dispositivos microfluídicos de vidrio grabados con láser
NOTA: La fabricación del dispositivo fue realizada por un servicio de impresión 3D de vidrio de terceros (Tabla de Materiales) a través de un proceso SLE y utilizando un sustrato de sílice fusionada como precursor.
- Escriba el patrón deseado en un sustrato de sílice fusionado utilizando un rayo láser polarizado linealmente orientado perpendicular a la etapa generada a través de una fuente láser de femtosegundo con una duración de pulso de 0,5 ns, una tasa de repetición de 50 kHz, una energía de pulso de 400 nJ y una longitud de onda de 1,06 m.
- Retire el vidrio del patrón escrito dentro del sustrato de sílice fundida utilizando una solución KOH (32 wt%) a 85 oC con sonicación por ultrasonido(Figura 7).
5. Realizar pruebas de alta presión
- Saturar el dispositivo microfluídico con el líquido residente (por ejemplo, agua DI, solución surfactante, aceite, etc. dependiendo del tipo de experimento) utilizando una bomba de jeringa.
- Preparar fluidos generadores de espuma e instrumentos relacionados.
- Preparar la solución de salmuera (líquido residente) con la salinidad deseada y disolver el tensioactivo (como lauramidopropyl betaine y alfa-olefina-sulfonato) con la concentración deseada (según la concentración crítica de micelas del surfactante) en la salmuera.
- Llenar los tanques delCO2 y las bombas de agua con cantidades adecuadas de líquidos por el experimento a temperatura ambiente.
- Llene el acumulador de salmuera y las líneas de flujo con la solución surfactante utilizando una jeringa. Este trabajo utiliza un acumulador con una capacidad de 40 mL.
- Enjuague la salmuera con la solución de salmuera.
- Enjuague la línea que conecta el acumulador al dispositivo y las líneas de salida con el líquido residente (la solución de salmuera en este caso).
- Coloque el dispositivo microfluídico saturado en un soporte resistente a la presión y conecte los puertos de entrada/salida a las líneas apropiadas utilizando tubos de 0,010" de diámetro interior(Figura 8, Archivo suplementario 1: Figura S5).
- Aumentar la temperatura del baño circulante, que controla la temperatura de las líneas de salmuera y CO2, a la temperatura deseada (por ejemplo, 40 oC aquí (Figura 9)).
- Compruebe todas las líneas para garantizar la integridad de la configuración antes de la inyección.
- Genera la espuma.
- Comience a inyectar la salmuera a una velocidad de 0,5 ml/min y compruebe el flujo de solución de surfactante en el dispositivo y la línea de contrapresión.
- Aumente simultáneamente la contrapresión y la presión de la bomba de salmuera en pasos graduales (0,006 MPa/s) manteniendo el flujo continuo desde la salida del regulador de contrapresión (BPR). Aumente la presión hasta 7,38 MPa (presión mínima requerida scCO2) y detenga las bombas.
- Aumente la presión de la línea CO2 hasta una presión superior a 7,38 MPa (presión mínima scCO2).
- Abra la válvula CO2 y permita que el scCO2 mezclado con la solución de surfactante de alta presión fluya a través de un mezclador en línea para generar espuma.
- Espere hasta que el flujo esté completamente desarrollado dentro del dispositivo y los canales estén saturados. Supervise la salida para el inicio de la generación de espuma.
NOTA: Los puertos auxiliares se pueden utilizar para ayudar a presaturar el medio completamente con el fluido residente (Figura 1). Las incoherencias en la tasa de acumulación de presión y los aumentos repentinos de BPR pueden provocar roturas(Figura 10). Las presiones de fluidos y la contrapresión deben elevarse gradualmente para minimizar el riesgo de daño al dispositivo.
- Realice imágenes y análisis de datos en tiempo real.
- Encienda la cámara para capturar imágenes detalladas del flujo dentro de los canales. Este trabajo utiliza una cámara con un sensor de cuadro completo monocromático de 60 megapíxeles.
