Russian Journal of Earth Sciences Russian Journal of Earth Sciences Russian Journal of Earth Sciences 1681-1208 83694 10.2205/2024es000928 ortblj ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ ORIGINAL ARTICLES ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ Application of Digital Core Analysis Technology to Study Filtration-Capacity Properties and Structure of Highly Permeable Rocks of Underground Gas Storage Facilities Применение технологии цифрового анализа керна для изучения фильтрационно-емкостных свойств и структуры высокопроницаемых пород подземных хранилищ газа https://orcid.org/0000-0003-2116-6483 Химуля Валерий Владимирович Khimulia Valerii Vladimirovich valery.khim@gmail.com

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН Москва Россия Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences Moscow Russian Federation 30 12 2024 30 12 2024 24 5 1 15 03 06 2024 31 07 2024 https://rjes.ru/en/nauka/article/83694/view

В работе представлены результаты исследований порового пространства высокопористых пород-коллекторов подземного хранилища газа (ПХГ) с помощью методов цифрового анализа снимков компьютерной микротомографии. Применена разработанная методика комплексного неразрушающего анализа структурных и фильтрационно-емкостных свойств, а также численного моделирования гидродинамических процессов средствами ПО GeoDict. Выполнена оценка структурных неоднородностей и трещиноватости пород. Созданы 3D-модели внутреннего пространства образцов на базе разномасштабных снимков. Рассчитаны значения открытой и закрытой пористостей, геодезической извилистости, проведен анализ характеристик путей перколяции в исследуемых породах для различных направлений интрузии. Сделаны выводы об однородности распределения путей перколяции по объему породы. Исследовано пространственное распределение пористости в породах, проведен порометрический анализ породы. Проведено численное моделирование процессов фильтрации на полученных структурах в рамках приближения Стокса для трех выделенных направлений в породе. Показано отсутствие выраженной зависимости изменения фильтрационных свойств в выделенных направлениях от количественных характеристик порового пространства. Сделан вывод о степени анизотропии фильтрационно-емкостных свойств пород. Показано хорошее соответствие измеренных в ходе цифрового анализа характеристик с натурными данными и экспериментально полученными лабораторными значениями. Описанная методика позволяет упростить получение данных о характеристиках крупнозернистых пород-коллекторов, и призвана расширить подходы к неразрушающему анализу кернового материала. Совместное применение предложенной методики цифрового анализа низкопрочных коллекторов и лабораторных геомеханических испытаний керна является одним из этапов в развитии комплексного подхода к определению параметров безопасной эксплуатации газовых скважин и снижению рисков пескопроявлений на месторождениях со слабоцементированными коллекторами.

The paper presents the results of pore space studies of highly porous reservoir rocks of underground gas storage (UGS) facilities using the digital analysis of computed microtomography images. The methodology of complex nondestructive analysis of structural and filtration-capacitance properties has been developed. Structural heterogeneities and rock fracturing were evaluated. 3D-models of specimen inner space were created on the basis of multi-scale images. The values of open and closed porosity, geodesic tortuosity were calculated, the characteristics of percolation paths in the studied rocks were analyzed for different directions of intrusion. Conclusions were made about the homogeneity of percolation path distribution over the rock volume. The spatial distribution of porosity in the rocks was studied, and porometry analysis of the rocks was carried out. Numerical modeling of filtration processes on the obtained structures in the framework of Stokes approximation for three selected directions in the rock by means of GeoDict software was carried out. It is shown that there is no pronounced dependence of changes in filtration properties in the selected directions on the quantitative characteristics of the pore space. The conclusion is made about the degree of anisotropy of filtration-capacitance properties of rocks. The good correspondence of the characteristics measured in the course of digital analysis with in-situ data and experimentally obtained laboratory values is shown. The described technique allows to simplify data acquisition on the characteristics of fine-grained reservoir rocks, and is designed to extend the approaches to nondestructive analysis of core material. Combined application of the proposed methodology of digital analysis of low-strength reservoirs and laboratory geomechanical core testing is one of the stages in the development of a comprehensive approach to determining the parameters of safe operation of gas wells and reducing the risks of sanding in fields with weakly cemented reservoirs.

