Dynamische Pore-Skala Reservoir-Zustand Abbildung von Reaktions in Karbonate mit Synchrotronstrahlung Schnelle Tomography

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die dynamische Veränderung der Grenzfläche des flüssigen Gesteins während der Reaktion mit saurer Sole in echtem Gestein unter Lagerstättenbedingungen zu beobachten. Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige Fragen zur Kohlenstoffspeicherung zu beantworten, z. B. wie man die Migration von Flüssigkeiten unter der Oberfläche genau vorhersagen kann und wie effektiv die Permanenz von Stößen ist. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass dreidimensionale Bilder schnell und nicht-invasiv aufgenommen werden können.

Diese Methode kann zwar Einblicke in geochemische Systeme geben, kann aber auch auf andere Systeme angewendet werden. Die Abbildung mehrerer Fluidphasen in Umgebungen mit mechanischer Belastung oder die Funktion von Batterien oder biologischen Systemen wie Insektenaugen sind typische Anwendungen. Beginnen Sie mit der Berechnung der Röntgenspektren der Strahllinie bei der höchsten rosa Strahlenergie und dem höchsten Lichtfluss.

Sagen Sie dann die Bildgebungsleistung mithilfe der experimentellen Abstimmkurve und der Messung der Filterübertragungen voraus. Als nächstes ist es wichtig, das Strahlspektrum mit geeigneten Filtern zu kalibrieren, um ein gutes Bild zu erhalten. Es ist zeitaufwändig, aber unerlässlich.

Beginnen Sie mit dem Herausfiltern der Röntgenstrahlen mit geringerer Energie, die die Probe erwärmen und die Bildgebung nicht verbessern. Berechnen Sie die theoretische Filtertransmission bei den verfügbaren Lichtwellenlängen und wählen Sie die entsprechenden Filter aus. In diesem Fall kommen Aluminium- und Goldfilter zum Einsatz.

Fügen Sie als Nächstes einen Bandpassfilter hinzu. Verwenden Sie für die Hochpass-Röntgenfilter einen Satz 0,2 Millimeter pyrolytischer Kohle und 0,2 Millimeter Aluminiumfilter. Verwenden Sie für den Tiefpassfilter einen Röntgenspiegel, der in der Nähe des kritischen Winkels arbeitet.

Ein platinbeschichtetes Band unter einem Einfallswinkel von 1,15 Millistädd wird hier verwendet, um Licht unterhalb von 30 Kiloelektronenvolt zu reflektieren. Wählen Sie als Nächstes einen Szintillator, der bei den verfügbaren Lichtfrequenzen und dem Lichtstrom der Strahllinien reichlich funkelt. Hier kommt ein mit Bleiwolframat gestapeltes Cadmiumwolframat zum Einsatz.

Wählen Sie dann ein Objektiv und eine Kamera mit einem geeigneten Sichtfeld und einer Auflösung der Aufnahmezeit aus. Verwenden Sie für die Bildgebung die Fly-Scan-Technik, damit die Probe weniger Vibrationen erfährt. Beginnen Sie mit dem Laden des Kerns in die Zelle, um sich auf die Kernflutung vorzubereiten.

Wickeln Sie zuerst den Kern in eine Schicht Aluminiumfolie ein. Als nächstes wird der Kern in eine Viton-Hülse eingelegt, die so geschnitten ist, dass sie zwei Millimeter kürzer ist als die Gesamtlänge des Kerns und der inneren Endbeschläge. Dehnen Sie dann die Hülse über die fünf Millimeter langen Endbeschläge, um eine dichte Abdichtung zu erzielen.

Zwischen den Endstücken im Kern sollte kein Platz sein, da sonst die Strömung eingeklemmt wird. Wickeln Sie die Verschraubungen und die Hülse in zwei zusätzliche Aluminiumschichten ein, um zu verhindern, dass Kohlendioxid in die einschließende Flüssigkeit diffundiert, und um die Hülse an Ort und Stelle auf den Verschraubungen zu halten. Setzen Sie nun den Kernhalter wieder zusammen.