- Inicie el software de control de obturación dedicado (Tabla de materiales). Seleccione una velocidad de obturación de 1/60, una relación focal (f-número) de f/8.0 y seleccione la lente adecuada.
- Inicie el software de cámara dedicado (Tabla de materiales). Seleccione la cámara, el formato deseado (por ejemplo, IIQL) y un ajuste ISO de 200 en el menú desplegable bajo el ajuste "CAMERA" del software.
- Ajuste la distancia de trabajo de la cámara al medio según sea necesario para centrarse en el medio. Capture imágenes a intervalos de tiempo prescritos pulsando el botón de captura en el software.
- Despresurizar el sistema de nuevo a las condiciones ambientales.
- Detenga la inyección (bombas de gas y líquido), cierre las entradas de la bomba deCO2 y salmuera, abra el resto de las válvulas de línea y apague los calentadores.
- Disminuya la contrapresión gradualmente (por ejemplo, a una velocidad de 0,007 MPa/s) hasta que el sistema alcance las condiciones de presión ambiente. Disminuya las presiones de la bomba de salmuera yCO2 por separado.
NOTA: La disminución de la presión scCO2 puede dar lugar a una salida BPR inconsistente o turbulenta, por lo tanto, la reducción de presión debe ejecutarse con el cuidado necesario.
- Limpie el dispositivo microfluídico a fondo después de cada experimento según sea necesario mediante el flujo de la siguiente secuencia de soluciones a través del medio: isopropanol/etanol/agua (1:1:1), solución HCl de 2 M, agua DI, una solución básica (AGUA DI/NH4OH/H2O2 a 5:5:1) y agua DI.
- Post-proceso de imágenes recopiladas.
- Aísle el paisaje de los poros excluyendo el fondo de las imágenes.
- Corrija las desalineaciones menores realizando la transformación de la perspectiva e implementando una estrategia de umbral local según sea necesario para tener en cuenta la iluminación no uniforme28.
- Calcule parámetros geométricos y estadísticos relevantes para el experimento, como el tamaño medio de la burbuja, la distribución del tamaño de la burbuja y la forma de la burbuja para cada imagen microestructural de espuma en el canal.
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Representative Results
Esta sección presenta ejemplos de observaciones físicas del flujo de espuma scCO2 a través de una fractura principal conectada a una serie de micro-grietas. Un dispositivo microfluídico de vidrio hecho a través de fotolitografía o LES se coloca dentro de un soporte y en el campo de visión de una cámara con un sensor de 60 megapíxeles, monocromático de cuadro completo. La Figura 11 ilustra el proceso de fabricación de dispositivos microfluídicos y su colocación en la configuración experimental. La Figura 12 es una ilustración del transporte de espuma CO2 y la estabilidad en el dispositivo microfluídico de litografía UV (4 MPa y 40 oC) durante los primeros 20 minutos de generación/aislamiento. La multifase se movió a través de la fractura / microgricales y espuma se generó a través de las microfracturas. La Figura 13 muestra la generación de espuma scCO2 en un dispositivo microfluídico SLE (7,72 MPa y 40 oC) a partir de la condición ambiental sin flujo a espuma scCO2 completamente desarrollada a caudales altos y bajos. La Figura 14 presenta imágenes de distribución de espuma y estabilidad en condiciones de depósito (7,72 MPa y 40 oC) durante los primeros 20 minutos de generación/aislamiento. La Figura 15 muestra la distribución de los diámetros de burbuja y las imágenes crudas e intermedias como parte de la cuantificación de la microestructura de espuma incluyendo, imagen en bruto, imagen post-procesada con brillo mejorado, contraste y nitidez, y su equivalente binarizado.
Figura 1: Ejemplos de diseños de fotomascara para la fabricación de dispositivos microfluídicos (los colores blanco y negro se invierten para mayor claridad). (a) Campo de visión completo para una red de fracturas conectada que contiene una fractura principal y microfibras. (b) Vista ampliada de la entidad principal que comprende una red de fracturas conectada que contiene una fractura principal y micro-grietas. (c) Se añade un tercer puerto en la parte inferior. (d) Vista ampliada de la entidad principal que comprende una red de fracturas conectada que contiene una fractura principal y microfibras junto con una red de distribución que conecta la red al puerto en la parte inferior del dispositivo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Diseño microfludí 3D utilizado en la fabricación de LES y flujo de espuma de alta presión a través de microcanales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Examen de la profundidad del canal mediante microscopía confocal para sustrato sumergido en BD-etchant durante 136 h (sin sonicación en estecaso). (a) visión general del canal (b) medición de la profundidad del canal (43 m). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Examen de la profundidad del canal mediante microscopía confocal para un sustrato con capa de cromo eliminado después del enjuague NMP. (a) Visión general del canal. (b) Medición de la profundidad del canal (42,5 m). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Esquema del proceso de unión térmica. (a) Colocación de dos obleas de vidrio entre dos placas cerámicas lisas. (b) Colocación de las placas de cerámica entre dos placas metálicas y apriete de los pernos. (c) Colocación del soporte metálico y cerámico que contiene los sustratos dentro de un horno programable para alcanzar las temperaturas deseadas para la unión térmica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: El dispositivo microfluídico de vidrio grabado uv completo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Proceso de diseño y fabricación de SLE. (a) Esquema del proceso de diseño y fabricación de LES (esta figura ha sido reimpresa con permiso de Elsevier27), y (b) el dispositivo microfluídico impreso 3D resultante. Los pasos de diseño y fabricación incluyen (a.i) el diseño del volumen interior de los canales, (a.ii) cortar el modelo 3D para crear una pila z de líneas para definir la trayectoria láser, (a.iii) irradiación láser en el sustrato de sílice pulida fusionada, (a.iv) grabado KOH preferencial de materiales grabados con láser, y (a.v) el producto terminado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: Dispositivo microfluídico colocado dentro de un soporte y el sistema de imágenes que comprende una cámara de alta resolución y un sistema de iluminación. (a) Una fotografía de la configuración de laboratorio y( b) esquema de un laboratorio en un chip bajo observación a través de la cámara de alta resolución y el sistema de iluminación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9: Configuración de inyección de espuma scCO2 de alta presión en un dispositivo microfluídico y un sistema de visualización utilizando una cámara de alta resolución y una unidad de procesamiento de imágenes. (a) fotografía de la configuración de laboratorio y (b) esquema del diagrama de flujo de proceso y de la unidad de procesamiento de imágenes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10: Dispositivo desencogido en un puerto de inyección (entrada derecha) como resultado del mal manejo del perfil de presión por BPR y bomba de agua durante la inyección. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 11: Métodos de fabricación comparativa del dispositivo microfluídico de vidrio. (a) Proceso de fabricación de dispositivo microfluídico de medios fracturados mediante diseño de fotolitografía (a.i) para un fotorresista positivo, (a.ii) fotomasco impreso en una película de transparencia basada en poliéster, (a.iii) sustratos de vidrio en blanco y fotorresistidos/cromados, (a.iv) transfiriendo el patrón al sustrato a través de radiación UV, (a.v) sustrato grabado, (a.vi) sustrato grabado después de la eliminación de la capa de cromo y el sustrato en blanco preparado para la unión térmica, (a.vii) dispositivo de unión térmica, y (a.viii) inyección scCO2. (b) Fabricación mediante la técnica SLE: (b.i) diseño para impresión SLE, (b.ii) irradiación láser en el sustrato de sílice fundida pulida, (b.iii) dispositivo microfluídico de vidrio impreso SLE e (b.iv) inyección scCO2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 12: Transporte de espuma CO2 y estabilidad en el dispositivo microfluídico de litografía UV (4 MPa y 40oC) durante los primeros 20 minutos de generación/aislamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 13: generación de espuma scCO2 en el dispositivo microfluídico SLE (7,72 MPa y 40oC). (a) Condición ambiental sin flujo a través de los microcódulos. (b) Co-inyección deCO2 y fase acuosa (que contiene surfactante o nanopartícula) en condiciones supercríticas. (c) Inicio de la generación de espuma scCO2 0,5 min después del inicio de la coinyección. (d) Espuma scCO2 completamente desarrollada a altas velocidades de flujo (e) reduciendo los caudales de coinyección para revelar los bordes de las multifase. (f) Los caudales profundamente bajos revelan burbujas scCO2 dispersas en la fase acuosa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 14: Visualización de la estabilidad de la espuma en condiciones de depósito (7,72 MPa y 40 oC) durante los primeros 20 minutos de generación/aislamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 15: Análisis de la microestructura de espuma. (a) Imagen del flujo de espuma scCO2 en la red de fracturas, (b) imagen postprocesada con brillo, contraste y nitidez mejorados, (c) imagen binarizada utilizando ImageJ, y (d) perfil de distribución de diámetro de burbuja obtenido de ImageJ, modo de análisis de partículas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 16: Ilustración de la fuente de luz UV colimada interna. (a) Fotografía y (b) un esquema de soporte de luz UV de laboratorio que contiene fuentes de luz LED y una etapa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 17: Gráfica codificada por colores de intensidad UV en un área de 10 x 10 cm2 de la etapa donde se coloca el sustrato para la exposición UV. Los valores de intensidad UV oscilan entre 4 y 5 mW/cm2 según lo registrado con un medidor UV. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Este trabajo presenta un protocolo relacionado con una plataforma de fabricación para crear dispositivos microfluídicos de vidrio robustos y de alta presión. El protocolo presentado en este trabajo alivia la necesidad de una sala limpia realizando varios de los pasos finales de fabricación dentro de una guantera. Se recomienda el uso de una sala limpia, si está disponible, para minimizar el potencial de contaminación. Además, la elección del grabador debe basarse en la rugosidad de la superficie deseada. El uso de una mezcla de HF y HCl como el etchant tiende a reducir la rugosidad de la superficie30. Este trabajo se refiere a las plataformas microfluídicas que permiten la visualización directa e in situ del transporte de fluidos complejos en medios permeables complejos que representan fielmente las complejas estructuras de los medios subsuperficiales de interés. Como tal, este trabajo utiliza un etchant almacenado en búfer que permite el estudio de la transferencia de masa y el transporte en medios suplentes que se asemejan a medios geológicos permeables.
Diseño de patrones
Los patrones se crean utilizando un software de diseño asistido por ordenador (Tabla de materiales) y las características están destinadas a representar hechos y microgries para estudiar el transporte y la estabilidad de la espuma (ver Figura 1). Estos patrones pueden imprimirse en una película transparente de alto contraste, a base de poliéster, o en una placa de borofloat o cuarzo (fotomask). Los patrones utilizados en la fotolitografía comprenden un canal principal, de 127 m de ancho y 2,2 cm de longitud, que sirve como la fractura principal. Este canal está conectado a una matriz de microfracturas con varias dimensiones, o un medio permeable que consiste en una matriz de postes circulares, con diámetros de 300 m, que están conectados a la mitad de la trayectoria de la fractura. En el diseño se pueden incluir puertos auxiliares adicionales para ayudar con la saturación inicial de las características principales, por ejemplo, fracturas.
Fotorresista
Este trabajo utiliza un fotorresista positivo. Como resultado, las áreas en el diseño que corresponden a características que están destinadas a ser grabadas en el sustrato son ópticamente transparentes y las otras áreas obstruyen la transmisión de luz (luz UV colimada). En el caso de un fotorresista negativo, la situación sería la opuesta: las áreas del diseño que correspondan a las características que se pretenden grabar en el sustrato deberán ser ópticamente no transparentes.
