Abstract
X-ray microtomography blev anvendt til billedet, ved en opløsning på 6,6 um, pore-skala arrangement af tilbageværende kuldioxid ganglier i pore-rum af et carbonat klippe ved tryk og temperaturer repræsenterer typiske sammensætninger, der anvendes til lagring af CO 2. Kemisk ligevægt mellem CO2 og saltvand og rock-faser blev opretholdt ved hjælp af et højt tryk og høj temperatur reaktor replikerende betingelser langt væk fra injektionsstedet. Fluid flow blev kontrolleret ved hjælp af højt tryk og høj temperatur sprøjtepumper. For at opretholde repræsentative in situ forhold i mikro-CT-scanner en kulfiber højtryk mikro-CT coreholder blev brugt. Diffusive CO 2 udveksling på tværs af indespærre ærmet fra pore-rum af klippen til at begrænse væske blev forhindret ved at omgive kernen med en tredobbelt wrap af aluminiumsfolie. Rekonstrueret saltvand kontrast blev modelleret ved hjælp af en polykromatisk røntgenkilde og saltvand sammensætning wsom er valgt for at maksimere trefaset kontrasten mellem de to fluider og rock. Fleksible flow linjer blev anvendt til nedbringelse kræfter på prøven under billedet erhvervelse, hvilket kan forårsage uønsket prøve bevægelse, en stor mangel i tidligere teknikker. En intern termoelement placeret direkte tilstødende til rock core, kombineret med en ekstern fleksibel opvarmning wrap og en PID-regulator blev anvendt til at opretholde en konstant temperatur i strømningscellen. Betydelige mængder af CO 2 blev fanget, med en resterende mætning af 0,203 ± 0,013, og størrelserne af større volumen ganglier adlyde power law distributioner, i overensstemmelse med nedsivning teori.
Introduction
CCS er den proces, hvor CO 2 opfanges fra store punktkilder og opbevares i porøse sten, fortrænger hjemmehørende saltlager således at det forbliver i undergrunden for hundreder til tusinder af år 1. CO 2 ligger i undergrunden som en tæt superkritisk fase (scCO 2), med egenskaber radikalt forskellige fra CO2 ved omgivelsesbetingelser. Der er fire primære mekanismer, som scCO 2 kan immobiliseres i undergrunden: stratigrafiske, opløselighed, mineralsk og resterende trapping. Stratigrafisk fældefangst er, hvor CO 2 holdes under uigennemtrængelige Seal Rocks; opløselighed fældefangst er, hvor CO 2 opløses i beboeren saltlage omgiver injicerede CO2 2-4; mineral trapping er hvor carbonat mineralfaser udfældes i rock 5; og resterende eller kapillært fældefangst er, hvor CO 2 holdes af overfladekræftersom bittesmå dråber (ganglier) i pore-rum af klippen 6. Dette kan ske enten naturligt, ved migration af CO 2 røgfanen 7-9, eller kan induceres ved injektion af chase saltopløsninger 10. For at forstå de processer, der styrer strømmen og fældefangst af denne CO 2 i undergrunden skal gennemføres en ny suite af eksperimenter, udnyttelse af nye teknologiske fremskridt for bedre at forstå den grundlæggende fysik forbundet med multi-fase flow.
Røntgen microtomography har udviklet sig som en teknik i løbet af de seneste 25 år fra begyndelsen af forsøg på at visualisere både tørre geologiske prøver 11 og flere fluidfaser 12 til den primære metode til ikke-invasiv billeddannelse af rock-kerner, både til modellering formål og til eksperimentel implementering 13-15. Fordi microtomography er non-invasiv, det har evnen til at studere systemer repræsentative forhold, hvilket er særligt attractive for CO 2 -brine-rock systemet, da flerfasestrømningen adfærd scCO 2 er stærkt afhængig af termo-fysiske egenskaber, såsom grænsefladespænding og kontaktvinklen, som igen er en stærk funktion af systemets tilstande, såsom temperatur, tryk og saltholdighed 16-18. I et sådant komplekst system, med en så omfattende og dårligt forstået sæt indbyrdes afhængige variable, kan forsøg med idealiserede porestrukturer 19 eller analoge væsker 20,21 ikke anvendelse på flyde processer i undergrunden. Billedbehandling flere væsker på betingelser repræsentant for en potentiel CO 2 injektion dannelse har dog fortsat en udfordring 22. I denne undersøgelse vi skitsere en metode til undersøgelse af flere flydende adfærd på reservoirbetingelser med fokus på undersøgelse af kapillær fældefangst 23,24. Dette vil omfatte udformningen af en imaging strategi, samling af væsken celle, injektionen strategy og efterfølgende billedbehandling.
