Dynamic נקבובית בקנה מידה Reservoir-מצב הדמיה של ריאקציה קרבונטים שימוש טומוגרפיה Synchrotron מהיר
21 בפברואר 2017
טומוגרפיה מהר Synchrotron שמשה פירוק גיר תמונה דינמית בנוכחות מלח -saturated 2 CO בתנאי מאגר. 100 סריקות נלקחו ברזולוציה 6.1 מיקרומטר על פני תקופה של 2 שעות.
המטרה הכוללת של ניסוי זה היא לצפות בשינוי הדינמי בממשק הסלע הנוזלי במהלך תגובה עם מי מלח חומציים בסלע אמיתי בתנאי מאגר. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח באחסון פחמן, כגון כיצד לחזות במדויק את נדידת הנוזלים התת-קרקעיים, והיעילות של קביעות נחשול. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שניתן לצלם תמונות תלת מימדיות במהירות ובאופן לא פולשני.
למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנה לגבי מערכות גיאוכימיות, ניתן ליישם אותה גם על מערכות אחרות. הדמיית שלבי נוזל מרובים במהלך סביבות מאמץ מכניות, או תפקוד של סוללות או מערכות ביולוגיות כגון עיני חרקים, הם יישומים אופייניים. התחל בחישוב ספקטרום קרני הרנטגן של קו האלומה באנרגיה ובשטף האלומה הוורודה הגבוהים ביותר.
לאחר מכן, חזו את ביצועי ההדמיה באמצעות עקומת הכוונון הניסיונית ומדידת שידורי סינון. לאחר מכן, זה קריטי לכייל את ספקטרום האלומה עם מסננים מתאימים כדי לקבל תמונה טובה. זה גוזל זמן, אבל חיוני.
התחל בסינון קרני הרנטגן באנרגיה נמוכה יותר המחממות את הדגימה, ואינן משפרות את ההדמיה. חשב את שידור המסנן התיאורטי באורכי גל האור הזמינים, ובחר את המסננים המתאימים. במקרה זה משתמשים במסנני אלומיניום וזהב.
לאחר מכן, הוסף מסנן מעבר פס. עבור מסנני רנטגן מעבירים גבוהים, השתמש בסט של פחמן פירוליטי 0.2 מילימטר ומסנני אלומיניום 0.2 מילימטר. עבור מסנן המעבר הנמוך, השתמש במראה רנטגן הפועלת ליד הזווית הקריטית.
פס מצופה פלטינה מתחת לזווית תקרית של 1.15 מילי-רוד משמש כאן להחזרת אור מתחת ל-30 קילו-אלקטרון וולט. לאחר מכן, בחר מנצנץ שמנצנץ בשפע בתדרי האור והשטף הזמינים של קווי האלומה. כאן משתמשים בטונגסטנט קדמיום מוערם עם טונגסטנט עופרת.
לאחר מכן, בחר עדשת אובייקטיבית ומצלמה עם שדה ראייה מתאים, ורזולוציית זמן צילום. לצורך ההדמיה, השתמש בטכניקת סריקת הזבובים כך שהדגימה תחווה פחות רטט. התחל בהעמסת הליבה לתא כדי להתכונן להצפת הליבה.
ראשית, עטפו את הליבה בשכבה אחת של נייר אלומיניום. לאחר מכן, הכנס את הליבה לשרוול ויטון שנחתך כך שהוא קצר בשני מילימטרים מהאורך המשולב של הליבה ואביזרי הקצה הפנימיים. לאחר מכן, מתחו את השרוול מעל אביזרי הקצה של חמישה מילימטר כדי ליצור אטימה הדוקה.
לא אמור להיות רווח בין אביזרי הקצה בליבה, אחרת הזרימה תיתקע. עטפו את האביזרים והשרוול בשתי שכבות נוספות של אלומיניום כדי למנוע מפחמן דו חמצני להתפזר לתוך הנוזל המגביל, וכדי לשמור על השרוול במקומו על האביזרים. כעת, הרכיב את מחזיק הליבה בחזרה.
החלק על הצינורות והאטמים, והחלף את הברגים. לאחר מכן, הרכיב את מחזיק הליבה על הבמה, וחבר את הזרימה וקווי החשמל. אסור לקווי הזרימה והחשמל לעכב את הסיבוב החופשי של הבמה על פני קשת של 180 מעלות.
