عنوان پایان‌نامه
تعیین مقدار تخلخل پلاگ های یکی از مخازن جنوب ایران با استفاده از تصویربرداری پزشکی، رویکردی مبتنی بر الگوریتم های یادگیری ماشین
- رشته تحصیلی
- مهندسی اکتشاف نفت
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 2980;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 69201
- تاریخ دفاع
- ۲۵ مرداد ۱۳۹۴
- دانشجو
- حسین ایزدی
- استاد راهنما
- حمید سلطانیان زاده, حسین معماریان
- چکیده
- مقدار تخلخل سنگ، که یکی از ویژگی های اساسی مخازن نفتی است، از نسبت حجم فضای خالی به حجم کل سنگ قابل محاسبه است. مقدار و همچنین هندسه فضای متخلخل نقش مهمی در مدیریت، بهره-برداری، بررسی خصوصیات و ارزیابی مخازن نفتی ایفا می¬کند. به‌منظور تعیین مقدار تخلخل، روش¬های متعددی از قبیل تزریق جیوه و فشرده¬سازی یا انبساط گاز وجود دارد که امروزه در صنعت نیز مورد استفاده قرار می¬گیرند. اما، این روش¬ها مستلزم صرف هزینه و وقت زیاد می¬باشند، و همچنین اطلاعاتی راجع به هندسه و ساختار سه¬بعدی فضای متخلخل و مقدار تخلخل کل ارائه نمی¬دهند. توموگرافی پرتوایکس پزشکی یک روش¬ جدید، غیرمخرب، سریع و ارزان قیمت به‌منظور تهیه ساختار سه¬بعدی از درون اجسامی¬باشد. امروزه از توموگرافی پرتوایکس در تصویربرداری از پلاگهای نفتی و بررسی ویژگیهای پتروفیزیکی، ژئومکانیکی و سیالاتی استفادههای بسیاری میشود که تحت عنوان فیزیکسنگ رقومی شناخته میشود. پس از تهیه توموگرافی پرتوایکس از مغزه ها، با الگوریتمهای مختلف جداسازی و روشهای پردازش تصاویر رقومی، آن تصاویر را به دو فاز زمینه (ماتریکس سنگ) و فضای متخلخل تقسیم می کنند. سپس، با استفاده از این تصاویر تقسیم شده، نه تنها می توان مقدار تخلخل های کل و پتانسیل را محاسبه کرد، بلکه می توان ساختار سه بعدی فضای متخلخل را نیز شبیه سازی نمود. یکی از روش های جدیدی که اخیراً در مبنای فیزیکی و ریاضی خود پیشرفت شگرفی در علم مواد و مهندسی نفت داشته است، بازسازی نمونههای سه بعدی (Representative Volume Element_ RVE) بر اساس یک یا دو تصویر دوبعدی (میکروساختار) است. این روش ها برمبنای استخراج توابع آماری درون تصاویر است. برمبنای این توابع، می توان با استفاده از یک تصویر دوبعدی، ساختار سه بعدی آن نمونه را بازسازی کرد. در این پایان نامه، در بخش اول، با استفاده از تصاویر توموگرافی پرتو ایکس پزشکی از تعداد 20 پلاگ تهیه شده از یکی از مخازن هیدروکربوری جنوب ایران، مقادیر تخلخل کل و پتانسیل برای هر پلاگ محاسبه شده است. نوآوری نخست این پایان نامه، توسعه سامانه ی هوشمندی مبتنی بر روش های بینایی ماشین است که ناحیه ی مورد نظر را از درون تصاویر خام حاصله از توموگرافی پرتوایکس استخراج می کند. ناحیه مورد نظر، به ناحیه ای از تصویر خام اطلاق می شود که اطلاعات پلاگ در آن وجود دارد. بزرگ نمایی تصاویر سی-تی اسکن تهیه شده برابر با 200 میکرومتر بوده؛ درحالی که، اندازه اکثر خلل و فرج پلاگ های استفاده شده در این پایان نامه، بین70 الی 250 میکرومتر می باشد. این موضوع، نکته ای تعیین کننده به منظور مناسب بودن بزرگنمایی استفاده شده در تصاویر سی تی اسکن است نوآوری دوم این پایان نامه، سعی در استخراج یک روند بین مقادیر تخلخل پتانسیل گزارش شده در آزمایشگاه و مقادیر پیکسل های تصاویرسی تی اسکن تهیه شده از پلاگ ها است. در صورتی که در تاریخچه، تمامی الگوریتم ها برمبنای کار بر روی تصاویر به صورت جداگانه و