Synchrotron wurde schnell Tomographie dynamisch Bild Auflösung von Kalk in Gegenwart von CO 2 -gesättigten Sole bei Lagerstättenbedingungen verwendet. 100 Scans wurden bei einer Auflösung von 6,1 & mgr; m über einen Zeitraum von 2 h gebracht.
Die unterirdische Speicherung Dauerhaftigkeit ist ein wichtiges Anliegen für die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung. Pumping CO 2 in Karbonatvorkommen hat das Potenzial , geologische Dichtungen aufzulösen und ermöglichen CO 2 zu entkommen. Allerdings sind die Lösungsprozesse bei Reservoirbedingungen schlecht verstanden. So werden zeitaufgelöste Experimente erforderlich, um die Art und Geschwindigkeit der Auflösung an der Porenskala zu beobachten und vorherzusagen. Synchrotron schnelle Tomographie ist ein Verfahren zur Aufnahme hochauflösender zeitaufgelöste Bilder von komplexen Porenstrukturen wesentlich schneller als herkömmliche μ-CT. Der Diamond Light Source Rosa Strahl wurde dynamisch Bild Auflösung von Kalk in Gegenwart von CO 2 -gesättigten Sole bei Lagerstättenbedingungen verwendet. 100 Scans wurden bei einer Auflösung von 6,1 um über einen Zeitraum von 2 Stunden genommen. Die Bilder wurden segmentiert und die Porosität und Permeabilität wurden unter Verwendung von Bildanalyse und Netzwerk-Extraktion gemessen. Porosität erhöht gleichmäßig entlang der length der Probe; die Steigerungsrate der verlangsamte jedoch sowohl die Porosität und Durchlässigkeit zu späteren Zeitpunkten.
Ein wichtiges Anliegen von Kohlenstoff – Abscheidung und Speicherung (CCS) ist eine langfristige Lagerung Sicherheit 1, 2. Kohlendioxid, CO 2, in den Untergrund injiziert wird in die Wirts Sole auflösen und Kohlensäure 3, 4, 5 bilden. Diese saure Sole hat das Potenzial , mit zu reagieren und das umgebende Gestein lösen, insbesondere wenn das Wirtsgestein ist Kalkstein 6. Die Auflösung kann für die weitere Bildung Permeabilität 7 und höhere Speicher Dauerhaftigkeit 8 günstig und lassen sein. Jedoch können geologische Dichtungsintegrität durch diese Auflösung beeinträchtigt werden und erlauben CO 2 an der Oberfläche 9 zu migrieren. Eine genaue prädiktive Modellierung von Speicher Dauerhaftigkeit ist somit abhängig von voll Verständnis Auflösung in der Sole-Felsen-System und die Verteilung unddie Rate der Flüssigkeitsbewegung in den Untergrund 10, 11, 12.
Jedoch ist die Natur und die Auflösungsgeschwindigkeit in Carbonate abhängig sowohl von den Eigenschaften der Sole 13, 14, 15, 16 und dem Wirtsgestein 17. Die Auflösungsraten sind auch stark abhängig von Soletemperatur und Druck 6, die Entwicklung experimenteller Techniken machen für lebenswichtige komplexe zeitabhängige Prozesse an repräsentativen Reservoirbedingungen zu messen.
Frühere Experimente haben beobachtet , dass Feld angelegte Reaktionsgeschwindigkeiten sind in der Regel um Größenordnungen niedriger als experimentelle Chargenreaktor Messungen 18, 19. Verwitterung, Mineral heterogenekeit und unvollständige Vermischung in einem heterogenen Strömungsfeld sind mögliche Erklärungen für dieses Phänomen. Es ist jedoch nicht möglich, die wichtigsten Faktoren ohne direkte Beobachtung des sich entwickelnden Porenraum während der Reaktion zu beurteilen. Somit sind dynamische Poren angelegte Experimente erforderlich, um sowohl die Einblicke in das Zusammenspiel von Transport und Reaktion bereitzustellen und Vorhersagemodelle zu validieren.
Eine etablierte experimentelle Methode zur Untersuchung von Porentechnischen Prozessen in Kohlenstoff – Speicheranwendungen ist die Röntgenmikrotomografie (μCT) 20, 21. μ-CT hat mehrere Vorteile: es wird eine hohe räumliche Auflösungen von bis zu etwa 1 & mgr; m, es ist nicht-invasiv und liefert dreidimensionale Bilder. Kalkstein Auflösung wurde am Kern (~ cm) untersuchten 22 skaliert und es wurde festgestellt , dass Rock-Sole Reaktion physikalische Heterogenität erhöht. Um das Verständnis für wie unterschiedlich transport und Reaktionsbedingungen zu verändern, die komplexen festen und Porenstrukturen ist es erforderlich, reaktionsinduzierte Veränderungen im Porenraum Geometrie, Topologie und fließen in unterirdischen Gesteins Systeme bei Reservoir Temperaturen und Drücken und bei einer höheren Auflösung zu messen, um im Detail zu untersuchen poren Maßstab Prozesse. Dieses Dokument beschreibt ein Verfahren zur reaktiven Lösungsprozesse in Fels mit komplexen Porenstrukturen zu studieren und konzentrieren sich auf die Zeit gemessen und ortsabhängigen Reaktionsgeschwindigkeit zwischen einem CO 2 -acidified Sole und Kalkstein – Felsen in Reservoirbedingungen.
Es wurden mehrere Studien, die in komplexen Carbonaten bei Reaktionsausgesehen haben , 23, 24, 25, 26, 27, aber durch experimentelle oder Abbildungs Constraints sie waren entweder beschränkt auf vor und nach der Reaktion wurden Bilder oder nicht abgeschlossenan repräsentativen Untergrundbedingungen. Menke et al. 28 wurde in situ Abbilden von Reaktion zwischen einem CO 2 -acidified Sole und Ketton Kalkstein an der Porenskala über einen Zeitraum von mehreren Stunden und bei einer Temperatur und Druck Vertreter eines Aquifers in etwa 1 km in Tiefe dynamischen durchgeführt. Jedoch ist eine relativ homogene Ketton Gestein mit großen Körnern, die dem Bild in sehr kurzer Zeit (~ 17 min) und mit wenigen Vorsprüngen einfach ist (~ 400). Die meisten Karbonatgestein haben komplexe Porenstrukturen, die viele Projektionen erfordern genau zu lösen, die eine sehr zeit traditionelle μ-CT mit intensiver Prozess sein kann – entweder mit einem monochromatischen Strahl mit einer Synchrotronquelle oder mit Benchtop-Röntgenscanner. Somit ist eine schnelle Methode der Tomographie erforderlich dynamisch reaktionsinduzierte Veränderungen in heterogenen Carbonate zu sehen.
Die Menge der Zeit es braucht, die dem Bild eine Probe durch den Fluss von th gesteuert wirde Röntgenquelle. Ein Verfahren zum Scannen ist schnell die polychromen Strahl einer Synchrotronquelle 20 zu verwenden. Diese so genannte 'Pink Beam liefert Größenordnungen intensiveres Licht als Benchtop-Quellen und daher können die Bilder auf der Zehner-Sekunden eher Zeitskalen als Stunde genommen werden. Ein Undulator, der von einer periodischen Struktur von Dipolmagneten besteht erzeugt das rosa Balken. Der Elektronenstrahl wird erzwungenen Schwingungen zu unterziehen, wie es die Magnete und als Folge durchläuft strahlt Energie. Die erzeugte Energie wird konzentriert Wellenlängenbändern zu verengen und ist sehr intensiv. Spiegel und Filter werden dann experimentellen Anforderungen zu verengen das Spektrum des Lichts anzupassen verwendet. Spiegel absorbieren die Hochenergiespektrum, während Filter die niederen Energien absorbieren. Es ist daher möglich, das Spektrum auf die gewünschte Strahlungsband nur mit diesen Werkzeugen zu verengen.
Allerdings Fluss mit dieser intensiven Röntgen ist nicht ohne Herausforderungen. Dasgeringere Energieröntgenstrahlen des rosa Strahlspektrum werden durch die Probe als Wärme absorbiert. Dies kann mit der Temperatursteuerung der in situ Vorrichtung stören und bewirken , dass CO 2 aus der Lösung 20 bis exsolve. CO 2 -gesättigten Sole ist sehr empfindlich sowohl gegen Hitze und Druck und damit eine geringe Änderung im thermischen Gleichgewicht signifikant den pH der in situ verändern Flüssigkeit 5. Damit eine sorgfältige Konstruktion und Steuerungselemente für die Röntgenspektrum muß vor der Bildgebung in die Strahllinie Ausrüstung eingebaut werden.
