טומוגרפיה מהר Synchrotron שמשה פירוק גיר תמונה דינמית בנוכחות מלח -saturated 2 CO בתנאי מאגר. 100 סריקות נלקחו ברזולוציה 6.1 מיקרומטר על פני תקופה של 2 שעות.
קביעות אחסון תת קרקעיות היא חשש עיקרי עבור לכידה ואחסון פחמן. לשואב CO 2 לתוך מאגרי קרבונט יש הפוטנציאל לפזר חותמות גיאולוגיות ולאפשר 2 CO לברוח. עם זאת, תהליכי הפירוק בתנאי מאגר הם הבינו היטב. לפיכך, ניסויי זמן נפתר נדרשים להתבונן לחזות את האופי וקצב הפירוק בקנה המידה הנקבובי. טומוגרפיה מהר Synchrotron היא שיטה של לקיחת תמונות ברזולוציה גבוהה זמן לפתור מבנים נקבוביים מורכבים הרבה יותר מהר מאשר μ-CT המסורתית. Lightsource יהלום ורוד Beam שימש פירוק התמונה באופן דינמי של גיר בנוכחות CO 2 מלח -saturated בתנאי מאגר. 100 סריקות נלקחו ברזולוציה 6.1 מיקרומטר על פני תקופה של 2 שעות. התמונות היו מפולחות הנקבובית והחדיר נמדדו באמצעות ניתוח תמונה והפקת רשת. נקבובי מוגבר באופן אחיד לאורך length של המדגם; עם זאת, קצב הגידול של שני נקבוביות וחדירות האט בתקופות מאוחרות יותר.
אחת בעיות מרכזיות של לכידת פחמן האחסון (CCS) היא אבטחת 1 אחסון לטווח ארוך, 2. פחמן דו-חמצנים, CO 2, המוזרק מתחת לפני הקרקע יתמוססו ב התמלחת המארחת ויוצרים פחמן דו חמצני 3, 4, 5. יש מלח חומצי זה יש פוטנציאל להגיב עם ולמוסס הסלע שמסביב, בייחוד אם הסלע המארח הוא גיר 6. פירוק יכול להיות חיובי ולאפשר חדירות היווצרות המשך 7 ואחסון יותר קביעות 8. עם זאת, שלמות חותם גיאולוגית עלולה לסכן ידי פירוק זו ולאפשר 2 CO להגר אל פני השטח 9. דוגמנות חזויה מדויקת של קביעות אחסון לפיכך תלוי פירוק הבנה מלאה במערכת מלח-רוק ואת ההפצהשיעור תנועת נוזל מתחת לפני הקרקע 10, 11, 12.
עם זאת, האופי וקצב הפירוק ב קרבונטים תלוי הוא את המאפיינים של המלח 13, 14, 15, 16 ו מארח הרוק 17. שיעורי הפירוק הם גם תלויים מאוד על טמפרטורת מלח ולחץ 6, מה שהופכים את הפיתוח של טכניקות ניסוי למדידת תהליכים תלויי זמן מורכב בתנאי מאגר נציג חיוניים.
ניסויים קודמים מצאו כי שיעורי התגובה שדה בקנה מידה הם בדרך כלל סדרי גודל נמוך יותר מאשר מדידות אצווה כור ניסיוני 18, 19. heterogene בליה, מינרליםity, ערבוב שלם בשדה זרימה הטרוגנית הם הסברים אפשריים לתופעה זו. עם זאת, לא ניתן להעריך את הגורמים המשמעותיים ביותר ללא תצפית ישירה של הנקבוביות המתפתחת במהלך התגובה. לפיכך, ניסויים נקבוביים בקנה מידה דינמיים נדרשים לספק הוא תובנה הגומלין בין התחבורה ותגובה לאמת מודלים חזויים.
שיטה ניסיונית הוקמה לחקר תהליכים בקנה מידה נקבובי יישומי אחסון הפחמן היא microtomography רנטגן (μCT) 20, 21. μ-CT יש מספר יתרונות: היא משיגה החלטות מרחבית גבוהה של עד כ 1 מיקרומטר, זה אינו פולשני, ומספק תמונות תלת ממדיות. פירוק גיר נחקר בליבה (~ הסנטימטר) בהיקף 22 וזה נמצא כי תגובת רוק-מלח מגביר ההטרוגניות פיזית. כדי לקדם את ההבנה של איך לא שונהתנאי ransport והתגובה לשנות את המבנים מוצקים נקבוביים המורכבים יש צורך למדוד שינויי מושרה תגובה בגיאומטריה נקבובי חלל, טופולוגיה וזרימה במערכות סלע מתחת לפני קרקע בטמפרטורות מאגר ולחצים ברזולוציה גבוהה יותר, כדי לחקור בפירוט pore- תהליכים בקנה מידה. מאמר זה מתאר שיטה של לימוד תהליכי פירוק תגובתי רוק עם מבנים נקבוביים מורכבים להתמקד מדידת זמן קצב תגובה תלויה מרחבית בין מי מלח 2 CO -acidified וסלע גיר בתנאי מאגר.
היו כמה מחקרים שבחנו תגובה קרבונטים מורכב 23, 24, 25, 26, 27, אך בשל אילוצים ניסיוניים או הדמיה הם היו או מוגבלים מראש ותגובה פוסט תמונות או לא הושלמובתנאים תת קרקע נציג. Menke et al. 28 בצעו דינמי הדמיה באתרו של תגובה בין מי מלח CO 2 -acidified ואבן גיר Ketton בקנה המידה הנקבובי על פני תקופה של כמה שעות בבית נציג טמפרטורה ולחץ של אקוויפר בכ 1 קילומטר לעומק. עם זאת, Ketton הוא סלע הומוגנית יחסית עם דגנים גדולים כי הוא קל תמונה בתוך זמן קצר מאוד (~ 17 דקות) ועם כמה תחזיות (~ 400). יש מבנים נקבוביים מורכבים ביותר הסלעים קרבונט הדורשים תחזיות רבות לפתור במדויק אילו יכול להיות תהליך אינטנסיבי מאוד זמן באמצעות μ-CT המסורתית – גם עם קרן מונוכרומטי ב מקור synchrotron או עם סורקי רנטגן ספסל עליונים. לפיכך, שיטה מהירה של טומוגרפיה יש צורך לראות שינויי מושרה תגובת קרבונטים הטרוגנית באופן דינמי.
משך הזמן שנדרש כדי תמונת מדגם נשלט על ידי השטף של הדואר מקור רנטגן. שיטת סריקה אחת היא במהירות להשתמש הקורה הצבעוני של מקור סינכרוטרון 20. זה מה שנקרא 'Pink Beam' מספק סדרי גודל יותר אור חזק יותר מאשר מקורות הספסל העליון ולכן ניתן לצלם תמונות על עשרות-של-השני ולא סולמות זמן שעה. Undulator שמורכבת מבנה תקופתי של מגנטים דיפול מייצרת את Beam ורוד. אלומת האלקטרונים נאלצת לעבור תנודות כפי שהוא חוצה את המגנטים וכתוצאה מכך מקרין אנרגיה. האנרגיה המופקת מרוכזת לרצועות צרות אורך גל הוא מאוד אינטנסיבי. מראות ומסננים משמשים לאחר מכן כדי לצמצם את הספקטרום של אור כדי להתאים לצורכים ניסיוניים. מראה לספוג את ספקטרום האנרגיה הגבוהה תוך מסננים לספוג את באנרגיות נמוכות. לכן אפשר לצמצם את הספקטרום ללהקה הרצויה של קרינה באמצעות רק בכלים אלה.
עם זאת, באמצעות שטף רנטגן אינטנסיבי זה לא בלי האתגרים שלה. הצילומי רנטגן אנרגיה נמוך יותר של הספקטרום הוורוד Beam נקלט על ידי המדגם כחום. זה יכול להפריע בקרת הטמפרטורה של במנגנון באתר ולגרום 2 CO כדי exsolve מפתרון 20. CO 2 מלח -saturated רגיש מאוד הן חום ולחץ ולכן שינוי קטן בשיווי משקל תרמי יכול לשנות את ה- pH משמעותי של באתרו נוזל 5. לפיכך, אלמנטים עיצוביים ובקרה קפדנים על ספקטרום רנטגן חייבים להיות משולבים בתוך ציוד קורה הקו לפני ההדמיה.
טומוגרפיה מהיר גם מייצר כמות עצומה של נתונים בקצב גבוה. המגבלות של נתונים קריאים ממצלמת האחסון הבא לספק אתגר טכנולוגי משמעותי. חלקם להתגבר על זה על ידי לקיחת סריקות רצופות כמה ואחסונם על הזיכרון של המצלמה לפני שאתם מקריאים אותם לשרתי נתונים חיצוניים. עם זאת, זה דורש כי הניסוי להיות relatively קצר כמו זיכרון המצלמה יכולה להחזיק נפח סופי רק של נתונים. Binning הנתונים על המצלמה גם מפחית העברת זמן כפי שהיא מקטינה את נפח הנתונים צורך להיות מועברים, אך יש לו את הפוטנציאל להפחית את איכות התמונות. לחלופין, את הנתונים ניתן להעביר את המצלמה לאחר כל סריקה לפני תחילת הבא, אשר יגדיל את סך כל הזמן בין סריקות. מחקר זה השתמש השיטה השנייה עם כל רכישת תמונה לוקחת ~ 45 שניות ונתונים לקרוא את הנטילה ~ 30 s נוספים.
כאשר לוקחים סריקות בקצב גבוה, במת המדגם חייבת להסתובב הרבה יותר מהר מאשר עם סריקה מסורתית ולכן לחץ הפוטנציאל זוויתי על בעל הליבה הוא נהדר. סיבי פחמן, בעוד רנטגן שקוף, הוא גמיש כאשר הדגיש. אם המהלכים המדגמים במהלך טשטוש תמונת רכישת תמונה יכולים להתרחש. השרוול בעל הליבה נועד להיות קצר ככל האפשר כדי להקטין מדגיש הפוטנציאלי אלה. בנוסף, פוליאתילן גמישאה קיטון אתר (פיק) צינורות שמשו על כל האלמנטים של מנגנון ניסיוני הקרוב לבמה כך שהשלב היה חופשי לסובב. חסרון אחד של שימוש צינורות צצים הוא שזה חדיר ל- CO 2 על לוחות זמנים מתרחבים. נוזל מתגוררי הקווים לתקופות ארוכות יהפוך desaturated בהדרגה על פני תקופה של כ -24 שעות. כל הקווים שלא היו ליד בעל הליבה היו עשויים נירוסטה והנוזל היה מראש equilibrated בכור Hastelloy המעורב במרץ מחומם בלחץ תנאי ניסוי 23, 29, 30.
הציוד המשמש לניסויים מתואר באיור 1. טמפרטורת מאגר נשמרה בעל הליבה על ידי לפפת את החלק החיצוני של שרוול קלטת חימום שקוף רנטגן והחדרת תרמי דרך יציאת הרדיאלי של התא לנוזל הכליאה. פרופורציוני Integral Dבקר erivative (מח"ש) מוסדר אז הטמפרטורה בתוך 1 מעלות צלזיוס. תנאי לחץ וזרימה היו מתוחזקים באמצעות שלוש משאבות מזרק הלחץ הגבוה שאינן מדויקות כדי קצב הזרימה של 0.001 מ"ל / דקה. שני מלחים שימשו הניסוי, סופג מאוד 25% wt KI מלח ובלתי-ו לשפל קליטת 1% wt KCl, 5% wt מלח תגובתי NaCl. ההבדל הנחתה עשה את זה קל לראות את הגעתם של מלח תגובתי הליבה ביצוע חישובי נפח מת מיותרת.
השלבים הקריטיים ביותר עבור הדמיה דינמית של תגובה במבנים נקבוביים הטרוגניות בתנאי מאגר הם: 1) בקרת טמפרטורה מדויקת של התא בתוך קרן ורוד; 2) יציבות בעל ליבה מוצלחת על במה זז מהר; 3) טכניקות עיבוד ואחסון נתונים יעילות; ו -4) פילוח יעיל של תמונות זמן נפתר.
בקרת טמפרטורת הגוף חיונית הדמיה מצב המאגר באמצעות קרן ורוד. אם הטמפרטורה עולה מעל הטמפרטורה בכור, CO 2 יהיה exsolve במרחב הנקבובי הוא לשנות את ה- pH של המלח וליצור גרעינים של הסופר הקריטי CO 2 במרחב הנקבובי שיכול לשנות את אופי הפירוק 44. השימוש במסננים כדי לספוג את קרן ה- X אנרגיה הנמוכה יותר הוא קריטי עבור הסרת לחץ טמפרטורה נוספת זה המאפשר תרמי ו לעטוף חימום לשלוט בטמפרטורה ביעילות חיצונית. עם זאת, מסנן להוריד אתתפוקת אנרגיה כוללת של הקורה ולכן יש להשתמש במשורה כדי לא להגדיל באופן משמעותי את זמן רכישה הכולל. יתר על כן, סוג המסנן ועובי חייב להיות מותאם אורכי גל אנרגיה הספציפיים תפוקה של הקו הקורה.
בעל הליבה עובר מדגיש סיבוב ורעידות במהלך רכישת טומוגרפיה שיכולה לגרום השרוול הסיבי פחמן לרעוד במהלך סיבוב הבמה לטשטש את התחזיות. כדי למזער את הפוטנציאל הזה, בעל הליבה נועד לשמש שרוול 6 ס"מ קצרים לשימוש בבית synchrotrons. שרוול זה לא יהיה נוח לשימוש עם סורקים גבי ספסל, כמו אבזרי קצה פלדה שיעכבו מזעור המרחק המקור-מדגם והגדלה גיאומטרית. עם זאת, עם מקור מקביל אור אלה אינם חששות.
כל סריקה טומוגרפית נלקחה בסדרה יכולה להיות גודל של מעל 20 GB כלומר סדרה של 100 סריקות תהיה 2 TB בגודל. כאשר לוקחים סריקות רבות ברציפות מאוד quickly היא את רוחב פס המכשיר ואפשרויות אחסון מספקים אתגרי ניהול נתונים משמעותיים. מנגנון ההדמיה הניסיוני חייב להיות מתוכנן עם אילוצים אלה בחשבון כדי לממש את פוטנציאל ההדמיה הדינמי לחלוטין של טומוגרפיה מהר. צווארי בקבוק העברת נתונים חייבים להיות מזוהה לפני תחילת הניסוי ואת התשתית הטכנולוגית המותאמת כך בנושאים כמו מצלמה לקרוא את מהירות, רוחב פס העברה, ומהירות כתיבת אחסון לא לעכב פוטנציאל מהירות רכישה.
פילוח אפקטיבי של תמונות הזמן נפתר התפרקות מספק אתגר. כאשר סריקה טומוגרפית נלקח במערכת שינוי הקצוות של הגבול מוצק נוזלי יכול מיטשטשים. טשטוש זה עושה טכניקות פילוח מסורתיות כגון פרשת מים, אשר עובד על ההנחה כי הגבולות יהיו האזורים עם שיפוע ההנחתה הגבוה ביותר, הרבה פחות מוצלחת. כדי לעקוף זאת, תמונת הבדל של unreacתמונות טד והגיב מחושב המספק תמונה של אזורים בלבד של שינוי. שיטה זו מאפשרת פילוח מוצלח של המבנה הנקבובי משתנה ללא הרף.
טומוגרפיה מהר Synchrotron בשילוב עם מנגנון בקנה מידה המאגר היא שיטה ניסיונית עוצמה שיכול להיות מותאם כדי לבחון מגוון של יישומים, כולל תהליכי זרימה רב שלבית, advection דוחי, והתחבורה מדיומים הטרוגנית מבחינה כימית. עם זאת, המנגנון הנוכחי מוגבל לרזולוציה זמן בסדר גודל של שניות, ניסויים חד פאזיים, וגדלים מדגם קטן. שדרוגי עיצוב עתידיים עשויים לכלול משאבות נוספות יכל תלת פאזיים, הגדלת שטף כדי להיות מסוגל לחדור מדיומים גדולים, טכניקות שחזור טובות יותר המאפשרות תחזיות פחות להילקח לכל סריקה, וגישות רבות משתני רכישת תמונה ופילוח שיכול לשפר עוד יותר מידע עומק, רוחב, ודיוק.
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 |