Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

التصوير خزان الحالة المسام النطاق من مراحل متعددة باستخدام السوائل مجهري الأشعة السينية

Published: February 25, 2015 doi: 10.3791/52440
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Earth Science and Engineering, Imperial College London

Abstract

تم استخدام مجهري الأشعة السينية إلى صورة، بدرجة وضوح 6.6 ميكرون، وترتيب المسام النطاق للالمتبقي العقد ثاني أكسيد الكربون في مسام الفضاء صخرة كربونات في الضغوط ودرجات الحرارة ممثل التشكيلات المعتادة المستخدمة في CO 2 التخزين. واستمر التوازن الكيميائي بين CO 2، محلول ملحي والصخور مراحل باستخدام الضغط العالي مفاعل ارتفاع في درجة الحرارة، والتي تحاكي الظروف بعيدا عن موقع الحقن. وتمت السيطرة تدفق السوائل باستخدام الضغط العالي وارتفاع درجة الحرارة مضخات الحقنة. للحفاظ على ممثل في الموقع الأوضاع داخل الماسح الضوئي الصغير-CT تم ​​استخدام ألياف الكربون وارتفاع ضغط الجزئي-CT coreholder. تم منع ناشر الصرف CO 2 عبر حصر كم من مسام الفضاء الصخرة إلى السائل حصر المحيطة جوهر مع التفاف الثلاثي من رقائق الألومنيوم. كان على غرار إعادة بنائها على النقيض من محلول ملحي باستخدام مصدر الأشعة السينية متعدد الألوان، وتكوين محلول ملحي ثكما اختير لتحقيق أقصى قدر من التباين ثلاث مراحل بين اثنين من السوائل والصخور. واستخدمت خطوط تدفق مرنة لخفض القوات على عينة خلال الحصول على الصور، يحتمل أن تسبب غير المرغوب فيها الحركة العينة، أحد أوجه القصور الرئيسية في التقنيات السابقة. تم استخدام الحرارية الداخلية، وضعت بالقرب مباشرة إلى جوهر الصخور، إلى جانب مرونة التفاف التدفئة خارجي وحدة تحكم PID للحفاظ على درجة حرارة ثابتة داخل الخلية التدفق. حوصر كميات كبيرة من CO 2، مع التشبع المتبقية من 0.203 ± 0.013، وأحجام العقد حجم أكبر طاعة توزيعات قانون السلطة، بما يتفق مع نظرية الترشيح.

Introduction

احتجاز الكربون وتخزينه هو عملية حيث يتم التقاط CO 2 من مصادر نقطة كبيرة وتخزينها في الصخور المسامية، وتشريد المحاليل الملحية المقيمين بحيث يظل في باطن الأرض لمئات إلى آلاف السنين 1. وCO 2 يقيم في باطن الأرض كمرحلة فائقة الحرجة كثيفة (scCO 2)، مع خصائص مختلفة جذريا إلى CO 2 في الظروف المحيطة. هناك أربع آليات الرئيسية التي scCO 2 قد ثبتوا في باطن الأرض: الطبقي، والذوبان والمعادن ومحاصرة المتبقية. محاصرة الطبقي حيث يتم عقد CO 2 تحت الصخور ختم كتيمة. الذوبان محاصرة هو المكان الذي يذوب CO 2 في محلول ملحي المقيمين المحيطة CO حقن 02-04 فبراير. محاصرة المعدنية حيث يتم عجلت مراحل المعدنية الكربونات في الصخر 5؛ ومحاصرة المتبقي أو الشعرية حيث يتم عقد CO 2 من قبل قوات السطحيةقطرات صغيرة باسم (العقد) في مسام مساحة من الصخر 6. يمكن أن يحدث هذا إما بشكل طبيعي، من خلال هجرة CO 2 عمود 7-9، أو يمكن الناجمة عن حقن المحاليل الملحية مطاردة 10. من أجل فهم العمليات التي تحكم تدفق ومحاصرة هذا CO 2 في باطن الأرض يجب إجراء مجموعة جديدة من التجارب، وتسخير التطورات الجديدة في مجال التكنولوجيا لفهم أفضل للالفيزياء الأساسية المرتبطة تدفق متعدد المراحل.

وقد وضعت مجهري الأشعة السينية كتقنية على مدى السنوات ال 25 الماضية من المحاولات المبكرة لتصور كل من العينات الجيولوجية الجافة 11 ومراحل متعددة السوائل 12 إلى الوسيلة الرئيسية للتصوير غير الغازية من النوى الصخور، سواء لأغراض النمذجة والتجريبية تنفيذ 13-15. لأن مجهري هو غير الغازية، فمن لديه القدرة على دراسة النظم في الظروف التمثيلية، وهو لا سيما جاذبيهه لنظام -brine الصخور CO 2، وسلوك تدفق متعدد المراحل من 2 scCO يعتمد اعتمادا كبيرا على خصائص الحرارية الفيزيائية، مثل التوتر السطحي وزاوية الاتصال، والتي هي بدورها وظيفة قوية من شروط النظام مثل درجة الحرارة، الضغط وملوحة 16-18. في مثل هذا النظام المعقد، مع مثل مجموعة واسعة وغير مفهومة من المتغيرات المترابطة، والتجارب باستخدام الهياكل المسام المثالية 19 أو سوائل التناظرية 20،21 قد لا تكون قابلة للتطبيق لتدفق العمليات في باطن الأرض. التصوير سوائل متعددة في الظروف ممثل المحتملين تشكيل حقن CO 2 ومع ذلك، فقد لا تزال تمثل تحديا 22. في هذه الدراسة فإننا الخطوط العريضة لمنهجية لدراسة السلوك متعددة السائل في خزان الظروف، مع التركيز على دراسة الشعرية محاصرة 23،24. وسوف يشمل ذلك تصميم استراتيجية والتصوير، وتجميع الخلية السوائل، وحقن الحاديrategy ومعالجة الصور لاحق.

امتحان تجريبي من المسام على نطاق السلوك تدفق متعدد المراحل في أنظمة الصخور الحقيقية يركز على التصوير من النوى الصخور المشبعة جزئيا بعد كل من غير التبول حقن المرحلة (الصرف) وترطيب حقن المرحلة (تشرب). يتم حقن هذه السوائل من خلال ربط النوى لمضخات حقن السوائل باستخدام خطوط تدفق مرنة، في حين حصر الأساسية باستخدام هاسلر من نوع التصميم coreholder 25. لبنجاح صورة كانت تستخدم الترتيب في الموقع من scCO 2 و محلول ملحي، رواية والإعداد التجريبية حساسة للغاية، مع التركيز في المقام الأول على استخدام دقة عالية للأشعة السينية المجهر 23،24،26. متطلبات لإجراء التجارب في درجات حرارة مرتفعة والضغوط صارمة للغاية، وتتطلب التطورات الأخيرة في كل من تكنولوجيا المواد والمتناهية الصغر CT المرافق. المتطلبات الرئيسية التي يجب الوفاء بها هي أن أي حامل الأساسية / عينة يجب أن يكون أساسهالو لتحمل الضغط العالي وارتفاع درجة الحرارة (HPHT) الظروف في حين تبقى بما فيه الكفاية الأشعة السينية شفافة للسماح للتصوير الفعال. الأدوات القائمة على مختبر تفرض قيدا إضافيا، حيث أن صاحب الأساسية يجب أن تكون صغيرة بما فيه الكفاية بحيث مصدر الأشعة السينية يمكن وضعها بالقرب من العينة، ويمكن تحقيق ذلك كبيرة بما فيه الكفاية الهندسي التكبير الأشعة السينية من هذا القبيل أن مساحة المسام هو حل فعال. وعلى الرغم من هذا القيد قد خففت إلى حد ما مع إدخال البصريات الثانوية في أحدث القائم على مختبر الآلات الدقيقة CT، أنه لم يتم ازالتها بالكامل، وخاصة إذا رغبت في الأوقات الاستحواذ السريع، وتميل تكبير بصري أعلى لزيادة الوقت اللازم لاكتساب الصور.

تجارب مع سوائل قابلة للذوبان توفر تحديا إضافيا عند استخدام الأوقات اكتساب طويلة، كما CO 2 سوف ينتشر من خلال الأجزاء البوليمرية الجمعية التجريبي، والحد من السوائل التشبع في الموقع. Aليرة لبنانية هذه القضايا يعني أن أوقات مسح أطول من حوالي 2 ساعة كانت غير عملية. من اجل الحفاظ على الأوقات المسح الضوئي دون هذا الشرط، ولا سيما بالنسبة للصرامة والمصادر البرية المختبر، يجب أن يكون صاحب الأساسية حوالي 1 سم في القطر. ومن شأن حجم coreholder أكبر قد يتطلب كاشف ليكون أبعد من ذلك بكثير من المصدر إلى تحقيق نفس التكبير الهندسي، والحد من وقوع الحادث تدفق الأشعة السينية على كشف وبالتالي زيادة التعرض مرات العرض المطلوب. واستند خلية تدفق المستخدمة في هذه التجارب على تصميم خلية هاسلر التقليدية، التي تتمحور حول كم من ألياف الكربون، مع تصميم الأكمام مماثلة لتلك المستخدمة من قبل Iglauer وآخرون 27، ولكن مع اثنين من التعديلات الهامة: 1) والألياف الكربونية يستخدم في صناعة كم تم تغيير من الألياف T700، مع صلابة من 230 برنامج العمل العالمي، لألياف M55، مع صلابة من 550 برنامج العمل العالمي. هذا ليس فقط خفض كمية الحركة عينة خلال الاستحواذ التصوير المقطعي، ولكن أيضا زيادة الحد الأقصى التعليم الجامعيrking ضغط الخلية من 20 ميجا باسكال إلى 50 ميجا باسكال. 2) تم ممدود الكم من 212 مم إلى 262 مم للسماح المصدر وكاشف لتكون أقرب إلى عينة وقت ممكن.

وكان من العيب التجريبي الرئيسي في الدراسة الأولى لاستخدام الصغرى-CT لفحص CO 2 في الظروف خزان استخدام خطوط معدنية للسيطرة على تدفق من وإلى جوهر صاحب 27. كما يتم تدوير العينة بالنسبة إلى مضخات، تحتاج خطوط تدفق أيضا إلى أن تكون استدارة. يمكن أن يسبب تصلب خطوط تدفق العينة للتحرك، وخفض دقة الصورة فعالة أو جعل بعض أو كل مجموعة بيانات غير صالحة للاستعمال. لمنع هذا استبدلنا جميع خطوط تدفق قريبة من مرحلة التناوب مع مرونة الأثير البولي كيتون (نظرة خاطفة) أنابيب. وكانت هذه خطوط تدفق مرنة، وتوفير القوى الجانبية الصغيرة جدا (تحميل) لصاحب الأساسية خلال الاستحواذ. علينا أيضا أن تعلق خطوط التدفق إلى صمامات تعلق على مرحلة العينة، بدلا من ربط خطوط التدفق إلى coreholder. وهذا يعني أن أي حمولة خط تدفق الحالية وأحيلت مباشرة إلى المسرح، بدلا من العينة، مما يقلل من احتمال عينة الحركة. وكان من العيب الرئيسي من استخدام أنابيب نظرة خاطفة أن CO 2 كان قادرا على نزع فتيل ببطء من خلال ذلك، على مدى زمني حوالي 24 ساعة. وهذا يعني أن CO 2 محلول ملحي المشبعة اليسار في خطوط تدفق سيكون التشبع تدريجيا.