כעת, בצע סריקה יבשה של כל הליבה לפני תחילת הניסוי. הפרטים נמצאים בפרוטוקול הטקסט. צלם גם תמונות של המנצנצים כמתואר בטקסט.
כדי להתחיל, העמיסו מי מלח טריים לתוך הכור והרכיבו אותו מחדש. הדק את הברגים, עטוף אותו מחדש בסרט חום והכנס את בדיקת הטמפרטורה. כעת, טען פחמן דו חמצני מהשסתום הראשון למשאבת ההזרקה עד שהלחץ מגיע ל 100 בר.
לאחר מכן, פתח את השסתום השני כדי להציף את הכור בפחמן דו חמצני. מערבבים ברציפות את המלח בעזרת מערבל אינטגרציה, ומחממים את הכור ל 50 מעלות צלזיוס. אזנו את המלח ב-10 מגה-פסקל למשך שעתיים עד שש שעות, כדי להרוות אותו בפחמן דו חמצני ולהמיס את הקרבונט במלואו.
לאחר שיווי משקל, טהר את המערכת. ראשית, חבר את הקווים מעל ומתחת למחזיק הליבה כדי לעקוף את מחזיק הליבה. שנית, הגדר את המשאבה המקבלת למילוי מחדש כדי להעמיס את המים המיוננים למשאבה המקבלת דרך שסתום 11.
שלישית, פתח שסתומים שבע, ארבע ושלוש. לבסוף, השתמש במשאבה המקבלת במצב לחץ קבוע כדי להניע את המים לאחור דרך המערכת והחוצה שסתום שלוש, מתחת לכור. השתמש בכ-10 נפחי מערכת כדי להבטיח שהקווים נקיים מאוויר ושטופים נקיים.
כעת, רוקן את המשאבה המקבלת והעמיס מי מלח כבדים יותר למשאבה המקבלת דרך שסתום 11. השתמש ב-25% לפי משקל אשלגן יודיד. לאחר מכן, טען את המים המיוננים למשאבה התוחמת באמצעות שסתום 10.
לאחר מכן, סגור את שסתום 10 ופתח את השסתומים שמונה ושש. השתמש במשאבה התוחמת כדי להגביל את הליבה בשני מגה-פסקל. כעת, סגור את שסתום 11 ולחץ על המשאבה המקבלת ל -10 בר.
ואז פתח את השסתומים תשע, שבע, ארבע ושלוש. השתמש בירידת הלחץ שנוצרה כדי להניע את המלח דרך הליבה. הגבירו בהדרגה את הלחצים המגבילים והגרועים כדי לקבל קצב זרימה סביר.
הסע כשני נפחי מערכת שלמים של מי מלח לליבה. סגור את השסתום השלישי, ולאחר מכן הגדל בהדרגה את הלחצים המגבילים והירודים, עד שהליבה מוגבלת ב-12 מגה-פסקל, ולחץ הליבה הוא 10 מגה-פסקל. הליבה חייבת גם להתאזן מחדש ל-50 מעלות צלזיוס.
כעת, עצור את המשאבה המקבלת, ופתח את שסתום חמש בבסיס הכור כדי לחבר את מערכת הכור לליבה. זהו ניסוי בלחץ טמפרטורה גבוהה. כדי להבטיח הצלחה, היזהר מאוד בהרכבת הציוד, ובדוק אותו היטב לפני שתתחיל בזרימה תגובתית.
לפני שתתחיל בזרימת הנוזל, מרכז את שדה הראייה של מצלמת ה-CMOS באמצע הליבה, והתחל לצלם הקרנות דו-ממדיות רציפות כדי לעקוב אחר הצפה של הליבה. לאחר מכן, התאם את המשאבה המקבלת לקצבי הזרימה הנדרשים דרך הליבה. השתמש במשאבת ההזרקה בקצה הקדמי כדי לווסת את לחץ המערכת.
כעת, עקוב אחר התחזיות הדו-ממדיות לשינויים בהנחתה המסמנים את הגעת המלח הריאקטיבי. העברת הליבה תגדל, וההקרנות יתבהרו ככל שיותר אור יפגע בנצנוץ, כאשר הנוזל הריאקטיבי השקוף מאוד של קרני רנטגן יתמלא. אם אין הבדל הנחתה בין מי מלח תגובתיים ולא מגיבים, השתמש במי מלח בריכוז מלח גבוה יותר, או במלח אחר בעל ספיגה גבוהה.
