DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-43688-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41796229
تاريخ النشر: 2026-03-09
المؤلف: Faisal Aljaberi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات استعادة النفط المعززة
نظرة عامة
تتناول الدراسة التحدي المتمثل في قياس الإزاحة متعددة الأطوار في الوسائط المسامية، مع التركيز بشكل خاص على التباين المكاني للترطيب، وهو أمر حاسم للتطبيقات مثل احتجاز CO₂ وتخزين الهيدروجين. تعيق الطرق التقليدية لقياس الترطيب باستخدام زوايا الاتصال الهندسية بسبب الصعوبات في تحديد حلقة الاتصال الثلاثية الأطوار بسبب تأثيرات الحجم الجزئي وعدم اليقين في التقسيم. للتغلب على هذه القيود، يقدم المؤلفون خوارزمية هندسية آلية جديدة تقيس زوايا الاتصال على أساس كل مسام على حدة من خلال استقراء القيم السطحية من واجهات الطورين المجاورتين، مما يقلل من الحساسية لأخطاء التقسيم. تم التحقق من صحة هذه الطريقة على مجموعات بيانات صناعية وتطبيقها على الصخور المبللة بالماء والمختلطة، مما يكشف عن تباين كبير في الترطيب غالبًا ما يتم إخفاؤه بواسطة المتوسطات الكلية.
تشير النتائج إلى أن الخوارزمية المقترحة توفر خرائط زوايا اتصال موزعة مكانيًا، مشددة على أنه في عينة مختلطة الترطيب بزاوية اتصال متوسطة قدرها 64.7°، فإن حوالي 40% من مساحة المسام تقع ضمن نظام الترطيب الوسيط (70-110°). كما quantifies الدراسة عدم اليقين في القياسات المتعلقة بتنعيم الشبكة والتقسيم، مشيرة إلى أن المسام الأصغر تضخم هذه الشكوك. بينما الطريقة قوية ودقيقة عبر مجموعة من زوايا الاتصال، فإنها تفترض وجود واجهات محددة جيدًا، مما يشير إلى أن الأبحاث المستقبلية يجب أن تركز على تحسين دقة الصورة وتطوير علاقات بين زوايا الاتصال الثابتة والفعالة لمحاكاة ديناميكية. يقدم المؤلفون تنفيذًا مفتوح المصدر لخوارزميتهم بلغة بايثون، مما يسهل تطبيقها عبر مجالات مختلفة حيث يكون تحديد الترطيب الدقيق أمرًا أساسيًا.
مقدمة
تناقش المقدمة مفهوم الترطيب، وهو الميل الذي يظهره الصلب لتفضيل سائل على آخر، مما يؤثر بشكل كبير على القوى الشعرية وسلوك السوائل في الوسائط المسامية. هذه الظاهرة حاسمة للتطبيقات مثل تخزين CO₂ وH₂ الجيولوجي، واسترداد النفط، وأداء الأجهزة الكهروكيميائية. يتميز الترطيب بزوايا اتصال غير متجانسة عبر أسطح المسام، مما يؤثر على إزاحة السوائل وحبسها على مقياس المسام، مما يؤثر في النهاية على العمليات على نطاق أوسع مثل القدرة على الحقن وكفاءة الاسترداد.
يتم تمثيل توازن الالتصاق والتماسك عند واجهات الصلب والسائل رياضيًا بواسطة معادلة يونغ:
\[
\cos \theta = \frac{\sigma_{2s} – \sigma_{1s}}{\sigma}
\]
حيث \(\theta\) هي زاوية الاتصال، و\(\sigma_{1s}\) و\(\sigma_{2s}\) هما طاقات السطح للصلب مع السوائل الأكثر كثافة والأخف، على التوالي، و\(\sigma\) هو توتر السطح بين السوائل. يمكن قياس زوايا الاتصال باستخدام قياس الزوايا البصرية أو تقنيات متقدمة مثل التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية (micro-CT)، مما يسمح بالملاحظات في الموقع لتفاعلات السوائل في الوسائط المسامية. يتم توضيح منهجيات مختلفة لتحديد زوايا الاتصال من بيانات micro-CT، كل منها مع مزايا وقيود فريدة، كما هو ملخص في الجدول 1.
طرق
تستخدم الدراسة نهج قياس هندسي يستفيد من التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية (micro-CT) لاستخراج زوايا الاتصال عند خط الاتصال الثلاثي من صور المسام ثلاثية الأبعاد المقسمة. يتميز هذا الأسلوب بمباشرته وقدرته على التقاط التباين المحلي والهسترسيس بدقة عالية، بشرط أن تكون الصور ذات جودة عالية وتلبية الظروف المثالية. ومع ذلك، فإن المنهجية حساسة لجودة الصورة، وتظهر التحديات من خشونة السطح وتأثيرات الحجم الجزئي. بالإضافة إلى ذلك، فإنها تعكس بشكل أساسي زوايا الاتصال في حالات التوازن، بدلاً من الظروف العابرة.
بالإضافة إلى قياسات micro-CT، تطبق الدراسة أيضًا مبادئ الديناميكا الحرارية، وبشكل خاص الطاقة الحرة لهيلمهولتز، لحل زوايا الاتصال. يفترض هذا النهج حالات التوازن والعمليات القابلة للعكس، مع تجاهل خسائر الطاقة. يهدف الجمع بين هذه المنهجيات إلى توفير فهم شامل لسلوك زوايا الاتصال في الوسائط المسامية، موازنًا بين نقاط القوة والقيود الموجودة في كل تقنية.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مشددًا على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تكشف التحليلات أن النموذج المقترح يظهر تحسينًا ملحوظًا في الدقة التنبؤية مقارنة بالمنهجيات الحالية، مع زيادة ملحوظة في قيم معامل التحديد ($R^2$)، مما يشير إلى ارتباط أقوى بين النتائج المتوقعة والملاحظة.
علاوة على ذلك، تؤكد الاختبارات الإحصائية التي أجريت قوة النتائج، مع قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملاحظة ذات دلالة إحصائية. توضح المناقشة تداعيات هذه النتائج، مشددة على أهميتها في تقدم المجال وتوفير رؤى لاتجاهات البحث المستقبلية. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية النهج المقترح في معالجة الأسئلة البحثية المطروحة.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون التحديات والتقدم في قياس الترطيب في الوسائط المسامية من خلال توازن الطاقة الديناميكية الحرارية والأساليب الهندسية. يبرزون أنه بينما يمكن أن تلتقط الأساليب التقليدية الزوايا الفعالة وتكون متسامحة مع ضوضاء التقسيم الطفيفة، فإنها غالبًا ما تتجاهل الخسائر اللزجة وتبسط ديناميات الترطيب. تقدم الطريقة الهندسية، التي تستخدم انحناء الواجهة والطوبولوجيا، قابلية تطبيق أوسع لكنها حساسة لجودة التقسيم ولا توفر قياسات مستقلة لزوايا الاتصال. يؤكد المؤلفون على أهمية قياس زوايا الاتصال بدقة، حيث تؤثر بشكل كبير على خصائص التدفق الكلية مثل الضغط الشعري ونفاذية النسبي. يجادلون بأن توزيعات الترطيب المحلية تعزز المحاكاة على مقياس المسام، خاصة في الأنظمة المختلطة، وأن القياسات في الموقع ضرورية لتفسير سلوك الإزاحة التجريبية.
لمعالجة هذه التحديات، يقدم المؤلفون نهجًا هندسيًا موسعًا يحسن قياس الترطيب من الصور ثلاثية الأبعاد على أساس كل مسام على حدة. يتضمن هذا الأسلوب استقراء القيم السطحية وتحسين تقنيات معالجة الصور لحل حلقات الاتصال الثلاثية بدقة، مما يمكّن من رسم خرائط الترطيب الموزعة مكانيًا. يتحققون من صحة خوارزميتهم باستخدام صور فوكسيلي صناعية ومسحات micro-CT عالية الدقة لعينات الصخور، مما يوضح فعاليتها عبر ظروف الترطيب المتنوعة. كما يوضح المؤلفون خط أنابيب المعالجة المسبقة المنظم الخاص بهم لتحسين جودة الصورة ودقة التقسيم، وهو أمر حاسم لقياسات زوايا الاتصال الموثوقة. بشكل عام، يهدف نهجهم إلى توفير إطار عمل قوي لفهم الترطيب في المواد المسامية، وهو أمر حيوي للتطبيقات في الطاقة تحت السطح وديناميات السوائل.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-43688-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41796229
Publication Date: 2026-03-09
Author(s): Faisal Aljaberi et al.
Primary Topic: Enhanced Oil Recovery Techniques
Overview
The research addresses the challenge of quantifying multiphase displacement in porous media, particularly focusing on the spatial variability of wettability, which is critical for applications such as CO₂ sequestration and hydrogen storage. Traditional methods for measuring wettability using geometric contact angles are hindered by difficulties in identifying the three-phase contact loop due to partial-volume effects and segmentation uncertainties. To overcome these limitations, the authors introduce a novel automated geometric algorithm that measures contact angles on a pore-by-pore basis by extrapolating surface normals from neighboring two-phase interfaces, thereby reducing sensitivity to segmentation errors. This method has been validated on synthetic datasets and applied to both water-wet and mixed-wet rocks, revealing significant heterogeneity in wettability that is often obscured by bulk averages.
The findings indicate that the proposed algorithm provides spatially resolved contact angle maps, highlighting that in a mixed-wet sample with a mean contact angle of 64.7°, approximately 40% of the pore space falls within the intermediate-wetting regime (70-110°). The study also quantifies measurement uncertainties related to mesh smoothing and segmentation, noting that smaller pores amplify these uncertainties. While the method is robust and accurate across a range of contact angles, it does assume well-resolved interfaces, suggesting that future research should focus on improving image resolution and developing correlations between static and effective contact angles for dynamic simulations. The authors provide an open-source Python implementation of their algorithm, facilitating its application across various fields where accurate wettability characterization is essential.
Introduction
The introduction discusses the concept of wettability, which is the tendency of a solid to favor one fluid over another, significantly influencing capillary forces and fluid behavior in porous media. This phenomenon is critical for applications such as geological CO₂ and H₂ storage, oil recovery, and the performance of electrochemical devices. Wettability is characterized by non-uniform contact angles across pore surfaces, which affects fluid displacement and trapping at the pore scale, ultimately impacting larger-scale processes like injectivity and recovery efficiency.
The balance of adhesion and cohesion at solid-fluid interfaces is mathematically represented by the Young equation:
\[
\cos \theta = \frac{\sigma_{2s} – \sigma_{1s}}{\sigma}
\]
where \(\theta\) is the contact angle, \(\sigma_{1s}\) and \(\sigma_{2s}\) are the surface energies of the solid with the denser and lighter fluids, respectively, and \(\sigma\) is the fluid-fluid interfacial tension. The measurement of contact angles can be performed using optical goniometry or advanced techniques like X-ray micro-computed tomography (micro-CT), which allows for in situ observations of fluid interactions in porous media. Various methodologies for determining contact angles from micro-CT data are outlined, each with unique advantages and limitations, as summarized in Table 1.
Methods
The research employs a geometric measurement approach utilizing micro-computed tomography (micro-CT) to extract contact angles at the three-phase contact line from segmented 3D pore-scale images. This method is characterized by its directness and ability to capture local heterogeneity and hysteresis with high accuracy, provided that the images are of high quality and ideal conditions are met. However, the methodology is sensitive to image quality, and challenges arise from surface roughness and partial-volume effects. Additionally, it primarily reflects contact angles at equilibrium states, rather than transient conditions.
In conjunction with the micro-CT measurements, the study also applies thermodynamic principles, specifically the Helmholtz free energy, to solve for contact angles. This approach assumes equilibrium states and reversible processes, while neglecting energy losses. The combination of these methodologies aims to provide a comprehensive understanding of contact angle behavior in porous media, balancing the strengths and limitations inherent in each technique.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the experimental data. The analysis reveals that the proposed model demonstrates a marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a notable increase in the coefficient of determination ($R^2$) values, indicating a stronger correlation between the predicted and observed outcomes.
Furthermore, the statistical tests conducted confirm the robustness of the results, with p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting that the observed effects are statistically significant. The discussion elaborates on the implications of these findings, emphasizing their relevance in advancing the field and providing insights for future research directions. Overall, the results underscore the efficacy of the proposed approach in addressing the research questions posed.
Discussion
In this section, the authors discuss the challenges and advancements in quantifying wettability in porous media through thermodynamic energy balance and geometric methods. They highlight that while traditional approaches can capture effective angles and are tolerant to minor segmentation noise, they often neglect viscous losses and oversimplify wetting dynamics. The geometric method, which utilizes interface curvature and topology, offers broader applicability but is sensitive to segmentation quality and does not provide independent contact angle measures. The authors emphasize the importance of accurately measuring contact angles, as they significantly influence macroscopic flow properties like capillary pressure and relative permeability. They argue that local wettability distributions enhance pore-scale simulations, particularly in mixed-wet systems, and that in situ measurements are essential for interpreting experimental displacement behaviors.
To address these challenges, the authors present an extended geometric approach that improves wettability quantification from 3D images on a pore-by-pore basis. This method involves extrapolating surface normals and optimizing image processing techniques to accurately resolve three-phase contact loops, thereby enabling spatially resolved wettability mapping. They validate their algorithm using synthetic voxelized images and high-resolution micro-CT scans of rock samples, demonstrating its efficacy across diverse wetting conditions. The authors also detail their systematic preprocessing pipeline to enhance image quality and segmentation accuracy, which is crucial for reliable contact angle measurements. Overall, their approach aims to provide a robust framework for understanding wettability in porous materials, which is vital for applications in subsurface energy and fluid dynamics.