两种土壤大孔隙分布的比较

分别对南京和聊城土壤含有各种大孔隙的原状土柱以及含有一个已知直径大孔隙的填充土柱进行CT扫描实验，简单CT扫描原理和过程，对CT图像进行处理，得到两种土壤大孔隙横向与纵向的分布，分析比较它们的不同，结果表明不同土壤由于其形成机理和存在条件（例如气候和植被）的不同，大孔隙的分布各不相同。     

分形理论在描述土壤大孔隙结构中的应用研究

土壤大孔隙结构对土壤中水流及溶质运移以及地下水环境有着深刻影响。确定土壤大孔隙结构,可以很好地理解和预测水及溶质在有大孔隙土壤中的运移,保护地下水环境。由于土壤大孔隙的分布呈现分形规律,因此可以采用分形理论研究土壤大孔隙结构。根据CT对原状土柱各断面的扫描图像,得到了各断面土壤大孔隙的分形维数,为进一步研究土壤大孔隙的水力性质奠定了基础。     

分形理论在描述土壤大孔隙结构中的应用研究

土壤大孔隙结构对土壤中水流及溶质运移以及地下水环境有着深刻影响。确定土壤大孔隙结构，可以很好地理解和预测水及溶质在有大孔隙土壤中的运移，保护地下水环境。由于土壤大孔隙的分布呈现分形规律，因此可以采用分形理论研究土壤大孔隙结构。根据CT对原状土柱各断面的扫描图像，得到了各断面土壤大孔隙的分形维数，为进一步研究土壤大孔隙的水力性质奠定了基础。     

基于计算机X射线断层术与扫描电镜图像的黄土微结构定量分析

以湿陷性黄土的电镜扫描（SEM）和三轴CT扫描试验为基础,针对CT图像分辨率较低、难以实现土微结构精确量化的缺陷,通过对不同放大倍数的SEM图像进行图像分析,并从其中选择标准训练样本,利用训练样本对CT图像进行监督分类,从而达到定量化分析土的微结构的目的。通过比较CT图像基于自身灰度分级和基于SEM训练样本两种不同方法进行监督分类,结果表明基于SEM训练样本的CT图像监督分类,可以更好地量化监测黄土大孔隙、团粒、黏土集粒和矿物颗粒在固结剪切过程中的变化规律,从而为土的微结构研究提供了新的视角。     

基于显微CT图像的黄土微结构研究

黄土的工程性质与黄土的微结构特性密切相关。为了研究马兰黄土的二维孔隙特征和三维结构表征,实验土样用显微CT进行扫描,并重建三维图像。首先利用高斯滤波对切片图像进行降噪处理,接着用二值法对灰度图像进行统计得到二维孔隙特征,在此基础上重建三维图像,分别提取切块、团聚体和土颗粒的三维图像,得到它们的三维结构表征。研究结果如下:（1）对二维孔隙面积进行计数分析,土样的孔隙面积集中在0~2 000 μm2范围内;通过比较孔隙面积与总数的关系,可知中孔隙对土体的性质影响最大;对不同层面的孔隙比对比后,发现土体的孔隙分布在宏观上可视为均一的,微观上在土体的不同部位分布是不同的。（2）通过对三维图像进行分析,得到团聚体中土颗粒间有4种组合关系,分别为接触、连接、穿插和融合关系;土颗粒形态可分为4类,分别是椭球形、锥形、片形和条形。     