كان آخر القصور التجريبية كبير من الدراسات السابقة الخاصة بمكافحة غير دقيقة لدرجة الحرارة. وهذا يمكن أن تؤثر على نتائج في عدد من الطرق. أولا، ودرجة الحرارة هي سيطرة قوية على كل من التوتر والاتصال بينية زاوية 16-18. وعلاوة على ذلك، والذوبان في كل من scCO 2 وكربونات صخرة في الماء المالح هو أيضا درجة عالية من درجات الحرارة تعتمد 28. السيطرة الذوبان أمر بالغ الأهمية، كما هو الحال عندما scCO 2 يتم ضخها في طبقة مياه جوفية مالحة كربونات وسوف تذوب في الماء المالح المقيم، وتشكيل حمض الكربونيك شديدة التفاعل، والتي سوف في توRN البدء في حل أي الكالسيت الحاضر. وبالتالي يمكن لأي عدم دقة في السيطرة الذوبان تؤدي إلى scCO 2 انحلال / exsolution أو صلبة حل / هطول الأمطار.

استخدمت الدراسات السابقة 27 السائل حصر ساخنة لتسخين coreholder. ولكن هذا كان مشكلة. لديها عيوب المرتبطة صعوبة الحفاظ بدقة ضغط حصر المستمر باستخدام إمدادات المياه إعادة تدوير، الأمر الذي يتطلب حمامات التدفئة إضافية لهذا العرض. وعلاوة على ذلك، فإن هذا النظام يحافظ فقط على مراقبة دقيقة لدرجة الحرارة عند نقطة الحمام التدفئة (وليس في نقطة من حامل الأساسية، كما أن السائل حصر باردة بين حمام الماء وحامل الأساسية). ويتطلب ذلك أيضا كل من مدخل ومخرج منفذ لحصر السوائل، وزيادة عدد خطوط السوائل التي تعلق على coreholder وذلك زيادة الحمل خط التدفق.

بدلا من استخدام السائل حصر ساخنة، والساخنة وال مرونةتم استخدام نانوغرام سترة لتطويق حامل الأساسية. أدت هذه الطريقة تسخين بسيط جدا في القليل جدا من الحمل coreholder، وسمح للتدفئة دقيقة ودقيقة. وقد استخدم فيلم التدفئة بوليميد رقيقة للغاية، من أجل تقليل حجم العينة. بناء هذا الفيلم يتكون من النحاس المحفور عنصر احباط 0.0127 مم، مغلفة بين طبقتين من 0.0508 ملم فيلم بوليميد. وقال إن عناصر النحاس الموجودة في سترة لن يؤثر بشكل ملحوظ على جودة الصورة. تم قياس درجة الحرارة باستخدام الحرارية يجلس في الحلقة الضيقة للخلية. تم وضعه على الجزء الخارجي من الغلاف حصر، في أقرب وقت ممكن حتى النخاع، وضمان قراءة دقيقة وموثوقة ومستقرة لدرجة الحرارة المسام السوائل. تم ربط الفيلم الحرارية والتدفئة إلى وحدة تحكم عرف بني مشتقات متكاملة النسبي (PID)، وكانت تسيطر عليها درجات الحرارة داخل ± 1 ° C.

للحفاظ على كامل السيطرة اوفإيه بين مرحلة الذوبان، وتمثل الأوضاع الحالية في طبقة المياه الجوفية بعيدا عن موقع الحقن، قبل الحقن والمتوازنة في محلول ملحي مع scCO 2 عن طريق خلط بقوة السوائل اثنين معا مع الجسيمات الصغيرة (1-2 ملم) من الصخور المضيفة في مفاعل أثار وساخنة. يتم تصنيع جميع مكونات المبللة داخل هذا المفاعل من إضافة إلى السبائك للحد من التآكل. يحتوي على مفاعل أنبوب تراجع تصفيتها للسماح للسوائل أكثر كثافة ليكون استخراجه من قاعدة المفاعل (الماء المالح) وسائل أقل كثافة ليكون استخراجه من أعلى المفاعل (scCO 2). واستخدمت مضخات الحقن ذات الضغط العالي للحفاظ على الضغط والتحكم في التدفق في مسام الفضاء من الصخور وفي المفاعل، مع دقة تشريد 25.4 NL. يظهر جهاز تجريبي المستخدمة في هذه الدراسة في الشكل 1. والملح الأيونية المستخدمة في التجربة التي كانت ترسم نتائج ممثلة كان يوديد البوتاسيوم (KI)، كما أن لديها الوزن الذري عالية وذلك لارتفاع الأشعة السينية معامل التوهين، مما يجعله عامل تباين فعالة. الأملاح أقل المخففة (مثل كلوريد الصوديوم) أو مخاليط يمكن استخدامها، ستكون هناك حاجة الملوحة لكن اكبر لتحقيق نفس الأشعة السينية التوهين.

Protocol

1. التصوير تصميم استراتيجية

  1. من أجل التنبؤ بأداء التصوير من الخيارات المذاب مختلفة لمحلول ملحي، وحساب الطيف بالأشعة السينية للحادث الأشعة السينية 29-31. تشمل تأثير النواة حامل، والتجمع الأساسية والسوائل حصر على طيف الأشعة السينية. ويرد مثال الحادث طيف الأشعة السينية باستخدام الجهد تسارع من 80 كيلو فولت والإلكترون تيار 87 أمبير في الشكل 1.
  2. قارن هذا الطيف للعوامل انتقال من العينة التي تحتوي على مختلف مسام السوائل. محاكاة تغييرات في معامل انتقال بسبب التغيرات في مسام السائل باستخدام قانون بير لامبرت، على افتراض طول فعال البصري للالأنواع داخل العينة، وحساب معاملات توهين الأشعة السينية (الشكل 3) 32. تحديد عامل نقل العام من خلال دمج على كل حادث طاقات الأشعة السينية. مثال على الناتج العوامل انتقال فعالة لماتري الصخورx و المواد مسام الفضاء، والتغيرات في عوامل انتقال النسبية لهذه القضية عندما يملأ المسام الفضاء مع فراغ يمكن أن ينظر في الجدول 1.
  3. اختيار المذاب محلول ملحي والتركيز على ان يكون التغيير في عامل انتقال المرتبطة محلول ملحي ما يقرب من نصف التغير في العوامل انتقال المرتبطة الصلبة. وهذا تعظيم ثلاثة النقيض من المرحلة في الصورة أعيد بناؤها. تزن من أصل المبلغ المطلوب من الملح (7٪ (وزن / وزن) KI كانت تستخدم للتجربة التي اتخذت نتائج تمثيلية) وتخلط بقوة مع الماء منزوع الأيونات.
    1. بدلا من ذلك، إذا كان المطلوب تكوين محلول ملحي معين، تغيير الأشعة السينية تسارع مصدر الجهد لتغيير الطيف للحادث الأشعة السينية.

2. جمعية المعدات وخلية

  1. تجميع المعدات كما هو مبين أدناه في الشكل 2. خطوط التدفق استخدام نظرة خاطفة للحد الجانبي تحميل العينة على الخلية التدفق.اختبار كل اتصال بعناية لأي تسرب السوائل.
    1. وضع محلول ملحي، من قرر تكوين خلال الخطوات 1،1-1،3، في قاعدة المفاعل. التفاف سخان مرونة حول الخلية التدفق.
  2. بناء التجهيزات نهاية المعدنية. ازالة الموضوع من "نهاية 1/16" 1/8 إلى 1/8 "المخفض المناسب. ثم قص الأخاديد الصغيرة في مواجهة "نهاية 1/8 من المناسب لتوزيع CO حقن 2 على كامل الوجه من جوهر.
  3. تمرير الحرارية الضغط العالي من خلال الأجزاء نهاية المعدنية للخلية تدفق الصغرى وختم باستخدام ¼ "الحلقات والجوز، وبالتالي فإن تقاطع الساخن للالحرارية يجلس المجاور لمواجهة مدخل جوهر، داخل الحلقة الضيقة للخلية.
  4. حفر العينة المطلوب في نواة 6.5 ملم وقطرها 30 ملم إلى 50 ملم في الطول. تطحن نهايات شقة الأساسية، لضمان وجود اتصال جيد مع القطع نهاية المعدنية. التفاف هذه النواة في رقائق الألومنيوم ثم ضع داخلهاغ flouro البوليمر المطاط الصناعي كم.
    1. ربط نهايات الأكمام المطاط الصناعي إلى نهاية التجهيزات المعدنية. إضافة التفاف آخر من رقائق الألومنيوم إلى السطح الخارجي للغلاف المطاط الصناعي قبل وضع تقاطع الساخن للالحرارية بجوار بالطوق حصر للخلية وإضافة التفاف النهائي من رقائق الألومنيوم. يشكل هذا التجمع الأساسية (الشكل 4).
  5. تجميع الخلية تدفق الجزئي مع التجمع الأساسية مختومة داخلها وربط الخلية إلى مرحلة داخل العلبة الصغيرة CT (الشكل 5) باستخدام المشبك شنت على رأس المرحلة CT التناوب.

3. نظام الضغط

  1. إغلاق كافة الصمامات بصرف النظر عن صمام 1 و 2 و 3، على النحو المحدد في الشكل (3). تحميل CO 2 من الاسطوانة إلى مضخة 1 و المفاعل، ثم صمام الوثيق 1. رفع ببطء درجة الحرارة والضغط داخل المفاعل لأن المطلوب لل مسام السوائل أثناء التجربة.
  2. فتح صمام 14 وتحميل السائل حصر في مضخة 3. صمام اغلاق 14. توسيع الصمامات 12 و 13. الضغط على الحلقة الضيقة للالخلية إلى أعلى لا يقل عن 10٪ من الضغط المسام السوائل المقترحة.
  3. فتح صمام 11. تحميل محلول ملحي في مضخة 2. اغلاق صمام 11 و الصمامات مفتوحة 9 و 8 و 6.
    1. الضغط ببطء المسام الفضاء الصخرة حتى أنها في الضغط المطلوب مسام السائل، وملء المسام الفضاء من العينة مع محلول ملحي التي لم يتم معايرتها مع scCO 2.
  4. فتح صمام 4. تدفق أكثر من 1،000 حجم المسام من محلول ملحي معايرتها من خلال الأساسية قبل إعادة تعبئتها مضخة 2 بمعدل تدفق مستمر. تم العثور على حجم المسام بضرب حجم الأساسية من قبل المسامية العثور على استخدام الهيليوم porosimetry.
    ملاحظة: هذا تهجير miscibly للمعايرتها الامم المتحدة محلول ملحي، وضمان 100٪ تشبع محلول ملحي الأولي وبجمعية العقاراتشروط تينغ في قلب أقرب إلى الظروف الموجودة تحت سطح الأرض في طبقة المياه الجوفية عند نقطة متقدما قليلا من أمام scCO 2 عمود.

4. السائل التدفق، والحصول على الصور

  1. تمر عبر 10 مجلدات المسام (حوالي 1 مل) من scCO من 2 إلى جوهر في معدلات تدفق منخفضة جدا (1.67 × 10 -9 م 3 / ثانية)، وضمان عدد الشعرية منخفضة حوالي 10 -6. باستمرار اتخاذ التوقعات 2D من أجل قياس دقيق لإجمالي كمية حقن من خلال مراقبة هذه النقطة عندما scCO 2 يزيح الماء المالح في الفضاء المسام.
  2. تمر عبر 10 مجلدات المسام (حوالي 1 مل) من محلول ملحي معايرتها من خلال جوهر في نفس معدل تدفق منخفض، مما تسبب في scCO 2 لتصبح المحاصرين كمرحلة المتبقية في مسام الفضاء.
  3. بعد الخطوات 4.1 أو 4.2، واتخاذ مسح العينة لتصريف صورة أو تشرب على التوالي. استخدام حجم فوكسل بحيث القطر كله من جوهر يناسب ضمن مجال VIEث.
  4. إعادة المسح باستخدام برنامج إعادة الإعمار تصوير الشعاعي الطبقي. لمسح كامل طول الأساسية مع الإبقاء على حجم فوكسل الصغيرة، وإعادة بناء وحدات التخزين المركبة من خلال ترقيع أقسام متداخلة متعددة، حصلت بالتتابع.
    ملاحظة: كل قسم يلزم نحو 400 التوقعات، مع الأخذ 15-20 دقيقة للحصول على، وبالتالي فإن المسح وحدة تخزين مركب كامل استغرق حوالي 90 دقيقة.

