여러 유체 페이즈 저수지 조건 기공 크기의 이미징 X 레이 Microtomography 사용
2015년 2월 25일
우리는 X선 현미경 촬영을 사용하여 저장소 조건에서 여러 유체 위상을 이미징하는 방법론을 제시합니다. 우리는 탄산염 암석 샘플에서 모세관 포집의 몇 가지 대표적인 결과를 보여줍니다.
이 절차의 목표는 지하 저수지 및 대수층에서 발생하는 것과 유사한 현실적인 온도 및 압력 조건에서 암석의 기공 공간에서 여러 유체 위상을 비침습적으로 이미지화하는 것입니다. 이것은 먼저 코어 어셈블리를 조심스럽게 조립하고 이를 고압, 고온 코어 홀더 내에 배치함으로써 수행됩니다. 두 번째 단계는 유연한 피크 튜빙을 사용하여 코어 홀더를 고압, 고온 제어 펌프 및 반응기에 부착하는 것입니다.
다음으로, 시스템의 압력과 온도가 대표자의 압력과 온도로 지워집니다. 지하 조건과 유체는 평형을 이루고 암석의 공극 공간으로 주입됩니다. 궁극적으로 저수지 상태입니다.
마이크로 CT 이미징은 염수 주입 후 갇힌 잔류 상으로 제자리에 유지되는 이산화탄소의 양과 분포를 모두 보여주는 데 사용됩니다. 이 방법은 모세관 포집, 내마모성 및 접촉각 측정을 위한 잔류 포화 측정과 같은 다공성 매체의 다상 흐름 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 방법은 탄소 포집 및 저장에 응용하여 초임계 CO2 염수 암석 시스템에 대한 통찰력을 제공할 수 있지만, 향상된 석유 회수 및 국제 자원과 관련된 현상을 연구하기 위한 탄화수소 염수 암석 시스템에도 사용할 수 있습니다.
이 방법을 시각적으로 시연하는 것은 시료 준비 및 코어 조립 단계를 배우기 어렵기 때문에 매우 중요합니다. 이는 코어 어셈블리, 코어, 밀폐 슬리브 및 여러 알루미늄 랩 간의 관계가 복잡하기 때문입니다. 이 절차를 시작하려면 유체 누출이 있는지 장비 연결을 주의 깊게 테스트하십시오.
다음으로 반응기 바닥에 소금물을 놓습니다. 플렉시블 히터를 플로우 셀(flow cell) 주위에 감쌉니다.그 후, 1/16인치의 1/8인치 끝에서 1/8인치 감속기 피팅으로 나사산을 제거하여 금속 끝 피팅을 구성합니다. 그런 다음 피팅의 1/8 인치 끝 부분에 작은 홈을 잘라 주입 된 이산화탄소를 코어의 전체면에 분산시킵니다.
그 후, 고압 열전대를 마이크로 플로우 셀의 금속 끝 부분을 통과시키고 1/4 인치 야생 및 너트를 사용하여 열전대를 밀봉하여 열간 접합이 셀 L.Next의 제한된 고리 내에서 코어의 너트 면에 인접 해 있도록 합니다. 다음으로 원하는 샘플을 직경 6.5mm, 길이 30mm에서 50mm의 코어에 뚫습니다. R은 금속 끝 부분과 잘 연결되도록 코어 플랫의 끝을 아래로 내립니다. 그런 다음 이 코어를 알루미늄 호일로 감쌉니다.
그런 다음 플루오로 폴리머 엘라스토머 슬리브 안에 넣습니다. 그런 다음 엘라스토머 슬리브의 끝을 금속 엔드 피팅에 연결합니다. 코어의 입구면 옆에 열전대의 열간 접합부를 배치하고 알루미늄 호일의 최종 랩을 추가하기 전에 엘라스토머 슬리브 외부에 알루미늄 호일 랩을 다시 추가합니다.
이것은 코어 어셈블리를 형성합니다. 이제 코어 어셈블리가 밀봉된 상태로 microflow 셀을 조립합니다. 회전식 CT 스테이지 상단에 장착된 클램프를 사용하여 마이크로 CT 인클로저 내의 스테이지에 셀을 연결합니다.
