Name: Imagem Reservoir Condição Pore escala de múltiplas fases de fluidos utilizando microtomografia de raios-X (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-02-25T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 2 s
Description: Aprenda a imaginar múltiplas fases de fluidos em rochas carbonáticas sob condições de reservatório usando microtomografia de raios-X. Este método permite visualizar o aprisionamento capilar de dióxido de carbono supercrítico.

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Agradecemos o financiamento do Centro de Investigação carbonatos e Armazenamento de Carbono Qatar (QCCSRC), desde conjuntamente pela Qatar Petroleum, Shell e Qatar Science &amp; Technology Park. Reconhecemos também o financiamento do Colégio Imperial de Consortium on Pore-Scale Modelling.

1. Criação de Imagens Projeto Estratégia <ol><li> A fim de prever o desempenho de imagens de diferentes opções de soluto para a salmoura, calcular o espectro de raios-x do incidente raios-x 29-31. Incluir o impacto do porta-core, conjunto de núcleo e fluidos confinantes no espectro de raios-x. Um exemplo incidente espectro de raios-x usando uma voltagem de aceleração de 80 kV e corrente de electrões de 87 uA é mostrado na Figura 1. </li><li> Comparar este espectro para os factores de transmissão da amostra contendo diferentes fluidos de poros. Simule mudanças no fator de transmissão, devido a mudanças no pore-fluido usando a lei de Beer-Lambert, assumindo um comprimento efectivo óptica das espécies dentro da amostra, e coeficientes de atenuação de raios-x calculados (Figura 3) 32. Determine o fator de transmissão global, integrando sobre todas as energias de raios-x de incidentes. Um exemplo dos factores de transmissão resultantes eficazes para a matri rochax e material de poros de espaço, e as alterações nos factores de transmissão em relação ao caso em que o espaço dos poros é preenchida com vácuo pode ser visto na Tabela 1. </li><li> Escolha uma concentração de soluto e água salgada de modo a que a alteração no coeficiente de transmissão associado com salmoura é aproximadamente metade da alteração no coeficiente de transmissão associado com o sólido. Isto irá maximizar três contraste de fase na imagem reconstruída. Pesar a quantidade necessária de sal (7% (w / w) de KI foi utilizado para a experiência a partir do qual foram retirados os resultados representativos) e misturar vigorosamente com água desionizada. <ol><li> Em alternativa, se uma composição de solução salina específico for desejado, alterar a voltagem de aceleração fonte de raios-x para alterar o espectro dos raios X incidentes. </li></ol></li></ol> 2. Montagem de Equipamentos e celular <ol><li> Montagem do equipamento conforme mostrado abaixo na Figura 2. Utilização PEEK linhas de fluxo para reduzir a carga lateral sobre a amostra da célula de fluxo.Teste cada conexão cuidadosamente se há algum vazamento de fluido. <ol><li> Coloque a salmoura, da composição durante os passos decidiu 1,1-1,3, na base do reactor. Envolver o aquecedor flexível em torno da célula de fluxo. </li></ol></li><li> Construa acessórios terminais metálicos. Remova a linha do &quot;fim de um 1/16&quot; 1/8 a 1/8 &quot;redutor de montagem. Em seguida, corte pequenos sulcos no rosto do &quot;fim do encaixe 1/8 para distribuir o CO 2 injectado ao longo de toda a face do núcleo. </li><li> Passe o termopar alta pressão através das peças metálicas nas extremidades da célula de micro-fluxo e vedação com ¼ &quot;virolas e porca, de modo que a junção quente do termopar fica adjacente à face de entrada do núcleo, no interior do anel de confinar a célula. </li><li> Broca de amostra desejada em um núcleo 6,5 mm de diâmetro e 30 mm a 50 mm de comprimento. Triturar as extremidades do plano core, para garantir uma boa conexão com as peças finais metal. Enrole este núcleo em papel alumínio e coloque withind flúor-polímero de elastómero de manga. <ol><li> Ligue as extremidades da manga elastômero ao arranjo finais metal. Adicionar outro invólucro de folha de alumínio para o exterior da manga de elastómero, antes de colocar