微焦点X射线计算机层析(CMT)及其在石油研究领域的应用

工业微焦点ＣＴ的Ｘ射线源焦点尺寸小于５微米,成象分辨率明显优于常规焦点ＣＴ。在石油勘探开发研究中;微焦点ＣＴ在许多技术领域进行了应用,取得了崭新的成果：（１）确定岩心的基本物理参数—计算和描绘密度、孔隙度、流体饱和度分布;（２）描述岩心的微观特征—直观描述岩石内部孔隙结构和流体分布特征;（３）特殊油藏岩心分析评价—观察碳酸岩、火成岩等内部一些常规技术无法获得的特征;（４）岩心驱替和提高采收率分析—重建油水在岩心内部的宏观分布状态;（５）其他方面的应用—岩心筛选、地层伤害评价、岩石力学评价等。     

单极300kV微焦点X射线管的工业CT系统简介

2009年3月,德国Wunstorf和GE传感与检测科技的菲尼克斯X射线（phoenix｜x—ray）家族推出了v｜tomel｜xL300工业CT系统,这是全球第一款可以通过300kVX射线管获得1μm分辨率的CT系统,若采用温度稳定的GE数字平板探测器,可获得更高对比分辨力,对于因结构复杂而不能使用光学或坐标测量机检测的部件,     

基于同步辐射X射线CT的无烟煤样孔隙分布表征

本文利用同步辐射X射线对一沁水盆地无烟煤样在24 keV的能量下进行了成像,并重构得到其CT切片。分别采用数字地形模型（DTM）和数据约束模型（DCM）对样品的CT切片进行分析。研究结果表明,对本文所用煤样,DTM计算得到的煤样孔隙率与真密度和视相对密度实验法测得孔隙率较为接近,但利用DTM确定的阈值进行阈值分割提取到的样品孔隙率与DTM计算所得孔隙率之间偏差较大。DCM计算得到的孔隙率与DTM计算得到的孔隙率及实验测试结果均较为接近。DCM模型考虑了样品CT成像过程中的部分体积效应,得到小于CT体元的孔隙分布信息,在一定程度上拓展了CT成像技术的表征尺度。DCM计算结果显示,煤样中孔隙更多与煤基质和矿物组分以部分占据CT体元的形式存在。     

基于微CT技术的砂岩数字岩石物理实验

数字岩石物理技术可弥补传统岩石物理实验的诸多不足,为岩石物理学研究提供一个新平台.本文以常规砂岩为研究对象,利用微CT扫描结合先进的图像处理技术建立了具有真实孔隙结构特征的三维数字岩芯模型;应用Avizo软件内含的多种形态学算法进行数字岩芯孔隙结构量化及表征研究,统计获取了孔隙度、孔隙体积分布及孔径分布特征,建立了等价孔隙网络模型;将Avizo与多场耦合有限元软件Comsol完美对接,实现了孔隙尺度的渗流模拟并计算获得绝对渗透率,对于考虑固相充填孔隙的情况,模拟计算了岩石有效弹性参数,并与近似Gassmann方程良好验证.本文所提出的将Avizo与Comsol结合使用的方法丰富了现有的数字岩石物理研究手段,为其大规模发展提供了一条新途径.     

基于稀疏约束的地震数据高效采集方法理论研究

随着地震勘探目标复杂化和精细化程度的提高以及“两宽一高”等采集技术的广泛应用,当前地震数据采集的时间越来越长、成本越来越高.针对此问题,本文基于压缩感知理论开展了地震数据高效采集方法的改进和探索研究.根据波动方程解的一般表示式,从波场传播的角度给出了地震数据具有稀疏性的数学物理依据及寻找适应地震数据稀疏变换的一般方案;在稀疏性先验信息的指导下,发展了具有“蓝色噪声”频谱特征的改进的分段采样方法,并基于最优化理论提出了地震数据重建方法.地震数据的稀疏性理论、稀疏约束下的高效采集方法以及地震数据的重建方法构成了相对完善的地震数据高效采集理论.把该理论用于指导地震数据采集,即利用稀疏约束的随机采样方法改变常规规则密集测网中炮点和检波点（或二者之一）的分布,设计了三种随机且均匀的高效采集测网,提出了利用相应测网获取的地震数据重建为常规规则密集测网地震数据的针对性方案,并使用重建精度、高效采集数据的直接成像和重建后再成像的结果对比证明了上述重建方案的有效性.基于Marmousi模型的高效采集试验检验了本文构建的基于稀疏约束的地震数据高效采集方法理论框架在提高当前地震数据采集效率、降低勘探成本上的优势以及方法的有效性和可行性.     

