Advanced X-ray and neutron imaging of fractured and porous rocks

Underoverflaten kan sprekker i grunnen fungere som raske veier for væsketransport, hvor geometrien til sprekken (spesielt ruhet og størrelsen) bestemmer transportegenskapene. Prosjektet ARGUS har utviklet metoder for tidsoppløst røntgen- og nøytronavbilding for å studere geologiske prosesser relatert til strømning i bergarter. Forståelse av samspillet mellom væskestrøm og bergdeformasjon har mange grunnleggende anvendelser innen geovitenskap: grunnvannbevegelse, transport av forurensning, geotermisk energi, utvinning av hydrokarboner, underjordisk oppbevaring av avfall (som for eksempel bearbeidet vann, CO2 eller kjernefysisk avfall) og forbedret olje- og gassutvinning. Vi utførte avansert in situ, tredimensjonal røntgenmikrotomografi for å avbilde oppsprekking av bergarter under trykk-/temperaturforhold som er representative for hydrokarbonreservoarer. Dette prosjektet brukte flere storskalaanlegg: European Synchrotron Radiation Facility (Grenoble, Frankrike) og nøytronavbildingsstrålen på Institut Laue Langevin (Grenoble, Frankrike) og Paul Scherrer Institute (Villigen, Sveits). Ved å bruke vår kunnskap fra røntgenavbilding, har vi tilpasset og utviklet 2-D- og 3-D-nøytronavbilding for strømning i sprekker. Utvikling av in situ-eksperimenter og databehandlingsrutiner hjalp oss med å bygge opp mot bruk av de nye nøytronavbildingsfasilitetene som vil bli installert i Skandinavia. I 2019-2020 har vi utviklet en unik serie med nøytroneksperimenter der transporten av kadmium, et forurensende stoff i grunnen, ble avbildet i tre dimensjoner. Vi har også utviklet nye maskinlæringsalgoritmer som karakteriserer sprekker i bergarter.

The outcomes and impacts (9 publications) are well-beyond the expected results (see attached report), lending confidence that the Oslo rock physics group is a world leader in neutron and X-ray imaging of rock processes.

In the subsurface, fractures can act as fast conduits for fluid transport, where the geometry of the void space (most notably wall roughness and aperture) determines the transport properties. However, flow-through of a reactive fluid may affect this, coupling flow rate, transport of dissolved species, and stress in the solid. The project ARGUS will develop time-resolved X-ray and neutron imaging applications to unravel geological processes related to flow in rocks. Understanding the interactions between fluid flow and rock deformation has numerous fundamental applications in geosciences: groundwater movement, displacement of contaminants, geothermal energy, hydrocarbon exploration and subsurface storage of waste (such as processed water, CO2, or nuclear waste), and enhanced oil and gas recovery. Moreover, the transport of fluid in fault zones is also related to earthquakes, and how transport controls the occurrence of local chemical reactions and metamorphism at depth. We will perform advanced time-lapse X-ray 3-D tomography to image the fracturing of solid rock under pressure/temperature conditions representative for hydrocarbon reservoirs. Using our knowledge from X-ray imaging, we will adapt and develop 2-D and 3-D neutron imaging for flow in fractures. Furthermore, tomography data image processing to date is dependent on the operator, where user bias decreases reproducibility and may introduce errors. Therefore, we propose to apply innovative segmentation routines, based on machine-learning algorithms, to quantitatively describe the 3D morphology of the growing crack network and the flow, and to minimize errors. Developing in situ experiments and data processing routines will help us to build up towards usage of the new neutron imaging capacities currently being installed in Scandinavia. We aim to collect a database of reference samples and images of fractures and flow patterns in rocks that can be used for comparison between various X-rays and neutron sources.