Name: microfluidic fabrication techniques for high-pressure testing of microscale supercritical co2 foam transport in fractured unconventional reservoirs
Uploaded: 2020-07-02T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO2 Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs at JoVE.co

Die Autoren der University of Wyoming würdigen die Unterstützung im Rahmen des Center for Mechanistic Control of Water-Hydrocarbon-Rock Interactions in Unconventional and Tight Oil Formations (CMC-UF), einem vom Us-Energieministerium finanzierten Energy Frontier Research Center, Office of Science under DOE (BES) Award DE-SC0019165. Die Autoren der University of Kansas möchten den EPSCoR Research Infrastructure Improvement Program: Track -2 Focused EPSCoR Collaboration Award (OIA- 1632892) für die Finanzierung dieses Projekts würdigen. Die Autoren danken Jindi Sun von der Chemical Engineering Department, University of Wyoming, auch für ihre großzügige Hilfe bei der Instrumentenausbildung. SAA dankt Kyle Winkelman von der University of Wyoming für seine Hilfe beim Bau der Bildgebungs- und UV-Ständer. Nicht zuletzt würdigen die Autoren John Wasserbauer von microGlass, LLC für nützliche Diskussionen über die SLE-Technik.

VORSICHT: Dieses Protokoll umfasst die Handhabung eines Hochdruck-Setups, eines Hochtemperaturofens, gefährlicher Chemikalien und UV-Licht. Bitte lesen Sie alle relevanten Materialsicherheitsdatenblätter sorgfältig durch und befolgen Sie die Chemikaliensicherheitsrichtlinien. Überprüfen Sie die Sicherheitsrichtlinien für die Druckprüfung (hydrostatisch und pneumatisch), einschließlich der erforderlichen Schulung, des sicheren Betriebs aller Geräte, der damit verbundenen Gefahren, der Notfallkontakte usw. vor Beg...

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A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stabilization+of+CO2+foam+using+by-product+fly+ash+and+recyclable+iron+oxide+nanoparticles+to+improve+carbon+utilization+in+EOR+processes.">Stabilization of CO2 foam using by-product fly ash and recyclable iron oxide nanoparticles to improve carbon utilization in EOR processes.</a> Sustainable Energy and Fuels. 1, 814-822 (2017).</li><li>Wang, Y., Shahvali, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Discrete+fracture+modeling+using+Centroidal+Voronoi+grid+for+simulation+of+shale+gas+plays+with+coupled+nonlinear+physics.">Discrete fracture modeling using Centroidal Voronoi grid for simulation of shale gas plays with coupled nonlinear physics.</a> Fuel. 163, 65-73 (2016).</li><li>Tiggelaar, R. M., Benito-Lopez, F., Hermes, D. 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D., Carey, J. W., Viswanathan, H. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mixing+in+a+three-phase+system:+Enhanced+production+of+oil-wet+reservoirs+by+CO2+injection.">Mixing in a three-phase system: Enhanced production of oil-wet reservoirs by CO2 injection.</a> Geophysical Research Letters. 43, 196-205 (2016).</li><li>Rognmo, A. U., Fredriksen, S. B., Alcorn, Z. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pore-to-Core+EOR+Upscaling+for+CO2+Foam+for+CCUS.">Pore-to-Core EOR Upscaling for CO2 Foam for CCUS.</a> SPE Journal. 24, 1-11 (2019).</li><li>Erickstad, M., Gutierrez, E., Groisman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+low-cost+low-maintenance+ultraviolet+lithography+light+source+based+on+light-emitting+diodes.">A low-cost low-maintenance ultraviolet lithography light source based on light-emitting diodes.</a> Lab on a Chip. 15, 57-61 (2015).</li><li>Guo, F., Aryana, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+Experimental+Investigation+of+Flow+Regimes+in+Imbibition+and+Drainage+Using+a+Microfluidic+Platform.">An Experimental Investigation of Flow Regimes in Imbibition and Drainage Using a Microfluidic Platform.</a> Energies. 12 (7), 1-13 (2019).</li><li>Burshtein, N., Chan, S. T., Toda-peters, K., Shen, A. Q., Haward, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D-printed+glass+microfluidics+for+fluid+dynamics+and+rheology.">3D-printed glass microfluidics for fluid dynamics and rheology.</a> Current Opinion in Colloid &amp; Interface Science. 43, 1-14 (2019).</li><li>Wang, Y., Aryana, S. A., Banerjee, S., Barati, R., Patil, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Creation+of+Saturation+Maps+from+Two-Phase+Flow+Experiments+in+Microfluidic+Devices.">Creation of Saturation Maps from Two-Phase Flow Experiments in Microfluidic Devices.</a> Advances in Petroleum Engineering and Petroleum Geochemistry. Advances in Science, Technology &amp; Innovation. , 77-80 (2019).</li><li>Hermans, M., Gottmann, J., Riedel, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selective,+Laser-Induced+Etching+of+Fused+Silica+at+High+Scan-Speeds+Using+KOH.">Selective, Laser-Induced Etching of Fused Silica at High Scan-Speeds Using KOH.</a> Journal of Laser Micro/Nanoengineering. 9, 126-131 (2014).</li><li>Iliescu, C., Jing, J., Tay, F. E. H., Miao, J., Sun, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+masking+layers+for+deep+wet+etching+of+glass+in+an+improved+HF/HCl+solution.">Characterization of masking layers for deep wet etching of glass in an improved HF/HCl solution.</a> Surface &amp; Coatings Technology. 198, 314-318 (2005).</li></ol>

