6 мин
26
0

Рентгенография как новый подход к измерению межфазного натяжения и краевого угла смачивания в пластовых условиях

В настоящее время начало разработки нового нефтегазового месторождения или существенные корректировки в текущем плане добычи традиционно предваряются моделированием пластовых процессов с использованием одного из множества доступных гидродинамических симуляторов, при этом для детального понимания процессов вытеснения углеводородов на рутинной основе применяется численное моделирование многофазного течения на поровом уровне. Валидность результатов такого моделирования полностью зависит от корректности заданных входных параметров. Процессы транспорта флюидов в пористых средах, влияющие на величину коэффициента извлечения углеводородов, определяются совокупным влиянием вязких и капиллярных сил. Последние зависят от значения межфазного натяжения (МН) между флюидами и степени смачиваемости породы флюидами, которая характеризуется значением краевого угла смачивания (КУС). Таким образом, МН и КУС являются параметрами, знание которых критически важно для правильной оценки потенциально извлекаемых запасов и разработки соответствующего плана добычи. Задача повышения качества измерения этих параметров является чрезвычайно актуальной для нефтегазовой отрасли.

 Рентгенография как новый подход к измерению межфазного натяжения и краевого угла смачивания в пластовых условиях

Высокая прикладная значимость МН и КУС должна была привести к развитию соответствующих методов их измерения. Действительно, в то время как определение значения краевого угла смачивания производится методом прямого измерения с использованием лежащей на поверхности капли (пузыря), для измерения межфазного натяжения между флюидами используется целый набор техник: пластина Вильгельми, кольцо Дью Нуи, методы вращающейся и висящей капли. В частности, широкое распространение в индустрии получил метод висящей капли. В данном подходе значение межфазного натяжения рассчитывается на основе анализа формы капли, которая определяется балансом действующих на каплю гравитационных и поверхностных сил. В базовой постановке метод является достаточно простым в реализации и позволяет проводить измерение МН как в статике, так и в динамике. Знание зависимостей МН от времени требуется для оценки характерных времен релаксации, а также определения начальных и равновесных значений МН, что, в свою очередь, дает возможность существенно улучшить цифровые модели флюидов, используемые для численного моделирования многофазного течения в пористых средах [1].

 

В классической постановке, реализованной в существующих аппаратах для измерения МН методом висящей капли, капля флюида создается внутри оптически прозрачной ячейки, заполненной другим флюидом (жидкостью или газом). Источник света и фотокамера, расположенные по разные стороны ячейки, позволяют получать изображения капли (висящей или всплывающей). Отметим, что аналогичный подход используется и для получения изображения лежащей капли при измерении КУС. На основе полученного изображения капли определяется ее контур. Если целью измерений является краевой угол смачивания, то производится непосредственное измерение этой величины по полученному контуру. Если же измерения направлены на определение значения межфазного натяжения, то производится численный поиск такого значения данного параметра в уравнении капиллярного давления (уравнения Лапласа в русскоязычной литературе, уравнения Юнга-Лапласа в англоязычной), которое соответствует капле с найденной формой контура.

В описанной (классической) постановке данный подход имеет два критических ограничения — внешний флюид обязан быть оптически прозрачным, а конструкция измерительной ячейки подразумевает наличие оптически прозрачных окон. Наличие таких окон существенно усложняет и удорожает создание и эксплуатацию измерительных ячеек, подходящих для измерения интересующих параметров в пластовых условиях. По этой причине, на практике часто ограничиваются измерением МН и КУС в атмосферных условиях. Учитывая существенную зависимость данных величин от температуры, давления и состава флюидов (который также может меняться с изменением давления и температуры), очевидно, что такой подход негативно влияет на качество моделирования. При этом, даже если удается преодолеть сложности, связанные с использованием ячеек высокого давления, ограничение на прозрачность внешнего флюида оказывается критическим для целого ряда систем.   

В первую очередь, это относится к системам, в которых один из флюидов содержит поверхностно-активные вещества (ПАВ). При измерении МН в таких системах необходимо чтобы ПАВ-содержащий флюид присутствовал в системе в значительном количестве (то есть образовывал внешнюю фазу). Это требование связано с тем, что динамика изменения МН и его равновесное значение обусловлены миграцией ПАВ к межфазной границе. В случае малых объемов ПАВ-содержащего флюида (когда он образует каплю) адсорбция ПАВ на границе раздела фаз приводит к значительному снижению его концентрации в исследуемом флюиде, что приводит к искажению динамики изменения МН и установлению равновесного значения МН, не соответствующего целевой концентрации ПАВ. Отдельные трудности возникают при измерении МН для газоконденсатных систем и при термобарических условиях вблизи критической точки, когда процесс создания капли непрозрачного флюида (нефти или конденсата) сопровождается риском отрыва капли вследствие выделения газа.

