Mikrofluid anordninger til kendetegner Pore-skala begivenhed processer i porøse medier for olie Recovery programmer
Summary
Målet med denne procedure er at nemt og hurtigt fremstille en mikrofluid enhed med customizable geometri og modstand mod hævelse af organiske væsker til olie opsving undersøgelser. En Polydimethylsiloxan mug er først genereret, og derefter bruges til at kaste den epoxy-baserede enhed. En repræsentativ forskydning undersøgelse er rapporteret.
Abstract
Mikrofluid enheder er alsidige værktøjer til at studere transport processer i mikroskala. En efterspørgsel findes for mikrofluid enheder, er resistente over for lav molekylvægt olie komponenter, i modsætning til traditionelle Polydimethylsiloxan (PDMS) enheder. Her, vi viser en letkøbt metode for at gøre en enhed med denne egenskab, og vi bruger produktet af denne protokol for at undersøge pore-skala mekanismerne af hvilke skum genopretter råolie. Et mønster er først udviklet ved hjælp af computer-aided design (CAD) programmel og trykt på en transparent med en højopløsningsprinter. Dette mønster er derefter overført til et photoresist via et litografi procedure. PDMS er kastet på mønsteret, tørret i en ovn, og fjernes for at opnå en skimmel. En thiol-en crosslinking polymer, almindeligt anvendt som en optisk lim (OA), derefter hældes på formen og hærdet under UV-lys. PDMS mug er skrællet væk fra den optiske selvklæbende støbt. Et glas substrat er så klar, og de to halvdele af enheden er bundet sammen. Optiske limen-baserede enheder er mere robust end traditionelle PDMS mikrofluid enheder. Epoxy struktur er resistente over for hævelse af mange organiske opløsningsmidler, som åbner nye muligheder for eksperimenter, der involverer lys organiske væsker. Derudover er funktionen overflade befugtningen af disse enheder mere stabile end PDMS. Opførelsen af optiske klæbende mikrofluid enheder er simpel, kræver imidlertid gradvist mere indsats end foretagelse af PDMS-baserede enheder. Også, selvom optiske limen enheder er stabile i organiske væsker, kan de udviser reduceret bindingsstyrke efter lang tid. Optisk klæbende mikrofluid enheder kan gøres i geometrier, der fungerer som 2-D micromodels til porøse medier. Disse enheder anvendes i studiet af olie forskydning til at forbedre vores forståelse af pore-skala mekanismer involveret i udvidet olie inddrivelsen og grundvandsmagasinet oprydning.
Introduction
Formålet med denne metode er at visualisere og analysere flere faser, multi-komponent væske interaktioner og komplekse pore-skala dynamics i porøse medier. Flydende flow og transport i porøse medier har været af interesse for mange år fordi disse systemer kan anvendes til flere undergrunden processer såsom olieindvinding, grundvandsmagasin oprydning og hydrauliske briste1,2, 3 , 4 , 5. Brug micromodels til at efterligne disse komplekse pore-strukturer, unikke indsigt er opnået ved at visualisere pore-plan dynamiske begivenheder mellem de forskellige flydende faser og medier6,7,8 ,9,10,11.
Fabrikation af traditionelle silica-baserede micromodels er dyrt, tidskrævende og udfordrende, men opbygningen af micromodels fra optiske limen tilbyder en relativt billig, hurtig og nem alternative12,13, 14,15. Sammenlignet med andre polymer-baseret micromodels, udviser optiske limen mere stabil overflade befugtning egenskaber. Eksempelvis vil Polydimethylsiloxan (PDMS) micromodel overflader hurtigt blive hydrofobe i løbet af en typisk forskydning eksperiment16. De unge modulus af PDMS er desuden 2,5 MPa af optiske limen er 325 MPa13,17,18. Optiske limen er således mindre tilbøjelige til at presse induceret deformation og kanal fiasko. Vigtigere, er hærdede optiske limen meget mere resistente over for hævelse af lavmolekylære organiske bestanddele, som giver mulighed for eksperimenter, der involverer råolie og lys opløsningsmidler skal udføres18. Samlede, optiske limen er et bedre alternativ til PDMS for forskydning undersøgelser der involverer råolie når silica-baserede micromodels er uoverkommeligt kompliceret eller dyrt og høj temperatur og tryk undersøgelser er ikke påkrævet.
