JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Reservoir Conditie Pore-schaal Beeldvorming van Multiple Fluid fasen met behulp van X-ray Microtomografie

Published: February 25, 2015
doi:
10.3791/52440
, ,
1Department of Earth Science and Engineering,Imperial College London

Summary

We present a methodology for the imaging of multiple fluid phases at reservoir conditions by the use of x-ray microtomography. We show some representative results of capillary trapping in a carbonate rock sample.

Abstract

X-straal tomografie werd gebruikt om het beeld met een resolutie van 6,6 urn, de poriëngrootte schaal opstelling van residuele kooldioxide ganglia in de porie-ruimte van een carbonaatrots bij drukken en temperaturen representatief typische formaties voor CO2 opslag. Chemisch evenwicht tussen de CO 2, pekel en rock fasen werd gehandhaafd met behulp van een hoge druk hoge temperatuur reactor, repliceren voorwaarden ver weg van de plaats van injectie. Vloeistofstroom werd gecontroleerd met behulp van hoge druk hoge temperatuur spuit pompen. Om vertegenwoordiger in-situ-omstandigheden binnen de micro-CT-scanner een koolstofvezel hoge druk micro-CT coreholder werd gebruikt te behouden. Diffusieve CO 2 uitwisseling over het beperken huls van de porie-ruimte van de rots het beperken vloeistof werd voorkomen door de kern omgeeft met een driedubbele wrap aluminiumfolie. Gereconstrueerde pekel contrast werd gemodelleerd met een polychromatische röntgenbron en pekel samenstelling wzoals gekozen voor de drie fase contrast tussen de twee fluïda en de rots maximaliseren. Flexibele stroom lijnen werden gebruikt om de krachten op het monster tijdens de beeldopname te verminderen, wat kan leiden tot ongewenste steekproef beweging, een belangrijke tekortkoming in de voorgaande technieken. Een intern thermokoppel, geplaatst direct naast de rots kern, in combinatie met een externe flexibele verwarming omslag en een PID controller gebruikt om een ​​constante temperatuur binnen de stroomcel handhaven. Aanzienlijke hoeveelheden CO 2 werden gevangen, met een resterende verzadiging van 0,203 ± 0,013, en de maten groter volume ganglia gehoorzamen macht wet distributies, in overeenstemming met percolatietheorie.

Introduction

Carbon Capture and Storage is het proces waarbij CO 2 wordt opgevangen uit grote puntbronnen en opgeslagen in poreus gesteente, het verplaatsen van resident pekel zodat het blijft in de ondergrond voor honderden tot duizenden jaren 1. De CO 2 bevindt zich in de ondergrond als een dichte superkritische fase (SCCO 2), met eigenschappen die radicaal anders tot CO 2 bij omgevingsomstandigheden. Er zijn vier belangrijke mechanismen die SCCO 2 zou kunnen worden geïmmobiliseerd in de ondergrond: stratigrafische, oplosbaarheid, mineralen en reststoffen trapping. Stratigrafische trapping is waar CO 2 wordt gehouden onder ondoordringbare zegel rotsen; oplosbaarheid trapping is waar CO 2 lost op in de bewoner pekel rond het geïnjecteerde CO 02-04 februari; minerale trapping is waar carbonaat minerale fasen worden neergeslagen in de rots 5; en de resterende of capillaire trapping is waar CO 2 wordt gehouden door oppervlaktekrachtenals kleine druppeltjes (ganglia) in de porie-ruimte van de rots 6. Dit kan van nature voorkomen, hetzij door de migratie van de CO 2 pluim 7-9, of kan worden geïnduceerd door de injectie van chase zoutoplossingen 10. Om de processen die de doorstroming en de vangst van deze CO 2 in de ondergrond een nieuwe reeks van experimenten moeten worden uitgevoerd, het benutten van nieuwe ontwikkelingen in de technologie om beter inzicht in de fundamentele fysica in verband met meerfasenstroming begrijpen.

X-straal tomografie ontwikkeld als een techniek die de laatste 25 jaar van eerste pogingen om zowel droge geologische monsters 11 en meerdere vloeistoffasen 12 visualiseren de eerste methode voor de niet-invasieve beeldvorming van rots kernen, zowel modelberekeningen en experimentele implementatie 13-15. Omdat tomografie is niet-invasief, heeft de mogelijkheid om te bestuderen op representatieve omstandigheden, wat vooral Attractive voor de CO 2 -brine rock systeem, de multifase vloeigedrag van SCCO 2 is sterk afhankelijk van thermo-fysische eigenschappen, zoals oppervlaktespanning en contacthoek, die weer een sterke functie van het systeem zoals temperatuur, druk en het zoutgehalte 16-18. In een dergelijk complex systeem, met zo'n uitgebreide en slecht begrepen set van onderling afhankelijke variabelen, kunnen experimenten met geïdealiseerde poriestructuren 19 of analoge vloeistoffen 20,21 niet van toepassing op processen stromen in de ondergrond zijn. Beeldvorming van meerdere vloeistoffen in omstandigheden die representatief zijn een potentiële CO 2 injectie vorming heeft, bleef echter een uitdaging 22. In deze studie schetsen we een methodologie voor het onderzoek van multi-vloeistof gedrag op het reservoir condities, met de nadruk op het onderzoek van capillaire trapping 23,24. Dit omvat het ontwerpen van een imaging strategie, de montage van de vloeistof cel, de injectie strategy en daaropvolgende beeldverwerking.

Het experimentele onderzoek van de porie-schaal meerfasenstroming gedrag in echte rock-systemen richt zich op de beeldvorming van gedeeltelijk verzadigde rots kernen nadat beide non-wetting fase injectie (drainage) en bevochtiging fase injectie (imbibitie). Deze vloeistoffen worden geïnjecteerd door het aansluiten van de kernen om de vloeistof injectie pompen met behulp van flexibele stroom lijnen, terwijl het opsluiten van de kern met behulp van een Hassler-type coreholder ontwerp 25. Met succes beeld in situ opstelling van SCCO 2 en zoutoplossing, een nieuw en zeer gevoelige experimentele opstelling werd gebruikt, vooral gericht op het gebruik van een hoge resolutie röntgenmicroscoop 23,24,26. De vereisten voor het uitvoeren van experimenten bij verhoogde temperaturen en drukken zijn zeer streng, en vereisen recente ontwikkelingen materiaal- technologie micro-CT faciliteiten. De belangrijkste eisen waaraan moet worden voldaan moet zijn dat elke kern / monsterhouder moet ab te zijnle aan hoge druk hoge temperatuur (HPHT) omstandigheden te weerstaan, terwijl de resterende voldoende x-ray transparant is om effectieve beeldvorming. Lab-gebaseerde instrumenten leggen als extra beperking, zoals de kern-houder moeten klein genoeg zodanig dat de röntgenbron close kunnen worden geplaatst om het monster en dat voldoende grote geometrische röntgenstraal vergroting zodanig worden gerealiseerd dat de poriënruimte is effectief opgelost. Hoewel deze beperking enigszins versoepeld met de introductie van secundaire optica nieuwere lab gebaseerde micro-CT machines, het niet volledig is verwijderd, vooral als het snel ontwikkelen gewenst zijn, hogere optische vergroting neiging om de tijd nodig voor het verwerven vergroten beelden.

Experimenten met oplosbare vloeistoffen een extra uitdaging bij gebruik van lange opnametijden, CO 2 zal diffunderen door de polymere gedeelten van de experimentele samenstel, waardoor de in-situ fluïdum verzadiging. Eenll deze kwesties betekende dat scan keer langer dan ongeveer 2 uur waren onpraktisch. Om scantijden houden onder deze voorwaarde, bijzonder streng voor lab daarachter, moet de kern-houder ongeveer 1 cm in diameter. Een grotere coreholder formaat had moeten de detector veel verder van de bron tot dezelfde geometrische vergroting bereiken, waardoor de x-ray flux invalt op de detector en daardoor toe vereiste projectie belichtingstijden. De doorstroomcel gebruikt in deze experimenten was gebaseerd op een traditioneel Hassler celontwerp, rond een koolstofvezel koker, met een huls ontwerp vergelijkbaar met die van Iglauer et al 27, maar met twee belangrijke wijzigingen:. 1) De koolstofvezel composiet in de huls vervaardiging veranderd van T700 vezels, met een stijfheid van 230 GPa, tot M55 vezels, met een stijfheid van 550 GPa. Dit niet alleen verminderde de hoeveelheid monster bewegen tijdens tomografie verkrijgen, maar ook de maximum wo toegenomenrken druk van de cel 20 MPa tot 50 MPa. 2) De huls is verlengd van 212 mm tot 262 mm voor de bron en detector mogelijk zo dicht mogelijk bij het monster mogelijk te maken.

Een grote experimentele tekortkoming in de eerste studie micro-CT om CO2 onderzoekt reservoiromstandigheden was het gebruik van metalen leidingen naar de te regelen naar en van de kern-houder 27. Als het monster ten opzichte van de pompen wordt geroteerd, de stroombanen moeten ook worden geroteerd. Stiff stroomleidingen kan het monster bewegen, waardoor effectieve beeldresolutie of het maken van enkele of alle van de dataset onbruikbaar. Om dit te voorkomen we alle stroombanen nabij de rotatie podium met flexibele polyether ether ketone (PEEK) slang vervangen. Deze stroom lijnen waren flexibel en zorgt voor zeer kleine zijdelingse krachten (belasting) tot de kern-houder tijdens de overname. We bijgevoegde ook stroombanen afsluiters aan de monsterstellage, dan bevestigen van de stroombanen de coreholder. Dit betekent dat bestaande stroomsnelheid lijnbelasting direct is aan de fase, in plaats van het monster, waardoor de kans op monster beweging. Een groot nadeel van het gebruik van de PEEK slangen was dat CO 2 in staat was om langzaam diffunderen door het, over een tijdschaal van ongeveer 24 uur. Dit betekende dat CO2 verzadigde pekel achtergelaten in de stroombanen geleidelijk zou verzadiging.

Een andere belangrijke experimentele tekortkoming van eerdere studies was onjuist controle van de temperatuur. Deze resultaten kunnen beïnvloeden op verschillende manieren. Ten eerste, de temperatuur is een sterke controle op zowel grensvlakspanning en contacthoek 16-18. Bovendien is de oplosbaarheid van zowel SCCO 2 en carbonaatrots gepekeld ook sterk temperatuurafhankelijk 28. Oplosbaarheid controle van cruciaal belang, wanneer SCCO 2 wordt geïnjecteerd in een zoutoplossing carbonaat aquifer zal oplossen in de resident pekel, waarbij een zeer reactief koolzuur stellen die in tuRN beginnen aan een calciet aanwezig te ontbinden. Een onnauwkeurigheid in de oplosbaarheid controle kan dus leiden tot SCCO 2 ontbinding / exsolution of vaste ontbinding / neerslag.

Eerdere studies 27 gebruikt een verwarmde beperken fluïdum de coreholder verwarmen; maar dit was problematisch. Het heeft de nadelen van de moeilijkheid om een ​​constante alzijdige druk met een recirculerende water, die extra verwarmingsbaden voor die dienst. Bovendien is dit systeem oefent slechts een nauwkeurige temperatuurregeling op de plaats van het verwarmingsbad (niet op de plaats van de kern houder en het beperken fluïdum zou koelen tussen het waterbad en de kern houder). Het vereist ook zowel een inlaat en een uitlaat poort voor het opsluiten van fluïdum, waardoor het aantal fluidumleidingen aan de coreholder waardoor ook stroomleiding belasting.

In plaats van een verwarmde beperken fluïdum, een flexibele verwarming mantel werd gebruikt om de kern houder omringen. Deze zeer eenvoudige verwarming methode resulteerde in zeer weinig coreholder belasting, en toegestaan ​​voor de precieze en accurate verwarming. Een zeer dunne polyimide verwarmingsfolie is gebruikt om het monster te minimaliseren. De constructie van deze film bestaat uit een geëtste koperfolie element 0,0127 mm dik, ingesloten tussen twee lagen van 0,0508 mm polyimide film. De koperen elementen aanwezig in de jas niet van invloed op de beeldkwaliteit. De temperatuur werd gemeten met een thermokoppel zitten in het beperken annulus van de cel. Het is aan de buitenzijde van de huls beperken, zo dicht mogelijk bij de kern, zodat een nauwkeurige, betrouwbare en stabiele uitlezing van de porie-vloeistoftemperatuur. Het thermokoppel en verwarming film werden aangesloten op een custom-built Proportioneel Integrale Afgeleide (PID) controller, en temperaturen werden gecontroleerd binnen ± 1 ° C.

Volledige controle ov behoudener inter-fase oplosbaarheid, en in de aquifer ver van de injectieplaats, voorafgaand aan injectie van de zoutoplossing werd geëquilibreerd met SCCO 2 door krachtig mengen van de twee vloeistoffen met kleine deeltjes (1-2 mm) van het opberggesteente omstandigheden vertegenwoordigen in een geroerde reactor en verwarmd. Alle natte onderdelen in deze reactor zijn gemaakt van Hastelloy corrosie te minimaliseren. De reactor bevat een gefilterde dompelbuis om voor dichtere vloeistof uit de bodem van de reactor (pekel) te extraheren en minder dichte vloeistof uit de top van de reactor (SCCO 2) te extraheren. Hoge druk spuitpompen gebruikt om druk en control flow handhaven de porie-ruimte van het gesteente en in de reactor, met een verplaatsing nauwkeurig 25,4 nl. De experimentele inrichting die in deze studie is weergegeven in figuur 1. De ionische zouten voor het experiment waarvan de representatieve resultaten werden getrokken werd kaliumjodide (KI), omdat het een hoog atoomgewicht en dushoog x-ray attenuatie coëfficiënt, waardoor het een effectief contrastmiddel. Minder verzachtende zouten (zoals NaCl) of mengsels kunnen worden gebruikt, zouden echter groter zoutgehalten verplicht dezelfde x-ray lawaaidemping.

Protocol

1. Imaging Strategie Ontwerp Om de beeldkwaliteit van verschillende opgeloste keuzes voor de pekel voorspellen Bereken de x-ray spectrum van de invallende röntgenstralen 29-31. Onder meer de invloed van de kern-houder, de plunjer en de afbakening van vloeistoffen op x-ray spectrum. Een voorbeeld invallende röntgenstraal spectrum met een versnellingsspanning van 80 kV en elektronenstroom van 87 uA is weergegeven in figuur 1. Vergelijk dit spectrum om de transmissie factoren van het monster met verschillende porie-vloeistoffen. Simuleer veranderingen in de transmissiefactor gevolg van veranderingen in de porie-vloeistof met de Beer-Lambert wet, uitgaande van een effectieve optische lengte van de species in het monster, en de berekende x-ray verzwakkingscoëfficiënten (figuur 3) 32. Bepaal de totale transmissie factor door het integreren van alle incidenten x-ray energieën. Een voorbeeld van de resulterende effectieve transmissiefactoren van de rots Matrix en porie-ruimte materiaal, en de veranderingen in transmissiefactoren opzichte van het geval wanneer de porie-ruimte gevuld met vacuüm kan worden gezien in tabel 1. Kies een zoutoplossing opgeloste stof en de concentratie zodanig dat de verandering in transmissiefactor geassocieerd met pekel ongeveer half verandering in transmissie instellen voor de vaste stof. Deze drie fasecontrast in het gereconstrueerde beeld maximaliseren. Weeg de vereiste hoeveelheid zout (7% (w / w) KI werd gebruikt voor het experiment waarvan de representatieve resultaten werden genomen) en krachtig mengen met gedeïoniseerd water. Alternatief, als een specifiek pekel preparaat gewenst, verandert de röntgenbron versnellingsspanning het spectrum van de invallende röntgenstralen veranderen. 2. Montage van de apparatuur en de Cel Monteer de apparatuur in figuur 2 zoals hieronder aangegeven. Met PEEK stroomlijnen zijdelingse monster reduceren van de stroomcel.Test elke verbinding zorgvuldig voor eventuele vloeistof lekken. Plaats de pekel, samenstelling bepaald tijdens stappen 1.1-1.3, bij de bodem van de reactor. Wikkel de flexibele verwarmingselement rond de stroom cel. Construct metalen eindstukken. Haal de draad van de 1/8 "einde van een 1/16" tot 1/8 "verloopstuk fitting. Snijd kleine groeven in het gezicht van de 1/8 "uiteinde van de fitting aan de geïnjecteerde CO 2 verdelen over het gehele oppervlak van de kern. Leid de hoge druk thermokoppel door de metalen einddelen van de micro-stroomcel en afdichting met ¼ "ferrules en moer, zodat de warme las van het thermokoppel zit naast de inlaatzijde van de kern binnen de annulus beperken van de cel. Boor gewenste monster in een kern 6,5 mm in diameter en 30 mm tot 50 mm. Slijp de uiteinden van de kern flat, een goede verbinding met het metalen eindstukken waarborgen. Wikkel deze kern in aluminiumfolie en plaats withina fluor-polymeer elastomeer mouw. Verbind de uiteinden van het elastomeer huls het metaal eindfittingen. Voeg een omhulling aluminiumfolie aan de buitenkant van de elastomere huls voordat de warme las van het thermokoppel naast de begrenzende ring van de cel en het toevoegen van een laatste wikkel aluminiumfolie. Dit vormt de plunjer (figuur 4). Monteer de micro-stroomcel met de plunjer afgedicht in het en sluit de cel om de fase in de micro-CT behuizing (figuur 5) met een klem boven op de rotatie CT fase. 3. Systeem Onder druk zetten Sluit alle kleppen behalve klep 1, 2 en 3, zoals gedefinieerd in figuur 3. Laad CO2 uit de cilinder in de pomp 1 en de reactor, sluit klep 1. langzaam de temperatuur en druk in de reactor te verhogen tot die gewenst voor de porie vocht tijdens het experiment. <li> Krachtig de reactor mengen gedurende ten minste 12 uur te zorgen dat alle fasen in chemisch evenwicht vóór injectie. Open klep 14 en plaats het beperken fluïdum in de pomp 3. Ventiel 14. Open kleppen 12 en 13. Breng het beperken annulus van de cel ten minste 10% hoger dan de voorgestelde porie-fluïdumdruk. Open de afsluiter 11. Load pekel in de pomp 2. Sluit klep 11 en een open kleppen 9, 8 en 6. Langzaam op druk porie-ruimte van de rots totdat deze op de gewenste druk porie-vloeistof vullen van de poriën ruimte van het monster met pekel die niet is geëquilibreerd met SCCO 2. Open klep 4. Spoel meer dan 1000 poriënvolume van geëquilibreerd pekel door de kern aanvult pomp 2 bij een constante stroomsnelheid. Poriënvolume gevonden door de kern volume van de porositeit gevonden met helium porosimetrie vermenigvuldigen. LET OP: Dit zal miscibly verdringen de-un evenwicht gebracht pekel, zorgen voor 100% initiële pekel verzadiging en creating omstandigheden in de kern vergelijkbaar met de ondergrond omstandigheden in een aquifer op een punt iets voor de voorzijde van een SCCO 2 pluim. 4. Fluid Flow en Image Acquisition Passeren 10 poriënvolumes (ongeveer 1 ml) van SCCO 2 door de kern tegen zeer lage debieten (1,67 × 10 -9 m 3 / sec), zorgen voor een lage capillaire aantal rond de 10 -6. Voortdurend nemen 2D projecties om het totale geïnjecteerde volume door naar het punt wanneer SCCO 2 verplaatst pekel in die holtes nauwkeurig. Passeren 10 poriënvolumes (ongeveer 1 ml) van evenwicht gebracht pekel door de kern op hetzelfde lage stroomsnelheid, waardoor SCCO 2 om opgesloten als een resterende fase in de porie-ruimte geworden. Na het stappen 4.1 of 4.2, neem scans van het monster op het drainage of imbibitie respectievelijk. Gebruik een voxel zodanig dat de gehele diameter van de kern past binnen het gebied van view. Reconstrueren de scans met behulp van een tomografie wederopbouwprogramma. Om de volledige lengte van de kern scannen terwijl bewaren een kleine voxel reconstrueren samengestelde volumes met elkaar plakken van meerdere overlappende secties achtereenvolgens verkregen. OPMERKING: Elke sectie vereist ongeveer 400 projecties, het nemen van 15-20 min te verwerven, zodat het scannen van een hele samengestelde volume duurde ongeveer 90 min. 5. Beeldverwerking en segmentatie Breng een niet-lokale middelen rand behoud filter 33,34 op de dataset en corrigeer de afbeeldingen voor een bundelharding of verzachten van artefacten die tijdens afbeelding reconstructie door het modelleren van deze artefacten als radiaal symmetrische Gaussische functies 35. Segment gegevens (draai de greyscale informatie in een binaire representatie van de CO2 in de afbeelding) door het gebruik van een waterscheiding algoritme met een zaad gegenereerd met een 2D histogram 36 behandelen de CO <sub> 2 als één fase en de pekel en de rots samen als de andere fase. Analyseer dit gesegmenteerd zowel het totale aantal CO 2 voxels en ook de grootte van elk aangesloten cluster resterend CO2 vinden.

Representative Results

De resultaten van een carbonaat, Ketton kalksteen, een oolite van de bovenste Lincolnshire kalksteen leden werden 3D geanalyseerd om te identificeren en het volume van elke unieke losgekoppeld ganglion, dat vervolgens werd gemerkt (Figuur 6) te meten. Alle verwerking werd uitgevoerd binnen de Avizo Fire 8.0 en ImageJ programma 37. De gesegmenteerde gedeeltelijk verzadigde beelden werden geanalyseerd door het tellen van het aantal voxels van residueel gevangen SCCO 2 om het aandeel van de rots volume ingenomen door gevangen SCCO 2 vinden – het capillaire vangen capaciteit. Dit kan dan een reststikstofgehalte (Sr) worden omgezet door deze te delen door de porositeit verkregen met helium porosimetrie. Een aanzienlijk deel van SCCO 2 werden opgesloten als een reststikstofgehalte, met een resterende verzadiging van 0,203 ± 0,013. Dit komt overeen met de resultaten uit eerdere studies met behulp van micro-CT 23. Grotere kern grootschalige studies van de resterende trapping in dit soort gesteente toonde een lagere reststikstofgehalte van 0,137 ± 0,012 38. Het binnendringen van pekel in een SCCO 2 verzadigde kern een imbibitie proces waarbij een bevochtigingsfluïdum (pekel) binnendringt elke porie, verplaatsen niet bevochtigende vloeistof (SCCO 2). In een sterk-water nat rots verwachten we dat het water naar gebieden van de porie ruimte te vullen in volgorde van grootte 39,40, het opsluiten losgekoppeld ganglia in het proces genaamd snap-off. Dit proces moet filtratieproces zijn als 41 zodat voorspellingen kunnen worden gedaan over de grootteverdeling van de geïsoleerde clusters. Het aantal n van clusters van volume s (gemeten in voxels) dienen als schalen, waarbij τ is de Fisher exponent 42. Netwerkmodellering heeft aangetoond dat in de driedimensionale kubieke reguliere roosters van de waarde van deze exponent is rond τ = 2,189 43. Een natuurlijke manier van de winning van deze exponent van echte datais naar de prullenmand hoeveelheid plotten, zoals gedefinieerd door Dias en Wilkinson 41. die dienen als schalen: Dit wordt vervolgens uitgezet op een log-log plot als functie van s (figuur 7), waaruit blijkt power-law gedrag voor grote ganglia, maar een ondervertegenwoordiging van kleinere ganglia in vergelijking met de kracht wet model. De exponent werd berekend met uitsluiting ganglia kleiner dan 10 5 voxels (ongeveer het begin van de power-law gedrag) en het uitvoeren van Levenberg-Marquardt 44,45 regressie met de kleinste absolute resterende robuuste fitting algoritme 46,47. Dit werd uitgevoerd met een commercieel softwarepakket. De Fisher exponent voor dit systeem was 2,287 ± 0,009, close de theoretische waarde van 2,189, wat aangeeft dat imbibitie in dit systeem inderdaad als percolatie. Meer in het algemeen bevestigen deze resultaten conclusies grotere kern overstromingen experimenten 38,48,49 dat SCCO 2 fungeert als de niet-bevochtigende fase carbonaten. Figuur 1. Experimentele hulpmiddelen, die de pompen, kleppen en reactor gebruikt om te regelen en de zitplaatsen van de coreholder binnen de micro-CT-behuizing. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken. Figuur 2. De genormaliseerde energiespectrum röntgenfoto invalt op de kern, fi gefilterd door de coreholder, beperken de mouw en het opsluiten van vloeistof. Berekend met SpekCALC 29-31. Figuur 3. De lineaire verzwakking coëfficiënten van verschillende fluïda en rock materialen als functie van de fotonenergie. Figuur 4. Detail van de plunjer, met een triple aluminium omslag rond de kern, het voorkomen van diffuse CO 2-uitwisseling over het fluor-elastomeer mouw. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken. 0 / 52440fig5.jpg "/> Figuur 5. Detail van de stroom cel, verwarmingstoestellen en situering van de plunjer binnen de stroom cel. Moet de thermokoppel zo dicht mogelijk bij de inlaat gezicht van de kern worden geplaatst. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken . Figuur 6. Afbeelding van het carbonaat na drainage en imbibitie. (A) Een 3D-weergave van de kern na drainage, waar elke niet-wetting fase cluster krijgt een andere kleur. (BF) Een 3D-weergave van de kern na vijf imbibitie experimenten, gekleurd zoals beschreven voor (A). De grote waaier van kleuren geeft een slecht aangesloten resterende fase. (G) Een dwarsdoorsnede van de kern na drainage. De donkerste fase is de SCCO 2, de tussenfase is pekel en de lichtste fase is rock graan. (H) Een dwarsdoorsnede van de kern na imbibitie. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken. Figuur 7. De grootteverdeling van de resterende ganglia figuur 6. Materiaal Vulling porositeit Vacuüm CO 2 H2O H2O – 7 gew% NaCI H2O – 7 gew% KI Solid (CaCO 3) Transmissie Factor 0.25 0,247 0.243 0,242 0.224 0.202 Verandering in de transmissie factor ten opzichte van stofzuigen N / A -0,003 -0,007 -0,008 -0,026 -0,048 Tabel 1. Samenvatting van resultaten (transmissiefactor en verandering in de transmissie factor ten opzichte van het vacuum opgevuld letters) uit simulatie van de x-ray optische eigenschappen van het gesteente en poriën ruimtevullende materiaal belicht tijdens deze studie. Elke kolom vertegenwoordigt een ander materiaal het vullen van de porie-ruimte van de rots in de coreholder.

Discussion

De meest kritische stappen voor een succesvolle beeldvorming van meerfasenfluïda bij verhoogde drukken en temperaturen zijn: 1) De succesvolle isolatie van de porie vloeistof uit de omringende beperken fluïdum; 2) de daadwerkelijke verevening van de vloeistoffen en rock voorafgaand aan de injectie; 3) een effectieve controle van de temperatuur gedurende het experiment; en 4) de effectieve segmentatie van de resulterende beelden.

Het gebruik van aluminium wraps is essentieel voor de succesvolle isolatie van de porie-vloeistof uit de omringende beperken fluïdum als in afwezigheid diffusie-uitwisseling over de huls snel en verzadiging in de kern niet constant gedurende de duur van de scan blijven. Dit probleem kan ook zichtbaar zijn wanneer fluïdum blijft het PEEK stroomlijnen voor langere perioden (> 2 uur) voorafgaand aan injectie in de kern in stap 4.1 en 4.2. Nogmaals, CO 2 diffuus uitwisseling over de plastic, waardoor de pekel verzadiging. Indien deverzadigde zoutoplossing wordt geïnjecteerd in de kern, wordt de verzadiging van de kern af naarmate resterende clusters worden opgelost door de geïnjecteerde pekel.

Andere werkwijzen voor het evenwicht van vloeistoffen en rotsen, waaronder vloeibare recirculatie 50, zijn in de literatuur voorgesteld. Deze werkwijzen verhogen de complexiteit van de experimentele opstelling, waardoor de hoeveelheid tijd voor elk experiment zou zijn toegenomen, wat weer zou het waarschijnlijker dat de pekel in stroombanen diffuus zou hebben desaturated.

Temperatuurregeling noodzakelijk, en de aanwezigheid van een thermokoppel in het begrenzende ring van de stroomcel is kritisch voor. De temperatuur wordt alleen gemeten op een enkel punt, wat betekent dat er enige gradiënt over het monster, wat leidt tot oplosbaarheid onbalans en ontbinding of exsolution. Dit kan worden geminimaliseerd door het lokaliseren van de warme las van het thermokoppel zo dicht mogelijk bij thij inlaat gezicht van de rots kern.

De effectieve segmentatie van de beelden kan een echte uitdaging met deze systemen, zoals de segmentatie van beelden welke een gedeeltelijke verzadiging van meerdere vloeistoffen aanzienlijk moeilijker dat de segmentatie van droge beelden, zodat het gebruik van eenvoudige grijsschaal universele drempelwaarden is 51 onvoldoende. Het gebruik van waterscheiding segmentatie geeft niet alleen de meest betrouwbare resultaten, vergeleken met andere algoritmen in de literatuur, maar is ook het meest effectief bij het ​​omgaan met ring en deelvolume artefacten 35.

Een van de belangrijkste beperkingen van deze techniek is dat het alleen toegang tot de macro-poriën van een rots. De microporeusheid (op schalen kleiner dan de beeldresolutie) ontoegankelijk blijft, en kan van belang zijn voor meerfasestroming zijn. Hogere resoluties onthullen een groter deel van deze delen van poriën, maar ook overeenkomen met een daling the gezichtsveld. De toepasbaarheid van de techniek om een ​​specifiek type gesteente kunnen worden aangepakt door het vergelijken van de resolutie van de scan naar de poriekeel grootteverdeling verkregen met behulp van onafhankelijke methode zoals kwik injectie capillaire druk.

Deze methode is een belangrijke techniek voor de poriëngrootte schaal beeldvorming meerdere fluïda reservoiromstandigheden in realistische systemen met bestaande applicaties zoals een kruis vergelijkende studie van capillaire vangen 24 en de meting van contacthoek 26, en de werkwijze is eenvoudig toepasbaar op een groot scala aan poreuze systemen. Toekomstig werk kon studeren, op de porie schaal, een breed scala van eenfase en meerfasenstroming in poreuze media problemen op omstandigheden die representatief zijn van ondergrondse watervoerende lagen, olie- en gasvelden en andere diepe geologische systemen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wij dankbaar erkennen financiering van de Qatar carbonaten en koolstofopslag Research Centre (QCCSRC), die gezamenlijk door Qatar Petroleum, Shell en Qatar Science & Technology Park voorzien. Wij erkennen ook de financiering van het Imperial College Consortium on Pore-Modelbouw.

Materials

Name of Reagent/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
High Pressure Syringe Pump Teledyne ISCO 1000D
Parr Reactor Parr Instrument Company 4547A – hastelloy
PEEK Tubing Kinesis 1560xL
Potassium Iodide Salt Sigma Aldrich 30315-1KG
Carbon Dioxide BOC CO2 – size E
Thermocouple Omega Engineering KMTSS-IM300U-150
Kapton Flexible Heater Omega Engineering KH-112/10-P
X-Ray Microscope Zeiss Versa XRM 500
Snoop Leak Detector Swagelok MS-SNOOP-8OZ
Flouro-Elastomer Polymer (Viton) Sleeve Fisher Scientific 11572583
Micro-CT Coreholder Airborne Composites 262mm Coreholder Constructed in conjunction with Imperial College
Tomographic program Zeiss XM-Reconstructor
ImageJ – image processing NIH ImageJ
Matlab Mathworks Matlab Used for regression analysis
Avizo FEI Avizo
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. . . Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage. , (2005).
  2. Ennis-King, J., Paterson, L. Engineering aspects of geological sequestration of carbon dioxide. SPE 77809, Proceedings of the Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition. , (2002).
  3. Weir, G. J., White, S. P., Kissling, W. M. Reservoir storage and containment of greenhouse gases. Transport in Porous Media. 23 (1), 61-82 (1996).
  4. Lindeberg, E., Wessel-Berg, D. Vertical convection in an aquifer column under a gas cap of CO2. Energy Conversion & Management. 38, 229-234 (1997).
  5. Lin, H., Fujii, T., Takisawa, R., Takahashi, T., Hashida, T. Experimental evaluation of interactions in supercritical CO2/water/rock minerals system under geologic CO2 sequestration conditions. Journal of Materials Science. 43 (7), 2307-2315 (2007).
  6. Juanes, R., Spiteri, E. J., Orr, F. M., Blunt, M. J. Impact of relative permeability hysteresis on geological CO2 storage. Water Resources Research. 42 (12), (2006).
  7. Hesse, M., Orr, F. M., Tchelepi, H. A. Gravity Currents with Residual trapping. Journal of Fluid Mechanics. 661, 35-60 (2008).
  8. MacMinn, C., Szulczewski, M. L., Juanes, R. CO2 migration in saline aquifers. Part 1. Capillary trapping under slope and groundwater flow. Journal of Fluid Mechanics. 662, 329-351 (2010).
  9. MacMinn, C., Szulczewski, M. L., Juanes, R. CO2 migration in saline aquifers. Part 2. Capillary and solubility trapping. Journal of Fluid Mechanics. 688, 321-351 (2011).
  10. Qi, R., LaForce, T. C., Blunt, M. J. Design of carbon dioxide storage in aquifers. International Journal of Greenhouse Gas Control. 3 (2), 195-205 (2009).
  11. Flannery, B. P., Deckman, H. W., Roberge, W. G., D’Amico, K. L. Three-Dimensional X-Ray Microtomography. Science. 237 (4821), 1439-1444 (1987).
  12. Jatsi, J. K., Jesion, G., Feldkamp, L. Microscopic Imaging of Porous Media with X-Ray Computer Tomography. SPE 20495. SPE Formation Evaluation. , 189-193 (1993).
  13. Blunt, M. J., et al. Pore-scale imaging and modelling. Advances in Water Resources. 51, 197-216 (2013).
  14. Cnudde, V., Boone, M. N. High-resolution X-ray computed tomography in geosciences: A review of the current technology and applications. Earth-Science Reviews. 123, 1-17 (2013).
  15. Wildenschild, D., Sheppard, A. P. X-ray imaging and analysis techniques for quantifying pore-scale structure and processes in subsurface porous medium systems. Advances in Water Resources. 51, 217-246 (2013).
  16. Espinoza, D. N., Santamarina, J. C. Water-CO2-mineral systems: Interfacial tension, contact angle, and diffusion-Implications to CO2 geological storage. Water Resources Research. 46 (7), (2010).
  17. Li, X., Boek, E., Maitland, G., Trusler, J. P. M. Interfacial Tension of (Brines + CO2): (0.864 NaCl+0.136 KCl) at Temperatures between (298 and 448) K, Pressures between (2 and 50) MPa, and Total Molalities of (1 to 5) mol/kg. Journal of Chemical and Engineering Data. 57 (4), 1078-1088 (2012).
  18. Spiteri, E. J., Juanes, R., Blunt, M. J., Orr, F. M. A New Model of Trapping and Relative Permeability Hysteresis for All Wettability Characteristics. SPE Journal. 13 (3), 277-288 (2008).
  19. Chaudhary, K., et al. Pore-scale trapping of supercritical CO2 and the role of grain wettability and shape. Geophysical Research Letters. 40, 1-5 (2013).
  20. Karpyn, Z. T., Piri, M., Singh, G. Experimental investigation of trapped oil clusters in a water-wet bead pack using X-ray microtomography. Water Resources Research. 46 (4), (2010).
  21. Wildenschild, D., Armstrong, R. T., Herring, A. L., Young, I. M., Carey, J. W. Exploring capillary trapping efficiency as a function of interfacial tension, viscosity, and flow rate. Energy Procedia. 4, 4945-4952 (2011).
  22. Silin, D., Tomutsa, L., Benson, S. M., Patzek, T. W. Microtomography and Pore-Scale Modeling of Two-Phase Fluid Distribution. Transport in Porous Media. 86, 495-515 (2011).
  23. Andrew, M. G., Bijeljic, B., Blunt, M. J. Pore-scale imaging of geological carbon dioxide storage under in situ conditions. Geophysical Research Letters. 40 (15), 3915-3918 (2013).
  24. Andrew, M. G., Bijeljic, B., Blunt, M. J. Pore-scale imaging of trapped supercritical carbon dioxide in sandstones and carbonates. International Journal of Greenhouse Gas Control. 22, 1-14 (2014).
  25. Hassler, G. L. Method and Apparatus for Permeability Measurements. US Patent. , (1944).
  26. Andrew, M. G., Bijeljic, B., Blunt, M. J. Pore-scale contact angle measurements at reservoir conditions using X-Ray microtomography. Advances in Water Resources. 68, 24-31 (2014).
  27. Iglauer, S., Paluszny, A., Pentland, C. H., Blunt, M. J. Residual CO2 imaged with x-ray micro-tomography. Geophysical Research Letters. 38, (2011).
  28. Carroll, J. J., Slupsky, J. D., Mather, A. E. The Solubility of Carbon Dioxide in Water at Low Pressure. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 20 (6), (1991).
  29. Poludniowski, G. Calculation of x-ray spectra emerging from an x-ray tube. Part II. X-ray production and filtration in x-ray targets. Medical Physics. 34 (2175), (2007).
  30. Poludniowski, G., Evans, P. M. Calculation of x-ray spectra emerging from an x-ray tube. Part I. Electron penetration characteristics in x-ray targets. Medical Physics. 34 (2161), (2007).
  31. Poludniowski, G., Landry, G., DeBlois, F., Evans, P. M., Verhaegen, F. SpekCalc: a program to calculate photon spectra from tungsten anode x-ray tubes. Physics in Medicine and Biology. 57 (19), (2009).
  32. Berger, M. J., et al. XCOM: Photon Cross Section Database (version 1.5). National Institute of Standards and Technology. , (2007).
  33. Buades, A., Coll, B., Morel, J. -. M. A non-local algorithm for image denoising. Computer Vision and Pattern Recognition. , (2005).
  34. Buades, A., Coll, B., Morel, J. -. M. Nonlocal Image and Movie Denoising. International Journal of Computer Vision. 76 (2), 123-139 (2008).
  35. Schluter, S., Sheppard, A. P., Brown, K., Wildenschild, D. Image processing of multiphase images obtained via X-ray microtomography: A review. Water Resources Research. 50 (4), 3615-3639 (2014).
  36. Jones, A. C., et al. Assessment of bone ingrowth into porous biomaterials using MICRO-CT. Imaging Techniques for Biomaterials Characterization. 28 (15), 2491-2504 (2007).
  37. Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9, 671-675 (2012).
  38. El-Maghraby, R. . Measurements of CO2 trapping in Carbonate and Sandstone Rocks. , (2013).
  39. Roof, J. G. Snap-Off of Oil Droplets in Water-Wet Pores. SPE Journal. 10 (1), 85-90 (1970).
  40. Lenormand, R., Zarcone, C., Sarr, A. Mechanisms of the displacement of one fluid by another in a network of capillary ducts. Journal of Fluid Mechanics. 135, 337-353 (1983).
  41. Dias, M. M., Wilkinson, D. Percolation with trapping. Journal of Physics A: Mathematical and General. 19, 3131-3146 (1986).
  42. Fisher, M. E. The theory of equilibrium critical phenomena. Reports on Progress in Physics. 30 (2), 615 (1967).
  43. Lorenz, C. D., Ziff, R. M. Precise determination of the bond percolation thresholds and finite-size scaling corrections for the sc, fcc and bcc lattices. Physical Review E. 57 (1), 230-236 (1998).
  44. Levenberg, K. A method for the solution of certain non-linear problems in least squares. Quarterly Journal of Applied Mathmatics. 2, 164-168 (1944).
  45. Marquardt, D. W. An Algorithm for Least-Squares Estimation of Nonlinear Parameters. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics. 11 (2), 431-441 (1963).
  46. Holland, P. W., Welsch, R. E. Robust regression using iteratively reweighted least-squares. Communications in Statistics – Theory and Methods. 6 (9), 813-827 (1977).
  47. Huber, P. J. . Robust Statistics. , (1981).
  48. Akbarabadi, M., Piri, M. Relative permeability hysteresis and capillary trapping characteristics of supercritical CO2/brine systems: An experimental study at reservoir conditions. Advances in Water Resources. 52, 190-206 (2013).
  49. Pentland, C. H., El-Maghraby, R., Iglauer, S., Blunt, M. J. Measurements of the capillary trapping of super-critical carbon dioxide in Berea sandstone. Geophysical Research Letters. 38, 4 (2011).
  50. El-Maghraby, R. M., Blunt, M. J. Residual CO2 Trapping in Indiana Limestone. Environmental Science and Technology. 47 (1), 227-233 (2013).
  51. Sheppard, A. P., Sok, R. M., Averdunk, H. Techniques for image enhancement and segmentation of tomographic images of porous materials. Physica A. 339 (1-2), 145-151 (2004).

Tags

Reservoir ConditionsPore-scale ImagingX-ray MicrotomographyCO2 StorageMultiphase FlowCarbonate RockHigh PressureHigh TemperatureChemical EquilibriumFluid FlowCore HolderDiffusive ExchangeBrine ContrastFlexible Flow LinesTemperature Control

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Andrew, M., Bijeljic, B., Blunt, M. Reservoir Condition Pore-scale Imaging of Multiple Fluid Phases Using X-ray Microtomography. J. Vis. Exp. (96), e52440, doi:10.3791/52440 (2015).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image