СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРИСТОСТИ ОБРАЗЦА ПОРОДЫ Российский патент 2016 года по МПК G01N23/83 

Изобретение относится к рентгеновским методам исследования образцов керна, в частности микротомографии и нанотомографии.

В нефтяной промышленности пористость является главным параметром при подсчете запасов конкретного коллектора. Известен целый ряд методов определения пористости кернового материала. К стандартным методам относятся газовое насыщение с регулированием давления/объема, жидкостное насыщение с взвешиванием и петрографические исследования тонких срезов (см., например, патенты США 4562726, 2840717). Главным недостатком перечисленных методов является то, что они занимают относительно много времени и зависят от исполнителя. Петрографический анализ тонких срезов может дать совершенно не репрезентативные результаты, и он имеет дело с определенным количеством (обычно 1 или 2) двумерных срезов реального трехмерного образца породы. При подготовке таким срезам могут быть нанесены повреждения, что еще больше снижает надежность расчетов пористости по таким двумерным срезам.

Предлагается способ, позволяющий за короткое время неразрушающим и не зависящим от исполнителя способом определить значение пористости образца породы. В отличие от петрографического анализа предлагаемый способ имеет дело с реальной трехмерной структурой порового пространства в образце породы.

Способ определения значения пористости образца предусматривает определение общего минералогического состава образца и определение относительного объемного содержания каждого минерала. Определяют коэффициенты затухания рентгеновского излучения для выявленных в образце минералов. Вычисляют первый коэффициент ослабления рентгеновского излучения для синтетического образца, состоящего из тех же минералов с тем же объемным содержанием, но без пор. Затем выполняют рентгеновское микро-/нанокомпрьютерное сканирование исследуемого образца и определяют второй коэффициент ослабления рентгеновского излучения для исследуемого образца породы.

Если поры исследуемого образца заполнены газом, водой или легкими углеводородами, то пористость образца рассчитывают по формуле

Если поры образца заполнены тяжелыми углеводородами или другими жидкостями/газами с коэффициентами ослабления рентгеновского излучения, сравнимыми с К или K_s, то пористость образца рассчитывают следующим образом:

где Р - пористость образца, K_s - первый коэффициент ослабления рентгеновского излучения для синтетического образца, K - второй коэффициент ослабления рентгеновского излучения для исследуемого образца, K₁ - коэффициент ослабления рентгеновского излучения для жидкостей/газов, заполняющих поры образца.

Общий минералогический состав образца и относительное объемное содержание каждого минерала может определяться одним из традиционных методов: петрографическим анализом тонких срезов, рентгеновским флуоресцентным анализом, дифракционным рентгеновским анализом порошка/отдельного кристалла, микроскопией комбинационного рассеивания, сканирующей электронной микроскопией с дальнейшим рентгеновским анализом спектров.

Коэффициенты ослабления рентгеновского излучения для выявленных минералов могут определяться методом микрокомпьютерного сканирования отдельных зерен каждого минерала и регрессионным анализом профиля распределения интенсивности по горизонтальной линии на проекции микрокомпьютерного изображения ср. с профилем толщины зерна по соответствующей линии на соответствующем реконструированном микрокомпьютерном срезе, или из базы данных по коэффициентам ослабления рентгеновского излучения.

Второй коэффициент ослабления рентгеновского излучения для исследуемого образца породы определяют регрессионным анализом профиля распределения интенсивности по горизонтальной линии на проекции микрокомпьютерного изображения ср. с профилем толщины по соответствующей линии на соответствующем реконструированном микрокомпьютерном срезе.

На фиг. 1 показано измерение точного значения коэффициента ослабления для отдельного зерна кальцита.

На фиг. 2 показано распределение коэффициентов ослабления по двум образцам породы.

