Microtomografia Computadorizada de Raios X

A microtomografia computadorizada de raios X (micro-CT, MCT ou µCT), também denominada de tomografia computadorizada de alta resolução, pode ser definida como uma técnica não destrutiva que permite a obtenção e análise de centenas de seções ou imagens microtomográficas e possibilita a posterior reconstrução e visualização tridimensional das regiões internas das amostras analisadas, além de quantificações automatizadas de área e/ou volume (NETO et al., 2011).

De forma resumida, os pontos mais importantes para se compreender o equipamento e a técnica de microtomografia computadorizada são apresentadas a seguir, conforme informações disponíveis no trabalho de NETO et al. (2011):

i) Os componentes básicos de um tomógrafo são: fonte de raios X, detector e um sistema de rotação (MEES et al., 2003);

ii) Os raios X são produzidos artificialmente pela fonte através da aceleração de elétrons contra um material metálico de alto número atômico, resultando em uma radiação eletromagnética caracterizada por alta frequência, pequeno comprimento de onda e alto poder de penetração;

iii) A menor quantidade de qualquer tipo de radiação eletromagnética é designada fóton, sendo o conjunto de fótons que foram gerados com o bombardeamento de elétrons de alta energia cinética definido como feixe de raios X;

iv) A atenuação está vinculada à redução de intensidade de um feixe, conforme ele atravessa a matéria, podendo ocorrer absorção da radiação pelo meio, ou dispersão do feixe;

v) Quando um feixe de raios X incide em um determinado objeto de espessura x, parte dessa radiação é absorvida e parte é espalhada e uma fração passa sem interagir com este objeto, segundo a equação

𝐼𝐼 =𝐼𝐼₀𝑒𝑒^{−𝜇𝜇𝑥𝑥} (2.8)

onde I é a intensidade do feixe de raios X que atravessa o objeto, I0 é a intensidade que não é atenuada por este mesmo objeto e µ é o coeficiente de atenuação linear que é específico de cada fase constituinte do objeto analisado (SERVIDONI, 2012);

vi) Quando os raios X passam por um objeto, eles são atenuados em intensidades distintas, dependendo das diferenças entre os coeficientes de atenuação linear das fases contidas, sendo a densidade e o número atômico efetivo dos objetos os principais fatores que determinam o grau de absorção dos raios X;

vii) A construção da imagem na tomografia computadorizada consiste, basicamente, na análise da atenuação sofrida por um feixe de radiação, o qual atravessa um determinado objeto (LOPES et al., 1997);

viii) A maior limitação das técnicas de tomografia de raios X (incluindo a microtomografia computadorizada) é a resolução atingida (CNUDDE et al., 2006);

ix) A resolução está relacionada com tamanho da amostra e com a distância entre esta, a fonte de raios X e o detector (AIRD, 1988);

x) Outros pontos importantes relatados por NETO et al. (2011) que afetam a qualidade das imagens obtidas são: geometria do feixe de raios X, rotação do feixe em torno da amostra analisada, a escolha da tensão (em quilovolts – kV) e corrente (em microamperes – μA) adequadas (que por sua vez dependem principalmente do tamanho e da densidade da amostra), o grau de dispersão dos raios X (dependente da relação entre o tubo e o detector de raios X);

xi) A semelhança nos coeficientes de atenuação dos materiais pode dificultar a diferenciação entre determinadas partes da amostra, gerando ruído que afeta a capacidade de um tomógrafo de representar exatamente o material analisado;

xii) Para uma melhor aquisição de dados e redução de possíveis ruídos ou erros associados à técnica, diversas ações podem ser tomadas, com destaque para as seguintes: verificar o alinhamento entre o tubo emissor de feixes e o detector de raios X, considerar a utilização de filtros a fim de reduzir a incidência no detector da radiação de baixa energia, que não contribui com a formação de imagens, utilizar aparatos que reduzam a dispersão dos feixes de raios X e realizar um bom pós-processamento dos dados obtidos, utilizando-se programas e rotinas computacionais adequados.

CNUDDE & BOONE (2013) descreveram a técnica da microtomografia, os principais dispositivos associados ao microtomógrafo além de explicarem em detalhes as vantagens e desvantagens da técnica. Uma das grandes vantagens da utilização da microtomografia de raios X deve-se à natureza não destrutiva desta técnica, permitindo não só a análise do interior de amostras únicas ou valiosas, sem a necessidade de destruí-las durante o processo, como também possibilitando o monitoramento da microestrutura de meios porosos durante condições alteráveis. Já uma de suas

desvantagens deve-se ao tamanho do voxel que pode ser obtido em função do tamanho da amostra analisada.

Figura 2-13 – Diagrama esquemático dos princiais componentes dos equipamentos microtomográficos.

