Mikrofluidische Fertigungstechniken zur Hochdruckprüfung von mikroskaligen superkritischen_{CO2-Schaumtransporten} in gebrochenen unkonventionellen Reservoirs

Hydraulisches Fracking wird seit geraumer Zeit als Mittel zur Stimulierung des Durchflusses vor allem in engen Formationen¹eingesetzt. Große Wassermengen, die beim hydraulischen Fracking benötigt werden, werden mit Umweltfaktoren, Wasserverfügbarkeitsproblemen^2,Formationsschäden³, Kosten⁴ und seismischen Effekten⁵. Infolgedessen steigt das Interesse an alternativen Fracking-Methoden wie wasserlosem Fracking und der Verwendung von Schaumstoffen. Alternative Methoden können wichtige Vorteile wie Verringerung der Wassernutzung⁶, Kompatibilität mit wasserempfindlichen Formationen⁷, minimale bis keine Verstopfung der Formation⁸, hohe scheinbare Viskosität der Fracking-Flüssigkeiten⁹, Recyclingfähigkeit¹⁰, einfache Reinigung und Proppant Tragefähigkeit⁶. _CO2-Schaum ist eine potentielle wasserlose Fracking-Flüssigkeit, die zu einer effizienteren Produktion von Erdölflüssigkeiten und verbesserten_{CO2-Speicherkapazitäten} im Untergrund mit einem potenziell geringeren ökologischen Fußabdruck im Vergleich zu herkömmlichen Fracking-Techniken^6,7,11beiträgt.

Unter optimalen Bedingungen bietet überkritischer_CO2-Schaum (ScCO_2-Schaum) bei Drücken, die über den minimalen Mischbarkeitsdruck (MMP) eines bestimmten Reservoirs hinausgehen, ein Multikontaktmischsystem, das in der Lage ist, den Durchfluss in weniger durchlässige Teile der Formation zu leiten und so die Sweep-Effizienz und die Rückgewinnung der Ressourcen^12,13zu verbessern. scCO₂ liefert gasähnliche Diffusivität und Flüssigkeit wie Dichte¹⁴ und eignet sich gut für Untergrundanwendungen wie Ölrückgewinnung und Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS)¹³. Das Vorhandensein der Schaumstoffbestandteile im Untergrund trägt dazu bei, das Risiko von Leckagen bei der Langzeitspeicherung von CO₂¹⁵zu reduzieren. Darüber hinaus können gekoppelte Kompressibilitäts-Thermoschockeffekte von scCO_{2-Schaumsystemen} als effektive Fracking-Systeme dienen¹¹. Die Eigenschaften von_{CO2-Schaumsystemen} für Untergrundanwendungen wurden in verschiedenen Maßstäben ausgiebig untersucht, wie z.B. die Charakterisierung seiner Stabilität und Viskosität in Sandpaketsystemen und seiner Wirksamkeit in Verdrängungsprozessen^{3,6,12,15,16,17}. Die Frakturschaumdynamik und ihre Wechselwirkungen mit porösen Medien sind weniger untersuchte Aspekte, die für die Verwendung von Schaum in engen und gebrochenen Formationen unmittelbar relevant sind.

Mikrofluidische Plattformen ermöglichen eine direkte Visualisierung und Quantifizierung der relevanten Mikroskalierungsprozesse. Diese Plattformen bieten Echtzeit-Kontrolle der Hydrodynamik und chemische Reaktionen, um Poren-Skala-Phänomene neben Erholungsüberlegungen zu untersuchen¹. Schaumerzeugung, -ausbreitung, -transport und -dynamik können in mikrofluidischen Geräten visualisiert werden, die gebrochene Systeme und leitfähige Pfade nachahmen, die für die Ölrückgewinnung aus engen Formationen relevant sind. Der Flüssigkeitsaustausch zwischen Fraktur und Matrix wird direkt in Übereinstimmung mit der Geometrie ausgedrückt¹⁸, wobei die Bedeutung vereinfachter und realistischer Darstellungen hervorgehoben wird. Im Laufe der Jahre wurden eine Reihe relevanter mikrofluidischer Plattformen entwickelt, um verschiedene Prozesse zu untersuchen. Tigglaar und Kollegen diskutieren beispielsweise die Herstellung und Hochdruckprüfung von Glasmikroreaktoren durch in-Plane-Verbindung von Fasern, um den Durchfluss durch Glaskapillaren zu testen, die mit den Mikroreaktoren verbunden sind.¹⁹. Sie stellen ihre Ergebnisse im Zusammenhang mit der Bond-Inspektion, den Drucktests und der In-situ-Reaktionsüberwachung durch ¹H NMR-Spektroskopie. Daher ist ihre Plattform möglicherweise nicht optimal für relativ große Injektionsraten, die Vorerzeugung von Mehrphasen-Flüssigkeitssystemen zur In-situ-Visualisierung komplexer Flüssigkeiten in durchlässigen Medien. Marre und Kollegen diskutieren den Einsatz eines Glasmikroreaktors zur Untersuchung von Hochdruckchemie und überkritischen Flüssigkeitsprozessen²⁰. Sie enthalten Ergebnisse als Finite-Elemente-Simulation der Spannungsverteilung, um das mechanische Verhalten modularer Geräte unter der Last zu untersuchen. Sie verwenden nicht permanente modulare Verbindungen für die austauschbare Mikroreaktorfertigung, und die Silizium/Pyrex-Mikrofluidgeräte sind nicht transparent; Diese Geräte eignen sich für kinematische Untersuchungen, Synthese und Produktion in der chemischen Reaktionstechnik, bei denen die Visualisierung nicht im Vordergrund steht. Der Mangel an Transparenz macht diese Plattform ungeeignet für die direkte, in situ Visualisierung komplexer Flüssigkeiten in Ersatzmedien. Paydar und Kollegen präsentieren eine neue Möglichkeit, modulare Mikrofluidik mit 3D-Druck zu prototypisieren²¹. Dieser Ansatz scheint nicht gut für Hochdruckanwendungen geeignet zu sein, da er ein photoheilbares Polymer verwendet und die Geräte nur bis zu 0,4 MPa standhalten können. Die meisten mikrofluidischen experimentellen Studien im Zusammenhang mit dem Transport in gebrochenen Systemen, die in der Literatur berichtet werden, konzentrieren sich auf Umgebungstemperatur und relativ niedrige Druckbedingungen¹. Es gab mehrere Studien mit dem Schwerpunkt auf der direkten Beobachtung mikrofluidischer Systeme, die unterirdische Bedingungen nachahmen. So führen Jimenez-Martinez und Kollegen zwei Studien zu kritischen Porenstrom- und Transportmechanismen in einem komplexen Netzwerk von Frakturen und Matrixen ein.^22,23. Die Autoren untersuchen dreiphasige Systeme mit Mikrofluidik unter Reservoirbedingungen (8,3 MPa und 45 °C) für die Produktionseffizienz; sie bewerten scCO₂ Restimulation, wenn die übrig gebliebene Sole eines vorherigen Frakturierens mit CO₂ und den Restkohlenwasserstoff²³. Ölnasse Silizium-Mikrofluid-Geräte sind für das Mischen von Öl-Sole-ScCO relevant₂ in Enhanced Oil Recovery (EOR)-Anwendungen; Diese Arbeit befasst sich jedoch nicht direkt mit der Porendynamik bei Frakturen. Ein weiteres Beispiel ist die Arbeit von Rognmo et al., die einen Upscaling-Ansatz für Hochdruck-IN-situ-CO untersuchen.₂ Schaumerzeugung²⁴. Die meisten Berichte in der Literatur, die Mikrofertigung nutzen, betreffen CO₂-EOR und sie enthalten oft keine wichtigen Fertigungsdetails. Nach bestem Wissen der Autoren fehlt derzeit ein systematisches Protokoll zur Herstellung hochdruckfähiger Geräte für bruchförmige Formationen in der Literatur.

Diese Arbeit präsentiert eine mikrofluidische Plattform, die die Untersuchung von scCO₂ Schaumstrukturen, Blasenformen, Größen und Verteilung, Lamellenstabilität in Gegenwart von Öl für EOR und hydraulische Fracturing und Aquifer-Sanierung Anwendungen ermöglicht. Das Design und die Herstellung von mikrofluidischen Geräten mittels optischer Lithographie und selektiver Laser-induzierter Radierung²⁹ (SLE) werden diskutiert. Darüber hinaus beschreibt diese Arbeit Frakturmuster, die den Transport von Flüssigkeiten in gebrochenen engen Formationen simulieren sollen. Simulierte Pfade können von vereinfachten Mustern bis hin zu komplexen Mikrorissen auf der Grundlage von Tomographiedaten oder anderen Methoden reichen, die Informationen über realistische Frakturgeometrien liefern. Das Protokoll beschreibt Schritt-für-Schritt-Fertigungsanweisungen für mikrofluidische Glasgeräte mit Photolithographie, Nassätzung und thermischer Verklebung. Eine eigens entwickelte kollimierte Ultraviolett-Lichtquelle (UV) wird verwendet, um die gewünschten geometrischen Muster auf eine dünne Schicht von Photoresist zu übertragen, die schließlich in einem Nassätzverfahren auf das Glassubstrat übertragen wird. Im Rahmen der Qualitätssicherung werden die geätzten Muster mittels konfokaler Mikroskopie charakterisiert. Als Alternative zur Photolithographie/Nassätzung wird eine SLE-Technik eingesetzt, um ein mikrofluidisches Gerät zu erstellen und eine vergleichende Analyse der Plattformen wird vorgestellt. Der Aufbau für Strömungsexperimente umfasst Gasflaschen und Pumpen, Druckregler und Messumformer, Fluidmischer und -akkumulatoren, mikrofluidische Vorrichtungen, Hochdruckfähige Edelstahlhalter sowie eine hochauflösende Kamera und ein Beleuchtungssystem. Schließlich werden repräsentative Proben von Beobachtungen aus Strömungsexperimenten vorgestellt.