Techniques de fabrication microfluidiques pour l’essai à haute pression du transport supercritique de mousse de CO2 à micro-échelle dans les réservoirs non conventionnels fracturés

Résumé

Cet article décrit un protocole ainsi qu’une étude comparative de deux techniques de fabrication microfluidiques, à savoir la photolithographie/gravure humide/liaison thermique et l’gravure sélective induite par laser (SLE), qui conviennent aux conditions de haute pression. Ces techniques constituent des plates-formes habilitantes pour l’observation directe du flux de fluides dans les supports perméables de substitution et les systèmes fracturés dans des conditions de réservoir.

Résumé

Les limitations de pression de nombreuses plates-formes microfluidiques ont été un défi important dans les études expérimentales microfluidiques sur les médias fracturés. En conséquence, ces plates-formes n’ont pas été pleinement exploitées pour l’observation directe du transport à haute pression dans les fractures. Ces travaux introduisent des plates-formes microfluidiques qui permettent l’observation directe du flux multiphase dans les dispositifs dotés de supports perméables de substitution et de systèmes fracturés. Ces plates-formes offrent une voie pour répondre à des questions importantes et opportunes telles que celles liées à la capture, à l’utilisation et au stockage du CO_2. Ce travail fournit une description détaillée des techniques de fabrication et une configuration expérimentale qui peut servir à analyser le comportement de la mousse supercritique de CO₂ (scCO_2),sa structure et sa stabilité. Ces études fournissent des informations importantes sur les processus améliorés de récupération du pétrole et le rôle des fractures hydrauliques dans la récupération des ressources à partir de réservoirs non conventionnels. Ce travail présente une étude comparative des dispositifs microfluidiques développés à l’aide de deux techniques différentes : photolithographie/gravure humide/liaison thermique versus gravure sélective induite par laser. Ces deux techniques aboutit à des dispositifs chimiquement et physiquement résistants et tolérants aux conditions de haute pression et de température qui correspondent aux systèmes souterrains d’intérêt. Ces deux techniques permettent d’obtenir des microcanaux gravés de haute précision et des dispositifs de laboratoire sur puce capables. La photolithographie/gravure humide permet toutefois la fabrication de réseaux de canaux complexes à géométrie complexe, ce qui serait une tâche difficile pour les techniques de gravure au laser. Ces travaux résument une photolithographie étape par étape, une gravure humide et un protocole de collage thermique du verre et présentent des observations représentatives du transport de mousse pertinentes pour la récupération du pétrole à partir de formations non conventionnelles de schistes serrés et non conventionnels. Enfin, ces travaux décrivent l’utilisation d’un capteur monochrome haute résolution pour observer le comportement de mousse scCO₂ où l’ensemble du milieu perméable est observé simultanément tout en préservant la résolution nécessaire pour résoudre des caractéristiques aussi petites que 10 μm.

Introduction

La fracturation hydraulique est utilisée depuis un certain temps comme moyen de stimuler l’écoulement, en particulier dans les formations serrées¹. De grandes quantités d’eau nécessaires à la fracturation hydraulique sont aggravées par des facteurs environnementaux, des problèmes de disponibilité^{de l’eau 2,}des dommages à la formation^{3,un coût 4} et des effets^{sismiques 5}. Par conséquent, l’intérêt pour d’autres méthodes de fracturation comme la fracturation sans eau et l’utilisation de mousses est à la hausse. Les méthodes alternatives peuvent fournir des avantages importants tels que la réduction de l’utilisation^{de l’eau 6,}la compatibilité avec les formations sensibles à^{l’eau 7,}minimal à aucun branchement de la formation⁸, la viscosité apparente élevée des fluides de fracturation⁹, la recyclabilité¹⁰, la facilité de nettoyage et la capacité de transport proppant⁶. La mousse de CO₂ est un fluide de fracturation sans eau potentiel qui contribue à une production plus efficace de fluides pétroliers et à l’amélioration des_{capacités de} stockage du CO 2 dans le sous-sol avec une empreinte environnementale potentiellement plus faible par rapport aux techniques conventionnelles de^{fracturation 6,7,11}.