a junção quente do termopar ao lado do anel tubular de confinamento da célula e a adição de um envoltório final da folha de alumínio. Isto forma o conjunto de núcleo (Figura 4). </li></ol></li><li> Montagem da célula de micro-fluxo com o conjunto de núcleo selado dentro dele e ligar a célula para a fase dentro do compartimento de micro-CT (Figura 5), utilizando um grampo montado no topo da fase rotacional CT. </li></ol> 3. sistema de pressurização <ol><li> Fechar todas as válvulas para além da válvula 1, 2 e 3, tal como definido na Figura 3. Carga de CO 2 a partir do cilindro na bomba 1 e o reactor, em seguida, fechar a válvula 1. elevar lentamente a temperatura e pressão no interior do reactor para que desejado para a pore fluido durante o experimento. </li><li&gt; misturar vigorosamente o reactor durante pelo menos 12 horas para garantir que todas as fases estão em equilíbrio químico antes da injecção. </li><li> Abra a válvula 14 e carregar o fluido confinando em bomba 3. Feche a válvula 14. Abra as válvulas 12 e 13. pressurizar o anel confinando da célula para pelo menos 10% maior do que a pressão de poros fluido proposto. </li><li> Abra a válvula 11. Carga salmoura para a bomba 2. Feche a válvula 11 e válvulas abertas 9, 8 e 6. <ol><li> Lentamente pressurizar o espaço dos poros da rocha até que a pressão é a poro de líquido desejado, enchendo o espaço de poros da amostra com uma solução salina que não tenha sido equilibrada com SCCO 2. </li></ol></li><li> Abrir a válvula 4. Lavar mais de 1000 volumes de poro da solução salina equilibrada através do núcleo de reenchimento da bomba 2 a uma taxa de fluxo constante. O volume de poro é encontrada multiplicando o volume do núcleo da porosidade encontrado usando porosimetria de hélio. NOTA: Este vai miscibly deslocar a salmoura equilibrada-un, garantindo 100% de saturação inicial salmoura e creacondições ting no núcleo semelhante às condições do subsolo em um aquífero num ponto ligeiramente à frente da frente de uma pluma SCCO 2. </li></ol> 4. Fluid Flow e Aquisição de Imagem <ol><li> Passar com 10 volumes de poro (cerca de 1 ml) de SCCO 2 através do núcleo a velocidades de fluxo muito baixas (1,67 x 10 -9 m 3 / seg), assegurando um baixo número de capilares de cerca de 10 -6. Continuamente tomar projeções 2D, a fim de medir com precisão o volume total injetado, observando o ponto em que SCCO 2 desloca salmoura no espaço poroso. </li><li> Passar com 10 volumes de poro (cerca de 1 ml) de solução salina equilibrada através do núcleo à mesma taxa de fluxo baixo, causando SCCO 2 para ficar presa como uma fase residual no espaço dos poros. </li><li> Depois dos passos 4.1 ou 4.2, tomar scans da amostra a drenagem imagem ou embebição respectivamente. Usar um tamanho de voxel de tal modo que todo o diâmetro do núcleo se encaixa dentro do campo de view. </li><li> Reconstruir as digitalizações usando um programa de reconstrução tomográfica. Para analisar todo o comprimento do núcleo enquanto reter uma pequena tamanho do voxel, reconstruir volumes compostas por unir várias seções sobrepostas, adquiridos sequencialmente. NOTA: Cada seção necessária cerca de 400 projeções, tendo 15-20 min para adquirir, de modo a digitalização de um volume composto inteiro levou cerca de 90 min. </li></ol> 5. Processamento de Imagem e Segmentação <ol><li> Aplicar uma borda de meios não-locais preservando filtro 33,34 para o conjunto de dados e corrigir as imagens para qualquer endurecimento do feixe ou amolecimento artefatos criados durante a reconstrução da imagem modelando esses artefatos funções de Gauss como radialmente simétricas 35. </li><li> Segmento de dados (transformar a informação de escala de cinzentos em uma representação binária do CO2 no interior da imagem) pela utilização de um algoritmo de bacia com uma semente gerado utilizando um histograma 2D 36, tratando o CO <sub&gt; 2 como uma fase e a solução salina e a rocha em conjunto, como a outra fase. </li><li> Analise esta imagem segmentada para encontrar tanto o número total de CO 2 voxels e também os tamanhos de cada grupo ligado de CO 2 residual. </li></ol>

