Techniques de fabrication microfluidiques pour l’essai à haute pression du transport supercritique de mousse de CO₂ à micro-échelle dans les réservoirs non conventionnels fracturés

La fracturation hydraulique est utilisée depuis un certain temps comme moyen de stimuler l’écoulement, en particulier dans les formations serrées¹. De grandes quantités d’eau nécessaires à la fracturation hydraulique sont aggravées par des facteurs environnementaux, des problèmes de disponibilité^{de l’eau 2,}des dommages à la formation^{3,un coût 4} et des effets^{sismiques 5}. Par conséquent, l’intérêt pour d’autres méthodes de fracturation comme la fracturation sans eau et l’utilisation de mousses est à la hausse. Les méthodes alternatives peuvent fournir des avantages importants tels que la réduction de l’utilisation^{de l’eau 6,}la compatibilité avec les formations sensibles à^{l’eau 7,}minimal à aucun branchement de la formation⁸, la viscosité apparente élevée des fluides de fracturation⁹, la recyclabilité¹⁰, la facilité de nettoyage et la capacité de transport proppant⁶. La mousse de CO₂ est un fluide de fracturation sans eau potentiel qui contribue à une production plus efficace de fluides pétroliers et à l’amélioration des_{capacités de} stockage du CO 2 dans le sous-sol avec une empreinte environnementale potentiellement plus faible par rapport aux techniques conventionnelles de^{fracturation 6,7,11}.

Dans des conditions optimales, la mousse supercritique de CO₂ (mousse scCO₂₎ à des pressions supérieures à la pression minimale de miscibilité (MMP) d’un réservoir donné fournit un système miscible multi-contact capable de diriger le flux dans des parties moins perméables de la formation, améliorant ainsi l’efficacité du balayage et la récupération des^{ressources 12,13}. scCO_{2 fournit} du gaz comme la diffusivité et le liquide comme la densité¹⁴ et est bien adapté aux applications souterraines, telles que la récupération du pétrole et le captage, l’utilisation et le stockage du carbone (CCUS)¹³. La présence des constituants de mousse dans le sous-sol contribue à réduire le risque de fuite dans le stockage à long terme du CO₂^15. En outre, les effets de choc couplé-compressibilité-thermique des systèmes de mousse scCO₂ peuvent servir de systèmes de fracturation^{efficaces 11}. Les propriétés des systèmes de mousse de CO₂ pour les applications souterraines ont été étudiées en profondeur à différentes échelles, telles que la caractérisation de sa stabilité et de sa viscosité dans les systèmes de sacs de sable et son efficacité dans les processus de^{déplacement 3,6,12,15,16,17}. La dynamique de mousse de niveau de fracture et ses interactions avec les médias poreux sont des aspects moins étudiés qui sont directement pertinents à l’utilisation de la mousse dans les formations serrées et fracturées.

