Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO 2 Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO 2 Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO₂ Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs Microflu

Hydraulische breuken wordt al geruime tijd gebruikt als middel om de doorstroming te stimuleren, vooral in strakke formaties¹. Grote hoeveelheden water die nodig zijn bij hydraulische breuken worden verergerd met omgevingsfactoren, waterbeschikbaarheidsproblemen², vormingsschade³, kosten⁴ en seismische effecten⁵. Als gevolg hiervan neemt de interesse in alternatieve breekmethoden zoals waterloze breuken en het gebruik van schuimen toe. Alternatieve methoden kunnen belangrijke voordelen opleveren, zoals vermindering van het watergebruik⁶, compatibiliteit met watergevoelige formaties⁷, minimaal tot geen pluging van de formatie⁸, hoge zichtbare viscositeit van de brekende vloeistoffen⁹, recycleerbaarheid¹⁰, gemak van sanering en proppant draagvermogen⁶. CO_2-schuim is een potentiële waterloze breekvloeistof die bijdraagt aan een efficiëntere productie van aardolievloeistoffen en verbeterde CO_{2-opslagcapaciteiten} in de ondergrond met een potentieel kleinere ecologische voetafdruk in vergelijking met conventionele breektechnieken^6,7,11.

Onder optimale omstandigheden biedt superkritisch CO_2-schuim (scCO_2-schuim) bij druk boven de minimale miscibilitydruk (MMP) van een bepaald reservoir een multi-contact miscible systeem dat in staat is om direct in minder doorlatende delen van de formatie te stromen, waardoor de efficiëntie van de sweep en het herstel van de hulpbronnen^12,13wordt verbeterd . scCO₂ levert gas zoals diffusiviteit en vloeistofachtige^{dichtheid 14} en is zeer geschikt voor ondergrondse toepassingen, zoals olieterugwinning en koolstofafvang, gebruik en opslag (CCUS)¹³. De aanwezigheid van de bestanddelen van schuim in de ondergrond helpt het risico op lekkage bij langdurige opslag van CO₂¹⁵te verminderen . Bovendien kunnen gekoppelde compressibiliteits-thermische schokeffecten van scCO_{2-schuimsystemen} dienen als effectieve breeksystemen¹¹. De eigenschappen van CO_{2-schuimsystemen} voor ondergrondse toepassingen zijn op verschillende schalen uitgebreid bestudeerd, zoals de karakterisering van de stabiliteit en viscositeit in zandverpakkingssystemen en de effectiviteit ervan in verplaatsingsprocessen^{3,6,12,15,16,17}. Fractuurniveau schuim dynamiek en de interacties met poreuze media zijn minder bestudeerde aspecten die direct relevant zijn voor het gebruik van schuim in strakke en gebroken formaties.