כאשר המלח המגיב, עצרו את הסריקות הדו-ממדיות, והתחילו לבצע טומוגרפיות תלת-ממדיות עוקבות במהירות האפשרית. השתמש בכ-1,000 הקרנות בכל סריקה, וסרוק את הליבה באמצעות סיבוב של 180 מעלות בלבד. סרוק עד לפגיעה במגבלת הזמן, או שהליבה נראית כל כך מומסת ויש סכנה מיידית לקריסה מבנית פנימית.
לאחר מכן, הורידו את לחץ המערכת בהתאם לפרוטוקול הטקסט, והסירו בזהירות את מכלול הליבה ממחזיק הליבה. לאחר ההסרה, נתק את השרוול מאביזרי הקצה הפנימיים, והנח את הליבה המכוסה בשרוול בכוס מים נטולי יונים כדי לדלל כל מי מלח שעלולים להגיב, ולעצור את כל התגובה. באמצעות השיטה המתוארת, צולמה תגובה בין קלציט למי מלח רווי פחמן דו חמצני סופר קריטי ללא חציצה בליבת קרבונט פורטלנד.
התמונות המפולחות נותחו כסדרת זמן לשינויים בנקבוביות על ידי ספירת מספר האוקסילים של הנקבוביות והסלע. במהלך הפירוק, הנקבוביות גדלה עם הזמן. בדיקה ויזואלית של התמונות המפולחות מראה נוכחות של ערוץ בכיוון הזרימה.
חקירה נוספת העלתה כי התעלה נוצרה בשעה הראשונה, ולאחר מכן התרחבה ככל שהניסוי נמשך. התמונות המפולחות שימשו לאחר מכן כקלט למודל חילוץ רשת כדי לנתח שינויי חדירות. הייתה עלייה חדה בחדירות במהלך השעה הראשונה, אך אז החדירות התייצבה.
לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד לצלם תגובה דינמית באמצעות טומוגרפיה סינכרוטרון מהירה. שליטה אחת, טכניקה זו יכולה להיעשות תוך ארבע שעות אם היא מבוצעת כראוי. בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור להגן על כל הציוד מפני שפיכת נוזלים, ולבדוק אותו היטב לפני התקנתו בקו הקורה.
אנו פועלים על פי נהלים קפדניים כדי להבטיח סטנדרטים גבוהים מאוד של בטיחות. כשמדובר במדע הסינכרוטרון, הבריאות והבטיחות הם בעלי חשיבות עליונה.
סקירה כללית
מחקר זה עושה שימוש בטומוגרפיה מהירה של סינכרוטרון כדי לדגום באופן דינמי את התהליך של המסת פחית בתוך מי מלח רוויים ב-CO2 בתנאי מאגר. סך הכל בוצעו 100 סריקות ברזולוציה של 6.1 µm לאורך תקופה של 2 שעות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- גאוכימיה
- אגירת פחמן
- טכניקות דימוי
רקע
- הבנת האינטראקציות בין נוזלים לסלע היא קריטית לאגירת פחמן.
- דימוי דינמי יכול לספק תובנות לגבי נדידת נוזלים בתת-הקרקע.
- טכניקות דימוי לא פולשניות הן בעלות יתרון לחקר מערכות גאו-כימיות.
- היישומים משתרעים על פני תחומים שונים, כולל תפקוד סוללות ומערכות ביולוגיות.
מטרת המחקר
- לצפייה בשינויים בממשק נוזל-סלע במהלך תגובות של תמלחת חומצית.
- לשיפור התחזיות של התנהגות נוזלים בתת-הקרקע.
- להערכת הקביעות של פתרונות לאחסון פחמן.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת דגימות ליבה ותמיסות מלח (brine).*
- שימוש במסנני אלומיניום וזהב עבור דימות בקרני X.
- יישום טכניקת fly-scan להפחתת רעידות הדגימה.
- ניטור רציף של זרימת הנוזלים והדימות במהלך הניסוי.
תוצאות עיקריות
- דימוי מוצלח של התמוססות גיר בזמן אמת.
- תצפית על שינויים בניחות המעידים על נדידת נוזלים.
- הדגמה של יעילותה של טכניקת הדימוי.
- תובנות שנרכשו לגבי הדינמיקה של אינטראקציות בין נוזל לסלע.
