تم استخدام السنكروترون التصوير المقطعي سريع بشكل حيوي صورة حل من الحجر الجيري في وجود CO 2 محلول ملحي -saturated في ظروف المكمن. أخذت 100 بالاشعة في قرار 6.1 ميكرون على مدى فترة من 2 ساعة.
دوام تخزين تحت الأرض هو مصدر قلق كبير لالتقاط الكربون وتخزينه. ضخ CO 2 في مكامن الكربونات لديه القدرة على حل الأختام الجيولوجية والسماح CO 2 إلى الهرب. ومع ذلك، ولا يزال الغموض يكتنف العمليات حل في ظروف المكمن. وبالتالي، هناك حاجة لتجارب وقت حل لمراقبة والتنبؤ طبيعة ومعدل انحلال في نطاق المسام. السنكروترون التصوير المقطعي السريع هو طريقة لأخذ صور عالية الدقة وقت حل هياكل المسام المعقدة بسرعة أكثر بكثير من التقليدية μ-CT. تم استخدام الماس Lightsource الوردي شعاع بشكل حيوي صورة حل من الحجر الجيري في وجود CO 2 محلول ملحي -saturated في ظروف المكمن. أخذت 100 بالاشعة في قرار 6.1 ميكرون على مدى فترة من 2 ساعة. إن تقسيم الصور وتم قياس المسامية والنفاذية باستخدام تحليل الصور واستخلاص الشبكة. زيادة المسامية بشكل موحد على طول lengtح من العينة. ومع ذلك، فإن معدل الزيادة في كل من المسامية والنفاذية تباطأ في أوقات لاحقة.
ومصدر القلق الرئيسي لالتقاط الكربون وتخزينه (CCS) طويل الأجل أمن تخزين 1 و 2. وثاني أكسيد الكربون، ثاني أكسيد الكربون 2، حقنها في باطن الأرض تذوب في الماء المالح المضيفة وتشكل حمض الكربونيك 3، 4، 5. هذا محلول ملحي حامضي لديه القدرة على التفاعل مع وإذابة الصخور المحيطة بها، وخاصة إذا كانت الصخور المضيفة الحجر الجيري 6. حل يمكن أن تكون مواتية والسماح لاستمرار تشكيل نفاذية 7 وزيادة الدوام تخزين 8. ومع ذلك، سلامة الختم الجيولوجية قد يكون معرضا للخطر بسبب هذا الحل والسماح CO 2 إلى تهاجر إلى السطح 9. النمذجة التنبؤية دقيقة الدوام تخزين يعتمد بالتالي على حل فهم تماما في نظام محلول ملحي صخرية وتوزيع ومعدل حركة السوائل في باطن الأرض 10 و 11 و 12.
ومع ذلك، فإن طبيعة ومعدل انحلال في الكربونات تعتمد على كل من خصائص محلول ملحي 13 و 14 و 15 و 16 و الصخور المضيفة (17). أسعار حل هي أيضا تعتمد بشدة على درجة حرارة الماء المالح والضغط 6، مما يجعل من تطوير تقنيات تجريبية لقياس العمليات التي تعتمد على الوقت معقدة في ظروف خزان تمثيلية الحيوية.
وقد لاحظ التجارب السابقة أن معدلات رد فعل على نطاق والميداني عادة أوامر من حجم أقل القياسات مفاعل الدفعة التجريبية 18، 19. التجوية، heterogene المعدنيةإيتي، والاختلاط غير مكتمل في مجال تدفق غير متجانسة والتفسيرات المحتملة لهذه الظاهرة. ومع ذلك، فإنه ليس من الممكن تقييم أهم العوامل دون الملاحظة المباشرة من مساحة المسام المتطورة خلال رد فعل. وبالتالي، هناك حاجة التجارب المسام النطاق الديناميكي لتقديم كل الأفكار إلى التفاعل بين النقل والتفاعل وللتحقق من صحة النماذج التنبؤية.
