Synchrotronbestrålingscenter hurtigt tomografi blev anvendt til dynamisk billede opløsning af kalksten i nærværelse af CO 2-mættet saltlage ved reservoirbetingelser. 100 scanninger blev taget på et 6,1 um opløsning over en periode på 2 timer.
Underjordisk lagring bestandighed er et stort problem for opsamling og lagring. Pumping CO 2 til carbonatreservoirer har potentiale til at opløse geologiske forseglinger og tillade CO2 at undslippe. Imidlertid er opløsningsprofilerne processer på reservoirbetingelser dårligt forstået. Således er der behov tidsopløste eksperimenter for at observere og forudsige arten og opløsningshastigheden ved poreskalaen. Synchrotronbestrålingscenter hurtigt tomografi er en metode til at tage høj opløsning tidsopløste billeder af komplekse porestrukturer meget hurtigere end traditionelle μ-CT. Diamond Lyskilde Pink Beam blev anvendt til dynamisk billede opløsning af kalksten i nærværelse af CO 2-mættet saltlage ved reservoirbetingelser. 100 scanninger blev taget på et 6,1 um opløsning i en periode på 2 timer. Billederne blev segmenteret og porøsitet og permeabilitet blev målt ved anvendelse af billedanalyse og netværk ekstraktion. Porøsitet steg jævnt langs length af prøven; Men stigningstakten for både porøsitet og permeabilitet bremset på senere tidspunkter.
En stor bekymring for kulstofopsamling og -lagring (CCS) er langtidsopbevaring sikkerhed 1, 2. Kuldioxid, CO 2, injiceres i undergrunden vil opløses i værten saltvand og danner kulsyre 3, 4, 5. Denne sure saltopløsning har potentiale til at reagere med og opløse omgivende bjergarter, især hvis værten rock er kalksten 6. Opløsning kan være gunstigt og give mulighed for fortsat dannelse permeabilitet 7 og større opbevaring permanens 8. Dog kan geologiske sæl integritet blive kompromitteret af denne opløsning og tillade CO 2 til at migrere til overfladen 9. Nøjagtig prædiktiv modellering af storage bestandighed er således afhængig af fuldt forståelse opløsning i saltlage-rock-system og fordelingen oghastigheden af fluidbevægelse i undergrunden 10, 11, 12.
Men arten og opløsningshastigheden i carbonater afhænger både egenskaberne af saltlagen 13, 14, 15, 16 og værten sten 17. Opløsningshastighederne er også stærkt afhængig af saltvand og -tryk 6, hvilket gør udviklingen af eksperimentelle teknikker til måling af komplekse tidsafhængige processer på repræsentative reservoirbetingelserne vitale.
Tidligere forsøg har observeret, at felt-skala reaktionshastigheder er typisk størrelsesordener lavere end eksperimentelle batch reaktor målinger 18, 19. Vejrlig, mineralske heterogenehed, og ufuldstændig blanding i en heterogen flow felt er mulige forklaringer på dette fænomen. Det er imidlertid ikke muligt at vurdere de væsentligste faktorer uden direkte observation af udviklingen porevolumen under reaktion. Således er dynamiske eksperimenter pore skala forpligtet til at give både indsigt i samspillet mellem transport og reaktion og at validere prognosemodeller.
En etableret eksperimentel metode til at studere pore skala processer i kulstoflagring applikationer er X-ray microtomography (μCT) 20, 21. μ-CT har flere fordele: det opnår høje rumlige opløsninger af ned til omkring 1 um, det er ikke-invasiv, og tilvejebringer tredimensionale billeder. Opløsning Kalksten er blevet undersøgt på kernen (~ cm) skala 22, og det blev konstateret, at klippe-saltlage reaktion øger fysisk heterogenitet. For at fremme forståelsen af, hvordan forskellige transport og reaktionsbetingelser ændre komplekse solide og pore strukturer er det nødvendigt at måle reaktionen forandringer i pore-space geometri, topologi og flow i underjordiske klippeformationer systemer ved reservoir temperaturer og tryk og ved en højere opløsning, at undersøge i detaljer pore- skala processer. Dette papir beskriver en metode til at studere reaktive opløsningshastigheder processer i rock med komplekse porestrukturer og fokusere på at måle den tid og rumligt afhængig reaktionshastighed mellem en CO 2 -acidified saltvand og kalksten ved reservoirbetingelser.
Der har været flere undersøgelser, der har kigget på reaktion i komplekse carbonater 23, 24, 25, 26, 27, men på grund af eksperimentelle eller billedbehandling begrænsninger, de har været begrænset til enten pre og post reaktion billeder eller ikke blev afsluttetpå repræsentative underjordiske betingelser. Menke et al. 28 har udført dynamisk in situ-afbildning af reaktion mellem en CO 2 -acidified saltvand og Ketton kalksten ved poreskalaen over en periode på flere timer, og ved en temperatur og tryk repræsenterer et vandførende lag på ca 1 km i dybden. Men Ketton er en relativt homogen rock med store korn, der er let at afbilde i meget kort tid (~ 17 min) og med få fremspring (~ 400). De fleste kalksten har komplekse pore strukturer, der kræver mange fremskrivninger til præcist løse hvilket kan være en meget tidskrævende proces ved hjælp af traditionel μ-CT – enten med en monokromatisk stråle mod en synkrotron kilde eller med bench-top røntgen-scannere. Således er der behov for en hurtig metode til tomografi at se reaktionsprodukter-inducerede ændringer i heterogene carbonater dynamisk.
Den tid, det tager at billedet en prøve er kontrolleret af fluxen af the X-ray kilde. En fremgangsmåde til scanning hurtigt er at bruge polykromatiske stråle af en synkrotron kilde 20. Denne såkaldte 'Pink Beam' giver størrelsesordener mere intens lys end bench-top kilder, og derfor kan tages billeder på TEN-of-sekunder i stedet for timer tidshorisonter. En undulatoren der består af en periodisk struktur af dipolmagneter producerer Pink Beam. Elektronstrålen tvinges til at undergå svingninger, idet det passerer magneterne og som en konsekvens udstråler energi. Den producerede energi koncentreres at indsnævre bølgelængdebånd og er meget intens. Spejle og filtre anvendes derefter til at indsnævre spektrum af lys, der passer eksperimentelle behov. Spejle absorbere høj energi spektrum, mens filtre absorberer de lavere energier. Det er derfor muligt at indsnævre spektrum til det ønskede bånd af stråling kun bruge disse værktøjer.
Men ved hjælp af denne intense røntgen flux er ikke uden udfordringer. Detlavere energipriser røntgenbilleder af Pink Beam spektrum absorberes af prøven som varme. Dette kan interferere med temperaturstyring af in situ apparatet og forårsage CO2 til exsolve fra opløsning 20. CO 2-mættet saltopløsning er meget følsom over for både varme og tryk og derfor en lille ændring i termisk ligevægt kan signifikant ændre pH i in situ væske 5. Således må omhyggelig udformning og kontrolelementer for røntgenspektret inkorporeres i stråleledningen udstyr forud for billeddannelse.
Hurtig tomografi producerer også en stor mængde data i et højt tempo. Begrænsningerne af data aflæst ud fra kameraet og efterfølgende opbevaring giver en betydelig teknologisk udfordring. Nogle har overvundet dette ved at tage flere på hinanden følgende scanninger og lagre dem på kameraets hukommelse, før du læser dem til eksterne data-servere. Dette kræver dog, at forsøget være relatiholdsvis kort som kameraets hukommelse kan kun holde en begrænset mængde data. Udsmidningen af data på kameraet reducerer også transfer tid, da det reducerer mængden af data, der kræver at blive overført, men det har potentiale til at reducere kvaliteten af billederne. Alternativt kan dataene overføres fra kameraet efter hver scanning, før du starter den næste, hvilket vil øge den samlede tid mellem scanninger. Denne undersøgelse sidstnævnte metode anvendes med hver billedoptagelse tager ~ 45 sekunder og data læst fra at tage yderligere ~ 30 s.
Når der tages scanninger ved en høj hastighed, skal prøven fase spinde meget hurtigere end med traditionelle scanning og derfor mulighed kantet stress på kerneholderen er stor. Kulfiber, mens X-ray transparent, er fleksibel når understregede. Hvis der kan forekomme prøven bevæger sig under erhvervelse image image sløring. Holdermuffen kerne er designet til at være så kort som muligt for at afbøde disse potentielle belastninger. Derudover fleksibel polyethis ether keton (PEEK) slange blev brugt på alle elementer af den eksperimentelle enheder tæt på scenen, så scenen var fri til at rotere. En ulempe ved anvendelse af PEEK rør er, at det er permeabelt for CO 2 på diffusive tidsskalaer. Fluid bosiddende i linjerne i lange perioder vil gradvist blive umættede over et tidsrum på ca. 24 timer. Alle linjer, som ikke var nær kerneholderen var lavet af rustfrit stål og fluidet blev præ-ækvilibreret i en kraftigt blandet Hastelloy reaktoren opvarmet og tryksat til forsøgsbetingelser 23, 29, 30.
Den eksperimentelle apparat er afbildet i figur 1. Reservoir temperatur opretholdes i kerneholderen ved at vikle det ydre af muffen i en X-ray transparent varmebånd og indsætte et termoelement gennem den radiale port af cellen og ind i indespærre fluid. En Proportional Integral Derivative (PID) controller derefter reguleret temperatur inden for 1 ° C. Tryk- og strømningsforhold blev opretholdt ved anvendelse af tre højtryks-sprøjtepumper, der har en nøjagtighed på en strømningshastighed på 0,001 ml / min. To salte blev anvendt til forsøget, et stærkt absorberende 25 vægt% KI ureaktivt saltvand og en lav absorberer 1% wt KCI, 5% wt NaCl reaktiv saltvand. Forskellen i dæmpning gjort det let at se ankomsten af reaktive saltlage i kernen gør døde volumen beregninger unødvendig.
De mest kritiske trin til dynamisk billeddannelse af reaktionen i heterogene porestrukturer på reservoirforhold er: 1) nøjagtig temperaturkontrol af cellens indvendige den lyserøde stråle; 2) vellykket core holder stabilitet på en hurtig bevægelse fase; 3) effektive databehandling og oplagringsteknikker; og 4) effektiv segmentering af tid-løst billeder.
Temperaturstyring er vigtig for reservoir betingelse billeddannelse under anvendelse af en lyserød Beam. Hvis temperaturen stiger til over reaktoren temperatur, vil CO 2 exsolve i pore rum og begge ændrer pH i saltlage og skabe ganglier af superkritisk CO2 i pore plads, der kunne ændre karakteren af opløsning 44. Anvendelse af filtre til at absorbere de lavere energi røntgenstråler er kritisk for at fjerne denne yderligere temperaturstress som tillader termoelement og opvarmning wrap til effektivt at kontrollere temperaturen eksternt. Imidlertid filtre sænkesamlede energiforbrug gennemløb af strålen og dermed skal bruges sparsomt, så for ikke at øge den samlede erhvervelse tid. Desuden skal filter type og tykkelse skræddersys til de specifikke energi bølgelængder og gennemløb af bjælken linje.
core Indehaveren af undergår roterende og vibrationer belastninger under tomografi erhvervelse, der kan forårsage kulfiber ærme til at ryste under scenen rotation og sløre fremskrivningerne. For at minimere dette potentiale, er kernen indehaveren af designet som en kort 6 cm ærme til brug på synkrotroner. Denne ærme ville ikke være gunstige til brug med bænk top scannere, da stål ende fittings ville hæmme minimering af kilde-prøve afstand og geometrisk forstørrelse. Men med en parallel lyskilde disse ikke bekymringer.
Hver tomografisk scanning taget i en serie kan have en størrelse på over 20 GB således, at en serie på 100 scanninger vil være 2 TB i størrelse. Når du tager mange scanninger i træk meget quickly både instrumentet båndbredde og lagringsmuligheder give væsentlige data ledelsesudfordringer. Den eksperimentelle billeddannende apparat skal være konstrueret med disse begrænsninger i tankerne, så som til at realisere det dynamiske imaging potentiale hurtig tomografi. Dataoverførsel flaskehalse skal identificeres, før du starter eksperimentet og den teknologiske infrastruktur tilpasset således, at spørgsmål såsom kamera aflæses hastighed, overførsel båndbredde og lagring skrivehastighed ikke hæmmer erhvervelse potentielle hastighed.
Effektiv segmentering af tid-løst billeder af opløsning giver en udfordring. Når en tomografisk scanning er taget i et skiftende system, kanterne af fast-væske grænse kan blive sløret. Denne sløring gør traditionelle segmentering teknikker såsom vandskel, som arbejder på den antagelse, at grænserne vil være de regioner med det højeste dæmpning gradient, meget mindre succes. For at omgå dette, at forskellen billedet af unreacTed og reagerede billeder beregnes som giver et billede af kun regioner forandring. Denne metode giver mulighed for en vellykket segmentering af konstant forandring porestruktur.
Synchrotronbestrålingscenter hurtigt tomografi kombineret med et reservoir skala apparat er en kraftfuld forsøgsmetode, der kan tilpasses til at udforske en række anvendelser, herunder flerfasestrømning processer, advektion-dispersion og transport i kemisk heterogene medier. Imidlertid er den nuværende apparat er begrænset til en tid beslutning om rækkefølgen af sekunder, eksperimenter enfasede og små stikprøvestørrelser. Fremtidige design opgraderinger kan indeholde yderligere pumper til trefasede kapaciteter, øge flux for at kunne trænge større medier, bedre genopbygning teknikker der giver mulighed for færre fremskrivninger, der skal træffes pr scan og multivariate tilgange til erhvervelse og segmentering, der yderligere kan forbedre oplysningerne billede dybde, bredde og præcision.
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 |