Schieben Sie die Schläuche und Dichtungen auf und setzen Sie die Schrauben wieder ein. Montieren Sie dann den Kernhalter auf dem Tisch und verbinden Sie die Durchfluss- und die elektrischen Leitungen. Die Strömungs- und elektrischen Leitungen dürfen die freie Drehung des Tisches über einen 180-Grad-Bogen nicht behindern.

Führen Sie nun einen Trockenscan des gesamten Kerns durch, bevor Sie mit dem Experiment beginnen. Details finden Sie im Textprotokoll. Machen Sie auch Bilder von den Szintillatoren, wie im Text beschrieben.

Laden Sie zunächst frisch vorbereitete Sole in den Reaktor und bauen Sie sie wieder zusammen. Ziehen Sie die Schrauben fest, wickeln Sie sie wieder mit Wärmeband ein und setzen Sie den Temperaturfühler ein. Laden Sie nun Kohlendioxid aus Ventil eins in die Einspritzpumpe, bis der Druck 100 bar erreicht.

Öffnen Sie dann Ventil zwei, um den Reaktor mit Kohlendioxid zu fluten. Rühren Sie die Sole kontinuierlich mit einem Mitnahmerührer um und heizen Sie den Reaktor auf 50 Grad Celsius auf. Die Sole wird zwei bis sechs Stunden lang bei 10 Megapascal äquilibriert, um sie mit Kohlendioxid zu sättigen und das Karbonat vollständig aufzulösen.

Sobald es ausgeglichen ist, bereinigen Sie das System. Verbinden Sie zunächst die Leitungen über und unter dem Kernhalter, um den Kernhalter zu umgehen. Zweitens stellen Sie die Aufnahmepumpe so ein, dass sie sich wieder füllt, um das ionisierte Wasser durch das Ventil 11 in die Auffangpumpe zu laden.

Drittens: Öffnen Sie die Ventile sieben, vier und drei. Verwenden Sie schließlich die Aufnahmepumpe im Konstantdruckmodus, um das Wasser rückwärts durch das System und aus dem dritten Ventil unterhalb des Reaktors zu drücken. Verwenden Sie ca. 10 Systemvolumen, um sicherzustellen, dass die Leitungen luftfrei und sauber gespült sind.

Entleeren Sie nun die Auffangpumpe und laden Sie eine schwerere Sole durch das Ventil 11 in die Auffangpumpe. Verwenden Sie 25 Gew.-% Kaliumjodid. Dann wird das ionisierte Wasser über das Ventil 10 in die einschließende Pumpe geladen.

Schließen Sie anschließend das Ventil 10 und öffnen Sie die Ventile acht und sechs. Verwenden Sie die einschließende Pumpe, um den Kern auf zwei Megapascal zu begrenzen. Schließen Sie nun das Ventil 11 und setzen Sie die Aufnahmepumpe auf 10 bar unter Druck.

Öffnen Sie dann die Ventile neun, sieben, vier und drei. Nutzen Sie den entstehenden Druckabfall, um die Sole durch den Kern zu treiben. Erhöhen Sie allmählich den Einschluss und den schlechten Druck, um eine vernünftige Durchflussrate zu erhalten.

Treiben Sie ungefähr zwei komplette Systemmengen Sole zum Kern. Schließen Sie das dritte Ventil und erhöhen Sie dann schrittweise den Einschluss- und den Schlechtdruck, bis der Kern bei 12 Megapascal eingeschlossen ist und der Kerndruck 10 Megapascal beträgt. Auch der Kern muss sich wieder auf 50 Grad Celsius ausbalancieren.