 пористость коллекторов фильтрационно-емкостные свойства компьютерная томография горных пород цифровой анализ керна численное моделирование потока фильтрации анизотропия проницаемости reservoir porosity filtration-capacitance properties CT scanning of rocks digital core analysis numerical modeling of filtration flow permeability anisotropy. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-77-01037, https://rscf.ru/project/23-77-01037/. Автор выражает признательность заместителю директора по научной работе Института проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН (ИПМех РАН) В. И. Кареву и заведующему лабораторией геомеханики ИПМех РАН Ю. Ф. Коваленко за предоставленную возможность использования экспериментального оборудования и вычислительных ресурсов, а также ценные замечания и содействие. The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 23-77-01037, https://rscf.ru/project/23-77-01037/. The author expresses gratitude to the Deputy Director for Research of the A. Yu. Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences (IPMech RAS) V. I. Karev and the Head of the Geomechanics Laboratory of IPM RAS Yu. F. Kovalenko for the opportunity to use experimental equipment and computing resources, as well as valuable comments and assistance.

Алиев З. С. и Котлярова Е. М. Приближенный метод создания и эксплуатации ПХГ в неоднородных по толщине пластах с использованием горизонтальных скважин // Экологическая ответственность нефтегазовых предприятий. — Амирит, 2017. — EDN: ZBVNGD. Aliyev Z. S. and Kotlyarova E. M. Approximate method of creation and operation of UGS in layers of heterogeneous thickness using horizontal wells // Environmental responsibility of oil and gas enterprises. — Amirit, 2017. — EDN: ZBVNGD. Гарайшин А. С. и Кантюков Р. Р. Выбор пласта-аккумулятора для захоронения промышленных стоков Арбузовского ПХГ // Георесурсы. — 2017. — Т. 1, № 19. — С. 82—89. — DOI: 10.18599/grs.19.1.13. — EDN: YRWLOV. Garayshin A. S. and Kantyukov R. R. Selecting Formation-Accumulator for Industrial Waste Disposal of Arbuzovsky Underground Gas Storage Facility // Georesursy. — 2017. — Vol. 1, no. 19. — P. 82–86. — DOI: 10.18599/grs.19.1.13. — EDN: YRWLOV. Гришин Д. В. Комплексная технология повышения производительности скважин подземных хранилищ газа в условиях разрушения пласта-коллектора : дис. . . . канд. / Гришин Д. В. — 2019. — EDN: GYWDSR. Grishin D. V. Complex technology for increasing the productivity of underground gas storage wells in conditions of reservoir destruction : PhD thesis / Grishin D. V. — 2019. — EDN: GYWDSR. Карев В. И., Коваленко Ю. Ф., Химуля В. В. и др. Физическое моделирование метода направленной разгрузки пласта // Газовая промышленность. — 2021. — № 7. — С. 66—73. — EDN: QJFUXF. Karev V. I., Kovalenko Yu. F., Khimulya V. V., et al. Physical modeling of directional unloading method // Gazovaya promyshlennost’. — 2021. — No. 7. — P. 66–73. — EDN: QJFUXF. Кривощеков С. Н. и Кочнев А. А. Определение емкостных свойств пород-коллекторов с применением рентгеновской томографии керна // Master’s journal. — 2014. — Т. 1. — С. 120—128. — EDN: SKFCHR. Krivoshchekov S. N. and Kochnev A. A. Determination of reservoir properties of reservoir rocks using X-ray imaging core // Master’s journal. — 2014. — Vol. 1. — P. 120–128. — EDN: SKFCHR. Максимов В. М., Дмитриев Н. М. и Антоневич Ю. С. Эффекты тензорного характера относительных фазовых проницаемостей при взаимном вытеснении газа водой в анизотропных пластах // Георесурсы, геоэнергетика, геополитика. — 2010. — 1(1). — С. 25—34. — EDN: SIYMFR. Maksimov V. M., Dmitriev N. M. and Antonevich Yu. S. Tensor character