Разные минералы характеризуются различным химическим составом (химическими элементами) и плотностью. Иными словами, в рентгеновской проекции минералы дают различную контрастность и их можно различать по коэффициентам поглощения рентгеновского излучения (линейное ослабление):

I=I₀e^-µl

где I - интенсивность рентгеновского излучения после прохождения слоя вещества толщиной l, I₀ - начальная интенсивность рентгеновского излучения, µ - коэффициент линейного ослабления (обычно измеряемый в см^-1). Эта особенность позволяет ожидать различные градации серой шкалы, соответствующие объемам, занимаемым зернами различных минералов в трехмерном микро-/нанокомпьютерном изображении образца породы. Зная, какие минералы (М₁, М₂,…,M_n) доминируют в образце, можно рассчитать значения коэффициент ослабления рентгеновского излучения для этих минералов (k₁,k₂,…,k_n).

Способ включает следующие этапы. Сначала одним из известных методов определяются общий минералогический состав (М₁, М₂,…M_n) и объемное содержание выявленных минералов (G₁, G₂,…G_n). К таким известным методам относятся петрографические методы (см., например, www.ncptt.nps.gov/digital-image-analysis-of-petrographic-thin-sections-in-conservation-research-2004-01), рентгеновский флуоресцентный анализ (см., например, www.horiba.com/fileadmin/uploads/Scientific/Documents/XRay/xgtmin01.pdf), дифракционный рентгеновский анализ порошка/отдельного кристалла (см., например, Ore Geology Reviews, Volume 6, Issues 2-3, May 1991, Pages 107-118, Applied Mineralogy in Exploration), микроскопия комбинационного рассеивания (см., например, http://www.witec-), сканирующая электронная микроскопия с дальнейшим рентгеновским анализом спектров (см., например, http://www.fei.com/applications/industry/).

Петрография (оптическая минералогия) занимается исследованием минералов и пород путем измерения их оптических свойств. Обычной практикой является подготовка образцов минералов и пород в виде тонких срезов для лабораторных исследований с помощью петрографических микроскопов. Оптическая минералогия применяется для определения минералогического состава геологического материала для выяснения его происхождения и эволюционной истории (см. conservation-research-2004-01).

Рентгеновской флуоресценцией называется характерное «вторичное» рентгеновское излучение, исходящее от материала, подвергшегося высокоэнергетическому рентгеновскому или гамма-излучению. Это явление широко используется для элементного и химического анализа, в частности, при изучении металлов, стекла, керамических и строительных материалов, в геохимических исследованиях, в криминалистике и археологии.

Примеры использования рентгеновской флуоресценции для изучения геологических образцов можно найти в http://www.horiba.com/fileadmin/uploads/Scientific/Documents/XRay/xgtmin01.pdf.

С помощью конфокальных рамановских микроскопов определяются спектры комбинационного рассеивания в каждом пикселе двумерной поверхности образца в поле зрения. Расшифровка спектров дает химический состав в пикселе. В случае естественных пород участки с одинаковым химическим составом приписываются различным минералам (см. instruments.de/en/download/Raman/Geoscience.pdf).

Рентгеновская дифракция выявляет атомную структуру материалов, и она основана на явлении упругого рассеяния рентгеновского излучения на электронных облаках отдельных атомов в системе. Самое полное описание рассеяния на кристаллах представлено динамической теорией дифракции. Порошковая дифракция представляет собой метод, используемый для определения кристаллографической структуры, размера кристаллитов (размера зерен) и преимущественной ориентации поликристаллических или порошковых твердых образцов. Порошковая дифракция обычно используется для выявления неизвестных веществ путем сравнения данных дифракции с базой данных, поддерживаемой Международным центром дифракционных данных (анализ методом рентгеновской дифракции - Ore Geology Reviews, Volume 6, Issues 2-3, May 1991, Pages 107-118, Applied Mineralogy in Exploration).

