Водохранилище Состояние пор масштаб Визуализация нескольких жидких фаз, используя рентгеновский микротомография

Улавливание и хранение углерода является процесс, в котором CO ₂ улавливается крупных точечных источников и хранятся в пористую породу, вытесняя резидентов рассолы так, что он остается в недрах в течение сотен до тысяч лет ^1. СО ₂ находится в недрах в виде плотного сверхкритическом фазы (SCCO _2), со свойствами совершенно разных СО ₂ в условиях окружающей среды. Существуют четыре основные механизмы, с помощью которых SCCO ₂ может быть иммобилизован в недрах: стратиграфические, растворимость, минеральные и остаточное захвата. Стратиграфическая отлова, где CO ₂ проводится под непроницаемыми уплотнения горных пород; растворимость отлова, где CO ₂ растворяется в резидента рассола окружающей вводят CO ₂ ^2-4; минеральная отлова, где карбонатные минеральные фазы осаждаются в скале ^5; остаточный или капиллярной ловушки, где CO ₂ проводится за счет поверхностных силв виде крошечных капелек (ганглиев) в пространстве поры породы ^6. Это может произойти естественным путем, в результате миграции СО ₂ шлейфа ^7-9, или может быть вызвано введение погоне рассолов ^10. Для того, чтобы понять процессы, регулирующие поток и захвата этого CO ₂ в геологической новый набор экспериментов должен осуществляться, использование новых достижений в технологии, чтобы лучше понять фундаментальную физику, связанную с мульти-фазового потока.

X-Ray микротомография сложилась в технике за последние 25 лет, начиная с первых попыток визуализировать, как на сухом геологические образцы ¹¹ и несколько жидких фаз ¹² для основного метода для неинвазивного визуализации рок ядер, как для целей моделирования, и для экспериментальной Реализация ^13-15. Потому что микротомография является неинвазивным, он имеет способность к изучению систем в представительствах условиях, что особенно attractivе для -brine-рок СО _2, а многофазный поток поведение SCCO ₂ сильно зависит от теплофизических свойств, таких как межфазного натяжения и угла контакта, что, в свою очередь сильно зависит от условий системы, таких как температура, давление и соленость ^16-18. В такой сложной системы, с такой обширной и плохо понимал набор взаимозависимых переменных, эксперименты с использованием идеализированные пористую структуру, ¹⁹ или аналог жидкости ^20,21 не могут быть применимы к течь процессы в недрах. Визуализация нескольких жидкостей при условиях представителем потенциального CO ₂ формирования впрыска, однако, остается проблемой ^22. В этом исследовании мы выделяем методологию изучения поведения мульти-жидкости в пластовых условиях, уделив особое внимание рассмотрению капилляра захвата ^23,24. Это будет включать в себя проектирование стратегии формирования изображения, сборку жидкости клеток, инъекции улrategy и последующая обработка изображения.

Экспериментальная проверка пор масштабе поведения многофазных потоков в реальном рок систем фокусируется на визуализации частично насыщенных рок ядер после того, как несмачиваемом фазе впрыска (дренаж) и смачивания фазы впрыска (набухания). Эти жидкости вводят путем подключения ядра к насосах для инъекций с использованием гибких поточных линий, в то время как ограничивая ядро с помощью Хасслера типа coreholder дизайн ^25. Чтобы успешно изображение используется устройство на месте из SCCO ₂ и солевым раствором, новым и весьма чувствительной экспериментальной установки, в первую очередь внимание на использовании высокого разрешения рентгеновской микроскопии ^23,24,26. Требования для проведения экспериментов в условиях повышенных температур и давлений являются очень строгими, и требуют последние события в обоих материалах технологий и микро-КТ объектов. Основные требования, которые должны быть выполнены в том, что любой обладатель ядро ​​/ образец должен быть ABле чтобы выдерживать высокое давление высокая температура (HPHT) условия, оставаясь при этом достаточно проницаем для рентгеновских лучей, чтобы обеспечить эффективную визуализацию. Лабораторные инструменты на основе накладывают дополнительное ограничение, а ядро-держатель должен быть достаточно небольшим, так что источник рентгеновского могут быть размещены рядом с образцом и, что достаточно большое геометрическое увеличение рентгеновского может быть достигнуто, например, что порового пространства эффективно решены. Хотя это ограничение было несколько ослаблены с введением вторичной оптики в новых машинах микро-КТ лабораторных основе, он не был полностью удален, особенно если быстрое время сбора желательны, так как более высокие оптические увеличениях имеют тенденцию к увеличению времени, необходимого для получения изображений.

Эксперименты с растворимыми жидкостями обеспечить дополнительную проблему при использовании длинных раза приобретение, как CO ₂ будет диффундировать через полимерную частей экспериментальной установки, уменьшая насыщенность жидкости в месте.LL эти вопросы означает, что сканирование раз больше, чем около 2 ч было нецелесообразным. Для того, чтобы сохранить время сканирования ниже этого требования, в частности, жесткими для источников на основе лабораторных, основной держатель должен быть около 1 см в диаметре. Чем больше размер coreholder потребовало бы детектор гораздо дальше от источника для достижения той же геометрической увеличение, уменьшение потока, падающего рентгеновского на детекторе, и поэтому увеличение искомой проекции времени экспозиции. Ячейка поток, используемый в этих экспериментах была основана на традиционной конструкции Хасслера клеток, построенный вокруг углеродного волокна рукава, с конструкцией втулки аналогичным тому, который используется Iglauer и др ^27, но с двумя значительных изменений: 1). Углеродного волокна композитных используется в производстве втулки был изменен с T700 волокон, с жесткостью 230 ГПа, чтобы M55 волокон, с жесткостью 550 ГПа. Это не только снижает количество движения образца во время сбора томографии, но и увеличил максимальный WOrking давление клетки от 20 МПа до 50 МПа. 2) втулки был удлинен от 212 мм до 262 мм, чтобы источник и детектор, чтобы быть как можно ближе к образцу, насколько это возможно.

Основным недостатком экспериментальной в первом исследовании, чтобы использовать микро-КТ для изучения CO ₂ в пластовых условиях было использование металлических линий, чтобы контролировать поток в и из основного держателя ^27. Как образец вращается по отношению к насосам, линии тока также должны быть повернуты. Жесткие линии потока может привести образец для перемещения, уменьшая эффективное разрешение изображения или сделать некоторые или все из набора данных непригодным для использования. Чтобы предотвратить это, мы заменили все поточные линии близко к сцене вращения с гибким полиэфирэфиркетон (PEEK) труб. Эти трубопроводы были гибкими, обеспечивая очень маленькие боковые силы (нагрузки) в основной держатель при приобретении. Мы также прилагаются поточные линии для клапанов, прикрепленных к стадии образца, а не присоединения линии тока в coreholder, Это означает, что любой существующий поток нагрузки линии был передан непосредственно на стадии, а не на образце, уменьшая вероятность движения образца. Основным недостатком при помощи трубки PEEK, что СО ₂ был способен медленно диффундировать через него, по шкале времени около 24 ч. Это означало, что CO ₂ насыщенным солевым раствором оставил в поточных линиях постепенно обесцветить.

Еще одним важным экспериментальным недостаток предыдущих исследований была неточной контроль температуры. Это может повлиять на результаты различными способами. Во-первых, температура строгий контроль на обоих поверхностное натяжение на границе и углом контакта ^16-18. Кроме того, растворимость обоих SCCO ₂ и карбонатных пород в рассоле также весьма зависит от температуры ^28. Растворимость управления имеет решающее значение, так как при SCCO ₂ вводится в физиологический раствор карбоната водоносного горизонта он будет растворяться в резидентной солевым раствором, образуя высоко реакционно-угольную кислоту, которая будет в Тугп начинают растворяться любой кальцита подарок. Неточность в управлении растворимости может поэтому привести к SCCO ₂ растворения / распад твердого раствора или твердого растворения / осаждения.

Предыдущие исследования ²⁷ используется с подогревом удерживающего жидкость, чтобы нагреть coreholder; Однако это было проблематично. Она имеет недостатки, связанные с трудностью точно поддерживая постоянное давление удерживающего использованием источника циркуляции воды, что требует дополнительных нагревательных ванны для этой сети. Кроме того, эта система содержит только точный контроль температуры в точке нагревательной бани (не в точке основного держателя и удержания жидкости будет охлаждаться между водяной бане и основной держатель). Он также требует как вход и выходное отверстие для удерживающего жидкость, увеличивая количество жидкости линий, подключенных к coreholder и поэтому увеличение нагрузки линии потока.

Вместо того, чтобы с помощью нагретого удерживающего жидкость, гибкий подогрнг оболочка была использована, чтобы окружать основной держатель. Это очень простой метод нагрева в результате очень мало coreholder нагрузки, и разрешен для точного и аккуратного отопления. Очень тонкий полиимида нагревательной пленки использовали, чтобы свести к минимуму размер выборки. Строительство этого фильма состоит из протравленной медной элемента фольги толщиной 0,0127 мм, заключенный между двумя слоями 0,0508 мм полиимидной пленки. Медные элементы, присутствующие в рубашке не оказывает заметного влияния на качество изображения. Температура была измерена с помощью термопары, сидящего в удерживающего кольца клетки. Было расположенный на внешней ограничивающей рукава, как можно ближе к сердечнику, обеспечивая точное, надежное и стабильное считывание температуры пор жидкости. Термопарой и нагревательной пленки были подключены к индивидуальному заказу пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, а температура контролировалась в пределах ± 1 ° С.

Для поддержания полной ов управленияэр между фазовой растворимости, и представляют собой условия, присутствующие в водоносный горизонт далеко от места инъекции, перед инъекцией солевого раствора, уравновешенную SCCO ₂ путем интенсивного перемешивания двух жидкостей вместе с мелкими частицами (1-2 мм) от вмещающей породы В реактор с мешалкой и нагревают. Все смачиваемые компоненты в этом реакторе изготовлены из Hastelloy чтобы свести к минимуму коррозию. Реактор содержит отфильтрованный погружной трубы, чтобы позволить более плотной жидкости для извлечения из основания реактора (рассол) и менее плотной жидкости, чтобы извлечь из верхней части реактора (SCCO _2). Шприцевые насосы высокого давления были использованы для поддержания давления и расхода управления в поровом пространстве породы и в реакторе, с точностью смещения 25,4 NL. Экспериментальный аппарат, используемый в этом исследовании, показана на фиг.1. Ионной соли, используемый для эксперимента, из которого представительные результаты были составлены был йодид калия (KI), как это имеет высокий атомный вес и таккачество рентгеновских лучей коэффициент ослабления, что делает его эффективным контрастное вещество. Меньше смягчающие соли (такие как NaCl) или смеси могут быть использованы, однако крупные минерализации потребуется для достижения того же ослабление рентгеновского излучения.