effects of the relative phase permeabilities during mutial gas diplasement by water through anisotropic porous media // Georesources, geoenergetics, geopolitics. — 2010. — 1(1). — P. 25–34. — EDN: SIYMFR. Химуля В. В. и Барков С. О. Анализ изменения внутренней структуры низкопроницаемых пород-коллекторов средствами компьютерной томографии при реализации метода направленной разгрузки пласта // Актуальные проблемы нефти и газа. — 2022. — № 39. — С. 27—42. — DOI: 10.29222/ipng.2078-5712.2022-39.art3. Khimulia V. V. and Barkov S. O. Analysis of changes in the internal structure of low-permeability reservoir rocks by means of computed tomography after implementation of the directional unloading method // Actual Problems of Oil and Gas. — 2022. — No. 39. — P. 27–42. — DOI: 10.29222/ipng.2078-5712.2022-39.art3. Химуля В. В., Барков С. О. и Шевцов Н. И. Цифровое исследование характеристик порового пространства и структурных свойств коллектора газоконденсатного месторождения на основе микротомографии // Процессы в геосредах. — 2024. — № 1. — С. 2332—2340. — EDN: CSQXZO. Khimulia V. V., Barkov S. O. and Shevtsov N. I. Digital study of pore space and structural properties of a gas condensate field reservoir based on computed tomography IMA // Processes in geoenvironments. — 2024a. — No. 1. — P. 2332– 2340. — EDN: CSQXZO. Backeberg N. R., Iacoviello F., Rittner M., et al. Quantifying the anisotropy and tortuosity of permeable pathways in clay-rich mudstones using models based on X-ray tomography // Scientific Reports. — 2017. — Vol. 7, no. 1. — DOI: 10.1038/s41598-017-14810-1. Backeberg N. R., Iacoviello F., Rittner M., et al. Quantifying the anisotropy and tortuosity of permeable pathways in clay-rich mudstones using models based on X-ray tomography // Scientific Reports. — 2017. — Vol. 7, no. 1. — DOI: 10.1038/s41598-017-14810-1. Bali A. and Singh Sh. N. A Review on the Strategies and Techniques of Image Segmentation // 2015 Fifth International Conference on Advanced Computing & Communication Technologies. — IEEE, 2015. — P. 113–120. — DOI: 10.1109/ACCT.2015.63. Bali A. and Singh Sh. N. A Review on the Strategies and Techniques of Image Segmentation // 2015 Fifth International Conference on Advanced Computing & Communication Technologies. — IEEE, 2015. — P. 113–120. — DOI: 10.1109/ACCT.2015.63. Chen M., Bai M. and Roegiers J.-C. Permeability tensors of anisotropic fracture networks // Mathematical Geology. — 1999. — Vol. 31, no. 4. — P. 335–373. — DOI: 10.1023/A:1007534523363. Chen M., Bai M. and Roegiers J.-C. Permeability tensors of anisotropic fracture networks // Mathematical Geology. — 1999. — Vol. 31, no. 4. — P. 335–373. — DOI: 10.1023/A:1007534523363. Clavaud J.-B., Maineult A., Zamora M., et al. Permeability anisotropy and its relations with porous medium structure // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. — 2008. — Vol. 113, B1. — DOI: 10.1029/2007JB005004. Clavaud J.-B., Maineult A., Zamora M., et al. Permeability anisotropy and its relations with porous medium structure // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. — 2008. — Vol. 113, B1. — DOI: 10.1029/2007JB005004. Daish C., Blanchard R., Gulati K., et al. Estimation of anisotropic permeability in trabecular bone based on microCT imaging and pore-scale fluid dynamics simulations // Bone Reports. — 2017. — Vol. 6. — P. 129–139. — DOI: 10.1016/j.bonr.2016.12.002. Daish C., Blanchard R., Gulati K., et al. Estimation of anisotropic permeability in trabecular bone based on microCT imaging and pore-scale fluid dynamics simulations // Bone Reports. — 2017. — Vol. 6. — P. 129–139. — DOI: 10.1016/j.bonr.2016.12.002. Holzer