Microfluïde platforms maken directe visualisatie en kwantificering van de relevante microschaalprocessen mogelijk. Deze platforms bieden real-time controle van de hydrodynamica en chemische reacties om porie-schaal verschijnselen te bestuderen naast hersteloverwegingen¹. Schuimgeneratie, voortplanting, transport en dynamiek kunnen worden gevisualiseerd in microfluïde apparaten die gebroken systemen en breukmicrocrack-matrix geleidende paden emuleren die relevant zijn voor olieterugwinning van strakke formaties. Vloeistofuitwisseling tussen breuk en matrix wordt direct uitgedrukt in overeenstemming met de geometrie¹⁸, waarbij het belang van simplistische en realistische voorstellingen wordt benadrukt. In de loop der jaren zijn een aantal relevante microfluidic platforms ontwikkeld om verschillende processen te bestuderen. Tigglaar en collega’s bespreken bijvoorbeeld fabricage- en hogedruktesten van glazen microreactorapparaten door middel van in-plane verbinding van vezels om de stroom door glasvaten die zijn aangesloten op de microreactoren te testen¹⁹. Zij presenteren hun bevindingen met betrekking tot obligatie-inspectie, druktests en in-situ reactiemonitoring door ¹H NMR spectroscopie. Als zodanig kan hun platform niet optimaal zijn voor relatief grote injectiesnelheden, pre-generatie van multifase vloeistofsystemen voor in situ visualisatie van complexe vloeistoffen in doorlatende media. Marre en collega’s bespreken het gebruik van een glazen microreactor om hogedrukchemie en superkritische vloeistofprocessen te onderzoeken²⁰. Ze omvatten resultaten als een eindige-element simulatie van stress distributie om het mechanische gedrag van modulaire apparaten onder de belasting te verkennen. Ze maken gebruik van niet-permanent modulaire verbindingen voor verwisselbare microreactor fabricage, en de silicium / Pyrex microfluïde apparaten zijn niet transparant; deze apparaten zijn geschikt voor kinematische studie, synthese en productie in chemische reactietechniek waar visualisatie geen primaire zorg is. Het gebrek aan transparantie maakt dit platform ongeschikt voor directe, in situ visualisatie van complexe vloeistoffen in surrogaatmedia. Paydar en collega’s presenteren een nieuwe manier om modulaire microfluidics prototype met behulp van 3D-printen²¹. Deze aanpak lijkt niet geschikt voor hogedruktoepassingen, omdat het gebruik maakt van een fotogene polymeer en de apparaten in staat zijn om slechts bestand te zijn tegen maximaal 0,4 MPa. De meeste microfluïde experimentele studies met betrekking tot het vervoer in gebroken systemen die in de literatuur worden gerapporteerd, richten zich op omgevingstemperatuur en relatief lagedrukomstandigheden¹. Er zijn verschillende studies geweest met een focus op directe observatie van microfluïde systemen die ondergrondse omstandigheden nabootsen. Zo introduceren Jimenez-Martinez en collega’s twee studies over kritische porieschaalstroom- en transportmechanismen in een complex netwerk van breuken en matrixen^22,23. De auteurs bestuderen driefasensystemen die microfluidica gebruiken onder reservoiromstandigheden (8,3 MPa en 45 °C) voor productie-efficiëntie; zij beoordelen scCO₂ gebruik voor re-stimulatie waar de overgebleven pekel van een eerdere breuk is immiscible met CO₂ en de resterende koolwaterstof²³. Oliewetje siliciummicrofluïde apparaten zijn relevant voor het mengen van olie-pekel-scCO₂ in enhanced oil recovery (EOR)-toepassingen; Dit werk heeft echter niet direct betrekking op de dynamiek van poriënschaal bij breuken. Een ander voorbeeld is werk van Rognmo et al. die een opschaling benadering voor hoge druk, in situ CO bestuderen₂ schuimgeneratie²⁴. De meeste rapporten in de literatuur die gebruik maken van microfabricage zijn betrekking op CO₂-EOR en ze bevatten vaak geen belangrijke fabricagedetails. Voor zover de auteurs weten, ontbreekt momenteel een systematisch protocol voor de fabricage van hogedrukapparatuur voor gebroken formaties in de literatuur.

Dit werk presenteert een microfluïdisch platform dat de studie van scCO₂ schuimstructuren, bellenvormen, maten en distributie, lamellenstabiliteit in aanwezigheid van olie voor EOR en hydraulische breuken en aquifer saneringstoepassingen mogelijk maakt. Het ontwerp en de fabricage van microfluïde apparaten met behulp van optische lithografie en Selectieve Laser-geïnduceerde^{Ets 29} (SLE) worden besproken. Bovendien beschrijft dit werk breukpatronen die bedoeld zijn om het transport van vloeistoffen in gebroken strakke formaties te simuleren. Gesimuleerde trajecten kunnen variëren van vereenvoudigde patronen tot complexe microscheuren op basis van tomografiegegevens of andere methoden die informatie geven over realistische breukgeometrie. Het protocol beschrijft stapsgewijze fabricage-instructies voor glasmicrofluïde apparaten met behulp van fotolithografie, natte ets en thermische hechting. Een in eigen huis ontwikkelde, ingebouwde Ultra-Violet (UV) lichtbron wordt gebruikt om de gewenste geometrische patronen over te brengen op een dunne laag fotoresist, die uiteindelijk met behulp van een nat etsproces naar het glazen substraat wordt overgebracht. Als onderdeel van kwaliteitsborging worden de geëtste patronen gekenmerkt met behulp van confocale microscopie. Als alternatief voor fotolithografie/wet-etsen wordt een SLE-techniek gebruikt om een microfluïdisch apparaat te maken en wordt een vergelijkende analyse van de platforms gepresenteerd. De opstelling voor stroomexperimenten bestaat uit gasflessen en pompen, drukregelaars en transducers, vloeistofmixers en accu’s, microfluïde apparaten, hogedrukbare roestvrijstalen houders samen met een hoge resolutie camera en een verlichtingssysteem. Ten slotte worden representatieve monsters van waarnemingen uit stroomexperimenten gepresenteerd.