Protokollen beskrev i denne publikation giver trinvise fabrikation instruktioner for optisk klæbende micromodels og rapporterer de subtile tricks, der sikrer succes i manipulation af små mængder af væsker. Design og fabrikation af optiske limen baseret micromodels med blød litografi er først beskrevet. Derefter gives væske forskydning strategi for ultra-lav strømningshastigheder, der er almindeligt uopnåelige med massestrøm controllere. Dernæst gives et repræsentativt eksperimentelle resultat som et eksempel. Dette eksperiment afslører skum destabilisering og formering opførsel i nærværelse af råolie og heterogene porøse medier. Endelig, typisk billede behandling og data analyse er rapporteret.
Metoden leveres her er velegnet til visualisering ansøgninger, der involverer flere faser flow og interaktioner i begrænset microchannel rum. Specifikt, denne metode er optimeret til karakteristiske mikro-funktion beslutninger større end 5 og mindre end 700 µm. typisk flow satser størrelsesordenen 0,1 til 1 mL/h. I studiet af råolie eller lys opløsningsmiddel forskydning af vandige eller luftformige væsker på rækkefølgen af disse optimerede parametre på omgivende betingelser, bør denne protokol bør.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol for at studere olie nyttiggørelsesprocesser i optisk klæbende micromodels balance mellem robusthed af ikke-polymere micromodels – såsom glas eller silicium- og den facile fabrikation af PDMS mikrofluid enheder. I modsætning til micromodels lavet af glas eller optiske limen, mangler PDMS enheder modstandsdygtighed over for lys økologisk arter. PDMS micromodels er heller ikke ideelt til mange eksperimenter fordi overflader af disse enheder har ustabil befugtning egenskaber, og polymer matrix er gennem…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi anerkender den finansielle støtte fra Rice University konsortium for processer i porøse medier (Houston, TX, USA).
Materials
| 3 mL Leur-Lok Syringe | Fischer Scientific | 14-823-435 | |
| 10 mL Glass Syringe | Fischer Scientific | 1482698G | |
| Photomask | CAD/Art Services | ||
| Silicon Wafer | University Wafer | 452 | |
| Propylene-Glycol-Methyl-Ether-Acetate | Sigma Aldrich | 484431-4L | |
| 150 mm Glass Petri Dish | Carolina Biological Supply | #721134 | |
| 60 mm Plastic Petri Dish | Carolina Biological Supply | #741246 | |
| Mask Aligner | EV Group | EVG 620 | |
| 1 mm Biopsy Punch | Miltex, Plainsboro, NJ | 69031-01 | |
| Industrial Dispensing Tip | CML Supply | Gauge 23 | |
| Inverted Microscope | Olympus | IX-71 | |
| Plasma System | Harrick Plasma | PDC-32G | Plasma cleaner |
| Polydimehtylsiloxane (PDMS) | Dow Corning, Midland, MI | SYLGARD 184 | |
| Norland Optical Adhesive 81 (NOA81) or (OA) | Norland Products Inc. | 8116 | Optical adhesive |
| Quick-Set Epoxy | Fisher Scientific | 4001 | |
| Glass Slides | Globe Scientic Inc. | 1321 | |
| SU-8 2015 Photoresist | MicroChem | SU-8 2015 | Photo resist |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus | Fusion 400 | |
| Glass Capillary Tubing | SGE Analytical Science | 1154710C | |
| High-Speed Camera | Vision Research | V 4.3 | |
| Polyethylene Tubing | Scientific Commodities Inc. | #BB31695-PE/3 |
Riferimenti
- Blaker, T., et al. Foam for Gas Mobility Control in the Snorre Field: The FAWAG Project. SPE Reserv Eval Eng. 5 (04), 317-323 (2002).