Diese Arbeit stellt ein Protokoll im Zusammenhang mit einer Fertigungsplattform dar, um robuste, Hochdruckglas-Mikrofluid-Geräte zu erstellen. Das in dieser Arbeit vorgestellte Protokoll lindert die Notwendigkeit eines Reinraums, indem mehrere der letzten Fertigungsschritte in einem Handschuhkarton ausgeführt werden. Die Verwendung eines Reinraums, sofern verfügbar, wird empfohlen, um das Kontaminationspotenzial zu minimieren. Darüber hinaus sollte die Wahl des Etchants auf der gewünschten Oberflächenrauheit basier...

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, Wasserverfügbarkeitsproblemen2,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 verbessertenCO2-Speicherkapazitäten im Untergrund mit einem potenziell geringeren ökologischen Fußabdruck im Vergleich zu herkömmlichen Fracking-Techniken6,7,11beiträgt.
Unter optimalen Bedingungen bietet überkritischerCO2-Schaum (ScCO2-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 Ressourcen12,13zu 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 scCO2-Schaumsystemen als effektive Fracking-Systeme dienen11. Die Eigenschaften vonCO2-Schaumsystemen für Untergrundanwendungen wurden in verschiedenen Maßstäben ausgiebig untersucht, wie z.B. die Charakterisierung seiner Stabilität und Viskosität in Sandpaketsystemen und seiner Wirksamkeit in Verdrängungsprozessen3,6,12,15,16,17. 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.

