2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.3. Análise digital de rochas
A análise digital de rochas é cada vez mais usada para auxiliar o cálculo das propriedades petrofísicas e de transporte de materiais porosos através de imagens 3D obtidas por microtomografia de raios-X (ARNS et al, 2003; SAKELLARIOU et al, 2004; ARNS et al, 2005; KNACKSTEDT et al, 2009). A técnica de micro-CT produz imagens de alta resolução em escala de micrômetros que, ao serem processadas, criam dados fidedignos digitais 3D. Através das imagens são calculadas as propriedades petrofísicas por técnicas numéricas. Outra técnica como a microscopia eletrônica de varredura permite analisar a rocha em escala nanométrica para descrever poros e grãos, porém as análises por microscopia eletrônica de varredura permitem apenas uma análise 2D. Os avanços tecnológicos recentes de micro-CT, tomografia por feixe de íons e a microscopia de varredura a laser possibilitam a análise direta da microestrutura 3D de materiais porosos em alta resolução. Particularmente, a análise micro-CT de raios-X tem se mostrado o método não destrutivo para imagens mais utilizado nos últimos anos (SPANNE et al, 1994; COLES et al, 1994; ARNS et al, 2005; SHEPPARD et al, 2006; YOUSSEF et al, 2007; LUQUOT e GOUZE, 2009; QAJAR et al, 2013, GHARBI, 2014, QAJAR e ARNS, 2017). Os novos avanços trazem dados precisos que permitem determinar as características de poros, volume, área, conectividade, simulações de fluxo (permeabilidade absoluta e relativa, upscaling de fluxo, curva de pressão capilar), parâmetros elétricos (fator de formação, índice de resistividade, expoente de cimentação) e parâmetros mecânicos (elasticidade, rigidez e condições in situ).
Apesar dos avanços recentes em imageamento 3D por micro-CT de estruturas porosas, ainda persiste a limitação da relação entre o tamanho da amostra e a resolução das imagens. Em geral, quanto maior a amostra, menor a resolução obtida e menor as propriedades capturadas (VOGEL et
al, 2010). O desafio torna-se obter a melhor resolução em um tamanho de amostra onde seja
et al, 2011). Quando lidamos com carbonatos, temos um sistema complexo de tamanhos de poros,
com correlações diversas de porosidade e permeabilidade. A divisão da distribuição de tamanho de poros em macro e microporos neste trabalho leva em consideração as imagens obtidas por microtomografia de raios-X. Neste caso, os macroporos são os poros chamados de resolvidos por imagens e os microporos foram definidos como os poros na sub-resolução da imagem (menores que uma unidade de volume ou voxel).
2.3.1. Estudos de fluxo reativo em meio poroso utilizando micro-CT
As técnicas para caracterização de reações em meio poroso têm sido cada vez mais estudadas através de microtomografia de raios-X por obterem um resultado mais preciso em mudanças no meio poroso por processos de advecção, difusão e adsorção (ARMSTRONG et al, 2011 e JUNG et al, 2012). NOIRIEL et al, (2005) e BERNARD (2005) examinaram as modificações estruturais de calcário pela injeção de água carbonatada. As rochas foram escaneadas antes e após os testes para efeito de comparação das mudanças nas estruturas da matriz. Foram utilizados quatro subvolumes de 2 mm cada para análise devido à presença de ruídos e dificuldade no registro das imagens escaneadas. Uma nova técnica foi desenvolvida para agrupar os subvolumes em um conjunto único com o objetivo de quantificar as evoluções do meio poroso. Os autores descrevem dificuldades em obter imagens de alta resolução que facilite o registro das imagens nos voxels inalterados e uma melhor técnica de segmentação para particionar a imagem entre poros e grãos.GOUZE et al, (2005) e NOIRIEL et al, (2007) utilizaram micro-CT para visualizar e quantificar as mudanças na morfologia da fratura devido a injeção água carbonatada em um tamanho de voxel de 4,91 μm. A abertura da fratura pelas imagens foi comparada diretamente com os dados de laboratório a partir da queda de pressão e do balanço de massa. A técnica de segmentação trifásica baseada em crescimento de regiões desenvolvida por PITAS (2000) foi utilizada para segmentar a imagem separando poros e grãos. Essa técnica inicialmente segmenta a imagem escolhendo os voxels que contem poros e a matriz. A segunda etapa consiste na adição de voxels (crescimento da região) semelhante aos vizinhos. Essa abordagem é mais precisa que a segmentação única, porém negligencia a presença de micro porosidade dentro da amostra dada pela sub-resolução das imagens.
NUR et al, (2011) estudaram a evolução da porosidade, permeabilidade e propriedades elásticas resultantes das reações por injeção de CO2 utilizando física digital de rochas. Os autores
apresentaram dados que mostram que as mudanças entre a permeabilidade e porosidade não estão de acordo devido a migração de finos, apesar de nenhuma evidência confirmar o fato.
QAJAR et al, (2013) forneceu uma metodologia experimental detalhada que permite a caracterização de alterações de porosidade local de dissolução na escala de poros usando ferramentas de imagem de alta resolução. Os autores injetaram uma solução de ácido etilenodiamino tetra-acético (EDTA) em uma amostra de 7 mm de diâmetro e 21 mm de comprimento. O trabalho assumiu que existem regiões onde a densidade das fases sólidas e de poros permanecem inalteradas durante o processo de dissolução, permitindo assim a comparação entre os regimes pré e pós-dissolução que ocorrem em condições diferentes, isto é, resoluções diferentes.
