Wizualizacja i analiza przestrzeni porowej piaskowców czerwonego spągowca metodą rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej

• Autorzy: Zalewska J. , Dohnalik M. , Poszytek A.

Warianty tytułu

EN

Rotliegend sandstones pore space visualization and analysis with X-ray computed microtomography (micro-CT) method

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Rentgenowska mikrotomografia oferuje unikalną zdolność do obrazowania budowy wewnętrznej skał, mogąc wytwarzać trójwymiarowe obrazy struktury wewnętrznej próbek skalnych z mikrometryczną rozdzielczością. Najważniejszymi zastosowaniami tej metody są badania porowatości i możliwości transportowania płynów, stosowane w badaniach geologii naftowej. W opracowaniu przedstawiono wyniki trójwymiarowej wizualizacji i analizy struktury przestrzeni porowej piaskowców, uzyskanych na podstawie danych mikrotomografii rentgenowskiej. W ramach pracy zostały wykonane konwencjonalne badania laboratoryjne na próbkach rdzeni wiertniczych, które stanowiły informacje pomocnicze dla zaprezentowania metody micro-CT, charakteryzując szereg ważnych właściwości skał. Materiał badawczy stanowiły próbki skał reprezentujące utwory czerwonego spągowca, pochodzące z sześciu otworów wiertniczych (Czarna Wieś-4, 5, 6, Parzęczewo-1, 2 i Cicha Góra-9). Badane próbki charakteryzowały się niewielką zmiennością porowatości całkowitej i przepuszczalności. Ogólnie wartości współczynników porowatości były niewielkie i zbliżone do siebie. Najwyższą średnią wartością tego parametru cechowały się utwory eoliczne (Kpśr = 8,09%), nieco niższą utwory aluwialne (Kpśr = 7,21%) i najniższą utwory fluwialne (Kpśr = 6,97%). Podobny trend występował w przypadku współczynników przepuszczalności: utwory eoliczne Kprzśr = 2,86 mD, utwory aluwialne Kprzśr = 0,34 mD, utwory fluwialne Kprzśr = 0,23 mD. Wyniki badań wykonanych metodą micro-CT przedstawiono najpierw w postaci trójwymiarowych obrazów pierwotnej struktury szkieletu oraz struktury porowej całej próbki. Następnie z analizowanej próbki wydzielono dwie podróbki, dla których przeprowadzono szczegółową analizę ilościową, określającą liczebność występujących w niej niepołączonych pomiędzy sobą podtypów porów. W każdej z nich wydzielono i zobrazowano sześć największych pod względem objętościowym podtypów porów. W efekcie obliczeń powstały wykresy liczebności podgrup w poszczególnych klasach objętości, wykresy procentowego udziału poszczególnych klas porów oraz obraz przedstawiający dystrybucję przestrzenną poszczególnych klas objętości dla każdej podpróbki. Przeprowadzona klasyfikacja wielkości porów ze względu na ich objętość pozwoliła na uporządkowanie zbioru prób i wydzielenie 3 typów skał w utworach eoliczych i 3 typów skał w utworach fluwialnych. Na podkreślenie zasługuje fakt, że lepsze walory obrazowania przestrzeni porowej dała metoda micro-CT, która pozwoliła na zinterpretowanie szczelin z możliwością określenia ich charakteru - czego nie wykazały ani badania mikroskopowe, ani badania porozymetryczne. Nadmienić należy również, że na wielu zdjęciach z mikroskopu polaryzacyjnego porowatość była bardzo słabo widoczna albo praktycznie niewidoczna. Powyższe fakty potwierdzają dużą użyteczność mikrotomografii rentgenowskiej w rozpoznaniu charakteru struktury porowej, z możliwością pełnej identyfikacji i interpretacji szczelin w próbkach.

EN

X-ray microtomography offers unique ability of internal rock structure visualization, enabling creation of three-dimensional images of rock sample internal structures with micrometric resolution. The primary applications of this method are tests of porosity and fluid transport abilities, used in oil geology research. The work presents results of three-dimensional visualization and analysis of sandstones pore space structure, obtained on the grounds of X-ray microtomography data. The research included conventional laboratory tests on drilling core samples, which constituted auxiliary information for micro-CT method presentation, characterizing several important rock properties. Experimental material comprised rock samples representing Rotliegend formations originating from six boreholes (Czarna Wieś-4, 5, 6, Parzęczewo-1, 2 and Cicha Góra-9). The samples tested were characterized by small variability of total porosity and permeability. In general, values of porosity coefficients were small and close to each other. The highest average value of this parameter belonged to eolian formations (Kpmean = 8.09%), being slightly lower for alluvial formations (Kpmean = 7.21%), and the lowest one in case of fluvial formations (Kpmean = 6.97%). The similar trend was observed in case of permeability coefficients, with eolian formations having (Kpermmean = 2.86 mD), alluvial formations (Kpermmean = 0.34 mD) and fluvial formations (Kpermmean = 0.23 mD). Results of test carried out with micro-CT method were first presented in form of three-dimensional images of original matrix structure and pore structure of the whole sample. Next, two sub-samples were separated from the sample under test, for which detailed quantitative analysis were carried out, determining the size of not interconnected subtypes of pores present in the sub-samples. In each sub-sample six biggest in terms of volume pore subtypes were distinguished and visualized. The computations resulted in charts of sub-groups sizes in individual volume classes, charts of individual pore classes percentages, as well as the image presenting spatial distribution of individual volume classes for each sub-sample. Carried out classification of pore sizes by their volumes enabled arranging of samples set and distinguishing of 3 rock types in eolian formations, and 3 rock types in fluvial formations. It should be noted, that micro-CT method yielded in better values of pore space visualization, enabling interpretation of fractures giving possibilities of their nature determination, which were not evidenced neither in microscope tests nor in porosimetry tests. It should be also noted, that porosity was only poorly visible or even invisible in practice on many pictures from polarization microscope. The above-mentioned facts confirm high usability of X-ray microtomography in pore structure nature diagnostics, with possibility of full identification and interpretation of fractures in samples.

Słowa kluczowe

PL

mikrotomografia komputerowa; rentgenowska mikrotomografia; budowa wewnętrzna skał

EN

X-ray microtomography; internal rock structure

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Prace Instytutu Nafty i Gazu
• Rocznik: 2009
• Tom: nr 161
• Strony: 1--83
• Opis fizyczny: Bibliogr. 45 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Zalewska J.

autor

Dohnalik M.

autor

Poszytek A.

• Instytut Nafty i Gazu

Bibliografia

• [1] Armbrecht J., Sych T., Robb K.: Mavi-Modular Algorithms for Volume Images V 1.9.1. Handbook, Fraunhofer Institut fur Techno- und Wirtschaftsmathematik, 2006.
• [2] Besuelle P., Desrues J., Raynaud S.: Experimental characterisation of the localization phenomenon inside a Vosges sandstone in a triaxial cell. International Journal of Rock Mechanicsand Mining Sciences, 37, 1223-1237, 2000.
• [3] Capowlez Y., Pierret A., Daniel O., Monestiez P., Kretzschmar A.: 3D skeleton recon- structions of natural earthworm burrow systems using CAT scan images of soil cores. Biology and Fertility of Soils, 27, 51-59, 1998.
• [4] Coker D.A., Torquato S.: Extraction of morphological quantities from a digitized medium. J. Appl. Phys, 77, 955-964, 1995.
• [5] Cnudde, V., et al.: Porosity and microstructure characterization of building stones and concretes. Engineering Geology, vol. 103, Issues 3-4, Pages 76-83, 10 February 2009.
• [6] Deckman H.W., D'Amico K.L., Dunsmuir J.H., Flannery B.P., Gruner S.M.: Microtomography detector desing. Adv. X-ray Analysis, 32, 641-XX, 1989.
• [7] Deckman H.W., Dunsmuir J.H., D'Amico K.L., Flannery B.P., Ferguson S.R.: Development of quantative x-ray microtomography. Matl. Res. Soc. Symp. Proc, 217, 1991.
• [8] Denison C., Carlson W.D.: Three-dimensional quantitative textural analysis of metamorphic rocks using high-resolution computed X-ray tomography. 2. Application to natural samples. Journal of Metamorphic Geology, 15, 45-57, 1997.
• [9] Dierick M., Vlassenbroeck J., Masschaele B., Cnudde V., Van Hoorebeke L., Hillenbach A.: High-speed neutron tomography of dynamic processes. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 542 296-301, 2005.
• [10] Dolulalik M., Zalewska J.: Zastosowanie mikrotomografii rentgenowskiej do rozwiązywania zagadnień geologicznych i geofizycznych. Prace INiG Nr 157, monografia 2009.
• [11] Doyen P.M.: Permeability, conductivity and pore geometry of sandstone. J. Geophys. Res., B93, p. 7729-7740, 1988.
• [12] Dullien F.A.L.: Porous Media, Fluid Transfer and Pore Structure. Academic Press, New York, 1979.
• [13] Ehrenberg S.N., Eberli G.P., Keramati M., Moallemi S.A.: Porosity, permeability relationships in interlayered limestone-dolostone reservoirs. AAPG Bulletin, vol. 90, p. 91-114, 2006.
• [14] Flannery B.P., Deckman H.W., Roberge W.G., D'Amico D.: Three-dimensional x-ray microtomography. Science, 237, p. 1439-1444, 1987.
• [15] Fohrer N., Berkenhagen J., Hecker J.M., Rudolph A.: Changing soil and surface conditions during rainfall. Single rainstorm/subsequent rainstorms. Catena, 37, 355-375, 1999.
• [16] Glemser C.T.: Petrophysical and geochemical characterization of Midale Carbonates from the Weyburn oilfield usin synchrotron x-ray computed microtomography. Thesis 2007.
• [17] Gnos E., Hofmann B., Franchi LA., Al-Kathiri A., Hauser M., Moser L.: Sayh al Uhaymir 094: A new martian meteorite from the Oman desert. Meteoritics and Planetary Science, 37, 835-854, 2002.
• [18] Kasteel R., Vogel H.J., Roth K.: From local hydraulic properties to effective transport in soil. European Journal of Soil Science, 51, 81-91, 2000.
• [19] Kinney J.H., Nichols M.C.: X-ray tomographic microscopy (XTM) using synchrotron radiation. Annu. Rev. Mater. Sci, 22, 121-152, 1992.
• [20] Koplik J., Lin C., Vermette M.: Conductivity and permeability from microgeometry. J. Appl. Phys., 56, p.3127-31-31, 1984.
• [21] Kwiecien M.J., MacDonald I.F., Dullien F.A.L.: Three-dimensional reconstruction of porous media from serial section data. J. Microsc., 159, p. 343-359, 1990.
• [22] Latham S., Varslot T., Sheppard A.: Image registration: enhancing and calibrating x-ray mcro-CT imaging. SCA 2008-35.
• [23] Lin C., Cohen M.H.: Quantative methods for microgeometric modeling. J. Appl. Phys., 53, p. 4152-4165, 1982.
• [24] Lindquist W.B., Lee S.M., Coker D.A., Jones K.W., Spanne P.: Medial axis analysis of three dimensional tomographic image of drill core samples. J. Geophys. Res., 101 B, 8297-8310, 1996.
• [25] Lindquist W.B., Venkatarangan A., Dunsmuir J., Wong T-F.: Pore and throat size distributions measured from synchrotron X-ray tomographic images of Fontainebleau sandstones. Journal of Geophysical Research, vol. 105, p. 21509-21527, 2000.
• [26] Lindquist W.B.: 3DMA-Rock, a software package for automated analysis of pore rock structure in 3D computed microtomography images. 1999, Available from: http://www.ams.sunysb.edu/~lindquis/3dma/3dma_rock/3dma rock.html
• [27] Lindquist W.B., Venkatarangan A.: Investigating 3D geometry of porous media from high resolution images. Physics and Chemistry of the Earth (A), vol. 25, p. 593-599, 1999.
• [28] MacDonald I.F., Kaufmann P.M., Dullien F.A.L.: Quantative image analysis of finite porous media. I. Development of genus and pore map software. J. Microsc., 144, p. 277-296, 1986.
• [29] MacDonald I.F., Kaufmann P:M., Dullien F.A.L.: Quantative image analysis of finite porous media. II. Specific genus of cubic lattice model and Barea sandstone. J. Microsc., 144, p. 277-296, 1986.
• [30] Mooney S.J.: Three-dimensional visualization and quantification of soil macroporosity and water . flow patterns using computed tomography. SoilUse and Management, 18, 142-151, 2002.
• [31] Myer L.R., Kemeny J., Cook N.G.W., Ewy R., Suarez R., Zhang Z.: Extensile cracking in porous rock under differential compressive stress. Appl. Mech. Rev. 45, p. 263-280, 1992.
• [32] Perret J., Prasher S.O., Kantzas A., Langford C.: A two-domain approach using CAT scanning to model solute transport in soil. Journal of Environmental Quality, 29, 995- 1010, 2000.
• [33] Peters E.J., Gharbi R., Afzal N.: A look at dispersion in porous media through computed tomography imaging. Journal of Petroleum Science and Engineering, 15, 23 31, 1996.
• [34] Pierret A., Capowiez Y., Belzunces L., Moran C.J.: 3D reconstruction and quantification of macropores using X-ray computed tomography and image analysis. Geoderma, 106, 247-271, 2002.
• [35] Rivers M.: Tutorial Introduction to X-ray Computed Microtomography Data Processing. University of Chicago, 1999.
• [36] Rogers S.W.: Allosaurus, crocodiles, and birds: evolutionary clues from spiral computed tomography of an endocast. Anatomical Record, 257, 162-173, 1999.
• [37] Rowe T., Ketcham R.A., Denison C., Colbert M., Xu, Currie P.J.: Forensic palaeontology: The Archaeoraptor forgery. Nature, 410, 539-540, 2001.
• [38] Spanne P., Rivers M.L.: Compurterized microtomography using synchrotron radiation from the NSLS. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, vol. 24-25, p. 1063-1067, 1987.
• [39] Thovert J., Salles J., Adler P.M.: Computerized characterization of the geometry of real porous media: their discretization, analysis and interpretation. J. Microscopy, 170, 65- 79, 1993.
• [40] Wardlaw N.C., Taylor R.P.: Mercury capillary pressure curves and the interpretation of pore structure and capilary behavior of reservoir rocks. Bull. Can. Petro. Geol, 24, 225-262, 1976.
• [41] Wellington S.L., Vinegar H.J.: X-ray computerized tomography. Journal of Petroleum Technology, vol. 39, p. 885-898, 1987.
• [42] Wong R.C.K.: Strength of two structured soils in triaxial compression. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 25, 131-153, 2001.
• [43] Van Geet, M., Swennen, R., Wevers, M.: Quantitative analysis of reservoir rocks by microfocus X-ray computerised tomography. Sedimentary Geology, 132, 25-36, 2000.
• [44] Van Geet M., Lagrou D., Swennen R.: Porosity measurements of sedimentary rocks by means of microfocus X-ray computed tomography (microCT). Geological Society, London, Special Publications, vol. 215: 51-60, 2003.
• [45] Yanuka M., Dullien F.A.L., Elrick D.E.: Serial sectioning and digization of porous media for two and three-dimensional analysis and reconstruction. J. Microsc., 135, p. 159-168, 1984.