基于数据空间和稀疏约束的三维重力和重力梯度数据联合反演

随着重力和重力梯度测量技术的日趋成熟,基于重力和重力梯度数据的反演技术得到了广泛关注.针对反演多解性严重、计算效率低和内存消耗大等难点问题,本文开展了三维重力和重力梯度数据的联合反演研究,该方法结合重力和重力梯度两种数据,将L0范数正则化项加入到目标函数中,并在数据空间下采用改进的共轭梯度算法求解反演最优化问题.同时,本文摒弃了依赖先验信息的深度加权函数,引入了自适应模型积分灵敏度矩阵,用来克服因重力和重力梯度数据核函数随深度增加而衰减引起的趋肤效应问题.为了提高反演计算效率,本文又推导出基于规则网格化的重力和重力梯度快速正演计算方法.模拟试算表明,改进的共轭梯度法可以降低反演的迭代次数,提高反演的收敛速度;自适应模型积分灵敏度矩阵,可以有效解决趋肤效应,提高反演纵向分辨能力;数据空间和改进的共轭梯度算法结合,可以更好地降低反演求解方程的维度,避免存储灵敏度矩阵,有效地降低反演计算时间和内存消耗量.野外实例表明,该算法可以在普通计算机下快速地获得地下密度分布模型,表现出较强的稳定性和适用性.

     

基于广义模型约束的时间域航空电磁反演研究

由于航空电磁具有海量数据,因此快速有效的成像和反演手段至关重要.本文针对层状介质模型推导与实现了广义模型约束条件下时间域航空电磁一维反演.从正则化反演的目标函数出发,通过改变模型约束项构造Lp范数反演和聚焦反演,进而通过改变模型求解域构造出基于小波变换的稀疏约束反演.针对不同反演方法目标函数的构建方式,本文进一步从数学原理上分析不同反演方法的预期效果,并通过理论模型和实测数据进行验证.结果表明L0.8范数反演、聚焦反演和基于小波变换的稀疏约束反演可以得到更符合地下层状介质陡变界面的反演结果.

     

基于CT图像分析建立岩土材料数值模型的方法研究

根据材料内部真实结构建立数值计算模型是岩土力学研究的一个热点。本文针对不同材料内部结构特征,介绍了等效图形法与边缘矢量化两种建模方法,并以自制孔隙岩土材料和混凝土的CT图像为例,说明了两种建模步骤。分析表明:当图像的灰度直方图具有明显双峰或多峰结构时,特征区域易分割;而当灰度直方图为单峰结构时,可以通过数学形态学的top-hat方法进行图像增强,以方便特征区域的提取。对于孔隙结构,可以利用等效圆或等效椭圆表征,建立相应的数值模型;而当内部结构复杂时,可利用特征边缘矢量化方法进行建模。本研究为如何建立反映岩土材料内部真实结构数值模型提供了方法。     

基于稀疏约束反演的三维混采数据分离

混合震源采集技术相对于传统的地震数据采集,在极大提高采集效率的同时引入了混叠噪声,很大程度上影响了成像结果的精度.二维混采数据中,我们通常利用混叠噪声在非共炮域呈非相干分布这一特点来压制混叠噪声,从而实现混合震源数据分离.相对于二维混采数据,三维混采数据具有数据量巨大,构建混合震源算子困难,混合度的增加引入了高强度混叠噪声的特点.针对上述问题,本文采用稀疏约束反演方法在Radon域实现混采数据分离,混叠噪声强度比较大的情况下,稀疏约束反演方法能够得到更高精度的分离结果;利用震源激发的GPS时间通过长记录的方式在共接收点道集对上一次迭代分离结果做混合、伪分离,实现了单个共接收点道集自身混合、伪分离,避免了对整个数据做运算,同时不需要构建混合震源算子.通过模拟数据和实际数据计算来验证上述方法的适用性.

