Тема: Анализ структуры порового пространства осадочных пород на основе томографических изображений

Пройденные практики. За время обучения в магистратуре я прошел производственную (научно-исследовательскую) и преддипломную практики на кафедре общей геологии и гидрогеологии ИГиНГТ, находящейся по адресу г. Казань, ул. Кремлевская, д. 4/5. За время прохождения практик я подробно занимался изучением пористости горных пород. Изучал их генезис, методы определения пористости. Освоил методику и результаты компьютерной обработки серии микрофотографий шлифов с целью изучения конфигурации пористого пространства.
Для более наглядного изучения пористости и ее природы, а также для сбора информации о геолого-геофизическом материале, во время прохождения практики посетил учебный полигон, который входит в состав Тетюшского и Камско-Устьинского районов Республики Татарстан. Также одной из целей поездки являлось освоение методов систематизации и обработки фактического материала при решении теоретических и прикладных задач, связанных с пористостью пород.
Полигон обладает высокой информативностью и уникальностью, приковывая внимание геологов. Геологические разрезы полигона, доступные для непосредственного наблюдения и исследования позволяют изучить всю информацию о видах и масштабах развития порового пространства. Мы знаем, что образование и генезис порового пространства зависит от многих причин, на полигоне можно наблюдать множество современных физико-геологических процессов, вызванные циркуляцией подземных вод в трещинно-карстовых поровых коллекторах и т.д.
Результатом практик было большое количество информации о процессах литогенеза, поровом пространстве о геолого-геофизических методах исследования осадочных пород.
Пористость является одним из важнейших параметров, характеризующих пористые материалы.
Выбранные объекты в работе для исследования имеют осадочное (карбонатное и терригенное), происхождение. Более трёх четвертей площади материков покрыто осадочными породами, поэтому с ними наиболее часто приходится иметь дело при геологических работах. Кроме того, с осадочными породами связана подавляющая часть разрабатываемых месторождений полезных ископаемых, в том числе нефти и газа [13], [4].
Поровое пространство терригенных и карбонатных пород имеют различное происхождение.
Карбонатные породы обычно содержат систему с несколькими видами пористости, которые характерно передают петрофизическую неоднородность породы [14]. Следовательно, конкретные типы и относительные проценты присутствующих пор и их распределение в горных породах оказывают сильное влияние на характеристики карбонатной породы [15], [16], [17], [18], [19]. Типы пор в карбонатных породах обычно можно классифицировать на основе времени эволюции пористости [20]: первичные поры (или пористость осаждения), которые представляют собой поры, присущие вновь осажденным отложениям, и частицы, которые включают их. Такие типы пор включают в себя межзерновые поры (interparticle), например, в карбонатных песках (но также и в глинистых карбонатах), внутризерновые (intraparticle) поры (внутри частиц, таких как фораминиферы), фенестральные поры (образованных газовыми пузырьками и усадкой отложений в плитчатых известняках) и др. Вторичные поры представляют собой поры, которые образуются в результате более поздних, постседиментационных, стадий литогенеза [13]. Такие типы пор включают все упомянутые выше поры, но только тогда, когда можно продемонстрировать, что первичные поры, были позже зацементированы и имеются следы растворения этого цемента (эксгумированные поры [13]), а также крупные каверны и трещины растворения.
Поскольку естественная тенденция в большинстве карбонатных осадков заключается в том, что первичная пористость существенно снижается при цементации и уплотнении при литификации [21], многие ученые утверждают, что большая пористость в известняковых и доломитовых породах имеет вторичное происхождение пористости [14]. Исключениями из этого утверждения являются случаи, когда первичная пористость сохраняется из-за раннего поступления углеводородов в поры [22].
Одновременно с заложением седиментационных структур и текстур терригенных пород происходит и формирование первичной (седиментационной) пористости. По экспериментальным данным в хорошо отсортированных песках. В ряде случаев, например для речных песков, наблюдается обратная зависимость. По-видимому, это обусловлено характером упаковки зерен, т.е. их текстурными признаками.
