利用X射线显微断层扫描在储层条件下对多相流体进行孔隙尺度成像

本实验的目的是在接近地下储层和含水层实际温压条件下，非侵入性地对岩石孔隙空间中的多种流体相进行成像。该目标通过以下步骤实现：首先仔细组装岩心组件，并将其置于高温高压岩心夹持器中；第二步是使用柔性峰值管路将岩心夹持器连接至高温高压控制泵和反应装置。

接下来，系统中的压力和温度将调整至与代表样品一致。地下条件和流体达到平衡后，被注入岩石的孔隙空间中。最终达到储层条件。

微型CT成像用于显示注入卤水后以残余相形式被捕获的二氧化碳的数量及其分布情况。该方法有助于回答多孔介质中多相流领域的关键问题，例如毛细管捕集的残余饱和度测定、润湿性以及接触角测量。尽管该方法可为超临界CO2-卤水-岩石体系提供见解，并应用于碳捕集与封存，但它也可用于研究与提高石油采收率及国际资源相关的烃类-卤水-岩石体系。

该方法的可视化演示至关重要，因为样品制备和岩心组装步骤难以掌握。其原因在于岩心组装、岩心、围压套管以及多层铝箔包裹之间的关系较为复杂。开始此操作前，需仔细检查设备各连接处是否存在液体泄漏。

接下来，将盐水放入反应器底部。将柔性加热器缠绕在流动池周围。然后，通过去除1/16英寸转1/8英寸变径接头的1/8英寸端的螺纹，来制备金属端部接头。随后，在该接头1/8英寸端的端面上切出若干细小凹槽，以便将注入的二氧化碳分布到岩心端面的整个表面。

随后，将高压热电偶穿过微型流动池金属端部的密封件，并使用1/4英寸卡套管接头和螺母将热电偶密封，使热端位于金属螺母端面附近，处于反应池L的约束环空内。接着，将所需样品钻取成直径为6.5毫米、长度为30毫米至50毫米的岩心。将岩心两端磨平，以确保与金属端件良好接触。然后用铝箔包裹该岩心。

随后将其放入氟聚合物弹性体套管中。接着，将弹性体套管的两端连接至金属端部接头。在弹性体套管外部再包裹一层铝箔，然后将热电偶的热端置于岩心入口端面附近，并再加一层最终的铝箔包裹。

这构成了核心组件。现在将微流控池与内部密封的核心组件组装在一起。使用安装在旋转CT载物台顶部的夹具，将微流控池连接至微CT腔室内的载物台上。

在此步骤中，除阀门一、阀门二和阀门三外，关闭所有其他阀门。随后，将二氧化碳气瓶中的气体注入泵一和反应器中。然后关闭阀门一。

缓慢升高反应器的温度和压力至孔隙流体所需值，并充分混合孔隙流体至少12小时，以确保在注入前所有相均达到化学平衡。接着打开阀门14，将围压流体装入三号泵中。

然后关闭，打开阀门12和13。将岩心室围压环加压至至少比预定孔隙流体压力高10%。随后打开阀门11。

将盐水装入二号泵并关闭。随后打开九号、八号和六号阀门。缓慢加压岩心孔隙空间，直至达到所需孔隙流体压力，并用未与超临界二氧化碳平衡的盐水填充样品的孔隙空间。

现在，通过以恒定流速重新启动泵二，向岩心中注入超过1000个孔隙体积的平衡盐水，同时在此过程中以极低流速使超临界二氧化碳通过岩心，至少经历10个孔隙体积，持续保持约10⁻⁶的低毛细数。在超临界二氧化碳置换孔隙空间中的盐水时，采集二维投影图像，以精确测量总注入体积。随后，在相同低流速下，再使10个体积的平衡盐水通过岩心，从而使超临界二氧化碳以残余相形式被捕集在孔隙空间中。

随后，对样品进行多次扫描以成像排水或抑制过程。选择体素尺寸，使岩心的整个直径均位于视场范围内。然后使用断层扫描重建程序对扫描数据进行重建。

通过依次拼接多个重叠的区域来重建复合体积。此处显示的图像为排水后岩心的三维渲染图，其中每个非润湿相簇被赋予不同的颜色。这五幅图像展示了同一岩心在五次独立抑制实验后的三维渲染结果，而颜色的广泛分布表明残余相的连通性较差。

这是排水后岩心的横截面。最暗的相为超临界二氧化碳，中间相为盐水，最亮的相为岩石颗粒，此即为岩心的横截面。

抑制后，此处展示了残余神经节大小分布的幂律标度关系。一旦掌握，若操作得当，该技术可在大约两小时内完成。请注意，在高压和高温条件下操作设备可能极为危险，因此在进行实验操作前，必须采取适当的培训和设备认证等预防措施。