Mecânica das Rochas para Recursos Naturais e Infraestrutura Conferência Especializada ISRM 09-13 Setembro 2014 CBMR/ABMS e ISRM, 2014 Análise de Imagens de Micro-tomógrafo Digitalizadas para a Caracterização Microestrutural de Carbonatos Débora D. Pilotto PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, deborapilotto@puc-rio.br Rafaella Vollotão, PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, rafisaid@hotmail.com Fernanda Moreira, PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, fernandamoreira@aluno.puc-rio.br Sergio A. B. da Fontoura PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, fontoura@puc-rio.br Sidnei Paciornik PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, sidnei@puc-rio.br RESUMO: Os reservatórios de hidrocarbonetos em rochas carbonáticas representam aproximadamente 50% da produção mundial de petróleo e têm por característica marcante sua complexidade, uma vez que são bastante heterogêneos. Sendo assim, é de suma importância o entendimento da microestrutura das rochas carbonáticas. Uma das técnicas empregadas para a análise de microestrutura de rochas é a microtomografia de raios-x. Tal técnica é não destrutiva, e mede variações de densidade do material, fornecendo imagens 2D e 3D da amostra (Fernandes, 2009). O objetivo do presente estudo é apresentar a caracterização microestrutural de amostras de coquinas da bacia de Sergipe-Alagoas, envolvendo a elaboração de uma metodologia de trabalho e sua aplicação prática. Após a aquisição das imagens no microtomógrafo foi realizada a reconstrução das imagens. A partir das imagens reconstruídas, são realizadas as análises e processamento das imagens em 2-D e 3-D. Nesta pesquisa foi elaborada uma metodologia para a criação e análise dos modelos 3-D das amostras de rocha. A técnica de microtomografia se mostrou útil na realização de análises de porosidade, distribuição dos tamanhos dos poros e na visualização do arranjo dos poros na matriz rochosa. A microtomografia também permitiu detectar a conectividade dos poros no interior da rocha. A metodologia empregada no processamento das imagens se mostrou adequada. Nota-se que a definição da tensão apropriada para a aquisição dos dados é uma etapa muito importante, pois cada tensão a ser escolhida depende das características da amostra (i.e. dimensão da amostra, mineralogia, textura) e o filtro a ser utilizado. PALAVRAS-CHAVE: Microestrutura, Microtomografia de Raios-X, Coquinas. 1 INTRODUÇÃO Os reservatórios de hidrocarbonetos em rochas carbonáticas representam aproximadamente 50% da produção mundial de petróleo e têm por característica marcante sua complexidade, uma vez que são bastante heterogêneos. Sendo assim, é de suma importância o entendimento da microestrutura das rochas carbonáticas. Uma das técnicas empregadas para a análise de microestrutura de rochas é a microtomografia de raios-x. Tal técnica é não destrutiva, e mede variações de densidade do material, fornecendo imagens 2-D e 3-D da amostra (Fernandes,
2009). A microtomografia usa um conjunto de projeções bidimensionais de um objeto para reconstruir sua estrutura tridimensional, usando um algoritmo matemático (Fernandes 2009). Nos últimos anos, a microtomografia de raios-x tem sido muito utilizada na indústria do petróleo, se tornando, inclusive, uma prática padrão, com aplicação de novas metodologias e análises. Desde 2011, o Grupo de Caracterização em Rochas Carbonáticas do GTEP/PUC-Rio tem trabalhado na análise microestrutural de rochas carbonáticas utilizando a técnica de microtomografia de raios-x. O objetivo do presente estudo é apresentar a caracterização microestrutural de amostras