Waiting
Login processing...

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

Engineering

Водохранилище Состояние пор масштаб Визуализация нескольких жидких фаз, используя рентгеновский микротомография

Published: February 25, 2015 doi: 10.3791/52440

Abstract

X-Ray микротомография был использован для изображения, с разрешением 6,6 мкм, поры масштабе организации остаточной ганглиев углекислого газа в поровом пространстве карбонатного скале в давлениях и температурах представителя типичных формаций, используемых для хранения СО 2. Химическое равновесие между CO 2, рассолом и рок-фаз поддерживается с использованием реактора высокой температуры высокого давления, тиражирование условия далеко от места инъекции. Поток жидкости контролируется с помощью высокого давления высокой температуры шприцевые насосы. Для поддержания представитель в месте условий в сканер микро-КТ был использован углеродного волокна высокого давления микро-КТ coreholder. Диффузионная СО 2 обмена через удерживающего втулку из порового пространства породы к ограничивающей жидкость была предотвращена, окружающий ядро с тройным пленкой алюминиевой фольги. Реконструкция рассол контраст был смоделирован с помощью полихроматический рентгеновский источник, и солевым раствором состава Wпо выбору, чтобы максимизировать три фазовый контраст между двумя жидкостями и скалы. Гибкие трубопроводы были использованы для снижения силы на образец во время получения изображения, что потенциально может привести нежелательных движений образца, одним из основных недостатков предыдущих методов. Внутренней термопарой, размещены в непосредственной близости к сердцевине рок, в сочетании с внешним гибкой нагревательной пленкой и ПИД-регулятора используется для поддержания постоянной температуры в проточную кювету. Значительные количества СО 2 были захвачены, с остаточной насыщенности 0,203 ± 0,013, а размеры крупных ганглиев объема подчиняться распределения власти закона, в соответствии с теорией перколяции.

Introduction

Улавливание и хранение углерода является процесс, в котором CO 2 улавливается крупных точечных источников и хранятся в пористую породу, вытесняя резидентов рассолы так, что он остается в недрах в течение сотен до тысяч лет 1. СО 2 находится в недрах в виде плотного сверхкритическом фазы (SCCO 2), со свойствами совершенно разных СО 2 в условиях окружающей среды. Существуют четыре основные механизмы, с помощью которых SCCO 2 может быть иммобилизован в недрах: стратиграфические, растворимость, минеральные и остаточное захвата. Стратиграфическая отлова, где CO 2 проводится под непроницаемыми уплотнения горных пород; растворимость отлова, где CO 2 растворяется в резидента рассола окружающей вводят CO 2 2-4; минеральная отлова, где карбонатные минеральные фазы осаждаются в скале 5; остаточный или капиллярной ловушки, где CO 2 проводится за счет поверхностных силв виде крошечных капелек (ганглиев) в пространстве поры породы 6. Это может произойти естественным путем, в результате миграции СО 2 шлейфа 7-9, или может быть вызвано введение погоне рассолов 10. Для того, чтобы понять процессы, регулирующие поток и захвата этого CO 2 в геологической новый набор экспериментов должен осуществляться, использование новых достижений в технологии, чтобы лучше понять фундаментальную физику, связанную с мульти-фазового потока.

X-Ray микротомография сложилась в технике за последние 25 лет, начиная с первых попыток визуализировать, как на сухом геологические образцы 11 и несколько жидких фаз 12 для основного метода для неинвазивного визуализации рок ядер, как для целей моделирования, и для экспериментальной Реализация 13-15. Потому что микротомография является неинвазивным, он имеет способность к изучению систем в представительствах условиях, что особенно attractivе для -brine-рок СО 2, а многофазный поток поведение SCCO 2 сильно зависит от теплофизических свойств, таких как межфазного натяжения и угла контакта, что, в свою очередь сильно зависит от условий системы, таких как температура, давление и соленость 16-18. В такой сложной системы, с такой обширной и плохо понимал набор взаимозависимых переменных, эксперименты с использованием идеализированные пористую структуру, 19 или аналог жидкости 20,21 не могут быть применимы к течь процессы в недрах. Визуализация нескольких жидкостей при условиях представителем потенциального CO 2 формирования впрыска, однако, остается проблемой 22. В этом исследовании мы выделяем методологию изучения поведения мульти-жидкости в пластовых условиях, уделив особое внимание рассмотрению капилляра захвата 23,24. Это будет включать в себя проектирование стратегии формирования изображения, сборку жидкости клеток, инъекции улrategy и последующая обработка изображения.