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	<tbody>
		<tr>
			<td>1/4&#8221; bolts and nuts</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>For fabrication of the metallic plates to sandwich the glass chip between them for thermal bonding</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3.45 x 3.45 mm UV LED</td>
			<td>Kingbright</td>
			<td></td>
			<td>To emitt LED light</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D measuring Laser microscope</td>
			<td>OLYMPUS</td>
			<td>LEXT OLS4000</td>
			<td>To measure channel depths</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>40 mm x 40 mm x 10 mm 12V DC Cooling Fan</td>
			<td>Uxcell</td>
			<td></td>
			<td>To cool the UV LED lights</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>120 mm x 38 mm 24V DC Cooling Fan</td>
			<td>Uxcell</td>
			<td></td>
			<td>To cool the UV LED lights</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5 ml (6 ml) NORM-JECT Syringe</td>
			<td>HENKE SASS WOLF</td>
			<td>Lot #16M14CB</td>
			<td>To rinse the chip before each experiment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone (Certified ACS)</td>
			<td>Fisher Chemical</td>
			<td>Lot #177121</td>
			<td>For cleaning</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acid/ corossion resistive tweezer</td>
			<td>TED PELLA</td>
			<td></td>
			<td>To handle the glass piece in corosive solutions</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acid/solvent resistance tweezers</td>
			<td>TED PELLA, INC</td>
			<td>#53009 and #53010</td>
			<td>To handle the glass in corrosive solutions</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alloy X</td>
			<td>AMERICAN SPECIAL METALS</td>
			<td>Heat Number: ZZ7571XG11</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium hydroxide (ACS reagent)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>Lot #SHBG9007V</td>
			<td>To clean the chip at the end of process</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AutoCAD</td>
			<td>Autodesk, San Rafael, CA</td>
			<td></td>
			<td>To design 2D patterns and 3D chips</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BD Etchant for PSG-SiO2 systems</td>
			<td>TRANSENE</td>
			<td>Lot #028934</td>
			<td>An improved buffered etch formulation for delineation of phosphosilica glass &#8211; SiO2 (PSG), and borosilica glass &#8211; SiO2 (BSG) systems</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blank Borofloat substrate</td>
			<td>TELIC</td>
			<td>CG-HF</td>
			<td>Upper substrate for UV etching</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Borofloat substrate with metalizations</td>
			<td>TELIC</td>
			<td>PG-HF-LRC-Az1500</td>
			<td>Lower substrate for UV etching</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Capture One photo editing software</td>
			<td>Phase One</td>
			<td></td>
			<td>To Capture/Edit/Convert the pictures taken by Phase One Camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Capture station</td>
			<td>DT Scientific</td>
			<td>DT Versa</td>
			<td>To place of the chip in the field of view of the camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon dioxide gas (Grade E)</td>
			<td>PRAXAIR</td>
			<td>UN 1013, CAS Number 124-38-9</td>
			<td>non-aqeous portion of foam</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chromium etchant 1020</td>
			<td>TRANSENE</td>
			<td>Lot #025433</td>
			<td>High-purity ceric ammonium nitrate systems for precise, clean etching of chromium and chromium oxide films.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Circulating baths with digital temperature controller</td>
			<td>PolyScience</td>
			<td></td>
			<td>To control the brine and CO2 temperatures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CO2</td>
			<td>Airgas</td>
			<td>100% pure - 001013 - CAS: 124-38-9</td>
			<td>For CO2/scCO2 injection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Computer</td>
			<td></td>
			<td>NVIDIA Tesla K20 Graphic Card - 706 MHz Core - 5 GB GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16</td>
			<td>To process and visualize the images obtained via the Phase One camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Custom made high pressure glass chip holder</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>To tightly hold the chip and its connections for high pressure testing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cutrain (Custom)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>To protect against UV/IR Radiations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deionized water (DI)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>For cleaning</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital camera with monochromatic 60 MP sensor</td>
			<td>Phase One</td>
			<td>IQ260</td>
			<td>Visualization system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol, Anhydrous, USP Specs</td>
			<td>DECON LABORATORIES, INC.</td>
			<td>Lot #A12291505J, CAS# 64-17-5</td>
			<td>For cleaning</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Facepiece reusable respirator</td>
			<td>3M</td>
			<td>6502QL, Gases, Vapors, Dust, Medium</td>
			<td>To protect against volatile solution inhalation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fused Silica (UV Grade) wafer</td>
			<td>SIEGERT WAFER</td>
			<td>UV grade</td>
			<td>Glass precursor for SLE printing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GIMP</td>
			<td>Open-source image processing software</td>
			<td></td>
			<td>To characterize image texture and properties</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glovebox (vinyl anaerobic chamber)</td>
			<td>Coy</td>
			<td></td>
			<td>To provide a clean, dust-free environment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heated ultrasonic cleaning bath</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td>To accelerate the etching process</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hexamethyldisilazane (HMDS) Cleanroom&#174; MB</td>
			<td>KMG</td>
			<td>62115</td>
			<td>Primer for photoresist coating</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hose (PEEK tubing)</td>