Os autores não têm nada a divulgar.

Os passos mais críticos para uma imagem com qualidade de fluidos multifásicos a pressões e temperaturas elevadas são: 1) O isolamento bem sucedido do fluido dos poros de confinar o fluido circundante; 2) o equilíbrio eficaz dos fluidos e rocha antes da injecção; 3) Controle de temperatura efetiva durante todo o experimento; e 4) a segmentação eficaz das imagens resultantes. A utilização dos envoltórios de alumínio é crítica para o isolamento bem sucedido do poro de líquido a partir do fluido envolvente, confinando na sua troca difusiva ausência do outro lado da manga é rápido, e saturação dentro do núcleo não permanece constante durante a duração do varrimento. Este problema também pode ser evidente quando o líquido permanece nas linhas de fluxo PEEK por períodos de tempo prolongados (&gt; 2 h) antes da injecção no núcleo do passo 4.1 e 4.2. Mais uma vez, CO 2 Mobilidade difusivamente em todo o plástico, fazendo com que a salmoura para remover a saturação. Se este desalmoura saturada é injectado para dentro do núcleo, a saturação do núcleo irá diminuir como aglomerados residuais são dissolvidos, a solução salina injectada. Outros métodos para o equilíbrio de fluidos e rochas, incluindo fluido de recirculação 50, foram propostos na literatura. Esses métodos aumentam a complexidade da configuração experimental, que por sua vez teria aumentado a quantidade de tempo para cada experiência, o que tem por sua vez aumentou a probabilidade de que a salmoura em linhas de fluxo teria difusivamente dessaturado. A eficácia do controlo de temperatura é essencial, e a presença de um termopar no interior do anel de confinamento da célula de fluxo é crítico para esta. Temperatura apenas é medida num ponto único, o que significa que pode haver alguns gradiente através da amostra, levando a um desequilíbrio de solubilidade e dissolução e exsolution. Isto pode ser minimizado pela localização da junção quente do termopar tão perto quanto possível a tele inlet face do núcleo rock. A segmentação eficaz das imagens resultantes podem ser um verdadeiro desafio com estes sistemas, como a segmentação de imagens contendo uma saturação parcial de vários fluidos é significativamente mais desafiador que a segmentação de imagens secos, por isso o uso de simples limiar universal escala de cinza é insuficiente 51. O uso de segmentação divisor de águas não só dá os resultados mais fiáveis, em comparação com outros algoritmos da literatura, mas também é o mais eficaz para lidar com campainha e volume parcial artefatos 35. Uma das limitações mais significativas desta técnica é que ele só pode acessar o espaço macro-poros de uma rocha. A microporosidade (em escalas menores do que a resolução da imagem) permanece inacessível, e pode ser importante para o escoamento multifásico. Resoluções mais elevadas revelam uma maior proporção destas partes do espaço dos poros, mas também correspondem a uma diminuição no the campo de visão. A aplicabilidade da técnica a um tipo de rocha específica poderiam ser resolvidos através da comparação da resolução da digitalização para a distribuição de tamanho dos poros garganta obtido usando o método independente, como pressão capilar injeção de mercúrio. Este método é uma técnica de imagiologia que conduz para a poro escala de vários fluidos em condições de reservatório em sistemas realistas, com aplicações existentes, incluindo um estudo comparativo transversal de aprisionamento capilar 24 e a medição do ângulo de contacto 26, e o método é facilmente aplicável a uma vasta gama de sistemas porosos. O trabalho futuro poderia estudar, na escala dos poros, uma grande variedade de fase única e fluxo multifásico em problemas de meios porosos em condições representativas dos aquíferos do subsolo, os campos de petróleo e gás e outros sistemas geológicas profundas.