5. معالجة الصور والإنقسام

  1. تطبيق حافة الوسائل غير الحكومية المحلية الحفاظ على مرشح 33،34 إلى مجموعة البيانات وتصحيح الصور عن أي تصلب شعاع أو تليين القطع الأثرية التي تم إنشاؤها خلال إعادة الإعمار الصورة عن طريق النمذجة هذه التحف وظائف جاوس كما متماثل شعاعيا 35.
  2. شريحة البيانات (تتحول المعلومات اللون الرمادي إلى تمثيل ثنائي من CO 2 في الصورة) عن طريق استخدام خوارزمية مستجمعات المياه مع البذور الناتجة باستخدام الرسم البياني 2D 36، علاج CO
  3. تحليل هذه الصورة مجزأة للعثور على كل من العدد الكلي للCO 2 voxels وأيضا أحجام كل مجموعة مرتبطة من CO 2 المتبقية.

Representative Results

وقد تم تحليل النتائج لكربونات واحدة، Ketton الحجر الجيري، وهو الأوليت صخر كلسي من العلوي لينكولنشاير الحجر الجيري الأعضاء في 3D من أجل تحديد وقياس حجم كل عقدة فريدة منقطعة، والتي وصفت بعد ذلك (الشكل 6). وقد أجريت جميع المعالجة في إطار Avizo الحريق 8.0 و يماغيج برامج 37.

وقد تم تحليل الصور مجزأة المشبعة جزئيا عن طريق حساب عدد من voxels من المحاصرين بالتبعية scCO 2 للعثور على نسبة من حجم الصخور التي تحتلها المحاصرين scCO 2 - القدرة الشعرية محاصرة. ويمكن بعد ذلك تحويل هذا إلى تشبع المتبقية (S ص) عن طريق قسمة هذه القيمة من قبل المسامية كما تم الحصول عليها باستخدام الهيليوم porosimetry. حوصر نسب كبيرة من scCO 2 كما تشبع المتبقية، مع التشبع المتبقية من 0.203 ± 0.013. وهذا يتفق مع النتائج التي توصلت إليها الدراسات السابقة باستخدام الصغرى-CT 23. وأظهرت الدراسات على نطاق أكبر النواة من محاصرة المتبقية في هذا النوع الصخور تشبع المتبقية أقل من 0.137 ± 0.012 38.

للتسرب للماء مملح فى الأساسية المشبعة scCO 2 هو عملية تشرب حيث سائل ترطيب (الماء المالح) يغزو كل المسام، وتشريد غير السائل ترطيب (scCO 2). في صخرة بشدة في الماء الرطب نتوقع من المياه لملء المناطق من مساحة المسام في الترتيب من حيث حجم 39،40، محاصرة العقد قطع في عملية تسمى الأداة الإضافية خارج. وينبغي أن تكون هذه العملية الترشيح مثل 41 حتى التنبؤات ويمكن إجراء حول توزيع حجم التجمعات المعزولة. عدد ن من مجموعات من حجم الصورة (تقاس في voxels) يجب تحجيم كما، حيث τ هو الأس فيشر 42. وقد أظهرت النمذجة شبكة في الشبكات العادية مكعب ثلاثية الأبعاد قيمة هذا الأس حوالي τ = 2.189 43. طريقة واحدة الطبيعية لاستخراج هذا الأس من البيانات الحقيقيةهو مؤامرة كمية اهمال، على النحو المحدد من قبل دياس ويلكنسون 41.

المعادلة 1

الذي يجب أن حجم على النحو التالي:

المعادلة 2

هذا ثم تآمر على قطعة سجل سجل-بوصفها وظيفة من ليالي (الشكل 7)، والتي تبين السلوك بقانون القوة لالعقد واسع، ولكن انخفاض تمثيل أصغر العقد مقارنة مع نموذج قانون السلطة. تم حساب الأس باستبعاد العقد أصغر من 10 5 voxels (حوالي بداية سلوك السلطة القانون) وأداء Levenberg-ماركوارت الانحدار 44،45 باستخدام الأقل المطلقة المتبقية قوية خوارزمية المناسب 46،47. تم تنفيذ ذلك باستخدام مجموعة من البرامج التجارية. كان الأس فيشر لهذا النظام 2.287 ± 0.009، CLبيئة نظام التشغيل إلى القيمة النظرية لل2.189، مشيرا إلى أن تشرب في هذا النظام هو في الواقع الترشيح مثل. أكثر عموما هذه النتائج تؤكد الاستنتاجات في جو من التجارب الأساسية للفيضانات 38،48،49 أن scCO 2 بمثابة مرحلة غير التبول في الكربونات.

الشكل (1)
الشكل 1. جهاز التجريبي، والتي تبين المضخات والصمامات ومفاعل يستخدم للسيطرة على تدفق وتنصيب coreholder داخل العلبة الصغيرة CT. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2. الطيف الطاقة تطبيع للأشعة السينية الحادث على جوهر، فاي ltered من خلال coreholder، وحصر كم وحصر السوائل. محسوبة باستخدام SpekCALC 29-31.

الشكل (3)
الشكل 3. معاملات توهين خطية من السوائل المختلفة والمواد الصخرية بوصفها وظيفة من طاقة الفوتون.

الشكل (4)
الشكل 4. تفاصيل الجمعية الأساسية، مما يدل على التفاف الألومنيوم الثلاثي في جميع أنحاء الأساسية، ومنع ناشر الصرف CO 2 في جميع أنحاء كم flouro-المطاط الصناعي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

0 / 52440fig5.jpg "/>
الشكل 5. التفاصيل للخلية التدفق، جهاز التدفئة وتحديد مواقع التجمع الأساسية داخل الخلية التدفق. يجب وضع الحرارية في أقرب وقت ممكن لمواجهة مدخل من جوهر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم .

الشكل (6)
الرقم 6. صورة من كربونات بعد الصرف وتشرب. (A) تقديم و3D من جوهر بعد الصرف حيث يتم إعطاء كل مجموعة غير ترطيب مرحلة بلون مختلف. (BF) وتقديم 3D من جوهر بعد خمس تجارب تشرب، الملونة كما هو موضح ل(A). في طائفة واسعة من الألوان يشير إلى المرحلة المتبقية سيئة متصل. (G) والمقطع العرضي للصلب بعد الصرف. المرحلة أحلك هي scCO 2، مرحلة وسيطة هي محلول ملحي والمرحلة الأخف وزنا هي الحبوب الصخور. (H) قطاعا عريضا من جوهر بعد تشرب. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
الرقم 7. توزيع حجم العقد المتبقي هو مبين في الشكل (6).

تعبئة المواد المسامية فراغ CO 2 H 2 O H 2 O - 7٪ بالوزن كلوريد الصوديوم H 2 O - 7٪ بالوزن KI صلب (كربونات الكالسيوم 3)
عامل نقل 0.25 0.247 0.243 0.242 0.224 0.202
تغيير في عامل نقل نسبة إلى فراغ N / A -0.003 -0.007 -0.008 -0.026 -0.048

الجدول 1. ملخص النتائج (عامل نقل وتغيير في عامل نقل نسبة إلى شغل حالة فراغ) من محاكاة الأشعة السينية الخصائص البصرية للمواد الصخور والمسام الفضاء ملء تصويرها خلال هذه الدراسة. ويمثل كل عمود مواد مختلفة سد المسام الفضاء من الصخور داخل coreholder.

Discussion

الخطوات الأكثر أهمية للتصوير ناجحة من السوائل المتعددة المراحل عند ضغوط مرتفعة وتكون درجات الحرارة: 1) إن العزلة الناجحة من السائل المسام من السائل حصر المحيطة بها؛ 2) موازنة فعالة من السوائل والصخور قبل الحقن. 3) التحكم في درجة الحرارة الفعالة في كافة مراحل التجربة. و4) تجزئة فعالة من الصور الناتجة.

استخدام يلف الألومنيوم أمر بالغ الأهمية لعزل الناجحة للمسام السائل من السوائل حصر المحيطة كما هو الحال في غياب الصرف ناشر عبر كم هو سريع، ولا يبقى التشبع داخل نواة المستمر لمدة الفحص. يمكن أيضا أن تكون هذه المشكلة واضحا عندما يبقى السائل في خطوط التدفق نظرة خاطفة لفترات طويلة من الزمن (> 2 ساعة) قبل الحقن في صلب في الخطوة 4.1 و 4.2. ومرة أخرى، CO 2 تبادل diffusively عبر البلاستيك، مما تسبب في محلول ملحي لعدم التشبع. إذا كان هذا دييتم حقن محلول ملحي المشبعة في صلب، فإن التشبع في قلب تنخفض تذوب الكتل المتبقية من محلول ملحي حقن.

طرق أخرى للموازنة من السوائل والصخور، بما في ذلك إعادة تدوير السوائل 50، وقد اقترحت في الأدب. هذه الأساليب تزيد من تعقيد الإعداد التجريبية، والتي بدورها ستؤدي إلى زيادة مقدار الوقت لكل تجربة، الأمر الذي سيكون له بدوره زاد من احتمال أن محلول ملحي في خطوط تدفق قد مشبع diffusively.

التحكم في درجة الحرارة الفعالة أمر ضروري، وجود الحرارية داخل الحلقة الضيقة للخلية تدفق أمر بالغ الأهمية لهذا الغرض. يتم قياس درجة الحرارة فقط في نقطة واحدة، وهذا يعني قد تكون هناك بعض التدرج عبر العينة، مما يؤدي إلى اختلال التوازن الذوبان والانحلال أو exsolution. هذا يمكن التقليل من خلال تحديد موقع تقاطع الساخن للالحرارية في أقرب وقت ممكن إلى tكان مدخل وجه جوهر الصخور.

تجزئة فعالة من الصور الناتجة يمكن أن يكون تحديا حقيقيا مع هذه الأنظمة، حيث أن تجزئة من الصور التي تحتوي على التشبع الجزئي للسوائل متعددة بشكل ملحوظ أكثر تحديا أن تقسيم الصور الجافة، وبالتالي فإن استخدام العتبة عالمية بسيطة على نطاق والرمادي هي غير كافية 51. استخدام تجزئة مستجمعات المياه لا يعطي سوى نتائج أكثر موثوق، مقارنة مع خوارزميات أخرى في الأدب، وإنما هو أيضا الأكثر فعالية في التعامل مع عصابة وحجم الجزئي القطع الأثرية 35.

واحدة من أهم القيود لهذا الأسلوب هو أنه يمكن فقط الوصول إلى الفضاء المسام ماكرو من صخرة. وmicroporosity (على نطاقات أصغر من دقة وضوح الصورة) لا تزال لا يمكن الوصول إليها، ويمكن أن تكون هامة لتدفق متعدد المراحل. دقة أعلى تكشف عن وجود نسبة أكبر من هذه الأجزاء من مساحة المسام، ولكن تتوافق أيضا إلى انخفاض في عشرالمجال (ه) من الرأي. انطباق هذه التقنية إلى نوع الصخور محددة يمكن معالجتها من خلال مقارنة قرار الفحص لتوزيع حجم المسام الحلق تم الحصول عليها باستخدام أسلوب مستقل مثل حقن الزئبق ضغط الشعرية.

هذا الأسلوب هو الأسلوب الرئيسي لتصوير المسام النطاق من السوائل متعددة في الظروف خزان في أنظمة واقعية، مع التطبيقات الموجودة بما في ذلك دراسة مقارنة عبر من الشعرية محاصرة 24 وقياس زاوية الاتصال 26، والطريقة تنطبق بسهولة إلى مجموعة كبيرة من الأنظمة التي يسهل اختراقها. عمل في المستقبل يمكن أن يدرس، في نطاق المسام، ومجموعة متنوعة واسعة من مرحلة واحدة وتدفق متعدد المراحل في مشاكل وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها في الظروف ممثل طبقات المياه الجوفية تحت سطح الأرض، وحقول النفط والغاز وأنظمة الجيولوجية العميقة الأخرى.