			<td>IDEX HEALTH &#38; SCIENCE</td>
			<td>Natural 1/16&#34; OD x .010&#34; ID x 5ft, Part # 1531</td>
			<td>Flow connections</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochloric acid, certified ACS plus</td>
			<td>Fisher Chemical</td>
			<td>Lot # 187244</td>
			<td>Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen Peroxide</td>
			<td>Fisher Chemical</td>
			<td>H325-500</td>
			<td>Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ImageJ</td>
			<td>NIH</td>
			<td></td>
			<td>To characterize image texture and properties</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ISCO syringe pump</td>
			<td>TELEDYNE ISCO</td>
			<td>D-SERIES (100DM, 500D)</td>
			<td>To pump the fluids</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kaiser LED light box</td>
			<td>Kaiser</td>
			<td></td>
			<td>To illuminate the chip</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser printing machine</td>
			<td>LightFab GmbH, Germany.</td>
			<td>FILL</td>
			<td>Glass-SLE chip fabrication</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser safety glasses</td>
			<td>FreeMascot</td>
			<td>B07PPZHNX4</td>
			<td>To protect against UV/IR Radiations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED Engin 5W UV Lens</td>
			<td>LEDiL</td>
			<td></td>
			<td>To emitt LED light</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Light Fab 3D Printer (femtosecond laser)</td>
			<td>Light Fab</td>
			<td></td>
			<td>To selectively laser Etch of fused silica</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LightFab 3D printer</td>
			<td>LightFab GmbH, Germany</td>
			<td></td>
			<td>To SLE print the fused silica chips</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks, Inc., Natick, MA</td>
			<td></td>
			<td>To characterize image texture and properties</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metallic plates</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro abrasive sand blasters (Problast 2)</td>
			<td>VANIMAN</td>
			<td>Problast 2 &#8211; 80007</td>
			<td>To craete holes in cover plates</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MICROPOSIT 351 developer</td>
			<td>Dow</td>
			<td>10016652</td>
			<td>Photoresist developer solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Muffle furnace</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>Thermolyne Type 1500</td>
			<td>Thermal bonding</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N2 pure research grade</td>
			<td>Airgas</td>
			<td>Research Plus - NI RP300</td>
			<td>For drying the chips in each step</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NMP semiconductor grade - 0.1&#956;m Filtered</td>
			<td>Ultra Pure Solutions, Inc</td>
			<td>Lot #02191502T</td>
			<td>Organic solvent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oven</td>
			<td>Gravity Convection Oven</td>
			<td>18EG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phase One IQ260 with an achromatic sensor</td>
			<td>Phase One</td>
			<td>IQ260</td>
			<td>To visulize transport in microfluidic devices using an ISO 200 setting and an aperture at f/8.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photomask</td>
			<td>Fine Line Imaging</td>
			<td>20,320 DPI FILM</td>
			<td>Pattern of channels</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photoresist (SU-8)</td>
			<td>MICRO CHEM</td>
			<td>Product item: Y0201004000L1PE, Lot Number: 18110975</td>
			<td>Photoresist</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polarized light microscope</td>
			<td>OLYMPUS</td>
			<td>BX51</td>
			<td>Visual examination of micro channels</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ports (NanoPort Assembly)</td>
			<td>IDEX HEALTH &#38; SCIENCE</td>
			<td>NanoPort Assembly Headless, 10-32 Coned, for 1/16&#34; OD, Part # N-333</td>
			<td>Connections to the chip</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Python</td>
			<td>Python Software Foundation</td>
			<td></td>
			<td>To characterize image texture and properties</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Safety face shield</td>
			<td>Sellstrom</td>
			<td>S32251</td>
			<td>To protect against UV/IR Radiations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sealing film (Parafilm)</td>
			<td>Bemis Company, Inc</td>
			<td></td>
			<td>Isolation of containers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shutter Control Software</td>
			<td>Schneider-Kreuznach</td>
			<td></td>
			<td>To adjust shutter settings</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Smooth ceramic plates</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stirring hot plate</td>
			<td>Corning&#174;</td>
			<td>PC-620D</td>
			<td>To heat the solutions</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sulfuric acid, ACS reagent 95.0-98.0%</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>Lot # SHBK0108</td>
			<td>Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump (Standard Infuse/Withdraw PHD ULTRA)</td>
			<td>Harvard Apparatus</td>
			<td>70-3006</td>
			<td>To saturate the chip before each experiment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Torque wrench</td>
			<td>Snap-on</td>
			<td>TE25A-34190</td>
			<td>To tighten the screws</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV power meter</td>
			<td>Optical Associates, Incorporated</td>
			<td>Model 308</td>
			<td>To measure the intesity of UV light</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV power meter</td>
			<td>Optical Associates, Incorporated</td>
			<td>Model 308</td>
			<td>To quantify the strength of UV light</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV radiation stand (LED lights)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>To transfer the pattern to glass (photoresist layer)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vaccum pump</td>
			<td>WELCH VACCUM TECHNOLOGY, INC</td>
			<td>1380</td>
			<td>To dry the chip</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Variable DC power supplies</td>
			<td>Eventek</td>
			<td>KPS305D</td>
			<td>To power the UV LED lights</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

microfluidic fabrication techniques for high-pressure testing of microscale supercritical co2 foam transport in fractured unconventional reservoirs

Druckbegrenzungen vieler mikrofluidischer Plattformen stellten eine große Herausforderung in mikrofluidischen experimentellen Studien von gebrochenen Medien dar. Infolgedessen wurden diese Plattformen für die direkte Beobachtung des Hochdrucktransports bei Frakturen nicht voll ausgenutzt. Diese Arbeit stellt mikrofluidische Plattformen vor, die eine direkte Beobachtung des mehrphasigen Durchflusses in Geräten mit durchlässigen Ersatzmedien und gebrochenen Systemen ermöglichen. Solche Plattformen bieten einen Weg, um wichtige und aktuelle Fragen wie die im Zusammenhang mit CO2-Abscheidung, -Nutzung und -Speicherung anzugehen. Diese Arbeit bietet eine detaillierte Beschreibung der Fertigungstechniken und ein experimentelles Setup, das dazu dienen kann, das Verhalten von überkritischemCO2-Schaum (scCO2) Schaumstoff, seine Struktur und Stabilität zu analysieren. Solche Studien liefern wichtige Erkenntnisse über verbesserte Ölrückgewinnungsprozesse und die Rolle hydraulischer Frakturen bei der Ressourcenrückgewinnung aus unkonventionellen Reservoirs. Diese Arbeit stellt eine vergleichende Studie über mikrofluidische Geräte dar, die mit zwei verschiedenen Techniken entwickelt wurden: Photolithographie/Nassätzung/thermische Bindung im Vergleich zur selektiven Laser-induzierten Ätzung. Beide Techniken führen zu Geräten, die chemisch und physikalisch beständig und tolerant gegenüber hohen Druck- und Temperaturbedingungen sind, die den von Interesse sindden Oberflächensystemen entsprechen. Beide Techniken bieten Wege zu hochpräzisegeätzten Mikrokanälen und leistungsfähigen Lab-on-Chip-Geräten. Photolithographie/Nassätzung ermöglicht jedoch die Herstellung komplexer Kanalnetzwerke mit komplexen Geometrien, was eine anspruchsvolle Aufgabe für Laserätztechniken wäre. Diese Arbeit fasst ein Schritt-für-Schritt-Photolithographie-, Nassätz- und Glas-Thermo-Bonding-Protokoll zusammen und präsentiert repräsentative Beobachtungen des Schaumtransports mit Relevanz für die Ölrückgewinnung aus unkonventionellen engen und Schieferformationen. Schließlich beschreibt diese Arbeit die Verwendung eines hochauflösenden monochromatischen Sensors, um das ScCO 2-Schaumverhalten zu beobachten, bei dem die Gesamtheit des durchlässigen Mediums gleichzeitig beobachtet wird, wobei die Auflösung erhalten bleibt, die erforderlich ist, um Funktionen von bis zu 10 m aufzulösen.

Dieser Abschnitt zeigt Beispiele für physikalische Beobachtungen von scCO2 Schaumdurchfluss durch eine Hauptfraktur, die mit einer Reihe von Mikrorissen verbunden ist. Ein mikrofluidisches Glasgerät aus Licht umfangsbildenden Geräten, das über Photolithographie oder SLE hergestellt wird, befindet sich in einem Halter und im Sichtfeld einer Kamera mit einem 60 Megapixel, monochromatischen Vollformatsensor. Abbildung 11 zeigt den Prozess der Herstellung mikrofluidischer Geräte ...

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Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO2 Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs

Dieser Beitrag beschreibt ein Protokoll zusammen mit einer vergleichenden Untersuchung von zwei mikrofluidischen Fertigungstechniken, nämlich Photolithographie/Nassätzung/thermische Bindung und Selektive Laser-induzierte Ätzung (SLE), die für Hochdruckbedingungen geeignet sind. Diese Techniken sind Förderplattformen für die direkte Beobachtung des Flüssigkeitsflusses in ersatzdurchlässigen Medien und gebrochenen Systemen unter Reservoirbedingungen.

Mikrofluidische Fertigungstechniken zur Hochdruckprüfung von mikroskaligen superkritischenCO2-Schaumtransporten in gebrochenen unkonventionellen Reservoirs

Pressure limitations of many microfluidic platforms have been a significant challenge in microfluidic experimental studies of fractured media. As a ...

