Abstract
X-ray microtomografia stato usato per immagine, ad una risoluzione di 6,6 micron, la disposizione dei pori scala di residuo gangli anidride carbonica nel poro spazio di una roccia carbonatica a pressioni e temperature rappresentante formazioni tipiche utilizzate per CO 2 stoccaggio. Equilibrio chimico tra le fasi di CO 2, salamoia e rock è stato mantenuto con un reattore ad alta temperatura ad alta pressione, le condizioni replicando lontano dal sito di iniezione. Il flusso del fluido è stato controllato con alta pressione pompe a siringa ad alta temperatura. Per mantenere condizioni di rappresentanza in situ all'interno dello scanner micro-CT a fibra di carbonio ad alta pressione di micro-CT coreholder è stato utilizzato. Diffusivo scambio CO 2 attraverso il manicotto confinamento dal poro spazio della roccia al fluido confinamento stato impedito circondando il nucleo con un involucro di carta stagnola tripla. Contrasto salamoia ricostruito è stato modellato usando una sorgente di raggi X policromatica, e salamoia composizione wa scelta per massimizzare il contrasto trifase tra i due fluidi e la roccia. Linee di flusso flessibili sono stati usati per ridurre le forze sul campione durante l'acquisizione dell'immagine, potenzialmente causando un movimento indesiderato campione, una grave lacuna nelle tecniche precedenti. Una termocoppia interna, posta direttamente adiacente al nucleo di roccia, accoppiato con un involucro flessibile esterno di riscaldamento ed un controllore PID è stato utilizzato per mantenere costante la temperatura all'interno della cella di flusso. Notevoli quantità di CO 2 sono rimasti intrappolati, con una saturazione residua di 0,203 ± 0,013, e le dimensioni dei gangli di quantitativi maggiori distribuzioni obbediscono legge di potenza, in linea con la teoria della percolazione.
Introduction
Cattura e stoccaggio del carbonio è il processo in cui CO 2 viene catturato da grandi fonti puntuali e conservati in roccia porosa, spostando salamoie residenti in modo che rimanga nel sottosuolo per centinaia di migliaia di anni 1. La CO 2 risiede nel sottosuolo come fase densa super-critico (SCCO 2), con proprietà radicalmente diverse a CO 2 in condizioni ambiente. Ci sono quattro principali meccanismi attraverso i quali SCCO 2 potrebbe essere immobilizzato nel sottosuolo: stratigrafico, solubilità, minerali e intrappolamento residuo. Trapping stratigrafica è dove di CO 2 si svolge sotto sigillo rocce impermeabili; solubilità trapping è dove di CO 2 si dissolve nella salamoia residente circonda la CO 2 iniettato 2-4; trapping minerale è dove fasi minerali carbonati sono precipitati nella roccia 5; e trapping residua o capillare è dove di CO 2 è detenuto da forze di superficiecome piccole goccioline (gangli) nel poro-spazio della roccia 6. Ciò può avvenire sia naturalmente dalla migrazione del CO 2 pennacchio 7-9, o può essere indotta dall'iniezione di chase salamoie 10. Al fine di comprendere i processi che regolano il flusso e la cattura di questo CO 2 nel sottosuolo di una nuova serie di esperimenti deve essere condotta, sfruttando nuovi progressi nella tecnologia per capire meglio la fisica fondamentale associato a flusso multi-fase.
X-ray microtomografia si è sviluppata come una tecnica nel corso degli ultimi 25 anni dai primi tentativi di visualizzare sia i campioni geologici secco 11 e più fasi fluide 12 per il metodo principale per l'imaging non invasivo di core di roccia, sia per la modellazione e per sperimentazione implementazione 13-15. Poiché microtomografia è non invasiva, ha la capacità di studiare sistemi a condizioni rappresentativi, particolarmente attractive per il sistema -brine-rock CO 2, il comportamento di flusso multifase SCCO 2 è fortemente dipendente sulle proprietà termofisiche, come tensione interfacciale e angolo di contatto, che sono a loro volta una forte funzione delle condizioni del sistema come la temperatura, pressione e salinità 16-18. In un sistema complesso come, con una così vasta e poco conosciuta serie di variabili interdipendenti, esperimenti usando strutture pori idealizzate 19 o fluidi analogici 20,21 potrebbero non essere applicabili a scorrere i processi nel sottosuolo. Imaging più fluidi in condizioni rappresentative di un potenziale di CO 2 formazione iniezione è, però, rimasta una sfida 22. In questo studio abbiamo delineare una metodologia per l'esame del comportamento più fluido a condizioni di giacimento, concentrandosi sull'esame di capillare cattura 23,24. Ciò comprende la progettazione di una strategia di imaging, l'assemblaggio della cella di fluido, l'iniezione strategy e la successiva elaborazione delle immagini.