Acknowledgments

ونحن نعترف بامتنان بتمويل من مركز بحوث الكربونات وتخزين الكربون قطر (QCCSRC) بتمويل مشترك من قبل قطر للبترول وشركة شل وقطر للعلوم والتكنولوجيا بارك. علينا أيضا أن نعترف التمويل من كلية امبريال في اتحاد المسام النطاق نمذجة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
High Pressure Syringe Pump Teledyne ISCO 1000D
Parr Reactor Parr Instrument Company 4547A - hastelloy
PEEK Tubing Kinesis 1560xL
Potassium Iodide Salt Sigma Aldrich 30315-1KG
Carbon Dioxide BOC CO2 - size E
Thermocouple Omega Engineering KMTSS-IM300U-150
Kapton Flexible Heater Omega Engineering KH-112/10-P
X-Ray Microscope Zeiss Versa XRM 500
Snoop Leak Detector Swagelok MS-SNOOP-8OZ
Flouro-Elastomer Polymer (Viton) Sleeve Fisher Scientific 11572583
Micro-CT Coreholder Airborne Composites 262mm Coreholder Constructed in conjunction with Imperial College
Tomographic program Zeiss XM-Reconstructor
ImageJ - image processing NIH ImageJ
Matlab Mathworks Matlab Used for regression analysis
Avizo FEI Avizo

