Dynamiczne obrazowanie stanu zbiornika w skali porowej reakcji w węglanach za pomocą szybkiej tomografii synchrotronowej

Szybka tomografia synchrotronowa została użyta do dynamicznego zobrazowania rozpuszczania wapienia w obecności solanki nasyconej CO₂ w warunkach zbiornikowych. Wykonano 100 skanów w rozdzielczości 6,1 μm przez okres 2 godzin.

Ogólnym celem tego eksperymentu jest obserwacja dynamicznej zmiany granicy faz płynnej skały podczas reakcji z kwaśną solanką w prawdziwej skale w warunkach zbiornikowych. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące magazynowania węgla, takie jak dokładne przewidywanie migracji płynów podpowierzchniowych oraz skuteczność trwałości fal. Główną zaletą tej techniki jest to, że trójwymiarowe obrazy można wykonywać szybko i nieinwazyjnie.

Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w systemy geochemiczne, można ją również zastosować do innych systemów. Typowymi zastosowaniami są obrazowanie wielu faz płynów w środowiskach naprężeń mechanicznych lub funkcjonowania baterii lub systemów biologicznych, takich jak oczy owadów. Zacznij od obliczenia widm promieniowania rentgenowskiego linii wiązki przy najwyższej energii i strumieniu różowej wiązki.

Następnie przewiduj wydajność obrazowania przy użyciu eksperymentalnej krzywej dostrajania i pomiaru transmisji filtrowania. Następnie bardzo ważne jest, aby skalibrować widmo wiązki za pomocą odpowiednich filtrów, aby uzyskać dobry obraz. Jest to czasochłonne, ale niezbędne.

Zacznij od odfiltrowania promieni rentgenowskich o niższej energii, które ogrzewają próbkę, a nie poprawiaj obrazowania. Oblicz teoretyczną transmisję filtra przy dostępnych długościach fal światła i wybierz odpowiednie filtry. W tym przypadku stosuje się filtry aluminiowe i złote.

Następnie dodaj filtr pasmowo-przepustowy. W przypadku górnoprzepustowych filtrów rentgenowskich należy użyć zestawu filtrów pirolitycznych o średnicy 0,2 milimetra i filtrów aluminiowych o średnicy 0,2 milimetra. W przypadku filtra dolnoprzepustowego należy użyć lustra rentgenowskiego działającego w pobliżu kąta krytycznego.

Pasek pokryty platyną pod kątem padania 1,15 milipręta jest tutaj używany do odbijania światła poniżej 30 kiloelektronowoltów. Następnie wybierz scyntylator, który obficie migocze przy dostępnych częstotliwościach i strumieniu światła linii wiązki. W tym przypadku stosuje się wolfram kadmu ułożony w stos z wolframem ołowiu.

Następnie należy wybrać obiektyw obiektywu i kamerę o odpowiednim polu widzenia i rozdzielczości czasu fotografowania. Do obrazowania należy użyć techniki skanowania w locie, aby próbka doświadczała mniej wibracji. Zacznij od załadowania rdzenia do ogniwa, aby przygotować się na zalanie rdzenia.

Najpierw owiń rdzeń jedną warstwą folii aluminiowej. Następnie włóż rdzeń do tulei z Vitonu, która jest przycięta tak, aby była o dwa milimetry krótsza niż łączna długość rdzenia i wewnętrznych łączników końcowych. Następnie naciągnij tuleję na pięciomilimetrowe złączki końcowe, aby uzyskać szczelne uszczelnienie.

Nie powinno być przestrzeni między złączkami końcowymi w rdzeniu, w przeciwnym razie przepływ zostanie ściśnięty. Owiń złączki i tuleję dwiema dodatkowymi warstwami aluminium, aby zapobiec dyfuzji dwutlenku węgla do płynu ograniczającego i utrzymać tuleję na miejscu na złączkach. Teraz złóż z powrotem uchwyt rdzenia.

Wsuń rurkę i uszczelki, a następnie wkręć. Następnie zamontuj uchwyt rdzenia na stoliku i podłącz przewody przepływowe i elektryczne. Przewody przepływowe i elektryczne nie mogą hamować swobodnego obracania się stolika po łuku 180 stopni.

Teraz wykonaj suchy skan całego rdzenia przed rozpoczęciem eksperymentu. Szczegóły znajdują się w protokole tekstowym. Zrób również zdjęcia scyntylatorów zgodnie z opisem w tekście.

Aby rozpocząć, załaduj świeżo przygotowaną solankę do reaktora i zmontuj ją ponownie. Dokręć, owiń je taśmą grzewczą i włóż sondę temperatury. Teraz załaduj dwutlenek węgla z pierwszego zaworu do pompy wtryskowej, aż ciśnienie osiągnie 100 barów.

Następnie otwórz zawór drugi, aby zalać reaktor dwutlenkiem węgla. Ciągle mieszaj solankę za pomocą mieszadła porywającego i podgrzej reaktor do 50 stopni Celsjusza. Równoważyć solankę w 10 megapaskalach przez dwie do sześciu godzin, aby nasycić ją dwutlenkiem węgla i całkowicie rozpuścić węglan.

Po wyrównaniu oczyść system. Najpierw połącz linie powyżej i poniżej uchwytu rdzenia, aby ominąć uchwyt rdzenia. Po drugie, ustaw pompę odbiorczą na ponowne napełnienie, aby załadować zjonizowaną wodę do pompy odbiorczej przez zawór 11.