מסקנות
- טומוגרפיה מהירה של סינכטרון היא כלי רב עוצמה למחקרים גאוכימיים.
- השיטה יכולה לשפר את ההבנה של מנגנוני אחסון פחמן.
- יישומים עתידיים עשויים להתרחב לתחומי מדע אחרים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
דימוי דינמי בקנה מידה של נקבוביות תחת תנאי מאגר מאפשר תצפית ישירה על אינטראקציות נוזל-סלע הקריטיות לאחסון פחמן בתת-הקרקע ולמידול מערכות גאוכימיות. טומוגרפיה ברזולוציה גבוהה עם רזולוציה זמןית מספקת נתונים ברי-יישום על התפתחות נקבוביות ושקיפות (permeability), התומכים בביטחון חיזוי לגבי קביעות האחסון והערכת סיכונים. יכולות אלו מסייעות בהפחתת סיכונים מכניסטית בשלב מוקדם ובמיון תיקי פרויקטים עבור אסטרטגיות התערבות בתת-הקרקע.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה מכניסטית של תגובות בממשק נוזל-מוצק תחת תנאים רלוונטיים פיזיולוגית.
- תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים על ידי כימות שינויים דינמיים במדיה נקבובית הרלוונטית למודלים של הולכת תרופות או הנדסת רקמות.
- מספק ביטחון חיזוי להתנהגות המערכת בסביבות מורכבות והטרוגניות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מקל על ההכנה והתיקוף של מערכות תלת-ממדיות מורכבות לצורך תהליכי דימוי או ניתוח המשכיים.
- מספק מדידות כמותיות וניתנות לשחזור של שינויים מבניים לאורך זמן.
- מאפשר קריאות מהירות ולא פולשניות של בדיקות לסריקת תגובות של חומרים או מערכות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה פלטי דימוג למודלים תרגומיים הדורשים ניטור בזמן אמת של התפתחות מיקרו-מבנית.
- תומכת ברצף מהשלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני במערכות שבהן שינויים דינמיים בממשקים הם קריטיים.
- מספקת הפחתת סיכונים מכניסטית עבור התערבויות המכוונות למטריצות ביולוגיות נקבוביות או מורכבות.
שילוב תהליכי עבודה ומסלולי עיבוד
שיטת דימות זו משתלבת בממשק שבין השלבים המוקדמים של הגילוי לפיתוח מודלים פרה-קליניים, ותומכת בבדיקת השערות ובאפיון כמותי של המערכת.
- ביולוגיה של גילוי: מאפשרת תצפית ישירה על קינטיקה של תגובות והתפתחות הממשקים עבור מחקרים המונחים על ידי היפותזות.
- סריקה: מספקת פלטי דימוג סטנדרטיים וניתנים לשחזור לצורך ניתוח השוואתי בין תנאים שונים.
- אנליטיקה: מספקת נתונים כמותיים על נקבוביות וחדירות כדי להנחות פרמטריזציה של מודלים וקבלת החלטות.
- מחקר תרגומי: מגשרת בין שלבי הגילוי לשלבים הפרה-קליניים על ידי תיקוף התנהגות המערכת תחת תנאים רלוונטיים תפעולית.
- שימוש חוזר ארגוני: מכוננת פלטפורמת דימוג רב-פעמית הניתנת להתאמה למערכות נקבוביות או מרוכבות מגוונות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית במחקרי מערכות מורכבות.
- ערך תפעולי: מנרמלי הדמיה בעלת תפוקה גבוהה שאינה פולשנית עבור תהליכי עבודה הניתנים לשחזור ולהרחבה.
- ערך אסטרטגי: מסייע בקבלת החלטות של "המשך/עצור" (go/no-go) ובהקצאת הון באמצעות כימות יציבות המערכת והסיכון.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכון ובקידום של התערבויות במערכות תת-קרקעיות או נקבוביות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בדימות סינכרוטרון ובניתוח תמונות מתקדם.
- מחייב גישה לקווי קרן בעלי שטף גבוה וסביבות דגימה ייעודיות.
- מצריך סטנדרטיזציה קפדנית בין צוותים עבור פרוטוקולי דימות ופרשנות נתונים.
- התאמה למערכות ביולוגיות או סינתטיות עשויה לדרוש הכנת דגימה וכיול מותאמים אישית.
- מגבלות מעשיות כוללות את זמינות זמן הקרנה ואת הצורך בפרוטוקולי בטיחות חסונים.