Fuente de luz UV
Los patrones se transfieren al fotorresistir alterando su solubilidad como resultado de su exposición a la luz UV. Una lámpara de vapor de mercurio de espectro completo puede servir como fuente UV. El uso de una fuente UV colimada de banda estrecha, sin embargo, mejora significativamente la calidad y precisión de la fabricación. Este trabajo utiliza un fotorresistir con sensibilidad máxima a 365 nm, una fuente UV colimada que consiste en una matriz de diodos emisores de luz (LED), y un tiempo de exposición de aproximadamente 150 s. Esta fuente UV es una fuente interna desarrollada y ofrece una fuente de luz UV colimada de bajo mantenimiento y baja divergencia para la litografía. La fuente UV consta de una matriz cuadrada de nueve LED de alta potencia con una longitud de onda de emisión máxima objetivo de 365 nm a 25 oC (3,45 mm x 3,45 mm LED UV con sustrato cerámico— ver Tabla de materiales). Se utiliza una lente UV de recogida de luz (lente UV LED de 5 W – ver Tabla de materiales) en cada LED para reducir la divergencia de 70 a 12o. La divergencia se reduce aún más (5o) mediante el uso de una matriz de 3 x 3 de nueve lentes de fresnel de policloruro de poliéster (PVC). La configuración produce radiación UV colimada y uniforme sobre un área cuadrada de 3,5 pulgadas. Los detalles de la fabricación de esta fuente de luz de bajo coste para litografía UV se adaptan del método presentado por Erickstad y los colaboradores25 con pequeñas modificaciones15,26. La Figura 16 ilustra la fuente de luz UV LED montada en el celling del soporte UV junto con el escenario en la parte inferior para la exposición UV del sustrato (el procedimiento se realiza en un cuarto oscuro). La etapa UV se coloca a 82,55 cm de las nueve lentes Fresnel que se montan en un bastidor de 13,46 cm por debajo del bastidor que alberga los LED. Como se ve en la Figura 16a,hay cuatro ventiladores pequeños (40 mm x 40 mm x 10 mm 12 V DC Refrigeraing Fan—ver Tabla de Materiales) en la parte inferior de la placa que alberga los LED y hay un ventilador más grande (120 mm x 38 mm 24 V Ventilador de refrigeración de CC—ver Tabla de Materiales) en la parte superior. Se utilizan tres fuentes de alimentación de CC variables(Tabla de materiales)para alimentar los LED. Una fuente de alimentación alimenta el LED central a 0,15 A, 3,3 V; una fuente de alimentación alimenta los cuatro LED de esquina a 0,6 A, 14,2 V; y una fuente de alimentación alimenta los cuatro LED restantes a 0,3 A, 13,7 V. El escenario, que se muestra esquemáticamente en la Figura 16b,se divide en subá zonasde 1 cm 2 y la intensidad de la luz UV se mide en cada una utilizando un medidor de potencia UV(Tabla de Materiales)que está equipado con un conjunto de nica de 2 W 365 nm. En promedio, la luz UV tiene una resistencia media de 4,95 mW/cm2 con una variabilidad caracterizada por una desviación estándar de 0,61 mW/cm2. La Figura 17 presenta una gráfica codificada por colores de mapa de intensidad UV para esta fuente de luz UV. La intensidad sobre la región de 10 cm 10 cm es relativamente uniforme con valores que van de 4 a 5 mW/cm2 en el centro de la etapa donde se coloca el sustrato y se expone a la luz. Para obtener más información sobre el desarrollo de la fuente interna de luz UV colimada, consulte ESI, Archivo suplementario 1: Figura S3, S4. El uso de la fuente UV puede combinarse con escudos/cubiertas de bloqueo UV para su uso seguro. Las medidas de seguridad adicionales pueden incluir el uso de gafas de seguridad UV (Laser Eye Protection Safety Glasses for Red and UV Lasers – (190–400 nm)), protectores faciales marcados con el término Z87 que cumple con el estándar ANSI (certificación ANSI Z87.1-1989 UV) para proporcionar protección UV básica (Tabla de Materiales)capas de laboratorio y guantes para minimizar la exposición.
