2D to 3D Porous medium reconstruction using process-based method based on grain shape data. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis_Report_eprint.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 11 May 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

تُستخدم التمثيلات الرقمية ثلاثية الأبعاد للصخور المسامية بصورة متزايدة في محاكاة الجريان على مقياس المسام، والتنبؤ بعمليات النقل، وتحليل العلاقة بين البنية المجهرية والخواص. إلا أن الوصول إلى أحجام كاملة ثلاثية الأبعاد من صور الميكرو-CT قد يكون محدودًا بسبب زمن المسح، ومجال الرؤية، وتشوهات تقسية الحزمة، أو التكلفة، في حين أن المقاطع الرقيقة ثنائية الأبعاد أو شرائح الميكرو-CT ثنائية الأبعاد أكثر شيوعًا وتوفرًا. تطور هذه الرسالة منهجية لإعادة البناء من ثنائي الأبعاد إلى ثلاثي الأبعاد تجمع بين أشكال الحبيبات الحقيقية المستخرجة من عملية التقسيم وخوارزمية تعبئة قائمة على العمليات، بما يتيح توليد أوساط حبيبية ثلاثية الأبعاد ذات واقعية فيزيائية وتحافظ على الواصفات الإحصائية الأساسية المقاسة من شريحة ثنائية الأبعاد واحدة. تعتمد الطريقة المقترحة على طرق إعادة البناء التقليدية القائمة على العمليات، مثل منهج Bakke وØren، لكنها تستبدل الحبيبات الكروية المثالية بحبيبات ثلاثية الأبعاد مُولَّدة من ظلال حبيبية ثنائية الأبعاد مستخرجة من صور مُقسَّمة. في هذه الدراسة، تُستخرج أشكال الحبيبات مباشرة من شريحة ميكرو-CT مجزأة من حجر دودهينغتون الرملي، وتُستخدم لتوليد مكتبة من الحبيبات ثلاثية الأبعاد من خلال البثق المترابط والتقاطع. ثم تُرسَّب هذه الحبيبات داخل مجال ثلاثي الأبعاد باستخدام قاعدة ترسيب قائمة على العمليات، إمّا بنمط طاقة مرتفعة يعتمد على البحث الشامل، أو بنمط طاقة منخفضة يعتمد على التدحرج الموضعي. كما تُطبَّق عملية دمك وخطوة متحجّرية مبسطة باستخدام التمدد المعتمد على تحويل المسافة، وذلك لمطابقة المسامية المستهدفة المقاسة من الصورة المرجعية ثنائية الأبعاد. أُجري التحقق باستخدام مجموعة من المقاييس المتكاملة. وتشمل الواصفات التقليدية المسامية، ودوال الارتباط ثنائية النقطة (S2) المحسوبة على اتجاهات متعامدة، وتوزيعات أطوال الأوتار لطور المسام. كما جرى تقييم الترابط من خلال اختبارات النفاذ في الاتجاهات الرئيسية الثلاثة. بالإضافة إلى ذلك، طُبقت نظرية المسامية المحلية (LPT) لقياس التغاير والترابط المعتمدين على المقياس باستخدام توزيع المسامية المحلية μ(φ, r)، واحتمال النفاذ الكلي λ(r)، واحتمال النفاذ الشرطي λ(φ, r) بوصفها دوالًا في حجم خلية القياس .r أظهرت النتائج على حجر دودهينغتون الرملي توافقًا وثيقًا بين توزيع أحجام الحبيبات المرجعي ثنائي الأبعاد والقيم المستهدفة لمكتبة الحبيبات ثلاثية الأبعاد، إضافة إلى مورفولوجيا حبيبية واقعية بصريًا في المقاطع المعاد بناؤها، واتجاهات متسقة في مؤشرات نظرية المسامية المحلية عبر المقاييس المختلفة. وتختتم الرسالة بمناقشة محدوديات إعادة بناء البنية المجهرية ثلاثية الأبعاد انطلاقًا من شريحة ثنائية الأبعاد واحدة، وتقترح مسارات لتطوير العمل مستقبلًا، تشمل التكييف باستخدام شرائح متعددة، ومعالجة اللاتناحي، والمعايرة المطابقة للنفاذية باستخدام محاكاة الجريان.

English Abstract

Three-dimensional (3D) digital representations of porous rocks are increasingly used for pore-scale flow simulation, transport prediction, and microstructure–property analysis. In practice, however, access to full 3D micro-CT volumes may be limited by scanning time, field-of-view, beam-hardening artifacts, or cost, while two-dimensional (2D) thin-sections or 2D micro-CT slices are far more common. This thesis develops a 2D-to-3D reconstruction workflow that combines (i) segmentation-derived real grain silhouettes with (ii) a process-based packing algorithm, enabling the generation of physically plausible 3D granular media that preserve key statistical descriptors measured from a single 2D slice. The proposed method builds on classical process-based reconstructions such as Bakke and Øren, but replaces idealized spherical grains with 3D grains synthesized from segmented 2D grain silhouettes. Here, grain shapes are extracted directly from a segmented Doddington sandstone micro-CT slice and used to synthesize a library of 3D grains through correlated extrusion and intersection. These grains are then deposited into a 3D domain using a process-based settling rule with either high-energy (global) or low-energy (local rolling) placement. Compaction and a simple diagenesis step (distance-transform swelling) are applied to match a target porosity measured on the 2D reference image. Validation is conducted using multiple complementary measures. Traditional descriptors include porosity, two-point correlation functions (S2) computed along orthogonal directions, and pore-phase chord length distributions. Connectivity is evaluated through percolation tests in the three principal directions. In addition, Local Porosity Theory (LPT) is implemented to quantify scale-dependent heterogeneity and connectivity using the local porosity distribution μ(φ, r), the global percolation probability λ(r), and the conditional percolation probability λ(φ, r) as functions of measurement cell size r. Results on Doddington sandstone demonstrate close agreement between the 2D reference grain-size distribution and the 3D grain-library targets, visually realistic granular morphologies in reconstructed slices, and consistent trends in LPT signatures across length scales. The thesis concludes by discussing limitations of reconstructing 3D microstructure from a single 2D slice and proposes pathways for future enhancements, including multi-slice conditioning, anisotropy handling, and permeability-matched calibration using flow simulations.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum Petroleum > Reservoir Engineering and Management Petroleum > Reservoir Characterization Petroleum > Reservoir Modelling and Simulation
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Thesis Advisor:	Yuzhu Wang,
Thesis Committee Members:	Abdulazeez Abdulraheem, Hasan Khan,
Depositing User:	ZISHAN PATEL (g202409620)
Date Deposited:	12 May 2026 10:52
Last Modified:	12 May 2026 10:52
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144223