Captura e armazenamento de carbono é o processo em que o CO 2 é capturado a partir de fontes pontuais de grande e armazenado em rochas porosas, deslocando brines residentes para que ele permaneça na subsuperfície para centenas de milhares de anos 1. O CO 2 reside no subsolo como uma fase super-crítico densa (SCCO 2), com propriedades radicalmente diferentes ao CO 2 em condições ambientais. Existem quatro mecanismos principais pelos quais SCCO 2 pode ser imobilizadas na subsuperfície: estratigráfica, solubilidade, mineral e aprisionamento residual. Trapping estratigráfica é onde CO 2 é realizada sob rochas vedação impermeável; solubilidade trapping é onde CO 2 se dissolve na água salgada residente em torno do CO 2 injectado 2-4; trapping mineral é onde fases minerais de carbonato são precipitados na rocha 5; e aprisionamento residual ou capilar é onde CO 2 é detido por forças de superfíciecomo pequenas gotas (gânglios) no pore-espaço da rocha 6. Isto pode ocorrer tanto naturalmente, pela migração do CO 2 pluma 7-9, ou pode ser induzida pela injecção de perseguição Brines 10. A fim de compreender os processos que regem o fluxo e armadilhas deste CO 2 no subsolo de um novo conjunto de experimentos devem ser realizados, aproveitando os novos avanços em tecnologia para melhor compreender a física fundamental associado com o fluxo de multi-fase. Microtomografia de raios-X foi desenvolvido como uma técnica ao longo dos últimos 25 anos das primeiras tentativas de visualizar ambas as amostras geológicas secas 11 e múltiplas fases fluidas 12 para o principal método para a imagem não invasivo de núcleos de rock, tanto para fins de modelagem e para experimental implementação 13-15. Porque microtomografia é não-invasiva, que tem a capacidade para estudar os sistemas em condições representativas, que é particularmente attractivde e para o sistema de CO 2 -brine-rocha, como o comportamento do fluxo multifásico de SCCO 2 é altamente dependente das propriedades térmicas e físicas, tais como a tensão interfacial e ângulo de contacto, que por sua vez são uma forte função das condições do sistema, tais como temperatura, pressão e salinidade 16-18. Em um sistema tão complexo, com um tal conjunto extenso e pouco compreendido de variáveis ​​inter-dependentes, experiências usando estruturas de poros idealizadas 19 ou fluidos analógicos 20,21 pode não ser aplicável a processos de fluxo de subsuperfície. Imagiologia múltiplos fluidos em condições representativas de uma formação injecção prospectivo CO 2 tem, no entanto, manteve-se um desafio 22. Neste estudo, descrevemos uma metodologia para a análise do comportamento multi-fluido em condições de reservatório, com foco no exame de capilar prendendo 23,24. Isto incluirá a concepção de uma estratégia de imagem, a montagem da célula de fluido, a injeção strategy e processamento de imagem subsequente. O exame experimental do comportamento de fluxo multifásico pore escala em sistemas de rochas reais centra-se na imagem de núcleos de rocha parcialmente saturados após a injeção não molhamento fase (drenagem) e molhando injeção fase (embebição). Estes fluidos são injetados, ligando os núcleos para bombas de injeção de fluidos utilizando linhas de fluxo flexíveis, enquanto confinar o núcleo usando um design coreholder Hassler-type 25. Para o arranjo de imagem com êxito in-situ de SCCO 2 e salmoura, um processo novo e altamente sensível montagem experimental foi usada, com ênfase no uso de uma alta resolução de raios-x microscópio 23,24,26. Os requisitos para a realização de experimentos em temperaturas elevadas e pressões são muito rigorosos e exigem os recentes desenvolvimentos em tecnologia de materiais e micro-CT instalações. Os principais requisitos que têm de ser cumpridos são de que qualquer detentor core / amostra precisa ser able para suportar a alta pressão e alta temperatura (HPHT) condições, permanecendo suficientemente raios-x transparente para permitir a imagiologia efectiva. Os instrumentos baseados no Laboratório impor uma restrição adicional, como titular do núcleo deve ser pequeno o suficiente de modo que a fonte de raios-x pode ser colocado perto da amostra e que suficientemente grande geométrica ampliação de raio-x pode ser alcançado de modo a que o espaço poroso é eficazmente resolvidos. Embora esta restrição foi relaxado um pouco com a introdução da óptica secundários em máquinas mais recentes de micro-CT baseados em laboratório, não tem sido completamente removido, especialmente se os tempos rápidos de aquisição são desejados, como ampliações ópticas mais elevadas tendem a aumentar o tempo necessário para a aquisição imagens. Experiências com fluidos solúveis proporcionar um desafio adicional quando se utiliza longos tempos de aquisição, na forma de CO 2 irá difundir através das porções poliméricas da montagem experimental, a redução da saturação do fluido in situ. All estas questões com que o tempo de verificação mais do que em torno de 2 horas eram impraticáveis. A fim de manter o tempo de verificação abaixo deste requisito, particularmente rigorosos para fontes de laboratório, o titular do núcleo deve ser de cerca de 1 cm de diâmetro. Um tamanho maior coreholder teria exigido o detector a ser muito mais longe da fonte para atingir o mesmo aumento geométrico, reduzindo o fluxo incidente de raios-x sobre o detector e, por conseguinte, aumentando os tempos de exposição de projecção necessária. A célula de fluxo utilizado nestas experiências foi baseada numa concepção da célula Hassler tradicional, construído em torno de uma manga de fibra de carbono, com um desenho de manga semelhante ao utilizado por Iglauer et al 27, mas com duas alterações significativas:. 