СПОСОБ И СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ КРАЕВЫХ УГЛОВ НАТЕКАНИЯ И ОТТЕКАНИЯ, А ТАКЖЕ УГЛА СОСКАЛЬЗЫВАНИЯ ИЛИ СКАТЫВАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01N13/02 G01N23/83 

Изобретение относится к способам и системам измерения краевого угла натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания (в зависимости от происходящего с каплей физического явления скольжения или качения, соответственно), для капли (пузыря) флюида на поверхности образца материала в окружении другого флюида, несмешивающегося с флюидом, образующим каплю (пузырь), и позволяет проводить измерения вне зависимости от оптической прозрачности исследуемых флюидов. Под флюидами понимаются жидкости и газы, а также их смеси, в том числе различные виды газового конденсата. Изобретение позволяет проводить измерение перечисленных углов при заданных температуре и давлении (в том числе соответствующим пластовым).

Детальная информация о межфазных взаимодействиях флюид-флюид и флюид-поверхность является чрезвычайно важной для понимания целого ряда процессов в нефтегазовой и химической промышленности. Так присутствие в пластах газовой, нефтяной и водных фаз приводит к формированию сложной совокупности межфазных взаимодействий, которые проявляются в виде капиллярных сил и вместе с вязкостью определяют движение флюидов в породе. Капиллярные силы в общем случае описываются посредством межфазного натяжения, которое характеризует взаимодействие двух несмешивающихся флюидов, и смачиваемости, которая характеризует сродство флюида и породы коллектора. Именно эти два параметра (межфазное натяжение и смачиваемость) критически влияют на величину остаточной нефтенасыщенности и, соответственно, совокупный объем добычи (коэффициент извлечения углеводородов). В то время как межфазное натяжение может быть измерено непосредственно (например, с использованием метода висячей капли), смачиваемость породы флюидом характеризуется посредством, так называемого, краевого угла смачивания. Обычно измеряют равновесный угол смачивания на горизонтальной плоской поверхности образца, однако данный подход позволяет только оценить значение в диапазоне углов в силу, так называемого, гистерезиса угла смачивания, т.е. разности между углами натекания и оттекания, которые, в свою очередь, измеряют на наклонных поверхностях. Поскольку значение краевого угла смачивания является входным параметром при расчетах на цифровых моделях керна относительных фазовых проницаемостей и капиллярных кривых, которые свою очередь используются при построении моделей в пластовых симуляторах для определения оптимальных режимов разработки месторождений, понимание диапазона изменения угла смачивания позволяет проводить более объективное математическое моделирование процесса разработки. Отдельно стоит отметить, что большое количество методов увеличения нефтеотдачи направлены на изменение краевого угла смачивания (смачиваемости породы), например, за счет добавления в воду закачки поверхностно-активных веществ. Учитывая высокую стоимость данных решений, оказывается критически важным иметь достоверную информацию, как об исходном значении диапазона краевого угла смачивания (разности углов натекания и оттекания), так и об изменении данного диапазона в ходе применения методов увеличения нефтеотдачи. Отдельный интерес представляет значение угла наклона поверхности, при котором капля флюида начинает двигаться по ней под воздействием гравитации. В зависимости от состава флюидов и материала подложки (состава породы) такое движение капли может происходить в виде соскальзывания или скатывания. Практическая ценность вышеуказанных измерений существенно зависит от возможности их проведения при пластовом давлении и температуре.

Величина и диапазон краевого угла смачивания является результатом действия на каплю поверхностных сил на границах раздела флюид - флюид и флюид - поверхность. В случае рассмотрения краевого угла в системе нефть-вода-порода, величина поверхностных сил определяется в основном адсорбцией на границах раздела фаз поверхностно-активных веществ, содержащихся в пластовой нефти. По этой причине, для получения адекватного значения диапазона изменения краевого угла смачивания, критическим является постановка эксперимента таким образом, чтобы нефтяная фаза присутствовала в количестве достаточным для того, чтобы адсорбция поверхностно-активных веществ на границах раздела фаз не оказывала влияния на их концентрацию в объеме. В противном случае, измеренные величины краевого угла натекания и оттекания не будут соответствовать имеющим место в пласте и, следовательно, расчеты, проведенные на основе полученных таким образом данных, будут ошибочны. Условие наличия достаточного объема нефтяной фазы легко реализуется в случае использования ее в качестве внешней фазы (капля воды в нефти), однако такая постановка эксперимента не может быть реализована при использовании существующих подходов, в силу ограничения на оптическую прозрачность внешней фазы.

В существующих приборах для измерения поверхностного натяжения и краевого угла смачивания - гониометрах (см. например, https://www.rheologylab.com/services/interfacial-surface-tension-testing/) капля помещается на плоскую поверхность образца в воздухе или внутри прозрачной емкости, заполненной другим прозрачным флюидом. Капля освещается с задней стороны источником света, а цифровая камера делает снимок спереди. Для измерения краевых углов натекания и оттекания поверхность образца, на которую помещена капля наклоняется. По изображению определяется контур лежащей капли, краевые углы натекания и оттекания вычисляются путем нахождения углов наклона касательных к контуру лежащей капли в нижней и верхней точках контакта с поверхностью образца, соответственно, для чего контур аппроксимируется с помощью аналитической функции (например, Bateni, А., Susnar, S.S., Amirfazli, A., Neumann, A.W. A high-accuracy polynomial fitting approach to determine contact angles // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. - 2003. - T. 219. - №.1-3. - C. 215-231.) Угол соскальзывания или скатывания определяется по величине угла наклона поверхности образца, при котором капля смещается с поверхности.

Известно несколько патентов, описывающих устройства и способы для измерения равновесного краевого угла смачивания. Они основаны на получении изображений капли в оптическом диапазоне. В патенте США 4688938 капля флюида, расположенная на плоской поверхности, освещается сверху перпендикулярно данной поверхности параллельным пучком света, по размеру пятна, сформированного отраженными лучами, оценивают краевой угол смачивания. В патенте США 5080484 лазерный луч направляют в область контакта флюида с поверхностью таким образом, чтобы часть луча отражалась поверхностью, а часть флюидом. Измеряя углы отражения, для известных в установке геометрических соотношений, делают вывод о краевом угле смачивания. В патенте США 5115677 капля флюида на плоской поверхности, наклон которой можно регулировать, освещается сверху параллельным пучком света, пятно отраженного света на полупрозрачной сферической поверхности фиксируется фотокамерой. В патенте США 5137352 для проведения измерения малых краевых углов смачивания, капля флюида помещается на вогнутую поверхность образца, освещается сзади источником света и снимается спереди фотокамерой. Во всех известных установках критическим условием является оптическая прозрачность внешнего флюида, что не позволяет производить измерения для ряда сочетаний флюидов, в частности капли воды в нефти.

Возможность проводить измерение краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания, для капли флюида, лежащей на наклоненной поверхности образца и окруженной другим флюидом, вне зависимости от оптической прозрачности флюидов, появляется при использовании рентгеновского излучения. Так, в патенте РФ 2794567 описан способ измерения равновесного краевого угла смачивания на основе использования рентгеновской съемки. Однако в данном патенте не рассматривается измерение краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в обеспечении возможности измерения значений краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания, для капли (пузыря) флюида, лежащей на наклоненной поверхности образца (например, горной породы) в окружении другого флюида, вне зависимости от оптической прозрачности исследуемых флюидов, причем измерения перечисленных углов могут проводиться в условиях высоких температур и давлений, в том числе соответствующих пластовым.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в соответствии с предлагаемым способом измерения краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания, устанавливают образец материала, имеющий плоскую поверхность, в рентгенопрозрачную ячейку, установленную на регулируемой платформе, позволяющей изменять угол наклона по двум ортогональным осям, одна из которых совпадает с плоскостью рентгеновской съемки, и соединенную с устройством заполнения ячейки первым флюидом и с устройством формирования капли второго флюида. Далее регулируют платформу, на которой установлена рентгенопрозрачная ячейка так, чтобы плоская поверхность образца стала горизонтальной. Затем заполняют рентгенопрозрачную ячейку первым флюидом, выполняют рентгеновскую съемку ячейки с установленным образцом и заполненной первым флюидом, ретушируют на изображении область образца для имитации отсутствия образца в заполненной первым флюидом ячейке, ретушированное изображение запоминают как фоновое. Далее при помощи устройства формирования капли формируют каплю второго флюида, лежащую на плоской поверхности образца, в окружении первого флюида. Затем, пошагово, до тех пор пока капля остается на поверхности, увеличивают угол наклона образца (платформы) на заданный угол, осуществляя после каждого изменения угла наклона рентгеновскую съемку ячейки, заполненной первым флюидом и каплей второго флюида на наклоненной поверхности образца, получая контрастированные изображения путем совместной обработки фонового и снятого изображений, и вычисляя для контрастированных изображений краевые углы натекания и оттекания, соответствующие текущему углу наклона образца. На заключительном этапе вычисляют угол соскальзывания или скатывания.