اعمال الگوریتم های متداول جداسازی بخش ماتریکس از بخش فضای متخلخل بر روی آنها است. در بخش دوم این پایان نامه با استفاده از یک و دو میکروساختار ماسه سنگ بریا (Berea) با بزرگ نمایی 345/5 میکرومتر و ابعاد 400×400 تهیه شده در کالج سلطنتی لندن، فضای سه بعدی این ماسه سنگ به-منظور تعیین مقدار تخلخل و استخراج روند تخلخل در قطاع های (اسلایس ها) مختلف بازسازی شد. نوآوری سوم این پایان نامه، استفاده از یک میکروساختار بزرگتر (اندازه 400×400) به منظور بازسازی ماسه سنگ بریا نسبت به مطالعات انجام شده در تاریخچه (اندازه 120×120) است. زیرا با بزرگ شدن نمونه ی مورد مطالعه، امکان عدم همگرایی تابع آماری هم بستگی دونقطه ای (Two point correlation function) در نمونه های زمین شناسی افزایش می یابد. نوآوری چهارم این پایان نامه، بازسازی ماسه سنگ بریا با استفاده از دو میکروساختار است که باعث می شود ناهمگنی ذاتی موجود در تصاویر دوبعدی در نمونه ی سه بعدی نیز وجود داشته باشد؛ درصورتی که، تمامی روش های موجود در تاریخچه تنها با استفاده از یک تصویر دوبعدی عملیات بازسازی را انجام داده اند. همچنین ضریب پیچاپیچی در جهات X، Y و Z به عنوان یکی از معیارهای اعتبارسنجی نمونه های بازسازی شده در مقایسه با نمونه های اصلی محاسبه شده است. لازم به ذکر است که ضریب پیچاپیچی یک خاصیت سه بعدی است که با استفاده از میکروساختار دوبعدی شبیه سازی و محاسبه شده است، که این موضوع نیز پنجمین نوآوری های این پایان نامه است. نتایج آزمایشگاهی این پایان نامه در تعیین تخلخل پتانسیل پلاگ های مخازن نفتی جنوب ایران دارای ضریب همبستگی میانگین 60/95% بوده و نشان دهنده موفقیت آمیز بودن رویکرد این پایان نامه در تعیین تخلخل این پلاگ ها بوده است. همچنین، نتایج بازسازی سه بعدی نیز از نظر توزیع تخلخل در سه جهت X، Y و Z و ضریب پیچاپیچی نیز در سه جهت X، Y و Z با نمونه ی واقعی دارای مطابقت بالایی می باشد؛ به-طوری که، توزیع تخلخل نمونه های بازسازی شده در مقایسه با نمونه ی اصلی در اسلایس های متوالی تقریباً دارای روند یکسانی بوده، و همچنین مقدار خطای نسبی ضریب پیچاپیچی نمونه های بازسازی شده در جهت Z 83/19%، در جهت Y 45/7% و در جهت X 13/12% می باشد. نتایج این پایان نامه در مواردی که دسترسی به آزمایشگاه های مغزه مقدور نباشد و یا محدودیت زمانی وجود داشته باشد، می تواند در تعیین تخلخل پتانسیل و کل و تهیه ساختار سه بعدی فضای متخلخل پلاگ ها مفید واقع شود. همچنین درمواقعی که پلاگ دارای شکستگی باشد و یا شکسته باشد، و تعیین تخلخل در آزمایشگاه مغزه مقدور نباشد، می توان از روش پیشنهادی این پایان نامه به منظور تعیین تخلخل های پتانسیل و کل و شبیه سازی ساختار سه بعدی فضای متخلخل استفاده نمود. در بازسازی نمونه ی سه بعدی ماسه سنگ بریا، از آن جا که تهیه یک تصویر سه بعدی با بزرگ نمایی 345/5 میکرومتر از این ماسه سنگ هزینه ای بالغ بر 20 هزار دلار داشته و مستلزم سه الی چهار هفته وقت می باشد، استفاده از روش ارائه شده در این پایان نامه به منظور بازسازی تصویر سه بعدی با استفاده از تنها یک یا دو تصویر دوبعدی از کارایی بسیاری برخوردار است. همچنین استفاده از روش این پایان نامه در بازسازی سه بعدی، بیانگر نوعی برون یابی خواص مرتبط با بالک سنگ است که بسیار پراهمیت می باشد. کلید واژهها: فیزیک سنگ رقومی، توموگرافی پرتوایکس، تخلخل، بازسازی سه بعدی، آنالیز تصاویر رقومی.
