Summary

Mikrofluidische Geräte zur Charakterisierung von Pore angelegte Veranstaltung Prozesse in porösen Medien für Öl-Recovery-Anwendungen

Published: January 16, 2018
doi:

Summary

Das Ziel dieses Verfahrens ist es, einfach und schnell eine mikrofluidischen Gerät mit anpassbare Geometrie und Widerstand gegen Schwellungen von organischen Flüssigkeiten für Erholung Ölstudien produzieren. Ein Polydimethylsiloxan Schimmel ist zuerst erzeugt und dann verwendet, um das Epoxy-basierte Gerät gegossen. Eine repräsentative Verschiebung-Studie wird berichtet.

Abstract

Mikrofluidische Geräte sind vielseitige Werkzeuge für das Studium von Transportprozessen im mikroskopischen Maßstab. Eine Nachfrage besteht, sind resistent gegen niedrigen Molekulargewicht Ölkomponenten, im Gegensatz zu traditionellen Polydimethylsiloxan (PDMS) Geräte für mikrofluidischen Geräte. Hier zeigen wir eine einfache Methode zur Herstellung eines Geräts mit dieser Eigenschaft, und wir nutzen das Produkt dieses Protokolls für die Pore-Skala-Mechanismen von welcher Schaum erholt sich Rohöl zu untersuchen. Eine Muster wird zuerst entworfen, mit Computer aided Design (CAD) Software und auf eine Transparenz mit einem hochauflösenden Drucker gedruckt. Dieses Muster wird dann über eine Lithographie-Verfahren zu einem Fotolack übertragen. PDMS ist auf dem Muster gegossen, im Ofen ausgehärtet und entfernt, um eine Form zu erhalten. Ein Thiol-ene Vernetzung Polymer, allgemein verwendet als optische Klebstoff (OA), ist dann auf der Form gegossen und unter UV-Licht ausgehärtet. PDMS-Schimmel ist weg von der optischen Klebstoff Besetzung geschält. Ein Glassubstrat ist dann bereit, und die beiden Hälften des Geräts sind miteinander verbunden. Optische Klebstoff-basierte Geräte sind robuster als herkömmliche PDMS mikrofluidischen Geräte. Die Epoxy-Struktur ist resistent gegen Schwellungen durch viele organische Lösungsmittel, die neue Möglichkeiten für Experimente mit Licht organische Flüssigkeiten eröffnet. Darüber hinaus ist das DGM Benetzbarkeit Verhalten dieser Geräte stabiler als die von PDMS. Der Bau von optischen Klebstoff mikrofluidischen Geräten ist einfach, dennoch ist inkrementell aufwändiger als die Herstellung von PDMS-basierten Geräten. Wenn optische Klebstoff Geräte in organischen Flüssigkeiten stabil sind, können sie auch reduzierter Klebkraft nach langer Zeit aufweisen. Optische Klebstoff mikrofluidischen Geräten erfolgen in Geometrien, die als 2-D Micromodels für poröse Medien fungieren. Diese Geräte werden in der Studie von Öl Verschiebung um besser zu verstehen die Pore-Skala Mechanismen verstärkten Öl Erholung und Aquifer Sanierung angewendet.

Introduction

Der Zweck dieser Methode ist es, zu visualisieren und zu analysieren, mehrphasige, Mehrkomponenten Fluid Interaktionen und komplexe Pore-Skala Dynamik in porösen Medien. Strömung und Transport in porösen Medien von Interesse für viele Jahre gewesen weil diese Systeme für mehrere Untergrund Prozesse wie Ölgewinnung, Aquifer Sanierung und hydraulische fracturing1,2, gelten 3 , 4 , 5. über Micromodels, um diese komplexen Porenstrukturen zu imitieren, einzigartige sind Erkenntnisse durch die Visualisierung dynamischer Ereignisse Pore-Ebene zwischen den verschiedenen Fluiden Phase und die Medien6,7,8 ,9,10,11.

Die Herstellung von traditionellen Silica-basierten Micromodels ist teuer, zeitaufwändig und anspruchsvoll, aber Bau Micromodels aus optischen Klebstoff bietet eine relativ preiswerte, schnelle und einfache alternative12,13 14,15. Verglichen mit anderen Polymer-basierten Micromodels, weist optische Klebstoff stabilere Benetzung Eigenschaften. Z. B. werden Polydimethylsiloxan (PDMS) Micromodel Oberflächen hydrophobe im Laufe eines typischen Hubraum Experiment16schnell. Darüber hinaus ist der Elastizitätsmodul des PDMS 2,5 MPa während der optischen Klebstoff 325 MPa13,17,18. Somit ist optische Klebstoff weniger anfällig für Druck induzierten Verformung und Kanal scheitern. Wichtig ist, ist ausgehärteter Klebstoff optische wesentlich widerstandsfähiger gegen Schwellungen von niedermolekularen organischen Komponenten, wodurch Experimente mit Rohöl und leichte Lösungsmittel durchgeführt18sein. Insgesamt, optische Klebstoff ist eine überlegene Alternative zu PDMS für Verschiebung Studien mit Rohöl, wenn Silica-basierten Micromodels übermäßig kompliziert oder teuer sind und hohe Temperatur und Druck Studien nicht erforderlich sind.