Les plateformes microfluidiques permettent la visualisation directe et la quantification des processus microscaliques pertinents. Ces plates-formes assurent un contrôle en temps réel de l’hydrodynamique et des réactions chimiques pour étudier les phénomènes à l’échelle poreuse aux côtés de considérations de récupération¹. La production, la propagation, le transport et la dynamique de mousse peuvent être visualisés dans les dispositifs microfluidiques imitant les systèmes fracturés et les voies conductrices de fracture-microcrack-matrice pertinentes à la récupération d’huile des formations serrées. L’échange de fluides entre fracture et matrice s’exprime directement en fonction de la géométrie¹⁸, soulignant ainsi l’importance de représentations simplistes et réalistes. Un certain nombre de plateformes microfluidiques pertinentes ont été développées au fil des ans pour étudier divers processus. Par exemple, Tigglaar et ses collègues discutent de la fabrication et des essais à haute pression des dispositifs microréacteurs en verre par le biais d’une connexion en plan de fibres pour tester le flux à travers des capillaires de verre reliés aux microréacteurs¹⁹. Ils présentent leurs conclusions relatives à l’inspection des liaisons, aux tests de pression et à la surveillance des réactions in situ ¹Spectroscopie H NMR. En tant que tel, leur plate-forme peut ne pas être optimale pour des taux d’injection relativement élevés, la pré-génération de systèmes de fluides multiphases pour la visualisation in situ de fluides complexes dans les médias perméables. Marre et ses collègues discutent de l’utilisation d’un microréacteur en verre pour étudier la chimie à haute pression et les processus des fluides supercritiques²⁰. Ils comprennent les résultats comme une simulation d’élément fini de la distribution du stress pour explorer le comportement mécanique des dispositifs modulaires sous la charge. Ils utilisent des connexions modulaires non transparentes pour la fabrication interchangeable de microréacteurs, et les dispositifs microfluidiques silicium/Pyrex ne sont pas transparents; ces dispositifs conviennent à l’étude cinétique, à la synthèse et à la production en génie des réactions chimiques lorsque la visualisation n’est pas une préoccupation majeure. Le manque de transparence rend cette plate-forme impropre à la visualisation directe et in situ de fluides complexes dans les supports de substitution. Paydar et ses collègues présentent une nouvelle façon de prototyper des microfluidiques modulaires à l’aide de l’impression 3D²¹. Cette approche ne semble pas bien adaptée aux applications à haute pression puisqu’elle utilise un polymère photocurable et que les appareils ne résistent qu’à 0,4 MPa. La plupart des études expérimentales microfluidiques liées au transport dans les systèmes fracturés rapportées dans la littérature portent sur la température ambiante et les conditions de pression relativement basse¹. Il y a eu plusieurs études axées sur l’observation directe des systèmes microfluidiques qui imitent les conditions souterraines. Par exemple, Jimenez-Martinez et ses collègues introduisent deux études sur les mécanismes critiques de flux et de transport à l’échelle des pores dans un réseau complexe de fractures et de matrices.^22,23. Les auteurs étudient des systèmes en trois phases utilisant des microfluidiques dans des conditions de réservoir (8,3 MPa et 45 °C) pour l’efficacité de la production; ils évaluent scCO₂ pour la restimulation lorsque les restes de saumure provenant d’une fracturation antérieure sont₂ et l’hydrocarbure résiduel²³. Les dispositifs microfluidiques de silicium humide à l’huile ont un rapport avec le mélange huile-saumure-scCO₂ dans les applications de récupération améliorée du pétrole (EOR); toutefois, ces travaux ne traitent pas directement de la dynamique à l’échelle poreuse dans les fractures. Un autre exemple est le travail de Rognmo et coll. qui étudient une approche haut de gamme pour les₂ génération de mousse²⁴. La plupart des rapports de la littérature qui tirent parti de la microfabrication₂-EOR et ils n’incluent souvent pas les détails importants de fabrication. Au meilleur de la connaissance des auteurs, un protocole systématique pour la fabrication de dispositifs capables à haute pression pour les formations fracturées est actuellement absent de la littérature.

Ce travail présente une plate-forme microfluidique qui permet l’étude des structures en mousse scCO_2, des formes de bulles, des tailles et de la distribution, de la stabilité de la lamella en présence d’huile pour les applications de fracturation hydraulique et d’assainissement des aquifères. La conception et la fabrication d’appareils microfluidiques utilisant la lithographie optique et l’gravure sélective induite par laser²⁹ (SLE) sont discutées. En outre, ces travaux décrivent les modèles de fracture qui sont destinés à simuler le transport de fluides dans des formations serrées fracturées. Les voies simulées peuvent aller de modèles simplifiés à des microfissages complexes basés sur des données de tomographie ou d’autres méthodes qui fournissent des informations sur les géométries réalistes des fractures. Le protocole décrit les instructions de fabrication étape par étape pour les dispositifs microfluidiques en verre à l’aide de photolithographie, de gravure humide et de liaison thermique. Une source lumineuse ultra-violette (UV) collimée développée à l’interne est utilisée pour transférer les motifs géométriques désirés sur une mince couche de photorésistance, qui est finalement transférée sur le substrat de verre à l’aide d’un procédé de gravure humide. Dans le cadre de l’assurance de la qualité, les motifs gravés sont caractérisés à l’aide de microscopie confoccale. Comme alternative à la photolithographie/gravure humide, une technique SLE est utilisée pour créer un dispositif microfluidique et une analyse comparative des plates-formes est présentée. La configuration des expériences de débit comprend des bouteilles et des pompes à gaz, des contrôleurs de pression et des transducteurs, des mélangeurs et accumulateurs de fluides, des dispositifs microfluidiques, des supports en acier inoxydable performants à haute pression ainsi qu’une caméra haute résolution et un système d’éclairage. Enfin, des échantillons représentatifs d’observations provenant d’expériences de flux sont présentés.