A comparative analysis of automated contact angle measurement methods for x-ray microtomographic images of two-phase flow in porous media

Abstract

Medições realistas da molhabilidade em amostras de rochas de reservatório, embora seja um parâmetro essencial para entender o fluxo de fluido imiscível multifásico em processos de recuperação de petróleo, são um desafio devido à complexidade e heterogeneidade desses meios porosos. Com os avanços na microtomografia de raios X, as interações de fluidos molhantes e não molhantes com a matriz sólida de amostras porosas podem ser observadas na escala de poro, permitindo a medição in situ do ângulo de contato mesmo em condições de reservatório. Nos últimos anos, a medição de ângulos de contato por meio de imagens microtomográficas tridimensionais avançou de métodos de medição manuais para métodos automatizados que incorporam rastreamento de interface e processamento de dados de imagem. Porém, estimar com precisão ângulos de contato em pontos de baixa resolução continua sendo um desafio mesmo para as técnicas mais avançadas. Nesse contexto, o presente trabalho compara diferentes métodos automatizados disponíveis na literatura para um conjunto de testes de referência e, com base nas conclusões desta análise comparativa, desenlvolve-se um novo método que mitiga as limitações observadas nas abordagens anteriores. Em uma primeira análise, os métodos são utilizados para medir o ângulo de contato em uma gota de óleo esférica estática sobre uma superfície sólida plana inclinada. Além disso, os métodos são empregados para estimar o ângulo de contato em meios porosos com uma molhabilidade definida usando simulações de Lattice-Boltzmann para diferentes ângulos de contato e resolução de imagem. Por conseguinte, as técnicas de medição de ângulo de contato são comparadas e classificadas quanto as suas características de implementação, custos computacionais, exatidão e precisão. Os resultados desta análise revelam que nenhum dos métodos existentes na literatura apresenta desempenho satisfatório, particularmente para imagens de baixa resolução. Métodos que demonstram elevada acurácia tendem a apresentar baixa precisão, enquanto aqueles com alta precisão frequentemente apresentam acurácia deficiente. Em contraste, o novo método proposto neste trabalho apresenta desempenho satisfatório em ambos os critérios, mesmo para imagens de baixa resolução.

Realistic measurements of the wettability in reservoir rock samples, although essential for describing multicomponent immiscible fluid flow in oil recovery processes, is a challenge due to the complexity and heterogeneity of these porous media. With recent advances in X-ray microtomography, the interactions of wetting and non-wetting fluids with the solid matrix can now be observed in the pore scale, enabling in situ measurement of the contact angle even in reservoir conditions. In recent years, the measurement of contact angles through three-dimensional microtomographic images has advanced from manual measurement methods to automated methods that incorporate interface tracking and image data processing. However, accurately estimating contact angles at low-resolution points remains a challenge even for the most advanced techniques. In this context, the present work compares different automated methods in the literature using a set of benchmarks and, based on the findings from this comparative analysis, a novel method is developed that addresses limitations observed across prior approaches. Initially, the methods are employed to measure the contact angle for a static spherical oil droplet on an inclined plane. Furthermore, the methods are employed to estimate the contact angle on porous media with fluid configuration obtained using Lattice-Boltzmann simulations for different wettability values and image resolutions. Thereafter, the contact angle measurement techniques are compared and classified regarding their implementation characteristics, computational costs, precision, and accuracy. The results of this analysis reveal that none of the existing methods in the literature achieve satisfactory performance, particularly for low-resolution images. Methods that demonstrate high accuracy tend to suffer from low precision, while those with high precision often exhibit poor accuracy. In contrast, the new method proposed in this work shows satisfactory performance in both criteria, even for low resolution images.