     

基于图像分割的双能CT不完备数据重建算法优化研究

本文针对基于图像分割的双能CT不完备数据重建算法,提出了图像分割过程和方程组求解环节是优化算法的两个关键点,同时给出了初步优化方法。初步实验结果表明这两方面因素选取的优劣将直接影响重建图像质量。因此,根据实际应用需求,如能改善这两方面因素,基于图像分割的双能CT不完备数据重建算法的重建性能将会进一步提高。     

显微CT技术在古代料珠研究中的应用——以河南淅川县马川墓地出土料珠为例

本文首次运用显微CT技术对中国早期料珠进行研究。X-射线衍射(XRD)及CT切片分析结果表明,河南淅川县马川墓地出土的料珠为玻璃珠,与西周时期的釉砂珠在结构上存在显著区别。显微CT技术为料珠材质的鉴定提供了一种新方法。结合玻璃珠的三维模型表明,战国时期玻璃珠内的气泡以球形为主,内部存在许多细小不规则的空隙,应是采用模压法工艺制造;这是在研究中首次发现战国时期采用模压法工艺制造玻璃珠。西汉时期玻璃珠内的气泡是纺锤状,应是采用拉制法工艺制造。显微CT技术能清晰无损地揭示古代玻璃珠内部结构特点,显示了该技术在古代玻璃珠制造工艺研究中有着广阔的运用前景。     

高分辨锥束CT并行重建算法在基于NVDIA GPU显卡计算平台上的实现

目的:探讨高分辨率锥束显微CT断层重建中引入并行计算的必要性及其加速效果。方法:在具有并行计算功能的GPU显卡(NVIDIA QUADRO K5000显卡,显存4G)中为投影图像和重建体数据分配显存空间,每一个像素分配一个线程进行投影图像的各种校正和滤波,再给每个体素分配一线程进行反投影重建,在显存中实现全部断层重建。程序使用C++面向对象方法实现,内核函数用CUDA实现。结果:重建体数据大小是2 048×2 048×128,每个体素用32位浮点数记录,实验采集1 800张投影,每张投影图像大小为2 048×1 536,重建时间小于9 min,是图像采集时间的1/3,是基于CPU重建耗时的2%。将GPU并行重建得到的图像和CPU单线程重建图像结果进行对比,数据结果一致,满足实验设计的要求。结论:并行计算引入高分辨锥束CT重建可大大提高重建速度,并且能实现采集与重建同步进行。     

不同预冻速率对猪主动脉冻干过程的影响

本实验将猪主动脉血管的冷冻干燥与微CT扫描结合,对不同的预冻速率下的猪主动脉血管及冻干各阶段进行非侵入地扫描,并利用软件得到的孔隙率与灰度值,比较出不同处理方法对血管造成的差异。其中,预冻过程降温速率为0.5℃·min^-1,1℃·min^-1,2℃·min^-1的血管冻干前后孔隙率的变化率分别为11.9%,16.6%,29.7%;平均灰度值的变化率分别为2.27%,3.64%,6.36%。同时,也对升华过程的界面移动进行了扫描,从血管组成结构的角度分析了造成界面移动变化的原因。     

基于地图计算的流域水文过程模拟--以太湖流域上游西苕溪流域为例

利用 PcRaster 的环境动态模拟语言，基于地图运算和网格之间水流运动的模拟，开发了水文过程模拟模型，选择 太湖流域上游的西苕溪流域进行试验，用实测资料对模拟结果进行了验证，结果表明模型模拟结果与实际是符合的．本 模型可以用于流域的物质迁移、污染物迁移、人类活动的环境影响变化等的模拟．在此水文过程模拟的基础上，只要叠加 网格上的物质产出率，就可以很容易得到子流域出口的物质通量的变化和其在流域上的空间分布，集成各个子流域过程， 就可以得到流域出口断面的物质通量的变化．     