이 절차에서는 밸브 1, 2, 3을 제외한 모든 밸브를 닫습니다. 그런 다음 실린더의 이산화탄소를 펌프 1과 반응기로 로드합니다. 그런 다음 밸브 1을 닫습니다.
반응기의 온도와 압력을 공극 유체에 대해 원하는 온도로 천천히 격렬하게 올립니다. 주입 전에 모든 상이 화학적 평형 상태에 있는지 확인하기 위해 최소 12시간 동안 공극 유체를 혼합합니다. 다음으로, 밸브 14를 열고 밀폐 유체를 펌프 3에 로드합니다.
그런 다음 닫고 밸브 12와 13을 엽니다. 세포의 밀폐 고리를 제안된 공극 유체 압력보다 최소 10% 더 높게 가압합니다. 그런 다음 밸브 11을 엽니다.
소금물을 펌프 2에 넣고 닫습니다. 그런 다음 밸브 9, 8, 6을 엽니다. 원하는 공극 유체 압력이 될 때까지 암석의 기공 공간을 천천히 가압하고 초임계 이산화탄소와 평형을 이루지 않은 염수로 샘플의 공극 공간을 채웁니다.
이제 밸브 4를 열고 이 절차에서 매우 낮은 유속으로 코어를 통해 10개의 공극 부피의 초임계 이산화탄소를 지나 일정한 유속으로 펌프 2를 다시 채워 코어를 통해 1000개 이상의 불량 평형 염수를 열어 약 10에서 마이너스 6의 낮은 모세관 수를 지속적으로 보장합니다. 초임계 이산화탄소가 공극 공간에서 염수를 대체하는 동안 총 주입량을 정확하게 측정하기 위해 2D 프로젝션을 수행합니다. 동일한 낮은 유속으로 코어를 통해 또 다른 10부피의 동일된 염수를 통과시켜 초임계 이산화탄소를 공극 공간의 잔류 상으로 포집합니다.
그 후, 배액 또는 억제를 이미지화하기 위해 샘플을 몇 번 스캔합니다. 코어의 전체 지름이 시야 내에 맞도록 복셀 크기를 사용합니다. 그런 다음 단층 촬영 재구성 프로그램을 사용하여 스캔을 재구성합니다.
순차적으로 필요한 여러 겹치는 단면을 함께 스티치하여 복합 체적을 재구성합니다. 여기에 표시된 이미지는 배수 후 코어의 3D 렌더링으로, 각 비습윤 위상 클러스터에는 다른 색상이 부여됩니다. 이 5개의 이미지는 5개의 개별 억제 실험 후 동일한 코어의 3D 렌더링을 보여주는 반면, 색상 범위가 넓다는 것은 연결이 불량한 잔류 위상을 나타냅니다.
이것은 배수 후 코어의 단면입니다. 가장 어두운 단계는 초임계 이산화탄소입니다. 중간 단계는 염수이고 가장 가벼운 단계는 암석 입자이며 이것은 코어의 단면입니다.
억제 후, 잔류 신경절 크기 분포의 멱법칙 스케일링이 여기에 나와 있습니다. 이 기술을 숙달하면 제대로 수행하면 약 2시간 안에 완료할 수 있습니다. 높은 압력과 온도에서 장비로 작업하는 것은 매우 위험할 수 있으므로 실험 절차를 수행하기 전에 적절한 교육 및 장비 인증과 같은 예방 조치를 취해야 합니다.
개요
이 기사는 엑스선 마이크로토모그래피를 사용하여 저장소 조건 하에서 암석 샘플의 여러 유체 상을 이미지화하는 방법론을 제시합니다. 이 연구는 탄산염 암석 샘플에서 모세관 트래핑 과정을 강조합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 지구과학
- 유체 역학
배경
- 다공성 매체에서 유체 거동을 이해하는 것은 탄소 포집 및 석유 추출 향상과 같은 응용 프로그램에 매우 중요합니다.
- 모세관 트래핑은 지질 형성 내 다상 흐름의 주요 현상입니다.
- 마이크로 CT와 같은 이미징 기술은 유체 분포 및 포화에 대한 통찰력을 제공합니다.
- 고압 및 고온 조건은 지하 환경을 모방합니다.
연구 목적
- 암석 샘플의 유체 상을 연구하기 위한 비침습적 이미징 기술을 개발합니다.
- 브라인 주입 후 포집된 이산화탄소의 분포를 분석합니다.
- 연구자들에게 복잡한 조립 과정의 시각적 데모를 제공합니다.
사용된 방법
- 고압 코어 홀더에 코어 조립 준비 및 배치.
- 유체의 평형 조절 및 암석의 모공 공간으로의 주입.
- 유체 분포 및 포화를 시각화하기 위한 마이크로 CT 이미징.
- 잔류 포화 및 모세관 트래핑 현상의 분석.
주요 결과
- 저장소 조건 하에서 여러 유체 상의 성공적인 이미징.
- 탄산염 암석에서 초임계 이산화탄소의 모세관 트래핑 시연.
- 마이크로 CT 스캔의 3D 렌더링을 사용한 유체 분포의 시각화.
- 다상 흐름 연구에 대한 방법의 효과에 대한 통찰력.
결론
- 개발된 방법론은 다공성 매체에서 유체 거동에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.
- 이 기술은 탄소 포집 및 석유 추출 향상 관련 연구에 도움이 될 수 있습니다.
- 시각적 데모는 복잡한 실험 설정에 대한 이해를 향상시킵니다.
자주 묻는 질문
Executive Industry Relevance
This methodology enables non-invasive, high-resolution imaging of multiphase fluid systems under reservoir-relevant conditions, providing critical pore-scale insights for subsurface fluid behavior. The ability to quantify residual saturation and ganglion size distribution supports mechanistic understanding of capillary trapping, a key process in subsurface fluid management. These capabilities inform risk assessment and decision-making in energy-related subsurface applications where fluid distribution and trapping efficiency impact system performance.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of multiphase fluid dynamics in porous media to clarify displacement and trapping mechanisms.
- Operational Value: Provides quantitative, spatially resolved data on fluid distribution under controlled pressure and temperature conditions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized, reproducible 3D datasets for comparing fluid phase behavior across varying interfacial properties.
- Operational Value: Supports assay-like workflows where fluid injection, equilibration, and imaging steps can be systematized for comparative studies.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges pore-scale imaging with continuum-scale models by providing validation data for relative permeability and capillary pressure functions.
- Operational Value: Facilitates iterative refinement of subsurface flow models through direct comparison of predicted and observed fluid configurations.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into subsurface characterization workflows by delivering pore-scale validation data that informs larger-scale flow simulations and operational design.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing regarding fluid phase behavior, interfacial forces, and pore-scale heterogeneity effects on trapping efficiency.
- Screening: Enables standardized assessment of residual trapping under varied fluid pairs, wettability conditions, and flow rates.
- Analytics: Delivers quantitative outputs including residual saturation, ganglion size distribution, and interfacial curvature metrics for comparative analysis.
- Translational Research: Connects micro-scale imaging to macro-scale predictions by supplying ground-truth data for upscaling models in geological systems.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable imaging platform for evaluating fluid-rock interactions across different geological formations and operational scenarios.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in multiphase flow by providing direct visualization of fluid configurations and trapping phenomena.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized core preparation, equilibration, and imaging protocols under controlled conditions.
- Strategic Value: Improves confidence in subsurface process predictions, supporting better-informed decisions on resource allocation and operational design.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted evaluation of subsurface concepts by providing empirical data on trapping efficiency and fluid distribution under realistic conditions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in high-pressure/high-temperature fluid systems, micro-CT operation, and image reconstruction techniques.
- Depends on access to synchrotron or laboratory-based micro-CT systems capable of in-situ pressure and temperature control.
- Necessitates standardized protocols for fluid equilibration, core handling, and aluminum wrapping to prevent artifacts from CO2 exchange.
- Involves adaptation considerations for different rock types, fluid pairs, and pressure-temperature ranges to maintain representativeness.
- Limited by radiation dose constraints and scan duration, which may affect temporal resolution for dynamic processes.