基于CT扫描的草炭土孔隙结构分析及渗流模拟

草炭土是在地表积水环境下植物残体经氧化和部分分解作用而堆积形成的一种特殊的腐殖质土。含大量植物纤维的草炭土具有高渗透性、高孔隙比、高含水率等不良工程地质特性。为了探究草炭土的孔隙特征与其孔隙内部的渗流规律,本文以吉林省敦化地区草炭土为研究对象,通过CT扫描技术获取草炭土样的CT序列图像。采用试凑法,通过Mimics的mask体积计算功能并结合土体的真实孔隙率确定了图像二值化的最优阈值,并得到了更接近土体的细观结构的三维重构模型。同时基于Lattice Boltzmann Method原理,在PALABOS代码库的基础上改编程序进行草炭土样的单相渗流模拟,研究了恒定压差下的土体的模拟渗透率值与渗流场的性质,并结合Paraview可视化软件分析了流线与流速在孔隙内的分布情况。研究结果表明:草炭土内部孔隙孔径大小不一,大孔径孔隙与小孔径孔隙形态各异,而植物纤维的架空状分布以及根状孔隙是土体内部形成大孔径孔隙通道的主要原因;流体在其内部流动时,优先以大孔径通道渗流,流线也集中于大孔径渗流通道,流体在大孔径通道内部的流速也高于散布的细小孔径,草炭土的渗透率主要取决于其内部大孔径的数量,因此草炭土的渗透率受到土中植物纤维的含量以及分解度的影响,植物纤维的含量越多,分解度越低,草炭土的渗透率越高,反之则越低。     

水及溶质在有大孔隙的土壤中运移的研究(Ⅱ):数值模拟

本文根据CT扫描得到的土壤大孔隙分布、离心机法测得的土壤水分特征曲线以及计算得到的土壤大孔隙和基质的饱和水力传导度和弥散度,采用新的数值方法模拟了水及溴离子在原状土中的运移,分析比较了模拟结果,得到了原状土溴离子在各时刻的运移图,定量分析了大孔隙的存在对水及溶质运移的影响和对地下水造成的污染。     

基于CT扫描的煤岩孔裂隙表征

煤岩中孔隙与裂隙的结构、形态等特征直接影响煤层气在煤层中的聚集和运移。为对煤岩中孔裂隙类型及孔裂隙的空间分布进行表征,选取宁武盆地中煤阶煤岩,利用微CT扫描技术对煤岩进行扫描获得CT图像,运用FDK算法重建煤岩的灰度图像并基于宏观孔隙度值对灰度图像进行二值化分割,对CT图像中的微裂纹目标进行了识别;利用CT扫描获得的图像依据煤岩中基质、孔裂隙及矿物组分均表现出不同的CT值分布,实现了煤岩中孔裂隙的三维建模,对煤岩中孔裂隙的尺度以及空间分布进行综合表征。研究成果为后期研究煤岩中气体吸附-解吸-渗流的多尺度过程奠定了基础。      

准中4区块致密砂岩孔隙结构特征研究

致密砂岩孔隙结构是影响储层物性、储集性能和渗流特性的主要因素,准确表征岩石的孔隙结构特征是储层评价的重要内容之一。为此通过岩心观察、CT扫描成像及其图像处理等对准噶尔盆地中部4区块董11井致密砂岩储层孔隙结构特征进行了定性及定量综合研究。研究结果表明,采用USM锐化、阈值选取及中值滤波法对微CT扫描灰度图像进行图像处理,可以更好地区分岩石内部骨架和孔隙的边界,提高了图像的分割精度;当数字岩心立方体模型边长在450体素时,孔隙度趋近定值;研究区致密砂岩储层储集空间主要以粒间孔隙和微裂隙为主,伴有少量的解理裂隙,孤立孔隙较多,孔隙形状复杂,分布不均匀;研究区致密砂岩连续截面面孔率分布不均匀,离散性强,在连续截面上面孔率频繁出现极大值与极小值（跳跃性较大）,容易在流体流动的过程中产生压降过大,造成部分孔隙喉道堵塞;研究区致密砂岩储层孔隙大小分布不均匀,孔隙直径在15~35 μm之间,占总孔隙数的60%左右,其面积占18%;直径在50~200 μm的孔隙数量占总孔隙数的20%,其面积占比达60%,为油气赋存提供了有利的储集空间。      

基于神经网络的页岩微纳米孔隙微结构分析的正则化和最优化方法

页岩气成藏机理与页岩内部孔隙结构紧密相关,对页岩孔隙结构的研究成为页岩气勘探开发技术中至关重要的一环。页岩内部不同结构体组分对X-射线的吸收能谱不一样,这样就导致观测数据是由不同页岩组分衰减不同波段的X-射线构成的。经过对CT图像分割,能够获得页岩微孔结构的图像,尤其是获得有机质中孔隙类别、形状、尺寸、空间分布、连通特性。本文利用同步辐射X射线扫描重构的页岩CT数据,研究并设计基于多能CT图像的神经网络图像分割技术和算法,以期得到页岩体三维结构特征及空间分布,可以为建立有机质种类和无机矿物组成与微纳孔隙特征的联系以及最终实现页岩气的资源储量评估和勘探开发提供技术支持。     

植被发育斜坡土体大孔隙三维重构模型渗流场的LBM数值模拟

以云南昭通头寨植被发育斜坡土体为研究对象,结合CT扫描试验与数字图像处理技术实现了其三维大孔隙空间结构模型的重构。然后基于格子Boltzmann方法（LBM）的D3Q19模型,将固体土骨架视为渗流场边界,并设置反弹格式的边界条件模拟土骨架与水分间的相互作用,从细观角度研究了水在植被发育斜坡土体大孔隙中的渗流特性。研究结果表明：土体渗流过程中,在大孔隙纵向连通的通道内形成了优先流,且通道中的流速远超其他部位;而在封闭或者连通性差的大孔隙中导水率极小,流速几乎为0。土体中大孔隙通道内的流速由孔壁至通道中心逐渐增大,且流速与至通道中心的距离近似呈二次抛物线的分布特征。沿深度方向土体切片大孔隙率大的截面平均渗流流速Uz也较大,从整体变化趋势来看,截面大孔隙率与平均渗流流速有相似的变化规律,这充分说明植被发育斜坡土体内的大孔隙分布对土壤沿深度方向的渗流特性有重要影响。     

应用CT扫描研究非饱和砂土中污染物的迁移规律

应用CT扫描技术对两种稳定非饱和状态的砂土试样分层进行扫描,得到不同深度CT扫描层图像,采用Image J图像处理软件将CT图像转化为CT数均值,然后在稳定非饱和试样中分别间断性连续注入污染物KI溶液,测定不同时间间隔CT扫描图像,计算注入污染物先后扫描图像结果的差值,建立CT数均值和污染物迁移之间的关系,研究污染物在非饱和砂土中的运移特征,得出非饱和砂土中污染物浓度随时间和深度的变化规律,对研究其他介质中污染物的迁移具有重要的指导作用。     

雷家地区沙四段致密油储层特征研究

雷家地区沙四段致密油的开采和研究刚刚起步,在地质认识方面尚不够深刻。本文通过对雷家地区沙四段岩芯观察、XRD衍射、铸体薄片、场发射扫描电镜、氩离子抛光扫描电镜、CT扫描及氮气吸附等方法对沙四段储层地质特征展开系统分析,结果发现:该区主要发育白云岩,根据组成矿物含量的不同可分为白云岩类、方沸石岩类和泥岩类3大类15种岩;孔隙度分布范围1.68%～11.65%,渗透率介于0.01～6.35mD,属于特低孔特低渗型储层;储集空间类型多样,主要发育溶蚀孔、晶间孔、有机质孔裂缝,该区孔隙结构较复杂,存在少量大孔,但主要由纳米孔组成,孔隙分布较为分散,喉道数量少,连通性差;根据该段储层孔隙结构及储集空间分布特征,将该段储层分为孔隙型、裂缝型和裂缝-孔隙型3类,其中孔隙型储层孔隙分布较为分散、连通性较差,裂缝型储层岩性主要为泥岩类,裂缝-孔隙型储层物性相对较好且主要发育在杜家台段。     

