3. Charakterystyka parametrów petrofizycznych skał zbiornikowych
3.5. Wizualizacja przestrzeni porowej metodą rentgenowskiej mikrotomografii
Postęp w technologii komputerowej i wizualizacji obrazów sprzyjają tworzeniu różnorodnych modeli 3D ośrodków porowatych. Modele te mogą być wykorzystywane w złożonych metodach symulacji oraz do oceny właściwości petrofizycznych, w sposób szybki i przy niskich kosztach (Zalewska i in., 2009). Jedną z tego rodzaju metod jest rentgenowska mikrotomografia komputerowa (micro-CT). Technika ta do badania skał zbiornikowych została po raz pierwszy zastosowana przez Wellington'a i Vinegar'a (1987). Od tego czasu metoda micro-CT jest wykorzystywana jako skuteczny, nieniszczący sposób badania skał oraz obrazowania ich budowy wewnętrznej, ze szczególnym uwzględnieniem charakteru struktury porowej. Rentgenowska mikrotomografia komputerowa umożliwia stworzenie trójwymiarowego obrazu przestrzeni porowej badanej skały, co pozwala na dokładne pomiary i analizę układu przestrzennego porów. Wyniki badań micro-CT dostarczają informacji dotyczących porowatości (objętość, struktura, lokalizacja, wielkość porów), liczby i długości kanalików porowych oraz połączeń między nimi, a także struktury sieci porów i ich wpływu na przepuszczalność (Zalewska, 2010). Metoda ta stanowi alternatywę dla niszczących metod monitorowania i oceny wyników testów z różnych technologii i procesów symulacyjnych przeprowadzanych na skałach zbiornikowych zawierających ropę naftową lub gaz ziemny (Kułynycz i Maruta, 2017).
Aparatura badawcza stosowana w metodzie micro-CT składa się z trzech podstawowych elementów: źródła promieniowania rentgenowskiego, manipulatora, w którym umieszczana jest próbka, oraz detektora rejestrującego tłumienie promieniowania X w próbce. W badaniach mikrotomograficznych przejście od rzeczywistego obiektu do przestrzennego komputerowego obrazu tego obiektu
63
realizowane jest w 3 etapach: akwizycji danych, rekonstrukcji projekcji oraz trójwymiarowej wizualizacji obrazu (rys. 3.15) (Dohnalik, 2014).
Akwizycja danych wykonywana jest programem Inspect-X. Próbkę umieszcza się w uchwycie za pomocą elementu mocującego tak, aby oś obrotu próbki pokrywała się (lub była jak najbliżej) osi obrotu uchwytu, pozwala to uzyskać największe możliwe powiększenie dla danej próbki. Po ustaleniu pozycji należy sprawdzić, czy podczas wykonywania obrotu o 360° próbka znajduje się w polu widzenia. Następnym krokiem jest ustawienie odpowiednich parametrów skanowania (energii i natężenia promieniowania oraz czasu ekspozycji). Parametry te umożliwiają ustawienie kontrastu obrazu. Stolik próbki jest obracany co 1° w zakresie do 360°. Podczas pomiaru próbka zostaje prześwietlona promieniowaniem rentgenowskim (wykorzystuje się różnice we własnościach absorpcyjnych materiałów, które w zależności od składu mineralnego w różny sposób pochłaniają promieniowanie). Dane pomiarowe gromadzi się w pamięci komputera, a następnie poddaje się rekonstrukcji (Łykowska, 2012).
Rys. 3.15. Schemat podstawowych etapów uzyskiwania danych (Dohnalik, 2014)
Rekonstrukcję projekcji wykonuje się w kilku etapach za pomocą specjalistycznego oprogramowania, umożliwiającego uzyskanie obrazów o różnej rozdzielczości, będących przestrzenną wizualizacją skanowanego obiektu. W pierwszym etapie wykonywana jest
REJESTRACJA DANYCH próbka źródło promieniowania manipulator detektor projekcje obraz 3D PRZETWARZANIE OBRAZU model 3D przekroje REKONSTRUKCJA
64
seria dwuwymiarowych przekrojów obiektu, na których wykonuje się wizualizacje oraz jakościowe i ilościowe analizy badanego obiektu.
Po wykonaniu rekonstrukcji pliki importowane są do programu Avizo, analizującego wewnętrzną strukturę próbki przez wydzielenie elementów o różnych wartościach pochłaniania promieniowania rentgenowskiego. Oprogramowanie to umożliwia przedstawienie przestrzennego rozkładu porów w próbce skały oraz struktury szkieletu skalnego. Wewnętrzną strukturę badanego obiektu można rozpoznać analizując go w postaci trzech rzutów w prostopadłych względem siebie płaszczyznach. Pozwala ona szybko „przeszukać‖ trójwymiarowy obraz, oglądając pojedyncze lub wielokrotne, prostopadłe bądź skośne przekroje. Po wydzieleniu przestrzeni porowej wykonuje się szczegółową analizę wewnętrznej struktury porowej skał (Łykowska, 2012).
Metoda rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej umożliwia wizualizację: przepływów wielofazowych, parametrów petrofizycznych oraz rozkładów płynów w warunkach złożowych. Metoda ta umożliwia także wykonanie opisu przestrzeni porowej skał. Może być stosowana także do oceny zwilżalności skał i ich właściwości sprężystych (Kułynycz i Maruta, 2017).
Badania parametrów petrofizycznych metodą mikrotomografii komputerowej prowadzili badacze polscy, m.in. (Dohnalik, 2014; Łykowska, 2012; Zalewska, 2010; Zalewska i Dohnalik, 2012, 2009a) oraz zagraniczni (Alyafei i in., 2013; Auzerais, 1996; Berg i in., 2013; Coles i in., 1998; Dong i Blunt, 2009; Iglauer i in., 2016; Madonna i in., 2013; Orlov i in., 2015; Silin i in., 2011; Silveira i in., 2017; Sok i in., 2007; Sugawara i in., 1999; Youssef i in., 2008) .
Badania metodą micro-CT są przydatne przy obrazowaniu przestrzeni porowej skał węglanowych (ilości i rozmieszczenia szczelin, ich szerokości, kąta nachylenia oraz wypełnienia) charakteryzującej się znaczną anizotropią i niejednorodnością (Kułynycz i Maruta, 2017). Metoda micro-CT umożliwia precyzyjne oszacowanie rozwartości szczelin, wykonywane różnymi metodami. Polak i in., (2004) określał czynniki wpływające na zmianę rozwartości szczelin, przez rozpuszczanie minerałów wypełniających szczeliny i wykonywanie pomiarów przepływu. Sugawara, Obara i Sato (1999) szacowali rozwarcie szczelin metodą rzutowania, przy wykorzystaniu rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej. Analizy przestrzeni porowej skał węglanowych jury górnej zapadliska przedkarpackiego oraz permu górnego (wapienia cechsztyńskiego oraz dolomitu głównego) Niżu Polskiego były prowadzone metodą
65
mikrotomografii rentgenowskiej przez Zalewską i Dohnalika (2009a, 2009b), Zalewską, Dohnalika i Sikorę, (2009) oraz Łykowską, (2012). Pozwoliły one na odtworzenie wewnętrznej struktury przestrzeni porowej badanych skał, w tym na: określenie procentowego udziału objętości szczelin w skale, wydzielenie szczelin oraz pomierzenie ich rozwartości, szerokości, kąta nachylenia oraz odległości między sąsiednimi szczelinami.
Przepuszczalność absolutna to kolejny parametr, który może być szacowany z trójwymiarowych cyfrowych modeli skał uzyskiwanych z badań micro-CT. Parametr ten symulowano za pomocą metody Boltzmana (LBM - Lattice Boltzmann Method), zweryfikowanej poprzez porównanie z danymi analitycznymi i eksperymentalnymi (Sun i in., 2016).
Mikrotomografia umożliwia także badanie innego ważnego parametru petrofizycznego: krętości kanałów porowych wpływającego na przepływ płynów w skale (Ehrenberg i in., 2006). Pomiary krętości wykonane na próbach skał węglanowych dolomitu głównego (Zalewska i Dohnalik, 2009b) metodą micro-CT wykazały, że średnia wartość krętości zawierała się w granicach od 1,086 do 3,19.
Liczne przeprowadzone badania micro-CT dotyczyły transportu i gromadzenia niemieszalnych płynów w skałach zbiornikowych. Wielu autorów przeprowadziło badania mikrotomografii komputerowej umożliwiające śledzenie frontu zatłaczania i skuteczności wypierania płynu mieszalnego i niemieszalnego (Akin i in., 2000; Bertin i in., 1998; Liu i in., 1990; Peters i Gharbi, 1993; Wellington i Vinegar, 1987; Withjack, 1988).
Karpyn, Piri i Singh, (2010) za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej analizowali rozkład niemieszalnych płynów (molekuł ropy naftowej) w przestrzeni porowej (sztucznego złoża zbudowanego ze szklanych kulek) w różnych warunkach przepływu. Autorzy uzyskali obraz, który umożliwił szczegółowe odwzorowanie struktury porów i charakterystyki mikrostruktur powstających podczas zatłaczania wody i ropy naftowej. Stwierdzili, że pod koniec procesów osuszania i nasiąkania około 98% uwięzionej ropy naftowej występuje w formie kropel o objętości mniejszej niż 1 mm3
. Zaobserwowano również, że większość kropel ropy jest większa niż średnia wielkość porów (0,03 mm3). Średni rozmiar kropel był około 5 razy większy niż średnia porowatość.
Badania zatłaczania płynów (ropy naftowej oraz solanki) do skał dolomitowych i obrazowania ich za pomocą rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej zostały
66
przeprowadzone przez Paka i in., (2013). Zaobserwowano dwa procesy kontrolujące przepływ płynu w ośrodku porowatym, a mianowicie wypieranie typu „piston like
displacement‖ oraz proces „snap-off‖. Procesy konkurencyjne zachodzące podczas
wypierania płynu niezwilżającego przez płyn zwilżający. Dodatkowo metoda mikrotomografii komputerowej pozwoliła na ocenę zwilżalności powierzchni skały poprzez obserwację warstewek płynów zwilżających.
Mikrotomografia komputerowa stosowana jest także przy badaniach związanych z eksploatacją płynów złożowych. Iglauer i in., (2016) mikrotomografią komputerową o wysokiej rozdzielczości 3,4 mm3 zobrazowali procesy nawadniania, zatłaczania gazu oraz zatłaczania gazu i wody do piaskowców o neutralnej zwilżalności. Oceniono ilość ropy naftowej możliwej do wydobycia, przy zastosowaniu tych procesów: 52% przy nawadnianiu, 66% – przy zatłaczaniu gazu i 71% przy naprzemiennym zatłaczaniu gazu i wody. W trakcie badań zmierzono również ciśnienie kapilarne pęcherzyków ropy naftowej i gazu oraz analizowano rozkład płynów w przestrzeni porowej.
Orlov z zespołem (Orlov i in., 2015) wykorzystywał mikrotomografię rentgenowską do oceny uszkodzenia przepuszczalności strefy przyotworowej oraz do oceny efektywności metod intensyfikacji wydobycia ropy (kwasowania). Badania wykazały, że zastosowanie tomografii komputerowej pozwala uzyskać informacje o zmniejszeniu lub zwiększeniu przepuszczalności skał. W Polsce badania metodą mikrotomografii rentgenowskiej kanalików robaczkowych powstających w efekcie zabiegu kwasowania w skałach węglanowych wykonali Zalewska z zespołem (2010). Badania pozwoliły na przeprowadzenie obserwacji związanych z efektywnością tego zabiegu oraz działaniem kwasu na skały.
Metoda komputerowej mikrotomografii rentgenowskiej wykorzystywana jest nie tylko w petrofizyce, ale także w technologii wiertniczej m.in. do ilościowego opisu struktury porowej kamieni cementowych (Bentz i in., 2000; Gallucci i in., 2007; Helfen i in., 2003) oraz może być wykorzystana do badania wpływu dwutlenku węgla na stan zacementowania rur okładzinowych (Barlet-Gouedard i in., 2006).
W ostatnich latach dokonano znaczącego postępu w dziedzinie numerycznej fizyki skał (Digital Rock Physics) wykorzystującej rentgenowską tomografię komputerową, która umożliwia bezpośrednie obrazowanie mikrostruktur skał zbiornikowych w niewielkiej skali od nanometrów do milimetrów. DRP pozwala na oszacowanie wielkości parametrów petrofizycznych (np. porowatości, przepuszczalności, modułu sprężystości)
67
z trójwymiarowych (3D) obrazów tomografii komputerowej. Umożliwia również zrozumienie jak zmiany typu i kształtu porów oraz ich wzajemnych połączeń wpływają na właściwości petrofizyczne (Riepe i in., 2011).
68