GHARBI (2014) investigou o fluxo multifásico e transporte reativo em carbonatos utilizando imagens de micro-CT. Na tentativa de obter um comportamento genérico de carbonatos, o autor utilizou imagens e modelagem em escala de poros para investigar o fluxo de duas fases. Os resultados mostram que poucos poros e gargantas de poros foram alterados após a dissolução. O fluxo ficou concentrado nas regiões do wormhole após as reações. O trabalho em questão é importante por destacar a física de escoamento multifásico em escala de poros e sua eficiência na análise de injeção de água e CO2 em carbonatos.
MACHADO et al, (2016) realizaram injeção de ácido nas coquinas extraídas de um reservatório do pré-sal brasileiro. Os resultados mostraram a formação de canais altamente permeáveis, embora os autores relatem dificuldades nas análises devido ao tamanho limitado de voxel. TELES et al, (2016) realizaram um experimento semelhante com injeção de ácido clorídrico através de amostras de coquinas, onde foi detectado um wormhole visual. Modelos 3D mostraram que regiões com baixa porosidade foram afetadas pelo wormhole devido a interação com o ácido clorídrico.
LUQUOT et al, (2016) utilizaram microtomografia de raios-X para comparar os parâmetros estruturais, geométricos e de transporte de uma amostra de rocha calcária com experimentos de injeção reativa em laboratório. A porosidade total e efetiva, a distribuição do tamanho dos poros,
a tortuosidade e o coeficiente de difusão efetivo foram estimados através de imagens. Os resultados mostram que as medidas obtidas por imagens estão de acordo com as medições clássicas de laboratório, inclusive demonstrando que a porosidade computacional é mais informativa do que a medição laboratorial. Porém, as distribuições de tamanho de poros obtidas por imagens são diferentes dos dados experimentais, porém complementares. O trabalho mostrou que o uso de micro-CT para determinar parâmetros de transporte, geométricos e petrofísicos fornecem resultados semelhantes aos medidos no laboratório.
CORBETT et al, (2017) investigaram a porosidade, a permeabilidade, a densidade de grãos de coquinas usando imagens de micro-CT. O objetivo foi identificar características do sistema de poros e criar um modelo 3D para representar a amostra. Os resultados mostram uma variação significativa no expoente de porosidade que, segundo o autor, se deve a uma gama de tecidos e topologia de poros presentes nas amostras descritas como calcirudites.
AL-KHULAIFI et al, (2017) estudaram a dissolução em um meio quimicamente heterogêneo composto por dois minerais. Foi realizado um experimento de transporte reativo utilizando salmoura saturada de CO2 em condições de reservatório e imagens de micro-CT foram escaneadas
em série juntamente com a coleta dos efluentes produzidos para avaliar a dissolução mineral. Os resultados mostraram que a dissolução mineral da análise de imagem foi comparável àquela medida da análise de efluentes e que a relação entre a taxa de reação efetiva da calcita e a da dolomita diminui com o tempo, indicando a influência de efeitos de transporte dinâmico originados pelas mudanças na estrutura do poro, juntamente com diferenças nas taxas de reação intrínseca. Foi constatada inicialmente uma dissolução uniforme do espaço de poros, enquanto um segundo estágio mostrou um regime de crescimento de canal principal. Os autores concluíram que os efeitos de memória espacial no meio poroso com uma característica de fluxo heterogêneo (dolomita) podem alterar os padrões de dissolução no meio poroso com uma característica de fluxo homogêneo (calcita).
MENKE et al, (2018) investigaram experimentalmente o impacto da heterogeneidade na dissolução de dois calcários, caracterizados por graus distintos de heterogeneidade de fluxo nas escalas de poro e núcleo. Ambos os experimentos foram realizados com injeção de salmoura carbonatada em condições de reservatório. Primeiro, amostras de 1 cm de diâmetro e 4 mm de comprimento foram escaneadas durante o fluxo reativo com tamanho de voxel de 4μm entre 10 e
71 vezes usando-se a tomografia de raios-X 4D (μ-CT) ao longo de 90 min. Em seguida, amostras de 3,8 cm de diâmetro e 8 cm de comprimento foram submetidas as mesmas condições de reservatório e foram visualizadas utilizando um scanner de tomografia computadorizada de raios X (XCT) de grau médico. Cada amostra foi escaneada aproximadamente 13 vezes ao longo de 90 min em uma resolução de 250 × 250 × 500μm. Esses núcleos maiores foram então digitalizados dentro de um μ-CT em um tamanho de voxel de 27μm para avaliar a alteração da heterogeneidade do espaço poroso após a reação. Ambos os tipos de rochas exibiram alargamento de canal na escala de milímetros e dissolução progressiva da via de alta porosidade na escala centímetros. Nas rochas mais heterogêneas, a dissolução foi mais focada e progrediu ao longo da direção do fluxo. Além disso, as vias de dissolução continham uma microestrutura distinta capturada com micro-CT que não era visível na resolução da XCT, onde o fluido reativo não havia dissolvido completamente a estrutura interna dos poros.
O estudo de dependência de escala usando tomografia 4D in situ fornece informações sobre os mecanismos que controlam as taxas de reação locais nas escalas em milímetro e em centímetro. Além disso, este trabalho sugere que sob essas condições em escalas maiores é provável que seja a heterogeneidade estrutural que domina o padrão de dissolução e, portanto, a evolução das vias de alta permeabilidade.