Técnicas de fabricación microfluídica para pruebas de alta presión de transporte de espuma de CO₂ supercrítico supercrítico a microescala en depósitos no convencionales fracturados

La fracturación hidráulica se ha utilizado durante bastante tiempo como medio para estimular el flujo, especialmente en formaciones apretadas¹. Grandes cantidades de agua necesarias en la fracturación hidráulica se componen de factores ambientales, problemas de disponibilidad de agua^2,daños de formación³, costo⁴ y efectos sísmicos⁵. Como resultado, el interés en métodos de fracturación alternativos como la fracturación sin agua y el uso de espumas está en aumento. Los métodos alternativos pueden proporcionar beneficios importantes tales como la reducción en el uso del agua⁶, la compatibilidad con formaciones sensibles al agua⁷, mínimo a no taponamiento de la formación⁸, alta viscosidad aparente de los fluidos de fracturación^9,reciclabilidad¹⁰, facilidad de limpieza y capacidad de transporte de proppant⁶. La espuma de CO₂ es un fluido de fracturación sin agua potencial que contribuye a una producción más eficiente de fluidos de petróleo y a la mejora de la capacidad de almacenamiento de CO₂ en el subsuelo con una huella ambiental potencialmente menor en comparación con las técnicas de fracturación convencionales^6,7,11.

En condiciones óptimas, la espuma de CO₂ supercrítica (espuma scCO₂₎ a presiones superiores a la presión mínima de miscibilidad (MMP) de un depósito determinado proporciona un sistema miscible multicrítico que es capaz de dirigir el flujo a partes menos permeables de la formación, mejorando así la eficiencia de barrido y la recuperación de los recursos^12,13. scCO₂ ofrece gas como la difusividad y líquido como la densidad¹⁴ y es muy adecuado para aplicaciones del subsuelo, como la recuperación de petróleo y la captura de carbono, la utilización y el almacenamiento (CCUS)¹³. La presencia de los componentes de espuma en el subsuelo ayuda a reducir el riesgo de fugas en el almacenamiento a largo plazo de CO₂¹⁵. Además, los efectos de choque térmico de compresión acoplada de los sistemas de espuma scCO₂ pueden servir como sistemas de fracturación eficaces¹¹. Las propiedades de los sistemas de espuma CO₂ para aplicaciones subsuperficiales se han estudiado ampliamente a diversas escalas, tales como la caracterización de su estabilidad y viscosidad en sistemas de paquetes de arena y su eficacia en los procesos de desplazamiento^{3,6,12,15,16,17}. La dinámica de espuma a nivel de fractura y sus interacciones con medios porosos son aspectos menos estudiados que son directamente relevantes para el uso de espuma en formaciones apretadas y fracturadas.