L., Marmet Ph., Fingerle M., et al. Tortuosity and Microstructure Effects in Porous Media: Classical Theories, Empirical Data and Modern Methods. — Springer International Publishing, 2023. — DOI: 10.1007/978-3-031-30477-4. Holzer L., Marmet Ph., Fingerle M., et al. Tortuosity and Microstructure Effects in Porous Media: Classical Theories, Empirical Data and Modern Methods. — Springer International Publishing, 2023. — DOI: 10.1007/978-3-031-30477-4. Khimulia V. V. Digital Examination of Pore Space Characteristics and Structural Properties of a Gas Condensate Field Reservoir on the Basis of 𝜇CT Images // Proceedings of the 9th International Conference on Physical and Mathematical Modelling of Earth and Environmental Processes. — Springer Nature Switzerland, 2024. — P. 23–34. — DOI: 10.1007/978-3-031-54589-4_3. Khimulia V. V. Digital Examination of Pore Space Characteristics and Structural Properties of a Gas Condensate Field Reservoir on the Basis of 𝜇CT Images // Proceedings of the 9th International Conference on Physical and Mathematical Modelling of Earth and Environmental Processes. — Springer Nature Switzerland, 2024. — P. 23–34. — DOI: 10.1007/978-3-031-54589-4_3. Khimulia V. V., Karev V., Kovalenko Yu., et al. Changes in filtration and capacitance properties of highly porous reservoir in underground gas storage: CT-based and geomechanical modeling // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. — 2024. — Vol. 16, no. 8. — P. 2982–2995. — DOI: 10.1016/j.jrmge.2023.12.015. Khimulia V. V., Karev V., Kovalenko Yu., et al. Changes in filtration and capacitance properties of highly porous reservoir in underground gas storage: CT-based and geomechanical modeling // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. — 2024. — Vol. 16, no. 8. — P. 2982–2995. — DOI: 10.1016/j.jrmge.2023.12.015. Kovářová K., Ševčík R. and Weishauptová Z. Comparison of mercury porosimetry and X-ray microtomography for porosity study of sandstones // Acta Geodynamica et Geomaterialia. — 2012. — Vol. 9, no. 4. — P. 168–178. Kovářová K., Ševčík R. and Weishauptová Z. Comparison of mercury porosimetry and X-ray microtomography for porosity study of sandstones // Acta Geodynamica et Geomaterialia. — 2012. — Vol. 9, no. 4. — P. 168–178. Krivoshchekov S., Kochnev A., Kozyrev N., et al. Factoring Permeability Anisotropy in Complex Carbonate Reservoirs in Selecting an Optimum Field Development Strategy // Energies. — 2022. — Vol. 15, no. 23. — P. 8866. — DOI: 10.3390/en15238866. Krivoshchekov S., Kochnev A., Kozyrev N., et al. Factoring Permeability Anisotropy in Complex Carbonate Reservoirs in Selecting an Optimum Field Development Strategy // Energies. — 2022. — Vol. 15, no. 23. — P. 8866. — DOI: 10.3390/en15238866. Linden S., Wiegmann A. and Hagen H. The LIR space partitioning system applied to the Stokes equations // Graphical Models. — 2015. — Vol. 82. — P. 58–66. — DOI: 10.1016/j.gmod.2015.06.003. Linden S., Wiegmann A. and Hagen H. The LIR space partitioning system applied to the Stokes equations // Graphical Models. — 2015. — Vol. 82. — P. 58–66. — DOI: 10.1016/j.gmod.2015.06.003. Math2Market GmbH. FlowDict: Single-Phase Fluid Flow. — 2024a. — URL: https://www.math2market.com/geodictsoftware/geodict-base-modules/simulation/flowdict (visited on 06/02/2024). Math2Market GmbH. FlowDict: Single-Phase Fluid Flow. — 2024a. — URL: https://www.math2market.com/geodictsoftware/geodict-base-modules/simulation/flowdict (visited on 06/02/2024). Math2Market GmbH. GeoDict - The Digital Material Laboratory. — 2024b. — URL: https://www.math2market.de (visited on 06/02/2024). Math2Market GmbH. GeoDict - The Digital Material Laboratory. — 2024b. — URL: https://www.math2market.de (visited on 06/02/2024). Mostaghimi P., Blunt M. J. and Bijeljic B. Computations of Absolute Permeability on Micro-CT Images // Mathematical Geosciences. — 2012. — Vol. 45, no. 1. — P. 103–125. — DOI: 10.1007/s11004-012-9431-4. Mostaghimi P., Blunt M. J. and Bijeljic B. Computations of Absolute Permeability on Micro-CT Images // Mathematical Geosciences. — 2012. — Vol. 45, no. 1. — P. 103–125. — DOI: 10.1007/s11004-012-9431-4. Pelissou C., Baccou J., Monerie Y., et al. Determination of the size of the representative volume element for random quasi-brittle composites // International Journal of Solids and Structures. — 2009. — Vol. 46, no. 14/15. — P. 2842–2855. — DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2009.03.015. Pelissou C., Baccou J., Monerie Y., et al. Determination of the size of the representative volume element for random quasi-brittle composites // International Journal of Solids and Structures. — 2009. — Vol. 46, no. 14/15. — P. 2842–2855. — DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2009.03.015. Shreyamsha Kumar B. K. Image denoising based on non-local means filter and its method noise thresholding // Signal, Image and Video Processing. — 2012. — Vol. 7, no. 6. — P. 1211–1227. — DOI: 10.1007/s11760-012-0389-y. Shreyamsha Kumar B. K. Image denoising based on non-local means filter and its method noise thresholding // Signal, Image and Video Processing. — 2012. — Vol. 7, no. 6. — P. 1211–1227. — DOI: 10.1007/s11760-012-0389-y. Stenzel O., Pecho O., Holzer L., et al. Predicting effective conductivities based on geometric microstructure characteristics // AIChE Journal. — 2016. — Vol. 62, no. 5. — P. 1834–1843. — DOI: 10.1002/aic.15160. Stenzel O., Pecho O., Holzer L., et al. Predicting effective conductivities based on geometric microstructure characteristics // AIChE Journal. — 2016. — Vol. 62, no. 5. — P. 1834–1843. — DOI: 10.1002/aic.15160. Taud H., Martinez-Angeles R., Parrot J. F., et al. Porosity estimation method by X-ray computed tomography // Journal of Petroleum Science and Engineering. — 2005. — Vol. 47, no. 3/4. — P. 209–217. — DOI: 10.1016/j.petrol.2005.03.009. Taud H., Martinez-Angeles R., Parrot J. F., et al. Porosity estimation method by X-ray computed tomography // Journal of Petroleum Science and Engineering. — 2005. — Vol. 47, no. 3/4. — P. 209–217. — DOI: 10.1016/j.petrol.2005.03.009. Versteeg H. K. and Malalasekera W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. — Pearson (England) : Pearson Education Limited, 2007. Versteeg H. K. and Malalasekera W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. — Pearson (England) : Pearson Education Limited, 2007. Wan Y., Pan Zh., Tang Sh., et al. An experimental investigation of diffusivity and porosity anisotropy of a Chinese gas shale // Journal of Natural Gas Science and Engineering. — 2015. — Vol. 23. — P. 70–79. — DOI: 10.1016/j.jngse.2015.01.024. Wan Y., Pan Zh., Tang Sh., et al. An experimental investigation of diffusivity and porosity anisotropy of a Chinese gas shale // Journal of Natural Gas Science and Engineering. — 2015. — Vol. 23. — P. 70–79. — DOI: 10.1016/j.jngse.2015.01.024. Wright H. M. N., Roberts J. J. and Cashman K. V. Permeability of anisotropic tube pumice: Model calculations and measurements // Geophysical Research Letters. — 2006. — Vol. 33, no. 17. — DOI: 10.1029/2006GL027224. Wright H. M. N., Roberts J. J. and Cashman K. V. Permeability of anisotropic tube pumice: Model calculations and measurements // Geophysical Research Letters. — 2006. — Vol. 33, no. 17. — DOI: 10.1029/2006GL027224.