Técnicas de fabricación
Este trabajo también presenta una hoja de ruta paso a paso para la inyección de espuma de alta presión en dispositivos microfluídicos de vidrio fabricado utilizando una cámara de alta resolución y una fuente de iluminación. Ejemplos de microestructura de espuma CO2 y scCO2 y transporte en dispositivos microfluídicos también se presentan con relevancia para formaciones fracturadas y ultraaficionadas. La observación directa del transporte en estos medios del subsuelo es una tarea difícil. Como tal, los dispositivos descritos en este trabajo proporcionan una plataforma habilitadora para estudiar el transporte en medios permeables en condiciones de temperatura y presión que son relevantes para aplicaciones del subsuelo como medios fracturados, procesos EOR y remediación de acuíferos.
Los dispositivos utilizados en este trabajo se fabrican utilizando dos técnicas diferentes, a saber, la fotolitografía/el grabado húmedo/la unión térmica y el LES. La técnica de fotolitografía/grabado húmedo/enlace térmico comprende un proceso de grabado relativamente de bajo costo utilizando una fuente de luz UV colimada de bajo mantenimiento. SLE se ejecuta utilizando una fuente láser femto-segundo seguida de la eliminación de vidrio modificado del granel de vidrio a través de grabado en húmedo. Los principales pasos involucrados en la técnica de fotolitografía/grabado húmedo/enlace térmico incluyen: (i) creación del mapa de la red de canales, (ii) imprimir el diseño en película de transparencia basada en poliéster o un sustrato de vidrio, (iii) transferir el patrón a un sustrato de borosilicato recubierto de cromo/fotorresista, (iv) la eliminación del área expuesta por soluciones de fotodeportador y cromo grabado, (v) grabar el área estancada del sustrato de borosilicato a la profundidad deseada, (vi) preparar una placa de cubierta con orificios de entrada colocados en lugares apropiados, y (vii) unión térmica del sustrato grabado y la placa de cubierta. Por el contrario, SLE emplea un proceso de dos pasos: (i) impresión selectiva inducida por láser en un sustrato de sílice fusionado transparente, y (ii) eliminación selectiva de los materiales modificados a través de grabado químico húmedo que conduce al desarrollo de características tridimensionales en el sustrato de sílice fusionada. En el primer paso, la radiación láser a través del vidrio de sílice fusionada modifica internamente el volumen del vidrio para aumentar la capacidad de grabado químico/local. El láser enfocado escanea dentro del vidrio para modificar un volumen conectado tridimensional que está conectado a una de las superficies del sustrato.
Ambas técnicas dan como resultado dispositivos química y físicamente resistentes y tolerantes a las condiciones de alta presión y temperatura que corresponden a los sistemas de interés del subsuelo. Ambas técnicas proporcionan vías para crear microcanales grabados de alta precisión y dispositivos de laboratorio en un chip capaces. La técnica de fotolitografía/grabado húmedo/vinculación térmica es robusta en términos de geometría de los canales y puede utilizarse para grabar redes de canales complejas, mientras que SLE se limita a redes relativamente simples debido a razones prácticas. Por otro lado, los dispositivos fabricados con fotolitografía/grabado en húmedo/enlace térmico pueden ser más vulnerables a la rotura debido a imperfecciones de unión, tensiones térmicas residuales de las tasas de calentamiento/enfriamiento rápidos durante la unión térmica y defectos estructurales del proceso de grabado en húmedo. A diferencia de la fotolitografía, los dispositivos SLE parecen más resistentes bajo altas presiones (probados hasta 9,65 MPa). Independientemente de la técnica de fabricación, las tasas de acumulación de presión rápida pueden aumentar la posibilidad de fallas mecánicas en dispositivos microfluídicos.
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Disclosures
Los autores no declaran conflictos de intereses y divulgaciones.
Acknowledgments
Los autores de la Universidad de Wyoming agradecen su apoyo como parte del Centro de Control Mecánico de Las Interacciones Agua-Hidrocarburo-Roca en Formaciones Petroleras No Convencionales y Estrechas (CMC-UF), un Centro de Investigación de la Frontera Energética financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, Oficina de Ciencias bajo el Premio DOE (BES) DE-SC0019165. Los autores de la Universidad de Kansas desean reconocer el Programa de Mejoramiento de la Infraestructura de Investigación EPSCoR de la Fundación Nacional de Ciencias: Premio de Colaboración EPSCoR Centrado en track -2 (OIA- 1632892) por la financiación de este proyecto. Los autores también extienden su agradecimiento a Jindi Sun del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Wyoming por su generosa ayuda en la formación de instrumentos. EAS agradece a Kyle Winkelman de la Universidad de Wyoming por su ayuda en la construcción de los soportes de imagen y UV. Por último, pero no menos importante, los autores agradecen a John Wasserbauer de microGlass, LLC por discusiones útiles con respecto a la técnica SLE.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1/4” bolts and nuts | For fabrication of the metallic plates to sandwich the glass chip between them for thermal bonding | ||
| 3.45 x 3.45 mm UV LED | Kingbright | To emitt LED light | |
| 3D measuring Laser microscope | OLYMPUS | LEXT OLS4000 | To measure channel depths |
| 40 mm x 40 mm x 10 mm 12V DC Cooling Fan | Uxcell | To cool the UV LED lights | |
| 120 mm x 38 mm 24V DC Cooling Fan | Uxcell | To cool the UV LED lights | |
| 5 ml (6 ml) NORM-JECT Syringe | HENKE SASS WOLF | Lot #16M14CB | To rinse the chip before each experiment |
| Acetone (Certified ACS) | Fisher Chemical | Lot #177121 | For cleaning |
| Acid/ corossion resistive tweezer | TED PELLA | To handle the glass piece in corosive solutions | |
| Acid/solvent resistance tweezers | TED PELLA, INC | #53009 and #53010 | To handle the glass in corrosive solutions |
| Alloy X | AMERICAN SPECIAL METALS | Heat Number: ZZ7571XG11 | Thermal bonding |
| Ammonium hydroxide (ACS reagent) | Sigma Aldrich | Lot #SHBG9007V | To clean the chip at the end of process |
| AutoCAD | Autodesk, San Rafael, CA | To design 2D patterns and 3D chips | |
| BD Etchant for PSG-SiO2 systems | TRANSENE | Lot #028934 | An improved buffered etch formulation for delineation of phosphosilica glass – SiO2 (PSG), and borosilica glass – SiO2 (BSG) systems |
| Blank Borofloat substrate | TELIC | CG-HF | Upper substrate for UV etching |
| Borofloat substrate with metalizations | TELIC | PG-HF-LRC-Az1500 | Lower substrate for UV etching |
| Capture One photo editing software | Phase One | To Capture/Edit/Convert the pictures taken by Phase One Camera | |
| Capture station | DT Scientific | DT Versa | To place of the chip in the field of view of the camera |
| Carbon dioxide gas (Grade E) | PRAXAIR | UN 1013, CAS Number 124-38-9 | non-aqeous portion of foam |
| Chromium etchant 1020 | TRANSENE | Lot #025433 | High-purity ceric ammonium nitrate systems for precise, clean etching of chromium and chromium oxide films. |
| Circulating baths with digital temperature controller | PolyScience | To control the brine and CO2 temperatures | |
| Computer | NVIDIA Tesla K20 Graphic Card - 706 MHz Core - 5 GB GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16 | To process and visualize the images obtained via the Phase One camera | |
| Custom made high pressure glass chip holder | To tightly hold the chip and its connections for high pressure testing | ||
| Cutrain (Custom) | To protect against UV/IR Radiations | ||
| Deionized water (DI) | For cleaning | ||
| Digital camera with monochromatic 60 MP sensor | Phase One | IQ260 | Visualization system |
| Ethanol, Anhydrous, USP Specs | DECON LABORATORIES, INC. | Lot #A12291505J, CAS# 64-17-5 | For cleaning |