Dans des conditions optimales, la mousse supercritique de CO₂ (mousse scCO₂₎ à des pressions supérieures à la pression minimale de miscibilité (MMP) d’un réservoir donné fournit un système miscible multi-contact capable de diriger le flux dans des parties moins perméables de la formation, améliorant ainsi l’efficacité du balayage et la récupération des^{ressources 12,13}. scCO_{2 fournit} du gaz comme la diffusivité et le liquide comme la densité¹⁴ et est bien adapté aux applications souterraines, telles que la récupération du pétrole et le captage, l’utilisation et le stockage du carbone (CCUS)¹³. La présence des constituants de mousse dans le sous-sol contribue à réduire le risque de fuite dans le stockage à long terme du CO₂^15. En outre, les effets de choc couplé-compressibilité-thermique des systèmes de mousse scCO₂ peuvent servir de systèmes de fracturation^{efficaces 11}. Les propriétés des systèmes de mousse de CO₂ pour les applications souterraines ont été étudiées en profondeur à différentes échelles, telles que la caractérisation de sa stabilité et de sa viscosité dans les systèmes de sacs de sable et son efficacité dans les processus de^{déplacement 3,6,12,15,16,17}. La dynamique de mousse de niveau de fracture et ses interactions avec les médias poreux sont des aspects moins étudiés qui sont directement pertinents à l’utilisation de la mousse dans les formations serrées et fracturées.

Les plateformes microfluidiques permettent la visualisation directe et la quantification des processus microscaliques pertinents. Ces plates-formes assurent un contrôle en temps réel de l’hydrodynamique et des réactions chimiques pour étudier les phénomènes à l’échelle poreuse aux côtés de considérations de récupération¹. La production, la propagation, le transport et la dynamique de mousse peuvent être visualisés dans les dispositifs microfluidiques imitant les systèmes fracturés et les voies conductrices de fracture-microcrack-matrice pertinentes à la récupération d’huile des formations serrées. L’échange de fluides entre fracture et matrice s’exprime directement en fonction de la géométrie¹⁸, soulignant ainsi l’importance de représentations simplistes et réalistes. Un certain nombre de plateformes microfluidiques pertinentes ont été développées au fil des ans pour étudier divers processus. Par exemple, Tigglaar et ses collègues discutent de la fabrication et des essais à haute pression des dispositifs microréacteurs en verre par le biais d’une connexion en plan de fibres pour tester le flux à travers des capillaires de verre reliés aux microréacteurs¹⁹. Ils présentent leurs conclusions relatives à l’inspection des liaisons, aux tests de pression et à la surveillance des réactions in situ ¹Spectroscopie H NMR. En tant que tel, leur plate-forme peut ne pas être optimale pour des taux d’injection relativement élevés, la pré-génération de systèmes de fluides multiphases pour la visualisation in situ de fluides complexes dans les médias perméables. Marre et ses collègues discutent de l’utilisation d’un microréacteur en verre pour étudier la chimie à haute pression et les processus des fluides supercritiques²⁰. Ils comprennent les résultats comme une simulation d’élément fini de la distribution du stress pour explorer le comportement mécanique des dispositifs modulaires sous la charge. Ils utilisent des connexions modulaires non transparentes pour la fabrication interchangeable de microréacteurs, et les dispositifs microfluidiques silicium/Pyrex ne sont pas transparents; ces dispositifs conviennent à l’étude cinétique, à la synthèse et à la production en génie des réactions chimiques lorsque la visualisation n’est pas une préoccupation majeure. Le manque de transparence rend cette plate-forme impropre à la visualisation directe et in situ de fluides complexes dans les supports de substitution. Paydar et ses collègues présentent une nouvelle façon de prototyper des microfluidiques modulaires à l’aide de l’impression 3D²¹. Cette approche ne semble pas bien adaptée aux applications à haute pression puisqu’elle utilise un polymère photocurable et que les appareils ne résistent qu’à 0,4 MPa. La plupart des études expérimentales microfluidiques liées au transport dans les systèmes fracturés rapportées dans la littérature portent sur la température ambiante et les conditions de pression relativement basse¹. Il y a eu plusieurs études axées sur l’observation directe des systèmes microfluidiques qui imitent les conditions souterraines. Par exemple, Jimenez-Martinez et ses collègues introduisent deux études sur les mécanismes critiques de flux et de transport à l’échelle des pores dans un réseau complexe de fractures et de matrices.^22,23. Les auteurs étudient des systèmes en trois phases utilisant des microfluidiques dans des conditions de réservoir (8,3 MPa et 45 °C) pour l’efficacité de la production; ils évaluent scCO₂ pour la restimulation lorsque les restes de saumure provenant d’une fracturation antérieure sont₂ et l’hydrocarbure résiduel²³. Les dispositifs microfluidiques de silicium humide à l’huile ont un rapport avec le mélange huile-saumure-scCO₂ dans les applications de récupération améliorée du pétrole (EOR); toutefois, ces travaux ne traitent pas directement de la dynamique à l’échelle poreuse dans les fractures. Un autre exemple est le travail de Rognmo et coll. qui étudient une approche haut de gamme pour les₂ génération de mousse²⁴. La plupart des rapports de la littérature qui tirent parti de la microfabrication₂-EOR et ils n’incluent souvent pas les détails importants de fabrication. Au meilleur de la connaissance des auteurs, un protocole systématique pour la fabrication de dispositifs capables à haute pression pour les formations fracturées est actuellement absent de la littérature.