Den eksperimentelle undersøgelse af pore-skala flerfasestrømning adfærd i reelle Rock systemer fokuserer på billeddannelse af delvist mættede Rock kerner efter både ikke-befugtning fase injektion (dræning) og befugtning fase injektion (opsugning). Disse væsker injiceres ved at forbinde kernerne til væskeinjektion pumper hjælp af fleksible strømningsledninger, mens begrænse kernen ved hjælp af en Hassler-typen coreholder design 25. For med held image in situ arrangement af scCO 2 og saltvand, en ny og meget følsomt forsøgsopstilling blev anvendt, som primært fokuserer på anvendelsen af en høj opløsning røntgenmikroskop 23,24,26. Kravene til udførelse af eksperimenter ved forhøjede temperaturer og tryk er meget strenge, og kræver den seneste udvikling i både materiale teknologi og mikro-CT-faciliteter. De vigtigste krav, der skal opfyldes, er, at enhver kerne / prøveholder skal være able til at modstå højt tryk og høj temperatur (HPHT) betingelser, mens de resterende tilstrækkeligt røntgen transparent at give mulighed for effektiv billeddannelse. Lab instrumenter indføre en yderligere begrænsning, som kernen indehaveren skal være lille nok til, at x-ray source kan placeres tæt til prøven og kan opnås, at tilstrækkeligt store geometriske røntgen forstørrelse, således at porevolumen er effektivt løst. Selv om denne betingelse er blevet lempet noget med indførelsen af sekundære optik i nyere lab-baserede mikro-CT-maskiner, det har ikke været helt fjernet, især hvis der ønskes hurtige indfangningstider, som højere optiske forstørrelser tendens til at øge den tid, der kræves for at erhverve billeder.
Forsøg med opløselige væsker giver en yderligere udfordring ved brug lange erhvervelsestider, som CO 2 vil diffundere gennem polymere dele af den eksperimentelle samling, hvilket reducerer in situ væske mætning. All disse spørgsmål betød, scan gange længere end ca. 2 timer var upraktisk. For at holde scan gange under dette krav, især strenge for lab baserede kilder, skal det centrale indehaveren være omkring 1 cm i diameter. En større coreholder størrelse ville have krævet detektoren at være meget længere fra kilden for at opnå den samme geometriske forstørrelse, hvilket reducerer røntgen flux indfaldende på detektoren og dermed øge krævede projektion eksponeringstider. Flowcellen anvendt i disse eksperimenter var baseret på en traditionel Hassler celle design, bygget op omkring en kulfiber muffe med en sleeve design svarende til den anvendt af Iglauer et al 27, men med to væsentlige ændringer:. 1) carbon fiber komposit anvendes til fremstilling muffen blev ændret fra T700 fibre med en stivhed på 230 GPa, til M55 fibre med en stivhed på 550 GPa. Dette er ikke kun reduceret mængden af prøven bevægelse under tomografi erhvervelse, men også øget den maksimale working trykket af cellen fra 20 MPa til 50 MPa. 2) muffen er forlænget fra 212 mm til 262 mm for at tillade kilden og detektoren at være så tæt på prøven som muligt.
En vigtig eksperimentel mangel i den første undersøgelse at bruge micro-CT at undersøge CO2 ved reservoirbetingelser var brugen af metal linjer til at styre strømmen til og fra kerne-holderen 27. Efterhånden som prøven drejes i forhold til pumperne flydelinierne skal også roteres. Stive flowlinier kan forårsage prøven til at bevæge sig, hvilket reducerer effektiv billedopløsning eller gøre nogle af eller alle datasæt ubrugelig. For at forhindre dette har vi erstattet alle flowlinier tæt på rotation fase med fleksibel polyetheretherketon (PEEK) rør. Disse strømningsledninger var fleksible, hvilket giver meget små laterale kræfter (belastning) til kernen indehaver under erhvervelse. Vi lagde også flowlinier til ventilerne, der er knyttet til prøven fase snarere end at fastgøre flowlinier til coreholder. Dette betød, at alle eksisterende belastning flow-line blev sendt direkte til den fase, i stedet for prøven, hvilket reducerer sandsynligheden for prøve bevægelse. En væsentlig ulempe ved anvendelse af PEEK slangen var, at CO 2 var i stand til langsomt at diffundere gennem det over en tidshorisont på omkring 24 timer. Det betød, at CO2 mættet saltvand tilbage i flydelinierne gradvist ville afmætte.
En anden stor eksperimentel mangel ved tidligere undersøgelser var unøjagtig styring af temperaturen. Dette kan påvirke resultater på en række måder. For det første, temperatur er en stærk kontrol med både grænsefladespænding og kontakt vinkel 16-18. Desuden opløseligheden af både scCO 2 og carbonat sten i saltlage er også meget temperaturafhængig 28. Opløselighed kontrol er kritisk, som når scCO 2 injiceres i en saltopløsning carbonat vandførende lag vil det opløses i hjemmehørende saltvand, danner en meget reaktive kulsyre, hvilket i turn begynde at opløse enhver calcit stede. Enhver unøjagtighed i opløselighed kontrol kan derfor føre til scCO 2 opløsning / exsolution eller fast opløsning / udfældning.
Tidligere undersøgelser 27 anvendes en opvarmet indespærre fluid at opvarme coreholder; men dette var problematisk. Det har de ulemper, der er forbundet med vanskeligheden ved nøjagtigt at opretholde en konstant begrænset tryk ved hjælp af en recirkulerende vandforsyning, der kræver ekstra opvarmning bade for denne levering. Desuden er denne ordning kun opretholder en nøjagtig styring af temperaturen på det sted, varmebadet (ikke ved punktet for kerneholderen og den omsluttende fluid ville afkøles mellem vandbadet og kerneholderen). Det kræver også både en indgang og en udgangsport for den omsluttende fluid, øge antallet af fluidledninger knyttet til coreholder og så stigende strøm line belastning.
I stedet for anvendelse af en opvarmet indespærre fluid, en fleksibel heating kappe blev anvendt til at omgive kerneholderen. Denne meget enkle opvarmning metode resulterede i meget lille coreholder belastning og tilladt for præcis og nøjagtig opvarmning. En ekstremt tynd polyimid opvarmning film blev anvendt, for at minimere prøvestørrelse. Konstruktionen af denne film består af en ætset kobberfolie element 0,0127 mm tyk, indkapslet mellem to lag 0,0508 mm polyimidfilm. De kobber elementer i jakken ikke mærkbart påvirker billedkvaliteten. Temperaturen blev målt ved anvendelse af et termoelement sidder i den omsluttende annulus af cellen. Det blev anbragt på ydersiden af den omsluttende hylster, så tæt som muligt til kernen, hvilket sikrer en nøjagtig, pålidelig og stabil aflæsning af pore-væsketemperaturen. Termoelementet og varme film blev forbundet til en specialbygget Proportional Integral Derivative (PID) controller, og temperaturer blev kontrolleret inden for ± 1 ° C.
For at bevare fuld kontrol ovER opløselighed inter-fase og repræsenterer betingelser er til stede i det vandførende lag langt væk fra injektionsstedet, før injektion af saltvand blev ækvilibreret med scCO 2 ved kraftig blanding af de to væsker sammen med små partikler (1-2 mm) bjergart i en omrørt og opvarmet reaktor. Alle befugtede komponenter i denne reaktor er fremstillet af Hastelloy at minimere korrosion. Reaktoren indeholder en filtreret dykrør at tillade tættere fluidum, der skal ekstraheres fra bunden af reaktoren (saltvand) og mindre tætte fluidum, der skal ekstraheres fra toppen af reaktoren (scCO 2). Højtryksrensere sprøjtepumper blev anvendt til at opretholde trykket og kontrol flow i pore-rum af klippen og i reaktoren med en forskydning nøjagtighed på 25,4 nl. Den eksperimentelle apparat anvendt i denne undersøgelse er vist i figur 1. Den ioniske salt, der anvendes til forsøget, hvorfra de repræsentative resultater blev trukket var kaliumiodid (KI), da det har en høj atomvægt og så enhøj røntgen dæmpningskoefficient, hvilket gør det et effektivt kontrastmiddel. Mindre formildende salte (såsom NaCl) eller blandinger kan anvendes, vil imidlertid større saltholdigheder være forpligtet til at opnå den samme røntgen dæmpning.
Protocol
1. Imaging Strategi Design
- For at forudsige billeddannelse ydeevne forskellige opløst stof valg for den saltlage, beregne x-ray spektrum af de indfaldende røntgenstråler 29-31. Omfatter virkningen af kernen-holder, kernesamling og begrænsende væsker på røntgen spektrum. Et eksempel indfaldende røntgenspektrum anvendelse af en accelerationsspænding på 80 kV og elektron strøm på 87 uA er vist i figur 1.
- Sammenlign dette spektrum til transmission faktorer prøven indeholdende forskellige pore-væsker. Simuler ændringer i transmissionen faktor følge af ændringer i den pore-væske ved hjælp af Lambert-Beers lov, under forudsætning af en effektiv optisk længde af arter inden prøven, og beregnede røntgen dæmpning koefficienter (figur 3) 32. Bestem den samlede transmission faktor ved at integrere for alle hændelser x-ray energier. Et eksempel på de resulterende effektive transmission faktorer for rock MatriX og pore-space materiale, og ændringerne i transmission faktorer i forhold til det tilfælde, hvor pore-rum er fyldt med vakuum kan ses i tabel 1.
- Vælg en saltopløsning opløste og koncentration således, at ændringen i transmission faktor forbundet med saltvand er omtrent halvdelen af ændringen i transmission faktor i forbindelse med den faste. Dette vil maksimere trefaset kontrast i det rekonstruerede billede. Afvej den nødvendige mængde salt (7% (w / w) KI blev anvendt til forsøget, hvorfra de repræsentative resultater blev taget) og kraftigt blandes med deioniseret vand.
- Alternativt, hvis der ønskes en specifik saltvand sammensætning ændre røntgenkilde accelerationsspænding at ændre spektret af de indfaldende røntgenstråler.
2. Montering af udstyr og Cell
- Saml udstyret som vist nedenfor i figur 2. Brug PEEK flowlines at reducere lateral prøve belastning på flowcellen.Test hver forbindelse omhyggeligt for lækager.
- Placer saltlage, sammensætning besluttede under trin 1.1-1.3, i bunden af reaktoren. Wrap fleksibel varmelegeme omkring flowcellen.
- Construct metalende fittings. Tag tråden fra "slutningen af en 1/16" til 1/8 "reducer fitting 1/8. Derefter skæres små riller i overfladen af "enden af fittingen 1/8 til at distribuere den injicerede CO 2 over hele flade af kernen.
- Før højtryks- termoelement gennem metal endedele af mikro-flow-celle og tætning ved hjælp af ¼ "kapper og møtrik, så den varme side af termoelementet sidder der støder op til indløbet flade af kernen, som begrænser ringrummet af cellen.
- Bor ønskede prøven i en kerne 6,5 mm i diameter og 30 mm til 50 mm i længden. Slibe enderne af kernen flad, for at sikre en god forbindelse med metallet endestykker. Wrap denne kerne i aluminiumsfolie derefter placere withina flouro-polymer elastomer ærme.
- Tilslut enderne af elastomer muffe til metalende fittings. Tilføj en wrap af aluminiumsfolie til det ydre af den elastomere bøsning før placere den varme side af termoelementet siden den omsluttende annulus af cellen og tilføje en endelig wrap af aluminiumsfolie. Dette danner kernesamling (figur 4).
- Saml micro-flow-cellen med kernesamling forseglet i det og tilslutte cellen til tidspunkt i mikro-CT kabinet (figur 5) ved hjælp af en klemme monteret på toppen af den roterende CT fase.
3. System Tryksætning
- Luk alle ventiler bortset fra ventilen 1, 2 og 3, som defineret i figur 3. Load CO 2 fra cylinderen ind i pumpen 1 og reaktoren, luk derefter ventil 1. langsomt hæve temperaturen og trykket i reaktoren til at ønskes for pore fluid under eksperimentet.
- Åbn ventil 14 og indlæse begrænse væske i pumpen 3. Luk ventilen 14. Åbn ventiler 12 og 13. pres på den begrænser annulus af cellen til mindst 10% højere end den foreslåede pore-væsketryk.
- Åbn ventilen 11. Load saltlage i pumpe 2. Luk ventil 11 og åbne ventiler 9, 8 og 6.
- Langsomt tryk pore-rum af klippen, indtil den er ved det ønskede tryk pore-fluid, påfyldning pore-rum af prøven med saltopløsning, der ikke er ækvilibreret med scCO 2.
- Åbn ventilen 4. Skyl mere end 1.000 porevolumener ækvilibreret saltvand gennem kernen ved genpåfyldning pumpe 2 ved en konstant strømningshastighed. Porevolumen er fundet ved at gange de centrale volumen med porøsiteten findes ved hjælp af helium porosimetri.
BEMÆRK: Dette vil miscibly forskyde un-ækvilibreret saltvand, sikrer 100% oprindelige saltlage mætning og kreaTing forhold i kernen beslægtet med de underjordiske forhold i et grundvandsmagasin i et punkt lidt foran forsiden af en scCO 2 fane.
4. Fluid Flow og Image Acquisition
- Kør gennem 10 porevolumener (ca. 1 ml) af scCO 2 gennem kernen ved meget lave strømningshastigheder (1,67 × 10 -9 m 3 / sek), hvilket sikrer et lavt kapillær antal omkring 10 -6. Løbende tage 2D fremskrivninger for nøjagtigt at måle den samlede injicerede volumen ved at observere det punkt, hvor scCO 2 forskyder saltlage i pore rum.
- Kør gennem 10 porevolumener (ca. 1 ml) i ligevægt saltvand gennem kernen på samme lave flow, der forårsager scCO 2 at blive fanget som en residual fase i pore-rum.
- Efter trin 4.1 eller 4.2, tage scanninger af prøven til billedet dræning eller opsugning hhv. Brug en voxel sådan størrelse, at hele kernens diameter passer inden for view.
- Rekonstruere de scanninger med et tomografisk genopbygningsprogram. Hvis du vil scanne hele længden af kernen, mens bevare en lille voxel størrelse, rekonstruere sammensatte mængder ved syning sammen flere overlappende sektioner, erhvervede sekventielt.
BEMÆRK: Hvert afsnit kræves omkring 400 fremskrivninger, idet 15-20 min til at erhverve, så scanning af en hel sammensat volumen tog omkring 90 min.
5. Billedbehandling og segmentering
- Påfør en ikke-lokale midler kant bevare filter 33,34 til datasættet og korrigere billederne for enhver stråle hærdning eller blødgørende artefakter skabt under billedet genopbygning ved at modellere disse artefakter som radialt symmetriske Gauss funktioner 35.
- Segment data (drej gråtoner information til en binær repræsentation af CO 2 i billedet) ved anvendelse af et vandskel algoritme med et frø frembragt ved hjælp af en 2D histogram 36, behandling af CO
- Analysere denne segmenterede billede for at finde både det samlede antal CO 2 voxel og også størrelsen af hver tilsluttet klynge af residual CO 2.
Representative Results
Resultaterne for en enkelt carbonat, Ketton kalksten, en oolite fra øverste Lincolnshire Limestone medlem blev analyseret i 3D for at identificere og måle mængden af hver unikke afbrudt ganglion, som derefter blev mærket (figur 6). Al behandling blev udført inden for de Avizo Fire 8,0 og ImageJ programmer 37.
De segmenterede delvist mættede billeder blev analyseret ved at tælle antallet af voxels for residualt fanget scCO 2 for at finde den del af klippen volumen besat af fanget scCO 2 - kapillarrøret trapping kapacitet. Dette kan derefter omdannes til en rest-mætning (S r) ved at dividere denne værdi med porøsitet som den fås fra helium porosimetri. Et betydeligt antal scCO 2 blev fanget som en residual mætning, med en resterende mætning af 0,203 ± 0,013. Dette er enig i de resultater fundet i tidligere undersøgelser ved hjælp af mikro-CT 23. Større kerne omfattende undersøgelser af resterende fældefangst i denne klippe typen viste en lavere residual mætning af 0,137 ± 0,012 38.
Indtrængning af saltvand i en scCO 2 mættet kerne er en opsugning proces, hvor en befugtningsfluidbeholderen (brine) invaderer hver pore, fortrænger ikke befugtning væske (scCO 2). I en stærkt vand-våd klippe forventer vi vand til at udfylde områder af porevolumen i størrelsesorden 39,40, fældefangst afbrudt ganglier i den proces, der kaldes snap-off. Denne proces skal være nedsivning ligesom 41 så forudsigelser kan gøres om størrelsesfordelingen af de isolerede klynger. Antallet n af klynger af volumen s (målt i voxels) bør skalere som, hvor τ er Fisher eksponent 42. Netværk modellering har vist, at værdien af denne eksponent i tredimensionelle kubiske regelmæssige gitre er omkring τ = 2,189 43. En naturlig måde at udvinde denne eksponent fra virkelige dataer at plotte arkiveret lodret mængde, som defineret af Dias og Wilkinson 41.
som skal skalere:
Dette er så afbildet på en log-log plot som funktion af s (figur 7), der viser power-lov adfærd til store ganglier, men en underrepræsentation af mindre ganglier i forhold til magt loven model. Eksponenten blev beregnet ved at udelukke ganglier mindre end 10 5 voxel (ca. begyndelsen af adfærd power-lov) og udførelse af Levenberg-Marquardt regression 44,45 ved hjælp af en mindst absolut resterende robust montering algoritme 46,47. Dette blev udført ved anvendelse af en kommerciel softwarepakke. Fisher eksponent for dette system var 2,287 ± 0,009, clOSE til den teoretiske værdi af 2,189, hvilket indikerer, at opsugning i dette system er faktisk nedsivning lignende. Mere generelt disse resultater bekræfter konklusionerne i større kerne-oversvømmelse eksperimenter 38,48,49 at scCO 2 virker som den ikke-befugtning fase karbonater.
Figur 1. Eksperimentel apparat, der viser pumper, ventiler og reaktor, der anvendes til at styre strømmen og siddepladser i coreholder i mikro-CT kabinet. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 2. Den normaliserede energi spektret for røntgenstråler indfaldende på kernen, fi ltered gennem coreholder, indespærre ærme og begrænse væske. Beregnet ved hjælp SpekCALC 29-31.
Figur 3. De lineære dæmpningskoefficienter af forskellige væsker og rock materialer som en funktion af fotonenergi.
Figur 4. Detalje af kernen samling, der viser en tredobbelt aluminium wrap omkring kernen, forhindrer diffusive CO 2 udveksling på tværs af flouro-elastomer ærme. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
0 / 52440fig5.jpg "/>
Figur 5. Detalje af flow celle, apparater opvarmning og placering af kernen samling i flowcellen. Skal Termoelementet placeres så tæt som muligt på indløbsflade af kernen. Klik her for at se en større udgave af dette tal .
Figur 6. Billede af carbonatet efter dræning og opsugning. (A) en 3D-gengivelse af kernen efter dræning hvor hver ikke-befugtende fase klynge får en anden farve. (BF) En 3D rendering af kernen efter fem opsugning eksperimenter, farvet som beskrevet for (A). Det store udvalg af farver indikerer en dårligt tilsluttet residual fase. (G) Et tværsnit af kernen efter dræning. Den mørkeste fase er scCO 2, den mellemliggende fase er saltvand og letteste fase er rock korn. (H) Et tværsnit af kernen efter opsugning. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 7. Størrelsesfordelingen af den resterende ganglier vist i figur 6.
| Materiale, der udfylder Porøsitet | Vakuum | CO 2 | H2O | H2O - 7 vægt% NaCl | H2O - 7 vægt% KI | Solid (CaCO 3) |
| Transmission Factor | 0.25 | 0,247 | 0.243 | 0,242 | 0,224 | 0,202 |
| Ændring i transmission faktor i forhold til vakuum | N / A | -0,003 | -0,007 | -0,008 | -0,026 | -0,048 |
Tabel 1. Sammendrag af resultater (transmission faktor og ændring i transmission faktor i forhold til vakuum fyldt tilfælde) fra simulering af x-ray optiske egenskaber af klippen og pore-space fyldmateriale afbildes under denne undersøgelse. Hver kolonne repræsenterer et andet materiale fylde pore-rum af klippen i coreholder.
Discussion
De mest kritiske trin for en vellykket afbildning af flerfasede væsker ved forhøjede tryk og temperaturer er: 1) Den vellykkede isolering af pore fluid fra det omgivende indespærre fluid; 2) den effektive ligevægt af væsker og klippe før injektion; 3) effektiv temperaturstyring hele forsøget; og 4) en effektiv opdeling af de resulterende billeder.
Brugen af aluminium wraps er afgørende for en vellykket isolering af pore-væske fra det omgivende begrænse væske som i mangel diffusive udveksling på tværs af ærmet er hurtig, og mætning i kernen ikke forbliver konstant under hele scanningen. Dette problem kan også være indlysende, når væske forbliver i PEEK flowlines i længere tid (> 2 timer) før injektion i kernen i trin 4.1 og 4.2. Endnu en gang, CO 2 diffusivt udvekslinger på tværs af plast, hvilket får saltlage til afmætte. Hvis demættet saltvand injiceres i kernen, vil mætning i kernen falde som resterende klynger opløses ved den injicerede saltopløsning.
Andre metoder til ækvilibrering af fluider og klipper, herunder fluid recirkulation 50, er blevet foreslået i litteraturen. Disse metoder øger kompleksiteten af forsøgsopstillingen, hvilket igen ville have øget den tid for hvert forsøg, som ville have til gengæld øget sandsynligheden for, at saltlage i flow linjer ville have diffusivt desaturerede.
Effektive temperatur er vigtig, og tilstedeværelsen af et termoelement i den omsluttende ringrum flowcellen er kritisk for dette. Temperaturen måles kun på et enkelt punkt, hvilket betyder, at der kan være nogle gradient over prøven, hvilket fører til opløselighed ubalance og opløsning eller exsolution. Dette kan minimeres ved at placere den varme side af termoelementet så tæt som muligt til tHan indgang ansigt af rock kerne.
Den effektive segmentering af de resulterende billeder kan være en reel udfordring med disse systemer, som den segmentering af billeder, der indeholder en delvis mætning af flere væsker er betydeligt mere udfordrende, at segmenteringen af tørre billeder, så brugen af simple grå-skala universal tærskling er utilstrækkelig 51. Anvendelsen af vandskel segmentering ikke blot giver de mest pålidelige resultater sammenlignet med andre algoritmer i litteraturen, men er også den mest effektive til at behandle ring og delvis volumen artefakter 35.
En af de mest væsentlige begrænsninger ved denne teknik er, at den kun kan få adgang til makro- pore plads af en klippe. Mikroporøsiteten (på skalaer mindre end billedopløsningen) forbliver utilgængelig og kan være vigtig for flerfasestrømning. Højere opløsninger viser en større del af disse dele af porevolumen, men også svarer til et fald i the synsfelt. Anvendeligheden af teknikken til en bestemt sten type kunne løses ved at sammenligne scanningsopløsningen til pore halsen størrelsesfordelingen opnået ved anvendelse af uafhængig metode, såsom kviksølv injektion kapillartryk.
Denne metode er en førende teknik til pore skala billeddannelse af flere væsker ved reservoirbetingelser i realistiske systemer, med eksisterende applikationer, herunder et indlæg sammenlignende undersøgelse af kapillær fange 24 og måling af kontaktvinklen 26, og fremgangsmåden er let anvendelig til en lang række porøse systemer. Det fremtidige arbejde kunne studere på pore skala, en bred vifte af enkelt fase og flerfasestrømning i porøse medier problemer betingelser repræsentative for underjordiske grundvandsmagasiner, olie- og gasfelter og andre dybe geologiske systemer.
Acknowledgments
Vi takker for støtte fra Qatar Karbonater og kulstoflagring Forskningscenter (QCCSRC), forudsat fællesskab af Qatar Petroleum, Shell og Qatar Science & Technology Park. Vi anerkender også midler fra Imperial College Consortium på Pore-Scale Modelling.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| High Pressure Syringe Pump | Teledyne ISCO | 1000D | |
| Parr Reactor | Parr Instrument Company | 4547A - hastelloy | |
| PEEK Tubing | Kinesis | 1560xL | |
| Potassium Iodide Salt | Sigma Aldrich | 30315-1KG | |
| Carbon Dioxide | BOC | CO2 - size E | |
| Thermocouple | Omega Engineering | KMTSS-IM300U-150 | |
| Kapton Flexible Heater | Omega Engineering | KH-112/10-P | |
| X-Ray Microscope | Zeiss | Versa XRM 500 | |
| Snoop Leak Detector | Swagelok | MS-SNOOP-8OZ | |
| Flouro-Elastomer Polymer (Viton) Sleeve | Fisher Scientific | 11572583 | |
| Micro-CT Coreholder | Airborne Composites | 262mm Coreholder | Constructed in conjunction with Imperial College |
| Tomographic program | Zeiss | XM-Reconstructor | |
| ImageJ - image processing | NIH | ImageJ | |
| Matlab | Mathworks | Matlab | Used for regression analysis |
| Avizo | FEI | Avizo |
References
- Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage. , Cambridge, U.K. (2005).