Энерго-дисперсионная рентгеновская спектроскопия (ЭДС) представляет собой аналитический метод, используемый для элементного анализа или определения химической характеристики образца. Это один из вариантов рентгеновской флуоресцентной спектроскопии, базирующейся на исследовании образца по взаимодействию электромагнитной радиации с веществом. При этом анализируется рентгеновское излучение, испускаемое веществом при попадании в него заряженных частиц. Исследовательские возможности этого метода в значительной степени определяются тем фундаментальным принципом, что каждому элементу свойственна уникальная атомная структура, позволяющая различать уникальное рентгеновское излучение, присущее атомной структуре элемента. Для ЭДС обычно применяются сканирующие электронные микроскопы и электронные микродатчики. В сканирующих электронных микроскопах установлены катодные и магнитные линзы, создающие пучки электронов, а с 1960-х годов технические возможности таких микроскопов расширились, позволив их применение для элементного анализа. Энергия рентгеновского излучения преобразуется в сигналы напряжения с помощью детектора; эта информация затем передается на импульсный процессор, измеряющий сигналы и передающий их на анализатор для отображения и анализа (http://www.fei.com/applications/industry/).

Определяют коэффициенты ослабления рентгеновского излучения k₁, k₂,…k_n для всех выявленных минералов М₁, М₂,…M_n. Расчет коэффициентов ослабления рентгеновского излучения может выполняться с помощью микрокомпьютерного сканирования отдельных зерен каждого минерала и регрессионного анализа профиля распределения интенсивности по горизонтальной линии на проекции микрокомпьютерного изображения ср. с профилем толщины зерна по соответствующей линии на соответствующем реконструированном микрокомпьютерном срезе [http://www.skyscan.be/company/UM2011/abstract_08.pdf], или используя базу данных NIST (например, http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/index.cfm).

Выполняют микро-/нанотомографию высокого разрешения и получают трехмерное микро-/нанокомпьютерное изображение образца в серой цветовой шкале.

Затем вычисляют первый коэффициент ослабления рентгеновского излучения для синтетического образца K_s, состоящего из тех минералов, которые были определены в исследуемом образце, в том же объемном содержании, но без пор:

K_s=G₁k₁+G₂k₂+…+G_nk_n

Выполняют микрокомпьютерное сканирование образца и определяют второй коэффициент ослабления рентгеновского излучения К для всего исследуемого образца породы. Его можно определить, например, с помощью регрессионного анализа профиля распределения интенсивности по горизонтальной линии на проекции микрокомпьютерного изображения ср. с профилем толщины зерна по соответствующей линии на соответствующем реконструированном микрокомпьютерном срезе (см. фиг. 2, где справа представлено изображение рентгеновской проекции двух образцов карбонатов с разными значениями пористости (один над другим)).

Если поры образца заполнены газом, водой или легкими углеводородами, то пористость образца рассчитывается следующим образом:

,

а если поры образца заполнены тяжелыми углеводородами или другими жидкостями/газами с коэффициентами ослабления рентгеновского излучения, сравнимыми с K или K_s, то пористость образца рассчитывается следующим образом

Коэффициент K₁ можно определить с помощью микрокомпьютерного сканирования отдельных зерен каждого минерала и регрессионным анализом профиля распределения интенсивности по горизонтальной линии на проекции микрокомпьютерного изображения ср. с профилем толщины зерна по соответствующей линии на соответствующем реконструированном микрокомпьютерном срезе, или с использованием базы данных по коэффициентам ослабления рентгеновского излучения [http://www.skyscan.be/company/UM2011/abstract_08.pdf] или базы данных NIST, например, (http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/index.cfm).