Ce travail présente une plate-forme microfluidique qui permet l’étude des structures en mousse scCO_2, des formes de bulles, des tailles et de la distribution, de la stabilité de la lamella en présence d’huile pour les applications de fracturation hydraulique et d’assainissement des aquifères. La conception et la fabrication d’appareils microfluidiques utilisant la lithographie optique et l’gravure sélective induite par laser²⁹ (SLE) sont discutées. En outre, ces travaux décrivent les modèles de fracture qui sont destinés à simuler le transport de fluides dans des formations serrées fracturées. Les voies simulées peuvent aller de modèles simplifiés à des microfissages complexes basés sur des données de tomographie ou d’autres méthodes qui fournissent des informations sur les géométries réalistes des fractures. Le protocole décrit les instructions de fabrication étape par étape pour les dispositifs microfluidiques en verre à l’aide de photolithographie, de gravure humide et de liaison thermique. Une source lumineuse ultra-violette (UV) collimée développée à l’interne est utilisée pour transférer les motifs géométriques désirés sur une mince couche de photorésistance, qui est finalement transférée sur le substrat de verre à l’aide d’un procédé de gravure humide. Dans le cadre de l’assurance de la qualité, les motifs gravés sont caractérisés à l’aide de microscopie confoccale. Comme alternative à la photolithographie/gravure humide, une technique SLE est utilisée pour créer un dispositif microfluidique et une analyse comparative des plates-formes est présentée. La configuration des expériences de débit comprend des bouteilles et des pompes à gaz, des contrôleurs de pression et des transducteurs, des mélangeurs et accumulateurs de fluides, des dispositifs microfluidiques, des supports en acier inoxydable performants à haute pression ainsi qu’une caméra haute résolution et un système d’éclairage. Enfin, des échantillons représentatifs d’observations provenant d’expériences de flux sont présentés.

Protocole

MISE EN GARDE : Ce protocole consiste à manipuler une installation à haute pression, un four à haute température, des produits chimiques dangereux et de la lumière UV. Veuillez lire attentivement toutes les fiches de données pertinentes sur la sécurité des matériaux et suivre attentivement les directives sur la sécurité chimique. Examiner les lignes directrices sur la sécurité des essais de pression (hydrostatiques et pneumatiques), y compris la formation requise, le fonctionnement sécuritaire de tout l’équipement, les dangers connexes, les contacts d’urgence, etc. avant de commencer le processus d’injection.

1. Concevoir des motifs géométriques

1. Concevoir un masque photo comprenant des caractéristiques géométriques et des voies d’intérêt (Figure 1, Fichier supplémentaire 1 : Figure S1).
2. Définissez la boîte de dingage (surface de l’appareil) pour identifier la zone du substrat et confiner la conception aux dimensions du milieu désiré.
3. Concevoir des ports d’entrée/de sortie. Choisissez des dimensions portuaires (p. ex., 4 mm de diamètre dans ce cas) pour obtenir une distribution relativement uniforme de mousse avant d’entrer dans le milieu (figure 1).
4. Préparez un photomask du motif géométrique conçu en imprimant la conception sur une feuille de film transparent ou un substrat en verre.
   1. Extrudez la conception bidimensionnelle à la troisième dimension et incorporez des ports d’entrée et de sortie (pour une utilisation dans SLE).
      REMARQUE : La technique SLE nécessite un dessin tridimensionnel (Figure 2).

2. Transférer les motifs géométriques sur le substrat de verre à l’aide de la photolithographie

REMARQUE : Les solutions Etchants et piranha doivent être traitées avec un soin extrême. Il est recommandé d’utiliser de l’équipement de protection individuelle, y compris un respirateur réutilisable pour le visage, des lunettes, des gants et l’utilisation de pinces résistantes à l’acide et à la corrosion (Table of Materials).

1. Préparez les solutions nécessaires dans le processus de gravure humide en suivant ces étapes (voir également l’information électronique à l’appui fournie sous le nom de fichier supplémentaire 1).
   1. Versez une quantité suffisante de solution d’étchant chromé dans un bécher de sorte que le substrat puisse être immergé dans l’étchant. Chauffer le fluide à environ 40 °C.
   2. Préparer une solution de développeur ( Tableau desmatériaux) dans l’eau déionisée (eau DI) avec un rapport volumétrique de 1:8 de sorte que le substrat est capable d’être complètement immergé dans le mélange.
2. Imprimez le motif géométrique sur un substrat borosilicate recouvert d’une couche de chrome et d’une couche de photorésistance à l’aide de l’irradiation UV.
   1. À l’aide de mains gantées, placez le masque (substrat de verre ou film transparent portant le motif géométrique) directement sur le côté du substrat borosilicate recouvert de chrome et de photorésistant.
   2. Placez le photomask et la combinaison de substrat sous la lumière UV avec le photomask face à la source.
      REMARQUE : Ce travail utilise la lumière UV avec une longueur d’onde de 365 nm (pour correspondre à la sensibilité maximale du photorésistant) et à une intensité moyenne de 4,95 mW/cm^2.
   3. Transférez le motif géométrique dans la couche de photorésist en exposant la pile du substrat et du masque à la lumière UV.
      REMARQUE : Le temps d’exposition optimal est fonction de l’épaisseur de la couche photorésistante et de la force du rayonnement UV. Photorésist est sensible à la lumière et tout le processus d’impression du motif doit être effectué dans une pièce sombre équipée d’un éclairage jaune.
3. Développez le photorésistant.
   1. Retirez le photomask et la pile de substrat du stade UV à l’aide de mains gantées.
   2. Retirez le photomask et submergez le substrat dans la solution de développement pendant environ 40 s, transférant ainsi le modèle au photorésist.
   3. Rincez le substrat en cascade en faisant couler de l’eau DI du haut du substrat et sur toutes ses surfaces au moins trois fois et laissez le substrat sécher.
4. Étchez le motif dans la couche chromée.
   1. Submergez le substrat dans un étchant chromé chauffé à environ 40 °C pendant environ 40 s, transférant ainsi le motif du photorésistant à la couche chromée.
   2. Retirez le substrat de la solution, rincez le substrat en cascade à l’aide d’eau DI et laissez-le sécher.
5. Graver le motif dans le substrat borosilicate.
   REMARQUE : Un etchant tamponné(Tableau des matériaux)est utilisé pour transférer le motif géométrique vers le substrat de verre. Avant l’utilisation de l’etchant tamponné, l’arrière du substrat est recouvert d’une couche de photorésistante pour le protéger de l’étchant. L’épaisseur de cette couche protectrice est sans importance pour l’ensemble du processus de fabrication.
   1. À l’aide d’une brosse, appliquer plusieurs couches d’hexaméthyldisilazane (SMHM) sur la face découverte du substrat et laisser sécher.
      REMARQUE : HMDS aide à favoriser l’adhérence du photorésistant à la surface du substrat borosilicate.
   2. Appliquez une couche de photorésistant sur l’amorce. Placer le substrat dans un four à 60\u201290 °C pendant 30-40 min.
   3. Verser une quantité suffisante de l’etchant dans un récipient en plastique et plonger complètement le substrat dans l’étchant.
      REMARQUE : Le taux de gravure est influencé par la concentration, la température et la durée de l’exposition. L’etchant tamponné utilisé dans ce travail grave une moyenne de 1\u201210 nm/min.
   4. Laissez le substrat à motifs dans la solution etchant pendant une période prédéterminée en fonction des profondeurs de canal souhaitées.
      REMARQUE : Le temps d’eau-forte peut être réduit par la sonication intermittente de bain de la solution.
   5. Retirer le substrat de l’étchant à l’aide d’une pince à épiler résistante aux solvants et rincer en cascade le substrat à l’aide d’eau DI.
   6. Caractériser les caractéristiques gravées sur le substrat pour s’assurer que les profondeurs souhaitées ont été atteintes.
      REMARQUE : Cette caractérisation peut être effectuée à l’aide d’un microscope confocal à balayage laser (figure 3). Dans ce travail, un grossissement 10x est utilisé pour l’acquisition de données. Une fois que les profondeurs du canal sont satisfaisantes, passez à l’étape du nettoyage et de la liaison.

3. Propre et lien

1. Supprimer les couches photorésistantes et chromées.
   1. Retirer le photorésistant du substrat en exposant le substrat à un solvant organique, comme la solution N-Méthyl-2-pyrrolidone (NMP) chauffée à l’aide d’une plaque chauffante sous un capot à environ 65 °C pendant environ 30 minutes.
   2. Rincer le substrat en cascade avec de l’acétone (de qualité ACS), suivi de l’éthanol (de qualité ACS) et de l’eau DI.
   3. Placez le substrat nettoyé dans un étchant chromé chauffé à l’aide d’une plaque chauffante sous un capot à environ 40 °C pendant environ 1 min, en enlevant ainsi la couche chromée du substrat.
   4. Une fois que le substrat est exempt de chrome et photorésiste, caractérisez les profondeurs du canal à l’aide de microscopie confoccale à balayage laser.
      REMARQUE : Ce travail utilise un grossissement de 10 x pour l’acquisition de données (figure 4).
2. Préparer la plaque de couverture et le substrat gravé pour le collage.
   1. Marquer les positions des trous d’entrée/sortie sur un substrat de borosilicate vierge (plaque de couverture) en alignant la plaque de couverture contre le substrat gravé.
   2. Percer des trous dans les endroits balisés à l’aide d’un sablier micro abrasif et d’un micro sablage d’oxyde d’aluminium de 50 μm.
      REMARQUE : Alternativement, les ports peuvent être créés à l’aide d’une perceuse mécanique.
   3. Cascade rincer à la fois le substrat gravé et la plaque de couverture avec de l’eau DI.
   4. Effectuer une procédure de nettoyage des gaufrettes RCA pour éliminer les contaminants avant le collage à l’aide d’une technique standard. Effectuez les étapes de nettoyage des gaufrettes sous un capot en raison de la volatilité des solutions impliquées dans le processus.
   5. Porter à ébullition une solution 1:4 par volume H₂O₂:H₂SO₄ piranha et submerger le substrat et la plaque de couverture dans la solution pendant 10 min sous un capot.
   6. Cascade rincer le substrat et la plaque de couverture avec de l’eau DI.
   7. Submergez le substrat et la plaque de couverture dans l’étchant tamponné pendant 30-40 s.
   8. Cascade rincer le substrat et la plaque de couverture avec de l’eau DI.
   9. Submerger le substrat et la plaque de couverture pendant 10 min dans un 6:1:1 par volume d’eau DI:H₂O_2:HClsolution qui est chauffée à environ 75 °C.
      REMARQUE : L’eau-forte et le collage sont de préférence effectués dans une salle blanche. Si une salle blanche n’est pas disponible, il est recommandé d’effectuer les étapes suivantes dans un environnement exempt de poussière. Dans ce travail, les étapes 3.2.9-3.2.12 sont exécutées dans une boîte à gants pour minimiser la possibilité de contamination des substrats.
   10. Appuyez hermétiquement sur le substrat et la plaque de couverture les uns contre les autres pendant qu’ils sont submergés.
   11. Retirez le substrat et la plaque de couverture de l’eau DI: H₂O₂:HCl solution. Rincer en cascade à l’eau DI et plonger dans de l’eau DI.
   12. Assurez-vous que le substrat et la plaque de couverture sont solidement fixés ensemble et retirez soigneusement les deux tout en étant pressés les uns contre les autres de l’eau DI.
3. Lier les substrats thermiquement.
   1. Placez les substrats empilés (le substrat gravé et la plaque de couverture) entre deux plaques lisses de 1,52 cm d’épaisseur en verre et en céramique pour les lier.
   2. Placez les plaques de verre-céramique entre deux plaques métalliques en alliage X(Table des Matériaux),qui est capable de résister aux températures requises sans distorsion significative.
   3. Centrer les gaufrettes en verre dans le support métallique en céramique.
      REMARQUE : Ce travail utilise des plaques de verre et de céramique de 10 cm x 10 cm x 1,52 cm d’épaisseur. La configuration empilée est sécurisée à l’aide de boulons et de écrous de 1/4 " (Figure 5).
   4. Serrer les noix à la main et placer le support dans une chambre à vide pendant 60 minutes à environ 100 °C.
   5. Retirer le support de la chambre et serrer soigneusement les écrous à l’aide d’environ 10 lb-in de couple.
   6. Placez le support à l’intérieur d’un four et exécutez le programme de chauffage suivant. Augmenter la température à 1 °C/min jusqu’à 660 °C; maintenir la température constante à 660 °C pendant 6 h, suivie d’une étape de refroidissement à environ 1 °C/min jusqu’à la température ambiante.
   7. Retirez le dispositif microfluidique thermiquement collé, rincez-le à l’eau DI, placez-le dans HCl (12,1 M) et bain-sonicate (40 kHz à 100 W de puissance) la solution pendant une heure (figure 6).

4. Fabriquer des dispositifs microfluidiques en verre gravé au laser

REMARQUE : La fabrication de l’appareil a été effectuée par un service tiers d’impression 3D en verre(Table of Materials)par le biais d’un procédé SLE et en utilisant un substrat de silice fondu comme précurseur.

1. Écrivez le motif désiré dans un substrat de silice fondu à l’aide d’un faisceau laser polarisé linéairement orienté perpendiculairement au stade généré par une source laser femtoseconde d’une durée d’impulsion de 0,5 ns, d’un taux de répétition de 50 kHz, d’une énergie pulsée de 400 nJ et d’une longueur d’onde de 1,06 μm.
2. Retirer le verre du motif écrit à l’intérieur du substrat de silice fondu à l’aide d’une solution KOH (32 wt%) à 85 °C avec échographie (figure 7).

