Pore-scale CFD modeling of tight rocks

The present work focuses on the characterization of low permeability rocks at the micro-scale by means of digital rock technology for industrial applications. Digital micro-models of rocks with permeabilities in the range 0.1-100 md are reconstructed from X-ray microtomography with a resolution of 2-4 microns and analyzed following a direct modeling approach. Rock properties such as porosity and absolute permeability are predicted and compared to experimental values from routine core analysis. A highly automatic workflow is proposed to build the digital model, overcoming the current limits of digital rock analysis and responding to the need for a reliable, consistent and computationally efficient methodology in which the operator bias is minimized. A novel image-based meshing strategy is implemented in the open-source platform OpenFOAM to create the computational grid directly on the 3D image stack, with the possibility of classifying the porous domain into macroporosity, intergranular porosity and micropores. Permeability CFD models for the treatment of unresolved porosity at the micro-scale are developed, considering the lack or the availability of higher resolution data from scanning electron microscopy. In the former case, a simplified model is applied and describes micropermeability as a linear function of the gray level of the microtomographs; in the latter, SEM images are processed and coupled to micro-CT data, to compute micropermeability from the geometrical properties of submicrometric features. With the proposed SEM/micro-CT integrated workflow, it is possible to achieve a full geometrical characterization of microporosity for different rock petrotypes at the submicro-scale, creating a database for properties upscaling to the micro-scale.

Il presente lavoro di ricerca nel settore Oil & Gas ha come oggetto la caratterizzazione petrofisica di rocce di giacimento per mezzo della Digital Rock Physics (DRP), una tecnologia emergente che permette lo studio delle rocce alla micro-scala, combinando tecniche di acquisizione di immagini tridimensionali e metodi di modellazione numerica. L'obiettivo di questo studio è l'estensione dei limiti di applicabilità della DRP a rocce a bassa permeabilità, per migliorarne le capacità predittive in termini di porosità e permeabilità assoluta. I campioni di roccia considerati coprono un intervallo di permeabilità tra 0.1 md e 100 md. Ciascun campione è stato analizzato, generando un modello digitale alla scala del poro, a partire da un'immagine tridimensionale acquisita con microtomografia computerizzata a raggi X (risoluzioni di 2-4 micron). Il modello, rappresentativo della microstruttura reale della roccia, ha permesso la creazione di una griglia computazionale per lo studio di flussi monofase, attraverso simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD). La metodologia proposta per l'analisi DRP delle rocce è mirata a esigenze industriali, quali l'essere altamente automatizzata ed efficiente da un punto di vista computazionale. La generazione della griglia computazionale avviene attraverso un approccio innovativo, che sfrutta direttamente l'immagine tridimensionale e che è stato implementato nel software open-source OpenFOAM. Diverse tecniche di elaborazione digitale delle immagini sono state combinate, ottenendo una classificazione dello spazio dei pori che comprende macropori, porosità inter-grano e micropori. A causa dei limiti di risoluzione del microtomografo, che rendono impossibile la ricostruzione dei pori con dimensioni inferiori al micron, nel presente lavoro vengono proposti due metodi per la modellazione della microporosità in ambito CFD. Il primo modello assume che nelle regioni microporose ci sia un incremento della resistività, che dipende linearmente dal livello di grigio delle immagini del microtomografo. Il secondo modello prevede l'integrazione di informazioni dettagliate alla scala sub-micrometrica mediante l'analisi di immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM). A questo scopo, viene proposta una metodologia di elaborazione delle immagini SEM, che permette sia di ottenere una corrispondenza diretta tra le due scale di interesse, sia di quantificare le proprietà geometriche delle strutture non risolte dalla microtomografia. La caratterizzazione geometrica, che comprende i valori di porosità e superficie specifica, è stata raggiunta per diversi tipi di roccia, derivandone il corrispondente modello di micropermeabilità da applicare alla micro-scala.