В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения краевые углы натекания и оттекания вычисляются по контрастированному изображению путем нахождения углов наклона касательных к контуру лежащей капли второго флюида в нижней и верхней точках контакта с поверхностью образца, соответственно, для чего контур аппроксимируется с помощью аналитической функции.

В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения угол наклона образца определяют по рентгеновскому изображению ячейки с установленным в нее образцом. В соответствии с другим вариантом реализации изобретения угол наклона образца определяют с помощью измерения наклона платформы, например, с помощью инклинометра.

В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения угол соскальзывания или скатывания вычисляют как среднее между углом наклона поверхности образца, когда капля сместилась из поля зрения, и предыдущего угла наклона, когда капля присутствовала на изображении. В соответствии с другим вариантом реализации изобретения угол соскальзывания или скатывания полагают равным углу наклона поверхности образца, когда капля сместилась из поля зрения.

Система измерения краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания, в соответствии с предлагаемым изобретением содержит: устройство рентгеновской съемки; платформу, позволяющую регулировать наклон по двум ортогональным осям для задания исходной горизонтальной ориентации поверхности образца и наклона образца в плоскости рентгеновской съемки; рентгенопрозрачную ячейку, установленную на платформе в устройстве рентгеновской съемки, и выполненную с возможностью заполнения ее первым флюидом и установки в нее образца материала, имеющего плоскую поверхность, и соединенную с устройством для заполнения ее первым флюидом и устройством для формирования внутри первого флюида капли второго флюида на плоской поверхности образца; устройство заполнения рентгенопрозрачной ячейки первым флюидом; устройство формирования внутри первого флюида капли второго флюида на плоской поверхности образца; модуль получения и сохранения фонового изображения, выполненный с возможностью выполнять ретуширование на изображении области образца для имитации отсутствия образца в заполненной первым флюидом ячейке, вход модуля соединен с выходом устройства рентгеновской съемки, выход модуля соединен с модулем вычисления краевых углов натекания и оттекания; модуль вычисления краевых углов натекания и оттекания, выполненный с возможностью получать контрастированное изображение путем совместной обработки фонового и снятого изображений, определять присутствие капли на изображении, вычислять по контрастированному изображению значения краевых углов натекания и оттекания, вычислять угол соскальзывания или скатывания, вход модуля соединен с выходом устройства рентгеновской съемки и выходом модуля получения и сохранения фонового изображения.

Рентгенопрозрачная термоустойчивая ячейка может представлять собой ячейку высокого давления с рентгенопрозрачными стенками. В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения рентгенопрозрачная ячейка может быть оборудована системой термостабилизации.

В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения устройство рентгеновской съемки может быть выполнено с возможностью съемки нескольких изображений подряд и формирования результата как среднего по всем снятым изображениям.

В соответствии с еще одним из вариантов реализации изобретения, устройство рентгеновской съемки может быть демпфировано для обеспечения виброзащиты.

В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения платформа наклоняется на заданный угол с помощью шагового двигателя.