- Abstract
- Abstract Porosity is one of the main parameters of hydrocarbon reservoirs, and it is defined as a fraction of the volume of voids over the total volume. The value of porosity and also the geometry of the porous media play important role in reservoir management, production, evaluation and characterization. There are several conventional methods for determining the effective porosity value such as mercury injection and gas expansion. However, these methods are expensive and time consuming, and do not also produce any results about the value of total porosity and the geometry of the porous media. X-ray computed tomography is a new, non-destructive, fast and low cost method for producing a three dimensional visualization of objects and their internal structures. Digital rock physics (DRP) is a branch of geosciences which studies rocks in the area of petrophysics, geomechanics and fluid flow based on the images obtained from internal structures of rocks, like tomography images. Dividing the captured tomography images into two phases, as solid matrix and pore space, is the first step for studying them. Afterwards, the values of total and effective porosity can be calculated and also a three dimensional visualization of the porous media can be produced. Three dimensional reconstruction of the representative volume elements (RVE) is a new approach in material science which has been highly progressed in the last decade based on its mathematical and physical concepts. It is also successfully used in petroleum engineering. Three dimensional reconstruction is based on statistics feature extraction, such as two point correlation function (TPCF), from the microstructures. Microstructures are two dimensional images captured from the internal structures of the RVE under study. In this thesis, in the first part, the total and effective values of porosity are determined for 20 plugs using medical X-ray computed tomography images. The plugs obtained from a carbonate hydrocarbon reservoirs located in South of Iran. The novelty of this thesis is in five folds. The first one is developing an intelligent algorithm for extracting the area of interest in tomography images. The area of interest in tomography images relates to those location where contain the plugs. The resolution of the captured tomography images is 200µm, and determining the effective and total porosity in this resolution is the second novelty of this thesis. This is because all previous studies through the literature used images with the resolution of 4 to 20 µm for reservoir samples. In the second part of this thesis, Berea sandstone is reconstructed based on two point correlation function and using one and two microstructures. A three dimensional image of Berea sandstone with the size of 400×400×400 and the resolution of 5.345µm obtained from Imperial College London is used in this thesis for reconstruction validation. The third novelty in this thesis is using such microstructures with the size of 400×400 for reconstruction. Note that in previous studies for Berea sandstone reconstruction, such microstructures with the size of 120×120 were used. Based on geological limitations, as the size of the microstructures is extended, the probability for failing the reconstruction process takes more chances. This is because by extending the size of microstructure, some large voids may be entered through the microstructure. Despite all previous studies which used only one microstructure, the proposed method in this thesis used one and two microstructures for reconstruction. Using two microstructures for reconstruction maps the natural heterogeneity existed into the microstructures to the reconstructed RVE. Tortuosity coefficient is calculated for all reconstructed RVEs and the original RVE in X, Y and Z directions, and used for reconstruction validation. The convergence of TPCF curve is another point for reconstruction validation. The fifth novelty of this thesis is calculating tortuosity coefficient as a three dimensional feature based on a single and double two dimensional microstructure. Experimental results indicate that based on the proposed method in this thesis for porosity determination of plugs using medical X-ray tomography images, the overall accuracy of 93.36% is obtained. The reconstructed RVEs also conducted a highly conformity with the original RVE in porosity distribution through the slices in X, Y and Z directions and tortuosity coefficient in three different directions as X, Y and Z. The results of this thesis can be applied for porosity determination in such situations as core laboratories are not available, a real time results is required, and big fractures are exist through the plug. Three dimensional imaging from a Berea sandstone sample with the resolution of 5.345µm takes a cost between 10 to 20 thousand dollars and a time between three to four weeks. The proposed method in this thesis which reconstructed three dimensional RVEs using only one or two microstructures, makes a great help for reducing the cost and time for producing a three dimensional RVE. This is because the cost and the time for producing one or two images have very lower cost than producing 400 images. Besides, the proposed method in this thesis which reconstructed three dimensional RVEs based on two dimensional microstructures, introducing a concept of up scaling which have critical important in reservoir modeling and simulation for future studies. Keywords: Digital rock physics, X-ray computed tomography, porosity, three dimensional reconstruction, digital image processing.