de coquinas da bacia de Sergipe-Alagoas, envolvendo a elaboração de uma metodologia de trabalho e sua aplicação prática. (a) (b) Figura 2.Amostras de coquinas coletadas no presente estudo. (a) CQS-01. (b) CQS-02. O fluxograma geral de trabalho desenvolvido pode ser visualizado na Figura 3. A primeira etapa consiste na definição e coleta das amostras a serem estudadas. Finda esta etapa inicia-se a fase de caracterização geológica e petrofísica, no qual foram realizados ensaios de porosidade, análises mineralógica, texturais e microestruturais. Finalizada a caracterização, deu-se início à etapa de interpretação integrada dos resultados. 2 MATERIAIS E MÉTODOS As amostras de coquinas da Formação Morro do Chaves foram coletadas na Pedreira CIMPOR (ex-atol), localizada no município de São Miguel dos Campos, Alagoas. Foram coletadas no afloramento, visto na Figura 1, duas (2) amostras para a realização da caracterização geológica. A Figura 2 apresenta as amostras coletadas, que foram nomeadas pela sigla CQS (CQ-coquina, S-Sergipe-Alagoas) e numeradas de 1 a 2. Figura 3. Fluxograma de Trabalho. 3 RESULTADOS Figura 1. Localização da área de estudo. A amostra de coquina foi ensaiada pelo microtomógrafo Skyscan 1173, sendo utilizado um filtro de alumínio de 1 mm na saída do tubo de raios-x, para diminuir a intensidade das baixas energias do feixe. Depois da aquisição das imagens no
microtomógrafo foi realizada a reconstrução das imagens, onde foram utilizados filtros com a finalidade de atenuar o efeito de ruídos presentes, incluindo: beam hardening e ring artifact. A Figura 4 apresenta as imagens reconstruídas pelo software CTAN da amostra de coquina analisadas. (a) (b) Figura 4. Imagens reconstruídas da amostra de Coquina no Programa NRecon. (a) condição de 85 kv e 94 µa. (b) condição de 110 kv e 72 µa. O efeito de beam hardening, ou endurecimento do feixe, é um ruído frequentemente encontrado em imagens tomográficas, que ocorre nas extremidades do material estudado tornando a sua imagem mais clara que na região central. Este ruído resulta do fato de raios-x menos energéticos serem mais facilmente absorvidos que os mais energéticos (Fernandes, 2009). Já o ring artifact, ou artefato em anel, aparece como círculos parciais ou completos centrados no eixo de rotação. Segundo Fernandes (2009), eles são causados devido aos vários detectores contidos na câmara CCD não fornecerem sinais idênticos a um mesmo estímulo, resultando em valores anômalos de atenuação. A partir das imagens reconstruídas, são realizadas as análises e processamento das imagens em 2-D e 3-D nos programas CTan e Fiji. Nesta pesquisa foi elaborada uma metodologia para a criação e análise dos modelos 3-D das amostras de rocha, como mostra a Figura 5. A primeira etapa versou sobre o uso do uso do filtro sigma para fins de eliminar ruídos nas imagens. Tal filtro tem por característica preservar bem os contornos dos objetos, e foi realizada através do software Fiji. Figura 5. Metodologia gerada para análise de microtomografia de Raios-X. A segunda etapa consiste no processo de segmentação da imagem, ou seja, a escolha do nível de cinza que caracterizará a fase sólida e a fase porosa nas imagens. O intervalo de nível cinza escolhido foi de 50 a 255, onde a área branca representa a matriz rochosa e a área preta representa os poros (Figura 6). Posteriormente, faz-se necessário a utilização de uma ferramenta para adaptar a região de interesse (ROI) nas seções 2-D da amostra. Figura 6. Metodologia gerada para análise de microtomografia de Raios-X. Após esta fase foram efetuadas análises 3-D da amostra, no qual foram calculadas a porosidade total, aberta e fechada. Como a
aquisição das imagens de microtomografia da amostra de coquina foi realizada de duas formas diferentes, foram necessárias diversas análises de modo a observar a influência da condição de aquisição da amostra nos resultados de porosidade. A Tabela 1 e Tabela 2 apresentam os resultados das análises 3D das imagens adquiridas sob tensão de 85kV e 110kV, respectivamente. Em cada análise variou-se a resolução das imagens (resize 1, 2 e 3) e o tamanho do raio do filtro sigma (2 e 4). Tabela 1.Resultado da análise 3-D das imagens adquirida da amostra CQS-01f, a tensão 85kV e corrente 94 μa. Resize Segmentação 50-255/ tensão 85Kv-94µA Filtro Sigma Raio (pixel) alcance do pixel (sigma) idade Total Conectados 1 4 2 9,92 8,67 1,25 2 4 2 10,15 8,78 1,37 3 4 2 9,80 8,34 1,46 1 2 2 10,54 9,25 1,29 2 2 2 10,55 9,23 1,32 3 2 2 10,21 8,73 1,48 não conecta dos Estes resultados eram esperados, pois quanto maior for a tensão utilizada na aquisição das imagens, pior será a resolução espacial e de contraste, afetando assim os valores de porosidade. Segundo Fernandes (2009), quanto maior a corrente empregada, maior será a produção de raios-x e consequentemente a transmitância, melhorando desta forma, a estatística de medidas. Nota-se que a resolução das imagens (resize 1, 2 e 3) e o tamanho do raio do filtro sigma (2 e 4) influenciam os valores da porosidade. No presente estudo, considerou-se como ideal o uso do filtro sigma com raio 4 e as imagens sem reamostragem (resize 1). A aquisição dos dados utilizando a tensão de 85 kv e corrente de 94 µa foi avaliada como a mais adequada considerando as características da amostra estudada. Logo, o valor da porosidade total considerada como ideal foi de 9,92%, sendo que 8,67 % dos poros estão conectados e 1,25% estão não conectados. Também foram realizadas análises 3-D da distribuição dos diâmetros dos poros presentes nas amostras estudadas, apresentados na Figura 7. Tabela 2.Resultado da análise 3-D das imagens adquirida da amostra CQS-01f, a tensão 85kV e corrente 94 μa. Segmentação 50-255/ tensão 110Kv-72µA Resize Filtro Sigma Raio (pixel) alcance do pixel (sigma) idade Total Conectados 1 4 2 9,52 8,31 1,21 2 4 2 9,77 8,44 1,33 3 4 2 9,58 8,35 1,23 1 2 2 10,10 8,86 1,29 2 2 2 10,22 8,95 1,32 3 2 2 10,04 8,59 1,48 não conecta dos Comparando a Tabela 1 e a Tabela 2, observa-se que os valores de porosidade encontrados nas imagens adquiridas à tensão de 85 kv e corrente de 94 µa foram um pouco superiores aos valores encontrados com a tensão de 110 kv e corrente de 72 µa. Figura 7. Histograma com a distribuição do diâmetro dos poros na amostra CQS-01a. Observa-se na Figura 8 que o histograma apresenta uma distribuição exponencial, com uma diminuição da frequência com o aumento do diâmetro dos poros. Há uma grande concentração (70%) de poros com diâmetros variando de 100 a 250μm. O maior diâmetro de poro encontrado na amostra foi de 514970,1μm e o valor mínimo foi de 182,27μm. A resolução espacial da amostra de coquina foi de 9μm. Vale ressaltar que o filtro sigma além de eliminar ruidos da imagem tambem elimina os microporos. Por este motivo só os poros
maiores de 182,27μm foram captados nesta análise. Sendo assim, esta análise deve ser utilizada com certa cautela. Além das análises 3-D, foi realizada a análise da porosidade ao longo das seções 2-D, representada pela Figura 8. Nota-se que o gráfico apresenta uma distribuição da porosidade com variação de 6,97 a 15,25 %. A porosidade média 2-D encontrada foi de 9,29%. Valor próximo do encontrado na análise 3-D (9,92%). Figura 8. Perfil de porosidade das 1650 seções 2-D da amostra de coquina. Após a realização das análises 2-D e 3-D das imagens, foi realizada a etapa de geração do modelo 3-D. Após a geração do modelo 3-D da matriz rochosa com poros, foi utilizado no programa CTan a ferramenta reload, para recarregar a imagem 2-D que sofreu todo este processamento. Após o recarregamento da imagem, foi efetuada uma nova filtragem, seguida de uma nova segmentação, só que agora o objetivo é criar um modelo 3-D apenas dos poros, empregando um intervalo de nível cinza de 0 a 50. Depois desta segmentação foi criado o modelo 3-D dos poros. Em síntese, foram criados dois modelos 3-D das imagens, um que representa a matriz rochosa e outro que representa os poros. Estes dois modelos são abertos no programa CTvol, onde é possível a visualização dos modelos (Ctvol,2008), conforme ilustra a Figura 9. Figura 9. Imagem 3-D reconstruída da amostra de coquina a partir do algoritmo Marching Cubes 33. O software CTan, utilizado no presente estudo, apresenta três diferentes tipos de algoritmos para a elaboração dos modelos 3-D: Marching Cubes 33, Double Times Cubes e Adaptive Rendering. O algoritmo Marching Cubes 33 é um algoritmo relativamente recente que foi elaborado com o objetivo de aperfeiçoar o algoritmo Marching Cubes, já existente. É um algoritmo muito utilizado para modelar objetos com bastante riqueza de detalhes, permitindo até delinear voxels individuais (Ctan, 2010). Os modelos 3-D (matriz e poros) gerados a partir do uso deste algoritmo estão representados na Figura 9. 3.1 imetria de Mercúrio Após o ensaio de microtomografia de raios-x, a mesma amostra foi submetida ao ensaio de porosimetria de mercúrio com o objetivo de comparar os valores de porosidade e o diâmetro dos poros. Os resultados mostram que o valor da porosidade encontrada pela técnica de porosimetria de mercúrio (8,02 %) foi menor
que o valor encontrado pela microtomografia de raios-x (9,92 %). Logo, pode-se concluir que o mercúrio não preencheu totalmente os poros, fato que pode ser explicado pela análise da Tabela 1, onde nota-se que o valor da porosidade fechada é bastante elevada, impossibilitando, desta forma, a infiltração do mercúrio em alguns dos seus poros. Observa-se na Figura 10 que o diâmetro mediano dos poros da amostra estudada foi de 23,59 µm. Verifica-se na Figura 11 que a amostra de coquina analisada apresenta distribuição multimodal de poros, com picos de intrusão em torno de 1.50, 2.28, 13.96, 24.19 e 90.70 µm. rochosa. A microtomografia também permitiu detectar a conectividade dos poros no interior da rocha. A metodologia empregada no processamento das imagens foi adequada. Os modelos gerados representaram fielmente as amostras analisadas. No entanto, os fatores mais importantes numa análise de microtomografia é a escolha da tensão adequada para a aquisição dos dados, pois cada tensão a ser escolhida depende das características da amostra (i.e. dimensão, mineralogia, textura) e o filtro a ser utilizado. REFERÊNCIAS CTan. (2010). Manual for SkyScan CT-Analyser v. 1.10. CTvol. (2008). Skyscan CT-volume manual. V.2.0. Fernandes, J. S. (2009). Caracterização Microestrutural do Espaço o de Rochas Reservatório da Bacia do Rio Tibagi por Microtomografia de Raios X. Londrina. Tese de Doutorado. Universidade Estadual de Londrina. Figura 10. Gráfico de intrusão acumulativa versus diâmetro dos poros do corpo de prova analisado.. Figura 11. Gráfico de intrusão incremental versus diâmetro dos poros do corpos de prova de coquina.. 4 CONCLUSÕES A técnica de microtomografia se mostrou útil na realização de análises de porosidade, distribuição dos tamanhos dos poros e na visualização do arranjo dos poros na matriz