Imagerie Reservoir État Pore échelle des phases fluides multiples Utilisation de microtomographie à rayons X

Captage et stockage du carbone est le processus où le CO ₂ est capté en provenance des grandes sources ponctuelles et stocké dans des roches poreuses, déplaçant saumures résidents de sorte qu'il reste dans le sous-sol pendant des centaines de milliers d'années ^1. Le CO ₂ réside dans le sous-sol sous forme de phase dense supercritique (SCCO _2), avec des propriétés radicalement différentes de CO ₂ dans les conditions ambiantes. Il existe quatre principaux mécanismes par lesquels SCCO ₂ pourrait être immobilisé dans le sous-sol: stratigraphique, la solubilité, minérale et le piégeage résiduel. Piégeage stratigraphique est où le CO ₂ est maintenu en dessous de roches joint imperméable; solubilité piégeage est où le CO ₂ se dissout dans la saumure résident entourant le CO ₂ injecté ^2-4; piégeage minéral est là phases minérales carbonatées sont précipités dans la roche ^5; et le piégeage résiduel ou capillaire est où le CO ₂ est maintenu par les forces de surfacegouttelettes de minuscules (des ganglions) dans l'espace des pores de la roche ^6. Cela peut se produire soit naturellement, par la migration du panache de CO ₂ ^7-9, ou peut être induite par l'injection de chasse saumures ^10. Afin de comprendre les processus qui régissent l'écoulement et de piégeage de ce CO ₂ dans le sous-sol d'une nouvelle série d'expériences doit être menée, en exploitant de nouvelles avancées dans la technologie pour mieux comprendre la physique fondamentale associée à flux multi-phase.

Microtomographie à rayons X a développé une technique au cours des 25 ans à partir de premières tentatives de visualiser les deux échantillons géologiques sec ¹¹ et plusieurs phases fluides ¹² à la méthode principale pour l'imagerie non-invasive des carottes de roche, à la fois à des fins de modélisation et expérimentale mise en œuvre ^13-15. Parce que la microtomographie est non-invasive, il a la capacité d'étudier les systèmes dans des conditions représentatives, ce qui est particulièrement attractive pour le système CO ₂ -brine-rock, que le comportement de l'écoulement polyphasique du SCCO ₂ dépend fortement sur ​​les propriétés thermo-physiques, telles que la tension interfaciale et l'angle de contact, qui sont à leur tour une forte fonction des conditions de système tels que la température, la pression et la salinité ^{de 16 à 18.} Dans un tel système complexe, avec un tel ensemble vaste et mal compris de variables interdépendantes, des expériences utilisant des structures de pores idéalisées ¹⁹ ou fluides analogiques ^20,21 peuvent ne pas être applicable à l'écoulement des processus dans la subsurface. Imagerie multiples fluides à des conditions représentatives d'un CO ₂ formation d'injection prospective a, cependant, est resté un défi ^22. Dans cette étude, nous présentons une méthodologie pour l'examen du comportement multi-fluide aux conditions du réservoir, en se concentrant sur ​​l'examen des capillaire piégeage ^23,24. Cela comprendra la conception d'une stratégie d'imagerie, l'assemblage de la cellule fluide, l'injection stratégie et traitement de l'image suivante.