Экспериментальная проверка пор масштабе поведения многофазных потоков в реальном рок систем фокусируется на визуализации частично насыщенных рок ядер после того, как несмачиваемом фазе впрыска (дренаж) и смачивания фазы впрыска (набухания). Эти жидкости вводят путем подключения ядра к насосах для инъекций с использованием гибких поточных линий, в то время как ограничивая ядро с помощью Хасслера типа coreholder дизайн 25. Чтобы успешно изображение используется устройство на месте из SCCO 2 и солевым раствором, новым и весьма чувствительной экспериментальной установки, в первую очередь внимание на использовании высокого разрешения рентгеновской микроскопии 23,24,26. Требования для проведения экспериментов в условиях повышенных температур и давлений являются очень строгими, и требуют последние события в обоих материалах технологий и микро-КТ объектов. Основные требования, которые должны быть выполнены в том, что любой обладатель ядро ​​/ образец должен быть ABле чтобы выдерживать высокое давление высокая температура (HPHT) условия, оставаясь при этом достаточно проницаем для рентгеновских лучей, чтобы обеспечить эффективную визуализацию. Лабораторные инструменты на основе накладывают дополнительное ограничение, а ядро-держатель должен быть достаточно небольшим, так что источник рентгеновского могут быть размещены рядом с образцом и, что достаточно большое геометрическое увеличение рентгеновского может быть достигнуто, например, что порового пространства эффективно решены. Хотя это ограничение было несколько ослаблены с введением вторичной оптики в новых машинах микро-КТ лабораторных основе, он не был полностью удален, особенно если быстрое время сбора желательны, так как более высокие оптические увеличениях имеют тенденцию к увеличению времени, необходимого для получения изображений.

Эксперименты с растворимыми жидкостями обеспечить дополнительную проблему при использовании длинных раза приобретение, как CO 2 будет диффундировать через полимерную частей экспериментальной установки, уменьшая насыщенность жидкости в месте.LL эти вопросы означает, что сканирование раз больше, чем около 2 ч было нецелесообразным. Для того, чтобы сохранить время сканирования ниже этого требования, в частности, жесткими для источников на основе лабораторных, основной держатель должен быть около 1 см в диаметре. Чем больше размер coreholder потребовало бы детектор гораздо дальше от источника для достижения той же геометрической увеличение, уменьшение потока, падающего рентгеновского на детекторе, и поэтому увеличение искомой проекции времени экспозиции. Ячейка поток, используемый в этих экспериментах была основана на традиционной конструкции Хасслера клеток, построенный вокруг углеродного волокна рукава, с конструкцией втулки аналогичным тому, который используется Iglauer и др 27, но с двумя значительных изменений: 1). Углеродного волокна композитных используется в производстве втулки был изменен с T700 волокон, с жесткостью 230 ГПа, чтобы M55 волокон, с жесткостью 550 ГПа. Это не только снижает количество движения образца во время сбора томографии, но и увеличил максимальный WOrking давление клетки от 20 МПа до 50 МПа. 2) втулки был удлинен от 212 мм до 262 мм, чтобы источник и детектор, чтобы быть как можно ближе к образцу, насколько это возможно.