Las plataformas microfluídicas permiten la visualización directa y la cuantificación de los procesos de microescala relevantes. Estas plataformas proporcionan control en tiempo real de la hidrodinámica y las reacciones químicas para estudiar los fenómenos a escala de los poros junto con consideraciones de recuperación¹. La generación, propagación, transporte y dinámica de espuma pueden visualizarse en dispositivos microfluídicos que emulan sistemas fracturados y vías conductoras de matriz de fracturas-microcrones relevantes para la recuperación de aceite a partir de formaciones apretadas. El intercambio de fluidos entre la fractura y la matriz se expresa directamente de acuerdo con la geometría¹⁸, destacando así la importancia de representaciones simplistas y realistas. A lo largo de los años se han desarrollado una serie de plataformas microfluídicas relevantes para estudiar diversos procesos. Por ejemplo, Tigglaar y sus compañeros de trabajo discuten la fabricación y las pruebas de alta presión de dispositivos de microrreactor de vidrio a través de la conexión en plano de fibras para probar el flujo a través de capilares de vidrio conectados a los microrreactores¹⁹. Presentan sus hallazgos relacionados con la inspección de bonos, las pruebas de presión y el monitoreo de reacciones in situ ¹Espectroscopia de RMN H. Como tal, su plataforma puede no ser óptima para tasas de inyección relativamente grandes, pregeneración de sistemas de fluidos multifásicos para la visualización in situ de fluidos complejos en medios permeables. Marre y sus compañeros de trabajo discuten el uso de un microrreactor de vidrio para investigar la química de alta presión y los procesos de fluidos supercríticos²⁰. Incluyen resultados como una simulación de elementos finitos de distribución de tensión para explorar el comportamiento mecánico de los dispositivos modulares bajo la carga. Utilizan conexiones modulares no individuales para la fabricación intercambiable de microrreactores, y los dispositivos microfluídicos de silicio/Pyrex no son transparentes; estos dispositivos son adecuados para el estudio cinemático, la síntesis y la producción en ingeniería de reacción química donde la visualización no es una preocupación principal. La falta de transparencia hace que esta plataforma no sea adecuada para la visualización directa e in situ de fluidos complejos en medios sustitutos. Paydar y sus compañeros de trabajo presentan una forma novedosa de crear prototipos de microfluidos modulares utilizando la impresión 3D²¹. Este enfoque no parece adecuado para aplicaciones de alta presión ya que utiliza un polímero fotocurable y los dispositivos son capaces de soportar sólo hasta 0,4 MPa. La mayoría de los estudios experimentales microfluídicos relacionados con el transporte en sistemas fracturados reportados en la literatura se centran en la temperatura ambiente y las condiciones de presión relativamente baja¹. Ha habido varios estudios con un enfoque en la observación directa de sistemas microfluídicos que imitan las condiciones del subsuelo. Por ejemplo, Jiménez-Martinez y sus compañeros de trabajo introducen dos estudios sobre los mecanismos críticos de flujo y transporte a escala de poros en una compleja red de fracturas y matrices^22,23. Los autores estudian sistemas trifásicos utilizando microfluídicos en condiciones de reservorio (8,3 MPa y 45 oC) para la eficiencia de la producción; evalúan scCO₂ para la reestimulación donde la salmuera sobrante de una fracturación previa es inmiscible con CO₂ y el hidrocarburo residual²³. Los dispositivos microfluídicos de silicio húmedo de aceite tienen relevancia para la mezcla de aceite-salmuera-scCO₂ en aplicaciones de recuperación mejorada de aceite (EOR); sin embargo, este trabajo no aborda directamente la dinámica a escala de los poros en las fracturas. Otro ejemplo es el trabajo de Rognmo y otros, que estudian un enfoque de ampliación para la alta presión, el CO in situ₂ generación de espuma²⁴. La mayoría de los informes en la literatura que aprovechan la microfabricación se refieren al CO₂-EOR y a menudo no incluyen detalles importantes de fabricación. Hasta donde los autores lo mejor de los autores, actualmente falta en la literatura un protocolo sistemático para la fabricación de dispositivos con capacidad de alta presión para formaciones fracturadas.

Este trabajo presenta una plataforma microfluídica que permite el estudio de estructuras de espuma scCO_2, formas de burbujas, tamaños y distribución, estabilidad de lamella en presencia de aceite para EOR y aplicaciones hidráulicas de fracturación y remediación de acuíferos. Se discute el diseño y la fabricación de dispositivos microfluídicos mediante litografía óptica y grabado selectivo inducido por láser²⁹ (SLE). Además, este trabajo describe patrones de fractura que están destinados a simular el transporte de fluidos en formaciones apretadas fracturadas. Las vías simuladas pueden variar desde patrones simplificados hasta microgries complejos basados en datos de tomografía u otros métodos que proporcionan información sobre geometrías de fracturas realistas. El protocolo describe instrucciones de fabricación paso a paso para dispositivos microfluídicos de vidrio mediante fotolitografía, grabado en húmedo y unión térmica. Una fuente de luz Collimated Ultra-Violet (UV) desarrollada internamente se utiliza para transferir los patrones geométricos deseados a una fina capa de fotorresista, que en última instancia se transfiere al sustrato de vidrio mediante un proceso de grabado húmedo. Como parte del aseguramiento de la calidad, los patrones grabados se caracterizan utilizando microscopía confocal. Como alternativa a la fotolitografía/grabado húmedo, se emplea una técnica SLE para crear un dispositivo microfluídico y se presenta un análisis comparativo de las plataformas. La configuración para experimentos de flujo comprende cilindros y bombas de gas, controladores y transductores de presión, mezcladores y acumuladores de fluidos, dispositivos microfluídicos, soportes de acero inoxidable de alta presión, junto con una cámara de alta resolución y un sistema de iluminación. Por último, se presentan muestras representativas de observaciones de experimentos de flujo.