基于随温度变化的热系数模拟板块俯冲动力学过程

热传导系数和热膨胀系数是影响板块俯冲动力学过程的两个重要参数. 由于地球介质的不均匀性,热系数也会随深度发生变化.然而,这种变化在地球动力学模拟研究中往往被忽略.本文针对随温度变化的热传导系数和热膨胀系数, 模拟板块俯冲的动力学过程,分析热系数、黏度对板块俯冲形态的影响及其对应的地幔对流特征.结果表明,依温度变化的热传导系数和热膨胀系数会影响地幔温度及黏度分布,进而改变板块的俯冲角度;黏度是控制板块俯冲动力学演化过程的重要因素;地幔对流受黏度结构的影响,呈现分层对流及局部多个对流环等多种不同形态的对流场特征.     

土壤水环境中有机污染物生物处理过程模型研究

生物处理是一种经济有效处理土壤水环境中有机污染物的手段,本文在研究土地生物处理过程的基础上,建立了综合描述有机污染物在土壤－水－微生物系统中扩散、吸附／解吸、屏蔽和生物降解过程的数学模型。为确定模型中各参数在模型计算中的作用和相对重要性,进行了参数灵敏度分析,预计数学模型可以定量预测有机污染物进行土地生物处理所需的要时间和程度,为构建土地生物处理工程提供参考。     

显微CT的发展及其对美容-保健的影响

本文评述美国五家公司的显微CT（以下简称MCT）的现状和发展趋势,在颅凳面病人实际行皮肤切片,显示薄层细胞的基础上,结合MCT做二维和三维的CT成像,成立体,详尽和精确地显示皮肤表层5－10毫米,机体组织三维解剖结构,包括表皮,真皮、脂肪、动脉、静脉的空间分布及其相互关系,探讨显微CT和螺旋CT机在其成像分辨率提高的进程,再现美容病体模型的程度可达到亚微米级的精度,为掌握病情并制定合理的手术计划提供了重要依据,提高－整形的效果,实现全方位扫描和精密三维重建技术在颅凳面皮肤美容和减肥的适应症的应用价值。结果：显微CT三维重建技术是现代皮肤美容和保健的主要诊断方法之一,并具有重要的临床应用价值;近年来工业微焦点CT机其空间分辨率已达5－15微米,已发展了用于生物医学的研究,今后对可皮下组织作精细的CT成像,以了解形整美容,减肥,对当前的美容和保健产品给予在亚微米级,从细胞发育情况的定量评价,表述其CT影像的微观结果。     

基于有限元数值分析的木结构抗震性能分析及其在建筑中的应用

为了提高木结构抗震性能分析的精度,采用多尺度建模分析方法对木结构进行抗震分析。利用多点约束方法分别将榫卯节点和梁柱构件设定为关键区域和非关键区域。采用多尺度的建模思想,对关键区域采用实体单元进行精细尺度建模,而非关键区域则采用梁单元进行普通尺度建模,再通过不同尺度实现宏观结构模型和局部微观模型的相互协调,比较不同尺度下的实体单元和梁单元建模在抗震中的性能。实验结果表明,多尺度的有限元数值分析能够模拟木结构的整体动力响应和精确分析边界条件。通过多尺度、大范围的分级建模能够构建局部和全局的抗震性能分析的过程,精度较高,可提升抗震分析的效率。     

中国木结构古建筑抗震性能的研究

以殿堂式木结构为研究对象,通过理论分析和数值模拟推导出了榫卯节点和铺作层之间的半刚性单元的刚度矩阵,即采用组合式弹簧单元模拟柱脚与础石、榫卯节点和铺作层之间的连接单元,给出了动力方程,并通过对<营造法式>中的殿堂和厅堂模型结构的分析,求解出了结构各个层面的地震动力放大系数,为木结构古建筑的保护、维修和加固提供理论依据和技术参考,对现代建筑结构抗震研究也具有借鉴意义.