В МНИЦ Шлюмберже был разработан подход, позволяющий преодолеть вышеуказанные ограничения, а также была создана экспериментальная система. В основе подхода лежит идея использования рентгеновской установки для съемки изображения капли, формируемой в рентгенопрозрачной ячейке высокого давления и температуры. Таким образом, оказывается возможным осуществлять корректные измерения динамических значений МН и КУС в пластовых условиях вне зависимости от прозрачности исследуемых флюидов [2]. На Рис.1 приведена принципиальная схема разработанной измерительной системы.


Рис. 1. Принципиальная схема измерения МН/КУС с использованием рентгенографии.

Следует отметить, что использование рентгенографии имеет ряд особенностей. В первую очередь, это относится к контрасту получаемых изображений, который, как правило, существенно ниже, чем у изображений, получаемых в видимом диапазоне. Особенно заметно падение контраста по краям капель, где путь, проходимый рентгеновскими лучами сквозь флюид, образующий каплю, меньше, чем в центре. Также для рентгеновских изображений характерна существенная неравномерность фона по полю изображения, а отношение сигнал/шум значительно ниже, чем у изображений в видимом диапазоне. Пример рентгеновского изображения капли воды в воздухе показан на Рис. 2. Контраст изображения капли может быть улучшен за счет добавления контрастного агента, например йодида калия (KI) или хлорида цезия (CsCl) в водную фазу или йододекана в нефтяную фазу. Однако, добавление контрастного агента (изменение состава изучаемых флюидов) создает риск изменения МН непредсказуемым образом.


Рис. 2. Исходное и обработанное согласно разработанного алгоритма рентгеновские изображения капли воды в воздухе.

Кроме того, типичное время экспозиции при использовании рентгеновской установки существенно превышает таковое в оптических системах и варьируется в диапазоне от десятых долей до нескольких секунд. При столь длительной экспозиции возникает риск размытия контура капли на изображении за счет любых ее движений (колебаний, изменения объема). Перечисленные причины привели к необходимости разработки специализированных алгоритмов и программного обеспечения для вычисления значений МН и КУС по рентгеновским изображениям капли [3].

В первую очередь, необходимо исключить из рассмотрения изображения, смазанные вследствие движения капли. Для этого используется коэффициент асимметрии гистограммы вертикальных градиентов, полученных из столбцов изображения ниже иглы. Если граница нижнего контура капли размыта (капля двигалась), то гистограмма градиентов близка к симметричной, если же имеет место четкая граница нижнего контура капли (капля была неподвижна) — гистограмма градиентов ассиметрична. Таким образом, сравнивая абсолютное значение коэффициента асимметрии с заданным пороговым значением, оказывается возможным установить происходило ли изменение положения (или формы) капли за время съемки изображения.

Проблемы, связанные неравномерной яркостью изображения и недостаточным контрастом, решаются путем вычитания из исходного рентгеновского изображения капли фонового изображения (снятого предварительно изображения ячейки в отсутствие капли). После чего яркость полученного разностного изображения нормализуется (растягивается) на весь динамический диапазон. В результате качество изображение поднимается до уровня, достаточного для определения контура капли и анализа ее формы (см. Рис 2).

Для обработанных изображений выполняется поиск значения МН в уравнении Лапласа, которое наиболее точно описывает форму капли на изображении. Поскольку даже после обработки контраст изображения и четкость границ капли оказывается ниже, чем у изображений, полученных оптическим способом, для поиска параметров уравнения Лапласа используется процедура оптимизации, состоящая из двух этапов [3]. На первом этапе производится высокочастотная фильтрация изображения и выделяется контур капли. Преобразование координат контура капли из пиксельных в физические производится на основе информации о реальном размере (диаметре) иглы (например, в миллиметрах) и ее размерах на изображении в пикселях.

Далее, итерационно, путем минимизации суммы квадратов разностей между полученными точками контура и точками контура, описываемого уравнением Лапласа, определяются предварительные значения параметров уравнения. На втором этапе проводится уточнение параметров капли на основе анализа обработанного изображения в оттенках серого. В качестве целевой функции используется разность интенсивности внутри и снаружи контура капли, определенного на первом этапе.

Похожая процедура производится при оценке КУС для изображений лежащей капли. В этом случае к оптимизируемым параметрам добавляется само значение КУС, а теоретический контур капли на каждом шаге оптимизации вычисляется на основе решения системы нелинейных уравнений. Поскольку получить идеально симметричную каплю в эксперименте практически невозможно, то оценки контактных углов, а соответственно и процедуры оптимизации, производятся отдельно для каждой половины изображения лежащей капли, разделенной вертикальной линией, проходящей через полюс капли.

Описанный подход был реализован на базе лабораторного настольного рентгеновского томографа SkyScan 1172, для которого была спроектирована и изготовлена специальная рентгенопрозрачная ячейка высокого давления и температуры. Характеристики систем, доступных для изучения в настоящий момент, приведены в таблице 1.





Статья « Рентгенография как новый подход к измерению межфазного натяжения и краевого угла смачивания в пластовых условиях» опубликована в журнале «Neftegaz.RU» (№5-6, 2022)

Авторы:
Комментарии

Читайте также