(Fonte: Modificado de CNUDDE & BOONE, 2013)

De maneira geral, quanto menor a dimensão do voxel maior a resolução de uma imagem. O voxel (ou pixel volumétrico – volume pixel) pode ser definido como o equivalente 3D de um pixel (sendo este a menor unidade de uma imagem digital ou gráfico que pode ser representada em um equipamento digital) no espaço tridimensional. Assim, por um lado, quanto menor a dimensão do voxel maior a resolução de uma imagem 3D reconstruída a partir dos dados obtidos na microtomografia, e por outro, quanto maior a amostra maior o voxel necessário para representá-la. Desta forma, invariavelmente torna-se necessária a utilização de plugs provenientes de uma amostra com maior dimensão, de tal modo a aumentar a resolução pretendida. Estes plugs ou subamostras, no entanto, podem não representar as propriedades da amostra original, particularmente quando a heterogeneidade é uma característica importante da amostra analisada (CNUDDE & BOONE, 2013). Vale lembrar, entretanto, que o termo resolução é constantemente utilizado para denotar o tamanho do voxel, ou também para representar o número de pixels e voxels em uma imagem, mas que sua definição está atrelada à Função de Transferência de Modulação (MTF) que é associada à medida do poder de resolução de um sistema de imagem (CNUDDE & BOONE, 2013).

Os estudos envolvendo a tomografia de raios X aplicada a geociências e engenharia vêm sendo desenvolvidos por várias décadas, abrangendo desde trabalhos

focados no processo de aquisição de dados, como o estudo de WITHJACK (1988) focado na rotação da fonte de raios x durante a obtenção dos dados, passando pela investigação detalhada da influência da resolução e do ruído nos dados provenientes do microtomógrafo (HOUSTON et al., 2013) até recentes pesquisas voltadas para o imageamento dinâmico de amostras através de microtomografia com movimentação helicoidal da fonte (SHEPPARD et al., 2014).

Quanto à utilização da microtomografia para análise de meios porosos, diversos estudos envolvendo a caracterização das propriedades petrofísicas destes foram realizados (DUNSMUIR et al., 1991; WILDENSCHILD et al., 2002; COENEN et al., 2004; ARNS et al., 2005; TOUATI et al., 2009; NETO et al., 2011) utilizando os mais variados tipos de rochas (YOUSSEF et al., 2007; FERNANDES et al., 2009;

KACZMARCZYK et al., 2010) são encontrados na literatura, envolvendo pesquisas que contemplam desde a influência da resolução para a previsão de dados petrofísicos utilizando-se a técnica da microtomografia computadorizada (AL-ANSI, 2013) até a caracterização dos parâmetros petrofísicos de amostras (testemunhos) de reservatórios não-convencionais (KNACKSTEDT et al., 2012) inclusive em diferentes escalas amostrais (ALBERTS et al., 2013). É importante destacar que muitos simuladores numéricos, em escala de poros, utilizados para a previsão de diversos parâmetros intrínsecos das rochas, como a permeabilidade, por exemplo, necessitam de descrição quantitativa precisa acerca das microestruturas presentes em uma amostra (ARNS et al., 2002). Com a utilização da técnica de microtomografia computadorizada, é possível a identificação de microestruturas não só na ordem de micrômetros, como também de nanômetros (IZZO JR. et al.,2008), dependendo-se da resolução pretendida, do tamanho das amostras e, claro, do equipamento tomográfico utilizado para aquisição dos dados.

Muitos trabalhos abordaram a utilização da técnica de microtomografia para o estudo de carbonatos e suas respectivas propriedades petrofísicas, com destaque para KACZMARCZYK et al. (2010) e KACZMARCZYK et al. (2011), que abordaram a comparação dos valores de porosidade e permeabilidade obtidos através de dados provenientes de micro-CT e de dados experimentais, YOUSSEF et al. (2007), que caracterizaram algumas rochas carbonáticas provenientes de reservatórios de hidrocarbonetos, também comparando e validando os modelos porosos 3D criados a partir de dados de micro-CT e análises experimentais de porosidade e permeabilidade.

Figura 2-14 – Valores de porosidade total média e efetiva obtidos através dos dados oriundos da técnica de tomografia e microtomografia computadorizada (micro-CT) para

cada um dos três estágios morfológicos distintos (topo – C1, intermediário – C2a e C2b e base – C3a e C3b) de uma amostra de estromatólito da Lagoa Salgada.

(Fonte: Adaptado de SERVIDONI, 2012)

Com relação aos estromatólitos, SERVIDONI (2012) fez um estudo detalhado das microestruturas internas de amostras de estromatólitos retiradas da Lagoa Salgada, obtendo a faixa de valores dos tamanhos dos poros (em micrômetros), a porosidade total média e a porosidade efetiva de cada seção morfológica, com auxílio de um tomógrafo e de um microtomógrafo. Entretanto, nenhum estudo foi encontrado na literatura contemplando o estudo da previsão de outras propriedades petrofísicas dos estromatólitos através da aquisição de dados por meio de um micro-CT.