- Ennis-King, J., Paterson, L. Engineering aspects of geological sequestration of carbon dioxide. SPE 77809, Proceedings of the Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition. , (2002).
- Weir, G. J., White, S. P., Kissling, W. M. Reservoir storage and containment of greenhouse gases. Transport in Porous Media. 23 (1), 61-82 (1996).
- Lindeberg, E., Wessel-Berg, D. Vertical convection in an aquifer column under a gas cap of CO2. Energy Conversion & Management. 38, 229-234 (1997).
- Lin, H., Fujii, T., Takisawa, R., Takahashi, T., Hashida, T. Experimental evaluation of interactions in supercritical CO2/water/rock minerals system under geologic CO2 sequestration conditions. Journal of Materials Science. 43 (7), 2307-2315 (2007).
- Juanes, R., Spiteri, E. J., Orr, F. M. Jr, Blunt, M. J. Impact of relative permeability hysteresis on geological CO2 storage. Water Resources Research. 42 (12), (2006).
- Hesse, M., Orr, F. M. Jr, Tchelepi, H. A. Gravity Currents with Residual trapping. Journal of Fluid Mechanics. 661, 35-60 (2008).
- MacMinn, C., Szulczewski, M. L., Juanes, R. CO2 migration in saline aquifers. Part 1. Capillary trapping under slope and groundwater flow. Journal of Fluid Mechanics. 662, 329-351 (2010).
- MacMinn, C., Szulczewski, M. L., Juanes, R. CO2 migration in saline aquifers. Part 2. Capillary and solubility trapping. Journal of Fluid Mechanics. 688, 321-351 (2011).
- Qi, R., LaForce, T. C., Blunt, M. J. Design of carbon dioxide storage in aquifers. International Journal of Greenhouse Gas Control. 3 (2), 195-205 (2009).
- Flannery, B. P., Deckman, H. W., Roberge, W. G., D'Amico, K. L. Three-Dimensional X-Ray Microtomography. Science. 237 (4821), 1439-1444 (1987).
- Jatsi, J. K., Jesion, G., Feldkamp, L. Microscopic Imaging of Porous Media with X-Ray Computer Tomography. SPE 20495. SPE Formation Evaluation. , 189-193 (1993).
- Blunt, M. J., et al. Pore-scale imaging and modelling. Advances in Water Resources. 51, 197-216 (2013).
- Cnudde, V., Boone, M. N. High-resolution X-ray computed tomography in geosciences: A review of the current technology and applications. Earth-Science Reviews. 123, 1-17 (2013).
- Wildenschild, D., Sheppard, A. P. X-ray imaging and analysis techniques for quantifying pore-scale structure and processes in subsurface porous medium systems. Advances in Water Resources. 51, 217-246 (2013).
- Espinoza, D. N., Santamarina, J. C. Water-CO2-mineral systems: Interfacial tension, contact angle, and diffusion-Implications to CO2 geological storage. Water Resources Research. 46 (7), (2010).
- Li, X., Boek, E., Maitland, G., Trusler, J. P. M. Interfacial Tension of (Brines + CO2): (0.864 NaCl+0.136 KCl) at Temperatures between (298 and 448) K, Pressures between (2 and 50) MPa, and Total Molalities of (1 to 5) mol/kg. Journal of Chemical and Engineering Data. 57 (4), 1078-1088 (2012).
- Spiteri, E. J., Juanes, R., Blunt, M. J., Orr, F. M. Jr A New Model of Trapping and Relative Permeability Hysteresis for All Wettability Characteristics. SPE Journal. 13 (3), 277-288 (2008).
- Chaudhary, K., et al. Pore-scale trapping of supercritical CO2 and the role of grain wettability and shape. Geophysical Research Letters. 40, 1-5 (2013).
- Karpyn, Z. T., Piri, M., Singh, G. Experimental investigation of trapped oil clusters in a water-wet bead pack using X-ray microtomography. Water Resources Research. 46 (4), (2010).
- Wildenschild, D., Armstrong, R. T., Herring, A. L., Young, I. M., Carey, J. W. Exploring capillary trapping efficiency as a function of interfacial tension, viscosity, and flow rate. Energy Procedia. 4, 4945-4952 (2011).
- Silin, D., Tomutsa, L., Benson, S. M., Patzek, T. W. Microtomography and Pore-Scale Modeling of Two-Phase Fluid Distribution. Transport in Porous Media. 86, 495-515 (2011).
- Andrew, M. G., Bijeljic, B., Blunt, M. J. Pore-scale imaging of geological carbon dioxide storage under in situ conditions. Geophysical Research Letters. 40 (15), 3915-3918 (2013).
- Andrew, M. G., Bijeljic, B., Blunt, M. J. Pore-scale imaging of trapped supercritical carbon dioxide in sandstones and carbonates. International Journal of Greenhouse Gas Control. 22, 1-14 (2014).
- Method and Apparatus for Permeability Measurements. US Patent. Hassler, G. L. , 2,345,935 (1944).
- Andrew, M. G., Bijeljic, B., Blunt, M. J. Pore-scale contact angle measurements at reservoir conditions using X-Ray microtomography. Advances in Water Resources. 68, 24-31 (2014).
- Iglauer, S., Paluszny, A., Pentland, C. H., Blunt, M. J. Residual CO2 imaged with x-ray micro-tomography. Geophysical Research Letters. 38, (2011).
- Carroll, J. J., Slupsky, J. D., Mather, A. E. The Solubility of Carbon Dioxide in Water at Low Pressure. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 20 (6), (1991).
- Poludniowski, G. Calculation of x-ray spectra emerging from an x-ray tube. Part II. X-ray production and filtration in x-ray targets. Medical Physics. 34 (2175), (2007).
- Poludniowski, G., Evans, P. M. Calculation of x-ray spectra emerging from an x-ray tube. Part I. Electron penetration characteristics in x-ray targets. Medical Physics. 34 (2161), (2007).
- Poludniowski, G., Landry, G., DeBlois, F., Evans, P. M., Verhaegen, F. SpekCalc: a program to calculate photon spectra from tungsten anode x-ray tubes. Physics in Medicine and Biology. 57 (19), (2009).
- Berger, M. J., et al. XCOM: Photon Cross Section Database (version 1.5). National Institute of Standards and Technology. , Gaithersburg, MD. (2007).
- Buades, A., Coll, B., Morel, J. -M. A non-local algorithm for image denoising. Computer Vision and Pattern Recognition. , (2005).
- Buades, A., Coll, B., Morel, J. -M. Nonlocal Image and Movie Denoising. International Journal of Computer Vision. 76 (2), 123-139 (2008).
- Schluter, S., Sheppard, A. P., Brown, K., Wildenschild, D. Image processing of multiphase images obtained via X-ray microtomography: A review. Water Resources Research. 50 (4), 3615-3639 (2014).
- Jones, A. C., et al. Assessment of bone ingrowth into porous biomaterials using MICRO-CT. Imaging Techniques for Biomaterials Characterization. 28 (15), 2491-2504 (2007).
- Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9, 671-675 (2012).
- El-Maghraby, R. Measurements of CO2 trapping in Carbonate and Sandstone Rocks. , Imperial College, London. (2013).
- Roof, J. G. Snap-Off of Oil Droplets in Water-Wet Pores. SPE Journal. 10 (1), 85-90 (1970).
- Lenormand, R., Zarcone, C., Sarr, A. Mechanisms of the displacement of one fluid by another in a network of capillary ducts. Journal of Fluid Mechanics. 135, 337-353 (1983).
- Dias, M. M., Wilkinson, D. Percolation with trapping. Journal of Physics A: Mathematical and General. 19, 3131-3146 (1986).
- Fisher, M. E. The theory of equilibrium critical phenomena. Reports on Progress in Physics. 30 (2), 615 (1967).
- Lorenz, C. D., Ziff, R. M. Precise determination of the bond percolation thresholds and finite-size scaling corrections for the sc, fcc and bcc lattices. Physical Review E. 57 (1), 230-236 (1998).
- Levenberg, K. A method for the solution of certain non-linear problems in least squares. Quarterly Journal of Applied Mathmatics. 2, 164-168 (1944).
- Marquardt, D. W. An Algorithm for Least-Squares Estimation of Nonlinear Parameters. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics. 11 (2), 431-441 (1963).
- Holland, P. W., Welsch, R. E. Robust regression using iteratively reweighted least-squares. Communications in Statistics - Theory and Methods. 6 (9), 813-827 (1977).
- Huber, P. J. Robust Statistics. , John Wiley & Sons, Inc. New York, NY. (1981).
- Akbarabadi, M., Piri, M. Relative permeability hysteresis and capillary trapping characteristics of supercritical CO2/brine systems: An experimental study at reservoir conditions. Advances in Water Resources. 52, 190-206 (2013).
- Pentland, C. H., El-Maghraby, R., Iglauer, S., Blunt, M. J. Measurements of the capillary trapping of super-critical carbon dioxide in Berea sandstone. Geophysical Research Letters. 38, 4 (2011).
- El-Maghraby, R. M., Blunt, M. J. Residual CO2 Trapping in Indiana Limestone. Environmental Science and Technology. 47 (1), 227-233 (2013).
- Sheppard, A. P., Sok, R. M., Averdunk, H. Techniques for image enhancement and segmentation of tomographic images of porous materials. Physica A. 339 (1-2), 145-151 (2004).