Изобретение поясняется чертежами. На Фиг. 1 схематично представлено изображение капли второго флюида, лежащей на наклоненной поверхности образца и окруженной первым флюидом, и обозначены измеряемые краевые углы натекания и оттекания; на Фиг. 2 показана блок-схема системы измерения краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания; на Фиг. 3 приведена блок-схема способа измерения краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания; на Фиг. 4 приведены примеры фонового изображения до и после обработки (ретуширования области образца), исходного и контрастированного изображений лежащей капли.

На Фиг. 1 схематично показана капля 1 второго флюида, которая лежит на плоской поверхности образца 2 и окружена первым флюидом 3. Краевой угол натекания α - это угол между касательной к поверхности капли 1 в нижней точке касания образца 2 контуром капли и плоскостью поверхности образца 2. Краевой угол оттекания β - это угол между касательной к поверхности капли 1 в верхней точке касания образца 2 контуром капли 1 и плоскостью поверхности образца 2. Углы отложены внутрь капли.

Основными недостатками рентгеновской съемки капли (пузыря) по сравнению со съемкой в оптическом диапазоне являются низкий контраст между флюидами, высокий уровень шума на получаемом изображении и значительно большее время, необходимое для съемки одного кадра (время экспозиции). Для ряда сочетаний флюидов капля едва различима, а ее внешний контур сложно однозначно определить.

При использовании рентгеновской съемки контраст изображения, используемого для определения краевых углов натекания и оттекания, может быть повышен путем совместной обработки фонового изображения без капли и изображения с каплей, например, с помощью вычитания фонового изображения из изображения с каплей с последующей нормализацией интенсивности разностного изображения в диапазоне от 1 до 99 перцентилей статистического распределения его интенсивностей во весь динамический диапазон. Поскольку при проведении измерений ячейка наклоняется, необходимо на фоновом изображении заменить элементы, соответствующие образцу, предсказав элементы фона, что осуществляется с помощью одного из алгоритмов ретуширования (inpainting).

Размытие по причине дрожания капли из-за вибрации установки и высокий уровень шума на изображении существенно искажают контур капли, поэтому в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения обеспечивается демпфирование устройства рентгеновской съемки для обеспечения виброзащиты (подавления вибраций), а также в соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения используется такое устройство рентгеновской съемки, которое способно снимать несколько изображений подряд и формировать результат как среднее по снятым изображениям, что ведет к увеличению отношения уровня сигнала к шуму.

На Фиг. 2 приведена блок-схема системы измерения краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания. В устройстве 4 рентгеновской съемки (см., например, Бузмаков А.В. и др., Лабораторные микротомографы: конструкция и алгоритмы обработки данных, Кристаллография, 63(6), 2018, стр. 1007-1011) размещена рентгенопрозрачная ячейка 5. Образец 2 материала, имеющий плоскую поверхность, помещается в ячейку 5. Рентгенопрозрачная ячейка 5 помещается на платформу 6, позволяющую регулировать в двух координатных осях наклон таким образом, чтобы плоская поверхность образца 2, обращенная к устройству 8 для формирования капли второго флюида внутри первого флюида на плоской поверхности образца 2, была горизонтальной. Внутреннюю полость ячейки 5 заполняют первым флюидом с помощью устройства 7. При необходимости проведения измерений краевых углов натекания и оттекания в пластовых условиях (для нефтегазовой отрасли) используют термоустойчивую ячейку 5 высокого давления с рентгенопрозрачными стенками. Система содержит модуль 9 получения и сохранения фонового изображения, выполненный с возможностью выполнять ретуширование на изображении области образца для имитации отсутствия образца в заполненной первым флюидом ячейке 5. Система содержит модуль 10 вычисления краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания, выполненный с возможностью получать контрастированное изображение путем совместной обработки фонового и снятого изображении, определять присутствие капли на изображении, вычислять по контрастированному изображению значения краевых углов натекания и оттекания и вычислять угол соскальзывания или скатывания.

Поскольку значения краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания, зависят от температуры, для повышения достоверности получаемых результатов измерения следует проводить при заданной температуре. Это может быть достигнуто путем оснащения ячейки 5 системой термостабилизации, например, помещения ячейки 5 в термостабилизированный кожух, в котором предусмотрены рентгенопрозрачные окна (отверстия) (см., например, патент РФ 2722896). Для задания температуры ячейки 5 может применяться любой доступный метод, например омический нагрев, циркуляция жидкости заданной температуры, применение термоэлектрического преобразователя (элемент Пельтье) и т.п.