5. Effectuer des tests à haute pression

1. Saturer le dispositif microfluidique avec le liquide résident (p. ex., eau DI, solution surfactant, huile, etc. selon le type d’expérience) à l’aide d’une pompe à seringues.
2. Préparez des fluides générateurs de mousse et des instruments connexes.
   1. Préparer la solution de saumure (liquide résident) avec la salinité désirée et dissoudre le surfactant (comme la bêtaine de lauramidopropyl et l’alpha-oléfin-sulfonate) avec la concentration désirée (selon la concentration critique de micelle du surfactant) dans la saumure.
   2. Remplissez les réservoirs du CO_{2 et} des pompes à eau avec des quantités suffisantes de liquides par expérience à température ambiante.
   3. Remplissez l’accumulateur de saumure et les lignes d’écoulement avec la solution surfactant à l’aide d’une seringue. Ce travail utilise un accumulateur d’une capacité de 40 mL.
   4. Rincer la ligne de saumure avec la solution de saumure.
   5. Rincez la ligne reliant l’accumulateur à l’appareil et aux lignes de sortie avec le fluide résident (la solution de saumure dans ce cas).
   6. Placez l’appareil microfluidique saturé dans un support résistant à la pression et connectez les ports d’entrée/sortie aux lignes appropriées à l’aide d’un tube de diamètre intérieur de 0,010 po (figure 8, fichier supplémentaire 1 : figure S5).
   7. Augmenter la température du bain en circulation, qui contrôle la température des lignes de saumure et de CO_2, à la température désirée (p. ex., 40 °C ici (figure 9)).
   8. Vérifiez toutes les lignes pour assurer l’intégrité de la configuration avant l’injection.
3. Générer la mousse.
   1. Commencez à injecter la saumure à un taux de 0,5 mL/min et vérifiez l’écoulement de la solution de surfactant dans l’appareil et la ligne de contre-pression.
   2. Augmentez simultanément la pression de la contre-pression et de la saumure-pompe par étapes progressives (~ 0,006 MPa/s) tout en maintenant le flux continu de la sortie du régulateur de la contre-pression (BPR). Augmentez la pression jusqu’à ~7.38 MPa (pression minimale requise de scCO₂₎ et arrêtez les pompes.
   3. Augmenter la pression de la ligne de CO₂ jusqu’à une pression supérieure à 7,38 MPa (pression minimale scCO_2).
   4. Ouvrez la_{vanne de} CO 2 et laissez le scCO_{2 mélangé} à la solution de surfactant haute pression s’écouler à travers un mélangeur en ligne pour générer de la mousse.
   5. Attendez que le débit soit entièrement développé à l’intérieur de l’appareil et que les canaux soient saturés. Surveillez la sortie pour l’apparition de la production de mousse.
      REMARQUE : Les ports auxiliaires peuvent être utilisés pour aider à préaturer complètement le milieu avec le liquide résident (figure 1). Les incohérences dans le taux d’accumulation de pression et les augmentations soudaines du BPR peuvent entraîner une rupture (figure 10). Les pressions du liquide et la contre-pression doivent être augmentées graduellement afin de minimiser le risque de dommages à l’appareil.
4. Effectuez l’imagerie en temps réel et l’analyse des données.
   1. Allumez la caméra pour capturer des images détaillées du flux à l’intérieur des canaux. Ce travail utilise un appareil photo doté d’un capteur de 60 mégapixels, monochromes et plein cadre.
   2. Lancez le logiciel dédié de contrôle de l’obturateur( Table of Materials). Sélectionnez une vitesse d’obturation de 1/60, un rapport focal (f-nombre) de f/8.0, et sélectionnez l’objectif approprié.
   3. Lancez le logiciel de caméra dédié( Table of Materials). Sélectionnez l’appareil photo, le format désiré (par exemple, IIQL) et un paramètre ISO de 200 dans le menu pulldown sous le paramètre « CAMERA » du logiciel.
   4. Ajustez la distance de travail de la caméra au milieu au besoin pour vous concentrer sur le support. Capturez des images à intervalles de temps prescrits en appuyant sur le bouton de capture du logiciel.
5. Dépressuriser le système dans des conditions ambiantes.
   1. Arrêtez l’injection (pompes à gaz et à liquide), fermez les entrées de co₂ et de pompe à saumure, ouvrez le reste des vannes de la ligne et éteignez les radiateurs.
   2. Diminuer graduellement la pression arrière (p. ex., à un taux de 0,007 MPa/s) jusqu’à ce que le système atteigne les conditions de pression ambiante. Diminuez les pressions de la pompe de_{saumure et} de CO 2 séparément.
      REMARQUE : La diminution de la pression du SCCO₂ peut entraîner une sortie incohérente ou turbulente du BPR, c’est pourquoi le retrait de la pression doit être effectué avec le soin nécessaire.
6. Nettoyez soigneusement le dispositif microfluidique après chaque expérience au besoin en faisant circuler la séquence suivante de solutions à travers le milieu : isopropanol/éthanol/eau (1:1:1), solution HCl de 2 M, eau DI, solution de base (EAU DI/NH₄OH/H₂O₂ à 5:5:1) et eau DI.
7. Images collectées après le processus.
   1. Isoler le paysage poreux en excluant l’arrière-plan des images.
   2. Corriger les désalignements mineurs en effectuant la transformation des perspectives et en mettant en œuvre une stratégie de seuil local au besoin pour tenir compte de l’éclairage non uniforme²⁸_.
   3. Calculer les paramètres géométriques et statistiques pertinents à l’expérience tels que la taille moyenne des bulles, la distribution de la taille des bulles et la forme de bulle pour chaque image microstructurale en mousse dans le canal.