Stoppen Sie nun die Aufnahmepumpe und öffnen Sie Ventil fünf an der Basis des Reaktors, um das Reaktorsystem mit dem Kern zu verbinden. Hierbei handelt es sich um ein Hochdruckexperiment für hohe Temperaturen. Um den Erfolg sicherzustellen, sollten Sie die Ausrüstung sehr sorgfältig zusammenbauen und gründlich testen, bevor Sie mit dem reaktiven Fluss beginnen.

Zentrieren Sie vor Beginn der Flüssigkeitsströmung das Sichtfeld der CMOS-Kamera auf die Mitte des Kerns und beginnen Sie mit kontinuierlichen 2D-Projektionen, um die Überflutung des Kerns zu verfolgen. Stellen Sie anschließend die Aufnahmepumpe auf die erforderlichen Durchflussmengen durch den Kern ein. Verwenden Sie die Einspritzpumpe am vorderen Ende, um den Systemdruck zu regulieren.

Überwachen Sie nun die 2D-Projektionen auf Änderungen in der Dämpfung, die das Eintreffen von reaktiver Sole signalisieren. Die Transmission des Kerns nimmt zu, und die Projektionen werden heller, wenn mehr Licht auf den Szintillator trifft, wenn die hochgradig röntgentransparente reaktive Flüssigkeit eindringt. Wenn es keinen Unterschied in der Dämpfung zwischen reaktiver und nicht-reaktiver Sole gibt, verwenden Sie eine Salzlake mit höherer Salzkonzentration oder ein anderes, stark absorbierendes Salz.

Wenn die reagierende Sole eintrifft, stoppen Sie die 2D-Scans und beginnen Sie so schnell wie möglich mit der Aufnahme aufeinanderfolgender 3D-Tomographien. Verwenden Sie etwa 1.000 Projektionen pro Scan und scannen Sie den Kern mit nur 180 Grad Drehung. Scannen Sie, bis das Zeitlimit erreicht ist oder der Kern so aufgelöst aussieht und die Gefahr eines internen strukturellen Einsturzes besteht.

Entlasten Sie dann das System gemäß dem Textprotokoll und entfernen Sie vorsichtig die Kernbaugruppe vom Kernhalter. Trennen Sie nach dem Entfernen die Hülse von den inneren Endbeschlägen und legen Sie den mit der Hülse bedeckten Kern in ein Becherglas mit deionisiertem Wasser, um potenziell reaktive Sole zu verdünnen und jede Reaktion zu stoppen. Mit Hilfe der beschriebenen Methode wurde eine Reaktion zwischen Calcit und ungepufferter, superkritischer Kohlendioxid-gesättigter Sole in einem Portland-Karbonatkern abgebildet.

Die segmentierten Bilder wurden als Zeitreihe für Porositätsänderungen analysiert, indem die Anzahl der Oxyle von Poren und Gestein gezählt wurde. Während der Auflösung nahm die Porosität mit der Zeit zu. Die visuelle Inspektion der segmentierten Bilder zeigt das Vorhandensein eines Kanals in Strömungsrichtung.

Weitere Untersuchungen ergaben, dass sich der Kanal in der ersten Stunde bildete und sich dann im Laufe des Experiments verbreiterte. Die segmentierten Bilder wurden dann als Eingabe in ein Netzwerkextraktionsmodell verwendet, um Permeabilitätsänderungen zu analysieren. In der ersten Stunde gab es einen starken Anstieg der Durchlässigkeit, aber dann stabilisierte sich die Durchlässigkeit.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie dynamische Reaktionen mit Hilfe der schnellen Synchrotrontomographie abbilden können. Einmal gemeistert, kann diese Technik in vier Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Wenn Sie dieses Verfahren ausprobieren, ist es wichtig, daran zu denken, alle Geräte vor verschütteten Flüssigkeiten zu schützen und sie gründlich zu testen, bevor Sie sie an der Strahllinie installieren.

Wir befolgen strenge Verfahren, um sehr hohe Sicherheitsstandards zu gewährleisten. Wenn es um die Synchrotronwissenschaft geht, stehen Gesundheit und Sicherheit an erster Stelle.