1) O compósito de fibra de carbono utilizado no fabrico da luva foi alterada a partir de fibras T700, com uma rigidez de 230 GPa, ao fibras M55, com uma rigidez de 550 GPa. Isto não só reduziu a quantidade de movimento da amostra durante a aquisição de tomografia, mas também aumentou o máximo working pressão da célula de 20 MPa a 50 MPa. 2) A manga ter sido alongado a partir de 212 milímetros a 262 mm, para permitir que a fonte e o detector para estar tão próximo quanto possível da amostra. Um grande deficiência experimental no primeiro estudo a utilizar micro-CT para examinar CO 2 em condições de reservatório era a utilização de linhas de metal para controlar o fluxo de e para o detentor do núcleo 27. À medida que a amostra é rodado em relação às bombas, as linhas de fluxo também precisa de ser rodado. Stiff linhas de fluxo pode fazer com que a amostra se mover, reduzir a resolução da imagem efectiva ou fazendo parte ou a totalidade do conjunto de dados inutilizável. Para evitar que isso substituímos todas as linhas de fluxo perto do palco rotação com flexível éter poliéter cetona (PEEK) tubulação. Estas linhas de fluxo eram flexíveis, proporcionando forças laterais muito pequenas (de carga) para o titular do núcleo durante a aquisição. Também ligado as linhas de fluxo de válvulas associadas à fase de amostra, em vez de ligar as linhas de fluxo para o coreholder. Isto significa que qualquer linha de carga de fluxo existente foi transmitida diretamente para a etapa, em vez de para a amostra, reduzindo a probabilidade de movimento da amostra. Uma grande desvantagem de utilizar o tubo de PEEK era que o CO 2 foi capaz de se difundir lentamente através dela, através de uma escala de tempo de cerca de 24 horas. Isto significa que o CO 2 salmoura saturada deixado nas linhas de fluxo se gradualmente dessaturar. Outra grande deficiência experimental de estudos anteriores era o controle impreciso da temperatura. Isto pode ter impacto no resultados de um número de maneiras. Em primeiro lugar, a temperatura é um forte controle sobre ambos tensão e ângulo de contato interfacial 16-18. Além disso, a solubilidade de ambos SCCO 2 e carbonato de rocha em salmoura é também altamente dependente da temperatura 28. De controlo da solubilidade é crítico, como quando SCCO 2 é injectada num aquífero carbonato salina, se dissolverá na solução salina de residente, formando um ácido carbónico altamente reactivo, o qual, por turn começar a dissolver qualquer calcite presente. Qualquer imprecisão no controle solubilidade pode, portanto, levar a SCCO 2 dissolução / exsolution ou sólido de dissolução / precipitação. Estudos anteriores 27 utilizado um fluido confinando aquecida para aquecer a coreholder; no entanto, este foi problemática. Tem as desvantagens associadas com a dificuldade de manter rigorosamente uma pressão confinante constante utiliza um sistema de recirculação de água, exigindo banhos de aquecimento extra para que a oferta. Além disso, este sistema só mantém um controlo preciso de temperatura no ponto de banho de aquecimento (não no ponto de suporte do núcleo, e confinar o fluido iria arrefecer entre o banho de água e o suporte de núcleo). Isto também exige uma entrada e uma porta de saída para o fluido de confinamento, aumentando o número de linhas de fluido associadas à coreholder e assim aumentando a carga de linha de fluxo. Em vez de utilizar um fluido aquecido confinante, uma aq flexívelng revestimento foi usada para envolver o suporte do núcleo. Este método de aquecimento muito simples resultou em muito pouca carga coreholder, e permitiu o aquecimento preciso e exato. Utilizou-se um filme de poliimida aquecimento extremamente fino, a fim de minimizar o tamanho da amostra. A construção deste filme é composto por um elemento cobre gravado folha de 0,0127 milímetros de espessura, encapsulado entre duas camadas de filme de poliimida 0,0508 milímetro. Os elementos de cobre presentes no revestimento não afectar a qualidade de imagem perceptível. A temperatura foi medida utilizando um termopar sentado no anel confinando da célula. Foi colocado no exterior da manga de confinamento, tão perto quanto possível do núcleo, garantindo uma leitura precisa e fiável e estável a temperatura de poros de fluido. O filme termopares e aquecimento foram conectados a um controlador de costume construído Proporcional Integral Derivativo (PID), e as temperaturas foram controladas dentro de ± 1 ° C. Para manter o controle completo over solubilidade inter-fase, e são condições presentes no aquífero longe do local da injecção, antes da injecção da salmoura foi equilibrada com 2 SCCO por vigorosamente a mistura dos dois fluidos em conjunto com partículas pequenas (1-2 mm) da rocha hospedeira num reactor agitado e aquecido. Todos os componentes de contacto com o fluido dentro deste reactor é feito de Hastelloy para minimizar a corrosão. O reactor contém um tubo de imersão para permitir o filtrado para o fluido mais denso para ser extraído a partir da base do reactor (salmoura) e fluido menos denso para ser extraído a partir da parte superior do reactor (SCCO 2). Bombas de seringa de alta pressão foram usadas para manter o fluxo de pressão e controle no pore-espaço do rock e no reator, com uma precisão de deslocamento de 25,4 nl. O aparelho experimental utilizado neste estudo é apresentado na Figura 1. O sal iónico utilizado para a experiência de que os resultados foram representativos desenhada foi iodeto de potássio (KI), como tem um elevado peso atómico e assim umelevado coeficiente de atenuação de raios-x, tornando-se um agente de contraste eficaz. Menos atenuantes (sais tais como NaCl) ou misturas podem ser utilizados, no entanto salinidades seriam necessárias para conseguir o mesmo atenuação de raios-x.