Résultats

Cette section présente des exemples d’observations physiques provenant du flux de mousse scCO₂ à travers une fracture principale reliée à un réseau de micro-fissures. Un dispositif microfluidique en verre fabriqué par photolithographie ou SLE est placé à l’intérieur d’un support et dans le champ de vision d’un appareil photo doté d’un capteur de 60 mégapixels, monochromes et plein cadre. La figure 11 illustre le processus de fabrication des dispositifs microfl...

Discussion

Ce travail présente un protocole lié à une plate-forme de fabrication pour créer des dispositifs microfluidiques en verre robustes et à haute pression. Le protocole présenté dans ce travail soulage le besoin d’une salle blanche en effectuant plusieurs des dernières étapes de fabrication à l’intérieur d’une boîte à gants. L’utilisation d’une salle blanche, si disponible, est recommandée pour minimiser le risque de contamination. En outre, le choix de l’etchant doit être basé sur la rugosité de...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
1/4” bolts and nuts			For fabrication of the metallic plates to sandwich the glass chip between them for thermal bonding
3.45 x 3.45 mm UV LED	Kingbright		To emitt LED light
3D measuring Laser microscope	OLYMPUS	LEXT OLS4000	To measure channel depths
40 mm x 40 mm x 10 mm 12V DC Cooling Fan	Uxcell		To cool the UV LED lights
120 mm x 38 mm 24V DC Cooling Fan	Uxcell		To cool the UV LED lights
5 ml (6 ml) NORM-JECT Syringe	HENKE SASS WOLF	Lot #16M14CB	To rinse the chip before each experiment
Acetone (Certified ACS)	Fisher Chemical	Lot #177121	For cleaning
Acid/ corossion resistive tweezer	TED PELLA		To handle the glass piece in corosive solutions
Acid/solvent resistance tweezers	TED PELLA, INC	#53009 and #53010	To handle the glass in corrosive solutions
Alloy X	AMERICAN SPECIAL METALS	Heat Number: ZZ7571XG11
Ammonium hydroxide (ACS reagent)	Sigma Aldrich	Lot #SHBG9007V	To clean the chip at the end of process
AutoCAD	Autodesk, San Rafael, CA		To design 2D patterns and 3D chips
BD Etchant for PSG-SiO2 systems	TRANSENE	Lot #028934	An improved buffered etch formulation for delineation of phosphosilica glass – SiO2 (PSG), and borosilica glass – SiO2 (BSG) systems
Blank Borofloat substrate	TELIC	CG-HF	Upper substrate for UV etching
Borofloat substrate with metalizations	TELIC	PG-HF-LRC-Az1500	Lower substrate for UV etching
Capture One photo editing software	Phase One		To Capture/Edit/Convert the pictures taken by Phase One Camera
Capture station	DT Scientific	DT Versa	To place of the chip in the field of view of the camera
Carbon dioxide gas (Grade E)	PRAXAIR	UN 1013, CAS Number 124-38-9	non-aqeous portion of foam
Chromium etchant 1020	TRANSENE	Lot #025433	High-purity ceric ammonium nitrate systems for precise, clean etching of chromium and chromium oxide films.
Circulating baths with digital temperature controller	PolyScience		To control the brine and CO2 temperatures
CO2	Airgas	100% pure - 001013 - CAS: 124-38-9	For CO2/scCO2 injection
Computer		NVIDIA Tesla K20 Graphic Card - 706 MHz Core - 5 GB GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16	To process and visualize the images obtained via the Phase One camera
Custom made high pressure glass chip holder			To tightly hold the chip and its connections for high pressure testing
Cutrain (Custom)			To protect against UV/IR Radiations
Deionized water (DI)			For cleaning
Digital camera with monochromatic 60 MP sensor	Phase One	IQ260	Visualization system
Ethanol, Anhydrous, USP Specs	DECON LABORATORIES, INC.	Lot #A12291505J, CAS# 64-17-5	For cleaning
