הדמיה מאגר מצב נקבובי בקנה מידה של שלבי נוזלים מרובים באמצעות Microtomography X-ray
25 בפברואר 2015
אנו מציגים מתודולוגיה להדמיה של שלבי נוזל מרובים בתנאי מאגר על ידי שימוש במיקרוטומוגרפיה של קרני רנטגן. אנו מראים כמה תוצאות מייצגות של לכידת נימים בדגימת סלע קרבונט.
מטרת הליך זה היא לדמות באופן לא פולשני שלבים נוזליים מרובים בחלל הנקבוביות של הסלע בתנאים מציאותיים של טמפרטורה ולחץ הדומים לאלה המתרחשים במאגרים תת-קרקעיים ובאקוויפרים. זה מושג על ידי הרכבה ראשונה של מכלול הליבה בזהירות והצבתו בתוך מחזיק ליבה בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה. השלב השני הוא חיבור מחזיק הליבה למשאבות בקרת הלחץ הגבוה והטמפרטורה הגבוהה ולכור באמצעות צינורות שיא גמישים.
לאחר מכן, הלחץ והטמפרטורה במערכת נמחקים לזה של הנציג. תנאים תת-קרקעיים ונוזלים מאוזנים ומוזרקים לחלל הנקבוביות של הסלע. בסופו של דבר, מצב המאגר.
הדמיית מיקרו CT משמשת כדי להראות הן את הכמות והן את התפלגות הפחמן הדו חמצני המוחזק במקום כשלב שיורי כלוא לאחר הזרקת מי מלח. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום הזרימה הרב-פאזית במדיה נקבובית, כגון קביעת רוויה שיורית ללכידת נימים ולבישה ומדידות זווית מגע. למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנות לגבי מערכות סלעי מלח CO2 סופר קריטיות עם יישום ללכידת פחמן ואחסונו, היא יכולה לשמש גם למערכות סלעי מלח פחמימנים לחקר תופעות הקשורות להפקת נפט משופרת ומשאבים בינלאומיים.
הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית מכיוון שקשה ללמוד את שלבי הכנת הדגימה והרכבת הליבה. הסיבה לכך היא שהקשר בין מכלול הליבה, הליבה, השרוול התוחם ועטיפות האלומיניום המרובות הוא מסובך. כדי להתחיל בהליך זה, בדוק היטב את חיבורי הציוד לאיתור נזילות נוזלים.
לאחר מכן, הניחו את המלח בבסיס הכור. עטפו את התנור הגמיש סביב תא הזרימה לאחר מכן, בנה את אביזרי קצה המתכת על ידי הסרת החוט מקצה שמינית אינץ' של מתקן מפחית 16 אינץ' לשמינית אינץ'. לאחר מכן חותכים חריצים קטנים לפנים של שמינית סנטימטר של האביזר כדי לפזר את הפחמן הדו חמצני המוזרק על כל פני הליבה.
לאחר מכן, העבירו את הצמד התרמי בלחץ גבוה דרך חלקי הקצה המתכתיים של תא המיקרו-זרימה אטמו את הצמד התרמי באמצעות רבע סנטימטר פראים ואומים, כך שהצומת החם יושב בסמוך לפנים האגוז של הליבה בתוך הטבעת המגבילה של התא L.לאחר מכן, קדחו את הדגימה הרצויה לליבה בקוטר 6.5 מילימטרים ובאורך של 30 מילימטרים עד 50 מילימטרים. R במורד קצות הליבה שטוחה כדי להבטיח חיבור טוב עם חלקי הקצה המתכתיים. ואז עטפו את הליבה הזו בנייר אלומיניום.
לאחר מכן הנח אותו בתוך שרוול אלסטומר פולימר פלואורו. לאחר מכן, חבר את קצות שרוול האלסטומר לאביזרי הקצה המתכתיים. הוסף עטיפה נוספת של נייר אלומיניום לחלק החיצוני של שרוול האלסטומר לפני הנחת הצומת החם של הצמד התרמי ליד פני הכניסה של הליבה, והוספת עטיפה סופית של נייר אלומיניום.
זה יוצר את מכלול הליבה. כעת הרכיבו את תא המיקרו-זרימה כשמכלול הליבה אטום בתוכו. חבר את התא לבמה בתוך מארז המיקרו CT באמצעות מהדק המותקן על גבי שלב ה-CT הסיבובי
בהליך זה, סגור את כל השסתומים מלבד שסתום אחד, שניים ושלוש. לאחר מכן, טען פחמן דו חמצני מהגליל למשאבה אחת ולכור. ואז סגור את השסתום הראשון.
העלו לאט את הטמפרטורה והלחץ של הכור לזה הרצוי לנוזל הנקבוביות במרץ. ערבבו את נוזל הנקבוביות למשך 12 שעות לפחות כדי להבטיח שכל השלבים נמצאים בשיווי משקל כימי לפני ההזרקה. לאחר מכן, פתח את שסתום 14 והעמיס את הנוזל המגביל למשאבה שלוש.
לאחר מכן סגור אותו ופתח את שסתומים 12 ו -13. לחץ על הטבעת המגבילה של התא לטמפרטורה גבוהה ב-10% לפחות מלחץ נוזל הנקבוביות המוצע. לאחר מכן, פתח את שסתום 11.
טען את המלח למשאבה שתיים וסגור אותה. לאחר מכן פתח את השסתומים תשע, שמונה ושש. לחץ לאט על חלל הנקבוביות של הסלע עד שהוא נמצא בלחץ נוזל הנקבוביות הרצוי ומלא את חלל הנקבוביות של הדגימה במי מלח שלא אוזנו עם פחמן דו חמצני סופר-קריטי.
כעת, פתח שסתום ארבע ועוד יותר מ-1000 נפחים גרועים של מי מלח מאוזנים דרך הליבה על ידי מילוי מחדש של משאבה שתיים בקצב זרימה קבוע בהליך זה מעבר ל-10 נפחי נקבוביות של פחמן דו חמצני סופר-קריטי דרך הליבה בקצב זרימה נמוך מאוד, מה שמבטיח מספר נימי נמוך של כ-10 עד מינוס שש ברציפות. קח תחזיות דו-ממדיות על מנת למדוד במדויק את הנפח הכולל המוזרק בזמן שפחמן דו חמצני סופר-קריטי עוקר את המלח בחלל הנקבוביות. העבירו עוד 10 נפחים של מי מלח שווים דרך הליבה באותו קצב זרימה נמוך וכתוצאה מכך לכידת פחמן דו חמצני סופר-קריטי כשלב שיורי בחלל הנקבוביות.
לאחר מכן, בצע כמה סריקות של הדגימה כדי לדמות את הניקוז או העיכוב. השתמש בגודל ווקסל כך שכל קוטר הליבה יתאים לשדה הראייה. לאחר מכן שחזר את הסריקות באמצעות תוכנת שחזור טומוגרפית.
שחזר את הנפחים המורכבים על ידי תפירת מספר חלקים חופפים הנדרשים ברצף. התמונה המוצגת כאן היא עיבוד תלת מימדי של הליבה לאחר ניקוז כאשר כל אשכול פאזה שאינו מרטיב מקבל צבע שונה. חמש התמונות הללו מציגות עיבוד תלת מימדי של אותה ליבה לאחר חמישה ניסויי עיכוב נפרדים, בעוד שטווח הצבעים הגדול מצביע על פאזה שיורית מחוברת בצורה גרועה.
זהו חתך רוחב של הליבה לאחר ניקוז. השלב האפל ביותר הוא פחמן דו חמצני סופר קריטי. שלב הביניים הוא מי מלח, והשלב הקל ביותר הוא גרגר סלע, וזהו חתך רוחב של הליבה.
