Microfluidic enheter for å karakterisere Pore skala hendelse prosesser i porøse medier for olje utvinning programmer
Summary
Målet med denne prosedyren er å enkelt og raskt lage en microfluidic enhet med passelig geometri og motstand mot hevelse av organisk væsker for olje utvinning studier. En polydimethylsiloxane mold først genereres, og deretter brukes å kaste epoxy-baserte enheten. En representant forskyvning studie er rapportert.
Abstract
Microfluidic enheter er allsidig verktøy for å studere transport prosesser på en mikroskopisk skala. En etterspørsel finnes for microfluidic enheter som er resistente mot lav molekylvekt oljekomponenter, i motsetning til tradisjonelle polydimethylsiloxane (PDMS) enheter. Her viser vi en lettvint metode for å gjøre en enhet med denne egenskapen, og vi bruker produktet av denne protokollen for å undersøke pore skala mekanismer av hvilke skum gjenoppretter råolje. Et mønster er først utviklet bruker programvare for datamaskinassistert utforming (CAD) og trykt på gjennomsiktighet med en skriver med høy oppløsning. Dette mønsteret er deretter overført til en photoresist via en litografi prosedyre. PDMS er kastet på mønster, herdet i en ovn, og fjernet for å få en mold. En thiol-ene crosslinking polymer, brukte som optisk lim (OA), deretter strømmet ut mold og kurert under UV-lys. PDMS mold skrelles fra optisk selvklebende støpt. En barometer substrate så forberedt, og de to halvdelene av enheten er limt sammen. Optisk lim-baserte enheter er mer robust enn tradisjonelle PDMS microfluidic enheter. Epoxy strukturen er motstandsdyktig mot hevelse av mange organiske løsemidler, som åpner nye muligheter for eksperimenter med lys organisk væsker. I tillegg er overflate wettability virkemåten til disse enhetene mer stabilt enn PDMS. Byggingen av optisk lim microfluidic enheter er enkel, men krever gradvis mer innsats enn inngåelse av PDMS-baserte enheter. Selvklebende måleinstrumenter er stabil i organisk væsker, kan de også utvise redusert bindestyrke etter en lang tid. Optisk lim microfluidic enheter kan gjøres i geometrier som 2D-micromodels for porøse medier. Disse enhetene brukes i studiet av olje forskyvning å forbedre vår forståelse av pore skala mekanismer involvert i økt utvinning og akvifer Utbedring.
Introduction
Formålet med denne metoden er å visualisere og analysere multi-fase, multi-komponent væske interaksjoner og komplekse pore skala dynamikk i porøse medier. Strømning og transport i porøse medier har vært rundt i mange år fordi disse systemene er gjelder for flere geologiske prosesser som utvinning, akvifer Utbedring og hydraulisk oppsprekking1,2, 3 , 4 , 5. bruker micromodels for å etterligne disse komplekse pore-strukturer, unik innsikt oppnås ved å visualisere pore nivå dynamisk hendelser mellom de ulike væske fasene og media6,7,8 ,9,10,11.
Fabrikasjon av tradisjonelle silisium-baserte micromodels er dyrt, tidkrevende og utfordrende, men konstruere micromodels fra optisk lim tilbyr en relativt billig, rask og enkelt alternative12,13, 14,15. Sammenlignet med andre polymer-baserte micromodels, utstillinger optisk lim mer stabil overflate wetting egenskaper. For eksempel vil polydimethylsiloxane (PDMS) micromodel flater raskt bli hydrofobe i løpet av en typisk forskyvning eksperiment16. Videre er den unge modulus av PDMS 2,5 MPa mens det av optisk lim er 325 MPa13,17,18. Dermed er optisk lim mindre utsatt for press indusert deformasjon og kanal feil. Viktigere, er herdet optisk lim mye mer motstandsdyktig mot hevelse av lav molekylvekt organisk komponenter, som lar forsøk med råolje og lys løsemidler å være gjennomført18. Samlet, optisk lim er et godt alternativ til PDMS for forskyvning studier involverer råolje når silisium-baserte micromodels er prohibitively kompleks eller dyre og høy temperatur og trykk studier er ikke nødvendig.
Protokollen som beskrives i denne publikasjonen gir trinnvise fabrikasjon instruksjonene for optisk selvklebende micromodels og rapporter subtile triksene som lykkes i manipulering av små mengder av væske. Design og fabrikasjon av optisk selvklebende basert micromodels med myk litografi er først beskrevet. Deretter er væske forskyvning strategien gitt for ultra-lav flow priser som ofte uoppnåelig med masse flow-kontrollere. Deretter er et representativt eksperimentelle resultat gitt som et eksempel. Dette eksperimentet avslører skum destabilisering og forplantning atferd i nærvær av råolje og heterogene porøse medier. Til slutt, typisk image bearbeiding og dataanalyse er rapportert.
Metoden gitt her er egnet for applikasjoner med multi-fase strøm og interaksjoner i trange microchannel mellomrom. Spesielt denne metoden er optimalisert for karakteristiske mikro-funksjonen resolusjoner større enn 5 og mindre enn 700 µm. typisk flow priser er på 0,1 til 1 mL/t. I studier av råolje eller lett løsemiddel forskyvning av vandig eller gass væsker på parameterne optimalisert på omgivelsesforhold, bør denne protokollen være riktig.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokollen for å studere olje utvinning prosesser i optisk lim micromodels streiker en balanse mellom robusthet av ikke-polymere micromodels-som glass eller silisium- og lettvinte fabrikasjon av PDMS microfluidic enheter. I motsetning til micromodels laget av glass eller optisk selvklebende, mangler PDMS enheter motstand mot lys organisk arter. PDMS micromodels er heller ikke ideelt for mange eksperimenter fordi overflater av disse enhetene har ustabile wetting egenskaper, og polymer matrise er permeabel gass<sup…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi erkjenner økonomisk støtte fra Rice University konsortiet for prosesser 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).