Facepiece reusable respirator	3M	6502QL, Gases, Vapors, Dust, Medium	To protect against volatile solution inhalation
Fused Silica (UV Grade) wafer	SIEGERT WAFER	UV grade	Glass precursor for SLE printing
GIMP	Open-source image processing software		To characterize image texture and properties
Glovebox (vinyl anaerobic chamber)	Coy		To provide a clean, dust-free environment
Heated ultrasonic cleaning bath	Fisher Scientific		To accelerate the etching process
Hexamethyldisilazane (HMDS) Cleanroom® MB	KMG	62115	Primer for photoresist coating
Hose (PEEK tubing)	IDEX HEALTH & SCIENCE	Natural 1/16" OD x .010" ID x 5ft, Part # 1531	Flow connections
Hydrochloric acid, certified ACS plus	Fisher Chemical	Lot # 187244	Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol
Hydrogen Peroxide	Fisher Chemical	H325-500	Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol
ImageJ	NIH		To characterize image texture and properties
ISCO syringe pump	TELEDYNE ISCO	D-SERIES (100DM, 500D)	To pump the fluids
Kaiser LED light box	Kaiser		To illuminate the chip
Laser printing machine	LightFab GmbH, Germany.	FILL	Glass-SLE chip fabrication
Laser safety glasses	FreeMascot	B07PPZHNX4	To protect against UV/IR Radiations
LED Engin 5W UV Lens	LEDiL		To emitt LED light
Light Fab 3D Printer (femtosecond laser)	Light Fab		To selectively laser Etch of fused silica
LightFab 3D printer	LightFab GmbH, Germany		To SLE print the fused silica chips
MATLAB	MathWorks, Inc., Natick, MA		To characterize image texture and properties
Metallic plates
Micro abrasive sand blasters (Problast 2)	VANIMAN	Problast 2 – 80007	To craete holes in cover plates
MICROPOSIT 351 developer	Dow	10016652	Photoresist developer solution
Muffle furnace	Thermo Scientific	Thermolyne Type 1500	Thermal bonding
N2 pure research grade	Airgas	Research Plus - NI RP300	For drying the chips in each step
NMP semiconductor grade - 0.1μm Filtered	Ultra Pure Solutions, Inc	Lot #02191502T	Organic solvent
Oven	Gravity Convection Oven	18EG
Phase One IQ260 with an achromatic sensor	Phase One	IQ260	To visulize transport in microfluidic devices using an ISO 200 setting and an aperture at f/8.
Photomask	Fine Line Imaging	20,320 DPI FILM	Pattern of channels
Photoresist (SU-8)	MICRO CHEM	Product item: Y0201004000L1PE, Lot Number: 18110975	Photoresist
Polarized light microscope	OLYMPUS	BX51	Visual examination of micro channels
Ports (NanoPort Assembly)	IDEX HEALTH & SCIENCE	NanoPort Assembly Headless, 10-32 Coned, for 1/16" OD, Part # N-333	Connections to the chip
Python	Python Software Foundation		To characterize image texture and properties
Safety face shield	Sellstrom	S32251	To protect against UV/IR Radiations
Sealing film (Parafilm)	Bemis Company, Inc		Isolation of containers
Shutter Control Software	Schneider-Kreuznach		To adjust shutter settings
Smooth ceramic plates
Stirring hot plate	Corning®	PC-620D	To heat the solutions
Sulfuric acid, ACS reagent 95.0-98.0%	Sigma Aldrich	Lot # SHBK0108	Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol
Syringe pump (Standard Infuse/Withdraw PHD ULTRA)	Harvard Apparatus	70-3006	To saturate the chip before each experiment
Torque wrench	Snap-on	TE25A-34190	To tighten the screws
UV power meter	Optical Associates, Incorporated	Model 308	To measure the intesity of UV light
UV power meter	Optical Associates, Incorporated	Model 308	To quantify the strength of UV light
UV radiation stand (LED lights)			To transfer the pattern to glass (photoresist layer)
Vaccum pump	WELCH VACCUM TECHNOLOGY, INC	1380	To dry the chip
Variable DC power supplies	Eventek	KPS305D	To power the UV LED lights