לאחר העיכוב, קנה המידה של חוק הכוח של התפלגות גודל הגרעינים השיורי מוצג כאן. לאחר שליטה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך כשעתיים אם מבוצעת כראוי. זכור שעבודה עם הציוד בלחץ וטמפרטורות גבוהות עלולה להיות מסוכנת ביותר, ולכן יש לנקוט באמצעי זהירות כגון הכשרה מתאימה והסמכת ציוד לפני ביצוע הליך ניסוי.
סקירה כללית
מאמר זה מציג מתודולוגיה לדימות של מספר פאזות נוזליות בדגימות סלע בתנאי מאגר באמצעות מיקרו-טומוגרפיה של קרני X. המחקר מדגיש את תהליך הלכידה הקפילרית בדגימת סלע פחמתי.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- מדעי כדור הארץ
- דינמיקה של נוזלים
רקע
- הבנת התנהגות נוזלים במצעים נקבוביים היא קריטית עבור יישומים של לכידת פחמן והשבחת השבה של נפט.
- לכידה קפילרית היא תופעה מרכזית בזרימה רב-פאזית בתוך תצורות גאולוגיות.
- טכניקות דימוג כמו micro CT מספקות תובנות לגבי התפלגות ורוויה של נוזלים.
- תנאים של לחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה מדמים סביבות תת-קרקעיות.
מטרת המחקר
- פיתוח טכניקת דימות לא פולשנית למחקר של פאזות נוזליות בדגימות סלע.
- ניתוח פיזורו של פחמן דו-חמצני לכוד לאחר הזרקת תמיסת מלח (brine).
- מתן הדגמה חזותית של תהליך ההרכבה המורכב עבור חוקרים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת מכלול הליבה והצבתו במחזיק ליבות בלחץ גבוה.
- השגת שיווי משקל של הנוזלים והזרקתם לחלל הנקבוביות של הסלע.
- דימיון ב-Micro CT להדמיית התפלגות ורוויית הנוזלים.
- ניתוח של רווייה שיורית ותופעות לכידה קפילרית.
תוצאים עיקריים
- דימות מוצלח של שלבים נוזליים מרובים בתנאי מאגר.
- הדגמה של לכידה קפילרית של פחמן דו-חמצני במצב על-קריטי בסלע קרבונטי.
- ויזואליזציה של התפלגויות נוזלים באמצעות רינדורים תלת-ממדיים מסריקות micro CT.
- תובנות לגבי יעילות השיטה לחקר זרימה רב-פאזית.
מסקנות
- המתודולוגיה שפותחה מספקת תובנות רבות לגבי התנהגות נוזלים במדיום נקבובי.
- טכניקה זו יכולה לסייע במחקרים הקשורים ללכידת פחמן ולהשבחת הפקת נפט.
- הדגמות חזותיות משפרות את ההבנה של מערכי ניסוי מורכבים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מתודולוגיה זו מאפשרת דימות לא-פולשני ברזולוציה גבוהה של מערכות נוזלים רב-פאזיות בתנאים הרלוונטיים למאגרים, ומספקת תובנות קריטיות במקנה של נקבוביות לגבי התנהגות נוזלים בתת-הקרקע. היכולת לכמת את הרוויה השארית ואת התפלגות גודל הגנגליונים תומכת בהבנה מכניסטית של לכידה קפילרית, תהליך מרכזי בניהול נוזלים בתת-הקרקע. יכולות אלו תורמות להערכת סיכונים ולקבלת החלטות ביישומים תת-קרקעיים הקשורים לאנרגיה, שבהם התפלגות הנוזלים ויעילות הלכידה משפיעות על ביצועי המערכת.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר חקירה של דינמיקה של זורמים רב-מופעלים במצעים נקבוביים כדי להבהיר מנגנוני דחיקה ולכידה.
- ערך תפעולי: מספק נתונים כמותיים בעלי רזולוציה מרחבית על התפלגות זורמים תחת תנאי לחץ וטמפרטורה מבוקרים.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay)
- ערך מדעי: יצירת מערכי נתונים תלת-ממדיים סטנדרטיים וניתנים לשחזור להשוואת התנהגות של פאזת נוזלים תחת תכונות ממשק משתנות.