Основным недостатком экспериментальной в первом исследовании, чтобы использовать микро-КТ для изучения CO 2 в пластовых условиях было использование металлических линий, чтобы контролировать поток в и из основного держателя 27. Как образец вращается по отношению к насосам, линии тока также должны быть повернуты. Жесткие линии потока может привести образец для перемещения, уменьшая эффективное разрешение изображения или сделать некоторые или все из набора данных непригодным для использования. Чтобы предотвратить это, мы заменили все поточные линии близко к сцене вращения с гибким полиэфирэфиркетон (PEEK) труб. Эти трубопроводы были гибкими, обеспечивая очень маленькие боковые силы (нагрузки) в основной держатель при приобретении. Мы также прилагаются поточные линии для клапанов, прикрепленных к стадии образца, а не присоединения линии тока в coreholder, Это означает, что любой существующий поток нагрузки линии был передан непосредственно на стадии, а не на образце, уменьшая вероятность движения образца. Основным недостатком при помощи трубки PEEK, что СО 2 был способен медленно диффундировать через него, по шкале времени около 24 ч. Это означало, что CO 2 насыщенным солевым раствором оставил в поточных линиях постепенно обесцветить.

Еще одним важным экспериментальным недостаток предыдущих исследований была неточной контроль температуры. Это может повлиять на результаты различными способами. Во-первых, температура строгий контроль на обоих поверхностное натяжение на границе и углом контакта 16-18. Кроме того, растворимость обоих SCCO 2 и карбонатных пород в рассоле также весьма зависит от температуры 28. Растворимость управления имеет решающее значение, так как при SCCO 2 вводится в физиологический раствор карбоната водоносного горизонта он будет растворяться в резидентной солевым раствором, образуя высоко реакционно-угольную кислоту, которая будет в Тугп начинают растворяться любой кальцита подарок. Неточность в управлении растворимости может поэтому привести к SCCO 2 растворения / распад твердого раствора или твердого растворения / осаждения.

Предыдущие исследования 27 используется с подогревом удерживающего жидкость, чтобы нагреть coreholder; Однако это было проблематично. Она имеет недостатки, связанные с трудностью точно поддерживая постоянное давление удерживающего использованием источника циркуляции воды, что требует дополнительных нагревательных ванны для этой сети. Кроме того, эта система содержит только точный контроль температуры в точке нагревательной бани (не в точке основного держателя и удержания жидкости будет охлаждаться между водяной бане и основной держатель). Он также требует как вход и выходное отверстие для удерживающего жидкость, увеличивая количество жидкости линий, подключенных к coreholder и поэтому увеличение нагрузки линии потока.

Вместо того, чтобы с помощью нагретого удерживающего жидкость, гибкий подогрнг оболочка была использована, чтобы окружать основной держатель. Это очень простой метод нагрева в результате очень мало coreholder нагрузки, и разрешен для точного и аккуратного отопления. Очень тонкий полиимида нагревательной пленки использовали, чтобы свести к минимуму размер выборки. Строительство этого фильма состоит из протравленной медной элемента фольги толщиной 0,0127 мм, заключенный между двумя слоями 0,0508 мм полиимидной пленки. Медные элементы, присутствующие в рубашке не оказывает заметного влияния на качество изображения. Температура была измерена с помощью термопары, сидящего в удерживающего кольца клетки. Было расположенный на внешней ограничивающей рукава, как можно ближе к сердечнику, обеспечивая точное, надежное и стабильное считывание температуры пор жидкости. Термопарой и нагревательной пленки были подключены к индивидуальному заказу пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, а температура контролировалась в пределах ± 1 ° С.

Для поддержания полной ов управленияэр между фазовой растворимости, и представляют собой условия, присутствующие в водоносный горизонт далеко от места инъекции, перед инъекцией солевого раствора, уравновешенную SCCO 2 путем интенсивного перемешивания двух жидкостей вместе с мелкими частицами (1-2 мм) от вмещающей породы В реактор с мешалкой и нагревают. Все смачиваемые компоненты в этом реакторе изготовлены из Hastelloy чтобы свести к минимуму коррозию. Реактор содержит отфильтрованный погружной трубы, чтобы позволить более плотной жидкости для извлечения из основания реактора (рассол) и менее плотной жидкости, чтобы извлечь из верхней части реактора (SCCO 2). Шприцевые насосы высокого давления были использованы для поддержания давления и расхода управления в поровом пространстве породы и в реакторе, с точностью смещения 25,4 NL. Экспериментальный аппарат, используемый в этом исследовании, показана на фиг.1. Ионной соли, используемый для эксперимента, из которого представительные результаты были составлены был йодид калия (KI), как это имеет высокий атомный вес и таккачество рентгеновских лучей коэффициент ослабления, что делает его эффективным контрастное вещество. Меньше смягчающие соли (такие как NaCl) или смеси могут быть использованы, однако крупные минерализации потребуется для достижения того же ослабление рентгеновского излучения.