Устройство 4 рентгеновской съемки может быть демпфировано с помощью установки на антивибрационный стол, оснащенный пассивной или активной системой подавления вибраций (см., например, https://bmtltd.ru/catalog/laboratoria-eko/antivibratsionnyy_stol_tms/). Такая система может быть пневматической (воздушной), или пьезоэлектрической, или гибридной.

В качестве регулируемой платформы 6 может использоваться прецизионный многоосевой стол для позиционирования (см. например, http://www.optical-equipment.ru/2-6-2-1-low-profile-integrated-linear-stage.html). Для наклона платформы 6 может использоваться шаговой двигатель (см., например, шаговый двигатель 28BYJ-48 https://3d-diy.ru/wiki/arduino-mechanics/stepper-motor-28BYJ-48/). Для определения угла наклона платформы 6 может использоваться двухосевой или одноосевой электрический инклинометр (см. например, https://sensoren.ru/catalog/datchiki-peremeshcheniy-i-rasstoyaniya/datchiki_ugla_naklona_inklinometry/). Угол наклона образца 2 равен разнице текущего и исходного углов наклона платформы.

Модуль 9 получения и сохранения фонового изображения и модуль 10 вычисления краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания, могут быть реализованы с помощью одного или нескольких различных микропроцессорных или компьютерных устройств. Данные модули могут быть реализованы на основе персонального компьютера, оснащенного специализированным программным обеспечением, способным реализовать соответствующие этапы способа, или же эти модули могут быть выполнены на основе электронных систем на кристалле (SoC), содержащих микропроцессор, оперативную память, по меньшей мере один цифровой процессор обработки сигналов (DSP) или программируемую логическую интегральную схему (FPGA).

На Фиг. 3 приведена блок-схема способа измерения краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания. На первом этапе (блок 11 на Фиг. 3) устанавливают образец 2 материала, имеющего плоскую поверхность, в рентгенопрозрачную ячейку 5, установленную на платформу 6, причем плоскую поверхность образца 2 обращают к устройству 8 для формирования капли второго флюида внутри первого флюида. На втором этапе (блок 12 на Фиг. 3) регулируют платформу 6, на которой установлена рентгенопрозрачная ячейка 5 так, чтобы плоская поверхность образца 2 стала горизонтальной. На следующем этапе (блок 13) с помощью устройства 7 для заполнения рентгенопрозрачной ячейки первым флюидом заполняют ячейку 5 первым флюидом. При необходимости создают в ячейке 5 требуемые значения давления и температуры. Далее (блок 14) с помощью устройства 4 рентгеновской съемки выполняют съемку ячейки 5, с установленным образцом 2 и заполненной первым флюидом, ретушируют на изображении область образца для имитации отсутствия образца в ячейке заполненной первым флюидом, и сохраняют ретушированное изображение в качестве фонового. Для ретуширования на изображении области образца может применяться алгоритм ретуширования (inpainting), описанный в статье Telea A. An image inpainting technique based on the fast marching method // Journal of graphics tools. - 2004. - T. 9. - №.1. - C. 23-34.

Поскольку образец наклоняется, для получения контрастированного изображения требуется иметь фоновое изображение, в котором область образца реалистично заменена на окружающую образец область.

На следующем этапе (блок 15) посредством устройства 8 вводят в ячейку 5, заполненную первым флюидом, второй флюид для формирования лежащей капли на плоской поверхности образца 2. Если плотность второго флюида меньше плотности первого, то капля будет не падать, а всплывать. В этом случае достаточно перевернуть ячейку 5 в устройстве 4 рентгеновской съемки, чтобы получить изображение идентичное изображению лежащей капли, когда плотность второго флюида больше плотности первого, и капля второго флюида будет падать на плоскую поверхность образца 2.

Далее (блок 16) увеличивают угол наклона поверхности образца 2, размещенного на платформе, путем наклона поворотной платформы 6; с помощью устройства 4 рентгеновской съемки выполняют рентгеновскую съемку ячейки 5 с первым флюидом и с созданной на поверхности образца 2 каплей второго флюида. Величина увеличения (приращения) угла наклона задается из соображений требуемой точности определения угла скатывания или соскальзывания и длительности процедуры измерения. Чем меньше величина приращения угла наклона, тем точнее определяется угол скатывания или соскальзывания, но время процедуры измерения увеличивается. В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения угол наклона образца определяют по рентгеновскому изображению ячейки с установленным в нее образцом. В соответствии с другим вариантом реализации изобретения угол наклона образца определяется с помощью измерения угла наклона платформы.

На следующем этапе (блок 17) получают контрастированные изображения путем совместной обработки снятого и фонового изображений.

Для обозначения значения пикселя изображения, для всех обсуждаемых в данном документе изображений, используется термин интенсивность. В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения контрастированное изображение Ic получают посредством выполнения следующих этапов:

- получают разностное изображение путем вычитания фонового изображения из изображения ячейки с каплей;

- интенсивности разностного изображения в диапазоне от 1 до 99 перцентилей его статистического распределения нормализуют во весь динамический диапазон.

Разностное изображение Id получают путем вычитания фонового изображения Ib из изображения с каплей I:

Id(r,c)=I(r,c)-Ib(r,c),

для всех (r,с), где r - номер строки изображения, с - номер столбца изображения. Затем для всех (r,с) разностное изображение Id нормализуется во весь динамический диапазон от 0 до максимально возможного значения L:

где r - номер строки изображения, с - номер столбца изображения, l - 1-й перцентиль распределения интенсивностей разностного изображения Id, а и - 99-й перцентиль распределения интенсивностей разностного изображения Id.

В соответствии с другим вариантом реализации изобретения контрастированное изображение получают посредством выполнения следующих этапов:

- получают разностное изображение путем вычисления логарифма отношения изображения ячейки с каплей и фонового изображения;

- интенсивности разностного изображения в диапазоне от 1 до 99 перцентилей его статистического распределения нормализуют во весь динамический диапазон.

В соответствии с данным вариантом получение разностного изображения Id осуществляется путем вычисления логарифма отношения изображения ячейки с каплей I и фонового изображения Ib:

где константа k (k>0) используется для избежания некорректных математических операций.

На Фиг. 4 представлены изображения, получаемые в ходе выполнения блоков 14,16 и 17 (см. Фиг. 3). На Фиг. 4а показано рентгеновское изображение ячейки 5 с установленным образцом 2 и заполненной первым флюидом, на Фиг. 4b показано ретушированное изображение, на Фиг. 4 с показано исходное изображение лежащей капли второго флюида после съемки, на Фиг. 4d приведен результат контрастирования изображения.

Затем (блок 18) определяется присутствие капли на контрастированном изображении. Если капля присутствует на изображении (условие 19), то вычисляют краевые углы натекания и оттекания (блок 20) для текущего угла наклона образца. Краевые углы натекания и оттекания вычисляются по контрастированному изображению путем нахождения углов наклона касательных к контуру лежащей капли второго флюида в нижней и верхней точках контакта контура с поверхностью образца, соответственно, для чего контур, полученный с помощью фильтра «разность Гауссиан» и нахождения точек пересечения нулевого уровня, аппроксимируется с помощью аналитической функции, например, полинома третьего порядка (Bateni, A., Susnar, S.S., Amirfazli, A., Neumann, А.W. A high-accuracy polynomial fitting approach to determine contact angles //Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. - 2003. - T. 219. - №.1-3. - C. 215-231). После чего выполняется возврат к блоку 16.

Если же капли на изображении нет, то выполняется вычисление угла скатывания или соскальзывания (блок 21), после чего происходит завершение работы согласно блок-схеме (Фиг. 3). Угол скатывания или соскальзывания может считаться равным текущему значению угла наклона образца или вычисляться как среднее между текущим и предыдущим значениями углов наклона образца.

В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения, в ячейке могут быть установлены заданные давление и/или температура, соответствующие пластовым значениям. В качестве первого флюида может быть использована нефть, а в качестве второго флюида - вода.

В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения, образец материала предварительно насыщают первым флюидом. В соответствии с другим вариантом реализации изобретения, образец материала предварительно насыщают вторым флюидом. В соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения образец материала оставляют в исходном состоянии (т.е. не осуществляют целенаправленное насыщение ни одним из флюидов). В соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения, образец материала насыщают произвольным флюидом, несмешивающимся ни с первым флюидом, ни со вторым.

Рассмотрим конкретный пример реализации изобретения на примере измерения краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания, для системы пластовая вода - додекан при давлении (50 атм) и температуре (25°С), где капля воды помещается на поверхность образца кальцита, таким образом в качестве первого флюида выбран додекан, в качестве второго - пластовая вода. В эксперименте использован сухой образец кальцита.

Образец 2 кальцита помещают в рентгенопрозрачную ячейку 5 таким образом, чтобы плоская поверхность образца 2 была обращена к устройству 8 формирования капли второго флюида. Рентгенопрозрачная термоустойчивая ячейка 5 устанавливается на регулируемую платформу 6, регулировкой которой добиваются того, чтобы плоская поверхность образца кальцита стала горизонтальной. С помощью устройства 7 заполняют ячейку 5 до деканом и устанавливают требуемые давление и температуру. С помощью устройства 4 выполняют рентгеновскую съемку ячейки 5 с установленным образцом 2 кальцита и заполненной додеканом. Ретушируют на изображении область образца для имитации отсутствия образца в заполненной первым флюидом ячейке. Ретушированное изображение запоминают как фоновое в модуле 9. С помощью устройства 8 формируют внутри додекана каплю пластовой воды на плоской поверхности образца кальцита. До тех пор, пока капля воды остается на поверхности кальцита, пошагово увеличивают угол наклона платформы 6 на угол в 0,1°; осуществляют рентгеновскую съемку ячейки 5, заполненной додеканом и с каплей пластовой воды на наклоненной поверхности кальцита; по изображению определяют текущий угол наклона образца как угол между поверхностью образца и краем изображения; получают контрастированные изображения путем совместной обработки фонового и снятого изображений; для контрастированных изображений вычисляют краевые углы натекания и оттекания для текущего угла наклона образца. Когда капля воды соскользнула или скатилась с поверхности кальцита, определяют угол соскальзывания или скатывания, как среднее между углом наклона поверхности образца, когда капля сместилась из поля зрения, и предыдущего угла наклона поверхности, когда капля еще присутствовала на изображении.

Изобретение относится к способам и системам измерения краевого угла натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания. Сущность: образец материала, имеющий плоскую поверхность, помещают в рентгенопрозрачную ячейку, установленную на регулируемой платформе, позволяющей изменять угол наклона по двум ортогональным осям, одна из которых совпадает с плоскостью рентгеновской съемки, и соединенную с устройством заполнения ячейки первым флюидом и с устройством формирования капли второго флюида. Регулируют платформу, на которой установлена рентгенопрозрачная ячейка так, чтобы плоская поверхность образца стала горизонтальной. Заполняют рентгенопрозрачную ячейку первым флюидом. Выполняют рентгеновскую съемку ячейки с установленным образцом и заполненной первым флюидом, ретушируют на изображении область образца для имитации отсутствия образца в заполненной первым флюидом ячейке, ретушированное изображение запоминают как фоновое. Вводят внутрь первого флюида второй флюид, с целью формирования лежащей капли второго флюида на плоской поверхности образца, до тех пор, пока капля остается на поверхности, увеличивают угол наклона платформы на заданный угол, осуществляют рентгеновскую съемку ячейки, заполненной первым флюидом и каплей второго флюида на наклоненной поверхности образца, получают контрастированные изображения путем совместной обработки фонового и снятого изображений. Для контрастированных изображений вычисляют краевые углы натекания и оттекания для текущего угла наклона, вычисляют угол соскальзывания или скатывания. Технический результат: возможность измерения значений краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания, для капли флюида, лежащей на наклоненной поверхности образца в окружении другого флюида, вне зависимости от оптической прозрачности исследуемых флюидов. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания, в соответствии с которым:

- устанавливают образец материала, имеющий плоскую поверхность, в рентгенопрозрачную ячейку, установленную на регулируемой платформе, позволяющей изменять угол наклона по двум ортогональным осям, и соединенную с устройством заполнения ячейки первым флюидом и с устройством формирования капли второго флюида,

- регулируют платформу, на которой установлена рентгенопрозрачная ячейка так, чтобы плоская поверхность образца стала горизонтальной,

- заполняют рентгенопрозрачную ячейку первым флюидом,

- выполняют рентгеновскую съемку ячейки с установленным образцом и заполненной первым флюидом, ретушируют на изображении область образца для имитации отсутствия образца в заполненной первым флюидом ячейке, ретушированное изображение запоминают как фоновое,

- вводят внутрь первого флюида второй флюид с целью формирования лежащей капли второго флюида на плоской поверхности образца,

- до тех пор, пока капля остается на поверхности, увеличивают угол наклона платформы на заданный угол, осуществляют рентгеновскую съемку ячейки, заполненной первым флюидом и каплей второго флюида на наклоненной поверхности образца, получают контрастированные изображения путем совместной обработки фонового и снятого изображений, для контрастированных изображений вычисляют краевые углы натекания и оттекания для текущего угла наклона образца и вычисляют угол соскальзывания или скатывания.

2. Способ по п. 1, в соответствии с которым краевые углы натекания и оттекания вычисляют по контрастированному изображению путем нахождения углов наклона касательных к контуру лежащей капли второго флюида в точках контакта с поверхностью образца, для чего контур аппроксимируется с помощью аналитической функции.

3. Способ по п. 1, в соответствии с которым угол наклона образца определяют по рентгеновскому изображению ячейки с установленным в нее образцом.

4. Способ по п. 1, в соответствии с которым угол соскальзывания или скатывания вычисляют как среднее между углом наклона поверхности образца, когда капля сместилась из поля зрения, и предыдущего угла наклона поверхности, когда капля еще присутствовала на изображении.

5. Способ по п. 1, в соответствии с которым угол соскальзывания или скатывания полагают равным углу наклона поверхности образца, когда капля сместилась из поля зрения.

6. Система измерения краевых углов натекания и оттекания, а также угла соскальзывания или скатывания, содержащая:

- устройство рентгеновской съемки,

- платформу, позволяющую регулировать наклон по двум ортогональным осям, одна из которых совпадает с плоскостью рентгеновской съемки, для задания исходной горизонтальной ориентации поверхности образца и наклона образца в плоскости рентгеновской съемки,

- рентгенопрозрачную ячейку, установленную на платформе в устройстве рентгеновской съемки, и выполненную с возможностью заполнения ее первым флюидом и установки в нее образца материала, имеющего плоскую поверхность, и соединенную с устройством для заполнения ее первым флюидом и устройством для формирования внутри первого флюида капли второго флюида на плоской поверхности образца,

- устройство заполнения рентгенопрозрачной ячейки первым флюидом,

- устройство формирования внутри первого флюида капли второго флюида на плоской поверхности образца,

- модуль получения и сохранения фонового изображения, выполненный с возможностью выполнять ретуширование на изображении области образца для имитации отсутствия образца в заполненной первым флюидом ячейке, вход модуля соединен с выходом устройства рентгеновской съемки, выход модуля соединен с модулем вычисления краевых углов натекания и оттекания,

- модуль вычисления краевых углов натекания и оттекания, выполненный с возможностью получать контрастированное изображение путем совместной обработки фонового и снятого изображений, определять присутствие капли на изображении, вычислять по контрастированному изображению значения краевого угла натекания и оттекания, вычислять угол соскальзывания или скатывания, вход модуля соединен с выходом устройства рентгеновской съемки и выходом модуля получения и сохранения фонового изображения.

7. Система по п. 6, в которой рентгенопрозрачная ячейка является термостабилизированной ячейкой высокого давления.

8. Система по п. 6, в которой платформа наклоняется на заданный угол с помощью шагового двигателя.