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Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule, Aachen
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Hintergrund der Erfindung
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In vielen Bereichen der Technik wäre es wünschenswert, die Porosität und/oder Porenraumkonnektivität sicher und kostengünstig bestimmen zu können.
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Dies betrifft neben den eher typischen Anwendungsfällen der (Rohstoff-/End-)Lagerstätten-Erkundung auch den Bereich technisch hergestellter Produkte, wie z.B. Keramikkörper oder Katalysatoren.
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Am Beispiel von Gesteinsproben soll dies näher erläutert werden.
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Dabei ist es Ziel, Porenräumen im Nano- bis Mikrometermaßstab quantitativ zu bestimmen, um feinkörnige, heterogene Materialien für die Einschätzung ihrer Qualität beispielsweise als Mineralöllagerstätte, Gaslagerstätte bzw. C02-Speicher oder Endlager für nuklearen Abfall zu untersuchen.
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Ein Schlüsselparameter für die quantitative Beschreibung des Porenraums ist die Porenraumkonnektivität, da sie den Fluidfluss und die Permeabilität kontrolliert.
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Dabei stellt es sich als äußerst problematisch heraus die Porenraumkonnektivität so zu bestimmen, dass das Messverfahren die zu untersuchende Probe nicht derartig beeinträchtigt, dass eine sinnvolle Messung nicht mehr möglich ist.
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Dieses Problem wird noch anspruchsvoller, wenn die notwendige Auflösung sehr gering ist.
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Gegenwärtig werden zur Bestimmung einzelner Parameter die folgenden Verfahren verwendet.
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Zum einen werden sogenannte indirekte Verfahren wie die Mercury Intrusion Porosimetry (MIP) verwendet. Bei diesem Verfahren wird eine einzelne Probe in Quecksilber getaucht und anschließend wird Druck auf das Quecksilber ausgeübt. Unter zunehmendem Druck wird die Volumenänderung bestimmt. Dabei ist der Druck ein Maß für die Porengröße während die Volumenänderung auf den Anteil der jeweiligen Porengröße schließen lässt. Allerdings kann mit diesem Verfahren nicht sicher festgestellt werden, ob das Quecksilber tatsächlich alle zur Verfügung stehenden Poren bzw. alle vernetzten Poren füllt. Zudem ist das Verfahren anfällig dafür Risse aufzufüllen, sowie die Kompaktierung bzw. das Deformieren bzw. Brechen von Teilen der Probe fehlerhaft in die Berechnung einzubeziehen, wie zuletzt von Klaver et al. in „The connectivity of pore space in mudstones: insights from high-pressure Wood’s metal injection, BIB-SEM imaging, and mercury intrusion porosimetry", Geofluids (2015) 15, 577–591, doi 10-1111/gfl-12128 gezeigt.
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Quecksilber ist zudem ein Nervengift, sodass die Proben in aller Regel nach Verwendung als kontaminiert gelten und als Sondermüll behandelt werden müssen. Zudem besteht beim Handling immer auch Gefahr für das Personal.
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Andere Verfahren, wie z.B. MicroCT und FIB-SEM, welche als direkte Verfahren bezeichnet werden, haben dafür andere Einschränkungen.
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So erlaubt das MicroCT Verfahren zwar die direkte Untersuchung des Porenraums über vergleichsweise große Volumen von beispielsweise 1 mm3 allerdings nur mit einer Auflösung von circa 1 µm3, sodass die Porenverknüpfungen, die in aller Regel deutlich kleiner sind, nicht aufgelöst werden können. D.h. zur Bestimmung der Konnektivität ist dieses Verfahren nicht geeignet.
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FIB-SEM (Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopy) erlaubt ebenso eine direkte Untersuchung des Porenraums. Allerdings ist das untersuchbare Volumen so klein, ~0.000001 mm3, dass es nicht mehr repräsentativ ist. Daher ist trotz sehr geringer Voxelgröße die untersuchbare Probengröße so gering, dass die Konnektivität gar nicht dargestellt werden kann.
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Aufgabe
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein System und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, den Porenraum und/oder die Porenraumkonnektivität bei ausreichend hoher Auflösung zu erfassen und Probenschäden (bzw. Risse oder Deformation) korrigieren kann.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein System zur Messung der Porosität und Porenraumkonnektivität einer Gesteinsprobe. Das System weist zumindest einen Probenhalter auf, wobei der Probenhalter die Probe räumlich orientiert aufnimmt, wobei der Probenhalter innerhalb des Systems mit einem Füllmaterial geflutet werden kann, wobei das Füllmaterial unter einem bestimmenden Druck steht, wobei das Füllmaterial beim Flutungszustand flüssig ist und eine erste Temperatur aufweist und so in Poren der Gesteinsprobe eindringt, wobei das Füllmaterial anschließend unter Abkühlung auf eine zweite Temperatur in den Poren der Gesteinsprobe sich verfestigt und die Gesteinsprobe nach der Verfestigung geschnitten werden kann, wobei die geschnittene Oberfläche mittels eines Rasterelektronenmikroskops untersucht werden kann und anschließend mittels Bildverarbeitung die Porosität und Porenraumkonnektivität bestimmt werden kann.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Messung der Porosität und Porenraumkonnektivität einer Gesteinsprobe. Das Verfahren weist einen Schritt des Aufnehmens einer Gesteinsprobe in einem Probenhalter auf, wobei der Probenhalter die Probe räumlich orientiert aufnimmt. Weiterhin weist das Verfahren den Schritt des Flutens des Probenhalters mit einem Füllmaterial, wobei das Füllmaterial unter einem bestimmenden Druck steht, wobei das Füllmaterial beim Flutungszustand flüssig ist und eine erste Temperatur aufweist und so in Poren der Gesteinsprobe eindringt. Das Verfahren weist weiterhin den Schritt des Abkühlens der Gesteinsprobe mit dem Füllmaterial auf eine zweite Temperatur auf, wobei sich das Füllmaterial in den Poren der Gesteinsprobe verfestigt. Darüber hinaus weist das Verfahren den Schritt des Schneidens der Gesteinsprobe nach der Verfestigung auf, wobei eine geschnittene Oberfläche der Gesteinsprobe entsteht. Zudem wird in einem weiteren Verfahrensschritt die geschnittene Oberfläche mittels eines Rasterelektronenmikroskops untersucht und in einem weiteren Schritt die Porosität und Porenraumkonnektivität mittels Bildverarbeitung aus Daten der Untersuchung der geschnittenen Oberfläche bestimmt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der Beschreibung und Figuren.
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Kurzdarstellung der Figuren
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Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Figuren erläutert. In diesen zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch eine Gesteinsprobe,
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2 einen Aspekt gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
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3 noch einen Aspekt gemäß Ausführungsformen der Erfindung, und
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4 schematische Verfahrensschritte gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
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Ausführliche Darstellung der Erfindung
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Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figur dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschreiben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
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Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
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Soweit nachfolgend Verfahrensschritte beschrieben werden, können diese mit den unterschiedlichen Ausführungsformen des Systems verwirklicht sein. Insbesondere können jedoch Bestimmungsschritte und Steuerungsschritte in Bezug auf Druck, Temperatur, Volumenänderung mittels herkömmlicher Sensoren und Aktoren bzw. mittels herkömmlicher Recheneinheiten, wie z.B. Mikroprozessoren, Mikrocontrollern, ASICS oder FPGAs implementiert sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist ein erfindungsgemäßes System zur Messung der Porosität und Porenraumkonnektivität einer Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN für jede Gesteinsprobe einen geeigneten Probenhalter auf, siehe 2.
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Auch wenn nachfolgend eine Vielzahl von Probenhaltern beschrieben werden wird ist es ohne Weiteres verständlich, dass die Erfindung auch mit einem einzigen Probenhalter M ausgeführt sein kann.
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Aufgabe des Probenhalters M ist es die Gesteinsprobe S1 aufzunehmen. Dabei ist von Bedeutung, dass der Probenhalter M die Probe S1 räumlich orientiert aufnehmen kann, um so z.B. bei späteren Verarbeitungsschritten immer eine klare Zuordnung aufzuweisen, sodass bestimmte Strukturen gezielt untersucht werden können.
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Der Probenhalter M kann innerhalb des Systems mit einem Füllmaterial geflutet werden, wobei das Füllmaterial unter einem bestimmenden Druck P steht, wobei das Füllmaterial beim Flutungszustand flüssig ist und eine erste Temperatur T1 aufweist und so in Poren des Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN eindringt.
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Der Druck P kann z.B. ein geringer Druck, d.h. auch ein (Tief-)Vakuum sein. Die Temperatur T1 kann geeignet gewählt sein. Es ist lediglich erforderlich, dass das Füllmaterial beim bestimmten Druck P und der ersten Temperatur T1 flüssig ist.
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Das Füllmaterial verfestigt sich anschließend unter Abkühlung auf eine zweite Temperatur T2 in den Poren der Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN.
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Anschließend kann die Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN in ihrem Probenhalter MC nach der Verfestigung geschnitten werden, wobei die geschnittene Oberfläche mittels eines Rasterelektronenmikrokops untersucht werden kann und anschließend mittels Bildverarbeitung die Porosität und Porenraumkonnektivität bestimmt werden kann.
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In einer Weiterbildung des Systems weist das System weiterhin einen Microcage MC zur Aufnahme einer Vielzahl von Probenhaltern M auf. Der Microcage MC kann ebenso wie der Probenhalter M alleine die Probenhaltern M und damit die jeweiligen Gesteinsproben S1, S2, S3 ... SN räumlich orientiert aufnehmen, um so z.B. bei späteren Verarbeitungsschritten immer eine klare Zuordnung aufzuweisen, sodass bestimmte Strukturen gezielt untersucht werden können.
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Für den Probenhalter M oder ein Mircocage MC steht eine große Menge an Materialien zur Verfügung. Insbesondere kann der Probenhalter M ein Material ausgewählt aus der Gruppe aufweisend Teflon, Latex, Polypropylen, Nylon, Polycarbonat oder aber Metalle z.B. aus DMLS (Direct Metal Laser Sintering, 3D-Druck, Silikon, Teflon, etc. aufweisen.
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Der Probenhalter M oder ein Mircocage MC mit einer Vielzahl von Probenhaltern M gemäß 2 kann z.B. auch in einer Kapsel C angeordnet sein. Die Kapsel C kann z.B. mit dem Füllmaterial gefüllt und verschlossen sein. Die Kapsel C kann dann z.B. in einem größeren Druckgefäß V – wie in 3 gezeigt – platziert werden und dann unter Druck gesetzt werden. Durch die Anordnung in einer Kapsel wird nur ein geringes Volumen des Füllmaterials benötigt. Dies ist vorteilhaft, da das Füllmaterial häufig teuer ist. Zudem erlaubt die Anordnung in einem Druckgefäß V, welches z.B. mit einem kostengünstigen Fluid gefüllt ist, Druck P nahezu gleichförmig von allen Richtungen auf die Kapsel C und die darin enthaltenen Probenhalter M auszuüben. Weiterhin erlaubt die Verwendung der Kapsel C die Verwendung unterschiedlicher Materialen, um zum einen Druck auf die Kapsel C mittels eines ersten Materials auszuüben und diesen Druck im Inneren der Kapsel C mittels dem Füllmittel auf die Gesteinsproben wirken zu lassen. Insbesondere kann das erste Material ein Öl oder Wasser oder Gemische hiervon sein. Zudem erlaubt die Verwendung einer Kapsel C das schnelle Auffinden der darin enthaltenen Proben unabhängig vom verwendeten ersten Material.
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Für eine solche Kapsel C können wiederum eine Vielzahl von Materialien verwendet werden, insbesondere jedoch Metalle, aber auch Latex, Teflon, Polymere, Silikone, etc.
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Dabei kann z.B. mittels einer geeigneten Kontroll-Einheit CB, beispielsweise einem Steuerungscomputer, ein Druckstempel ST angesteuert werden, um Druck auf das Fluid im Druckgefäß V und damit auf das Füllmaterial auszuüben. Zugleich kann die Kontroll-Einheit aber auch die Temperatur innerhalb des Druckgefäßes V steuern und Änderungen des Drucks oder des Volumens ∆V nachverfolgen. D.h. es kann die Volumenänderung in Abhängigkeit des sich ändernden Drucks gemessen und ausgewertet werden.
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Das Füllmaterial kann geeignet gewählt sein. Dabei können unterschiedlichste Kriterien zur Anwendung kommen, wie z.B. ob das Füllmaterial benetzend ist oder nicht, welche Benetzungswinkel das Material haben soll, etc. Insbesondere ergeben sich aber aus der Wahl des Füllmaterials auch Einschränkungen auf die zur Verfügung stehenden Temperaturen und Drücke, um das Verfahren sinnvoll anwenden zu können.
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Insbesondere sind aber für das Füllmaterial Wood’sches Metall, Blei, Field’s Metall, Indium, Bismut, Zinn, Gallium, Quecksilber, Paraffin, Wasser, Ethanol, Rohöl, n-Hexadecan, (Ethylen-)Glycol und/oder Salzlösungen oder Mischungen dieser Materialien geeignet.
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Mittels des erfindungsgemäßen Systems können die Gesteinsproben Drücken in unterschiedlicher Größe, z.B. von 1–1000 bar ausgesetzt werden. Insbesondere kann der bestimmte Druck P mindestens 0.1 MPa und insbesondere mindestens 1000 MPa betragen. Dabei steigt mit dem Druck die später mögliche Auflösung, sodass mittels eines Druckes von circa 100 MPa Poren der Größenordnung 1.5 nm noch aufgelöst werden können. Beispielsweise bei Quecksilber entspricht die durchdrungene Porenhalsweite (und damit die Auflösung) und einem Injektionsdruck von circa 400 MPa in etwa 3 nm.
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Von besonderem Vorteil kann z.B. die zweite Temperatur T2 mehr als –196° C und weniger als 60° C betragen, so dass z.B. flüssiger Stickstoff zur Abkühlung verwendet werden kann.
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Zwar können unterschiedliche Verfahren zur Oberflächenglättung zur Verwendung kommen, jedoch bietet es sich an, dass die Oberfläche vor der Bildverarbeitung mittels Ionenstrahl-Oberflächenbearbeitung (z.B. Ionenstrahlsputtern, insbesondere BIB – Broad-Ion Beam-Milling, Focused Ion Beam) geglättet wird.
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Ein beispielhaftes Verfahren gemäß der Erfindung ist in 4 skizziert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Porosität und Konnektivität einer Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN weist zunächst den Schritt des Aufnehmens einer Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN in einem Probenhalter M auf, wobei der Probenhalter die Probe räumlich orientiert aufnimmt. Anschließend wird der Probenhalter M (in einer Kapsel C oder unmittelbar) mit einem Füllmaterial geflutet, wobei das Füllmaterial unter einem bestimmenden Druck P steht, wobei das Füllmaterial beim Flutungszustand flüssig ist und eine erste Temperatur T1 aufweist und so in Poren der Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN eindringt. Dieser Vorgang kann ein vorbestimmte Zeit t in Anspruch nehmen, wobei der Druck kontinuierlich oder schrittweise auf den bestimmte Druck P erhöht werden kann. Bei Erreichen des bestimmten Druckes kann dann entweder unmittelbar oder nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit die Gesteinsprobe mit dem Füllmaterial auf eine zweite Temperatur T2 abgekühlt werden, wobei sich das Füllmaterial in den Poren der Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN verfestigt. Die vorgenannten Schritte sind in 4 als Schritt S100 zusammengefasst.
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Nach der Verfestigung liegt im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren das Füllmaterial in den Poren vor und stellt den (Erstarrung-)Zustand des bestimmten Drucks P dar. D.h. die Poren verbleiben gefüllt, so wie sie es bei Druck P und flüssigem Füllmaterial waren.
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Anschließend kann die Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN nach der Verfestigung in Schritt S200 geschnitten werden, eine geschnittene Oberfläche der Gesteinsprobe entsteht. Offensichtlich können dabei auch mehrere Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN innerhalb einer Kapsel C gleichzeitig geschnitten werden. Zum Schneiden kann beispielsweise ein Cryo-low velocity saw-cut Verfahren verwendet werden.
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Durch die gleichzeitige Verarbeitung mehrerer Proben kann ein erheblicher Zeitgewinn erreicht werden. Zudem ist es nunmehr möglich, einen Vergleich von unterschiedlichen Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN unter gleichen Verarbeitungsbedingungen zu machen, wodurch Varianzen bezüglich unterschiedlicher Gesteinsproben S1, S2, S3 ... SN bei einer sonst üblichen sequentiellen Verarbeitung vermieden werden.
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Anschließend kann in einem Schritt S400 die geschnittene Oberfläche mittels eines Rasterelektronenmikroskops untersucht werden. Besonders vorteilhaft kann hierzu eine Cyro SEM verwendet werden, das die Bildgebung von Oberflächen vom cm-Bereich bis in den nm-Bereich ermöglicht, wodurch große Flächen in hoher Auflösung dargestellt werden können. Dies ist insbesondere bei Proben mit kleinen Poren und geringer Permeabilität von Vorteil, da diese mit klassischen Verfahren nicht untersucht werden können. Dabei kann das verfestigte Füllmaterial deutlich von der Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN unterschieden werden und erlaubt so eine quantitative Bestimmung von Poren, Porenverbindungen und Porenkonnektivität. Insbesondere können hier auch mehrere Abtastverfahren, wie z.B. Secondary Electron (SE), Back Scatter Electron (BSE) and Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDS) überlagert werden. Die Verwendung einer Vielzahl unterschiedlicher Abtastverfahren erlaubt eine sehr feine Untersuchung und ermöglicht somit z.B. eine Korrektur von Fehlstellen.
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Anschließend kann in Schritt S500 die Porosität und Porenraumkonnektivität mittels Bildverarbeitung aus Daten der Untersuchung der geschnittenen Oberfläche bestimmt werden.
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Bei der Bildverarbeitung in Schritt S500 kann es unter Umständen nötig sein gefüllte Poren anders zu verarbeiten als ungefüllte Poren bzw. anderes Material der Gesteinsprobe. Dies kann z.B. darin begründet sein, dass das Füllmaterial ein anderes Interaktionsvolumen aufweist und somit größer oder kleiner als das andere Material der Gesteinsprobe erscheint. Beispielsweise kann dies durch einen Segmentierungsansatz behoben werden, der die einzelnen Gebiete segmentiert und anschließend korrigiert weiter verarbeitet. Segmentierte gefüllte Poren und zugehörige Mineralien bestimmen dabei verbunden Porengänge. Diese sind z.B. als Stromlinie stream No. 1, stream No. 2, stream No. 3 und stream No. 4 in 1 ersichtlich.
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Aus den segmentierten gefüllten Poren kann z.B. die effektive Porosität ϕ bestimmt werden. Aus dem gemessen / eingestellten (maximalen) Druck P kann der effektive Porenradius r = –2γcosα / P mittels der Washburn-Gleichung bei bekannter Oberflächenspannung γ und bekanntem Benetzungswinkel α bestimmt werden.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Oberfläche vor der Bildverarbeitung mittels Oberflächenbearbeitung in Schritt S300 geglättet wird. Z.B. kann hierfür Ionenstrahlsputtern, insbesondere (Cryo) Broad-Ion-Beam-Milling oder Focused Ion Beam verwendet werden, das hochpolierte und schadensfreie Oberflächen erzeugt.
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Von besonderem Vorteil ist, dass die Schritte S200 bis S400 jeweils bei einer tiefen Temperatur durchgeführt werden können, sodass das Füllmaterial innerhalb der Poren erstarrt bleibt. Dabei muss die Temperatur nicht konstant sein, sie muss lediglich so tief sein, dass das jeweilige Füllmaterial nicht plastisch bzw. flüssig wird und so der Zustand des bestimmten Drucks konserviert bleibt. D.h. die Schritte S200, S300 und S400 werden bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Füllmaterials durchgeführt.
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Von besonderem Vorteil ist es, dass weiterhin die Permeabilität in ein Schritt S700 bestimmt werden kann.
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Hierzu kann zunächst ein Anpassungsparameter
aus den Stromlinien (siehe
1) bestimmt werden, wobei ∆S die Länge der Stromlinie (dargestellt in
1 als gestrichelte Linie), L
S die Systemlänge, S
Tmax und S
Tmin die maximale bzw. minimale Breite einer Stromlinie (dargestellt in
1 als gepunktete Linie in y-Richtung) ist und C eine Konstante (zur Umrechnung von 2D in 3D) ist. β wird auch als (2-dimensionaler) Durchflussparameter verstanden.
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Ein typisches Verfahren wäre z.B. in 1 zunächst das Koordinatensystem geeignet zu wählen, z.B. parallel zur Injektionsrichtung oder parallel zur Schichtung des porösen Materials oder relativ zu einem Stromlinienobjekt. Anschließend werden die Stromliniengebiete erkannt und ∆S, LS, STmax und STmin bestimmt.
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Mittels des Anpassungsparameters β kann dann die Permeabilität k = r³·φ / 8·β² unter Verwendung des Kapillarröhrenmodells berechnet werden. Dabei ist die φ Porosität, die sich als Quotient der Porenfläche zur Gesamtfläche ergibt.
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Ohne Weiteres kann aber auch die effektive Porosität und der Anteil von durchlässigem porösem Material in Bezug auf das gesamte Messfeld bestimmt werden, denn die effektive Permeabilität für jede Pore innerhalb jedes Stromgebietes mit stromspezifischen β ist ks = Σ r³·φ / 8·β² wobei die effektive Permeabilität sich zu k = ∑ks ergibt.
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Ohne Weiteres kann aber auch beim Ändern des Druckes auf den bestimmenden Druck P1 eine Volumenänderung ∆V in Abhängigkeit vom zugeführten Druck P gemessen werden. D.h. neben der direkten Messung kann zudem auch eine indirekte Messung durchgeführt werden. Dies erlaubt vergleichende Messungen an ein und derselben Probe.
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Ohne Weiteres kann aber auch vorgesehen sein, dass vor dem Fluten die Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN zumindest teilweise abgedichtet wird, wodurch ein Eindringen des Füllmaterials nur in bestimmten Richtungen der Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN ermöglicht wird. Beispielsweise kann die Gesteinsprobe S1, S2, S3 ... SN so abgedichtet sein, dass das Füllmaterial nur ein einer Achse eindringen kann. Hierdurch kann z.B. das Verhalten der Gesteinsproben in unterschiedlichen Richtungen genauer untersucht werden. Diese Daten können z.B. aus Schritt S100 über P, t, V nach Schritt S700 bestimmt werden.
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Ohne Weiteres können natürlich auch andere Temperaturen Anwendung finden, wobei die Temperaturwahl durch das Füllmaterial eingeschränkt ist. D.h. ist z.B. der Schmelzpunkt 100° C, so muss die Abkühltemperatur T2 unterhalb des Schmelzpunktes liegen, beispielsweise bei 90° C während die Flutungstemperatur T1 oberhalb des Schmelzpunktes liegen muss, beispielsweise bei 110° C.
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Das erfindungsgemäße System und Verfahren erlaubt somit die direkte, ortsaufgelösten Bestimmung der Porosität, der Porenraumkonnektivität und der Abschätzung der Permeabilität für niedrigpermeable Materialien im Bereich von 10–16 m2 (~0.1 md [millidarcy]) bis zu 10–22 m2 (~0.1 nd [nanodarcy]) unter Nutzung einer Kombination von Injektionsverfahren mit Ionenpräparation und hochauflösender Rasterelektronenmikroskopie (engl. SEM).
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Ein Füllmaterial wird im flüssigen Zustand unter bekanntem Druck in den Porenraum injiziert. Der Injektionsdruck richtet sich nach der minimalen Porenhalsweite, die von dem Füllmaterial in flüssigem Zustand, bei bekannter Oberflächenbenetzbarkeit, durchdrungen werden soll. Das verwendete Füllmaterial wird für die Injektion über den Schmelzpunkt erhitzt und durch Abkühlen, z.B. auf Raumtemperatur bzw. durch Cryostabilisation, in den Poren als Feststoff erhalten. Im Anschluss werden mittels (Cryo) lonenpräparation Probenquerschnitte hergestellt, welche schließlich im Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht und abgebildet werden. Der tatsächlich vom Fluid durchdrungene Porenraum wird mittels Bildanalyse der SEM-Aufnahmen quantitativ erfasst. Die Permeabilität wird empirisch über den Zusammenhang von Benetzbarkeit, Kapillardruck und Porenhalsweite hergeleitet.
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Das erfindungsgemäße System und Verfahren erlaubt ebenso den Effekt von Rissen und Verformungen auf das Eindringverhalten zu analysieren.
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Im Unterschied zu bisherigen Verfahren erlaubt das erfindungsgemäße System und Verfahren die sukzessive Untersuchung im REM und so werden effektive Porosität sowie der Grad der Porenraumkonnektivität ermittelt.
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Messfehler, die u.a. durch die Heterogenität des Materials sowie durch das Vorhandensein von ursprünglichen oder durch die Injektion hervorgerufene Materialschäden auftreten, können ausgeschlossen und/oder korrigiert werden.
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Messfehler, die durch unterschiedliche Benetzungseigenschaften in Materialien hervorgerufenen werden, können visualisiert und quantifiziert werden.
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Die Präparation von Querschnitten von mehr als 2 cm2 erlaubt hochauflösende Messungen repräsentativer Probenbereiche im REM.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Klaver et al. in „The connectivity of pore space in mudstones: insights from high-pressure Wood’s metal injection, BIB-SEM imaging, and mercury intrusion porosimetry”, Geofluids (2015) 15, 577–591, doi 10-1111/gfl-12128 [0009]