基于工业CT扫描的岩芯裂缝结构表征

为了研究泥页岩中裂缝的发育特征,利用工业CT技术对句容盆地的页岩岩芯进行扫描,并使用数字处理技术对页岩的CT扫描图像进行分析,通过VGStudio MAX对CT扫描数据进行重建体模型及裂缝提取,更好的在三维尺度上研究不同矿物组成成分的页岩中裂缝的结构和发育情况及工业CT扫描图的区别。结果发现岩芯中主要存在两组不同走向及倾角的裂缝,一组高角度裂缝,倾角约为70°~90°;一组低角度裂缝,倾角约为30°~40°。依此推测句容盆地在志留纪鲁丹阶以后至少经历两次构造运动。对比不同的矿物组成成分的页岩研究发现,当岩石样品的矿物组成密度差别越大时,工业CT扫描就会越清晰;当岩石样品颗粒度越大时,扫描的效果就会越明显。     

饱和细粒土固结过程的三维孔隙演化特征

孔隙作为软土的重要组成单元,在软土性质发生改变时其变化最直接、最明显。研究软土固结过程中孔隙演化特征,对于认识软土排水固结机制具有重要理论意义。本文对大亚湾饱和细粒土在梯度压力下的孔隙结构进行微纳米尺度定量分析:将圆柱形土样进行真空冷冻升华干燥,利用同步辐射显微CT获取分辨率1.625μm的二维切片,应用Avizo软件的灰度阈值截断法将二维切片重建三维结构,采用形态学算法对三维孔隙结构进行量化和表征。研究表明:自沉状态下超过90%孔隙的等效直径为4～10μm,只有少数孔隙的等效直径大于40μm;土样在100kPa压力作用后,大孔隙数量迅速减小,小孔隙数量迅速增加,表明初始状态下孔隙对压力最为敏感;大中孔隙容易被压缩消灭或被分裂为小微孔隙;随压力增加孔径变化趋于平缓,小孔隙和微孔隙占优势,孔隙的抗压能力与大小成反比。经梯度压力作用后土体从絮凝结构逐渐变成片叠结构,颗粒之间平行排斥,孔隙丰度逐渐减小,形状变得细长,方向趋于水平。本研究利用同步辐射显微CT技术结合三维可视化软件Avizo,建立具有真实孔隙结构特征的软土三维模型,从微纳米尺度分析了饱和细粒土的固结蠕变机理。     

水分迁移对冻土细观结构的影响

冻结作用导致土体中产生了水分迁移,从而改变了土体密度,进而改变了土体结构性及其物理力学性质。利用CT设备,对冻融前后的土样进行CT细观试验,通过CT数变化定量分析土样的损伤程度,反映冻土结构的变化。结果表明：冻结过程中同时发生了裂纹的张开与闭合,冰透镜体位置裂纹数量在冻结后明显增加。冻结区土样在水分迁移并结晶的作用下被切割成多个多边形,造成土样孔隙增大,导致CT数减小,损伤量增大。融土区土体在冻胀力作用下产生了一定的固结,使得其密度增大,CT数增大,损伤量表现为负值。上部荷载对土体损伤有抑制作用,而冻融作用却加剧了土体损伤。     

基于Weibull分布的黄土状土的单轴损伤模型

通过扫描电镜和偏光显微镜对不同方向切面试样的观察,分析了损伤前后黄土状土微观结构的变化。分析结果表明:受力前黄土状土呈粒状架空接触结构,石英、长石、伊利石及高岭石等矿物在试样中分布杂乱无定向性。黄土状土的单轴压缩过程分为3个阶段:第一阶段为压密阶段,此阶段土体中微裂隙闭合,大孔隙变成为微孔隙; 第二阶段为峰值应力前开始损伤阶段,此阶段土体微结构转为镶嵌微孔微胶结结构,颗粒之间产生滑移,原有和新生的小裂隙变宽、变长; 第三阶段峰值应力后损伤快速发展,孔洞、裂隙连通,矿物发生明显定向。在此基础上,利用黄土状土微元强度服从Weibull随机分布的特点,运用统计损伤理论,并考虑到黄土状土的含水率、损伤门槛的影响,建立了考虑损伤门槛的损伤本构方程。以黄土状土的单轴压缩试验结果作为实例,进行了验证。理论计算结果与试验结果对比表明,该模型能够较好地描述黄土状土的变形破坏全应力-应变试验曲线。