طريقة تجريبية أنشئت لدراسة العمليات المسام النطاق في تطبيقات تخزين الكربون هو الأشعة السينية مجهري (μCT) 20، 21. μ-CT ديه العديد من الفوائد: أنه يحقق دقة مكانية عالية من أسفل إلى حوالي 1 ميكرون، فمن غير الغازية، وتوفر صورا ثلاثية الأبعاد. وقد درس حل الحجر الجيري في صميم (~ سم) حجم 22 ووجد أن رد فعل الصخور محلول ملحي يزيد التباين البدني. لتعزيز فهم ر كيف مختلفةransport ورد فعل الظروف تغير الهياكل الصلبة والمسام معقدة من الضروري قياس التغيرات رد فعل يتسبب في الهندسة المسام الفضاء، والطوبولوجيا وتتدفق في أنظمة الصخور تحت سطح الأرض في درجات حرارة الخزان والضغوط وبدقة أعلى، للتحقيق في التفاصيل pore- العمليات على نطاق و. وتصف هذه الورقة وسيلة لدراسة العمليات حل رد الفعل في الصخر مع الهياكل المسام معقدة والتركيز على قياس الوقت ومعدل التفاعل يعتمد مكانيا بين الماء المالح -acidified CO 2 والصخور الكلسية في ظروف المكمن.
كانت هناك العديد من الدراسات التي بحثت في رد فعل في كربونات المعقدة 23، 24، 25، 26، 27، ولكن نظرا لضيق التجريبية أو التصوير أنها كانت إما محدودة إلى ما قبل ورد فعل آخر الصور أو لم تكتملفي الظروف تحت السطحية التمثيلية. مينكي وآخرون. 28 كان أداء ديناميكي في مجال التصوير الموقع من التفاعل بين محلول -acidified CO 2 و Ketton الحجر الجيري في نطاق المسام على مدى عدة ساعات وعند درجة حرارة وضغط ممثل لطبقة المياه الجوفية في حوالي 1 كم في العمق. ومع ذلك، Ketton هو صخرة متجانسة نسبيا مع الحبوب الكبيرة التي من السهل أن الصورة في وقت قصير جدا (~ 17 دقيقة)، ومع بعض التوقعات (~ 400). معظم الصخور كربونات هياكل المسام المعقدة التي تتطلب العديد من التوقعات إلى حل بدقة التي يمكن أن تكون عملية مكثفة الوقت ذاته باستخدام التقليدية μ-CT – إما مع شعاع أحادي اللون في مصدر السنكروترون أو مع مقعد بين كبار الماسحات الضوئية للأشعة السينية. وبالتالي، هناك حاجة إلى طريقة سريعة من التصوير المقطعي لرؤية التغيرات رد فعل يتسبب في الكربونات غير متجانسة بشكل حيوي.
مقدار الوقت الذي يستغرقه لصورة يتم التحكم عينة من تدفق عشرالبريد الأشعة السينية المصدر. أسلوب واحد من المسح الضوئي بسرعة هو استخدام شعاع متعدد الألوان من مصدر السنكروترون 20. هذا ما يسمى "الوردي شعاع" يوفر أوامر من حجم الضوء أكثر كثافة من مصادر المقعد العلوي، وبالتالي الصور التي يمكن اتخاذها في الثاني عشرات من بدلا من جداول زمنية ساعة. وundulator التي تتكون من هيكل الدوري للمغناطيس ثنائي القطب تنتج شعاع الوردي. اضطر شعاع الالكترون على الخضوع التذبذبات كما تقطع المغناطيس ونتيجة لذلك يشع الطاقة. الطاقة المنتجة تتركز على تضييق العصابات الطول الموجي وقوية جدا. ثم يتم استخدام المرايا والمرشحات لتضييق طيف الضوء لتناسب احتياجات التجريبية. مرايا امتصاص الطيف ذات الطاقة العالية بينما تمتص مرشحات طاقات أقل. ولذلك فمن الممكن لتضييق الطيف إلى الفرقة المطلوب من الإشعاع فقط باستخدام هذه الأدوات.
ومع ذلك، باستخدام هذه الشديد تدفق الأشعة السينية لا يخلو من التحديات. اليتم امتصاص أقل للطاقة الأشعة السينية من الطيف الوردي شعاع من العينة على شكل حرارة. هذا يمكن أن تتداخل مع التحكم في درجة الحرارة لفي جهاز الموقع وتسبب CO 2 إلى exsolve من حل 20. CO 2 محلول ملحي -saturated حساس جدا للحرارة والضغط وبالتالي تغيير طفيف في التوازن الحراري يمكن أن تتغير بشكل كبير من درجة الحموضة في السائل في الموقع 5. وبالتالي، يجب أن تدمج تصميم ومراقبة العناصر متأنية لطيف الأشعة السينية في معدات خط شعاع قبل التصوير.
تنتج التصوير المقطعي سريع أيضا على كمية هائلة من البيانات بمعدلات عالية. القيود المفروضة على قراءة البيانات الخروج من الكاميرا والتخزين اللاحق توفر التحدي التكنولوجي الكبير. والتغلب على بعض هذه من خلال اتخاذ عدة بمسح متتالية وتخزينها على ذاكرة الكاميرا قبل قراءتها إلى خوادم البيانات الخارجية. ومع ذلك، وهذا يتطلب أن تكون التجربة relatiباختصار vely باعتبارها ذاكرة الكاميرا يمكن أن تعقد سوى حجم محدود من البيانات. Binning البيانات الموجودة على الكاميرا كما يقلل وقت نقل لأنه يقلل من حجم البيانات التي تحتاج إلى نقلها، لكنه لا يملك القدرة على تقليل جودة الصور. بدلا من ذلك، يمكن نقل البيانات من الكاميرا بعد كل فحص قبل بدء المقبل، الأمر الذي سيزيد من الوقت الإجمالي بين بالاشعة. استخدمت هذه الدراسة المنهج الأخير مع كل الحصول على الصور اتخاذ ~ 45 ثانية وقراءة البيانات من أخذ إضافية ~ 30 ثانية.
عند اتخاذ اجراء الفحوصات بمعدل مرتفع، يجب أن المرحلة عينة تدور أسرع بكثير من المسح التقليدي، وبالتالي فإن الضغط الزاوي المحتملين على حامل الأساسي هو عظيم. من ألياف الكربون، في حين أن الأشعة السينية شفافة، مرنة عندما أكد. اذا كانت هذه التحركات عينة خلال الحصول على الصور ضوح الصورة يمكن أن يحدث. تم تصميم حامل كم الأساسية أن تكون قصيرة قدر الإمكان للتخفيف من حدة هذه الضغوط المحتملة. بالإضافة إلى ذلك، البولي مرنةإيه كيتون الأثير تم استخدام (نظرة خاطفة) أنابيب على جميع عناصر الأجهزة التجريبية إلى مرحلة قريبة بحيث كانت المرحلة حرة للتدوير. عيب واحد من استخدام أنابيب نظرة خاطفة هو أنه نفاذية إلى CO 2 على فترات زمنية ناشر. وسوف تصبح السوائل المقيمين في خطوط لفترات طويلة تدريجيا مشبع على مدى نحو 24 ساعة. كان كل الخطوط التي لم تكن بالقرب من حامل الأساسية من الفولاذ المقاوم للصدأ، وكان السائل في مفاعل إضافة إلى السبائك مختلط بقوة تسخينها والضغط لظروف تجريبية 23، 29، 30 معايرتها مسبقا.
ويصور جهاز تجريبي في الشكل 1. والحفاظ على درجة حرارة الخزان في حامل الأساسية عن طريق لف الجزء الخارجي من الغلاف في الأشعة السينية التدفئة الشريط شفافة وإدخال الحرارية عن طريق ميناء شعاعي من الخلية وفي السائل حصر. ولا يتجزأ D النسبيerivative (PID) وحدة تحكم ثم ينظم درجة الحرارة إلى حدود 1 ° C. تم الابقاء على ظروف الضغط والتدفق باستخدام ثلاث مضخات الحقن ذات الضغط العالي التي هي دقيقة لمعدل تدفق 0.001 مل / دقيقة. واستخدمت اثنين من الأملاح لهذه التجربة، واستيعاب غاية 25٪ بالوزن KI محلول ملحي خامل وأدنى امتصاص 1٪ بالوزن بوكل، 5٪ بالوزن كلوريد الصوديوم محلول ملحي على رد الفعل. ويجعل الفرق في تخفيف من السهل أن نرى وصول الماء المالح على رد الفعل في جوهر جعل حسابات حجم الميتة لا لزوم لها.
الخطوات الأكثر أهمية للتصوير الحيوي من رد فعل في الهياكل المسام غير متجانسة في ظروف الخزان هي: 1) التحكم في درجة الحرارة دقيقة للخلية داخل شعاع وردي. 2) الاستقرار حامل ناجحة الأساسية على المسرح تتحرك بسرعة. 3) تقنيات كفاءة معالجة البيانات والتخزين؛ و4) تجزئة فعالة من الصور وقت حل.
التحكم في درجة الحرارة ضرورية للتصوير حالة الخزان باستخدام شعاع الوردي. إذا ارتفعت درجة الحرارة فوق درجة حرارة المفاعل، سوف CO 2 exsolve في الفضاء المسام وكلا تغيير الرقم الهيدروجيني للمحلول ملحي وإنشاء العقد من ثاني أكسيد الكربون فوق الحرجة 2 في مساحة المسام التي يمكن أن تغير طبيعة حل 44. استخدام الفلاتر لامتصاص الأشعة السينية انخفاض الطاقة أمر بالغ الأهمية لإزالة هذا التوتر درجة الحرارة الإضافية التي تسمح الحرارية والتفاف التدفئة إلى التحكم في درجة الحرارة بشكل فعال خارجيا. ومع ذلك، والمرشحات تقلل منإجمالي إنتاجية الطاقة من شعاع، وبالتالي يجب أن تستخدم لماما حتى لا زيادة كبيرة في إجمالي اكتساب الوقت. وعلاوة على ذلك، نوع الفلتر وسمك يجب أن يكون متلائما مع موجات الطاقة النوعية والإنتاجية للخط شعاع.
صاحب الأساسية يخضع لضغوط الدوران والاهتزاز أثناء التصوير المقطعي الاستحواذ التي يمكن أن تسبب كم من ألياف الكربون لزعزعة خلال مرحلة التناوب وطمس التوقعات. للحد من هذه الإمكانات، تم تصميم حامل الأساسية كما قصيرة الأكمام 6 سم للاستخدام في مسرع دوراني تزامني. وهذا من شأنه كم لا تكون مواتية للاستخدام مع أعلى مقاعد البدلاء والماسحات الضوئية، والتركيبات نهاية الصلب سوف تمنع تقليل المسافة مصدر العينة والتكبير الهندسي. ومع ذلك، مع مصدر الضوء مواز هذه ليست المخاوف.
كل فحص تصوير الشعاعي الطبقي اتخذت في سلسلة يمكن أن يكون حجم أكثر من 20 غيغابايت وهذا يعني أن سلسلة من 100 بالاشعة سيكون 2 تيرابايت في الحجم. عند اتخاذ العديد من يمسح على التوالي خامسة جداckly كل من عرض النطاق الترددي الصك وخيارات التخزين توفر تحديات كبيرة لإدارة البيانات. يجب أن يتم تصميم أجهزة التصوير التجريبي مع هذه القيود في الاعتبار وذلك لتحقيق الكامل لإمكانات ديناميكية التصوير المقطعي سريع. يجب تحديد الاختناقات نقل البيانات قبل بدء التجربة والبنية التحتية لتكنولوجيا تكييفها بحيث قضايا مثل الكاميرا قراءة خارج السرعة، سرعة نقل وتخزين سرعة الكتابة لا تحول دون سرعة إمكانية الاستحواذ.
تجزئة فعالة من الصور وقت حل من حل يوفر تحديا. عندما يؤخذ مسح تصوير الشعاعي الطبقي في تغيير النظام حواف الحدود الصلبة والسائلة يمكن أن تصبح غير واضحة. هذا التمويه يجعل تقنيات تجزئة التقليدية مثل مستجمعات المياه، والتي تعمل على افتراض أن الحدود ستكون المناطق وفقا لأعلى توهين التدرج، ناهيك عن النجاح. لتجنب هذا، كانت الصورة اختلاف unreacيتم احتساب تيد وكان رد فعل الصور التي تقدم صورة من المناطق الوحيدة للتغيير. وتسمح هذه الطريقة لتجزئة الناجحة للبنية المسام المتغيرة باستمرار.
السنكروترون التصوير المقطعي سريع إلى جانب جهاز مقياس الخزان هو المنهج التجريبي القوية التي يمكن تكييفها لاستكشاف مجموعة واسعة من التطبيقات بما في ذلك العمليات المتعددة المراحل التدفق، وحركة الهواء الأفقية والتشتت، ونقل في وسائل غير متجانسة كيميائيا. ومع ذلك، يقتصر الجهاز الحالي إلى حل وقت بناء على أمر من ثانية، تجارب على مرحلة واحدة، وأحجام عينة صغيرة. ويمكن أن تشمل ترقيات تصميم المستقبل مضخات إضافية للقدرات على ثلاث مراحل، وزيادة تدفق لتكون قادرة على اختراق وسائل أكبر، وتقنيات إعادة الإعمار أفضل التي تسمح لعدد أقل من التوقعات التي يتعين اتخاذها في المسح، ونهج متعدد المتغيرات إلى الحصول على الصور وتنويع قطاعات التي يمكن أن تزيد من تحسين المعلومات عمق واتساع نطاقها، ودقة.
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 |