Fast Tomographie erzeugt auch eine große Menge an Daten mit einer hohen Rate. Die Grenzen der Daten von der Kamera und anschließender Lagerung bieten eine erhebliche technische Herausforderung ausgelesen. Einige haben überwinden dies durch mehrere aufeinanderfolgende Scans zu nehmen und sie auf dem Speicher der Kamera zu speichern, bevor sie auf externen Datenserver zu lesen. Dies erfordert jedoch, dass das Experiment sein relatively kurz wie Kameraspeicher kann nur eine begrenzte Menge an Daten zu halten. Binning der Daten auf der Kamera reduziert auch Übertragungszeit, da sie die Datenmenge reduziert, um übertragen zu werden, aber es hat das Potenzial, die Qualität der Bilder zu verringern. Alternativ können die Daten mit der Kamera werden nach jedem Scan vor dem Start des nächsten übertragen ab, die die gesamte Zeit zwischen den Scans zu erhöhen. In dieser Studie wurden die letztere Methode bei jeder Bildaufnahme unter ~ 45 Sekunden und Daten abgelesen zusätzlich ~ 30 s nimmt.
Bei Scans mit einer hohen Rate nehmen, muss die Probenbühne Spin viel schneller als mit herkömmlichen Scan und damit die mögliche Winkel Belastung der Kernhalter ist groß. Kohlefaser, während Röntgen transparent, flexibel, wenn betont. Wenn die Probe bewegt sich während der Bildaufnahme Bild Unschärfen auftreten. Die Haltehülse Kern wurde entwickelt, so kurz wie möglich sein, um diese potentiellen Belastungen zu mildern. Zusätzlich flexible polyether Ether-Keton (PEEK) Schlauch an allen Elementen der Versuchsapparatur der Nähe der Bühne verwendet wurde, so dass die Bühne drehen war frei. Ein Nachteil von PEEK Rohren ist , dass es durchlässig ist 2 auf diffusive Zeitskalen zu CO. Fluid in den Leitungen für lange Zeiträume befinden, werden allmählich entsättigt über einen Zeitraum von etwa 24 h werden. Alle Linien , die nicht in der Nähe der Kernhalter waren , wurden aus rostfreiem Stahl hergestellt und die Flüssigkeit war voräquilibriert in einer kräftig gemischt Hastelloy – Reaktor erhitzt und unter Druck zu experimentellen Bedingungen 23, 29, 30.
Die Versuchsapparatur ist in Abbildung 1 dargestellt. Reservoir Temperatur wird in dem Kernhalter gehalten, indem die Außenseite der Hülse in einer Röntgen transparent Heizband Umwickeln und ein Thermoelement durch die radiale Öffnung der Zelle und in das Sperrmedium eingeführt wird. Ein Proportional-Integral-Derivative (PID) Regler dann Temperatur geregelt innerhalb von 1 ° C. Druck und Strömungsbedingungen wurden beibehalten drei Hochdruckspritzenpumpen verwendet, die mit einer Flussrate von 0.001 ml / min genau sind. Zwei Salze wurden für das Experiment verwendet, ein hoch absorbierendes 25% wt KI unreaktiv Sole und einem niedrigen Absorbieren 1% wt KCl, 5% wt NaCl reaktive Sole. Der Unterschied in der Dämpfung machte es leicht, die Ankunft von reaktiven Sole im Kern machen Totvolumen Berechnungen unnötig zu sehen.
Die wichtigsten Schritte für die dynamische Abbildung von Reaktions in heterogenen Porenstrukturen bei Lagerstättenbedingungen sind: 1) eine genaue Temperatursteuerung der Zelle innerhalb des rosa Strahls; 2) erfolgreich Kernhalter Stabilität auf einem sich schnell bewegenden Bühne; 3) eine effiziente Datenverarbeitung und Speichertechniken; und 4) wirksame Segmentierung von zeitaufgelösten Bilder.
Die Temperaturregelung ist von wesentlicher Bedeutung für Reservoir Zustand Bildgebung ein rosa Balken verwenden. Wenn die Temperatur über die Reaktortemperatur steigt, 2 CO wird im Porenraum exsolve und sowohl der pH – Wert der Salzlösung verändern und schaffen ganglia von überkritischem CO 2 in den Porenraum, der die Art der Auflösung 44 ändern könnte. Die Verwendung von Filtern, die niedrigere Energie Röntgenstrahlen zu absorbieren, ist von entscheidender Bedeutung für diese zusätzlichen Temperaturbelastung entfernt werden, die das Thermoelement und Heizungspackung ermöglicht extern Temperatur effektiv zu steuern. Allerdings senken Filter dieGesamtenergiedurchsatz des Strahls und somit müssen sparsam verwendet werden, um nicht wesentlich Gesamterfassungszeit zu erhöhen. Außerdem Filtertyp und Dicke müssen auf die spezifischen Energiewellenlängen und den Durchsatz des Strahllinie angepasst werden.
Der Kernhalter erfährt Rotations- und Vibrationsbelastungen während Tomographie Erwerb, dass die Kohlefasermanschette kann dazu führen, während der ersten Stufe Drehung und verwischen die Projektionen zu schütteln. Um dieses Potential zu minimieren, wird der Kernhalter als Kurz 6 cm Hülse für die Verwendung bei Synchrotrons. Diese Hülse würde für die Verwendung mit Tischscanner nicht günstig, da die Stahl Endarmaturen Minimierung der Quelle-Probe-Abstand und geometrische Vergrößerung hemmen würde. Jedoch mit einer parallelen Lichtquelle diese sind nicht Bedenken.
Jede tomographischen Scans in einer Serie erfolgt eine Größe haben über 20 GB was bedeutet, dass eine Reihe von 100 Scans 2 TB groß sein wird. Bei der Aufnahme viele Scans in einer Reihe sehr quickly sowohl das Instrument Bandbreite und Speicheroptionen bieten erhebliche Herausforderungen Managementdaten. Die experimentelle Bildgebungsgerät muss mit diesen Einschränkungen konzipiert werden, um voll und ganz die dynamische Bildgebung Potenzial schnell Tomographie realisieren. Die Datenübertragung von Engpässen müssen vor dem Start des Experiments identifiziert werden und die Technologie-Infrastruktur angepasst, so dass Themen wie Kamerageschwindigkeit ablesen, Übertragungsbandbreite und Speicherschreibgeschwindigkeit nicht Erfassungsgeschwindigkeit Potential hemmen.
Effektive Segmentierung der zeitaufgelösten Bilder der Auflösung stellt eine Herausforderung. Wenn ein tomographischen Scan in einem sich verändernden System genommen wird, kann die Ränder der Fest-Flüssig-Grenz verschwimmen. Diese Verwischung macht traditionelle Segmentierungstechniken wie Wendepunkt, der auf der Annahme arbeitet, dass die Grenzen werden die Regionen mit dem höchsten Dämpfungsverlauf, viel weniger erfolgreich. Um dies zu umgehen, das Differenzbild des unreacted und zur Reaktion gebracht Bilder berechnet, die ein Bild von nur Regionen des Wandels zur Verfügung stellt. Dieses Verfahren ermöglicht eine erfolgreiche Segmentierung der sich kontinuierlich ändernden Porenstruktur.
Synchrotron-Tomographie schnell mit einem Reservoir Skala Gerät gekoppelt ist eine leistungsfähige experimentelle Methode, die angepasst werden kann, eine Reihe von Anwendungen, einschließlich mehrphasigen Strömungsvorgänge, die Advektion-Dispersion und Transport in den chemisch heterogenen Medien zu erkunden. Allerdings ist die aktuelle Gerät zu einer Zeitauflösung in der Größenordnung von Sekunden, einphasigen Experimente und kleine Probengrößen beschränkt. Zukünftige Design-Upgrades können zusätzliche Pumpen sind für Drei-Phasen-Fähigkeiten, flux Erhöhung der Lage sein, größere Medien zu durchdringen, eine bessere Rekonstruktionstechniken, die für weniger Projektionen erlauben pro Scan und multivariate Ansätze zur Bildaufnahme und Segmentierung genommen werden, die weitere Informationen zu verbessern Tiefe, Breite und Genauigkeit.
The authors have nothing to disclose.
We gratefully acknowledge funding from the Qatar Carbonates and Carbon Storage Research Centre (QCCSRC), provided jointly by Qatar Petroleum, Shell, and Qatar Science & Technology Park. We also gratefully acknowledge the funding and support provided by Diamond Lightsource and Manchester University at the I13 Imaging Branch.
NaCl salt | Sigma Aldrich | S7653-1KG | |
KCl salt | Sigma Aldrich | P9333-1KG | |
KI salt | Sigma Aldrich | 30315-1KG | |
Coreholder | Airbourne Composites | 110mm Coreholder | 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 | |
600mL 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 |