Abstract
Röntgen microtomography användes bilden, med en upplösning på 6,6 ^ m, den por-skala arrangemanget av resterande koldioxid ganglierna i por-utrymmet av en karbonat vagga vid tryck och temperaturer representativt för typiska formationer används för CO 2 lagring. Kemisk jämvikt mellan CO2, saltlake och bergfaserna bibehölls med hjälp av en högtrycksreaktor hög temperatur, replikerar förhållanden långt bort från injektionsstället. Vätskeflödet styrs med hjälp högtrycks hög temperatur sprutpumpar. För att bibehålla representativa in situ förhållandena inom mikro-CT-scannern en kolfiber högtrycks mikro-CT coreholder användes. Diffusiv CO2 utbyte över begränsande hylsan från por-utrymmet av berget till begränsande vätskan hindrades genom att omge kärnan med en trippel wrap aluminiumfolie. Rekonstruerade saltlösning kontrast modellerades med hjälp av en polykromatisk röntgenkälla, och saltvatten sammansättning wsom valts för att maximera tre faskontrast mellan de båda vätskorna och berget. Flexibla flödeslinjer användes för att minska krafterna på prov under bilden förvärvet, vilket kan orsaka oönskat prov rörelse, en stor brist i tidigare tekniker. En intern termoelement, placeras i direkt anslutning till borrkärnor, i kombination med en yttre flexibel uppvärmning wrap och en PID-regulator användes för att bibehålla en konstant temperatur i flödescellen. Betydande mängder av CO2 var instängda, med en återstående mättnad av 0,203 ± 0,013, och storleken på större volymer ganglierna lyda power law fördelningar, som överensstämmer med perkolationsteori.
Introduction
Carbon Capture and Storage är den process där CO2 fångas från stora punktkällor och lagras i porös sten, förflytta bosatta saltlösningar så att det förblir under ytan för hundratals till tusentals år ett. CO 2 befinner sig i ytan som en tät superkritisk fas (scCO 2), med egenskaper radikalt olika till CO2 vid omgivande betingelser. Det finns fyra huvudsakliga mekanismer genom vilka scCO 2 kan immobiliserade under ytan: stratigrafisk, löslighet, mineral och rest fångst. Stratigrafisk svällning är där CO2 hålls under ogenomträngliga Seal Rocks; löslighet svällning är där CO2 löser sig den bofasta saltvatten som omger den injicerade CO2 2-4; mineral svällning är där karbonatmineralfaser fälls i berget 5; och rest eller kapillär svällning är där CO2 hålls av ytkraftersom små droppar (ganglier) i por-utrymmet av berget 6. Detta kan ske antingen naturligt, genom migration av CO2 plymen 7-9, eller kan induceras genom injektion av jakten saltlösningar 10. För att förstå de processer som styr flödet och fångst av denna CO2 under ytan en ny svit av experiment måste genomföras, utnyttja nya framsteg inom teknik för att bättre förstå den grundläggande fysiken i samband med fler fas flöde.
Röntgen microtomography har utvecklats som en teknik under de senaste 25 åren från tidiga försök att visualisera både torra geologiska prover 11 och flera vätskefaser 12 till den primära metoden för icke-invasiv avbildning av bergkärnor, både för modelleringsändamål och för experimentell genomförande 13-15. Eftersom microtomography är icke-invasiv, har den förmågan att studera system på representativa förhållanden, vilket är särskilt attractive för CO2 -brine-rock-systemet, som flerfasströmning beteende scCO 2 är starkt beroende av termofysikaliska egenskaper, såsom gränsytespänning och kontaktvinkel, vilket i sin tur en stark funktion av systemförhållanden som temperatur, tryck och salthalt 16-18. I ett sådant komplext system, med en så omfattande och dåligt förstådd uppsättning inter beroende variabler, kan experiment med idealise porstrukturer 19 eller analoga vätskor 20,21 inte tillämpas flöda processer i jordytan. Imaging flera vätskor vid förhållanden som är representativa för en blivande CO2 injektion bildningen har dock förblivit en utmaning 22. I denna studie beskriva vi en metod för undersökning av multivätske beteende vid reservoarförhållanden, med fokus på granskning av kapillär fånga 23,24. Detta kommer att omfatta utarbetandet av en avbildande strategi, montering av vätske cellen, injektions strategy och efterföljande bildbehandling.
Den experimentella undersökning av por-skalan flerfasströmning beteende i reala bergsystem fokuserar på avbildning av delvis mättade bergkärnor efter både icke-vätning fas injektion (dränering) och vätning fas injektion (uppsugning). Dessa vätskor injiceras genom att ansluta kärnorna till vätskeinsprutningspumpar med flexibla flödeslinjer, medan begränsa kärn använder en Hassler-typ coreholder utformning 25. För att framgångsrikt bild in situ arrangemang av scCO 2 och saltlösning, en roman och högkänslig experimentuppställning användes, främst med fokus på användningen av en högupplöst röntgenmikroskop 23,24,26. Kraven för att utföra experiment vid förhöjda temperaturer och tryck är mycket stränga och kräver den senaste utvecklingen i både material teknik och mikro CT anläggningar. De viktigaste kraven som måste uppfyllas är att varje kärna / provhållaren måste vara able att tåla högtrycks hög temperatur (HPHT) förhållanden samtidigt som den är tillräckligt röntgen transparent för att möjliggöra en effektiv bildbehandling. Lab-baserade instrument innebära en ytterligare begränsning, som kärnan-innehavaren måste vara tillräckligt liten så att röntgenkällan kan placeras nära provet och att tillräckligt stor geometriska röntgen förstoring kan uppnås så att porutrymmet är effektivt löst. Även om denna begränsning har varit avslappnad något med införandet av sekundära optik i nyare lab-baserade mikro CT-maskiner, det har inte varit helt bort, speciellt om snabba hämtningstider önskas, eftersom högre optiska förstoringar tenderar att öka den tid som krävs för att förvärva bilder.
Experiment med lösliga vätskor ger en extra utmaning när man använder långa hämtningstider, eftersom CO2 kommer diffundera genom de polymera delarna av den experimentella montering, vilket minskar in-situ vätskemättnad. ENll dessa frågor innebar att skannings gånger längre än cirka 2 tim var opraktiskt. För att hålla skannings gånger under detta krav, särskilt stränga för lab baserade källor, måste kärnhållaren vara runt 1 cm i diameter. En större coreholder storlek skulle ha krävt detektorn att vara mycket längre bort från källan för att uppnå samma geometriska förstoringen, reducera röntgen flussmedel som infaller på detektorn och därför ökar erforderliga projektionsexponeringstider. Cellflödet i dessa experiment baserades på en traditionell Hassler celldesign, byggd runt en kolfiber hylsa, med en hylsa konstruktion liknande den som användes av Iglauer et al 27, men med två viktiga förändringar:. 1) Den kolfiberkomposit används i hylsan tillverkningen ändrades från T700 fibrer, med en styvhet på 230 GPa, till M55 fibrer, med en styvhet på 550 GPa. Detta minskade inte bara den mängd prov rörelse under tomografi förvärv, men också ökade den maximala working tryck av cellen från 20 MPa till 50 MPa. 2) Hylsan har långsträckt från 212 mm till 262 mm för att låta källan och detektorn att vara så nära provet som möjligt.
En stor experimentell brist i den första studien att använda mikro-CT för att undersöka CO2 vid reservoarförhållanden var användningen av metall linjer för att styra flödet till och från kärnhållaren 27. Då provet roteras i förhållande till pumparna, de flödeslinjer måste också roteras. Styva flödeslinjer kan orsaka provet att röra sig, vilket minskar effektiv bildupplösning eller göra en del eller alla av datasatsen oanvändbar. För att förhindra detta har vi ersatt alla flödeslinjer nära rotationssteget med flexibel polyetereterketon (PEEK) slang. Dessa flödeslinjer var flexibla, ger mycket små sidokrafter (belastning) till kärnhållaren under förvärvet. Vi fäste också flödeslinjerna till ventiler anslutna till provsteget, snarare än att fästa de flödeslinjer till coreholder. Detta innebar att varje existerande flödeslinjelast sändes direkt till scenen, snarare än till provet, vilket minskar sannolikheten för provets rörelse. En stor nackdel med att använda PEEK-slang var att CO2 kunde långsamt diffundera genom den, över en tidsskala på ca 24 h. Detta innebar att CO2 mättad saltlösning kvar i flödet linjer successivt skulle avmätta.
En annan stor experimentell brist i tidigare studier var felaktig reglering av temperaturen. Detta kan påverka resultaten på ett antal sätt. För det första är temperaturen en stark kontroll på både gränsytspänning och kontaktvinkel 16-18. Dessutom är lösligheten av både scCO 2 och karbonat vagga i saltlake också mycket temperaturberoende 28. Löslighet kontroll är kritisk, eftersom när scCO 2 injiceras i en saltlösning karbonat akvifer det kommer att lösas upp i den bofasta saltlösning, bildar en mycket reaktiv kolsyra, vilket i turn börjar lösa upp eventuella kalcit närvarande. Varje felaktighet i kontroll löslighet kan därför leda till scCO 2 upplösning / exsolution eller fast upplösning / nederbörd.
Tidigare studier 27 använde en uppvärmd begränsa vätska att värma coreholder; detta var dock problematisk. Det har nackdelarna med svårigheten att exakt upprätthålla en konstant begränsande tryck med hjälp av en återcirkulerande vatten, kräver högre uppvärmnings bad för detta tillhandahållande. Dessutom har endast detta system upprätthåller en noggrann reglering av temperaturen vid punkten för värmebadet (inte vid punkten för stomhållaren, och den innestängande fluiden skulle kyla mellan vattenbadet och stomhållaren). Det kräver också både ett inlopp och en utloppsöppning för den innestängande vätska, öka antalet fluidledningar anslutna till coreholder och så ökande flödeslinjelast.
Istället för att använda en uppvärmd begränsa fluidum, en flexibel Värmningsng jacka användes för att omge stomhållaren. Detta mycket enkla uppvärmningsmetod resulterade i mycket liten coreholder belastning, och tillät för exakt och noggrann uppvärmning. En extremt tunn polyimid uppvärmning film användes, för att minimera provstorlek. Byggandet av denna film består av en etsad kopparfolieelement 0,0127 mm tjock, inkapslad mellan två lager av 0,0508 mm polyimidfilm. Koppar ämnen i jackan inte märkbart påverkar bildkvaliteten. Temperaturen mättes med användning av ett termoelement som sitter i den inneslutande ringen av cellen. Det var placerad på utsidan av den inneslutande hylsan, så nära som möjligt till kärnan, vilket säkerställer en korrekt, tillförlitlig och stabil avläsning av por-vätsketemperaturen. Den termoelement och värmefilm anslöts till en specialbyggd Proportionell Integral Derivative (PID) regulator, och temperaturerna kontrollerades inom ± 1 ° C.
För att bibehålla fullständig kontroll over mellan fas löslighet, och representerar villkor som finns i akvifären långt från injektionsstället, före injektion av saltlake jämviktades med scCO 2 genom kraftig blandning av de två vätskorna tillsammans med små partiklar (1-2 mm) av berget i en omrörd och upphettad reaktor. Alla våta komponenter inom denna reaktor är gjorda av Hastelloy att minimera korrosion. Reaktorn innehåller en filtrerad stigrör för att möjliggöra tätare fluid som skall extraheras från basen av reaktorn (saltlösning) och mindre tät fluid som skall extraheras från toppen av reaktorn (scCO 2). Sprutpumpar Högtrycks användes för att upprätthålla trycket och flödeskontroll i por-utrymmet av berget och i reaktorn, med en förskjutningsnoggrannhet av 25,4 nl. Den experimentella apparatur som används i denna studie visas i figur 1. Den joniska saltet användes för experimentet från vilken de representativa resultat drogs var kaliumjodid (Kl), eftersom det har en hög atomvikt och så enhög röntgendämpningskoefficient, vilket gör det ett effektivt kontrastmedel. Mindre förmildrande salter (t.ex. NaCl) eller blandningar kan användas, skulle dock större salthalter krävas för att uppnå samma röntgendämpning.
Protocol
1. Imaging Strategi Design
- För att förutsäga avbildnings prestanda för olika lösta val för saltlösning, beräkna röntgenspektrum av de infallande röntgenstrålarna 29-31. Inkludera effekterna av kärnhållaren, kärnaggregat och begränsande vätskor på röntgen spektrumet. Ett exempel infallröntgenspektrum med användning av en accelerationsspänning av 80 kV och elektronström av 87 uA visas i figur 1.
- Jämför detta spektrum de faktorer av provet som innehåller olika por-transmissionsvätskor. Simulera förändringar i transmissionsfaktorn på grund av förändringar i por-vätskan med hjälp av Lambert-Beers lag, förutsatt en effektiv optisk längd av arten inom provet, och beräknade röntgen dämpningskoefficienter (Figur 3) 32. Bestäm den totala överföringsfaktorn genom att integrera över alla incidentröntgenenergier. Ett exempel på de erhållna effektiva överföringsfaktorer för sten MATRIx och por-space material, och förändringarna i överföringsfaktorer i förhållande till fallet när por-utrymmet är fyllt med vakuum kan ses i tabell 1.
- Välj en saltlösning löst ämne och koncentration sådan att förändringen i transmissionsfaktor associerad med saltlösning är ungefär hälften för förändringar i transmissionsfaktor associerad med den fasta substansen. Detta kommer att maximera tre faskontrast i den återskapade bilden. Väg upp den erforderliga mängden av salt (7% (vikt / vikt) KI användes för experimentet från vilken de representativa resultaten togs) och kraftfullt blanda med avjoniserat vatten.
- Alternativt, om en specifik saltlösning komposition önskas, ändra röntgenkällan accelerationsspänningen för att ändra spektrumet för de infallande röntgenstrålar.
2. Montering av utrustning och Cell
- Montera utrustningen som visas nedan i Figur 2. Använd PEEK flowlines att minska sidokraft prov på flödescellen.Testa varje anslutning noggrant för eventuella vätskeläckage.
- Placera saltlake, sammansättning beslutade under stegen 1.1-1.3, i botten av reaktorn. Linda flexibla värmare runt flödescellen.
- Konstruera metall ändbeslag. Ta bort tråden från 1/8 "slutet på en 1/16" till 1/8 "reducerings montering. Skär sedan små skåror i ansiktet på 1/8 "i slutet av passande att distribuera den injicerade CO2 över hela ansiktet av kärnan.
- Passera termo högt tryck genom metall änddelarna av cellmikroflöde och tätningen med ¼ "skoningar och mutter, så det varma lödstället hos termoelementet sitter intill inloppssidan av kärnan, inom inneslutande ring av cellen.
- Borra önskade provet i en kärna 6,5 mm i diameter och 30 mm till 50 mm i längd. Slipa ner ändarna på kärnan platt, för att säkerställa en god förbindelse med metall ändstyckena. Linda denna kärna i aluminiumfolie och placera withina fluor-polymer elastomer hylsa.
- Anslut ändarna på elastomerhylsan till metall ändbeslag. Lägg en annan lindning av aluminiumfolie till utsidan av elastomerhylsan innan den släpps ut varma lödstället hos termoelementet intill den begränsande ringen av cellen och lägga till en slutlig sammanfattning av aluminiumfolie. Detta bildar kärnaggregatet (figur 4).
- Montera mikroflödescell med kärnaggregatet tätas inom den och ansluter cellen till scenen inom mikro-CT-kapsling (Figur 5) med användning av en klämma monterad ovanpå rotations CT steget.
3. Systemtrycksättning
- Stäng alla ventiler förutom ventil 1, 2 och 3, såsom visas i figur 3. Last CO 2 från cylindern in i pumpen 1 och reaktorn, sedan stänga ventilen 1. långsamt höja temperaturen och trycket inuti reaktorn till den som önskas för pore vätska under experimentet.
- Öppna ventil 14 och ladda begränsa vätska i pumpen 3. Stäng ventil 14. Öppna ventilerna 12 och 13. Tryck den begränsande ringen av cellen till minst 10% högre än det föreslagna por-vätsketryck.
- Öppna ventil 11. Lastsaltlake i pump 2. Stäng ventil 11 och öppna ventilerna 9, 8 och 6.
- Pålufta pore-utrymmet av berget tills den är i den önskade por-fluidtryck, fyllning av por-utrymmet av provet med saltlösning som inte har bringats i jämvikt med scCO 2.
- Öppna ventil 4. Spola mer än 1000 porvolymer av ekvilibrerad saltlösning genom kärnan genom påfyllning pump 2 vid en konstant flödeshastighet. Porvolym hittas genom att multiplicera kärnvolymen av porositet hittas med hjälp av helium porosimetry.
OBS: Detta kommer miscibly förskjuta un jämvikt saltlake, vilket garanterar 100% initial saltlake mättnad och creaTing förhållanden i kärnan besläktad med under ytan förhållandena i en akvifär vid en punkt något före den framför en scCO 2 plym.
4. Vätskeflöde och Image Acquisition
- Passera genom 10 porvolymer (ca 1 ml) av scCO 2 genom kärnan vid mycket låga flödeshastigheter (1,67 x 10 -9 m 3 / s), vilket garanterar en låg kapillärtal av omkring 10 -6. Ständigt ta 2D projektioner för att noggrant mäta den totala injicerade volymen genom att observera punkten när scCO 2 förskjuter saltlake i porutrymmet.
- Passera genom 10 porvolymer (ca 1 ml) av ekvilibrerad saltlösning genom kärnan på samma låga flödeshastighet, vilket orsakar scCO 2 att fastna som ett rest fas i por-utrymmet.
- Efter steg 4.1 eller 4.2, ta skannar av provet till bild dränering eller uppsugning resp. Använd en voxel storlek så att hela diametern för kärnan passar inom området view.
- Rekonstruera skannar med en tomografisk återuppbyggnadsprogram. För att skanna hela längden av kärnan medan behålla en liten voxel storlek, rekonstruera sammansatta volymer genom att sy ihop flera överlappande delar, förvärvade sekventiellt.
OBS: Varje sektion krävs omkring 400 projektioner, tar 15-20 min att förvärva, så scanning av en hel sammansatt volym tog ca 90 min.
5. Bildbehandling och segmentering
- Applicera en icke-lokala medel kanten bevara filtret 33,34 till dataset och korrigera bilderna för någon stråle härdning eller mjukgörande artefakter som skapats under bildrekonstruktion genom att modellera dessa artefakter som radiellt symmetriska Gaussfunktioner 35.
- Segment data (vrid gråskala informationen till en binär representation av CO2 i bilden) med hjälp av en vattendelare algoritm med ett frö som genereras med hjälp av en 2D-histogram 36, behandla CO
- Analysera denna segmente bilden för att hitta både det totala antalet CO 2 voxlar och även storleken på varje ansluten kluster av rest CO2.
Representative Results
Resultaten för en enda karbonat, Ketton kalksten, en oolite från övre Lincolnshire Kalksten Medlem analyserades i 3D för att identifiera och mäta volymen för varje unik kopplad ganglion, som sedan märktes (Figur 6). All bearbetning utfördes inom Avizo Fire 8.0 och ImageJ program 37.
De segmenterade partiellt mättade bilder analyserades genom att räkna antalet voxlar av residualt fångade scCO 2 för att hitta den del av bergvolymen som upptas av instängd scCO 2 - kapillären infångningskapaciteten. Detta kan sedan omvandlas till en rest mättnad (S r) genom att dividera detta värde med den porositet som erhålles med användning av helium porosimetri. Betydande scCO 2 blev instängda som en rest mättnad, med en återstående mättnad av 0,203 ± 0,013. Detta överensstämmer med resultaten i tidigare studier med mikro-CT 23. Större kärn skala studier av rest fångst i denna bergart visade en lägre rest mättnad av 0,137 ± 0,012 38.
Den inträngande saltvatten i en scCO 2 mättad kärna är en insug process där en vätning vätska (saltlösning) invaderar varje por, förskjuta icke vätning vätska (scCO 2). I en starkt vatten våt sten förväntar vi vattnet för att fylla delar av porutrymmet i storleksordning 39,40, fånga kopplad ganglierna i processen kallas snap-off. Denna process bör vara perkolation som 41 så förutsägelser kan göras om storleksfördelningen av de isolerade kluster. Antalet n av kluster av volym s (mätt i voxlar) bör skala som, där τ är Fisher exponenten 42. Nätmodellering har visat att i tredimensionella kubiska regelbundna gitter värdet av denna exponent är cirka τ = 2.189 43. Ett naturligt sätt att utvinna denna exponent från verkliga uppgifterär att rita den arkiveras kvantiteten, enligt definitionen i Dias och Wilkinson 41.
vilket bör skala som:
Detta är sedan plottas på en log-log plot som funktion av s (figur 7), visar power-lag beteende för stora ganglier, men en underrepresentation av mindre ganglierna jämfört med kraften lagen modellen. Exponenten beräknades genom att utesluta ganglier mindre än 10 5 voxlar (ungefär början av power-lag beteende) och utföra Levenberg-Marquardt regression 44,45 med hjälp av en minst absolut rest robust montering algoritm 46,47. Detta utfördes med användning av ett kommersiellt mjukvarupaket. Fisher exponent för det här systemet var 2.287 ± 0,009, close till det teoretiska värdet av 2,189, vilket indikerar att uppsugning i detta system är faktiskt perkolering liknande. Mer allmänt är dessa resultat bekräftar slutsatser i större core-översvämningsexperiment 38,48,49 som scCO 2 fungerar som icke vätande fas i karbonater.
Figur 1. Experimentell apparatur, som visar pumpar, ventiler och reaktor som används för att styra flödet och sittplatser för coreholder inom mikro CT kapsling. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Den normaliserade energispektrum för röntgenstrålar infaller på kärnan, fi ltered genom coreholder, begränsa hylsa och begränsa vätska. Beräknat med SpekCALC 29-31.
Figur 3. De linjära dämpningskoefficienter av olika fluider och klippmaterial som en funktion av fotonenergi.
Figur 4. Detalj av kärnaggregatet, som visar en trippel aluminium wrap runt kärnan, förhindrar diffusiv CO2 utbyte över fluor-elastomerhylsa. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
0 / 52440fig5.jpg "/>
Figur 5. Detalj av flödescellen, apparater uppvärmning och lokaliseringen av kärnaggregatet i flödescellen. Termoelementet skall placeras så nära som möjligt till inloppssidan av kärnan. Klicka här för att se en större version av denna siffra .
Figur 6. Bild av karbonat efter dränering och uppsugning. (A) En 3D-rendering av kärnan efter dränering där varje icke vätande fasen kluster ges en annan färg. (BF) En 3D-rendering av kärnan efter fem insugning experiment, färgat som beskrivits för (A). Det stora utbudet av färger indikerar en dåligt ansluten rest fas. (G) Ett tvärsnitt av kärnan efter dränering. Den mörkaste fasen är scCO 2, mellanfasen är saltvatten och den lättaste fasen är rock spannmål. (H) Ett tvärsnitt av kärnan efter uppsugning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7. Storleken av rest ganglierna som visas i figur 6.
| Material Fyllning Porositet | Vakuum | CO 2 | H2O | H 2 O - 7 vikt% NaCl | H 2 O - 7 vikt-% Kl | Fast (CaCO 3) |
| Transmission Factor | 0,25 | 0,247 | 0,243 | 0,242 | 0,224 | 0,202 |
| Förändring av transmissionsfaktor i förhållande till vakuum | N / A | -0,003 | -0,007 | -0,008 | -0,026 | -0,048 |
Tabell 1. Sammanfattning av resultaten (överföringsfaktor och förändring i transmissionsfaktor i förhållande till vakuumfyllda fallet) från simulering av röntgen optiska egenskaper hos berget och por-space fyllnadsmaterial avbildas under denna studie. Varje kolumn representerar ett annat material fylla por-utrymmet i berg inom coreholder.
Discussion
De mest kritiska stegen för framgångsrik avbildning av flerfasiga fluider vid förhöjda tryck och temperaturer är: 1) Den framgångsrika isoleringen av poren fluid från den omgivande inneslutande fluid; 2) den effektiva jämvikts av vätskor och berg före injektion; 3) effektiv temperaturkontroll under hela experimentet; och 4) den effektiva segmentering av de resulterande bilderna.
Användningen av aluminium wraps är avgörande för en framgångsrik isolering av por-vätska från den omgivande begränsande vätskan som i sin frånvaro diffusiv utbyte över hylsan är snabb, och mättnad i kärnan inte förblir konstant under hela skanningen. Detta problem kan också vara uppenbart när vätska kvar i PEEK flowlines för längre perioder (> 2 tim) före injektion i kärnan i steg 4.1 och 4.2. Än en gång, CO 2 diffust utbyte över plasten, orsakar saltlake för att avmätta. Om denna demättad saltlösning injiceras i kärnan, kommer mättnad i kärnan minska återstods kluster löses genom den injicerade saltlösning.
Andra metoder för utjämning av vätskor och stenar, inklusive vätskecirkulations 50, har föreslagits i litteraturen. Dessa metoder ökar komplexiteten i experimentuppställning, vilket i sin tur skulle ha ökat den tid för varje experiment, vilket skulle ha i sin tur ökade sannolikheten för att saltvatten i flödeslinjer diffust skulle ha desaturated.
Effektiv temperaturkontroll är nödvändig, och närvaron av ett termoelement inom inneslutande ring av flödescellen är kritisk för detta. Temperatur mäts endast på en enda punkt, vilket innebär att det kan finnas en viss lutning över provet, vilket leder till obalans löslighet och upplösning eller exsolution. Detta kan minimeras genom att lokalisera den varma lödstället hos termoelementet så nära som möjligt till tHan inlopp ansikte av bergkärnan.
Den effektiva segmentering av de resulterande bilderna kan vara en riktig utmaning med dessa system, eftersom segmentering av bilder som innehåller en partiell mättnad av flera vätskor är betydligt mer utmanande att segmentering av torra bilder, så användningen av enkla gråskala universella tröskel är otillräcklig 51. Användningen av vattendelare segmente inte bara ger den mest tillförlitliga resultat, jämfört med andra algoritmer i litteraturen, men är också det mest effektiva på att hantera ring och partiell volym artefakter 35.
En av de mest signifikanta begränsningar med denna teknik är att den endast kan komma åt makro porutrymmet i en klippa. Den mikroporositet (skalor mindre än bildens upplösning) förblir oåtkomlig, och kan vara viktig för flerfasströmning. Högre upplösning avslöjar en större andel av dessa delar av porutrymmet, men också motsvarar en minskning i the synfält. Huruvida tekniken till en viss bergart kan åtgärdas genom att jämföra skanningsupplösningen till por halsen storleksfördelning erhålls med användning oberoende metod såsom kvicksilverinsprutnings kapillär tryck.
Denna metod är en ledande teknik för por-skalan avbildning av flera vätskor vid reservoarförhållanden i realistiska system, med befintliga program, inklusive ett kors jämförande studie av kapillär fånga 24 och mätning av kontaktvinkel 26, och metoden är lätt tillämpas på en stort utbud av porösa system. Framtida arbete kunde studera vid pore skala, ett brett utbud av enfas och flerfasströmning i porösa medier problem vid betingelser representativa för underjordiska akviferer, olje- och gasfält och andra djupa geologiska system.
Acknowledgments
Vi tackar finansiering från Qatar Karbonater och Carbon Storage Research Centre (QCCSRC), förutsatt gemensamt av Qatar Petroleum, Shell, och Qatar Science & Technology Park. Vi erkänner också finansiering från 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).