<table><tbody><tr><td>Bomba de seringa de alta pressão</td><td>Teledyne ISCO</td><td>1000D</td><td></td></tr><tr><td>Parr Reactor</td><td>Parr Instrument Company</td><td>4547A - hastelloy</td><td></td></tr><tr><td>PEEK Tubing</td><td>Kinesis</td><td>1560xL</td><td></td></tr><tr><td>Potassium Iodide Salt</td><td>Sigma Aldrich</td><td>30315-1KG</td><td></td></tr><tr><td>Dióxido de Carbono</td><td>BOC</td><td>CO2 - tamanho E</td><td></td></tr><tr><td>Termopar</td><td>Omega Aquecedor Flexível Kapton Engineering</td><td>KMTSS-IM300U-150</td><td></td></tr> Microscópio de Raios-X <tr><td></td><td>Omega Engineering</td><td>KH-112/10-P</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Zeiss</td><td>Versa XRM 500</td><td></td></tr><tr><td>Detector de Vazamento de Snoop</td><td>Swagelok</td><td>MS-SNOOP-8OZ</td><td></td></tr><tr><td>Manga de Polímero de Fluorelastômero (Viton) Fisher</td><td>Scientific</td><td>11572583</td><td></td></tr><tr><td>Micro-CT Coreholder</td><td>Airborne Composites</td><td>262mm Coreholder</td><td>Construído em conjunto com</td></tr> o <tr><td>programa tomográfico</td> do Imperial College <td>Zeiss</td><td>XM-Reconstructor</td><td></td></tr><tr><td>ImageJ - processamento de imagem</td><td>NIH</td><td>ImageJ</td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td>Matlab</td><td>Usado para análise de regressão</td></tr><tr><td>Avizo</td><td>FEI</td><td>Avizo</td><td></td></tr></tbody></table>

imagem reservoir condição pore escala de múltiplas fases de fluidos utilizando microtomografia de raios-x

