Reservoir Zustand Pore angelegte Imaging von mehreren fluiden Phasen Mit Hilfe der Röntgenmikrotomographie

Carbon Capture and Storage ist der Prozess, bei dem CO ₂ aus großen Punktquellen erfasst und in porösem Gestein gespeichert und verdrängt Wohnsitz Salzlösungen, so dass es im Untergrund bleibt für Hunderte bis Tausende von Jahren ^ein. Das CO ₂ liegt im Untergrund als dichtes superkritischen Phase (scCO _2), mit den Eigenschaften völlig andere bei Umgebungsbedingungen CO _2. Es gibt vier Hauptmechanismen, durch die scCO ₂ könnte im Untergrund immobilisiert werden: stratigraphische, Löslichkeit, mineralische und Rest Trapping. Stratigraphischen Trapping ist, wo CO ₂ unter undurchlässigen Dichtung Felsen gehalten; Löslichkeit Trapping ist, wo CO ₂ löst sich in der Wohn Sole rund um die injizierten CO ₂ ^2-4; Mineral Trapping ist, wo kohlenMineralPhasen sind in den Fels ⁵ ausgefällt; und Rest oder Kapillar-Trapping ist, wo CO ₂ wird durch Oberflächenkräfte gehaltenals winzige Tröpfchen (ganglia) im Porenraum des rock ^6. Dies kann natürlich vorkommen, entweder, indem die Migration der CO ₂ plume ^7-9 oder induziert werden kann durch die Injektion von chase Solen ^10. Um die Prozesse, die den Fluss und Trapping dieser CO ₂ im Untergrund eine neue Reihe von Experimenten durchgeführt werden müssen, die Nutzung neuer Fortschritte in der Technologie, um die Grundlagen der Physik mit Mehrphasenströmung verbunden ist, besser zu verstehen zu verstehen.

Mikrotomographie hat als Technik in den letzten 25 Jahren durch frühe Versuche sowohl für Modellierungszwecke und für Versuche entwickelt, um sowohl trockene geologische Proben ¹¹ und mehrere Flüssigkeitsphasen ¹² auf die Hauptmethode für das nicht-invasive Abbildung von Gesteinskernen zu visualisieren, Umsetzung ^13-15. Weil Mikrotomographie ist nicht-invasiv, hat es die Fähigkeit, Systeme an repräsentativen Bedingungen zu untersuchen, die besonders ist attraktive für die CO ₂ -brine-Rock-System, da die Mehrphasen-Strömungsverhalten scCO ₂ ist in hohem Maße auf die thermophysikalischen Eigenschaften, wie Oberflächenspannung und Kontaktwinkel, die wiederum eine starke Funktion der Systembedingungen wie Temperatur sind, Druck und Salzgehalt ^{von 16 bis 18.} In solch einem komplexen System mit einer solchen umfassenden und kaum verstanden Satz voneinander abhängigen Variablen, können Versuche mit idealisierten Porenstrukturen ¹⁹ oder analogen Flüssigkeiten ^20,21 nicht auf Strömungsvorgänge im Untergrund sein. Abbilden mehrerer Fluide bei Bedingungen repräsentativ für eine prospektive CO ₂ Injektionsformation hat, blieb jedoch eine Herausforderung ^22. In dieser Studie beschreiben wir eine Methode zur Untersuchung von Mehrstoffverhalten bei Lagerstättenbedingungen, die sich auf die Prüfung der Kapillare Trapping ^23,24. Dadurch wird die Konstruktion einer Abbildungsstrategie, die Montage der Flüssigkeitszelle, die Injektions st umfassenrategy und nachfolgende Bildverarbeitung.

Die experimentelle Untersuchung der Poren angelegte Mehrphasenströmungsverhalten in echten Rock-Systemen konzentriert sich auf die Darstellung von teilweise gesättigten Gesteinskernen, nachdem beide Nichtbenetzungsphase Injektion (Drainage) und Netzphaseneinspritzung (Imbibition). Diese Flüssigkeiten werden durch den Anschluss der Adern an Fluidinjektionspumpen mit flexiblen Stromlinien eingespritzt, während die Beschränkung des Kern mit einem Hassler-Typ coreholder Design ^25. Für die erfolgreiche Bild die in-situ Anordnung scCO ₂ und Sole, ein neuartiges und hochempfindliche Versuchsaufbau wurde verwendet, wobei der Schwerpunkt auf der Verwendung eines hochauflösenden Röntgen-Mikroskop ^23,24,26. Die Anforderungen für die Durchführung von Experimenten bei erhöhten Temperaturen und Drücke sind sehr streng und erfordern neuere Entwicklungen in den beiden Werkstofftechnik und Mikro-CT-Einrichtungen. Die wichtigsten Anforderungen, die erfüllt werden müssen, sind, dass jeder Kern / Probenhalter auf ab sein mussle zu Hochdruck-Hochtemperatur (HPHT) standhalten, während verbleibenden ausreichend Röntgen transparent für eine effektive Bild ermöglichen. Lab basierte Instrumente hierfür eine zusätzliche Einschränkung, da der Kernhalter muss klein genug sein, so dass die Röntgenquelle in der Nähe der Probe angeordnet werden und daß ausreichend große geometrische Röntgen Vergrßerung erreicht werden, daß der Porenraum ist effektiv gelöst. Obwohl diese Einschränkung hat sich etwas mit der Einführung von Sekundäroptik in neueren Laborbasis Mikro-CT-Maschinen gelockert worden ist, nicht vollständig entfernt wird, insbesondere wenn eine schnelle Erfassungszeiten gewünscht sind, da höhere optischen Vergrößerung neigen dazu, die Zeit, die zum Erfassen erforderlich erhöhen Bilder.

Versuche mit löslicher Flüssigkeiten stellen eine zusätzliche Herausforderung bei der Verwendung von langen Erfassungszeiten, wie CO ₂ wird durch die Polymerbereiche der Versuchsanordnung zu diffundieren, wodurch die in-situ Fluidsättigung. All diese Probleme dazu geführt, dass Scan-mal länger als ca. 2 h waren unpraktisch. Um Scanzeiten unter dieser Voraussetzung zu halten, besonders strengen für Labor basierten Quellen, muss der Kernhalter ca. 1 cm im Durchmesser sein. Eine größere coreholder Größe würde den Detektor erforderlich sind, viel weiter von der Quelle, um die gleiche geometrische Vergrößerung zu erreichen, die Verringerung der Röntgenfluss auf den Detektor und erhöht deshalb erforderliche Projektionsbelichtungszeiten. Die Durchflusszelle in diesen Experimenten verwendet wurde, auf einem traditionellen Hassler Zelldesign, um einen Kohlenstofffaserhülse aufgebaut basiert, mit einer Hülsenkonstruktion ähnlich derjenigen von Iglauer et al ^27, aber mit zwei signifikanten Veränderungen: 1.) Der Kohlenstofffaserverbund in der Hülse der Herstellung verwendet wurde aus T700 Fasern verändert, mit einer Steifigkeit von 230 GPa, um M55-Fasern, mit einer Steifigkeit von 550 GPa. Dadurch wird nicht nur die Menge der Probenbewegung reduziert während Tomographieerfassung, sondern erhöhte auch die maximale WOArbeitsdruck der Zelle von 20 MPa bis 50 MPa. 2) die Hülse von 212 mm bis 262 mm gestreckt worden sind, um die Quelle und den Detektor zu ermöglichen, wie nahe an der Probe wie möglich zu sein.

Eine wichtige experimentelle Fehler im ersten Studie zu Mikro CT verwenden, um CO ₂ bei Lagerstättenbedingungen untersuchen war die Verwendung von Metallleitungen, um die Strömung zu und von dem Kernhalter ²⁷ zu steuern. Wenn die Probe in Bezug auf die Pumpen gedreht wird, müssen die Stromlinien auch gedreht werden. Stiff Stromlinien kann dazu führen, die Probe zu bewegen, wodurch effektive Bildauflösung oder dass einige oder alle der Datenmenge unbrauchbar. Um dies zu verhindern, haben wir alle Strömungslinien in der Nähe der Drehtisch mit flexiblen Polyether-Ether-Keton (PEEK) Schlauch ersetzt. Diese Fließlinien waren flexibel, wodurch sehr kleine Querkräfte (Last) auf den Kernhalter bei der Erfassung. Wir befestigt auch die Strömungsleitungen zu den Ventilen zu dem Probentisch befestigt ist, anstatt die Befestigung der Stromlinien auf die coreholder. Dies bedeutete, dass jede vorhandene Stromlinienlast direkt auf die Bühne übertragen, anstatt auf die Probe, wodurch die Wahrscheinlichkeit der Probenbewegung. Ein wesentlicher Nachteil der Verwendung der PEEK-Kapillare war, dass CO ₂ konnte diffundieren langsam durch sie über einen Zeitrahmen von etwa 24 Stunden. Dies bedeutete, dass CO ₂ gesättigte Sole in den Strömungsleitungen links allmählich entsättigen.

Ein weiterer großer Nachteil der experimentellen früheren Studien war ungenaue Kontrolle der Temperatur. Dies kann zu einer Anzahl von Weisen beeinflussen. Zum einen ist die Temperatur eine starke Kontrolle über beide Grenzflächenspannung und Kontaktwinkel ^{von 16 bis 18.} Darüber hinaus ist die Löslichkeit sowohl scCO ₂ und Karbonatgestein in Salzlake auch stark temperaturabhängig ^28. Löslichkeit Kontrolle ist von entscheidender Bedeutung, als wenn scCO ₂ in eine Kochsalzlösung kohlenwasserführenden Schicht wird in den residenten Sole auflösen spritzt und bildet eine hochreaktive Kohlensäure, die in tu wirdrn starten allen derzeit Calcit aufzulösen. Jede Ungenauigkeit in Löslichkeit Steuerung kann daher _scCO2 Auflösung / Entmischung oder feste Lösung / Niederschlag führen.

Frühere Studien ²⁷ verwendet einen beheizten Sperrmedium, um die coreholder erwärmen; aber das war problematisch. Es hat die Nachteile, die mit der Schwierigkeit der genauen Aufrechterhaltung einer konstanten Umgebungsdruck mit Hilfe eines Umlaufwasserversorgung, erfordern zusätzliche Heizbäder für die Versorgung verbunden. Weiterhin ist dieses System nur behält eine genaue Steuerung der Temperatur an der Stelle des Heizbades (nicht an der Stelle des Kernhalters und das Sperrfluid würde zwischen dem Wasserbad und dem Kernhalter zu kühlen). Es erfordert auch sowohl einen Einlass und einen Auslass für das Sperrfluid, die Erhöhung der Anzahl von Fluidleitungen zum coreholder befestigt und so zunehmender Strömungsleitungsauslastung.

Anstelle der Verwendung einer beheizten Sperrfluid, einem flexiblen Stahng Mantel wurde verwendet, um den Kernhalter umgeben. Diese sehr einfache Erwärmungsverfahren zu einer sehr geringen coreholder Last und erlaubt die präzise und genaue Erwärmung. Eine extrem dünne Polyimid-Heizfolie wurde verwendet, um die Probengröße zu minimieren. Der Aufbau dieser Folie besteht aus einer geätzten Kupferfolie Element 0,0127 mm dick, zwischen zwei Schichten von 0,0508 mm Polyimidschicht eingekapselt. Die in dem Mantel vorhanden Kupferelemente nicht merklich auf die Bildqualität. Die Temperatur wurde mit einem Thermoelement sitzt in der Sperrringraum der Zelle gemessen. Es wurde auf der Außenseite der Begrenzungshülse, so nah wie möglich an dem Kern positioniert ist, gewährleistet eine genaue, zuverlässige und stabile Messung des Porenfluidtemperatur. Das Thermoelement und Heizung-Film wurden auf einem speziell angefertigten Proportional Integral Derivative (PID) Steuerung verbunden, und die Temperaturen wurden innerhalb von ± 1 gesteuert ° C.

Um die vollständige Kontrolle zu halten over Interphasen-Löslichkeit, und stellen in den Grundwasserleiter weit weg von der Injektionsstelle vor der Injektion die Sole wurde mit scCO ₂ durch gemeinsam kräftig Mischen der beiden Flüssigkeiten mit kleinen Partikeln (1-2 mm) des Wirtsgesteins äquilibriert gegenwärtigen Bedingungen in einen gerührten und beheizten Reaktor. Alle medienberührten Bauteile in diesem Reaktor aus Hastelloy, um Korrosion zu minimieren. Der Reaktor enthält eine gefilterte Tauchrohr für den von der Basis des Reaktors (Sole) extrahiert werden dichteren Fluid und weniger dichte Fluid zu ermöglichen, von der Oberseite des Reaktors (scCO ₂₎ extrahiert werden. Hochdruckspritzenpumpen wurden verwendet, um Druck und Strömungssteuerung im Porenraum des Gesteins und in dem Reaktor aufrechtzuerhalten, mit einem Verschiebungsgenauigkeit von 25,4 nl. Die Versuchsapparatur in dieser Studie verwendet wird, in 1 gezeigt. Die ionische Salz für das Experiment verwendet, aus dem die repräsentative Ergebnisse wurden gezeichnet wurde Kaliumiodid (KI), da es ein hohes Atomgewicht und so a hathohe Röntgendämpfungskoeffizienten, so dass es eine effektive Kontrastmittel. Weniger Abschwächen Salze (wie NaCI) oder Mischungen verwendet werden könnten, würden jedoch größer Salinitäten erforderlich, um die gleiche Röntgenstrahlschwächung zu erreichen.