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage. , Cambridge, U.K. (2005).
  2. Ennis-King, J., Paterson, L. Engineering aspects of geological sequestration of carbon dioxide. SPE 77809, Proceedings of the Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition. , (2002).
  3. Weir, G. J., White, S. P., Kissling, W. M. Reservoir storage and containment of greenhouse gases. Transport in Porous Media. 23 (1), 61-82 (1996).
  4. Lindeberg, E., Wessel-Berg, D. Vertical convection in an aquifer column under a gas cap of CO2. Energy Conversion & Management. 38, 229-234 (1997).
  5. Lin, H., Fujii, T., Takisawa, R., Takahashi, T., Hashida, T. Experimental evaluation of interactions in supercritical CO2/water/rock minerals system under geologic CO2 sequestration conditions. Journal of Materials Science. 43 (7), 2307-2315 (2007).
  6. Juanes, R., Spiteri, E. J., Orr, F. M. Jr, Blunt, M. J. Impact of relative permeability hysteresis on geological CO2 storage. Water Resources Research. 42 (12), (2006).
  7. Hesse, M., Orr, F. M. Jr, Tchelepi, H. A. Gravity Currents with Residual trapping. Journal of Fluid Mechanics. 661, 35-60 (2008).
  8. MacMinn, C., Szulczewski, M. L., Juanes, R. CO2 migration in saline aquifers. Part 1. Capillary trapping under slope and groundwater flow. Journal of Fluid Mechanics. 662, 329-351 (2010).
  9. MacMinn, C., Szulczewski, M. L., Juanes, R. CO2 migration in saline aquifers. Part 2. Capillary and solubility trapping. Journal of Fluid Mechanics. 688, 321-351 (2011).
  10. Qi, R., LaForce, T. C., Blunt, M. J. Design of carbon dioxide storage in aquifers. International Journal of Greenhouse Gas Control. 3 (2), 195-205 (2009).
  11. Flannery, B. P., Deckman, H. W., Roberge, W. G., D'Amico, K. L. Three-Dimensional X-Ray Microtomography. Science. 237 (4821), 1439-1444 (1987).
  12. Jatsi, J. K., Jesion, G., Feldkamp, L. Microscopic Imaging of Porous Media with X-Ray Computer Tomography. SPE 20495. SPE Formation Evaluation. , 189-193 (1993).
  13. Blunt, M. J., et al. Pore-scale imaging and modelling. Advances in Water Resources. 51, 197-216 (2013).
  14. Cnudde, V., Boone, M. N. High-resolution X-ray computed tomography in geosciences: A review of the current technology and applications. Earth-Science Reviews. 123, 1-17 (2013).
  15. Wildenschild, D., Sheppard, A. P. X-ray imaging and analysis techniques for quantifying pore-scale structure and processes in subsurface porous medium systems. Advances in Water Resources. 51, 217-246 (2013).
  16. Espinoza, D. N., Santamarina, J. C. Water-CO2-mineral systems: Interfacial tension, contact angle, and diffusion-Implications to CO2 geological storage. Water Resources Research. 46 (7), (2010).
  17. Li, X., Boek, E., Maitland, G., Trusler, J. P. M. Interfacial Tension of (Brines + CO2): (0.864 NaCl+0.136 KCl) at Temperatures between (298 and 448) K, Pressures between (2 and 50) MPa, and Total Molalities of (1 to 5) mol/kg. Journal of Chemical and Engineering Data. 57 (4), 1078-1088 (2012).
  18. Spiteri, E. J., Juanes, R., Blunt, M. J., Orr, F. M. Jr A New Model of Trapping and Relative Permeability Hysteresis for All Wettability Characteristics. SPE Journal. 13 (3), 277-288 (2008).
  19. Chaudhary, K., et al. Pore-scale trapping of supercritical CO2 and the role of grain wettability and shape. Geophysical Research Letters. 40, 1-5 (2013).
  20. Karpyn, Z. T., Piri, M., Singh, G. Experimental investigation of trapped oil clusters in a water-wet bead pack using X-ray microtomography. Water Resources Research. 46 (4), (2010).
  21. Wildenschild, D., Armstrong, R. T., Herring, A. L., Young, I. M., Carey, J. W. Exploring capillary trapping efficiency as a function of interfacial tension, viscosity, and flow rate. Energy Procedia. 4, 4945-4952 (2011).
  22. Silin, D., Tomutsa, L., Benson, S. M., Patzek, T. W. Microtomography and Pore-Scale Modeling of Two-Phase Fluid Distribution. Transport in Porous Media. 86, 495-515 (2011).
  23. Andrew, M. G., Bijeljic, B., Blunt, M. J. Pore-scale imaging of geological carbon dioxide storage under in situ conditions. Geophysical Research Letters. 40 (15), 3915-3918 (2013).
  24. Andrew, M. G., Bijeljic, B., Blunt, M. J. Pore-scale imaging of trapped supercritical carbon dioxide in sandstones and carbonates. International Journal of Greenhouse Gas Control. 22, 1-14 (2014).
  25. Method and Apparatus for Permeability Measurements. US Patent. Hassler, G. L. , 2,345,935 (1944).
  26. Andrew, M. G., Bijeljic, B., Blunt, M. J. Pore-scale contact angle measurements at reservoir conditions using X-Ray microtomography. Advances in Water Resources. 68, 24-31 (2014).
  27. Iglauer, S., Paluszny, A., Pentland, C. H., Blunt, M. J. Residual CO2 imaged with x-ray micro-tomography. Geophysical Research Letters. 38, (2011).
  28. Carroll, J. J., Slupsky, J. D., Mather, A. E. The Solubility of Carbon Dioxide in Water at Low Pressure. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 20 (6), (1991).
  29. Poludniowski, G. Calculation of x-ray spectra emerging from an x-ray tube. Part II. X-ray production and filtration in x-ray targets. Medical Physics. 34 (2175), (2007).
  30. Poludniowski, G., Evans, P. M. Calculation of x-ray spectra emerging from an x-ray tube. Part I. Electron penetration characteristics in x-ray targets. Medical Physics. 34 (2161), (2007).
  31. Poludniowski, G., Landry, G., DeBlois, F., Evans, P. M., Verhaegen, F. SpekCalc: a program to calculate photon spectra from tungsten anode x-ray tubes. Physics in Medicine and Biology. 57 (19), (2009).
  32. Berger, M. J., et al. XCOM: Photon Cross Section Database (version 1.5). National Institute of Standards and Technology. , Gaithersburg, MD. (2007).
  33. Buades, A., Coll, B., Morel, J. -M. A non-local algorithm for image denoising. Computer Vision and Pattern Recognition. , (2005).
  34. Buades, A., Coll, B., Morel, J. -M. Nonlocal Image and Movie Denoising. International Journal of Computer Vision. 76 (2), 123-139 (2008).
  35. Schluter, S., Sheppard, A. P., Brown, K., Wildenschild, D. Image processing of multiphase images obtained via X-ray microtomography: A review. Water Resources Research. 50 (4), 3615-3639 (2014).
  36. Jones, A. C., et al. Assessment of bone ingrowth into porous biomaterials using MICRO-CT. Imaging Techniques for Biomaterials Characterization. 28 (15), 2491-2504 (2007).
  37. Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9, 671-675 (2012).
  38. El-Maghraby, R. Measurements of CO2 trapping in Carbonate and Sandstone Rocks. , Imperial College, London. (2013).
  39. Roof, J. G. Snap-Off of Oil Droplets in Water-Wet Pores. SPE Journal. 10 (1), 85-90 (1970).
  40. Lenormand, R., Zarcone, C., Sarr, A. Mechanisms of the displacement of one fluid by another in a network of capillary ducts. Journal of Fluid Mechanics. 135, 337-353 (1983).
  41. Dias, M. M., Wilkinson, D. Percolation with trapping. Journal of Physics A: Mathematical and General. 19, 3131-3146 (1986).
  42. Fisher, M. E. The theory of equilibrium critical phenomena. Reports on Progress in Physics. 30 (2), 615 (1967).
  43. Lorenz, C. D., Ziff, R. M. Precise determination of the bond percolation thresholds and finite-size scaling corrections for the sc, fcc and bcc lattices. Physical Review E. 57 (1), 230-236 (1998).
  44. Levenberg, K. A method for the solution of certain non-linear problems in least squares. Quarterly Journal of Applied Mathmatics. 2, 164-168 (1944).
  45. Marquardt, D. W. An Algorithm for Least-Squares Estimation of Nonlinear Parameters. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics. 11 (2), 431-441 (1963).
  46. Holland, P. W., Welsch, R. E. Robust regression using iteratively reweighted least-squares. Communications in Statistics - Theory and Methods. 6 (9), 813-827 (1977).
  47. Huber, P. J. Robust Statistics. , John Wiley & Sons, Inc. New York, NY. (1981).
  48. Akbarabadi, M., Piri, M. Relative permeability hysteresis and capillary trapping characteristics of supercritical CO2/brine systems: An experimental study at reservoir conditions. Advances in Water Resources. 52, 190-206 (2013).
  49. Pentland, C. H., El-Maghraby, R., Iglauer, S., Blunt, M. J. Measurements of the capillary trapping of super-critical carbon dioxide in Berea sandstone. Geophysical Research Letters. 38, 4 (2011).
  50. El-Maghraby, R. M., Blunt, M. J. Residual CO2 Trapping in Indiana Limestone. Environmental Science and Technology. 47 (1), 227-233 (2013).
  51. Sheppard, A. P., Sok, R. M., Averdunk, H. Techniques for image enhancement and segmentation of tomographic images of porous materials. Physica A. 339 (1-2), 145-151 (2004).

Tags

الطب، العدد 96، حالة الخزان، والصغرى CT، متعدد المراحل، خزن الكربون، شعري الاصطياد، المسام النطاق
التصوير خزان الحالة المسام النطاق من مراحل متعددة باستخدام السوائل مجهري الأشعة السينية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Andrew, M., Bijeljic, B., Blunt, M.… More

Andrew, M., Bijeljic, B., Blunt, M. Reservoir Condition Pore-scale Imaging of Multiple Fluid Phases Using X-ray Microtomography. J. Vis. Exp. (96), e52440, doi:10.3791/52440 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter