Sinkrotron, hızlı tomografi haznesi koşullarında CO2 -saturated tuzlu su mevcudiyetinde kireçtaşı dinamik görüntü çözünmesi için kullanılmıştır. 100 tarama 2 saatlik bir süre boyunca 6.1 um çözünürlükte alınmıştır.
Yeraltı depolama kalıcılık karbon yakalama ve depolama için önemli bir husustur. Karbonat rezervuar içine CO 2 Pompa jeolojik mühürler erimesi ve kaçmak için CO 2 izin potansiyeline sahiptir. Ancak, rezervuar koşullarında çözünme süreçlerinin tam olarak anlaşılamamıştır. Böylece, zamana bağımlı deneyler gözenek ölçekte çözünme doğasını ve hızını gözlemlemek ve tahmin etmek gereklidir. Sinkrotron hızlı tomografi geleneksel μ-BT çok daha hızlı bir şekilde karmaşık gözenek yapılarının yüksek çözünürlüklü zamana bağımlı görüntülerini alarak bir yöntemdir. Elmas Lightsource pembe Işın rezervuar koşullarında CO2 -saturated tuzlu su mevcudiyetinde kireçtaşı dinamik görüntü çözünmesi için kullanılmıştır. 100 tarama, 2 saatlik bir süre boyunca 6.1 um çözünürlükte alınmıştır. görüntüleri segmente edilmiş ve gözeneklilik ve geçirgenlik görüntü analizi ve ağ çıkarma kullanılarak ölçüldü. Gözeneklilik lengt boyunca eşit arttıörnek H; Ancak, eğer gözeneklilik ve geçirgenlik hem artış oranı daha sonraki zamanlarda yavaşladı.
Karbon yakalama ve depolama (CCS) önemli bir endişe uzun süreli depolama güvenliği 1, 2 'dir. Yeraltı enjekte Karbondioksit, CO2, ana tuzlu su içinde çözülür ve karbonik asit 3, 4, 5 oluşturacaktır. Bu asidik tuzlu su kayaç kalker 6, özellikle çevredeki kaya ile reaksiyona ve eritmek için bir potansiyele sahiptir. Çözünme uygun olması ve sürekli formasyonu geçirgenliği 7 ve daha fazla depolama kalıcılık 8 olanak sağlayabilmektedir. Ancak, jeolojik mühür bütünlüğü bu çözülme tehlikeye ve yüzeye 9 göç etmeye CO 2 izin olabilir. Depolama kalıcılığı doğru öngörü modellemesi tam anlayış tuzlu su-kaya sisteminde çözülme ve dağıtımı üzerinde böylece bağlıdıryeraltı 10, 11, 12 sıvı hareket hızı.
Bununla birlikte, doğal ve karbonat çözülme oranı tuzlu su 13, 14, 15, 16 ve ana kaya 17 özelliklerine hem de bağlıdır. Çözünme oranları hayati temsilcisi rezervuar koşullarında karmaşık zamana bağlı süreçleri ölçmek için deneysel tekniklerin geliştirilmesini yapma, ayrıca tuzlu su sıcaklık ve basınç 6 kuvvetle bağlıdır.
Önceki deneyler alan ölçekli reaksiyon hızları deneysel kesikli reaktör ölçümlerinde 18, 19 daha düşük büyüklükte siparişleri genellikle olduklarını gözlemledim. Ayrışma, mineral Heterojenheterojen bir akış alanındaki Sığ ve eksik karıştırma bu olay için olası açıklamalar verilmiştir. Ancak, reaksiyon sırasında gelişen gözenek alanı doğrudan gözlem olmadan en önemli faktörleri değerlendirmek mümkün değildir. Böylece, dinamik gözenek çaplı deneyler taşıma ve tepki arasındaki etkileşim içine anlayış hem sağlamak ve öngörü modelleri doğrulamak için gereklidir.