Protocol

1. изображениями Стратегия Дизайн

  1. Для того, чтобы предсказать качество изображения различных вариантов растворенных для рассола, расчета рентгеновского спектра падающего рентгеновского излучения 29-31. Включить влияние основного держателя, сборки сердечника и ограничения жидкости на рентгеновском спектре. Пример падающего рентгеновского спектра с использованием ускоряющем напряжении 80 кВ и электронным током 87 мкА показано на фиг.1.
  2. Сравнение этого спектра с факторами пропускание образца, содержащего различные порами жидкости. Имитация изменения в коэффициента передачи из-за изменений в порами жидкости с применением закона Ламберта-, предполагая эффективной оптической длины видов в образце, и рассчитанные коэффициенты рентгеновского ослабления (рис 3) 32. Определить общий коэффициент передачи интегрированием по всем инцидентам энергии рентгеновского излучения. Пример полученных эффективных коэффициентов передачи для каменной Matriх и пор-пространство материалы, и изменения в относительных коэффициентов передачи в случае, когда пор-пространство заполнено вакуумом можно увидеть в таблице 1.
  3. Выбор рассола растворенного вещества и концентрации таким образом, что изменение коэффициента передачи, связанной с раствором соли составляет примерно половину изменение коэффициента передачи, связанной с твердого вещества. Это позволит максимально три фазового контраста в восстановленном изображении. Взвесить необходимое количество соли (7% (вес / вес) К. был использован для эксперимента, из которого представительные результаты были приняты) и энергично перемешать с деионизированной водой.
    1. С другой стороны, если определенный рассолом композиции желательно, изменить ускоряющего напряжения источника рентгеновского излучения, чтобы изменить спектр падающих рентгеновских лучей.

2. Монтаж оборудования и Cell

  1. Соберите оборудование, как показано на рисунке 2. Использование PEEK выкидных линий, чтобы уменьшить поперечную нагрузку образца на ячейку.Проверьте каждое соединение тщательно каких-либо утечек топлива.
    1. Поставьте рассол, из состава решила, в ходе шагов 1.1-1.3, в основание реактора. Оберните гибкую нагреватель вокруг ячейки потока.
  2. Построить металлических концевых фитингов. Удалить нить от "конца 1/16" до 1/8 "редуктор арматуры 1/8. Затем вырежьте небольшие канавки в лицо "конца фитинга 1/8 распространять вводят CO 2 в течение всей поверхности ядра.
  3. Проход термопару под высоким давлением через металлических концевых частях клетки микро-потока и печатью с использованием ¼ "наконечники и гайку, так что горячий спай термопары расположен рядом с впускной стороны сердечника, в удерживающего кольца клетки.
  4. Дрель нужный образец в ядро ​​6,5 мм в диаметре и 30 мм в 50 мм в длину. Измельчить вниз концы основного квартире, чтобы обеспечить хорошую связь с металлических наконечников. Оберните это ядро ​​в алюминиевую фольгу поместить withiна flouro-полимерный эластомер рукав.
    1. Подключите концы эластомера втулки для металлических наконечников. Добавить еще обертку из алюминиевой фольги к внешней стороне эластомерной втулки перед установкой горячим спаем термопары рядом с ограничительным кольца клетки и добавление конечного обертку из алюминиевой фольги. Это формирует основную сборку (рисунок 4).
  5. Собирают клетки микро-потока с узла сердечника в ней герметичной и подключить камеру к стадии внутри корпуса микро-КТ (фиг.5) с помощью зажима, установленных на верхней части вращательного стадии КТ.