Reservoir Condition Pore-scale Imaging of Multiple Fluid Phases Using X-ray Microtomography

A tomografia de raios X foi usado para a imagem, a uma resolução de 6,6 mm, o arranjo de poros escala de gânglios residual de dióxido de carbono no espaço de poros de uma rocha de carbonato a pressões e temperaturas representante de formações mais utilizados para a armazenagem de CO 2. Equilíbrio químico entre as fases de CO 2, e salmoura rocha foi mantida utilizando uma alta temperatura do reactor de alta pressão, reproduzindo as condições de longe do local de injecção. O fluxo de fluido foi controlado usando bombas de seringa alta temperatura alta pressão. Para manter representativos condições in situ dentro do scanner de micro-TC uma fibra de carbono de alta pressão de micro-CT coreholder foi usado. Diffusive CO 2 troca em toda a manga confinando do pore-espaço do rock para o fluido de confinamento foi impedido por em torno do núcleo com um envoltório triplo de papel alumínio. Reconstruído contraste salmoura foi modelado utilizando uma fonte de raios-x policromática, e composição da salmoura wescolhido para maximizar o contraste de três fases entre os dois fluidos e a rocha. Linhas de fluxo flexíveis foram usadas para reduzir as forças sobre a amostra durante a aquisição de imagem, potencialmente causando movimento indesejável da amostra, uma grande falha em técnicas anteriores. Um termopar interno, colocado directamente adjacente ao núcleo rocha, juntamente com um envoltório flexível de aquecimento externo e um controlador PID foi utilizado para manter uma temperatura constante no interior da célula de fluxo. Quantidades substanciais de CO 2 foram presos, com uma saturação residual de 0,203 ± 0,013, e os tamanhos dos gânglios maior volume obedecer distribuições lei de potência, de forma compatível com a teoria de percolação.

Os resultados para um único carbonato, Ketton calcário, um oólito do membro superior Lincolnshire pedra calcária foram analisados ​​em 3D, a fim de identificar e medir o volume de cada gânglio único desconectado, que foi então marcado (Figura 6). Todo o processamento foi realizado no âmbito dos programas Avizo incêndio 8.0 e ImageJ 37. As imagens parcialmente saturados segmentados foram analisados ​​pela contagem do número de voxels de residualmente preso SCCO 2 para encontrar a percentagem do volume ocupado pela rocha preso SCCO 2 - a capacidade de aprisionamento capilar. Este pode, então, ser convertido a uma saturação residual (S r), dividindo este valor pela porosidade obtida utilizando hélio como porosimetria. Uma parte significativa das SCCO 2 foram presos como uma saturação residual, com uma saturação residual de 0,203 ± 0,013. Isso está de acordo com os resultados encontrados em estudos anteriores usando micro-CT 23. Estudos maiores núcleo escala de aprisionamento residual neste tipo de rocha mostrou uma saturação residual inferior de 0,137 ± 0,012 38. A entrada de salmoura em um núcleo saturado SCCO 2 é um processo em que a embebição de um fluido de molhagem (salmoura) invade cada poro, deslocando fluido não molhante (SCCO 2). Em uma rocha fortemente wet-água esperamos que a água para encher as áreas do espaço poroso por ordem de tamanho 39,40, prendendo gânglios desconectado no processo chamado de snap-off. Este processo deve ser percolação como 41 também é possível fazer previsões sobre a distribuição de tamanho dos clusters isolados. O número n de aglomerados de volume de s (medido em voxels) deve ser dimensionada como, onde τ é o expoente Fisher 42. Modelagem de rede mostrou que em redes regulares cúbicos tridimensionais o valor deste expoente é de cerca de τ = 2.189 43. Uma maneira natural de extrair este expoente de dados reaisé traçar a quantidade binned, tal como definido por Dias 41 e Wilkinson. <img alt="Equação 1" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/52440/52440eq1.jpg" /> que deve escalar como: <img alt="Equação 2" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/52440/52440eq2.jpg" /> Este é então plotados em um gráfico log-log em função do s (Figura 7), mostrando comportamento em lei de potência para grandes gânglios, mas uma sub-representação de menor gânglios em comparação com o modelo da potência. O expoente foi calculado por exclusão gânglios menor do que 10 5 voxels (aproximadamente o início do comportamento em lei de potência) e a realização de Levenberg-Marquardt 44,45 regressão utilizando um algoritmo robusto residual mínimo absoluto encaixe 46,47. Este foi realizada utilizando um pacote de software comercial. O expoente Fisher para este sistema foi 2,287 ± 0,009, close para o valor teórico de 2,189, indicando que neste sistema de embebição é de facto como percolação. De modo mais geral estes resultados confirmam as conclusões em maiores experimentos core-inundação 38,48,49 que SCCO 2 actua como a fase não molhar em carbonatos. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52440/52440fig1.jpg" /> Figura 1. aparelho Experimental, mostrando as bombas, válvulas e reator utilizado para controlar o fluxo e o assentamento do coreholder dentro do gabinete micro-CT. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52440/52440fig1large.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52440/52440fig2.jpg" /> Figura 2. O espectro de energia normalizado para raios-x incidente sobre o núcleo, fi<html> filtradas através do coreholder, confinando manga e confinando fluido. Calculado utilizando SpekCALC 29-31. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52440/52440fig3.jpg" /> Figura 3. Os coeficientes de atenuação linear de diferentes fluidos e materiais rochosos como uma função de energia de fotões. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/52440/52440fig4.jpg" /> Figura 4. Detalhe do conjunto de núcleo, mostrando um envoltório de alumínio triple em torno do núcleo, impedindo diffusive CO 2 troca em toda a manga flouro-elastômero. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52440/52440fig4large.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 0 / 52440fig5.jpg &quot;/&gt; Figura 5. Detalhe da célula de fluxo, aparelhos de aquecimento e implantação do conjunto de núcleo dentro da célula de fluxo. O termopar deve ser colocado o mais próximo possível da face de entrada do núcleo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52440/52440fig5large.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura .</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/52440/52440fig6.jpg" /> Figura 6. Imagem do carbonato após a drenagem e embebição. (A) A renderização 3D do núcleo após a drenagem, onde cada cluster não molhar fase é dada uma cor diferente. (BF) A renderização em 3D do núcleo após cinco experimentos de embebição, colorido, como descrito por (A). A grande variedade de cores, indicando uma fase residual mal ligado. (G) Uma secção transversal do núcleo após a drenagem. A fase mais escura é a SCCO 2, a fase intermediária é salmoura e a fase mais leve é grão rock. A seção transversal do núcleo após a embebição (H). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52440/52440fig6large.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/52440/52440fig7.jpg" /> Figura 7. A distribuição do tamanho dos gânglios residual mostrado na Figura 6. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> A porosidade Material de enchimento </td><td> Vácuo </td><td> CO2 </td><td> H2O </td><td> H2O - 7% em peso de NaCl </td><td> H2O - 7% em peso de KI </td><td> Sólido (CaCO 3) </td></tr><tr><td> Fator de Transmissão </td><td> 0,25 </td><td> 0,247 </td><td> 0,243 </td><td> 0,242 </td><td> 0,224 </td><td> 0,202 </td></tr><tr><td> Mudança na transmissão fator relativo ao vácuo </td><td> N / D </td><td> -0.003 </td><td> -0,007 </td><td> -0,008 </td><td> -0,026 </td><td> -0,048 </td></tr></tbody></table> Tabela 1. Resumo dos resultados (factor de transmissão e as alterações no factor de transmissão em relação ao caso de vácuo cheio) de simulação das propriedades ópticas de raios-x do material de rocha e de poros espaço enchimento trabalhada durante este estudo. Cada coluna representa um material diferente enchendo o poro-espaço da rocha dentro da coreholder.