L'examen expérimentale du comportement d'écoulement multiphase dimension des pores dans les systèmes réels de roche se concentre sur la formation d'image de carottes de roche partiellement saturés après injection à la fois la phase non mouillante (drainage) et injection de mouillage de phase (imbibition). Ces fluides sont injectés en connectant les noyaux à des pompes d'injection de fluides utilisant des conduites d'écoulement flexibles, tout en confinant le noyau en utilisant une conception de coreholder Hassler de type ^25. Pour l'image avec succès l'arrangement in situ de _deux BCSC et de la saumure, un roman et dispositif expérimental très sensible a été utilisé, en se concentrant principalement sur ​​l'utilisation d'une haute résolution x-ray microscope ^23,24,26. Les exigences relatives à la réalisation d'expériences à des températures et des pressions élevées sont très strictes, et nécessitent récents développements dans la technologie des matériaux et de micro-CT installations. Les exigences clés qui doivent être remplies sont que tout détenteur noyau / échantillon doit être able pour résister à haute pression haute température (HPHT) conditions tout en restant suffisamment x ray-transparente pour permettre l'imagerie efficace. Instruments fondés sur le Lab-imposent une contrainte supplémentaire, selon le porte-noyau doit être assez petit de sorte que la source de rayons X peut être placé à proximité de l'échantillon et que suffisamment grand géométrique grossissement x-ray peut être réalisé de telle sorte que l'espace des pores est efficacement résolu. Bien que cette contrainte a été quelque peu assouplies avec l'introduction de l'optique secondaires dans les nouvelles machines micro-CT effectuées en laboratoire, il n'a pas été complètement enlevé, surtout si les temps d'acquisition rapides sont souhaitées, comme les grossissements optiques plus élevés ont tendance à augmenter le temps nécessaire à l'acquisition images.

Des expériences avec des fluides solubles constituent un défi supplémentaire lors de l'utilisation de longs temps d'acquisition, sous forme de CO ₂ va diffuser à travers les parties polymères du montage expérimental, réduire la saturation in situ fluide. Unll ces questions signifie que temps de balayage de plus de l'ordre de 2 h étaient inapplicables. Afin de réduire les temps d'analyse ci-dessous cette exigence, particulièrement sévères pour les sources à base de laboratoire, le porte-noyau doit être d'environ 1 cm de diamètre. Une taille de coreholder plus grand il aurait fallu le détecteur à être beaucoup plus loin de la source pour obtenir le même grossissement géométrique, ce qui réduit le flux incident de rayons X sur le détecteur et par conséquent de plus en plus nécessaire de projection des temps d'exposition. La cellule d'écoulement utilisée dans ces expériences a été basé sur une conception de cellule Hassler traditionnelle, construite autour d'un manchon en fibre de carbone, avec une conception de manchon similaire à celui utilisé par Iglauer et al ^27, mais avec deux modifications importantes:. 1) le composite de fibres de carbone utilisé dans la fabrication du manchon a été modifié à partir de fibres T700, avec une rigidité de 230 GPa, de fibres M55, avec une rigidité de 550 GPa. Cela réduit non seulement la quantité de mouvement de l'échantillon pendant l'acquisition de tomographie, mais a également augmenté le maximum working pression de la cellule à partir de 20 MPa à 50 MPa. 2) Le manchon a été allongé de 212 mm à 262 mm pour permettre la source et le détecteur pour être aussi proche que possible de l'échantillon.

Une lacune expérimentale majeur dans la première étude à utiliser micro-CT d'examiner CO ₂ dans des conditions de réservoir a été l'utilisation de lignes métalliques pour contrôler le flux vers et depuis le porte-noyau ^27. Lorsque l'échantillon est mis en rotation par rapport à la pompe, les lignes d'écoulement doivent également être mis en rotation. Lignes d'écoulement rigides peuvent provoquer l'échantillon de se déplacer, ce qui réduit la résolution de l'image effective ou faisant partie ou la totalité de l'ensemble de données inutilisable. Pour éviter cela, nous avons remplacé toutes les lignes de flux à proximité de la phase de rotation avec souple éther cétone de polyéther (PEEK) tubulure. Ces lignes de flux étaient flexible, en offrant de très petites forces latérales (charge) à la porte-noyau lors de l'acquisition. Nous avons également joint les lignes de flux aux vannes attachés à l'étape de l'échantillon, plutôt que de fixer les lignes de flux à l'coreholder. Cela signifie que ne importe quelle charge de ligne de flux existant a été transmise directement à l'étape, au lieu de l'échantillon, ce qui réduit la probabilité de mouvement de l'échantillon. Un inconvénient majeur de l'utilisation du tube de PEEK est que le CO ₂ est capable de diffuser lentement à travers elle, sur une échelle de temps de l'ordre de 24 h. Cela signifie que le CO ₂ de la saumure saturée à gauche dans les lignes d'écoulement se désaturer progressivement.

Un autre inconvénient majeur expérimentale des études antérieures était inexact contrôle de la température. Cela peut influer sur les résultats d'un certain nombre de façons. Tout d'abord, la température est un fort contrôle sur la tension et l'angle de contact interfaciale ^16-18. En outre, la solubilité des deux SCCO ₂ et de roches carbonatées en saumure est également très dépendante de la température ^28. contrôle de la solubilité est critique, comme lorsque SCCO ₂ est injecté dans un aquifère salin de carbonate il se dissoudra dans la saumure résident, formant un acide carbonique très réactif, ce qui, à turn commencer à dissoudre toute calcite présente. Toute inexactitude dans le contrôle de la solubilité peut donc conduire à SCCO ₂ dissolution / exsolution ou solide dissolution / précipitation.

Des études antérieures ²⁷ ont utilisé un fluide de confinement chauffée pour chauffer l'coreholder; mais ce ne était problématique. Il a les inconvénients liés à la difficulté de maintenir avec précision une pression de confinement constante à l'aide d'un approvisionnement en eau de recirculation, nécessitant bains de chauffage supplémentaires pour que l'offre. En outre, ce système maintient seulement un contrôle précis de la température au point du bain de chauffage (pas au point du support de noyau, et le fluide de confinement se refroidir entre le bain d'eau et le porte-noyau). Elle nécessite également la fois une entrée et un orifice de sortie pour le fluide de confinement, augmentant le nombre de conduites de fluide fixés au coreholder et la charge de la ligne d'écoulement de façon croissante.

Au lieu d'utiliser un fluide de confinement chauffée, d'un Infrastructures soupleveste ng a été utilisé pour entourer le support de noyau. Cette méthode de chauffage très simple abouti à très peu de charge de coreholder, et a permis pour le chauffage précis et exacts. Un film de polyimide de chauffage extrêmement mince a été utilisée, afin de minimiser la taille de l'échantillon. La construction de ce film est constitué d'un élément de gravure de cuivre de feuille 0,0127 mm d'épaisseur, encapsulée entre deux couches de film de polyimide de 0,0508 mm. Les éléments de cuivre présents dans l'enveloppe ne affectent pas sensiblement la qualité de l'image. La température a été mesurée en utilisant un thermocouple assis dans l'espace annulaire de confinement de la cellule. Il a été positionné sur le côté extérieur du manchon de confinement, aussi près que possible du noyau, en assurant une lecture précise, fiable et stable de la température du fluide des pores. Le film de thermocouple et le chauffage ont été connecté à un contrôleur sur mesure Proportionnelle Intégrale Dérivée (PID), et les températures ont été contrôlées à ± 1 ° C.

Pour maintenir complète vo de commandeer solubilité entre phases, et représentent les conditions présentes dans l'aquifère loin du site d'injection, avant l'injection de la saumure a été équilibrée avec SCCO ₂ en mélangeant vigoureusement les deux fluides ensemble avec de petites particules (1 à 2 mm) de la roche d'accueil dans un réacteur agité et chauffé. Tous les composants en contact avec l'intérieur de ce réacteur sont faites de Hastelloy pour minimiser la corrosion. Le réacteur contient un tube plongeur pour permettre filtré pour le fluide dense pour être extraits de la base du réacteur (saumure) et le fluide moins dense pour être extraits de la partie supérieure du réacteur (SCCO _2). Pompes à seringue à haute pression ont été utilisés pour maintenir le flux de pression et de contrôle dans l'espace des pores de la roche et dans le réacteur, avec une précision de déplacement de 25,4 nl. L'appareil expérimental utilisé dans cette étude est illustré sur la figure 1. Le sel ionique utilisé pour l'expérience dont les résultats représentatifs ont été établis était iodure de potassium (KI), car elle a un poids atomique élevé et donc uncoefficient d'atténuation de rayons X haute, ce qui en fait un agent de contraste efficace. Moins d'atténuation (sels tels que NaCl) ou des mélanges peuvent être utilisés, cependant salinités plus grandes seront nécessaires pour atteindre le même atténuation de rayons X.