Использование: для определения пористости образца породы. Сущность изобретения заключается в том, что способ определения пористости образца породы предусматривает определение общего минералогического состава образца, определение относительного объемного содержания каждого минерала и определение коэффициентов ослабления рентгеновского излучения для каждого из этих минералов. Затем определяют первый коэффициент ослабления рентгеновского излучения для синтетического образца, состоящего из тех же минералов с тем же объемным содержанием, но без пор. Выполняют рентгеновское микро-/нанокомпьютерное сканирование образца и определяют второй коэффициент ослабления рентгеновского излучения для исследуемого образца породы. Значения пористости могут быть определены как для образца, заполненного газом, водой или легкими углеводородами, так и для образца, заполненного тяжелыми углеводородами или другими жидкостями/газами с коэффициентами ослабления рентгеновского излучения, сравнимыми с коэффициентами ослабления рентгеновского излучения образца породы или синтетического образца. Технический результат: обеспечение возможности за короткое время неразрушающим и не зависящим от исполнителя способом определить значение пористости образца породы. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения пористости образца породы, в соответствии с которым:
- определяют общий минералогический состав образца и относительное объемное содержание каждого минерала;
- определяют коэффициенты ослабления рентгеновского излучения для выявленных минералов;
- вычисляют первый коэффициент ослабления рентгеновского излучения для синтетического образца, состоящего из тех минералов, которые были выявлены в исследуемом образце, в том же объемном содержании, но без пор;
- осуществляют микрокомпьютерное сканирование исследуемого образца;
- определяют второй коэффициент ослабления рентгеновского излучения для исследуемого образца породы;
- вычисляют пористость образца по формуле

если поры образца заполнены газом, водой или легкими углеводородами, или по формуле

если поры образца заполнены тяжелыми углеводородами или другими жидкостями/газами с коэффициентами ослабления рентгеновского излучения, сравнимыми с К или K_s, где Р - пористость образца, K_s - первый коэффициент ослабления рентгеновского излучения для синтетического образца, К - второй коэффициент ослабления рентгеновского излучения для исследуемого образца породы, K₁ - коэффициент ослабления рентгеновского излучения для жидкостей/газов в поровом пространстве.

2. Способ по п. 1, в соответствии с которым минералогический состав образца и относительное объемное содержание выявленных минералов определяют методами петрографического анализа.

3. Способ по п. 1, в соответствии с которым минералогический состав образца и относительное объемное содержание выявленных минералов определяют методом анализа рентгеновской флуоресценции.

4. Способ по п. 1, в соответствии с которым минералогический состав образца и относительное объемное содержание выявленных минералов определяют методом рентгеновской дифракции.

5. Способ по п. 1, в соответствии с которым минералогический состав образца и относительное объемное содержание выявленных минералов определяют методом микроскопии комбинационного рассеивания.

6. Способ по п. 1, в соответствии с которым минералогический состав образца и относительное объемное содержание выявленных минералов определяется методом сканирующей электронной микроскопии с дальнейшим рентгеновским анализом спектров.

7. Способ по п. 1, в соответствии с которым коэффициенты ослабления рентгеновского излучения для выявленных минералов определяют методом микрокомпьютерного сканирования отдельных зерен каждого минерала и регрессионным анализом профиля распределения интенсивности по горизонтальной линии на проекции микрокомпьютерного изображения ср. с профилем толщины зерна по соответствующей линии на соответствующем реконструированном микрокомпьютерном срезе.

8. Способ по п. 1, в соответствии с которым коэффициенты ослабления рентгеновского излучения для выявленных минералов определяют по базе данных коэффициентов ослабления рентгеновского излучения.

9. Способ по п. 1, в соответствии с которым второй коэффициент ослабления рентгеновского излучения для исследуемого образца породы определяют регрессионным анализом профиля распределения интенсивности по горизонтальной линии на проекции микрокомпьютерного изображения ср. с профилем толщины зерна по соответствующей линии на соответствующем реконструированном микрокомпьютерном срезе.

10. Способ по п. 1, в соответствии с которым коэффициент ослабления рентгеновского излучения для жидкостей/газов в поровом пространстве образца определяют по базе данных коэффициентов ослабления рентгеновского излучения.