Dieses Protokoll ist eine multidisziplinäre Zusammenarbeit zwischen der University of Kansas und der University of Wyoming. Wir mussten unsere patentierten, polyelektrolytkomplexen Nanopartikel mit Hochdruck-Mikrofluidik testen. Und es begann eine gemeinsame Anstrengung zwischen unserer Forschungsgruppe und Dr.Aryanas Forschungsgruppe, um seine hochmodernen Einrichtungen zu nutzen.Wir möchten der NSF für die Finanzierung eines Teils dieses Projekts danken und dem tertiären oder Wiederauffüllungsprogramm für die Bereitstellung ihrer Einrichtungen und Unterstützung danken, die für dieses Projekt benötigt werden. Darüber hinaus wurde diese Arbeit teilweise von CMCUF und dem Energy Frontier Research Center unterstützt, das vom DOE finanziert wurde. Dieses Protokoll und seine Anwendung, komplexe durchlässige Medien und ihre Hochdruckbedingungen zu ersetzen, ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen zwei Forschungsgruppen der University of Wyoming und der anderen von der University of Kansas.In diesem Protokoll wird das Herstellungsverfahren für eine robuste mikrofluidische Plattform in Ermangelung von Reinraumeinrichtungen beschrieben. Diese Plattform ermöglicht die direkte Visualisierung des Durchflusses in komplexen Geometrien unter Hochdruckbedingungen. Die beschriebene Technik kann verwendet werden, um komplexe Kanalnetzwerke in Glassubstraten zu altern, die Strukturen aus untergrundmedien imitieren und hohen Druckbedingungen standhalten, die bei der CO2-Nutzung und -Speicherung auftreten.Diese Methode kann verwendet werden, um Einblicke in Kreuzungen und den Transport komplexer Flüssigkeiten in undurchlässigen Medien im Kontext von CCUS zu geben. Bei der Durchführung dieses Protokolls sind Patienten und äußerste Vorsicht geboten, um das Risiko von Körperverletzungen und Ausfällen im Herstellungsprozess zu minimieren. Die visuelle Demonstration dieser Methode ermöglicht eine effektive Kommunikation der Schritte, die bei der erfolgreichen Ausführung von entscheidender Bedeutung sind.Beginnen Sie, indem Sie eine ausreichende Menge an Chromätzlösung in ein Becherglas gießen und auf ca. 40 Grad Celsius erwärmen. Dann legen Sie die Maske direkt auf die Seite des Borosilikatsubstrats, das mit Chrom und Fotowiderstand bedeckt ist. Übertragen Sie das geometrische Muster in die Fotowiderstandsschicht, indem Sie den Stapel des Substrats und die Maske UV-Licht aussetzen.Entfernen Sie die Fotomaske und den Substratstapel von der UV-Stufe, entfernen Sie dann die Fotomaske und tauchen Sie das Substrat und die Entwicklerlösung für ca. 40 Sekunden unter. Kaskade spülen das Substrat, indem es deionisiertes Wasser auf dem Substrat und über alle seine Oberflächen mindestens dreimal fließt. Nachdem Das Substrat trocknen lassen hat, tauchen Sie es ca. 40 Sekunden lang in das vorgewärmte Chrom-Etchant ein und übertragen so das Muster vom Fotowiderstand auf die Chromschicht.Entfernen Sie das Substrat aus der Lösung, spülen Sie es mit entionisiertem Wasser ab und lassen Sie es trocknen. Mit einem Pinsel mehrere Schichten HMDS auf die unbedeckte Fläche des Substrats auftragen und trocknen lassen. Tragen Sie eine Schicht Fotowiderstand auf die Grundierung auf, dann legen Sie das Substrat in einem Ofen bei 60 bis 90 Grad Celsius für 30 bis 40 Minuten.Danach lassen Sie das Mustersubstrat in der Etchant-Lösung für eine vorgegebene Zeit, basierend auf den gewünschten Kanaltiefen. Entfernen Sie das Substrat aus dem Etchant, indem Sie eine lösungsmittelbeständige Pinzette verwenden und kaskadieren Sie es mit entionisiertem Wasser abspülen. Setzen Sie das Substrat der NMP-Lösung aus, die etwa 30 Minuten lang auf 65 Grad Celsius vorgewärmt wird, um den Fotowiderstand zu entfernen.Kaskade spülen Sie es mit Aceton gefolgt von Ethanol und entionisiertem Wasser. Das saubere Substrat in Chrom-Etchant geben und etwa eine Minute auf ca. 40 Grad Celsius erhitzen. Dann charakterisieren Sie die Kanaltiefe mittels Laserscanning, konfokale Mikroskopie.Markieren Sie die Positionen der Ein- und Auslasslöcher auf einem leeren Borosilikatsubstrat, indem Sie die Abdeckplatte gegen das geätzte Substrat ausrichten. Verwenden Sie einen mikroabrasiven Sandstrahler und 50 Mikrometer Aluminiumoxid-Mikrosandstrahlmedien, um Löcher in den markierten Stellen zu durchstrahlen. Kaskade spülen sowohl das geätzte Substrat als auch die Abdeckplatte mit entionisiertem Wasser.Dann