X線マイクロトモグラフィーを使用した複数の流体相の貯水池条件ポアスケールのイメージング

二酸化炭素回収·貯留は、それが何百年¹の千のために地下に残るようにCO _2が常駐塩水を移動させる、大規模な点源から取得され、多孔質の岩石に格納されているプロセスである。 CO _2は 、周囲条件でCO ₂に根本的に異なる特性を持つ、高密度の超臨界相（SCCO _2）などの地下に存在します。層序、溶解性、ミネラルおよび残留トラップ：SCCO _2は地下に固定化されるかもしれないことで4つの主要なメカニズムがある。層序トラップは、CO _2が不透過性のシール岩の下に保持されているところです。 CO _2を注入CO ₂ ^2-4周囲常駐食塩水に溶解ここ溶解トラッピングである。炭酸塩鉱物相は岩⁵中に沈殿している場所の鉱物トラッピングがある。および残留またはキャピラリートラッピングCO _2が表面力によって保持される場合である岩⁶の孔空間のように小さな液滴（神経節）。これは、いずれかの天然に発生する、CO ₂の移動により^{7-9プルーム} 、またはチェイス塩水¹⁰の注入によって誘導され得ることができる。プロセス良い多相フローに関連付けられた基本的な物理学を理解するために技術の新たな進歩を利用する、流れを支配し、実験の新しいスイートが行われなければならない表面下でこのCO ₂の捕捉を理解するために。

X線マイクロトモグラフィーは、モデリングの目的のために、実験のために両方、岩コアの非侵襲的イメージングのための主要な方法にドライ地質サンプル¹¹と、複数の流体相¹²の両方を可視化するために初期の試みから、過去25年間の技術として開発してきました実装^13-15。マイクロトモグラフィーは、非侵襲的であるため、特にattractivであり、代表的な条件でのシステムを研究する能力を有しているCO ₂ -brineロック·システムの電子、SCCO ₂の多相流の挙動は、順番に、温度などのシステム条件の強い関数である界面張力との接触角として、熱物理的特性に大きく依存しているように、圧力と塩分^16-18。相互依存の変数のような大規模なとよくわかっていないセットでこのような複雑なシステムでは、理想化された細孔構造¹⁹またはアナログ流体^20,21を用いた実験は、地下でのプロセスを流れるように適用できない場合があります。将来のCO ₂注入形成の条件を代表で複数の流体を画像化する、しかし、挑戦^22を推移している。本研究では^{、23,24トラッピング}キャピラリーの検査に焦点を当て、貯水池条件で多流体挙動の検査のための方法論を概説する。これは、画像化戦略の設計、流体セルのアセンブリ、注射目を含む。rategyおよびその後の画像処理を行う。

本物の岩システムにおける細孔スケール混相流動挙動の実験的な検査は、非濡れ相インジェクション（排水）および湿潤相インジェクション（吸収）の両方の後に部分的に飽和岩石コアの画像化に焦点を当てています。ハスラー型coreholderデザイン^25を使用してコアに閉じ込めながら、これらの流体は、フレキシブルフローラインを使用して、流体注入ポンプにコアを接続することによって注入される。正常に画像SCCO ₂と塩水の現場配置に、新規で高感度な実験は、主に高分解能X線顕微鏡^23,24,26の使用に焦点を当てて使用した。高められた温度および圧力での実験を行うための要件は非常に厳格であり、両方の材料技術およびマイクロCT施設における最近の開発を必要とする。満たされなければならない重要な要件は、任意のコア/サンプルホルダーがABである必要があることである効果的なイメージングを可能にするのに十分に透明で、X線のままルは、高圧高温（HPHT）条件に耐える。実験室ベースの計測器コアホルダは、X線源に近いサンプルを配置することができ、その十分に大きい幾何X線倍率孔空間があるように達成することができるように十分に小さくなければならないように、追加の制約を課す効果的に解決した。この制約は、新しい実験室ベースのマイクロCT機で二次光学系を導入することで幾分緩和されてきたが、より高い光学倍率を取得するために必要な時間を増加させる傾向があるように、それは、迅速な取得時間が所望される場合は特に、完全に除去されていない画像。

長い取得時間を使用するときにCO _2が その場で流体の飽和を低減し、実験的なアセンブリのポリマー部分を通って拡散するように、水溶性流体を用いた実験は、付加的な挑戦を提供する。 Aこれらの問題LL約2時間より長いスキャン時間が非現実的だったことを意味した。ラボベースのソースには特に厳しい、この要件の下に、スキャン時間を保つために、コア·ホルダーは、直径約1 cmである必要があります。大きなcoreholderサイズが検出器にX線束の入射を低減し、したがって、必要な投影露光時間を増加させる、同じ幾何学的な倍率を達成するために、更に多くのソースからであることが検出器を必要とした。 これらの実験で使用したフローセル²⁷ Iglauer らによって使用されるものと同様のスリーブのデザインで、炭素繊維スリーブの周囲に構築された従来のハスラーセル設計に基づいていたが二つの重要な変化を有する：1）炭素繊維複合スリーブの製造に使用さは550 GPaでの剛性、M55繊維に、230 GPaでの剛性、T700繊維から変更されました。これは、断層取得中に試料移動量を低減するだけでなく、woは最大に増加するだけでなく20メガパスカルから50 MPaの、セルの圧力をrking。 2）スリーブは、できるだけ試料に近くなるように光源および検出器を可能にするために262ミリメートルと212ミリメートルから伸長されている。

リザーバ条件でCO _2を調べるために、マイクロCTを使用した最初の研究の主な欠点は、実験的に、コアホルダー²⁷の流れを制御するために、金属線を使用することであった。試料は、ポンプに対して回転されると、フローラインも回転させる必要がある。硬いフローラインは、効果的な画像解像度を低減または使用不能データセットの一部またはすべてを行う試料を移動させることができる。これを防止するために、我々は、柔軟なポリエーテルエーテルケトン（PEEK）チューブを回転ステージに近いすべてのフローラインを置き換える。これらのフローラインは、取得中にコアホルダに非常に小さな横方向の力（荷重）を提供する、柔軟であった。また、むしろcoreholderにフローラインを取り付けるよりも、試料ステージに取り付けられたバルブにフローラインを取り付け。これは、任意の既存のフローラインの負荷は、サンプルの動きの可能性を低減する、ステージにではなく、試料に直接伝達されたことを意味する。 PEEKチューブを使用することの主な欠点は、CO _2は約24時間の時間スケールで、ゆっくりそれを通って拡散することができたことであった。これは、フローラインに残ってCO ₂を飽和食塩水で徐々に飽和化することを意味する。

これまでの研究のもう一つの主要な実験的欠点は、温度の不正確な制御をした。これは多くの方法で結果に影響を与えることができる。まず、温度は界面張力との接触角^16〜18の両方に強い制御である。また、塩水の両方のSCCO ₂と炭酸塩岩の溶解度はまた、高度、温度²⁸依存しています。 SCCO _2は、反応性の高い炭酸を形成し、それは常駐ブラインに溶解し、生理食塩水、炭酸水層に注入されるときのように溶解度の制御はtuの遺言、重要であるすべての方解石存在を溶解するために開始し、RN。溶解性コントロール内の任意の不正確さは、したがって、SCCO ₂溶解/離溶または固体の溶解/沈殿につながることができます。

これまでの研究^27は coreholderを加熱するために加熱された閉じ込める流体を使用。しかし、これは問題があった。これは、正確に、再循環水の供給を使用して、一定の制限圧力を維持し、その供給のための余分な加熱浴を必要とすることの難しさに関連する欠点を有している。さらに、このシステムは、加熱浴の点における温度の正確な制御を維持する（しないコアホルダーの点で、そして閉じ込める流体水浴とコアホルダとの間に冷却するだろう）。また、入口と閉じ込める流体用の出口ポート、coreholderに取り付けられた流体ラインの数を増やすので、増加動線負荷の両方を必要とする。

代わりに、加熱された流体の閉じ込めを使用する、柔軟heatingのジャケットは、コアホルダーを囲むために使用した。この非常に簡単な加熱方法は、非常に少ないcoreholder負荷をもたらし、かつ精密で正確な加熱を可能にした。非常に薄いポリイミド加熱フィルムはサンプルサイズを最小にするために、使用された。このフィルムの構成は、0.0508ミリメートルポリイミドフィルムの2つの層の間に封入された0.0127ミリメートル厚さのエッチングされた銅箔要素から成る。ジャケットに存在する銅要素は著しく画質に影響を与えなかった。温度は、セルの閉じ込め環状部に座った熱電対を用いて測定した。これは、細孔流体温度の正確な信頼性の高い安定した読み取りを保証する、コアのできるだけ近くに、閉じ込めスリーブの外側に配置した。熱電対及び加熱フィルムは、カスタム構築された比例積分微分（PID）コントローラに接続されていた、との温度が±1以内に制御された °C。

完全な制御OVを維持するために、小胞体相間の溶解度、及びブライン激しく岩盤の小粒子（1-2 mm）と一緒に2つの流体を混合することによってSCCO ₂で平衡化した注射の前に遠く注射部位から帯水層に存在する状態を表す攪拌し、加熱された反応器内。この反応器内のすべての接液構成要素は、腐食を最小限に抑えるためにハステロイ製される。反応器は、反応器（ブライン）の塩基と反応器（SCCO _2）の頂部から抽出される低密度の流体から抽出される密度の高い流体を可能にするために、濾過浸漬管を含んでいる。高圧シリンジポンプは25.4 nlの変位精度で、岩石の孔空間に、反応器内の圧力および制御の流れを維持するために使用された。本研究で用いた実験装置は、 図1に示されている。それは、高い原子量を有するように代表的な結果を引き出した元の実験に使用されるイオン性塩は、ヨウ化カリウム（KI）であったそれは効果的な造影剤の製造、高いX線減衰係数。より少ない減衰（NaClなど）塩、またはそれらの混合物を使用することができる、しかし、より大きな塩分は同じX線減衰を達成するために必要とされるであろう。