岩石、岩心中三维容积成像检测方案(工业CT)

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SkyScan 1172 micro-CT 扫描图像原理说明及部分岩石孔隙和油水识别成果介绍 Fig 0.0 SkyScan 1172 m-CT扫描仪设备实拍图片 1扫描基本原理介绍 任何X射线投射影像都符合三维物体的二维投射原则。最简单说来，我们可以把其近似看作为X射线平行光束，则投射影像的每一点都包含三维物体对相应X射线光束吸收程度的综合信息。 从几何学角度分析，一系列一维的投射线重构成二维影像，而二维影像又重构为三维影像(Fig 1.1)。 Fig 1.1：平行光束几何学 下面举例说明样品的二维重构原理。假设我们的样品在只有一个X射线吸收点(Fig 1.2， 左)，在一维投射直线影像中，吸收强度明显减弱(右)。现在我们初始化计算机存储器，其中一个空的像素数组会被用于储存投射影像数据，要求样品要整个处于照相机视野里(投射影像区域)。因为我们一旦有了物点的投射影像，就能在计算机存储器中记录下所有物点重构区域。 Fig 1.2：对物体3个不同方向的投射数据及其相应重构情况示意图 现在我们使样品以一定的角度为旋转步长，从不同角度获取样品投射影像后，一个新的投射影像就会存储在计算机存储器里。所有这些影像都累加到重组区域它们相应的位置中，这项操作就称作“作京 (back projection)”。从多个不同角度扫描就能获取更多多射影像，影像数目的多少可决定影像重组的质量( Fig1.3)。 Fig 1.3：以渐增的角度对物点进行重构 在对一定数量的若干投射影像进行重构的前提下，我们可以获得高清晰度的影像，即使是样品内部的结构也清晰可见。实际上并不存在能产生绝对平行光束的X射线光源，通常用到的的是点光源和扇形X射线光束。对于X射线断层摄影技术，解决方法是重新排列影像信息。从若干不同角度的扇形光束各取出一部分可重新组合为新的类平行光束， 见fig 1.5。 Fig 1.5： X射线扇形光束重排为平行光束 Fig 1.6：扇形光束几何学 在扇形光束几何学中 (fig 1.6)，重构图像中远离光轴的部分会出现一些失真。为了解决这个误差的问题，我们我用三维锥形光束重构法则(例如Feldkamp法则)来把物体的厚度考虑进去。 换句话来说，从前到后穿透物体的光束投射到照相机感应器上时不在同一直线上，见fig 1.7。因而截面重构最快的一个截面就是位于光轴的截面，因为不用涉及到厚度信息。 Fig 1.7：锥形光束几何学 在X射线扫描过程中，所得影像还包含了三维物体中X射线强度衰减信息，但X射线吸收是个指数幂的过程，我们能用对数公式修正影像的线性吸收信息。此操作是非线性的，因而任何信号范围内的噪声都有可能对重构造成明显误差，然而可以用原始数据的平均值协同对数计算结果来减低误差。同时，我们也试图用减低信号噪声来尽可能获取最可靠的信息。另一个在图像重构过程中减低噪声的有效方法就是上述的在噪声峰值处添加“负吸收”补偿，进行背投褶积(convolution)，因而正确选择参数对于保证噪声减除质量尤为重要。 SkyScan 1172是新一代桌面micro-CT的代表，在机械构造方面有了新的改进，样品台和X射线照相机均可以移动，这一改进空前的使图像分辨率、样品大小限制、扫描速度和样品量等参数达到最佳结合点。SkyScan 1172创新的可调节设计特别有利于中等分辨率水平，此时扫描速度会是旧型号的十倍左右(获取同样的或更好的图像质量)。 1172配有2种X射线照相机可供选择：—一种是高性能型的1000万像素相机，另一种是经济型的130万像素照相机。1000万像素的照相机可以满足各种扫描功能，图像视野宽度达68mm (双重图像模式)或35 mm(标准图像模式)，能达到1 um以下的分辨率。扫描样品的高度限制是大约70mm， 单个样品或一系列批量较小样品均可。 2目前阶段成果介绍 2.1岩心参数随孔隙流体压力变化规律研究 为研究随孔隙内流体压力上升岩心孔隙结构的变化规律，对进行了压力敏感 实验的岩心进行了 CT 扫描。在恒定围压条件下，随孔隙内流体平均压力在原始压力条件下逐渐上升，对不同渗透率级别的岩心进行了孔隙流体压力敏感性实验，原始压力条件 CT 扫描图片和最高压力条件下 CT 结构扫描图片见图1，孔隙结构参数变化结果见表1。 图2.1流体压力为 8.035Mpa 和流体压力为 16.045MPa岩心图片 为研究随着孔隙内流体压力下降岩心结构参数的变化，对上述进行降低孔隙流体压力的岩心进行 CT结构扫描。岩心的 CT 结构扫描图片见图2，孔隙结构分析结果见表2. 对渗透率大于 2.5×10°um的岩心，在恒定围压条件下，岩心孔隙结构随着地层孔隙内流体压压的在原始压力条件下逐渐下降的 CT 结构扫描分析结果见 图2.2流体压力为8.035MPa 和流体压力 为 2.09MPa 岩心图片 表1岩心孔喉参数和孔隙流体压力关系(压力上升) 序号 孔隙流体压力/MPa 14-1(0.45×10um) 8-1(4.46×10um) 14-3(10.46×10°um) 孔隙度/% 孔隙直径/um 平均配位数 孔隙度/% 孔隙半径 /um 平均配位数 孔隙度/% 孔隙直径/pm 平均配位 数 1 8.035 15.2 3.28 2.13 16.4 1.62 2.61 14.29 3.28 2.8 2 10.085 15.21 3.28 2.1 16.41 1.63 2.63 14.3 3.28 2.81 3 11.935 15.2 3.28 2.09 16.43 1.64 2.67 14.3 3.28 2.83 4 14.075 15.22 3.282 2.12 16.45 1.64 2.68 14.31 3.282 2.84 5 16.045 15.22 3.284 2.13 16.45 1.64 2.69 14.31 3.284 2.85 表2岩心孔喉参数和孔隙流体压力关系(压力下降) 序号 孔隙流体压力/MPa 14-2(0.45×10°um) 31-6(5.02×10um) 49-7-1(15.30×10um) 孔隙度/% 孔隙直径/pm 平均配位数 孔隙度/% 孔隙半径/um 平均配位数 孔隙度/% 孔隙直径 平均配位 /um 数 1 8.035 15.21 1.5 2.21 16.4 1.75 2.51 21.01 3.34 2.7 2 7 14.99 1.28 2.21 16.37 1.75 2.46 21 3.2 2.64 3 6.075 14.95 1.38 2.13 16.34 1.75 2.43 21.01 3.16 2.61 4 5.095 14.94 1.22 2.1 16.33 1.75 2.31 21 3 2.56 5 3.995 14.91 1.04 2.08 16.32 1.75 2.28 21 2.82 2.54 6 2.09 14.9 0.84 2.02 16.32 1.75 2.24 21 2.62 2.53 2.2 CT扫描对岩石孔隙三维重构应用 通过 CT 扫描设备获取样品结构信息后，进行了二维孔隙信息的识别和测量，获取了孔隙结构尺寸信息(见图2.3和图2.4)。同时为了对比岩心内部不同位置的孔隙结构，直接进行二维空间结构识别，识别图象见图2.1和图2.2。为了从三维空间了解岩石的发育规律和变化，进行了岩石样品的三维空间结构重构，岩石整体重构图见图2.5，岩心骨架重构结果见图2.6，三维模型直观的反映了岩石的发育状况，为孔隙空间发育规律研究提供了有利工具。 图2.3岩心孔道连通状况识别界面 图4扫描材料孔隙结构分析界面 图5 CT扫描重构三维模型 图6岩心三维模型骨架发育 X射线显微CT：最先进的无损三维显微镜显微CT即Micro-CT，为三维X射线成像，与医用CT（或“CAT”）原理相同，可进行小尺寸、高精度扫描。通过对样品内部非常细微的结构进行无损成像，真正实现三维显微成像。无需样本品制备、嵌入、镀层或切薄片。单次扫描将能实现对样品对象的完整内部三维结构的完整成像，并且最后可以完好取回样本品！特点：最先进的扫描引擎—可变扫描几何：可以提高成像质量，或将扫描时间缩短1/2到1/5支持重建、分析和逼真成像的软件套件自动样品切换器技术规范：X射线源：20-100kV，10W，焦点尺寸＜5μm@4WX射线探测器：1600万像素（4904×3280像素）或1100万像素（4032×2688像素）14位冷却式CCD光纤连接至闪烁体标称分辨率（最大放大率下样品的像素）：1600万像素探测器＜0.35um；1100万像素探测器＜0.45um，重建容积图（单次扫描）：1600万像素探测器，最高14456×14456×2630像素                                          1100万像素探测器，最高11840×11840×2150像素扫描空间：最大值：直径75mm，长70mm辐射安全：在仪器表面的任何一点上＜1 uSv/h外形尺寸：1160（宽）×520（深）×330（高）毫米（带样品切换器高440毫米）重量：150千克，不含包装电源：100-240V / 50-60Hz，典型值：在最大X射线功率下为90W