- Mannhardt, K., Svorstøl, I. Effect of oil saturation on foam propagation in Snorre reservoir core. J Petrol Sci Eng. 23 (3-4), 189-200 (1999).
- Falls, A. H., Lawson, J. B., Hirasaki, G. J. The Role of Noncondensable Gas in Steam Foams. J Petrol Technol. 40 (01), 95-104 (1988).
- Hirasaki, G. J., Miller, C. A., Szafranski, R., Lawson, J. B., Akiya, N. . Surfactant/Foam Process for Aquifer Remediation. , (1997).
- Lv, Q., Li, Z., Li, B., Li, S., Sun, Q. Study of Nanoparticle-Surfactant-Stabilized Foam as a Fracturing Fluid. Ind Eng Chem Res. 54 (38), 9468-9477 (2015).
- Conn, C. A., Ma, K., Hirasaki, G. J., Biswal, S. L. Visualizing oil displacement with foam in a microfluidic device with permeability contrast. Lab Chip. 14 (20), 3968-3977 (2014).
- Ma, K., Liontas, R., Conn, C. A., Hirasaki, G. J., Biswal, S. L. Visualization of improved sweep with foam in heterogeneous porous media using microfluidics. Soft Matter. 8 (41), 10669 (2012).
- Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using “flow focusing” in microchannels. Appl Phys Lett. 82 (3), 364 (2003).
- Gauteplass, J., Chaudhary, K., Kovscek, A. R., Fernø, M. A. Pore-level foam generation and flow for mobility control in fractured systems. Colloid Surface A. 468, 184-192 (2015).
- Kovscek, A. R., Radke, C. J. Gas bubble snap-off under pressure-driven flow in constricted noncircular capillaries. Colloid Surface A. 117 (1-2), 55-76 (1996).
- Géraud, B., Jones, S. A., Cantat, I., Dollet, B., Méheust, Y. The flow of a foam in a two-dimensional porous medium: FOAM FLOW IN A 2-D POROUS MEDIUM. Water Resour Res. 52 (2), 773-790 (2016).
- Lin, Y. -. J., et al. Examining Asphaltene Solubility on Deposition in Model Porous Media. Langmuir. 32 (34), 8729-8734 (2016).
- Bartolo, D., Degré, G., Nghe, P., Studer, V. Microfluidic stickers. Lab Chip. 8 (2), 274-279 (2008).
- Kenzhekhanov, S. . Chemical EOR process visualization using NOA81 micromodels. , (2017).
- Zhuang, Y. G., et al. Experimental Investigation of Asphaltene Deposition in a Transparent Microchannel. Proceedings of the 1st Thermal and Fluid Engineering Summer Conference. , (2016).
- Ma, K., Rivera, J., Hirasaki, G. J., Biswal, S. L. Wettability control and patterning of PDMS using UV-ozone and water immersion. J Colloid Interf Sci. 363 (1), 371-378 (2011).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Anal Chem. 70 (23), 4974-4984 (1998).
- Sollier, E., Murray, C., Maoddi, P., Di Carlo, D. Rapid prototyping polymers for microfluidic devices and high pressure injections. Lab Chip. 11 (22), 3752 (2011).
- Lee, J. N., Park, C., Whitesides, G. M. Solvent Compatibility of Poly(dimethylsiloxane)-Based Microfluidic Devices. Anal Chem. 75 (23), 6544-6554 (2003).
- Silvestrini, S., et al. Tailoring the wetting properties of thiolene microfluidic materials. Lab Chip. 12 (20), 4041 (2012).
- Wägli, P., Homsy, A., de Rooij, N. F. Norland optical adhesive (NOA81) microchannels with adjustable wetting behavior and high chemical resistance against a range of mid-infrared-transparent organic solvents. Sensor Actuat B-Chem. 156 (2), 994-1001 (2011).
- Hung, L. -. H., Lin, R., Lee, A. P. Rapid microfabrication of solvent-resistant biocompatible microfluidic devices. Lab Chip. 8 (6), 983 (2008).