Apresentamos uma metodologia para a imagem de múltiplas fases fluidas em condições de reservatório pelo uso de microtomografia de raios-x. Mostramos alguns resultados representativos do aprisionamento capilar em uma amostra de rocha carbonática.

Imagem Reservoir Condição Pore escala de múltiplas fases de fluidos utilizando microtomografia de raios-X

X-ray microtomography was used to image, at a resolution of 6.6 &#181;m, the pore-scale arrangement of residual carbon dioxide ganglia in the pore-space ...

O objetivo deste procedimento é obter imagens não invasivas de múltiplas fases fluidas no espaço poroso de rochas em condições realistas de temperatura e pressão, semelhantes às encontradas em reservatórios e aquíferos subterrâneos. Isso é realizado primeiramente montando cuidadosamente o conjunto de testemunho e colocando-o dentro de um porta-testemunhos de alta pressão e alta temperatura. O segundo passo é conectar o porta-testemunhos às bombas de controle de alta pressão e alta temperatura e ao reator utilizando tubos flexíveis de conexão.Em seguida, a pressão e a temperatura no sistema são ajustadas para aquelas do representante. As condições e fluidos subsuperficiais são equilibrados e injetados no espaço poroso da rocha. Por fim, condição do reservatório.A imagem por microtomografia computadorizada (micro TC) é utilizada para mostrar tanto a quantidade quanto a distribuição do dióxido de carbono retido como fase residual aprisionada após a injeção de salmoura. Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais na área de escoamento multifásico em meios porosos, tais como a determinação da saturação residual para aprisionamento capilar e medições de molhabilidade e ângulo de contato. Embora este método possa fornecer informações sobre sistemas de salmoura e rocha com CO₂ supercrítico, com aplicações no armazenamento geológico de carbono, também pode ser empregado em sistemas hidrocarboneto-salmoura-rocha para estudar fenômenos relacionados à recuperação avançada de petróleo e recursos internacionais.A demonstração visual deste método é essencial, pois os passos de preparação da amostra e montagem do núcleo são difíceis de aprender. Isso ocorre porque a relação entre a montagem do núcleo, o próprio núcleo, a luva de contenção e as múltiplas camadas de alumínio é complicada. Para iniciar este procedimento, teste cuidadosamente as conexões do equipamento em busca de vazamentos de fluido.Em seguida, coloque a salmoura na base do reator. Envolva o aquecedor flexível ao redor da célula de fluxo. Depois disso, monte os conectores metálicos removendo a rosca de um dos oitavos de polegada da extremidade de um adaptador redutor de 1/16 de polegada para 1/8 de polegada. Em seguida, corte pequenos sulcos na face da extremidade de 1/8 de polegada do adaptador para distribuir o dióxido de carbono injetado por toda a face do núcleo.Em seguida, passe o termopar de alta pressão pelas peças metálicas finais do selo da célula de microfluxo e fixe o termopar usando os ferralhos e porcas de um quarto de polegada, de modo que a junção quente fique adjacente à face interna da porca do núcleo dentro do anel confinante da célula L. A seguir, perfure a amostra desejada em um núcleo de 6,5 milímetros de diâmetro e entre 30 e 50 milímetros de comprimento. Aplane as extremidades do núcleo para garantir uma boa conexão com as peças metálicas. Em seguida, envolva esse núcleo com folha de alumínio.Posteriormente, coloque-o dentro de uma manga de elastômero de polímero fluoretado. Em seguida, conecte as extremidades da manga de elastômero aos acessórios metálicos das pontas. Adicione outra camada de folha de alumínio ao redor da parte externa da manga de elastômero antes de posicionar a junção quente do termopar junto à face de entrada do núcleo e acrescentar uma camada final de folha de alumínio.Isso forma a montagem principal. Agora monte a célula de microfluxo com a montagem principal selada em seu interior. Conecte a célula à platina dentro da carcaça de micro-TC utilizando uma braçadeira montada na parte superior da platina rotacional de TC.Neste procedimento, feche todas as válvulas, exceto as válvulas um, dois e três. Em seguida, carregue dióxido de carbono do cilindro na bomba um e no reator. Depois, feche a válvula um.Aumente lentamente a temperatura e a pressão do reator até o valor desejado para o fluido intersticial. Misture o fluido intersticial por pelo menos 12 horas para garantir que todas as fases estejam em equilíbrio químico antes da injeção. Em seguida, abra a válvula 14 e carregue o fluido confinante na bomba três.Em seguida, feche-o e abra as válvulas 12 e 13. Pressurize o anel confinante da célula até pelo menos 10% acima da pressão do fluido nos poros proposta. Depois disso, abra a válvula 11.Carregue a salmoura na bomba dois e feche-a. Em seguida, abra as válvulas nove, oito e seis. Pressurize lentamente o espaço poroso da rocha até atingir a pressão desejada do fluido nos poros e preencha o espaço poroso da amostra com salmoura que não tenha sido equilibrada com dióxido de carbono supercrítico.Agora, abra a válvula quatro e empurre mais de 1000 volumes de poro de salmoura equilibrada através do núcleo, reabastecendo a bomba dois a uma taxa de fluxo constante. Neste procedimento, passe 10 volumes de poro de dióxido de carbono supercrítico através do núcleo a uma taxa de fluxo muito baixa, garantindo continuamente um número capilar baixo de aproximadamente 10 elevado a menos seis. Adquira projeções 2D para medir com precisão o volume total injetado enquanto o dióxido de carbono supercrítico desloca a salmoura no espaço poroso. Passe outros 10 volumes de salmoura equilibrada através do núcleo à mesma taxa de fluxo baixa, resultando no aprisionamento do dióxido de carbono supercrítico como uma fase residual no espaço poroso.Em seguida, realize algumas varreduras da amostra para imagens da drenagem ou inibição. Utilize um tamanho de vóxel de modo que o diâmetro total do núcleo caiba dentro do campo de visão. Em seguida, reconstrua as varreduras utilizando um programa de reconstrução tomográfica.Reconstrua os volumes compostos unindo várias seções sobrepostas que são necessárias sequencialmente. A imagem mostrada aqui é uma renderização 3D do núcleo após a drenagem, na qual cada aglomerado da fase não molhante recebe uma cor diferente. Essas cinco imagens mostram uma renderização 3D do mesmo núcleo após cinco experimentos de inibição separados, enquanto a grande variedade de cores indica uma fase residual mal conectada.Esta é uma seção transversal do núcleo após a drenagem. A fase mais escura é o dióxido de carbono supercrítico. A fase intermediária é a salmoura e a fase mais clara é o grão de rocha, e esta é uma seção transversal do núcleo.Após a inibição, é mostrada aqui a escala de lei de potência da distribuição do tamanho dos gânglios residuais. Uma vez dominada, essa técnica pode ser realizada em cerca de duas horas, se executada corretamente. Lembre-se de que trabalhar com equipamentos sob alta pressão e temperaturas pode ser extremamente perigoso, portanto, precauções como treinamento adequado e certificação dos equipamentos devem ser tomadas antes de realizar o procedimento experimental.

reservoir-condition-pore-scale-imaging-multiple-fluid-phases-using-x

Research

JoVE Journal

Engineering

Engenharia

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