3. Система наддува

  1. Закройте все клапаны, кроме клапана 1, 2 и 3, как показано на рис 3. Нагрузка CO 2 из цилиндра в насосе 1 и реактор, затем закрыть клапан 1. Медленно повысить температуру и давление в реакторе к тому, что требуется для порового флюида в ходе эксперимента.
  2. Откройте клапан 14 и загрузить удерживающего жидкость в насос 3. Закрыть клапан 14. Откройте клапаны 12 и 13. давление ограничиваясь кольцевое пространство клетки, по крайней мере, на 10% выше, чем предлагаемая пор жидкости давления.
  3. Откройте клапан 11. Нагрузка рассол в насос 2. Закройте клапан 11 и открытые клапаны 9, 8 и 6.
    1. Медленно давление в пор-пространство породы, пока он не достигнет нужного порового давления-жидкости, заполнение пор-пространство образца с рассолом, который не был уравновешенную SCCO 2.
  4. Открыть кран 4. Промывка более 1000 объемов пор, уравновешенную раствором соли через сердечник по заправки насоса 2 при постоянной скорости потока. Объем пор определяется путем умножения объема основной пористостью найденной с помощью гелиевого порометрии.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Это будет miscibly сместить не-уравновешивали рассол, обеспечивая 100% первичное насыщение рассола и CreaУсловия Ting в ядре сродни подземных условиях в водоносном горизонте в точке немного впереди перед SCCO 2 шлейфа.

4. Поток жидкости и Image Acquisition

  1. Пройдите через 10 объемов пор (около 1 мл) SCCO 2 через ядро при очень низких скоростях потока (1,67 × 10 -9 м 3 / сек), обеспечивая низкую капиллярного числа около 10 -6. Непрерывно принять 2D проекции, с тем, чтобы точно измерить общую Вводимый объем, наблюдая момент, когда SCCO 2 смещает солевым раствором, в поровом пространстве.
  2. Проход через 10 объемов пор (около 1 мл), уравновешенную раствором соли через сердечник, в то же низкой скоростью потока, в результате чего SCCO 2 до защемлен остаточной фазы в поры пространстве.
  3. После выполнения шагов 4,1 или 4,2, принять сканирование образца с дренажной изображений или набухания соответственно. Использование размер воксела таким образом, что весь диаметр сердечника вписывается в области спиртовW.
  4. Реконструировать сканирования с помощью программы реконструкции томографических. Для сканирования по всей длине сердечника в то время как сохранить небольшой размер воксела, реконструировать композитных томов с склейки нескольких перекрывающихся секций, приобретенных последовательно.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В каждом разделе необходимо около 400 прогнозов, принимая 15-20 минут, чтобы приобретать, так сканирование всей объеме композиционного занимает около 90 мин.

5. Обработка изображений и сегментация

  1. Нанесите нелокальные средство край, сохраняя фильтр 33,34 к набору данных и исправить изображения для любого упрочнения пучка или смягчение артефактов, созданных в процессе реконструкции изображений на основе моделирования эти артефакты, как радиально-симметричная гауссовых функций 35.
  2. Сегмент данных (включите в оттенках серого информацию в двоичном представлении CO 2 в пределах изображения) путем использования алгоритма водораздела с семенами, генерируемого с использованием 2D гистограммы 36, рассматривая CO
  3. Проанализируйте этот сегментированный изображение, чтобы найти как общее количество CO 2 вокселей, а также размеры каждого подключенного кластера остаточного CO 2.

Representative Results

Результаты для одного карбоната, Ketton известняка, в оолита от верхней Линкольншир известняка Член были проанализированы в 3D в целях выявления и измерения объема каждой уникальной отключенном ганглии, который затем с надписью (рис 6). Вся обработка велась в рамках программ Avizo пожарной 8.0 и ImageJ 37.

Сегментированный, частично насыщенные снимки были проанализированы путем подсчета количества вокселей остаточно ловушке SCCO 2 определить соотношение объема породы, занятой в ловушке SCCO 2 - капиллярную захвата мощности. Это может быть преобразовано в остаточного насыщения (S г) путем деления этого значения по пористости, полученный с помощью гелиевого порометрии. Значительные пропорции SCCO 2 были захвачены в качестве остаточного насыщения, с остаточным насыщением 0,203 ± 0,013. Это согласуется с результатами, полученными в предыдущих исследованиях с использованием микро-ct 23. Большие ядро масштабные исследования остаточного захвата в этом типе рок ​​показали более низкий уровень остаточного азота 0,137 ± 0,012 38.

Попадание солевого раствора в SCCO 2 насыщенного сердечника процесс пропитка, где смачивающей жидкости (рассол) вторгается в каждую пору, вытесняя без смачивания жидкости (SCCO 2). В сильно увлажненной водой скалы мы ожидаем воды, чтобы заполнить областей порового пространства по размеру 39,40, захват отключенного ганглиев в процессе, называемом Отламывающиеся. Этот процесс должен быть перколяции как 41, так можно сделать прогнозы о распределении по размерам отдельных кластеров. Число п кластеров объем S (измеряется в вокселей) должен масштабировать как, где τ является Fisher показатель 42. Сеть моделирование показало, что в трехмерной кубической регулярных решеток значение этого показателя составляет около τ = 2,189 43. Один естественный способ извлечения этого показателя на основе реальных данныхэто построить график Binned количество, как определено Диас и Уилкинсон 41.

Уравнение 1

которые должны масштабироваться как:

Уравнение 2

Это то, нанесенные на логарифмическом графике в виде функции S (рис 7), показывая степенное поведение при больших ганглиев, но недостаточное представительство меньшей ганглиев по сравнению с моделью степенной. Показатель был рассчитан путем исключения ганглиев меньше 10 5 вокселей (приблизительно начало поведении степенного) и выполняя Левенберга-Marquardt регрессии 44,45 использованием мере абсолютное остаточное надежную алгоритм подбора 46,47. Это было выполнено с использованием коммерческого программного пакета. Фишер показатель для этой системы было 2,287 ± 0,009, пOSE к теоретическому значению 2,189, что свидетельствует о набухания в этой системе действительно протекания подобное. В целом эти результаты подтверждают выводы в больших экспериментов ядро наводнений 38,48,49, что SCCO 2 действует как несмачиваемом фазы в карбонаты.

Рисунок 1
Рисунок 1. Экспериментальная аппаратура, показывая насосы, клапаны и реактора, используемого для управления потоком и посадку coreholder внутри корпуса микро-КТ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Фиг.2
Рисунок 2. Нормированные энергетического спектра рентгеновского излучения, падающего на основной, FI фильтруют через coreholder, ограничившись рукав и удержания жидкости. Рассчитано SpekCALC 29-31.

Рисунок 3
Рисунок 3. линейные коэффициенты ослабления различных жидкостей и горных пород в зависимости от энергии фотонов.

Рисунок 4
Рисунок 4. Фрагмент сборки сердечника, показывая тройной алюминия обернуть вокруг ядра, предотвращая диффузионного CO 2 обмена через flouro-эластомера втулки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

0 / 52440fig5.jpg "/>
Рисунок 5. Фрагмент проточной ячейки, нагревательного устройства и размещения сборки сердечника в проточной ячейке. Термопары должны быть размещены как можно ближе к входной поверхности сердечника. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры ,

Рисунок 6
Рисунок 6. Изображение карбоната после осушения и набухания. () 3D-рендеринг ядра после осушения, где каждая фаза кластер Несмачиваемое имеют разные цвета. (BF) 3D-рендеринг ядра после пяти набухания экспериментов, цветной, как описано в (А). Большой диапазон цветов указывает на слабо связаны остаточной фазы. (G), поперечное сечение сердечника после дренажа, Темный фаза SCCO 2, промежуточная фаза является рассолом и легкий этап рок зерна. (H) поперечное сечение сердечника после набухания. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 7
Рисунок 7. Распределение размера остаточного ганглиев, показанном на фиг.6.

Материал Заполнение пористости Вакуум CO 2 H 2 O H 2 O - 7 мас% NaCl H 2 O - 7 мас% КИ Solid (CaCO 3)
Коэффициент пропускания 0,25 0,247 0,243 0,242 0,224 0,202
Изменение коэффициентом пропускания по сравнению с пылесосом N / -0,003 -0,007 -0,008 -0,026 -0,048

Таблица 1. Резюме результатов (коэффициент передачи и изменения коэффициента передачи по отношению к вакуумному заполнении) от моделирования рентгеновских оптических свойств горных пород и пор Заполнение пустот материала изображаемого в ходе этого исследования. Каждый столбец представляет собой различные материалы заполнения пор-пространство скале в рамках coreholder.