В их составе преобладают песчаные и алевритовые частицы, в подчиненном количестве - глинистые фракции. Бывают и чисто песчаные коллекторы, сцементированные и несцементированные (песок - песчаник). Разная пористость связана с разной укладкой зерен в терригенной породе. Теоретическая пористость (при идеальной шарообразной форме зерен и равном их диаметре) может составлять 25,8%, 36,7% и 47,6%. Реальная пористость существенно меньше из-за разных размеров частиц, присутствия цемента. Максимальная пористость - у хорошо окатанного отсортированного несцементированного песка.
На больших глубинах (свыше 4-5 км) отмечается значительное повышение пористости даже в глинистых коллекторах. Оно обусловлено действием высоких давлений и температур: 1) развитие трещиноватости, 2) частичное растворение зерен цемента. Такая пористость называется вторичной, с ней связываются значительные перспективы, т.к. распространяется она на большие глубины, чем первичная пористость - до 5-7 км [23].
Пористость сама по себе является довольно простым параметром для ее определения но, главный вопрос остается до сегодняшнего времени все еще актуальным, каким методом лучше измерять. Причина в том, что пустотное пространство в материалах, может занимать более 8 порядков по длине (рисунок 1). И на сегодняшний день нет ни одного метода, который мог бы адекватно покрыть этот огромный диапазон в масштабе [1].
На данный момент времени известно большое число экспериментальных методов [1]. Обычно в научной практике методы измерения пористости классифицируются на разрушающие (приводят к утрате эксплуатационных, технологических, механических и др. свойств образца), и неразрушающие.
К разрушающим методам можно отнести: жидкостную, ртутную и газовую порометрию, метод проницаемости, газодинамические методы, капиллярные и сорбционные методы. Все эти методы требуют предварительной подготовки образца для удаления из порового пространства пластовых флюидов и буровых растворов, а также высушивания образцов, и, часто, предварительного насыщения жидкостью при измерении проницаемости.
К неразрушающим относятся методы непосредственного наблюдения пор. В основном все методы основаны на измерении физических свойств пористых сред, обусловленных наличием открытой пористости.
С развитием микроскопических методов высокого разрешения, а также цифровых технологий получения и обработки изображений, все большую актуальность приобретают визуальные методы измерения геометрических характеристик пор для описания реальной структуры порового пространства. Методы оптико-микроскопического и электронно-микроскопического анализа в основном используются для анализа плоских сечений образцов. Суть методов заключается в измерении линейных размеров пор [11], или зерен [34], в плоскости среза материала (шлифов и пришлифовок) и вычислении на основании полученных результатов геометрических линейных (1D) и площадных (2D) характеристик поровой структуры. В последние годы стал применяться метод микротомографического анализа, который позволяет изучать открытые и закрытые поры в равной степени. Метод рентгеновской компьютерной микротомографии позволяет получать трехмерные изображения внутренней структуры пористых сред, из которых произвольно могут быть выделены и проанализированы отдельные плоские срезы. Мы можем полностью визуализировать породу в 3D и 2D изображения и рассчитать все ее свойства, выделить трещины, поры, каверны, включения, а также неоднородности, различные слои породы и дифференциацию плотности [42].
Актуальность. Изучением порового пространства всесторонне занимаются многие отечественные и зарубежные авторы. Это подтверждается ростом числа публикаций в базе данных научно-технических журналов и цитирований Scopus. Например, количество работ по всем наукам, имеющие фразу «распределение пор по размерам», с 2002 по 2017 года равняется 30961 работам. И если построить график, то с 2002 по 2017 года он стремительно возрастает. Если же рассмотреть те же условия, но только в категории «науки о Земле», то количество работ равно 3339, и график также стремительно возрастает, особенно это наблюдается в последние 3-5 лет.
Несмотря на большое внимание ученых к исследованию порового пространства, на сегодняшний день имеется много вопросов и задач, которые необходимо экспериментально изучить.
Методы исследования, цели и задачи изучения порового пространства у различных авторов сильно разняться. Нас интересуют два основных вопроса, какими методами можно изучить поровое пространство и как распределяются поры по размерам в осадочных породах. Для изучения этих вопросов было изучено много схожих работ. В работе [8] изучено распределение пористости и проницаемости осадочных пород, и с помощью математического анализа, сделан вывод, что распределение пористости имеет нормальное распределение. Также была изучена работа [43], в которой утверждается, что распределение частиц горной породы при дроблении подчиняется логнормальному закону. В работе [30] изучено распределение пор по их радиусам методом ртутной порометрии, в которой было успешно решено, что распределение пор по их радиусам можно описать логнормальной функцией распределения. В работе [1], изучено распределение нанометровых пор методом электронной микроскопии, авторы также, как многие другие, пришли к выводу, что распределение пор подчиняется логнормальному закону распределений.
Подводя итог, можно сказать, что основными количественными характеристиками структуры порового пространства являются: 1) коэффициент пористости, 2) средний радиус пор, 3) интегральная и дифференциальная функции распределения объема пор по размерам [24]. Вопросы, какой метод является лучшим для исследования пористости и какому закону она подчиняется, остаются до сих пор актуальными и научно значимыми. Свидетельством этого является рост числа публикация, посвященных данной проблеме в «международной базе данных Scopus» (рисунок 2).
Таким образом, исследование структуры порового пространства горной породы и ее природы, определения минерального состава, генезис образования в них зёрен и минеральных агрегатов является одной из наиболее актуальных и широко распространённых задач.
Основная цель работы - выявление законов распределения пор по размерам на основе компьютерной обработки томографических изображений.
Задачи работы:
1. Подбор модельных объектов для исследования;
2. Выбор программных средств для измерений размеров пор по 1D, 2D и 3D микроизображениям;
3. Освоение методик количественной обработки полутоновых изображений;
4. Проведение измерений размеров пор;
5. Статистическая обработка полученных данных и проверка гипотез о типах распределения пор по 1D, 2D и 3D размерам.
Научная значимость. В связи с ростом роли геологии в развитии человечества, идет активное развитие и рост исследований микроструктуры естественных и искусственных материалов на основе рентгеновской микротомографии. Компьютерная микротомография позволяет исследовать горные породы рентгеновским методом, основанным на различии в плотности горной породы, минеральных включений, пустот и трещин, и заполняющих их пластовых флюидов, которые в последнее время интенсивно используются в петрофизических исследованиях многих ученых. Главным преимуществом и актуальностью является то, что метод компьютерной микротомографии позволяет проводить измерение не разрушая исследуемый образец. В результате рентгеновской томографии получают 3D распределение плотности образца в объеме, которое дает нам информацию о структуре горной породы и распределении пор и включений [3].
Сравнительная новизна метода обработки трехмерных микрофоторафий горных пород несет в себе большой объем новой информации, которая нуждается в новых научно-обоснованных и хорошо проработанных методах исследования и обработки. Перед ученными на данный момент особенно значима задача систематизации и анализа микротомографической информации о морфологии и минеральном составе пород на микроуровне. В настоящее время методы для такой систематизации и анализа находятся в начальной стадии развития.
Практическая значимость. Сведения о микроструктуре пород, а именно их порового пространства, необходимы и используется в качестве экспериментальной основы для множества теоретических и прикладных исследований. Если говорить о гидродинамическом моделировании, то можно сказать о моделировании нефтяных и газовых месторождений [4], [40] процессов геофильтрации и геомиграции подземных вод [1]. Если говорить об инженерной геологии, то пористость является одним из важных свойств грунтов и служит фактором формирования опасных инженерно-геологических процессов, например активному протеканию карстовых процессов [48]. Это говорит нам о том, что пористость необходимо вычислять на подготовительном этапе проекта строительства. Пористость в грунте — нужно понимать, как определенное количество мелких пустот в грунте [2]. Например, если говорить о несущей способности грунтов, то она пропорционально зависит от пористости в изучаемом образце. При увеличении коэффициента пористости в грунте уменьшается и его несущая способность (степень сжатия под воздействием внешней нагрузки). Коэффициент пористости является одним из главных параметров определяющих фильтрационно-емкостные свойства грунтов [30]. Нельзя не сказать и о роли пористости в нефтяной и газовой отрасли. Изучение порового пространства породы продуктивного пласта необходимо для экономически эффективной разработки и эксплуатации месторождений Тем более, в последнее время, по мере истощения легкоизвлекаемых запасов, возрастает роль нетрадиционных коллекторов, например, битумных песков, методики исследования пористости и проницаемости которых общепринятыми методами невозможны (рассыпаются).
Приведенные примеры необходимости изучения пористости на микроуровне не являются исчерпывающими, их множество, но они нуждается в новых научных методах обработки, которыми мы и собираемся заняться в нашей научно—исследовательской работе.
Объекты и методы исследования. Поставленные задачи решались на основе научного анализа и обобщения опыта изучения конфигурации пористого пространства с помощью методов изучения пористости, изучения распределения пор по размерам. Исследования проводились на современном оборудовании и, с помощью передовых программных комплексов. Обработка результатов производилась методами математического анализа. Модельными объектами для исследования и анализа структуры порового пространства послужили три осадочных породы, пористый мергель со следами ихногенной пористости, песчаный коллектор Ашальчинского месторождения высоковязких нефтей и искусственный цементный камень.
Купить

В данной работе продемонстрировано использование методики измерения 1D, 2D размеров в пор в программе ImageJ и 3D размеров пор в программе Avizo Fire, для решения задач анализа микроструктурных свойств горных пород на основании данных рентгеновской компьютерной микротомографии.
Было решено и доказано, что:
- пористость является одним из важнейших параметров, характеризующих пористые материалы;
- все известные на сегодня методы измерения пористости, кроме визуальных (микроскопические методы и малоизвестный метод компьютерной томографии), дают лишь некие обобщенные характеристики структуры порового пространства, без детализации индивидуальных характеристик пор;
- метод рентгеновской компьютерной микротомографии позволяет получать трехмерные изображения внутренней структуры пористых сред, из которых произвольно могут быть выделены и проанализированы отдельные плоские срезы. В нашем исследовании мы полностью визуализировали породу в 3D и 2D изображения и произвели измерения 1D, 2D и 3D размеров пор. В результате мы обладали информацией о каждой поре в отдельности, по которым были построены графики распределений пор по размерам;
- была написана методика для измерений трехмерных микрофоторафий горных пород, которая на сегодняшний день, согласно научным работам, является единственной в своем роде;
- экспериментальным методом, методом построения графиков распределений пор, было доказано, что распределение пор по размерам подчиняется логнормальному закону распределений;
- было выяснено, что размеры пор могут занимать более 8 порядков по длине, и на сегодняшний день нет ни одного метода, который мог бы адекватно покрыть этот огромный диапазон в масштабе, и компьютерная томография не является исключением;
- так как выборка искусственно ограничена (усеченная выборка), по причине ограничения в разрешающей способности метода компьютерной микротомографии, зная закон распределения пор, в нашем случае закон логнормального распределения, мы можем делать заключения о всем этом диапазоне, имея экспериментальные результаты только для одного ограниченного интервала размеров.
Приведенные результаты свидетельствуют о том, что разработанные в данной работе методики, являются перспективным инструментом для анализа и систематизации микротомографической информации о строении горных пород с возможностью перехода в дальнейшем к стохастической генерации множеств реализаций, статистически идентичных исходным объектам.

Купить