eine ein bis vier Wasserstoffperoxid-Schwefelsäure-Piranha-Lösung zum Kochen bringen und das Substrat und die Abdeckplatte 10 Minuten in die Lösung untertauchen. Nach dem Spülen des Substrats und der Abdeckplatte 30 bis 40 Sekunden in den Pufferetchant tauchen und wieder ausspülen. Als nächstes tauchen Sie das Substrat und die Abdeckplatte für 10 Minuten in ein sechs zu eins Wasser, Wasserstoffperoxid, Salzsäurelösung, die auf etwa 75 Grad Celsius erhitzt wird.Drücken Sie das Substrat und die Abdeckplatte fest gegeneinander, während sie untergetaucht sind, entfernen Sie sie dann aus der Lösung, spülen Sie sie kaskadieren und tauchen Sie sie in entionisiertes Wasser. Stellen Sie sicher, dass das Substrat und die Abdeckplatte fest miteinander verbunden sind, drücken Sie sie gegeneinander und entfernen Sie sie vorsichtig aus dem Wasser. Richten Sie das Substrat und die Abdeckplatte sorgfältig aus, während sie in DI-Wasser getaucht werden, und wiederholen Sie den Vorgang, bis keine Luftblasen zwischen den beiden beobachtet werden.Legen Sie die Stapelsubstrate zwischen zwei glatten 1,5 zwei Zentimeter dicken Glaskeramikplatten zum Verkleben. Legen Sie die Glaskeramikplatten zwischen zwei Metallplatten aus Legierung x. Sicherstellen, dass die Glaswafer und der Keramik-Metallhalter zentriert sind.Die Muttern von Hand anziehen und den Halter 60 Minuten bei ca. 100 Grad Celsius in eine Vakuumkammer stellen. Entfernen Sie dann den Halter aus der Kammer und ziehen Sie die Muttern vorsichtig fest. Platzieren Sie den Halter in einem Ofen und führen Sie ein Heizprogramm gemäß Manuskriptanweisungen aus.Entfernen Sie die thermisch gebundene mikrofluidische Vorrichtung aus dem Ofen und spülen Sie sie mit Wasser ab. Dann baden beschallen Sie es in Salzsäure für eine Stunde. Füllen Sie die Tanks der Kohlendioxid- und Wasserpumpen mit genügend Flüssigkeiten für das Experiment und füllen Sie mit einer Spritze den Soleakkumulator und die Fließleitungen mit der Tensidlösung.Legen Sie das gesättigte mikrofluidische Gerät in einen druckfesten Halter und schließen Sie die Ein- und Auslassanschlüsse mit den entsprechenden Leitungen mit 0,01 Zoll Innendurchmesserrohren an. Erhöhen Sie die Temperatur des zirkulierenden Bades, das die Temperatur der Sole- und Kohlendioxidleitungen auf die gewünschte Temperatur steuert. Erhöhen Sie den Gegendruck und den Solepumpendruck gleichzeitig in schrittweisen Schritten, während der kontinuierliche Durchfluss vom Ausgang des Gegendruckreglers erhalten bleibt.Erhöhen Sie den Druck bis zu 7,38 Mega-Pascal und stoppen Sie die Pumpen. Erhöhen Sie den Kohlendioxid-Leitungsdruck auf einen Druck über 7,38 Mega-Pascal, öffnen Sie dann das Kohlendioxidventil und lassen Sie das superkritische Kohlendioxid, das mit der Hochdruck-Tensidlösung vermischt wird, durch einen Inline-Mischer fließen und Schaum erzeugen. Warten Sie, bis der Durchfluss im Inneren des Geräts vollständig entwickelt ist und die Kanäle gesättigt sind, und überwachen Sie den Auslass für den Beginn der Schaumerzeugung.Schalten Sie die Kamera ein, um detaillierte Strömungsbilder innerhalb der Kanäle zu erfassen. Der Transport und die Stabilität des Kohlendioxidschaums in der mikrofluidischen UV-Lithographie-Anlage während der ersten 20 Minuten der Erzeugung und Isolierung wird hier gezeigt. Die mehrphasige Überquerung der Mikrorisse und Schaum wurde durch die Mikrofrakturen erzeugt.Der Schaum wurde in einem selektiven laserinduzierten ätzenden mikrofluidischen Gerät erzeugt, beginnend von der Umgebungsumgebung ohne Strömung bis hin zu voll entwickeltem, superkritischem Kohlendioxidschaum bei hohen und niedrigen Durchflussraten. Die Schaumverteilung und -stabilität wurde in den ersten 20 Minuten der Erzeugung und Isolierung unter Reservoirbedingungen abgebildet. Die Verteilung der Blasendurchmesser wurde anhand des Bildes J. Quantifizierung der Schaummikrostruktur wurde mit Rohbildern, postverarbeiteten Bildern und deren binarised Äquivalenten bestimmt.Bei diesem praktischen Versuch ist es wichtig, das Muster auf der Chromschicht unter einem gelben Licht sorgfältig zu untersuchen, um sicherzustellen, dass das gewünschte Muster korrekt übertragen wird. Variationen dieser Methoden umfassen Hochdruckinjektion von Öl, Polymerlösungen und Salzgehalt Soles, um ein Verständnis der Physik des Flusses komplexer Flüssigkeiten durch direkte Visualisierung zu entwickeln.

Research

JoVE Journal

Engineering

Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO2 Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

Herstellung von VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Air Cells für Elektrochemische Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for ...

Forschung

Ingenieurwesen

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

Synthese und Mikrodiffraktion bei extremen Drücken und Temperaturen

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Herstellung und Prüfung von Mikrofluidik-Optomechanische Oszillatoren

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

Thermal-Messtechnik in Analytical Mikrofluidiksysteme

Thermal measurement techniques have been used for many applications such as thermal characterization of materials and chemical reaction detection. ...

Adsorption Device Based on a Langatate Crystal Microbalance for High Temperature High Pressure Gas Adsorption in Zeolite H-ZSM-5

Adsorptionsvorrichtung Basierend auf einem Langatate Crystal Micro für Hochtemperatur-Hochdruck-Gas Adsorption in Zeolith H-ZSM-5

We present a high-temperature and high-pressure gas adsorption measurement device based on a high-frequency oscillating microbalance (5 MHz langatate ...

Solvent Bonding for Fabrication of PMMA and COP Microfluidic Devices

Lösungsmittelbindung für die Herstellung von PMMA und COP Mikrofluidiksysteme

Thermoplastic microfluidic devices offer many advantages over those made from silicone elastomers, but bonding procedures must be developed for each ...

Subsurface Defect Localization by Structured Heating Using Laser Projected Photothermal Thermography

Untergrundfehler-Lokalisierung durch strukturierte Erwärmung mittels laserprojektierter photothermischer Thermografie

The presented method is used to locate subsurface defects oriented perpendicularly to the surface. To achieve this, we create destructively interfering ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

Herstellung von Polymer-Mikrosphären für optische Resonator- und Laseranwendungen

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, ...

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

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Fokussierte Ion Beam Herstellung von LiPON-basierten Solid-State-Lithium-Ionen-Nanobatteries zu Testzwecken In Situ

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...

In Situ High Pressure Hydrogen Tribological Testing of Common Polymer Materials Used in the Hydrogen Delivery Infrastructure

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In Situ Hochdruck-Wasserstoff tribologischen Tests der gemeinsamen Polymerwerkstoffe in Lieferung Wasserstoffinfrastruktur

High pressure hydrogen gas is known to adversely affect metallic components of compressors, valves, hoses, and actuators. However, relatively little is ...