L'esame sperimentale del poro scala comportamento del flusso multifase nei sistemi di roccia reali si concentra sulla formazione immagine di core naturale parzialmente saturi sia dopo l'iniezione non-bagnante fase (drenaggio) e bagnare iniezione fase (imbibizione). Questi fluidi vengono iniettati collegando i nuclei di pompe di iniezione del fluido con linee di flusso flessibili, mentre confinando il nucleo con un Hassler-tipo di progetto coreholder 25. Per immagine correttamente la disposizione in-situ di SCCO 2 e salamoia, un romanzo e apparato sperimentale altamente sensibile è stato usato, concentrandosi principalmente sull'uso di una alta risoluzione x-ray microscopio 23,24,26. I requisiti per condurre esperimenti a temperature e pressioni elevate sono molto rigorosi, e richiedono recenti sviluppi in entrambe le strutture tecnologia dei materiali e micro-CT. I requisiti fondamentali che devono essere soddisfatti sono ogni detentore nucleo / campione deve essere abper sopportare le alte pressioni ad alta temperatura (HPHT) condizioni rimanendo sufficientemente x-ray trasparente per consentire l'imaging efficace. Strumenti basati Lab-impongono un vincolo aggiuntivo, come il nucleo titolare deve essere abbastanza piccolo tale che la sorgente di raggi X può essere posizionato vicino al campione e che sufficientemente forte ingrandimento geometrico x-ray può essere realizzato in modo tale che lo spazio dei pori è efficacemente risolto. Sebbene questo vincolo è stato rilassato leggermente con l'introduzione di ottiche secondarie basate su laboratori macchine micro-CT recenti, non è stato completamente rimosso, soprattutto se rapidi tempi di acquisizione sono desiderati, come ingrandimenti ottiche elevate tendono ad aumentare il tempo necessario per acquisire immagini.
Esperimenti con fluidi solubili forniscono una sfida aggiuntiva quando si utilizza lunghi tempi di acquisizione, come CO 2 si diffonderà attraverso le porzioni polimeriche del gruppo sperimentale, riducendo la saturazione del fluido in-situ. Lall questi problemi hanno fatto sì che i tempi di scansione più lunghi di circa 2 ore erano impraticabili. Al fine di mantenere i tempi di scansione di sotto di questa esigenza, particolarmente stringente per le fonti basate laboratorio, il core-titolare deve essere di circa 1 cm di diametro. Una dimensione coreholder grande avrebbe richiesto il rilevatore di essere molto più lontano dalla sorgente per ottenere lo stesso ingrandimento geometrico, riducendo il flusso incidente x-ray sul rivelatore e quindi aumentando i tempi di esposizione di proiezione desiderata. La cella di flusso utilizzato in questi esperimenti era basata su un disegno tradizionale cella Hassler, attorno ad un manicotto in fibra di carbonio, con un disegno del manicotto simile a quello utilizzato da Iglauer et al 27, ma con due alterazioni significative:. 1) La fibra di carbonio composite impiegato nella fabbricazione manicotto è stata modificata da fibre T700, con una rigidità di 230 GPa, alle fibre M55, con una rigidità di 550 GPa. Questo non solo ha ridotto la quantità di movimento campione durante l'acquisizione tomografia, ma anche aumentato la massima working pressione cella da 20 MPa a 50 MPa. 2) Il manicotto è stato allungato da 212 mm a 262 millimetri per consentire la sorgente e il rivelatore di essere più vicino al campione possibile.
Un importante lacuna sperimentale nel primo studio per utilizzare micro-CT per esaminare CO 2 nelle condizioni di giacimento era l'uso di linee di metallo per controllare il flusso da e per il nucleo 27-titolare. Quando il campione viene ruotato rispetto alle pompe, le linee di flusso devono anche essere ruotato. Linee di flusso rigidi possono causare il campione per spostare, ridurre la risoluzione dell'immagine effettiva o fare alcuni o tutti i set di dati inutilizzabile. Per evitare questo abbiamo sostituito tutte le linee di flusso in prossimità del palco rotazione con chetone polietere etere flessibile (PEEK) tubi. Queste linee di flusso sono flessibili, fornendo molto piccole forze laterali (carico) al nucleo titolare durante l'acquisizione. Abbiamo anche attaccato le linee di flusso alle valvole collegate alla fase di esempio, invece di attaccare le linee di flusso per il coreholder. Questo significava che qualsiasi carico flusso linea esistente è stato trasmesso direttamente alla fase, piuttosto che al campione, riducendo la probabilità di movimento campione. Uno svantaggio di utilizzare il tubo PEEK era che CO 2 è in grado di diffondere lentamente attraverso esso, su un arco di tempo di circa 24 ore. Questo significava che la CO2 salamoia satura lasciato nelle linee di flusso sarebbe gradualmente desaturarsi.
Un altro grave lacuna sperimentale di studi precedenti era il controllo impreciso della temperatura. Ciò può influenzare risultati in vari modi. In primo luogo, la temperatura è un forte controllo sia interfacciale tensione e angolo di contatto 16-18. Inoltre, la solubilità sia SCCO 2 e carbonato roccia in salamoia è anche altamente dipendente dalla temperatura 28. Solubilità controllo è critica, come quando SCCO 2 viene iniettato in una carbonatico salina si dissolverà in salamoia residente, formando un acido carbonico altamente reattivo, che a turn iniziare a sciogliere qualsiasi calcite presenti. Qualsiasi imprecisione nel controllo solubilità può quindi portare a SCCO 2 scioglimento / essoluzione o solido dissoluzione / precipitazione.
Studi precedenti 27 utilizzati un fluido riscaldato limitandosi a riscaldare il coreholder; tuttavia questo è stato problematico. Ha gli svantaggi connessi con la difficoltà di mantenere con precisione una pressione di confinamento costante con un approvvigionamento di acqua di ricircolo, che richiede bagni supplementari di riscaldamento per tale prestazione. Inoltre, questo sistema mantiene solo un controllo accurato della temperatura nel punto del bagno di riscaldamento (non al punto del supporto di base, e il fluido di confinamento sarebbe raffreddare tra il bagno di acqua e il titolare core). Richiede inoltre sia un ingresso ed una luce di uscita del fluido confinamento, aumentando il numero di linee di fluido collegati al coreholder e così carico crescente linea di flusso.
Invece di utilizzare un fluido di confinamento riscaldata, ris flessibiligiacca ng è stato utilizzato per circondare il nucleo titolare. Questo metodo molto semplice riscaldamento provocato poco carico coreholder e consentito per il riscaldamento preciso ed accurato. Un film riscaldamento poliimmide estremamente sottile è stato utilizzato, in modo da minimizzare le dimensioni del campione. La costruzione di questo film è costituito da un elemento inciso foglio di rame di spessore 0,0127 millimetro, incapsulato tra due strati di film di poliimmide 0,0508 millimetri. Gli elementi di rame presenti nel rivestimento non influenzano notevolmente la qualità dell'immagine. La temperatura è stata misurata usando una termocoppia seduta nell'anello confinamento della cella. Si è posizionato all'esterno del manicotto confine, il più vicino possibile al nucleo, assicurando una lettura accurata, affidabile e stabile della temperatura del fluido dei pori. Il film termocoppia e riscaldamento sono stati collegati a un controller personalizzato costruito Proportional Integral Derivative (PID), e le temperature sono state controllate entro ± 1 ° C.
Per mantenere il controllo completo over inter-fase di solubilità, e rappresentano condizioni presenti nella falda acquifera lontano dal sito di iniezione, prima dell'iniezione salamoia stata equilibrata con SCCO 2 vigorosamente la miscelazione dei due fluidi con particelle piccole (1-2 mm) della roccia ospitante in un reattore agitato e riscaldato. Tutti i componenti bagnati all'interno di questo reattore vengono fatti di Hastelloy per minimizzare la corrosione. Il reattore contiene un pescante filtrato per consentire denso fluido da estratti dalla base del reattore (salamoia) e il fluido meno denso per essere estratto dalla sommità del reattore (SCCO 2). Pompe a siringa alta pressione sono stati usati per mantenere il flusso di pressione e controllo nel poro spazio della roccia e nel reattore, con una precisione di spostamento di 25,4 nl. L'apparato sperimentale utilizzato in questo studio è mostrato in Figura 1. Il sale ionico utilizzata per l'esperimento da cui i risultati rappresentativi sono stati elaborati era ioduro di potassio (KI), in quanto ha un alto peso atomico e quindi unacoefficiente di attenuazione dei raggi X ad alta, rendendolo un agente di contrasto efficace. Sali Meno attenuanti (come NaCl) o miscele possono essere utilizzati, salinità comunque grandi sarebbero necessari per ottenere la stessa attenuazione x-ray.
Protocol
1. Imaging Design Strategy
- Per prevedere l'elaborazione di immagini di differenti scelte soluto per la salamoia, calcolare lo spettro a raggi x delle incidenti radiografie 29-31. Includere l'impatto del core-titolare, il gruppo del nucleo e fluidi confinanti on spettro x-ray. Un esempio incidente spettro ai raggi X utilizzando una tensione di accelerazione di 80 kV e elettroni corrente di 87 μA è mostrato in Figura 1.
- Confrontare questo spettro ai fattori di trasmissione del campione contenente diversi pori-fluidi. Simula variazioni del fattore di trasmissione per variazione poro fluido usando la legge di Beer-Lambert, assumendo una lunghezza effettiva ottica della specie all'interno del campione, e coefficienti di attenuazione x-ray calcolati (Figura 3) 32. Determinare il fattore di trasmissione attraverso l'integrazione su tutte le energie incidenti x-ray. Un esempio dei conseguenti fattori di trasmissione efficaci per la matri rocciax e materiale pori spazio, e le variazioni di fattori di trasmissione relativi al caso in cui il poro-spazio è riempito con il vuoto può essere visto in Tabella 1.
- Scegliere un soluto salamoia e concentrazione tale che la variazione del fattore di trasmissione associata con salamoia è circa la metà della variazione nel fattore di trasmissione associata con il solido. Questo ci permetterà di ottimizzare tre contrasto di fase nell'immagine ricostruita. Pesare la quantità di sale (7% (w / w) KI è stata utilizzata per l'esperimento da cui sono stati prelevati i risultati rappresentativi) e mescolare vigorosamente con acqua deionizzata.
- In alternativa, se una specifica composizione salamoia si desidera, modificare il x-ray tensione di accelerazione fonte di cambiare lo spettro dei raggi X incidenti.
2. Montaggio di apparecchiature e Cell
- Montare l'apparecchiatura come illustrato di seguito nella Figura 2. Utilizzare PEEK flowlines per ridurre il carico del campione laterale sulla cella di flusso.Verificare ogni connessione attentamente per eventuali perdite di liquido.
- Posizionare la salamoia, della composizione deciso durante fasi 1.1-1.3, nella base del reattore. Avvolgere il riscaldatore flessibile intorno alla cella di flusso.
- Costruire terminali metallici. Togliere il filo dal "fine di un 1/16" 1/8 a 1/8 "raccordo riduttore. Poi tagliare piccole scanalature nella faccia della "fine del raccordo 1/8 di distribuire la CO 2 iniettato su tutto il viso del nucleo.
- Passare il termocoppia alta pressione attraverso le parti terminali metallici della cella micro-flusso e tenuta utilizzando ¼ "ferrule e dado, in modo che il giunto caldo della termocoppia si trova adiacente alla faccia di ingresso del nucleo, entro l'anello confinamento della cella.
- Drill campione desiderato in un nucleo di 6,5 mm di diametro e 30 mm a 50 mm di lunghezza. Macinare le estremità del piano di base, per assicurare un buon collegamento con i terminali metallici. Avvolgere questo nucleo in lamina di alluminio poi posto withina manica elastomero flouro-polimero.
- Collegare le estremità del manicotto elastomero ai terminali metallici. Aggiungere un'altra involucro di carta stagnola all'esterno del manicotto elastomerico prima di posizionare il giunto caldo della termocoppia accanto al annulus confinamento della cella e l'aggiunta di un involucro finale del foglio di alluminio. Questo forma il gruppo del nucleo (Figura 4).
- Montare la cella micro-flusso con il gruppo cannotto sigillato al suo interno e collegare la cella alla fase all'interno della custodia micro-CT (Figura 5) con un morsetto montato sulla parte superiore della fase CT rotazionale.
3. sistema di pressurizzazione
- Chiudere tutte le valvole tranne valvola 1, 2 e 3, come definito nella figura 3. Load CO 2 dal cilindro nella pompa 1 e il reattore, quindi chiudere la valvola 1. lentamente alzare la temperatura e la pressione all'interno del reattore a quella desiderata per il pori fluido durante l'esperimento.
- Aprire la valvola 14 e caricare il fluido confinamento nella pompa 3. Chiudere la valvola 14. Aprire le valvole 12 e 13. Pressurizzare l'anello confinamento della cella per almeno il 10% superiore alla pressione del fluido dei pori proposto.
- Aprire la valvola 11. Caricare salamoia nella pompa 2. Chiudere la valvola 11 e valvole aperte 9, 8 e 6.
- Lentamente pressurizzare il poro spazio della roccia finché è alla pressione dei pori fluido desiderata, riempiendo lo spazio dei pori del campione con salamoia che non è stata equilibrata con SCCO 2.
- Aprire la valvola 4. Lavare oltre 1.000 volumi dei pori di salamoia equilibrata attraverso il nucleo di riempimento della pompa 2 ad una portata costante. Volume dei pori è trovato moltiplicando il volume nucleo dalla porosità trovati usando elio porosimetria.
NOTA: Questo miscibly spostare la salamoia non-equilibrato, garantendo il 100% di saturazione della salamoia iniziale e creacondizioni di esercizio nel nucleo simile alle condizioni del sottosuolo in una falda in un punto leggermente prima della parte anteriore di un SCCO 2 pennacchio.
4. Fluid Flow e Image Acquisition
- Attraversate 10 volumi dei pori (circa 1 ml) di SCCO 2 attraverso il nucleo a portate molto basse (1,67 × 10 -9 m 3 / sec), garantendo un basso numero capillare di circa 10 -6. Continuamente prendere proiezioni 2D per misurare con precisione il volume totale iniettato osservando il punto in cui SCCO 2 salamoia sposta nello spazio dei pori.
- Attraversate 10 volumi dei pori (circa 1 ml) di soluzione salina equilibrata attraverso il nucleo allo stesso flusso basso, causando SCCO 2 diventare intrappolati come fase residua nel poro-spazio.
- Dopo passi 4.1 o 4.2, fare scansioni del campione di drenaggio immagine o imbibizione rispettivamente. Utilizzare una dimensione voxel tale che l'intero diametro del nucleo si inserisce nel campo delle view.
- Ricostruire le scansioni con un programma di ricostruzione tomografica. Per acquisire l'intera lunghezza del nucleo, mentre conservare una piccola dimensione voxel, ricostruire volumi compositi cucendo insieme più sezioni sovrapposte, acquisiti sequenzialmente.
NOTA: Ogni sezione richiesto circa 400 proiezioni, prendendo 15-20 minuti per acquisire, in modo che la scansione di un intero volume composito ha preso circa 90 min.
5. Image Processing e segmentazione
- Applicare un bordo mezzi non-locali preservare filtro 33,34 al dataset e correggere le immagini per qualsiasi indurimento trave o ammorbidire i manufatti creati durante la ricostruzione immagine modellando questi manufatti funzioni gaussiana come radialmente simmetriche 35.
- Segmento dati (scala di grigi trasformano le informazioni in una rappresentazione binaria della CO 2 all'interno dell'immagine) mediante l'uso di un algoritmo di svolta con un seme generato utilizzando un istogramma 2D 36, trattando il CO
- Analizzare questa immagine segmentata per trovare sia il numero totale di CO 2 voxel e anche le dimensioni di ciascun cluster connessa di CO 2 residua.
Representative Results
I risultati per una singola carbonato, Ketton calcare, un oolite dalla parte superiore Lincolnshire Calcare Gli stati analizzati in 3D per identificare e misurare il volume di ciascun ganglio unico disconnesso, che è stato poi etichettato (Figura 6). Tutta l'elaborazione è stata effettuata entro i Avizo Fuoco 8.0 e ImageJ programmi 37.
Le immagini parzialmente saturi segmentati sono stati analizzati contando il numero di voxel di residualmente intrappolati SCCO 2 per trovare la percentuale del volume occupato da roccia intrappolati SCCO 2 - la capacità capillare cattura. Questo può essere convertito in una saturazione residua (S r) dividendo questo valore per il porosità ottenuto con elio porosimetria. Percentuali significative di SCCO 2 sono rimasti intrappolati in una saturazione residua, con una saturazione residua di 0,203 ± 0,013. Questo concorda con i risultati in studi precedenti con micro-CT 23. Grandi studi core-scala di intrappolamento residuo in questo tipo di roccia hanno mostrato una saturazione residua minore di 0,137 ± 0,012 38.
L'ingresso di acqua salata in una SCCO 2 nucleo saturo è un processo in cui un fluido imbibizione bagnante (salamoia) invade ogni poro, spostando fluido non bagnante (SCCO 2). In una roccia fortemente bagnato d'acqua ci aspettiamo che l'acqua per riempire le aree dello spazio dei pori in ordine di grandezza 39,40, intrappolando gangli disconnesso nel processo chiamato snap-off. Questo processo dovrebbe essere di percolazione come 41 così le previsioni possono essere fatte circa la distribuzione delle dimensioni dei cluster isolati. Il numero n di cluster di volume di s (misurata in voxel) dovrebbe scala come, dove τ è l'esponente Fisher 42. Modellazione di rete ha dimostrato che in tridimensionali reticoli regolari cubi il valore di questo esponente è di circa τ = 2.189 43. Un modo naturale di estrarre questo esponente di dati realiè quello di tracciare la quantità cestinate, come definito da Dias e Wilkinson 41.
che dovrebbe scalare come:
Questo viene quindi tracciata su un grafico log-log come funzione di s (figura 7), che mostra il comportamento della legge di potenza per grandi gangli, ma un sotto-rappresentazione di piccolo gangli rispetto al modello di legge di potenza. L'esponente è ottenuto escludendo gangli inferiore a 10 5 voxel (circa l'inizio del comportamento legge di potenza) ed eseguire Levenberg-Marquardt regressione 44,45 utilizzando un minimo assoluto residua robusto algoritmo raccordo 46,47. Questa è stata effettuata utilizzando un pacchetto software commerciale. L'esponente Fisher per questo sistema era 2.287 ± 0.009, close al valore teorico di 2.189, indicando che imbibizione in questo sistema è effettivamente come percolazione. Più in generale questi risultati confermano le conclusioni in grandi esperimenti core-flood 38,48,49 che SCCO 2 funge da fase non bagnare in carbonati.
Figura 1. Apparato sperimentale, che mostra le pompe, valvole e reattori utilizzati per controllare il flusso e il posizionamento della coreholder all'interno del contenitore micro-CT. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Lo spettro di energia normalizzato per raggi X incidenti sul nucleo, fi filtrato attraverso il coreholder, confinando manica e confinare fluido. Calcolato utilizzando SpekCALC 29-31.
Figura 3. I coefficienti di attenuazione lineare di diversi fluidi e materiali rocciosi come funzione dell'energia del fotone.
Figura 4. Particolare del gruppo del nucleo, che mostra un involucro di alluminio triplo intorno al nucleo, impedendo diffusiva scambio di CO 2 attraverso il manicotto flouro-elastomero. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Figura 5. Particolare della cella di flusso, apparecchi di riscaldamento e l'ubicazione del gruppo del nucleo all'interno della cella di flusso. La termocoppia deve essere posizionato il più vicino possibile alla faccia di ingresso del nucleo. Fare click qui per visualizzare una versione più grande di questa figura .
Figura 6. Immagine di carbonato dopo il drenaggio e imbibizione. (A) Un rendering 3D del nucleo dopo il drenaggio dove ogni cluster non bagnante fase viene assegnato un colore diverso. (BF) Una rappresentazione 3D del nucleo dopo cinque esperimenti imbibizione, colorato come descritto per (A). L'ampia gamma di colori indica una fase residua mal collegato. (G) Una sezione trasversale del nucleo dopo il drenaggio. La fase più buia è la SCCO 2, la fase intermedia è salamoia e la fase più leggero è il grano roccia. (H) A sezione del nucleo dopo imbibizione. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 7. La granulometria delle gangli residua mostrata in Figura 6.
| Materiale di riempimento porosità | Vuoto | CO 2 | H 2 O | H 2 O - 7 wt% NaCl | H 2 O - 7 wt% KI | Solid (CaCO3) |
| Trasmissione Factor | 0.25 | 0,247 | 0.243 | 0,242 | 0,224 | 0,202 |
| Cambiamento di trasmissione fattore relativo al vuoto | N / A | -0,003 | -0,007 | -0,008 | -0,026 | -0,048 |
Tabella 1. Sintesi dei risultati (fattore di trasmissione e variazione fattore di trasmissione rispetto al caso riempita sottovuoto) dalla simulazione dei raggi X proprietà ottiche del materiale roccioso e pori che riempiono lo spazio ripreso durante questo studio. Ciascuna colonna rappresenta un materiale diverso riempire il poro-spazio della roccia all'interno del coreholder.
Discussion
Le fasi più critiche per il successo di imaging di fluidi multifase a pressioni e temperature elevate sono: 1) L'isolamento successo del fluido dei pori dal fluido circostante confinamento; 2) l'effettivo equilibrio dei fluidi e rock prima iniezione; 3) il controllo della temperatura efficace durante l'esperimento; e 4) l'efficace segmentazione delle immagini risultanti.
L'uso delle spire alluminio è critica per l'isolamento successo del poro fluido dal fluido confinare circostante in sua assenza scambio diffusivo attraverso il manicotto è rapido, e saturazione all'interno del nucleo non rimane costante per tutta la durata della scansione. Questo problema può anche essere evidente quando il fluido rimane nelle flowlines PEEK per lunghi periodi di tempo (> 2 ore) prima dell'iniezione nel nucleo al punto 4.1 e 4.2. Ancora una volta, CO 2 scambi diffusamente in tutta la plastica, causando la salamoia per desaturarsi. Se questo desalamoia satura viene iniettato nel nucleo, la saturazione del nucleo diminuirà come cluster residui vengono sciolti mediante salamoia iniettata.
Altri metodi per l'equilibrazione di fluidi e rocce, incluse ricircolo del fluido 50, sono stati proposti in letteratura. Questi metodi aumentano la complessità del setup sperimentale, che a sua volta ha aumentato la quantità di tempo per ogni esperimento, che avrebbe a sua volta aumentata la probabilità che la salamoia in linee di flusso sarebbe diffusamente insatura.
Controllo della temperatura efficace è essenziale, e la presenza di una termocoppia all'interno dell'anello confinamento della cella di flusso è critico per questo. La temperatura viene misurata solo in un unico punto, che significa non ci può essere qualche sfumatura attraverso il campione, che porta a solubilità squilibrio e scioglimento o essoluzione. Questo può essere minimizzato individuando il giunto caldo della termocoppia il più vicino possibile a tegli faccia ingresso del nucleo di roccia.
La segmentazione effettiva delle immagini risultanti può essere una vera sfida con questi sistemi, come la segmentazione di immagini contenenti una saturazione parziale più fluidi è significativamente più difficile che la segmentazione di immagini secco, quindi l'uso di semplici grigio scala thresholding universale costituisce insufficiente 51. L'uso della segmentazione bacino non dà solo i risultati più affidabili, rispetto ad altri algoritmi in letteratura, ma è anche il più efficace a trattare con anello e volume parziale artefatti 35.
Uno dei limiti più significativi di questa tecnica è che può accedere solo lo spazio macro-pori di una roccia. La microporosità (su scale più piccole rispetto alla risoluzione dell'immagine) rimane inaccessibile, e può essere importante per flusso multifase. Le risoluzioni più alte rivelano una maggiore proporzione di queste parti dello spazio dei pori, ma anche corrispondono a una diminuzione the campo visivo. L'applicabilità della tecnica ad uno specifico tipo di roccia potrebbe essere affrontato confrontando la risoluzione di scansione per la distribuzione delle dimensioni dei pori gola ottenuti con metodo indipendente come la pressione capillare iniezione mercurio.
Questo metodo è una tecnica importante per imaging pori scala di più fluidi in condizioni di giacimento in sistemi realistici, con applicazioni esistenti tra cui uno studio comparativo croce di cattura capillare 24 e la misurazione dell'angolo di contatto 26, e il metodo è facilmente applicabile ad un vasta gamma di sistemi porosi. Il lavoro futuro poteva studiare, alla scala dei pori, una grande varietà di singola fase e il flusso multifase in mezzi porosi problemi in condizioni rappresentative delle falde acquifere sotterranee, giacimenti di petrolio e gas e di altri sistemi geologici profondi.
Acknowledgments
Noi riconosciamo con gratitudine il finanziamento del Centro di ricerca Carbonati e Carbon bagagli Qatar (QCCSRC), fornito congiuntamente da Qatar Petroleum, Shell, e il Qatar Science & Technology Park. Riconosciamo anche il finanziamento del Consorzio Imperial College on Pore-Scale Modelling.
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 |
References
- Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage. , Cambridge, U.K. (2005).
- 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).
- 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).
- Lindeberg, E., Wessel-Berg, D. Vertical convection in an aquifer column under a gas cap of CO2. Energy Conversion & Management. 38, 229-234 (1997).
- 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).
- 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).
- Hesse, M., Orr, F. M. Jr, Tchelepi, H. A. Gravity Currents with Residual trapping. Journal of Fluid Mechanics. 661, 35-60 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Flannery, B. P., Deckman, H. W., Roberge, W. G., D'Amico, K. L.
- 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).
- Blunt, M. J., et al.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Method and Apparatus for Permeability Measurements. US Patent. Hassler, G. L. , 2,345,935 (1944).
- 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).
- Iglauer, S., Paluszny, A., Pentland, C. H., Blunt, M. J. Residual CO2 imaged with x-ray micro-tomography. Geophysical Research Letters. 38, (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Berger, M. J., et al. XCOM: Photon Cross Section Database (version 1.5). National Institute of Standards and Technology. , Gaithersburg, MD. (2007).
- Buades, A., Coll, B., Morel, J. -M. A non-local algorithm for image denoising. Computer Vision and Pattern Recognition. , (2005).
- Buades, A., Coll, B., Morel, J. -M. Nonlocal Image and Movie Denoising. International Journal of Computer Vision. 76 (2), 123-139 (2008).
- 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).
- 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).
- Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9, 671-675 (2012).
- El-Maghraby, R. Measurements of CO2 trapping in Carbonate and Sandstone Rocks. , Imperial College, London. (2013).
- Roof, J. G. Snap-Off of Oil Droplets in Water-Wet Pores. SPE Journal. 10 (1), 85-90 (1970).
- 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).
- Dias, M. M., Wilkinson, D.
- Fisher, M. E. The theory of equilibrium critical phenomena. Reports on Progress in Physics. 30 (2), 615 (1967).
- 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).
- Levenberg, K. A method for the solution of certain non-linear problems in least squares. Quarterly Journal of Applied Mathmatics. 2, 164-168 (1944).
- 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).
- Holland, P. W., Welsch, R. E. Robust regression using iteratively reweighted least-squares. Communications in Statistics - Theory and Methods. 6 (9), 813-827 (1977).
- Huber, P. J. Robust Statistics. , John Wiley & Sons, Inc. New York, NY. (1981).
- 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).
- 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).
- El-Maghraby, R. M., Blunt, M. J. Residual CO2 Trapping in Indiana Limestone. Environmental Science and Technology. 47 (1), 227-233 (2013).
- 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).