Discussion

Наиболее критические шаги для успешного визуализации многофазных текучих сред при повышенных давлениях и температурах: 1) успешно изоляция порового флюида из окружающей удерживающего жидкость; 2) эффективное уравновешивание жидкости и породы перед инъекцией; 3) эффективное регулирование температуры в течение всего эксперимента; и 4) эффективное сегментирование полученных изображений.

Использование алюминиевых обертывания является критическим для успешного выделения пор жидкости из окружающей среды в качестве удерживающего в его отсутствие диффузионного обмена между рукавом происходит быстро, и насыщенность в ядре не остается постоянным в течение всего срока проверки. Эта проблема также может быть очевидным, когда жидкость остается в выкидных линиях PEEK в течение длительных периодов времени (> 2 ч) до введения в основной на этапе 4.1 и 4.2. Еще раз, CO 2, диффузно биржи по всему пластика, в результате чего рассол, чтобы обесцветить. Если это денасыщенным раствором соли вводят в ядро, насыщение в сердцевине будет уменьшаться по мере остаточные кластеры растворяли впрыскиваемого рассолом.

Другие способы для уравновешивания жидкостей и горных пород, в том числе жидкости рециркуляции 50, были предложены в литературе. Эти методы повышают сложность экспериментальной установки, которая, в свою очередь, увеличило бы количество времени для каждого эксперимента, который бы, в свою очередь увеличивает вероятность того, что рассол в поточных линиях бы диффузно ненасыщенный.

Эффективный контроль температуры имеет важное значение, и наличие термопарой внутри удерживающего кольца проточной ячейки является критическим для этого. Температура измеряется только в одной точке, то есть там, может быть некоторый градиент поперек образца, что приводит к дисбалансу растворимости и растворения или распад твердого раствора. Это может быть сведено к минимуму за счет размещения горячим спаем термопары как можно ближе к ТОн впускной стороны сердечника породы.

Эффективное сегментирование полученных изображений может быть реальной проблемой с этими системами, а сегментация изображений, содержащих частичную насыщенность нескольких жидкостей значительно более сложным, что сегментация сухих изображений, так что использование простого в серой шкале универсального порога является недостаточно 51. Использование водных бассейнов сегментации не только дает наиболее надежные результаты, по сравнению с другими алгоритмами в литературе, но также является наиболее эффективным при работе с кольцевыми и частичного объема артефактов 35.

Один из самых существенных ограничений этого метода является то, что он может получить доступ только к макро-поровом пространстве породы. Микропористость (на масштабах, меньших, чем разрешение изображения) остается недоступной, и может быть важным для многофазных потоков. Более высокое разрешение показывают большую долю этих частей порового пространства, но также соответствуют уменьшению гое поле зрения. Применимость методики к конкретным видом породы могут быть решены путем сравнения разрешение сканирования до распределения пор по размерам горла, полученного с использованием независимых методов, таких как инъекции ртути капиллярного давления.

Этот способ является ведущим методом для пор масштабе визуализации нескольких жидкостей в пластовых условиях в реальных системах, с существующими приложениями, включая поперечного сравнительном исследовании капилляра захвата 24 и измерения угла контакта 26, и способ легко применимы к Большой ассортимент пористых системах. Будущая работа могла бы изучить, в масштабе пор, широкий спектр однофазных и многофазных потоков в пористых проблемам СМИ в условиях представителем подземных водоносных горизонтов, нефтяных и газовых месторождений и других глубоких геологических систем.

Acknowledgments

Мы выражаем глубокую признательность финансирование от угольной и хранение углерода научно-исследовательского центра в Катаре (QCCSRC), при условии совместно Qatar Petroleum, Shell, и Катар Наука и технологический парк. Мы также признаем, финансирование из Имперского колледжа Консорциума по пор-Scale моделирования.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Cite this Article

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

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter