Tecniche di fabbricazione microfluidiche per test ad alta pressione del trasporto supercritico in schiuma di CO₂ su microscala in serbatoi non convenzionali fratturati

La fratturazione idraulica è stata utilizzata per un bel po ‘di tempo come mezzo per stimolare il flusso soprattutto nelle formazioni strette^1. Grandi quantità di acqua necessarie nella fratturazione idraulica sono composte da fattori ambientali, problemi di^{disponibilità dell’acqua 2,danni alla formazione 3,costo 4} ed effetti sismici^5. Di conseguenza, l’interesse per metodi di fratturazione alternativi come la fratturazione senza acqua e l’uso di schiume è in aumento. Metodi alternativi possono fornire importanti benefici come la riduzione dell’uso^{dell’acqua 6,}la compatibilità con le formazioni sensibili^{all’acqua 7,}il minimo o nessun tappo^{della formazione 8,}l’elevata viscosità apparente dei fluidi di^{fratturazione 9,}la riciclabilità^10,la facilità di pulizia e la capacità di trasporto proppant⁶. La schiuma di CO₂ è un potenziale fluido di fratturazione senza acqua che contribuisce a una produzione più efficiente di fluidi petroliferi e a_{migliori capacità di stoccaggio} di CO 2 nel sottosuolo con un’impronta ambientale potenzialmente inferiore rispetto alle tecniche di fratturazione^{convenzionali 6,7,11.}

In condizioni ottimali, la schiuma supercritica di CO₂ (schiuma scCO₂₎ a pressioni oltre la pressione minima di mascibilità (MMP) di un dato serbatoio fornisce un sistema miscible multi-contatto in grado di dirigere il flusso in parti meno permeabili della formazione, migliorando così l’efficienza di sweep^{e il recupero delle risorse 12,13}. scCO_{2 fornisce} gas come diffusività e liquido come la densità¹⁴ ed è adatto per applicazioni sottosuperficie, come il recupero dell’olio e la cattura, l’utilizzo e lo stoccaggio del carbonio (CCUS)¹³. La presenza dei costituenti della schiuma nel sottosuolo aiuta a ridurre il rischio di perdite nello stoccaggio a lungo termine di CO₂¹⁵. Inoltre, gli effetti di shock termico accoppiato-comprimibilità dei sistemi di schiuma scCO₂ possono servire come efficaci sistemi di^{fratturazione 11}. Le proprietà dei sistemi di schiuma di CO 2 per applicazioni sottosuperficie sono state ampiamente studiate a varie scale, come la caratterizzazione della sua_stabilità e viscosità nei sistemi di impacchettamento della sabbia e la sua efficacia nei processi^{di spostamento 3,6,12,15,16,17.} La dinamica della schiuma a livello di frattura e le sue interazioni con i mezzi porosi sono aspetti meno studiati che sono direttamente rilevanti per l’uso della schiuma in formazioni strette e fratturate.

Le piattaforme microfluidiche consentono la visualizzazione diretta e la quantificazione dei relativi processi su microscala. Queste piattaforme forniscono il controllo in tempo reale dell’idrodinamica e delle reazioni chimiche per studiare i fenomeni su scala dei pori insieme a considerazioni di recupero¹. La generazione, la propagazione, il trasporto e la dinamica della schiuma possono essere visualizzati in dispositivi microfluidici che emulano sistemi fratturati e percorsi conduttivi frattura-microcrack-matrice rilevanti per il recupero dell’olio da formazioni strette. Lo scambio di fluidi tra frattura e matrice è espresso direttamente in base alla geometria¹⁸, evidenziando così l’importanza di rappresentazioni semplicistiche e realistiche. Nel corso degli anni sono state sviluppate diverse piattaforme microfluidiche rilevanti per studiare vari processi. Ad esempio, Tigglaar e colleghi discutono della fabbricazione e del test ad alta pressione di dispositivi di microreattore in vetro attraverso la connessione in piano di fibre per testare il flusso attraverso i capillari di vetro collegati ai microreattori¹⁹. Presentano i loro risultati relativi all’ispezione delle obbligazioni, ai test di pressione e al monitoraggio della reazione in situ ¹Spettroscopia H NMR. Come tale, la loro piattaforma potrebbe non essere ottimale per velocità di iniezione relativamente grandi, pre-generazione di sistemi fluidi multifase per la visualizzazione in situ di fluidi complessi in mezzi permeabili. Marre e colleghi discutono dell’uso di un microreattore di vetro per studiare la chimica ad alta pressione e i processi dei fluidi supercritici²⁰. Includono risultati come simulazione a elementi finiti della distribuzione delle sollecitazioni per esplorare il comportamento meccanico dei dispositivi modulari sotto il carico. Utilizzano connessioni modulari non permanenti per la fabbricazione di microreattori intercambiabili e i dispositivi microfluidici silicio/Pyrex non sono trasparenti; questi dispositivi sono adatti per lo studio cinematico, la sintesi e la produzione in ingegneria della reazione chimica in cui la visualizzazione non è una preoccupazione primaria. La mancanza di trasparenza rende questa piattaforma inadatta alla visualizzazione diretta e in situ di fluidi complessi nei media surrogati. Paydar e colleghi presentano un nuovo modo di prototipare microfluidica modulare utilizzando la stampa 3D²¹. Questo approccio non sembra adatto per applicazioni ad alta pressione poiché utilizza un polimero fotocurabile e i dispositivi sono in grado di resistere solo fino a 0,4 MPa. La maggior parte degli studi sperimentali microfluidici relativi al trasporto in sistemi fratturati riportati in letteratura si concentrano sulla temperatura ambiente e sulle condizioni di pressione relativamente bassa¹. Ci sono stati diversi studi con particolare attenzione all’osservazione diretta di sistemi microfluidici che imitano le condizioni del sottosuolo. Ad esempio, Jimenez-Martinez e colleghi introducono due studi sui meccanismi critici di flusso e trasporto dei pori in una complessa rete di fratture e matrici^22,23. Gli autori studiano sistemi trifase che utilizzano microfluidica in condizioni di serbatoio (8,3 MPa e 45 °C) per l’efficienza produttiva; valutano scCO₂ per la ristimolazione in cui la salamoia avanzi di una fratturazione precedente è immiscibile con CO₂ e l’idrocarburo residuo²³. I dispositivi microfluidici al silicio umido ad olio hanno rilevanza per la miscelazione di oil-brine-scCO₂ nelle applicazioni Enhanced Oil Recovery (EOR); tuttavia, questo lavoro non affronta direttamente la dinamica della scala dei pori nelle fratture. Un altro esempio è il lavoro di Rognmo et al.₂ generazione di schiuma²⁴. La maggior parte dei rapporti in letteratura che sfruttano la microfabbricazione si occupano di CO₂-EOR e spesso non includono importanti dettagli di fabbricazione. Per quanto ne so, manca attualmente dalla letteratura un protocollo sistematico per la fabbricazione di dispositivi capaci di alta pressione per formazioni fratturate.

Questo lavoro presenta una piattaforma microfluidica che consente lo studio di strutture in schiuma scCO_2, forme a bolle, dimensioni e distribuzione, stabilità della lamella in presenza di olio per applicazioni di fratturazione e correzione idraulica e falde acquifera. Vengono discussi la progettazione e la fabbricazione di dispositivi microfluidici utilizzando litografia ottica e Etching²⁹ (LES) indotto dal laser selettivo. Inoltre, questo lavoro descrive i modelli di frattura che hanno lo scopo di simulare il trasporto di fluidi in formazioni strette fratturate. Le vie simulate possono variare da modelli semplificati a microfese complesse basate su dati tomografici o altri metodi che forniscono informazioni sulle geometrie realistiche delle fratture. Il protocollo descrive istruzioni dettagliate di fabbricazione per dispositivi microfluidici in vetro che utilizzano fotolitografia, incisione a umido e incollaggio termico. Una sorgente luminosa collimata Ultra-Violet (UV) sviluppata internamente viene utilizzata per trasferire i motivi geometrici desiderati su un sottile strato di fotoresist, che viene infine trasferito sul substrato di vetro utilizzando un processo di incisione a umido. Come parte della garanzia della qualità, i modelli incisi sono caratterizzati utilizzando la microscopia confocale. In alternativa alla fotolitografia/wet-intching, viene utilizzata una tecnica SLE per creare un dispositivo microfluidico e viene presentata un’analisi comparativa delle piattaforme. La configurazione per esperimenti di flusso comprende bombole e pompe di gas, regolatori di pressione e trasduttori, miscelatori e accumulatori di fluidi, dispositivi microfluidici, supporti in acciaio inossidabile ad alta pressione insieme a una telecamera ad alta risoluzione e un sistema di illuminazione. Infine, vengono presentati campioni rappresentativi di osservazioni provenienti da esperimenti di flusso.