Técnicas de fabricação microfluidica para testes de alta pressão do transporte de espuma de CO₂ supercrítica de microescala em reservatórios não convencionais fraturados

A fratura hidráulica tem sido usada há algum tempo como forma de estimular o fluxo especialmente em formações apertadas¹. Grandes quantidades de água necessárias na fratura hidráulica são agravadas com fatores ambientais, problemas de disponibilidade de água^2,dano de formação^3,custo⁴ e efeitos sísmicos⁵. Como resultado, o interesse em métodos alternativos de fraturamento, como fraturas sem água e o uso de espumas está em ascensão. Métodos alternativos podem proporcionar benefícios importantes como a redução do uso da água^6,compatibilidade com formações sensíveis à água^7,mínimas para nenhuma conexão da formação^8,alta viscosidade aparente dos fluidos de fraturamento^9,reciclagem^10,facilidade de limpeza e capacidade de transporte proppant⁶. A espuma de CO₂ é um potencial fluido de fraturamento sem água que contribui para uma produção mais eficiente de fluidos de petróleo e melhores capacidades de armazenamento de CO₂ na subsuperfície com uma pegada ambiental potencialmente menor em comparação com as técnicas convencionais de fraturamento^6,7,11.

Em condições ideais, a espuma de CO₂ supercrítica (espuma scCO₂₎ em pressões além da pressão de miscibilidade mínima (MMP) de um determinado reservatório fornece um sistema miscível multi-contato que é capaz de direcionar o fluxo para partes menos permeáveis da formação, melhorando assim a eficiência de varredura e a recuperação dos recursos^12,13. o scCO₂ fornece gás como difusividade e líquido como a densidade¹⁴ e é adequado para aplicações subsuperficial, como recuperação de óleo e captura de carbono, utilização e armazenamento (CCUS)¹³. A presença dos constituintes de espuma na subsuperfície ajuda a reduzir o risco de vazamento no armazenamento a longo prazo de CO₂¹⁵. Além disso, os efeitos de choque térmicos de compressão acoplado dos sistemas de espuma scCO₂ podem servir como sistemas eficazes de fraturamento¹¹. As propriedades dos sistemas de espuma de CO₂ para aplicações subsuperficial têm sido estudadas extensivamente em diversas escalas, como a caracterização de sua estabilidade e viscosidade em sistemas de embalagem de areia e sua eficácia nos processos de deslocamento^{3,6,12,15,16,17}. A dinâmica da espuma de nível de fratura e suas interações com os meios porosos são aspectos menos estudados que são diretamente relevantes para o uso de espuma em formações apertadas e fraturadas.

As plataformas microfluídicas permitem a visualização direta e quantificação dos processos de microescala relevantes. Essas plataformas fornecem controle em tempo real da hidrodinâmica e reações químicas para estudar fenômenos em escala de poros ao lado de considerações de recuperação¹. A geração, a propagação, o transporte e a dinâmica podem ser visualizados em dispositivos microfluidos que emulam sistemas fraturados e vias condutoras de matriz de fraturas e microcracias relevantes para a recuperação do óleo de formações apertadas. A troca de fluidos entre fratura e matriz é expressa diretamente de acordo com a geometria¹⁸, destacando assim a importância de representações simplistas e realistas. Várias plataformas microfluídicas relevantes foram desenvolvidas ao longo dos anos para estudar diversos processos. Por exemplo, Tigglaar e colegas discutem a fabricação e testes de alta pressão de dispositivos microreatores de vidro através da conexão in-plane de fibras para testar o fluxo através de capilares de vidro conectados aos microreatores¹⁹. Eles apresentam seus achados relacionados à inspeção de títulos, testes de pressão e monitoramento de reação in-situ por ¹Espectroscopia H NMR. Como tal, sua plataforma pode não ser ideal para taxas de injeção relativamente grandes, pré-geração de sistemas de fluidos multifásico para visualização in situ de fluidos complexos em mídia permeável. Marre e colegas discutem o uso de um microrreator de vidro para investigar química de alta pressão e processos de fluidos supercríticos²⁰. Eles incluem resultados como uma simulação de elemento finito de distribuição de estresse para explorar o comportamento mecânico de dispositivos modulares sob a carga. Eles usam conexões modulares não permanentes para fabricação microreatorial intercambiável, e os dispositivos microfluidos de silício/Pyrex não são transparentes; estes dispositivos são adequados para estudos cinemáticos, síntese e produção em engenharia de reação química onde a visualização não é uma preocupação primária. A falta de transparência torna essa plataforma inadequada para visualização direta e in situ de fluidos complexos em meios substitutos. Paydar e colegas de trabalho apresentam uma nova maneira de protótipo de microfluidos modulares usando impressão 3D²¹. Esta abordagem não parece adequada para aplicações de alta pressão, uma vez que usa um polímero fotocurável e os dispositivos são capazes de suportar apenas até 0,4 MPa. A maioria dos estudos experimentais microfluidos relacionados ao transporte em sistemas fraturados relatados na literatura se concentram na temperatura ambiente e condições relativamente baixas de pressão¹. Houve vários estudos com foco na observação direta de sistemas microfluidos que imitam condições subsuperficial. Por exemplo, Jimenez-Martinez e colegas de trabalho introduzem dois estudos sobre mecanismos críticos de fluxo e transporte em escala de poros em uma complexa rede de fraturas e matriz^22,23. Os autores estudam sistemas trifásicos utilizando microfluidos em condições de reservatório (8,3 MPa e 45 °C) para eficiência de produção; eles avaliam scCO₂ uso para re-estimulação onde a salmoura restante de uma fratura anterior é imiscível com CO₂ e o hidrocarboneto residual²³. Dispositivos microfluidos de silício molhados a óleo têm relevância para a mistura de óleo-salmoura-scCO₂ em aplicações EOR (Enhanced Oil Recovery, recuperação aprimorada de óleo); no entanto, este trabalho não aborda diretamente a dinâmica em escala de poros em fraturas. Outro exemplo é o trabalho de Rognmo et al. que estudam uma abordagem upscaling para alta pressão, in situ CO₂ geração de espuma²⁴. A maioria dos relatórios na literatura que alavancam a microfabriação estão preocupados com CO₂-EOR e muitas vezes não incluem detalhes importantes de fabricação. Para o melhor do conhecimento dos autores, falta atualmente um protocolo sistemático para fabricação de dispositivos capazes de alta pressão para formações fraturadas.

Este trabalho apresenta uma plataforma microfluitária que permite o estudo de estruturas de espuma scCO_2, formas de bolhas, tamanhos e distribuição, estabilidade lamella na presença de óleo para EOR e aplicações hidráulicas de fraturamento e remediação de aquíferos. O design e a fabricação de dispositivos microfluidos utilizando litografia óptica e Gravura Seletiva induzida por laser²⁹ (SLE) são discutidos. Além disso, este trabalho descreve padrões de fratura que visam simular o transporte de fluidos em formações apertadas fraturadas. As vias simuladas podem variar de padrões simplificados a microcracks complexos com base em dados de tomografia ou outros métodos que fornecem informações sobre geometrias de fratura realistas. O protocolo descreve instruções passo a passo de fabricação para dispositivos microfluidos de vidro usando fotolitografia, gravura úmida e ligação térmica. Uma fonte de luz ultra-violeta (UV) desenvolvida internamente é usada para transferir os padrões geométricos desejados para uma fina camada de fotoresist, que é finalmente transferida para o substrato de vidro usando um processo de gravação molhada. Como parte da garantia de qualidade, os padrões gravados são caracterizados por meio de microscopia confocal. Como alternativa à fotolitografia/gravura molhada, uma técnica de SLE é empregada para criar um dispositivo microfluido e uma análise comparativa das plataformas é apresentada. A configuração para experimentos de fluxo compreende cilindros e bombas de gás, controladores de pressão e transdutores, misturadores e acumuladores de fluidos, dispositivos microfluidos, suportes de aço inoxidável capazes de alta pressão, juntamente com uma câmera de alta resolução e um sistema de iluminação. Finalmente, são apresentadas amostras representativas de observações de experimentos de fluxo.