Das Protokoll in dieser Publikation beschriebenen bietet die schrittweise Herstellung Anweisungen für optische Klebstoff Micromodels und Berichte der subtilen Tricks, die Erfolg in der Manipulation von kleinen Mengen von Flüssigkeiten. Die Konstruktion und Herstellung von optischen Klebstoff auf der Grundlage Micromodels mit weichen Lithographie wird zuerst beschrieben. Dann ist die Flüssigkeit Verschiebung Strategie für Ultra niedrige Durchflussmengen gegeben, die häufig mit Massendurchflussregler unerreichbar sind. Als nächstes wird eine repräsentative Versuchsergebnis als Beispiel gegeben. Dieses Experiment zeigt Schaum Destabilisierung und Vermehrung Verhalten in Anwesenheit von Rohöl und heterogenen porösen Medien. Zu guter Letzt wird typisches Bild Verarbeitung und Datenanalyse berichtet.

Die Methode zur Verfügung gestellt, hier eignet sich für Visualisierung Anwendungen mit Multi-Phasen-Strömung und Interaktionen in beengten Microchannel Räumen. Insbesondere diese Methode ist optimiert für charakteristische Mikro-Feature Auflösungen größer als 5 und weniger als 700 µm. typische Strömungsgeschwindigkeiten sind in der Größenordnung von 0,1 bis 1 mL/h. In Studien von Rohöl oder leichte Lösungsmittel Verschiebung durch wässrige oder gasförmige Fluide in der Größenordnung von diesen optimierten Parametern bei Umgebungsbedingungen sollte dieses Protokoll angemessen sein.

Protocol

Achtung: Dieses Protokoll beinhaltet Umgang mit einem Hochtemperatur-Ofen, giftige Chemikalien und UV-Licht. Bitte lesen Sie sorgfältig alle Sicherheitsdatenblätter und befolgen Sie Ihrer Institution Chemikaliensicherheit Richtlinien. 1. Gerät Design Entwerfen einer Fotomaske in eine CAD-Software-Anwendung. Zeichnen Sie einen rechteckigen Kanal, 3 cm lang und 0,5 cm breit ist (Abbildung 1 b-oben rechts). Erstellen Sie ein Array von …

Representative Results

In diesem Beispiel Experiment wässrigen Schaum dient Nahost Rohöl (eine Viskosität von 5,4 cP) und API-Dichte von 40° verdrängen in einer heterogenen porösen Medien mit geschichteten Durchlässigkeit Kontrast. Ein PDMS Schaum Generator ist mit einer optischen Klebstoff Micromodel verbunden, die zuvor komplett mit Rohöl gesättigt war. Abbildung 1a zeigt die CAD-Konstruktion von Photomasken für die PDMS Schaum Generator, den Fotolack-gemusterten Silizi…

Discussion

Dieses Protokoll für das Studium Öl-Recovery-Prozesse in optischen Klebstoff Micromodels Gleichgewicht ein zwischen der Robustheit des nicht-polymerer Micromodels – wie Glas oder Silizium – und die einfache Herstellung von PDMS mikrofluidischen Geräten. Im Gegensatz zu Micromodels Glas oder optische Klebstoff fehlen PDMS Geräte Widerstand gegen leichte organische Arten. PDMS Micromodels sind auch nicht ideal für viele Experimente, weil die Oberflächen dieser Geräte instabile Benetzung Eigenschaften haben und d…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir anerkennen die finanzielle Unterstützung von der Rice University Consortium für Prozesse in porösen Medien (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

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Hirasaki, G. J., Miller, C. A., Szafranski, R., Lawson, J. B., Akiya, N. . Surfactant/Foam Process for Aquifer Remediation. , (1997).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using “flow focusing” in microchannels. Appl Phys Lett. 82 (3), 364 (2003).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Lin, Y. -. J., et al. Examining Asphaltene Solubility on Deposition in Model Porous Media. Langmuir. 32 (34), 8729-8734 (2016).
  13. Bartolo, D., Degré, G., Nghe, P., Studer, V. Microfluidic stickers. Lab Chip. 8 (2), 274-279 (2008).
  14. Kenzhekhanov, S. . Chemical EOR process visualization using NOA81 micromodels. , (2017).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Lee, J. N., Park, C., Whitesides, G. M. Solvent Compatibility of Poly(dimethylsiloxane)-Based Microfluidic Devices. Anal Chem. 75 (23), 6544-6554 (2003).
  20. Silvestrini, S., et al. Tailoring the wetting properties of thiolene microfluidic materials. Lab Chip. 12 (20), 4041 (2012).
  21. 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).
  22. Hung, L. -. H., Lin, R., Lee, A. P. Rapid microfabrication of solvent-resistant biocompatible microfluidic devices. Lab Chip. 8 (6), 983 (2008).

Play Video

Cite This Article
Vavra, E. D., Zeng, Y., Xiao, S., Hirasaki, G. J., Biswal, S. L. Microfluidic Devices for Characterizing Pore-scale Event Processes in Porous Media for Oil Recovery Applications. J. Vis. Exp. (131), e56592, doi:10.3791/56592 (2018).

View Video