Karbon depolama uygulamalarında gözenek çaplı süreçlerini incelemek için kurulmuş bir deneysel yöntem X-ışını microtomography (uCT) 20, 21 olduğunu. μ-BT birçok faydası vardır: yaklaşık 1 um aşağı yüksek uzaysal çözünürlük elde, non-invaziv ve üç boyutlu görüntü sağlar. Kireçtaşı çözünme çekirdek (~ cm) 22 ölçek okudu edilmiş ve kaya tuzlu su reaksiyonu fiziksel heterojenliği artırdığı tespit edilmiştir. ne kadar farklı t anlayışı ilerletmek içinransport ve reaksiyon koşulları gözenek uzay geometri, topoloji reaksiyon kaynaklı değişiklikleri ölçmek ve daha yüksek çözünürlükte, ayrıntılı olarak araştırılması için rezervuar sıcaklık ve basınçta yeraltı kaya sistemlerinde akış ve gerekli olan karmaşık katı ve gözenek yapıları değiştirmek pore- ölçek süreçleri. Bu yazıda, karmaşık gözenek yapıları ile kaya reaktif çözünme süreçlerini inceleyerek ve rezervuar şartlarında CO 2 -acidified tuzlu su ve kireçtaşı kaya arasındaki zaman ve mekansal bağımlı reaksiyon hızını ölçmek odaklanmak bir yöntem açıklanır.
Nedeniyle onlar sınırlı öncesi ve sonrası reaksiyon için görüntü ya olmuş ya da tamamlanmış değildi deneysel veya görüntüleme kısıtlamaları birkaç karmaşık karbonat 23, 24, 25, 26, 27 reaksiyon baktım çalışmalar, ancak olmuşturtemsili yeraltı koşullarında. Menke ve arkadaşları. 28 birkaç saatlik bir süre zarfında ve akiferdeki derinliği yaklaşık 1 km sıcaklık ve basınç temsilcisi gözenek ölçeğinde bir CO2 -acidified tuzlu su ve Ketton kireçtaşı arasındaki reaksiyonun in situ görüntüleme dinamik performans göstermiştir. Ancak, Ketton nispeten homojen çok az zaman görüntüye kolay iri daneli kaya (~ 17 dk) ve birkaç projeksiyonlar (~ 400) beraberdir. Bir sinkrotron kaynağında bir monokrom kiriş veya tezgah üstü X-ışını tarayıcıları ile ya da – en karbonat kayaları doğru geleneksel μ-BT ile bir çok zaman yoğun bir süreç olabilir hangi çözmek için birçok projeksiyonlar gerektiren karmaşık gözenek yapılarına sahiptir. Böylece, tomografi hızlı bir yöntem dinamik heterojen karbonatlar reaksiyon kaynaklı değişiklikleri görmek için gereklidir.
geçen süre örnek th akı tarafından kontrol edilir görüntü alırE X-ışını kaynağı. Tarama için bir yöntem, hızlı bir sinkrotron kaynağı 20 nin polikromatik ışını kullanmaktır. Bu sözde 'Pembe Kiriş' tezgah üstü kaynaklarına göre büyüklüğü daha yoğun ışık emir verir ve bu nedenle görüntüleri onlarca-of-saniyede ziyade saatlik zaman ölçeklerinde alınabilir. Çift kutuplu mıknatıslar periyodik yapı oluşur bir salındırıcıya Pembe Işın üretir. o mıknatısları erişir ve bunun sonucu olarak enerji yayar olarak elektron demeti salınımlarını geçmesi zorlanır. üretilen enerji dalga boyu bantları daraltmak için konsantre ve çok yoğun. Aynalar ve filtreler daha sonra deney ihtiyaçlarına uygun ışık spektrumunun daraltmak için kullanılır. Filtreler düşük enerjileri absorbe ederken Aynalar yüksek enerjili spektrumunu emer. Sadece bu araçları kullanarak radyasyon istenen band spektrum daraltmak için mümkündür.
Ancak, bu yoğun X-ışını akı kullanarak zorlukları olmadan değildir.Pembe Işın spektrumunun düşük enerji X-ışınları ısı olarak örnek tarafından emilir. Bu yerinde aygıtında sıcaklık kontrolü ile müdahale ve çözüm 20 exsolve için CO 2 neden olabilir. CO2 -saturated tuzlu su, ısı ve basınç ve bu nedenle termal denge küçük bir değişikliğin in situ akışkan 5 pH değerini değiştirmek için son derece duyarlıdır. Böylece, X-ışını spektrumu dikkatli tasarımı ve kontrol elemanları görüntüleme öncesinde ışın hattı ekipmanları dahil edilmelidir.
Hızlı tomografi aynı zamanda yüksek oranda veri büyük miktarda üretir. kamera ve daha sonraki depolama dışarı okunan veri sınırlamaları önemli bir teknolojik meydan okuma sağlamak. Bazı birkaç ardışık taramalar alarak ve harici veri sunucularına onları okumadan önce kamera hafızasında saklayarak bu üstesinden gelmişlerdir. Bununla birlikte, bu deney, ve göreceli olarak olmasını gerektirirYalnızca bir veri sonlu hacim tutabilir kamera bellek olarak f kısa. Kameranın verileri binning de aktarılacak gerek veri hacmini azaltır olarak aktarım süresini azaltır, ancak görüntü kalitesini azaltma potansiyeline sahiptir. Alternatif olarak, veri taramalar arasındaki toplam süre artacak, bir sonraki başlamadan önce her taramadan sonra kamerayı kapalı transfer edilebilir. Bu çalışma, ek ~ 30 sn kalktıktan okunan ~ 45 saniye ve veri alarak her görüntü satın alarak ikinci yöntemi kullanılır.
yüksek oranda tarama çekerken, örnek sahne geleneksel tarama ile çok daha hızlı dönmeye olmalı ve bu nedenle çekirdek tutucu üzerindeki potansiyel açısal stres harika. stresli Karbon fiber X-ışını geçiren ise, esnektir. görüntü elde etme görüntü bulanıklık sırasında örnek hareket oluşabilir. Çekirdek tutucu kol, bu potansiyel gerilimleri azaltmak için mümkün olduğunca kısa olacak şekilde tasarlanmıştır. Ek olarak, esnek polyethsahne döndürmek için ücretsiz böylece er eter keton (PEEK) boru aşamasına yakın deneysel düzeneğin tüm unsurları kullanılmıştır. PEEK tüpleri kullanmanın bir dezavantajı, pasif zaman ölçeği üzerindeki CO 2 geçirgen olmasıdır. uzun süre hatlarda bulunan sıvı yavaş yavaş yaklaşık 24 saatlik bir süre boyunca desatüre olacaktır. Çekirdek tutucu civarındaki olan tüm hatlar, paslanmaz çelikten imal edilmiş ve sıvı ön-dengelenmiş deney şartları 23, 29, 30 ° C'ye ısıtılmış ve basınçlı kuvvetli bir şekilde karıştırılır Hastelloy reaktör içinde yapıldı.
Deney aygıtı, Şekil 1 'de gösterilmiştir. Rezervuar sıcaklığı, bir X-ışını geçiren ısıtma bant kovanının dış ambalaj ve hücrenin radyal bağlantı noktasından ve sınırlayıcı akışkan içine bir termokupl sokulmasıyla çekirdek tutucu tutulur. Bir Oransal İntegral Derivative (PID) kontrolör sonra 1 içinde sıcaklığı düzenlenir ° C. Basınç ve akım koşulları 0.001 mL / dakika bir akış oranı ile doğru üç yüksek basınçlı şırınga pompaları kullanılarak muhafaza edilmiştir. İki tuzlan deney, bir yüksek emiş gücüne sahip% 25 ağırlık KI reaktif tuzlu su ve KCI ağırlıkça% 1,% 5 NaCI reaktif tuzlu ağırlıkça emici düşük kullanılmıştır. zayıflama fark kolay ölü hacim hesaplamaları gereksiz hale çekirdek reaktif tuzlu gelişini görmek için yapılmış.
Rezervuar şartları heterojen gözenek yapılarında reaksiyon dinamik görüntüleme için en kritik adım: pembe kirişin içindeki hücre 1) doğru bir sıcaklık kontrolü; hızlı hareket eden bir sahnede 2) Başarılı çekirdek tutucu kararlılığı; 3) verimli veri işleme ve depolama teknikleri; zamana bağımlı görüntüleri ve 4) etkili segmentasyon.
Sıcaklık kontrolü Pembe Işın kullanarak rezervuar durum görüntüleme için esastır. Sıcaklık reaktörü sıcaklığının üzerine çıkarsa, CO 2 gözenek uzayda exsolve olacak ve her iki tuzlu pH değiştirebilir ve çözünme 44 doğasını değiştirebilir gözenek uzayda süperkritik CO2 ganglionlar oluşturun. düşük enerji X-ışınları absorbe filtrelerin kullanılması termokupl ve ısıtma şal etkili bir harici sıcaklık kontrol etmenizi sağlar, bu ek sıcaklık stresi kaldırmak için kritik öneme sahiptir. Ancak, filtreler düşürmekönemli ölçüde toplam satın alma süresini artırmak etmeyecek şekilde toplam enerji ışınının verim ve dolayısıyla idareli kullanılması gerekir. Ayrıca, filtre tipi ve kalınlık spesifik enerji dalga boylarında ve ışın çizgisinin verimi uygun olmalıdır.
Çekirdek tutucu karbon fiber kol sahne dönüşü sırasında sallamak ve projeksiyonlar bulanıklık neden olabilir tomografi alımı sırasında dönme ve titreşim gerilmeleri uğrar. Bu en aza indirgemek için, ana tutucu sinkrotronları kullanım için kısa 6 cm kol olarak tasarlanmıştır. çelik uç bağlantıları kaynak örnek mesafesi ve geometrik büyütme minimize inhibe gibi Bu kol, masa üstü tarayıcılar ile kullanmak için elverişli olmaz. Ancak, paralel ışık kaynağı ile bu endişeler değil.
Bir dizi alınan her tomografi GB 100 tarar bir dizi boyutu 2 TB olur, yani 20 üzerinde bir boyuta sahip olabilir. çok qui arka arkaya birçok taramaları çekerkenckly enstrüman bant genişliği ve depolama seçenekleri, hem önemli veri yönetimi zorlukları sağlar. Tamamen hızlı tomografi dinamik görüntüleme potansiyelini şekilde deneysel görüntüleme cihazı aklında bu kısıtlamaları ile tasarlanmış olması gerekir. Veri aktarımı darboğazları deney ve kamera gibi konular toplama hızı potansiyeli inhibe etmeyen hız, devir bant genişliği ve depolama yazma hızı okunur ve böylece uyarlanmış teknoloji altyapısını başlamadan önce tespit edilmelidir.
Fesih zamana bağımlı görüntülerin etkili segmentasyon bir meydan okuma sağlar. Bir tomografi değişen bir sistemde alındığında katı-sıvı sınır kenarları bulanık hale gelebilir. Bu bulanıklaştırma gibi sınırlar en yüksek zayıflatma degrade ile bölgeler, daha az başarılı olacaktır varsayımına çalışır havzası, gibi geleneksel segmentasyon teknikleri yapar. , Unreac farkı görüntüsünü bu sorunu çözecekTed ve reaksiyona görüntüler değişimin tek bölgelerin bir görüntü sağlayan hesaplanır. Bu yöntem sürekli değişen gözenek yapısı başarılı segmentasyon için izin verir.
rezervuar ölçekli aparatı ile birleştiğinde Sinkrotron hızlı tomografi çok fazlı akış süreçleri, adveksiyon-dağılım ve kimyasal heterojen ortamlarda ulaşım dahil uygulamaları bir dizi keşfetmek için adapte edilebilir güçlü bir deneysel yöntemdir. Bununla birlikte, mevcut aparat saniye tek fazlı deneyler ve küçük örnek boyutları düzeyinde bir zaman çözünürlüğü ile sınırlıdır. Gelecek tasarım yükseltmeleri daha büyük ortamları, tarama başına alınacak az projeksiyonlar izin daha iyi rekonstrüksiyon teknikleri ve görüntü elde etme ve daha fazla bilgi artırabilir segmentasyonuna değişkenli yaklaşımlar nüfuz edebilmek için akıyı artırarak, üç fazlı yetenekleri için ek pompaları içerebilir derinlik, genişlik ve doğruluk.
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 |