Analysis of the length scale characterized by the yield stress fluids porosimetry method for consolidated media: comparison with pore network models and mercury intrusion porosimetry

Abstract

Substantial progress has been recently achieved in the development of a clean alternative to mercury intrusion porosimetry (MIP) based on single-phase flow measurements in porous samples using yield stress fluids. However, no study to date has examined the scale of the pore length actually provided by the yield stress fluids porosimetry method (YSM) in consolidated porous media. Indeed, while the results of YSM were compared to those provided by MIP in the past, the relationships between the characterized pore size distribution (PSD) and the actual pore geometry have still not been addressed for this type of porous media. This issue is of special interest to geoscientists involved in seeking relevant information from core characterization operations. With this aim in mind, the objective of the present paper is to evaluate the agreement between the PSDs characterized by YSM, the pore-opening size distributions provided by MIP tests, and the pore-throat and pore-body size distributions obtained from X-ray computed microtomography. For this purpose, a set of artificial and natural porous samples with permeability values extending over two magnitudes were characterized by using both YSM and MIP laboratory tests. Then, the results were matched to the model pore geometries extracted from digital images of the real microstructure. This analysis led to the main conclusion that YSM can be reliably used as an adequate substitute for MIP in the case of the investigated consolidated media, given the general agreement observed between these methods.

Résumé

Des progrès substantiels ont récemment été accomplis dans le développement d’une alternative propre à la porosimétrie par injection de mercure (PIM) sur la base de mesures de l’écoulement monophasique des échantillons poreux à l’aide de fluides à seuil. Cependant, aucune étude n’a à ce jour examiné l’échelle de longueur des pores réellement fournie par la méthode de porosimétrie par injection de fluides à seuil  (MFS) dans les milieux poreux consolidés. En effet, si les résultats de MFS ont été comparés à ceux fournis par PIM dans le passé, les relations entre la distribution de la taille des pores (DTP) et la géométrie réelle des pores n’ont toujours pas été abordées pour ce type de milieu poreux. Cette problématique est d’un intérêt particulier pour les géoscientifiques impliqués dans la recherche d’informations pertinentes à partir des opérations de caractérisation des carottes. Dans cette optique, l’objectif du présent article est d’évaluer l’adéquation entre les DTP caractérisées par la MFS, les distributions de taille d’ouverture des pores fournies par les tests de PIM, et les distributions de taille des étranglements d’interstices et des corps d’interstices obtenues à partir de la microtomographie à rayons X. A cet effet, un ensemble d’échantillons poreux artificiels et naturels, dont les valeurs de perméabilité couvrent deux ordres de grandeur, ont été caractérisés en utilisant les tests de laboratoire MFS et PIM à la fois. Ensuite, les résultats sont comparés aux géométries du modèle de pores extraites des images numériques de la microstructure réelle. A partir de cette analyse, on peut en conclure que la MFS peut être utilisée de manière fiable en tant que substitut satisfaisant de la PIM dans le cas des milieux consolidés étudiés, étant donné l’adéquation générale observée entre ces méthodes.

Resumen

Recientemente se ha logrado un progreso sustancial en el desarrollo de una nueva alternativa a la porosimetría de intrusión de mercurio (MIP) basada en mediciones de flujo monofásico en muestras porosas utilizando fluidos con tensión de fluencia. Sin embargo, hasta la fecha ningún estudio ha examinado la dimensión de los poros que realmente proporciona el método de porosimetría de fluidos con tensión de fluencia (YSM) en los medios porosos consolidados. De hecho, aunque los resultados de YSM se compararon con los proporcionados por MIP en el pasado, las relaciones entre la distribución del tamaño de los poros (PSD) y la geometría real de los poros aún no se han abordado para este tipo de medios porosos. Esta cuestión es de especial interés para los geocientíficos implicados en la búsqueda de información relevante a partir de las operaciones de caracterización de testigos. Con este fin, el objetivo del presente trabajo es evaluar la concordancia entre las PSDs caracterizadas por YSM, las distribuciones de tamaño de apertura de poros proporcionadas por los ensayos MIP, y las distribuciones de tamaño de poros y cuerpos de poros obtenidas a partir de la microtomografía computarizada de rayos X. Para ello, se caracterizó un conjunto de muestras porosas artificiales y naturales con valores de permeabilidad de más de dos magnitudes utilizando tanto los ensayos de laboratorio YSM como MIP. A continuación, los resultados se cotejaron con las geometrías de poros modelo extraídas de las imágenes digitales de la microestructura real. Este análisis llevó a la conclusión principal de que el YSM puede utilizarse de forma fiable como sustituto adecuado del MIP en el caso de los medios consolidados investigados, dada la concordancia general observada entre estos métodos.

摘要

基于采用屈服应力流体开展的多孔样品单向流测量,寻找压汞仪法(MIP)的清洁代替近期已取得实质性进展。然而,目前还没有研究对屈服应力流体孔隙度测定法(YSM)获得的固结多孔介质孔隙长度进行验证。尽管YSM的结果曾与MIP提供的结果相比较,该方法描述的此类多孔介质孔径分布(PSD)与实际的空隙几何形状之间的关系仍未解决。因涉及从核心特征操作中获取相关信息,地学科学家对此问题十分感兴趣。考虑到这一目标,本文的目的是评价YSM描述的PSDs、MIP试验提供的孔隙开口大小分布以及X射线显微计算机断层成像获取的孔喉和孔隙体大小分布之间的一致性。为此,我们采用YSM和MIP室内试验对渗透率跨越两个数量级的人工和天然多孔样品进行表征。接着,将获得的结果与从实际微观结构数字图像中提取的孔隙几何形状进行匹配。该分析的主要结论为:考虑到两种方法获得的结果整体一致,YSM适合作为MIP的替代并被可靠地应用于所研究的固结介质。

Resumo

Recentemente houve um progresso substancial no desenvolvimento de alternativas limpas para porosimetria de intrusão de mercúrio (PIM) baseada em medidas de fluxo de fase única em amostras porosas usando fluido não newtoniano. Entretanto, nenhum estudo até o momento examinou a escala de poro dada pelo método de porosimetria de fluido não newtoniano (PFNN) em meio poroso consolidado. De fato, enquanto no passado os resultados de PFNN foram comparados àqueles fornecidos por PIM, as relações entre a distribuição de tamanhos de poros (DTM) caracterizada e a real geometria dos poros ainda não havia sido tratada para este tipo de meio poroso. Esta questão é de especial interesse de geocientistas envolvidos em buscar informações relevantes em atividades de caracterização de testemunhos. Com esta intenção em mente, o objetivo deste artigo é avaliar a concordância entre as DTMs caracterizadas pela PFNN, as distribuições de tamanho de abertura de poro fornecidas por testes de PIM, e as distribuições de tamanho de garganta e corpo de poro obtidas a partir de microtomografia computadorizada de raios X. Para isso, um conjunto de amostras artificiais e naturais de meios porosos, com valores de permeabilidade estendendo-se por duas ordens de magnitude, foram caracterizados através de testes de laboratório de PFNN e PIM. Em seguida, os resultados foram comparados às geometrias dos poros obtidas através de imagens digitais das microestruturas reais. Essa análise levou à principal conclusão de que a PFNN pode ser usada de forma confiável como uma substituta adequada para a PIM no caso dos meios consolidados investigados, dada a concordância geral observada entre esses métodos.