- ערך תפעולי: תמיכה בזרימות עבודה דמויות-בדיקה (assay), שבהן ניתן להפוך את שלבי הזרקת הנוזל, השיווי והדימות למערכת שיטתית עבור מחקרים השוואתיים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מגשר בין דימוי ברמת הנקבוביות למודלים ברמת הרצף על ידי אספקת נתוני תיקוף עבור פונקציות של תהליכי חדירות יחסית ולחץ קפילרי.
- ערך תפעולי: מאפשר שיפור איטרטיבי של מודלים של זרימה בתת-הקרקע באמצעות השוואה ישירה בין תצורות נוזלים חזויות לנצפיות.
שילוב תהליכי עבודה ומסלולי עיבוד
השיטה משתלבת בתהליכי עבודה של אפיון תת-קרקע על ידי אספקת נתוני תיקוף ברמת הנקבים, המהווים בסיס לסימולציות זרימה בקנה מידה גדול יותר ולתכנון תפעולי.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת היפותזות בנוגע להתנהגות פאזת נוזלים, כוחות בין-פסיים והשפעות של הטרוגניות בקנה מידה של נקבים על יעילות הלכידה.
- סריקה: מאפשר הערכה סטנדרטית של לכידה שיורית תחת זוגות נוזלים משתנים, תנאי רטבתיות וקצבי זרימה שונים.
- אנליטיקה: מספק פלטים כמותיים הכוללים רוויה שיורית, התפלגות גודל גנגליונים ומדדי קימור בין-פסיים לצורך ניתוח השוואתי.
- מחקר תרגומי: מקשר בין דימות בקנה מידה מיקרוסקופי לחיזויים בקנה מידה מאקרוסקופי על ידי אספקת נתוני אמת (ground-truth) עבור מודלי הגדלה (upscaling) במערכות גאולוגיות.
- שימוש חוזר ארגוני: מקים פלטפורמת דימות הניתנת לשימוש חוזר להערכת אינטראקציות בין נוזל לסלע בתצורות גאולוגיות ובתרחישים תפעוליים שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית בזרימה רב-מופעית על ידי אספקת ויזואליזציה ישירה של תצורות נוזלים ותופעות לכידה.
- ערך תפעולי: מבטיח שחזוריות באמצעות פרוטוקולים סטנדרטיים של הכנת ליבה, שיווי משקל והדמיה תחת תנאים מבוקרים.
- ערך אסטרטגי: משפר את הביטחון בתחזיות של תהליכים תת-קרקעיים, ובכך תומך בקבלת החלטות מושכלת יותר לגבי הקצאת משאבים ותכנון תפעולי.
- השפעה על פורטפוליו: מאפשר הערכה מותאמת סיכונים של תפיסות תת-קרקעיות על ידי אספקת נתונים אמפיריים על יעילות הלכידה וההתפלגות הנוזלים תחת תנאים ריאליסטיים.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות במערכות נוזלים בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה, תפעול micro-CT וטכניקות לשחזור תמונה.
- תלוי בגישה למערכות micro-CT מבוססות מעבדה או סינכרוטרון המסוגלות לבקרת לחץ וטמפרטורה in-situ.
- מחייב פרוטוקולים סטנדרטיים להשגת שיווי משקל של נוזלים, טיפול בליבות ועטיפת אלומיניום למניעת ארטיפקטים כתוצאה מחילופי CO2.
- כולל שיקולי התאמה לסוגי סלעים שונים, זוגות נוזלים וטוהי לחץ וטמפרטורה כדי לשמור על ייצוגיות.
- מוגבל על ידי הגבלות מינון קרינה ומשך הסריקה, אשר עשויים להשפיע על הרזולוציה הזמנית של תהליכים דינמיים.
