Машинное обучение помогает увеличить временное разрешение X.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 10529 (2023) Цитировать эту статью

560 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Многие технологии недропользования или природные процессы приводят к изменению свойств пористой среды, таких как пористость или проницаемость, со временем. Изучению и пониманию таких процессов в масштабе пор во многом помогает визуализация деталей геометрических и морфологических изменений в порах. Для реалистичных трехмерных пористых сред предпочтительным методом визуализации является рентгеновская компьютерная томография (XRCT). Однако необходимое высокое пространственное разрешение требует либо доступа к ограниченному высокоэнергетическому синхротронному оборудованию, либо времени сбора данных, которое значительно больше (например, часы), чем временные масштабы процессов, вызывающих изменение геометрии пор (например, минуты). Таким образом, до сих пор традиционные настольные технологии XRCT зачастую слишком медленны, чтобы позволить изучать динамические процессы. Прерывание экспериментов для выполнения сканирования XRCT также во многих случаях является нежизнеспособным подходом. Мы предлагаем новый рабочий процесс для исследования процессов динамического осаждения в системах пористых сред в 3D с использованием традиционной технологии XRCT. Наш рабочий процесс основан на ограничении времени сбора данных за счет уменьшения количества проекций и улучшения реконструированных изображений более низкого качества с использованием алгоритмов машинного обучения, обученных на изображениях, реконструированных на основе высококачественных сканирований на начальном и конечном этапах. Мы применяем предложенный рабочий процесс для индуцированного осаждения карбонатов в образце пористой среды из спеченных стеклянных шариков. Таким образом, мы смогли достаточно увеличить временное разрешение, чтобы изучить временную эволюцию накопления осадка, используя доступное настольное устройство XRCT.

Подземные резервуары все чаще используются для хранения жидкости, а многие из применяемых технологий связаны с производством или хранением энергии, что часто противоречиво обсуждается в обществе1. Многие недавние работы по недропользованию направлены на хранение энергии в форме сжатого воздуха CH\(_4\) или H\(_2\), чтобы справиться с нестабильным производством возобновляемых источников, таких как ветер и солнечная энергия2, или непосредственно бороться с изменением климата путем секвестрации CO\(_2\)3.

Жидкости, хранящиеся в недрах, в некоторых случаях могут вытекать из целевого резервуара. Это снижает эффективность хранения и потенциально может представлять угрозу для окружающей среды или других видов использования недр1. Индуцированное осаждение карбонатов (ICP), вызванное, например, ферментативным или микробным путем (E/MICP), представляет собой новую технологию уменьшения таких утечек, эффективность которой также была доказана в полевых экспериментах4,5,6,7,8.

ICP имеет множество дополнительных применений, таких как укрепление грунта, восстановление, борьба с эрозией и многое другое9,10,11,12. В последние годы все чаще проводятся полевые и крупномасштабные применения ICP с целью изменения свойств почвы13,14,15,16,17,18. Хотя изменения проницаемости не представляют особого интереса при армировании грунта, осадков может быть достаточно, чтобы повлиять на пути потока и, следовательно, на транспорт реагентов в более крупных масштабах, что делает точные соотношения пористости и проницаемости важными даже для применений, не связанных с уменьшением утечек. ИКП. Ферментативно-индуцированное осаждение карбонатов (EICP) является одним из возможных методов достижения ICP, но существует множество других методов, вызывающих осаждение карбонатов19. Во время ЭИКП фермент уреаза катализирует реакцию гидролиза мочевины (\(\mathrm{(NH_2)_2CO}\)) до аммиака (\(\mathrm{NH_{3}}\)) и углекислого газа (\(\mathrm {CO_2}\)). Эта реакция увеличивает pH, поскольку водные растворы аммиака становятся щелочными. Все более и более щелочной раствор приводит к увеличению концентрации карбоната (\(\mathrm{CO_{3}^{2-}}\)), поскольку он является доминирующей разновидностью неорганического углерода в условиях высокого pH. В присутствии кальция (\(\mathrm{Ca^{2+}}\)), высокие концентрации карбоната приводят к осаждению карбоната кальция (\(\mathrm{CaCO_{3}}\)). Общая реакция EICP: