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.
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.
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.
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.
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 |