破碎非常规储层微尺度超临界CO泡沫运输的_高压 试验微流体制造技术

水力压裂已经使用相当长一段时间，作为刺激流量的手段，特别是在紧密地层^1。水力压裂所需的大量水与环境因素、供水问题^2、地层损伤^3、成本⁴和地震影响^5。因此，人们对替代压裂方法（如无水压裂和使用泡沫）的兴趣正在上升。替代方法可提供重要好处，^{如减少用水6，与水}敏感地^{层7相容，最小至无堵塞地层8，}压裂液^9，可回收^性10，易于清理和支撑承载^能力6。CO₂泡沫是一种潜在的无水压裂液，与传统压裂技术^{6、7、11相比，}有助于提高石油液体的高效生产，提高地下_CO2的储存能力，其环境足迹可能^更小。

在最佳条件下，超临界_CO2泡沫（SCCO₂泡沫）在压力超过给定储层的最低杂容压力（MMP）提供一个多接触杂误系统，能够直接流入层层中渗透性较低的部分，从而提高清扫效率和^{资源回收12，13。}scCO₂提供扩散和液体等^{气体密度 14，}非常适合地下应用，如石油回收和碳捕获、利用和储存 （CCUS）¹³。地下泡沫成分的存在有助于减少CO2¹⁵长期储存_中泄漏的风险。此外，scCO₂泡沫系统的耦合压缩热冲击效应可作为有效的压裂系统¹¹。CO2_泡沫系统在地下应用中的特性已在各种尺度上进行了广泛的研究，例如砂包系统中其稳定性和粘度的特性，以及它在位移工艺^{3、6、12、15、16、17中的有效性}。断裂水平泡沫动力学及其与多孔介质的相互作用与在紧密和断裂地层中使用泡沫直接相关的方面较少。

微流体平台可直接可视化和量化相关的微尺度过程。这些平台提供对流体动力学和化学反应的实时控制，以研究孔径尺度现象以及回收考虑¹.泡沫的生成、传播、运输和动力学可以在模拟断裂系统和与从紧密地层中回收石油有关的断裂-微裂纹-基质导流通路中可视化。断裂和矩阵之间的流体交换根据几何体直接表示¹⁸从而强调简单化和现实性表现的重要性。多年来，已经开发了一些相关的微流体平台，以研究各种过程。例如，Tigglaar 和同事讨论玻璃微反应器设备的制造和高压测试，通过光纤的平面连接来测试通过连接到微反应器的玻璃毛细管的流量¹⁹.他们提出了与粘结检查、压力测试和现场反应监测相关的发现。 ¹H NMR 光谱。因此，对于相对较大的喷射率、用于渗透介质中复杂流体原位可视化的多相流体预生成系统而言，其平台可能并不尽如人意。Marre 和同事讨论了使用玻璃微反应器来研究高压化学和超临界流体过程的问题²⁰.它们包括作为应力分布的有限元模拟的结果，以探索负载下模块化器件的机械性能。它们使用非超前模块化连接进行可互换的微反应器制造，硅/Pyrex微流体器件不透明;这些设备适用于化学反应工程中运动学研究、合成和生产，其中可视化不是主要问题。缺乏透明度使得这个平台不适合在代理介质中直接、就地可视化复杂流体。Paydar 和同事提出了一种使用 3D 打印构建模块化微流体原型的新方法²¹.这种方法似乎不适合高压应用，因为它使用光治聚合物，并且器件只能承受高达 0.4 MPa。文献中报告与破碎系统运输有关的大多数微流体实验研究侧重于环境温度和相对低压条件¹.有几项研究侧重于直接观测模拟地下条件的微流体系统。例如，Jimenez-Martinez 和同事介绍了关于复杂裂缝和矩阵网络中关键孔径尺度流动和传输机制的两项研究^22,23.作者在储层条件下（8.3 MPa和45°C）使用微流体研究三相系统，以提高生产效率;他们评估斯科₂ 用于重新刺激， 其中从以前的压裂剩余的盐水是不可混杂的 Co₂ 和残余碳氢化合物²³.油湿硅微流体器件与油-盐水-scCO的混合相关₂ 在增强型石油回收 （EOR） 应用中;然而，这项工作并不直接涉及骨折的孔径尺度动力学。另一个例子是 Rognmo 等人的工作， 他研究高压的升级方法， 原位 Co₂ 泡沫生成²⁴.文献中大多数利用微制造的报告都涉及 CO₂-EOR 和它们通常不包括重要的制造细节。据作者所知，文献中目前缺少了用于制造用于断裂地层高压装置的系统协议。

这项工作提供了一个微流体平台，能够研究scCO_{2泡沫结构}，气泡形状，大小和分布，在存在油的层压稳定性为EOR和水力压裂和含水层补救应用。讨论了使用光学光刻和选择性激光诱导蚀刻29（SLE）的微流体器件的设计和制造。此外，本文还描述了旨在模拟断裂紧密地层中流体的传输的断裂模式。模拟路径的范围可能从简化的模式到基于断层扫描数据的复杂微裂纹，或者提供真实裂缝几何信息的其他方法。该协议描述了使用光刻、湿蚀和热粘结的玻璃微流体器件的分步制造说明。内部开发的准直紫（UV）光源用于将所需的几何图案转移到薄薄的光刻层上，最终使用湿蚀工艺将其传输到玻璃基板。作为质量保证的一部分，蚀刻图案的特点是使用共和显微镜。作为光刻/湿蚀的替代方案，采用SLE技术创建微流体器件，并介绍了平台的比较分析。流量实验的设置包括气瓶和泵、压力控制器和传感器、流体混合器和蓄能器、微流体装置、高压不锈钢支架以及高分辨率摄像机和照明系统。最后，介绍了流量实验的代表性观测样本。