Summary
Синхротронное быстрая томография используется для динамического изображения растворения известняка в присутствии СО 2 -насыщенным рассола в пластовых условиях. 100 разверток были приняты при разрешении 6,1 мкм в течение периода 2 ч.
Abstract
Подземные неизменность хранения является серьезной проблемой для улавливания и хранения углерода. Насосное CO 2 в карбонатных коллекторах имеет потенциал для растворения геологическими уплотнений и позволяют CO 2 , чтобы избежать. Однако процессы растворения при пластовых условиях плохо изучены. Таким образом, времяразрешенные эксперименты необходимы для наблюдения и прогнозировать характер и скорость растворения в масштабе пор. Синхротронное быстрая томография является методом принятия с временным разрешением изображения с высоким разрешением сложных структур пор гораздо быстрее, чем традиционные мю-CT. Алмазный Lightsource Розовый Луч был использован для динамического изображения растворения известняка в присутствии СО 2 -насыщенным рассола в пластовых условиях. 100 разверток были приняты при разрешении 6,1 мкм в течение периода 2-х часов. Изображения были сегментирован и пористость и проницаемость измеряли с помощью анализа изображений и извлечения сети. Пористость равномерно увеличена вдоль lengtч образца; Тем не менее, скорость увеличения как пористость и проницаемость замедлилось в последующие моменты времени.
Introduction
Одной из основных проблем улавливания и хранения углерода (CCS) является долгосрочная безопасность хранения 1, 2. Двуокись углерода, СО 2, вводят в подповерхностных растворится в принимающем рассола и образует угольную кислоту 3, 4, 5. Этот кислый рассол имеет потенциал , чтобы взаимодействовать с и растворять окружающую породу, особенно если вмещающая порода известняк 6. Растворение может быть благоприятным и допустить продолжение образования проницаемости 7 и более постоянству 8 хранения. Тем не менее, целостность геологическая уплотнение может быть поставлена под угрозу этим растворения и позволяют CO 2 мигрировать к поверхности 9. Точная прогнозное моделирование постоянства хранения, таким образом, зависит от полного понимания растворения в соляной раствор-порода и распределения искорость движения жидкости в геологической среде 10, 11, 12.
Тем не менее, характер и скорость растворения карбонатов зависит как от свойств рассола 13, 14, 15, 16 и вмещающей породы 17. Скорости растворения также сильно зависит от температуры и давления рассола 6, что делает разработку экспериментальных методик для измерения сложных нестационарных процессов на представительных пластовых условиях жизненно важных.
Предыдущие эксперименты обнаружили , что поле масштаба скорости реакции , как правило , на порядок ниже , чем экспериментальных измерений реактор периодического действия 18, 19. Выветривание, минеральные гетерогенныхности, и неполное смешивание в области гетерогенного потока являются возможные объяснения этого явления. Тем не менее, это не представляется возможным оценить наиболее значимые факторы, без непосредственного наблюдения формирующейся порового пространства во время реакции. Таким образом, динамические эксперименты пор масштаба должны предоставить оба понимание взаимосвязи между транспортом и реакции и подтверждения прогнозных моделей.
Создан экспериментальный метод для изучения пор масштабных процессов в системах хранения углерода является рентгеновская микротомография (μCT) 20, 21. μ-CT имеет ряд преимуществ: он достигает высокого пространственного разрешения от примерно до 1 мкм, она является неинвазивным, и обеспечивает трехмерные изображения. Растворение Известняк был изучен в ядре (~ см) шкале 22 , и было обнаружено , что реакция рок-рассол повышает физическую гетерогенность. Для того, чтобы способствовать пониманию того, как различные тransport и условия реакции изменяют сложные твердые и пористые структуры, необходимо измерить реакции индуцированных изменений в поры пространства геометрии, топологии и потока в горных системах подповерхностных при температурах и давлениях пласта и при более высоком разрешении, чтобы детально исследовать pore- масштабные процессы. В данной статье описан способ изучения реактивных процессов растворения в горных породах со сложными пористыми структурами , и сосредоточиться на измерении времени и пространственно - зависимую скорость реакции между СО 2 -acidified рассолом и скалы известняка в пластовых условиях.
Там было несколько исследований, которые смотрели на реакции в сложных карбонатов 23, 24, 25, 26, 27, но из - за экспериментальных или изображений ограничений они были либо ограниченные к до и после реакции изображения или не были завершенына репрезентативных условиях подповерхностных. Менке и др. 28 выполнил динамический месте визуализации реакции между СО 2 -acidified рассола и Ketton известняка в масштабе пор в течение нескольких часов и при температуре и давлении , представителя водоносного горизонта на расстоянии около 1 км в глубину. Однако Ketton является относительно однородная порода с крупными зернами, которые легко изображения в очень короткое время (~ 17 мин) и с несколькими выступами (~ 400). Большинство карбонатных пород имеют сложные пористые структуры, которые требуют большого количества выступов для точного решения, которые могут быть интенсивный процесс очень много времени с использованием традиционных мю-КТ - либо с помощью монохроматического пучка на синхротронного источника или с стендовых рентгеновских сканеров. Таким образом, быстрый метод томографии необходимо, чтобы увидеть реакции индуцированных изменений в гетерогенных карбонатов динамически.
Количество времени, необходимое для изображения образец находится под контролем потока-гое источник рентгеновского излучения. Один из методов сканирования быстро заключается в использовании полихроматического пучка синхротронного источника 20. Это так называемый «Розовый Луч» обеспечивает порядка более интенсивного света, чем стендовых источников, и поэтому изображения могут быть приняты на десятки-оф-секунды, а не час временных масштабах. Ондулятор, который состоит из периодической структуры дипольных магнитов производит розовый луч. Электронный пучок вынужден пройти колебания, как она проходит через магниты и, как следствие, излучает энергию. Энергия, образующаяся концентрируют сужать диапазоны длин волн, и очень интенсивно. Зеркала и фильтры затем используются для сужения спектра света в соответствии с экспериментальным требованиям. Зеркала поглощают спектр высоких энергий в то время как фильтры поглощают более низкие энергии. Таким образом, можно сузить спектр до нужной полосы излучения с использованием только этих инструментов.
Однако, используя этот интенсивный поток рентгеновских лучей не обходится без проблем.с более низкой энергией рентгеновские лучи спектра Розовый Луч поглощается образцом в виде тепла. Это может повлиять на контроль температуры устройства на месте в и вызвать CO 2 к exsolve из раствора 20. CO 2 -насыщенным рассол очень чувствителен к тепла и давления и , следовательно , небольшое изменение в тепловом равновесии может существенно изменить рН жидкости на месте 5 в. Таким образом, конструкция и элементы управления для рентгеновского спектра должны быть включены в линию оборудования штанги перед изображениями.
Быстрая томография также производит огромное количество данных с высокой скоростью. Ограничения данных, считанных из камеры и последующего хранения обеспечивают существенную технологическую проблему. Некоторые из них преодолеть эту проблему путем принятия нескольких последовательных сканирований и хранить их в памяти камеры, прежде чем читать их с внешними серверами баз данных. Тем не менее, это требует, чтобы эксперимент быть отношений ТипыVely короткой памяти камеры может содержать только конечный объем данных. Биннинг данные на камере также сокращает время передачи данных, поскольку она уменьшает объем данных, которым нужно быть передана, но у него есть потенциал для снижения качества изображения. В качестве альтернативы, данные могут быть переданы от камеры после каждого сканирования перед началом следующего, что увеличит общее время между проверками. Это исследование использовало последний метод с каждым захвата изображения, принимая ~ 45 секунд и данные, считанные с принимать дополнительные ~ 30 с.
При проведении сканирования с высокой скоростью передачи, этап дискретизации должна вращаться намного быстрее, чем при использовании традиционного сканирования и, следовательно, потенциальное угловое напряжение на кернодержатель велика. Углеродные волокна, в то время как рентгеновская прозрачный, гибкий при стрессе. Если может произойти выборочные перемещается во время захвата изображений размытости изображения. Основной держатель втулки был разработан, чтобы быть как можно более коротким, чтобы смягчить эти потенциальные стрессы. Кроме того, гибкие полиэтилена,эр эфир кетон (PEEK) трубка использовалась на всех элементов экспериментальной установки близко к сцене, так что сцена была свободно вращаться. Одним из недостатков использования PEEK трубок является то , что она является проницаемой для CO 2 на диффузионных временных рамок. Жидкость, проживающих в линиях в течение длительного времени постепенно становятся ненасыщенный в течение примерно 24 ч. Все линии , которые не были рядом с кернодержателе были изготовлены из нержавеющей стали , и жидкость предварительно уравновешивали в сильно перемешивавшихся реактор Hastelloy нагревается и под давлением в условиях эксперимента 23, 29, 30.
Экспериментальный аппарат изображен на фиг.1. Водохранилище температура поддерживается в кернодержателе, обернув внешнюю часть рукава в прозрачной нагревательной ленты рентгеновского и вставки термопары через радиальный порт клетки и в ограничивающей жидкость. Пропорциональная Интегральная Dзатем erivative (ПИД) регулятор регулируется температуру с точностью до 1 ° С. Давления и расхода условия поддерживают с помощью трех шприцевые насосы высокого давления, которые с точностью до скорости потока 0,001 мл / мин. Две соли использовались для эксперимента, сильно поглощающим 25% мас KI нереагирующем рассола и низким поглощающим 1% вес KCl, 5% вес NaCl реактивным рассола. Различие в ослаблении сделал это легко увидеть прибытие реактивной рассола в ядре делает мертвые расчеты объема ненужной.
Protocol
1. Стратегия визуализации дизайна
- Расчет спектров рентгеновского излучения в пучкового на самом высоком розовой энергии пучка и потока для того, чтобы предсказать качество изображения с помощью экспериментальной кривой настройки и измерения передачи фильтра. Примером рентгеновских спектров алмазной Lightsource I13-2 'Pink' Beam показан на рисунке 2.
- В качестве низшей энергии рентгеновские лучи вызывают нагрев образца и не добавляют в отличие от изображения, отфильтровать нижнюю часть спектра рентгеновского излучения таким образом, что только самые высокие энергии рентгеновские лучи используются в визуализации образца. Выбор в линейных фильтров , которые абсорбируют материалов в желаемых низких длин волн света , подходящего для источника света путем расчета теоретической передачи фильтра на доступных длин волн света , 31, 32. При этом использовать алюминий и золото для линии пучка на источнике света.
- Используйте полосовой фильтр, состоящий из COMBINAции рентгеновских фильтров как высоких частот и рентгеновского зеркала, работающих вблизи критического угла как фильтр нижних частот. В этом случае рекомендуется использовать набор алюминиевых фильтров 0,2 мм пиролитического углерода и 0,2 мм, а также для зеркала полосы платины покрытием под углом падения 1,15 мрад. Зеркало отражает только свет, представленные ниже, были установлены 2 мм Al и 0,1 мкм Au 30 кэВ и дополнительные встроенные фильтры, которые имеют пики поглощения при 13 и 22 кэВ соответственно для фильтрации больше чем меньше энергии рентгеновских лучей. На рисунке 3 изображен аппарат пучкового формирования изображения.
- Выберите сцинтиллятор, который сверкает в изобилии на beamlines доступных частот света и потока. В этом случае экран сцинтилляционный изготовлена из 250 мкм толщиной кадмия вольфрамата (CdWO 4), которая устанавливается с 750 мкм толщиной свинца вольфрамата (PbWO 4). Затем выберите объектив и камеру, которые имеют соответствующее поле зрения и привязки временного разрешения для experimental требования. В этом случае пара 1.25x объектив с апертурой 0,04 с ЦУП EDGE 5.5 CMOS камеры и используется для захвата 4-мм поле зрения с частотой кадров 0,001 с.
- Выберите '' flyscan метод для получения изображения, как этот метод вращения ступени уменьшает вибрацию образца. Традиционное приобретение требует, чтобы стадия остановки на каждом угловом приращения, возьмите проекцию, а затем перейти к следующему углу. Получения изображения во время этих динамических томографии было сделано с 'flyscan', который принимает томографию как этап движется и принимает угловое приращение таким образом, что разность между каждой последовательной проекцией мала. 'Flyscan' метод устраняет небольшие вибрационные эффекты движения пуско-стоп и обеспечивает более высокое качество изображения быстрее.
2. Монтаж оборудования и мобильный
- Загрузите ядро в ячейку в рамках подготовки к основным затоплению.
- Во- первых, оберните сердцевину в один слой из алюминиевой фольги и вставьте в рукава (например, витон) (рисунок 4).
- Обрежьте втулку до размера таким образом, чтобы она составляет 2 мм короче, чем суммарная длина сердечника и внутренних концевых соединительных элементов. Концевые фитинги 1/16 "национальной трубной резьбой (NPT) с профсоюзными фитингов, которые были механической обработкой до 5 мм в диаметре внешнего, а втулка 4 мм внутреннего диаметра.
- Растянуть втулку на 5 мм концевых фитингов, чтобы создать герметичное уплотнение. Убедитесь, что не существует какой-либо пространство между концевыми фитингами и сердечника, чтобы гарантировать, что ограничивающее давление не более сжать втулку и отщипывайте поток.
- Обертка фитинги и муфты в двух дополнительных слоев алюминия и для предотвращения газообразного СО 2 из диффундировать в удерживающей жидкость и удерживать втулку на месте на фитингах и предотвратить гидравлический путь от соединения с ограничительным и поровой жидкости.
- Поместите ядро Holдер вместе, сдвинув трубку и уплотнения на место и уплотнения торцевые заглушки концевые фитинги и путем замены болтов.
- Сканирование ядро в перекрывающихся секций около 4 мм в ширину и длину. Калибровка сканирования время экспозиции, чтобы среднее значение подсчета около 15 000, что обеспечивает высокое отношение сигнал-шум без чрезмерного насыщения сцинтиллятор. Возьмите каждую сухую проверку по крайней мере 2400 проекций для поддержания фазового контраста и четкость краев.
- Возьмите плоские и темные образы сцинтиллятора, так что любое повреждение и внешний шум может быть учтено в процессе реконструкции. Возьмите квартир, перемещая кернодержателе из поля зренияи принимая образ только сцинтиллятора с пучком на. Возьмите Dark-ов, используя тот же метод с лучом прочь.
3. Система Герметизация
- Нагрузка на 1% хлорида калия (вес KCl) Хлорид 5% мас натрия (NaCl) , насыщенным раствором соли в разобранном реакторе путем заливки жидкости через верхнюю часть реактора.
- Добавить порошкообразный камень карбонат для достижения желаемого рассола кислотности. В этом случае не добавляли карбонат.
- Сборку реактора путем затяжки болтов и rewrapping его с нагревательной ленты и вставки датчика температуры в верхней части.
- Нагрузка CO 2 в топливный насос высокого давления путем открытия клапана 1 (V1 на рисунке 1).
- Закройте клапан 1 и давление топливного насоса высокого давления до 100 бар.
- Откройте клапан 2 затопить реактор с СО 2. Высокая температура реактора до 50 ° C с использованием ПИД-контролируемая система отопления завернуть в сочетании с датчиком температуры и конрывно перемешивают с уноса мешалкой с приводом от внешнего электродвигателя. Равновесие рассол с CO 2 при 10 МПа и 50 ° С в течение от 2 до 6 ч , чтобы гарантировать , что рассол полностью насыщены CO 2 и карбонат полностью растворяется.
- Перед подключением кернодержателе, полностью очистить систему от воздуха и возможных осадителей в линиях от предыдущих экспериментов. Для этого необходимо подключить линии выше и ниже кернодержателе обойти кернодержателе (U1 и U2).
- Нагрузка деионизованной (DI) воды в приемный насос через клапан 11 путем установки приемного насоса для пополнения счета.
- Открытые клапаны 7, 4 и 3 и использование приема насоса на режим постоянного давления для привода DI воды в обратном направлении через систему и из клапана 3 под реактором. Используйте приблизительно десять томов системы для обеспечения линии ясны воздуха и промыть чистой.
- Очищать принимающий насосомй затем загрузить рассол 25% вес KI в приемную насоса через клапан 11 и DI воды нагрузки в удерживающем насоса через клапан 10.
- Закройте клапан 10 и открытые клапаны 8 и 6. С помощью удерживающего насос, чтобы ограничить ядро на 2 МПа.
- Закройте клапан 11 и герметизировать приема насоса до 10 бар.
- Открытые клапаны 9, 7, 4, и 3 и использовать результирующие перепад давления для привода KI, легированного рассола через керн.
- Шаг до ограничивающей и пор давление постепенно, пока не будет установлен разумный расход. Привод около двух полных томов системы рассола через сердцевину и слейте жидкость через клапан 3 под реактором. Таким образом, весь воздух удаляется из системы, а ядро наводнен с высоким контрастом рассола, что делает приход нелегированного реактивного рассола легко наблюдать.
- Закройте клапан 3 и постепенно увеличивать и ограничившись пор, пока давление ядро не ограничивается на уровне 12 МПа и поровое давление 10 МПа. переключательна ПИД-регулятора, чтобы довести ядро до 50 ° С.
- Прекратить принимающую насос, закройте клапан 3 и открытый клапан 5 в основании реактора для подключения системы реактора в сердцевине.
4. Поток жидкости и Image Acquisition
- Сосредоточьте середины сердечника в поле зрения и принимать 2-D проекции непрерывно ядро затопляется отслеживать ход заливка. Возьмите 2-D проекции путем поворота на розовый луч и с помощью камеры для съемки изображений без вращения сцены. Начиная с 2-D проекции перед тем реактивной инъекции жидкости дает ясный перед тем рассола изображение, которое будет позже по сравнению с последующими рассола заполнен изображениями.
- Установите приемный насос для пополнения при желаемой скорости потока , таким образом , вытягивая жидкость из реактора через керн в требуемых услови х потока, оставляя топливный насос высокого давления , чтобы регулировать давление со стороны переднего конца.
- Монитор проекции 2-Dизменения в затухании, сигнализирующих приход реактивного солевого раствора. При поступлении реактивная рассол, передача ядра будет увеличиваться, и 2-D проекции будет значительно ярче, как более свет попадает на сцинтиллятор и легированный рассол замещается высоко проницаем для рентгеновских лучей реактивной жидкости. Если нет разницы затухание между реактивной и омической солевым раствором, затем, в зависимости от спектра пучка линии, перезапуском эксперимент из шага 2.1 с более высокой концентрацией соли KI или с использованием другого сильнопоглощающие соли может потребоваться.
- Остановить 2-D сканирования и 3-D, принимали последовательно томографии так быстро, как устройство формирования изображения позволяет. Используйте около 1000 прогнозов на сканирование. Сканирование ядро, используя только 180 ° вращения (в отличие от традиционного 360 °). При использовании меньшего количества градусов вращения уменьшает соотношение сигнал-шум, он быстрее и помогает избежать растяжения и спутывание потока и электрических линий. Возьмите 3-D сканирование, пока eithэр лимит времени достигается или ядро выглядит достаточно растворяется, что существует непосредственная опасность внутреннего структурного коллапса (и, таким образом, вызывая потерю как давление удерживающего и в будущем весь основной сухой данных сканирования).
- После того, как последнее сканирование берется, разгерметизирует систему эффективно , чтобы избежать реакции ядро дальше.
- Первая остановка приемного насоса. Тогда закрывающий клапан 5, соединяющий реактор с остальной частью системы.
- Шаг давление в системе вниз с помощью ограничивающей и приема насосов сохраняя около 1 МПа больше давления на ограничивающей жидкости.
- После того, как в пределах 1 МПа атмосферного давления достигается, откройте ограничивающей и приема насосов с помощью клапанов 10 и 11 и работать в режиме постоянного потока, чтобы слить оставшуюся жидкость.
- Выключите контроллер PID и открыть 4-полосная объединение (U2) в верхней части держателя сердечника, чтобы освободить оставшуюся давление в системе.
- Медленно ослабить удерживающего линиюпри ловле избыток DI удерживающего воду с впитывающей бумагой. Закройте клапаны 6 и 7 и разъединение объединение 1 и линии электропередач.
- Ослабить зажим этапа и снимите держатель сердечника со сцены.
- Осторожно снимите сборку сердечника из держателя сердечника, а затем отсоедините рукав от внутренних концевых соединительных элементов. Не удалить сердцевину из рукава, так как это может повредить хрупкую реагировала ядро. Поместите рукав покрытый сердечник в стакане полной ДИ воды, чтобы разбавить любой потенциально реактивную рассол и прекратить все реакции.
- Сушат весь сердечник в C духовке 60 ° в течение не менее 12 часов. Тогда перемонтировать ядро на сцене с помощью монтажа традиционного образца, а также просмотреть его снова в том же разрешении и прогнозов в качестве исходного сухого сканирования.
Обработка 5. Изображение
- Откорректируйте Восстановленные изображения для любого упрочнения луча, связанный с использованием полихроматического луча в предположении, что любое воздействует радиально SYMМетрика Gaussian функции 33.
- Фильтр изображений с помощью краевую сохраняющих фильтра , такие как нелокализованными средства для увеличения сигнала к шуму 34, 35 (см Дополнительный файл ).
- Сегмент сухие сканировать изображения с использованием переломным сегментации 36 алгоритма и определить семена , как рок и пустоты (см Дополнительный файл ).
- Возьмите первый образ ядра с реактивным рассола и регистрируют каждое последующее изображение к первому изображению и ресэмплировать его с помощью метода передискретизации Ланцош 37 с первым изображением в качестве эталона. Поскольку реакция продолжается, как правило, размытие краев, водораздел сегментации на изображениях недостаточно для точной сегментации.
- Вычтите каждый реагировал основной образ с первого изображения, чтобы получить разностное изображение. Сегмент разностные изображения в изменении, и никаких изменений. Регистрация сегментированный сухой сканирование до первой реактивной сканирования , а затем вычесть сегментированного изменения из сегментированного сухого сканирования для достижения сегментирован реагировала изображения 38.
6. Моделирование
- Используйте бинаризуется изображения в качестве входных данных в либо потока прямой Навье-Стокса решатель 39, 40, или модель извлечения сети 41 (Рисунок 8) , чтобы охарактеризовать изменения проницаемости и обеспечивают физическую способность проникновения в суть динамики растворения.
Representative Results
Реакцию изображался между кальцитом и небуферизованном SCCO 2 насыщенным раствором соли в 4 мм в диаметре 1,2 см длиной Портланд карбонат сердцевины 42. Портленд карбоната является относительно чистым (<99%) кальцит Оолит со сложной гетерогенной пористой структурой 43. Низкие энергетические рентгеновские лучи были отфильтрованы при прохождении пучка через 2 мм Al и 0,1 мкм Au. CdWO 4 сцинтиллятор с 1.25x объектива и EDGE камеры PCO использовались в сборке детектора. Сухие сканы были приобретены с 4000 проекций в то время как динамические сканирование было 1000 проекций каждый. Общее время приобретения составила ~ 1 минута 15 секунд на сканирование с ~ 100 сканирований, принятые в течение 2-х часов.
Реконструкция и артефакт удаление было завершено с помощью патентованного программного обеспечения Алмазный Lightsource. Каждое изображение состоит из 2000 3 вокселей, WHIч затем Binned для увеличения сигнала к шуму , что приводит к изображению 1000 3 вокселей при разрешении 6,1 мкм (рисунок 5). Изображения были затем обработаны с использованием модулей обработки изображений в Avizo 8.1 и программы ImageJ (см Дополнительный файл). Каждое изображение требуется примерно 12 часов центрального процессора и 3 GPU часов обработки на компьютере с процессором 3,0 ГГц и GPU Tesla K20C.
Сегментированные изображения были проанализированы как временные ряды для изменения пористости путем подсчета количества вокселей пор и рок. Во время растворения пористость возрастает со временем (рис 6). Визуальный осмотр сегментированных изображений (рисунок 7) показывает наличие канала в направлении потока. Когда пористость на графике как функцию от времени и расстояния от образца на входе ясно , что канал образован в первый час , а затем расширен в качестве эксперимента продолжается (F igure 8).
Сегментированные изображения были затем использованы в качестве входных данных в модели извлечения сети для анализа изменений проницаемости (рисунок 9). Было установлено, что произошло резкое увеличение проницаемости в течение начального часа, но затем проницаемость стабилизировалась на более позднее время.
Рисунок 1. на месте экспериментального устройства в. СО 2 под давлением с помощью топливного насоса высокого давления и используется для уравновешивания рассол в реакторе. Реактивная рассола протягивается через узла сердечника приемной насоса. Клетка удерживается деионизированной водой в удерживающем насоса и нагреванию с использованием нагревательной ленты контролируемой с помощью термопары в удерживающей жидкость. Экспериментальная система соединена вместе с использованием трубки и поток жидкости направляется с помощью вентилей (V) и объединения (U).пс: //www.jove.com/files/ftp_upload/53763/53763fig1large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2. Рентгеновские спектры розового луча Алмаз Lightsource I-13I рассчитывалась как с использованием экспериментальной кривой настройки и теоретическое зеркальное отражение и передачи фильтра. Зеркала поглощают энергию выше 30 кэВ; Al и Au фильтры поглощают энергию ниже 13 и 22 кэВ соответственно. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3. Устройство формирования изображения луча линии. Листы Al и Au фильтр розовый луч, а остальные рентгеновские лучи попадают йсборка сердечника е. Часть рентгеновского излучения, поглощаемая образцом в то время как остальные проходят через образец и ударил сцинтиллятор, который флуоресцирует в видимой области спектра. Этот видимый свет затем фокусируется объективом на ПЗС, который переводит этот свет в пиксельного цифрового изображения, когда значение интенсивности пикселей является функцией количества рентгеновских лучей, поглощаемых сцинтиллятором. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4. сборка сердечника внутри держателя сердечника. ПЭЭК трубка прикреплена к внутренней наконечниками и резьбой через торцевые колпачки стали. Сердечник заворачивают в алюминиевую фольгу и вставляется в рукав. Рукав затем натянутой на концевых соединительных элементах, чтобы создать водонепроницаемое С.Е.Al и два дополнительных слоев алюминиевой фольги добавляют, чтобы держать все на месте и предотвратить диффузию газа. Термопара крепится к внешней стороне узла сердечника с наружным слоем липкой алюминиевой фольги. Рисунок редактировался Менке и др. 42. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 5. 2-D срез восстановленного изображения до (а) и после (б) растворения. Более светлые области являются зерновые и темные участки имеют пор. Расплывчатости по краям границы зерен / пор можно увидеть в прореагировавшей части порового пространства (б). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 6. Пористость график со временем. Пористость растет линейно с небольшим уменьшением наклона во второй час растворения. Рисунок редактировался Менке и др. 42. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 7. 3-D визуализация изменения пористости на 60 - й минуте эксперимента, где зеленый представляет наибольшее изменение пористости и красный по меньшей мере. Четкое пористый канал, созданный с помощью текучих сред твердыми частицами химической реакции наблюдается в центре ядра, где растворение наибольшей. Рисунок редактировался Менке и др."Xref"> 42. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 8. Профили пористости в зависимости от расстояния от входного образца. Пористость однородна вдоль оси растворения, но скорость растворения меняется в зависимости от времени. Рисунок редактировался Менке и др. 42. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 9. (А) экстракция сеть выполнена на сегментированных изображениях показан на 60 минут, показываябольшие поры пространства (шары) и их соединения (трубы). (В) Вычисленное проницаемость приводит к увеличению с течением времени с резким повышением от 40 до 60 минут , как широкий канал растворения устанавливается. Рисунок редактировался Менке и др. 42. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Discussion
Наиболее важные шаги для динамической визуализации реакции в гетерогенных пористыми структурами, в пластовых условиях являются: 1) точное регулирование температуры ячейки внутри розового луча; 2) успешное ядро стабильности держатель на сцене быстро движущейся; 3) эффективные методы обработки и хранения данных; и 4) эффективное сегментирование с временным разрешением изображений.
Регулирование температуры имеет важное значение для состояния резервуара визуализации с использованием Pink Beam. Если температура поднимается выше температуры реактора, СО 2 будет exsolve в поровом пространстве и как изменить рН рассола и создают ганглии сверхкритического CO 2 в поровом пространстве , что может изменить характер растворения 44. Использование фильтров для поглощения более низкой энергии рентгеновских лучей, имеет решающее значение для удаления этого дополнительного напряжения температуры, которая позволяет термопарой и нагрев обертка для эффективного контроля температуры снаружи. Тем не менее, фильтры опуститьобщая пропускная способность энергии пучка и, таким образом, следует использовать с осторожностью, чтобы не значительно увеличить общее время захвата. Кроме того, тип и толщина фильтра должна быть адаптирована к конкретным энергетическим длин волн и пропускной способности линии пучка.
Держатель сердечника подвергается вращательных и вибрационных напряжений, возникающих при приобретении томографа, которые могут привести к рукав из углеродного волокна, чтобы пожать друг другу во время вращения сцены и размытия проекции. Чтобы минимизировать этот потенциал, кернодержатель выполнен в виде короткого 6 см рукав для использования в синхротронов. Этот рукав не был бы благоприятным для использования с настольной сканеров, а концевые фитинги стали бы препятствовать минимизацию расстояния исходного образца и геометрического увеличения. Тем не менее, с параллельным источником света это не относится.
Каждый томографическое сканирование взятый в серии может иметь размер более 20 Гб это означает, что серия 100 сканирований будет 2 ТБ в размере. При съемке много сканирования подряд очень Квайckly как пропускная способность прибора и варианты хранения обеспечивают существенные проблемы в управлении данными. Устройство экспериментальной визуализации должны быть разработаны с учетом этих ограничений в виду, таким образом, чтобы в полной мере реализовать динамический потенциал визуализации быстрой томографии. узкие места передачи данных должны быть определены до начала эксперимента и технологической инфраструктуры адаптированы таким образом, что такие вопросы, как камера считывать скорость, пропускную способность передачи данных и скорость записи для хранения не тормозят скорость сбора потенциал.
Эффективная сегментация с временным разрешением изображений растворения обеспечивает вызов. Когда сканирование томографическое принято в изменяющейся системе края твердой и жидкой границы может стать размытым. Эта размытость делает традиционные методы сегментации, такие как водораздел, который работает на предположении, что границы будут регионы с наибольшим градиентом ослабления, гораздо менее успешным. Чтобы обойти это, разница изображение unreacTed и подвергают взаимодействию изображения вычисляется, который обеспечивает изображение только областей изменения. Этот метод позволяет успешно сегментации постоянно меняющейся структуры пор.
Синхротронное быстрая томография в сочетании с резервуаром шкалы прибора является мощным экспериментальным методом, который может быть адаптирован для изучения спектра приложений, включая многофазных процессов потока, адвекционно-дисперсии и переноса в химически гетерогенных средах. Однако в настоящее время устройство ограничено разрешением порядка секунды, однофазных экспериментов и малых размеров выборки времени. Будущие обновления дизайна могут включать в себя дополнительные насосы для трехфазных возможностей, увеличивая поток, чтобы иметь возможность проникать крупные медиумы, лучшие методы реконструкции, которые позволяют за меньшее количество выступов, которые следует принять за одно сканирование, а также многомерные подходы к приобретению изображений и сегментации, которые могут дополнительно улучшить информацию глубина, широта и точность.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| NaCl salt | Sigma Aldrich | S7653-1KG | |
| KCl salt | Sigma Aldrich | P9333-1KG | |
| KI salt | Sigma Aldrich | 30315-1KG | |
| Core holder | Airbourne Composites | 110 mm Core holder | Constructed in conjunction with Imperial College |
| PEEK tubing | Kinesis | 1560xL | |
| Thermocouple | Omega Engineering | KMTSS-IM300U-150 | |
| Flexible Heating Tape | Omega Engineering | KH-112/10-P | |
| 1/16" Needle Valve | Hydrasun Ltd | MVE1002 | |
| High Pressure Syringe Pump | Teledyne ISCO | 1000D | |
| 600 mL Parr Reactor | Parr Instrument Company | 4547A - hastelloy | |
| CO2 Cylinder | BOC | CO2 - size E | |
| Viton | Fisher Scientific | 11572583 | |
| Aluminium Foil | Coroplast | 1510AWX | |
| ImageJ - image processing | NIH | ImageJ | |
| Matlab | Mathworks | Matlab | Used for data analysis |
| Avizo | FEI | Avizo | |
| Snoop Leak Detector | Swagelok | MS-SNOOP-8OZ |
References
- Herzog, H., Caldeira, K., Reilly, J. An issue of permanence: Assessing the effectiveness of temporary carbon storage. Clim. Change. 59, 293-310 (2003).
- Metz, B., Davidson, O., de Coninck, H., Loos, M., Meyer, L. Carbon Dioxide Capture and Storage. IPCC. , Cambridge University Press. 431 (2005).
- Langmuir, D., Hall, P., Drever, J. Aqueous Environmental Geochemistry. , Prentice Hall. (1997).
- Morse, J. W., Mackenzie, F. T. Geochemistry of sedimentary carbonates. , Elsevier. (1990).
- Peng, C., Crawshaw, J. P., Maitland, G. C., Trusler, J. M., Vega-Maza, D. The pH of CO 2-saturated water at temperatures between 308K and 423K at pressures up to 15MPa. J Supercrit Fluid. 82, 129-137 (2013).
- Peng, C., Crawshaw, J. P., Maitland, G. C., Trusler, J. M. Kinetics of calcite dissolution in CO 2-saturated water at temperatures between (323 and 373) K and pressures up to 13.8 MPa. Chem. Geol. 403, 74-85 (2015).
- Bachu, S., Nordbotten, J. M., Celia, M. A. Evaluation of the spread of acid gas plumes injected in deep saline aquifers in western Canada as an analogue to CO2 injection in continental sedimentary basins. Proceedings of 7th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies. 1, (2004).
- Bachu, S. Review of CO 2 storage efficiency in deep saline aquifers. Int J Greenh Gas Con. , (2015).
- Marland, G., Fruit, K., Sedjo, R. Accounting for sequestered carbon: the question of permanence. Environ Sci Policy. 4, 259-268 (2001).
- Daccord, G., Lenormand, R., Lietard, O. Chemical Dissolution of a Porous-Medium by a Reactive Fluid .1. Model for the Wormholing Phenomenon. Chem. Eng. Sci. 48, 169-178 (1993).
- Daccord, G., Lietard, O., Lenormand, R. Chemical Dissolution of a Porous-medium by a Reactive Fluid .2. Convection vs Reaction, Behavior Diagram. Chem. Eng. Sci. 48, 179-186 (1993).
- Maheshwari, P., Ratnakar, R., Kalia, N., Balakotaiah, V. 3-D simulation and analysis of reactive dissolution and wormhole formation in carbonate rocks. Chem. Eng. Sci. 90, 258-274 (2013).
- El-Maghraby, R., Pentland, C., Iglauer, S., Blunt, M. A fast method to equilibrate carbon dioxide with brine at high pressure and elevated temperature including solubility measurements. J Supercrit Fluid. 62, 55-59 (2012).
- Fredd, C., Fogler, S. Influence of Transport and Reaction on Wormhole Formations in Porous Media. AIChE. 44, (1998).
- Gharbi, O., Toth, A., Bijeljic, B., Boek, E., Blunt, M. PGE Seminar Series. , Imperial College London. (2013).
- Luquot, L., Gouze, P. Experimental determination of porosity and permeability changes induced by injection of CO2 into carbonate rocks. Chem. Geol. 265, 148-159 (2009).
- Cohen, C. E., Ding, D., Quintard, M., Bazin, B. From pore scale to wellbore scale: Impact of geometry on wormhole growth in carbonate acidization. Chem. Eng. Sci. 63, 3088-3099 (2008).
- Li, L., Peters, C. A., Celia, M. A. Upscaling geochemical reaction rates using pore-scale network modeling. Adv Water Resour. 29, 1351-1370 (2006).
- Swoboda-Colberg, N. G., Drever, J. I. Mineral dissolution rates in plot-scale field and laboratory experiments. Chem. Geol. 105, 51-69 (1993).
- Berg, S., et al. Real-time 3D imaging of Haines jumps in porous media flow. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 3755-3759 (2013).
- Blunt, M. J., et al. Pore-scale imaging and modelling. Adv Water Resour. 51, 197-216 (2013).
- Ott, H., et al. Core-flood experiment for transport of reactive fluids in rocks. Rev. Sci. Instrum. 83, 084501 (2012).
- Gharbi, O. Fluid-Rock Interactions in Carbonates: Applications to CO2 storage. , Imperial College London. (2014).
- Noiriel, C., Gouze, P., Made, B. 3D analysis of geometry and flow changes in a limestone fracture during dissolution. J Hydrol. 486, 211-223 (2013).
- Hao, Y., Smith, M., Sholokhova, Y., Carroll, S. CO2-induced dissolution of low permeability carbonates. Part II: Numerical modeling of experiments. Adv Water Resour. 62, 388-408 (2013).
- Smith, M. M., Sholokhova, Y., Hao, Y., Carroll, S. A. CO2-induced dissolution of low permeability carbonates. Part I: Characterization and experiments. Adv Water Resour. 62, 370-387 (2013).
- Gouze, P., Luquot, L. X-ray microtomography characterization of porosity, permeability and reactive surface changes during dissolution. J. Contam. Hydrol. 120-121, 45-55 (2011).
- Menke, H. P., Bijeljic, B., Andrew, M. G., Blunt, M. J. Dynamic Three-Dimensional Pore-Scale Imaging of Reaction in a Carbonate at Reservoir Conditions. Environ. Sci. Technol. 49, 4407-4414 (2015).
- Andrew, M., Bijeljic, B., Blunt, M. Reservoir Condition Pore-scale Imaging of Multiple Fluid Phases Using X-ray Microtomography. J Vis Exp. , (2015).
- Andrew, M., Bijeljic, B., Blunt, M. J. Pore-scale imaging of trapped supercritical carbon dioxide in sandstones and carbonates. Int J Greenh Gas Con. 22, 1-14 (2014).
- Henke, B. L. Filter Transmission. , Available from: http://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html (2015).
- Henke, B. L., Gullikson, E. M., Davis, J. C. X-ray interactions: photoabsorption, scattering, transmission, and reflection at E= 50-30,000 eV, Z= 1-92. At. Data Nucl. Data Tables. 54, 181-342 (1993).
- Schlüter, S., Sheppard, A., Brown, K., Wildenschild, D. Image processing of multiphase images obtained via X-ray microtomography: A review. Water Resour. Res. 50, 3615-3639 (2014).
- Buades, A., Coll, B., Morel, J. -M. A non-local algorithm for image denoising. Computer Vision and Pattern Recognition, 2005. CVPR 2005. IEEE Computer Society Conference on. 2, 60-65 (2005).
- Buades, A., Coll, B., Morel, J. -M. Nonlocal image and movie denoising. Int J Comput Vision. 76, 123-139 (2008).
- Sheppard, A. P., Sok, R. M., Averdunk, H. Techniques for image enhancement and segmentation of tomographic images of porous materials. Physica A. 339, 145-151 (2004).
- Lanczos, C. An iteration method for the solution of the eigenvalue problem of linear differential and integral operators. , United States Governm. Press Office. (1950).
- Andrew, M., Menke, H., Blunt, M. J., Bijeljic, B. The Imaging of Dynamic Multiphase Fluid Flow Using Synchrotron-Based X-ray Microtomography at Reservoir Conditions. Transport Porous Med. , 1-24 (2015).
- Raeini, A. Q., Blunt, M. J., Bijeljic, B. Modelling two-phase flow in porous media at the pore scale using the volume-of-fluid method. J. Comput. Phys. 231, 5653-5668 (2012).
- Bijeljic, B., Raeini, A., Mostaghimi, P., Blunt, M. J. Predictions of non-Fickian solute transport in different classes of porous media using direct simulation on pore-scale images. Phys Rev E. 87, 013011 (2013).
- Dong, H., Blunt, M. J. Pore-network extraction from micro-computerized-tomography images. Phys Rev E. 80, 036307 (2009).
- Menke, H. P., Bijeljic, B., Andrew, M. G., Blunt, M. J. Dynamic Pore-scale Imaging of Reactive Transport in Heterogeneous Carbonates at Reservoir Conditions. Energy Procedia. 63, 5503-5511 (2014).
- Bijeljic, B., Mostaghimi, P., Blunt, M. J. Signature of non-Fickian solute transport in complex heterogeneous porous media. Phys. Rev. Lett. 107, 204502 (2011).
- Ott, H., Oedai, S. Wormhole formation and compact dissolution in single-and two-phase CO2-brine injections. Geophys. Res. Lett. 42, 2270-2276 (2015).