Po trzecie, otwórz zawory siódmy, czwarty i trzeci. Na koniec użyj pompy odbiorczej w trybie stałego ciśnienia, aby przepchnąć wodę z powrotem przez system i wyprowadzić zawór trzeci poniżej reaktora. Użyj około 10 objętości systemu, aby upewnić się, że przewody są wolne od powietrza i wypłukane do czysta.

Teraz opróżnij pompę odbiorczą i załaduj cięższą solankę do pompy odbiorczej przez zawór 11. Użyj 25% wagowo jodku potasu. Następnie załaduj zjonizowaną wodę do pompy ograniczającej przez zawór 10.

Następnie zamknij zawór 10 i otwórz zawory ósmy i szósty. Użyj pompy ograniczającej, aby ograniczyć rdzeń do dwóch megapaskalów. Teraz zamknij zawór 11 i zwiększ ciśnienie w pompie odbiorczej do 10 barów.

Następnie otwórz zawory dziewiąty, siódmy, czwarty i trzeci. Wykorzystaj powstały spadek ciśnienia, aby przepuścić solankę przez rdzeń. Stopniowo zwiększaj ciśnienie ograniczające i słabe, aby uzyskać rozsądne natężenie przepływu.

Doprowadź około dwóch pełnych objętości solanki systemu do rdzenia. Zamknij zawór trzeci, a następnie stopniowo zwiększaj ciśnienie ograniczające i słabe, aż rdzeń zostanie ograniczony do 12 megapaskalów, a ciśnienie rdzenia wyniesie 10 megapaskal. Rdzeń musi również ponownie osiągnąć równowagę do 50 stopni Celsjusza.

Teraz zatrzymaj pompę odbiorczą i otwórz zawór piąty u podstawy reaktora, aby podłączyć system reaktora do rdzenia. Jest to eksperyment z ciśnieniem w wysokiej temperaturze. Aby zapewnić sukces, należy zachować szczególną ostrożność podczas montażu sprzętu i dokładnie go przetestować przed rozpoczęciem przepływu reaktywnego.

Przed rozpoczęciem przepływu płynu wyśrodkuj pole widzenia kamery CMOS na środku rdzenia i zacznij wykonywać ciągłe projekcje 2D, aby śledzić zalanie rdzenia. Następnie wyreguluj pompę odbiorczą do wymaganych natężeń przepływu przez rdzeń. Użyj pompy wtryskowej z przodu, aby wyregulować ciśnienie w układzie.

Teraz monitoruj projekcje 2D pod kątem zmian tłumienia, które sygnalizują nadejście reaktywnej solanki. Transmisja rdzenia wzrośnie, a projekcje pojaśnieją, gdy więcej światła uderzy w scyntylator, gdy wypełni się wysoce przezroczysty płyn reaktywny o wysokim stopniu promieniowania rentgenowskiego. Jeśli nie ma różnicy w tłumieniu między solanką reaktywną i niereaktywną, użyj solanki o wyższym stężeniu soli lub innej soli o wysokim stopniu wchłaniania.

Po nadejściu reagującej solanki przerwij skanowanie 2D i zacznij wykonywać kolejne tomografie 3D tak szybko, jak to możliwe. Użyj około 1 000 projekcji na skan i zeskanuj rdzeń, obracając się tylko o 180 stopni. Skanuj, aż zostanie osiągnięty limit czasu lub rdzeń będzie wyglądał na tak rozpuszczony i istnieje bezpośrednie niebezpieczeństwo wewnętrznego zawalenia się konstrukcji.

Następnie rozhermetyzuj system zgodnie z protokołem tekstowym i ostrożnie wyjmij zespół rdzenia z uchwytu rdzenia. Po wyjęciu odłącz tuleję od wewnętrznych łączników końcowych i umieść rdzeń pokryty tuleją w zlewce z dejonizowaną wodą, aby rozcieńczyć potencjalnie reaktywną solankę i zatrzymać całą reakcję. Za pomocą opisanej metody zobrazowano reakcję między kalcytem a niebuforowaną nadkrytyczną solanką nasyconą dwutlenkiem węgla w rdzeniu węglanowym portlandzkim.

Podzielone na segmenty obrazy analizowano jako szereg czasowy dla zmian porowatości poprzez zliczanie liczby oksyli porów i skał. Podczas rozpuszczania porowatość zwiększała się z czasem. Oględziny obrazów podzielonych na segmenty wskazują na obecność kanału w kierunku przepływu.

Dalsze badania wykazały, że kanał uformował się w ciągu pierwszej godziny, a następnie rozszerzył się w miarę trwania eksperymentu. Podzielone na segmenty obrazy zostały następnie wykorzystane jako dane wejściowe do modelu ekstrakcji sieci w celu analizy zmian przepuszczalności. W ciągu pierwszej godziny nastąpił gwałtowny wzrost przepuszczalności, ale potem przepuszczalność się ustabilizowała.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak obrazować dynamiczną reakcję za pomocą szybkiej tomografii synchrotronowej. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu czterech godzin, jeśli jest wykonywana prawidłowo. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o zabezpieczeniu całego sprzętu przed rozlaniem płynów oraz o dokładnym przetestowaniu go przed zainstalowaniem na linii belki.

Przestrzegamy rygorystycznych procedur, aby zapewnić bardzo wysokie standardy bezpieczeństwa. Jeśli chodzi o naukę synchrotronową, zdrowie i bezpieczeństwo są najważniejsze.