| Facepiece reusable respirator | 3M | 6502QL, Gases, Vapors, Dust, Medium | To protect against volatile solution inhalation |
| Fused Silica (UV Grade) wafer | SIEGERT WAFER | UV grade | Glass precursor for SLE printing |
| GIMP | Open-source image processing software | To characterize image texture and properties | |
| Glovebox (vinyl anaerobic chamber) | Coy | To provide a clean, dust-free environment | |
| Heated ultrasonic cleaning bath | Fisher Scientific | To accelerate the etching process | |
| Hexamethyldisilazane (HMDS) Cleanroom® MB | KMG | 62115 | Primer for photoresist coating |
| Hose (PEEK tubing) | IDEX HEALTH & SCIENCE | Natural 1/16" OD x .010" ID x 5ft, Part # 1531 | Flow connections |
| Hydrochloric acid, certified ACS plus | Fisher Chemical | Lot # 187244 | Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol |
| Hydrogen Peroxide | Fisher Chemical | H325-500 | Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol |
| ImageJ | NIH | To characterize image texture and properties | |
| ISCO syringe pump | TELEDYNE ISCO | D-SERIES (100DM, 500D) | To pump the fluids |
| Kaiser LED light box | Kaiser | To illuminate the chip | |
| Laser printing machine | LightFab GmbH, Germany. | FILL | Glass-SLE chip fabrication |
| Laser safety glasses | FreeMascot | B07PPZHNX4 | To protect against UV/IR Radiations |
| LED Engin 5W UV Lens | LEDiL | To emitt LED light | |
| Light Fab 3D Printer (femtosecond laser) | Light Fab | To selectively laser Etch of fused silica | |
| LightFab 3D printer | LightFab GmbH, Germany | To SLE print the fused silica chips | |
| MATLAB | MathWorks, Inc., Natick, MA | Image processing | |
| Metallic plates | |||
| Micro abrasive sand blasters (Problast 2) | VANIMAN | Problast 2 – 80007 | To craete holes in cover plates |
| MICROPOSIT 351 developer | Dow | 10016652 | Photoresist developer solution |
| Muffle furnace | Thermo Scientific | Thermolyne Type 1500 | Thermal bonding |
| N2 pure research grade | Airgas | Research Plus - NI RP300 | For drying the chips in each step |
| NMP semiconductor grade - 0.1μm Filtered | Ultra Pure Solutions, Inc | Lot #02191502T | Organic solvent |
| Oven | Gravity Convection Oven | 18EG | |
| Phase One IQ260 with an achromatic sensor | Phase One | IQ260 | To visulize transport in microfluidic devices using an ISO 200 setting and an aperture at f/8. |
| Photomask | Fine Line Imaging | 20,320 DPI FILM | Pattern of channels |
| Photoresist (SU-8) | MICRO CHEM | Product item: Y0201004000L1PE, Lot Number: 18110975 | Photoresist |
| Polarized light microscope | OLYMPUS | BX51 | Visual examination of micro channels |
| Ports (NanoPort Assembly) | IDEX HEALTH & SCIENCE | NanoPort Assembly Headless, 10-32 Coned, for 1/16" OD, Part # N-333 | Connections to the chip |
| Python | Python Software Foundation | Image processing | |
| Safety face shield | Sellstrom | S32251 | To protect against UV/IR Radiations |
| Sealing film (Parafilm) | Bemis Company, Inc | Isolation of containers | |
| Shutter Control Software | Schneider-Kreuznach | To adjust shutter settings | |
| Smooth ceramic plates | Thermal bonding | ||
| Stirring hot plate | Corning® | PC-620D | To heat the solutions |
| Sulfuric acid, ACS reagent 95.0-98.0% | Sigma Aldrich | Lot # SHBK0108 | Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol |
| Syringe pump (Standard Infuse/Withdraw PHD ULTRA) | Harvard Apparatus | 70-3006 | To saturate the chip before each experiment |
| Torque wrench | Snap-on | TE25A-34190 | To tighten the screws |
| UV power meter | Optical Associates, Incorporated | Model 308 | To measure the intesity of UV light |
| UV power meter | Optical Associates, Incorporated | Model 308 | To quantify the strength of UV light |
| UV radiation stand (LED lights) | To transfer the pattern to glass (photoresist layer) | ||
| Vaccum pump | WELCH VACCUM TECHNOLOGY, INC | 1380 | To dry the chip |
| Variable DC power supplies | Eventek | KPS305D | To power the UV LED lights |
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