Imaging and modeling of pore scale processes in porous media using X-ray computed tomography and lattice Boltzmann solver

In der Erdol– und Gasindustrie sind bildgebende Verfahren und Simulationen auf der Porenskala im Begriff Routineanwendungen zu werden. Ihr weiteres Potential lasst sich im Umweltbereich anwenden, wie z.B. fur den Transport und Verbleib von Schadstoffen im Untergrund, die Speicherung von Kohlendioxid und dem naturlichen Abbau von Schadstoffen in Boden. Mit der Rontgen-Computertomografie (XCT) steht ein zerstorungsfreies 3D bildgebendes Verfahren zur Verfugung, das auch haufig fur die Untersuchung der internen Struktur geologischer Proben herangezogen wird. Das erste Ziel dieser Dissertation war die Implementierung einer Bildverarbeitungstechnik, die die Strahlenaufhartung der Rontgen-Computertomografie beseitigt und den Segmentierungsprozess dessen Daten vereinfacht. Das zweite Ziel dieser Arbeit untersuchte die kombinierten Effekte von Porenraumcharakteristika, Porentortuositat, sowie die Stromungssimulation und Transportmodellierung in Porenraumen mit der Gitter-Boltzmann-Methode. In einer zylindrischen geologischen Probe war die Position jeder Phase auf Grundlage der Beobachtung durch das Vorhandensein der Strahlenaufhartung in den rekonstruierten Bildern, das eine radiale Funktion vom Probenrand zum Zentrum darstellt, extrahierbar und die unterschiedlichen Phasen liesen sich automatisch segmentieren. Weiterhin wurden Strahlungsaufhartungeffekte von beliebig geformten Objekten durch einen Oberflachenanpassungsalgorithmus korrigiert. Die Methode der „least square support vector machine” (LSSVM) ist durch einen modularen Aufbau charakterisiert und ist sehr gut fur die Erkennung und Klassifizierung von Mustern geeignet. Aus diesem Grund wurde die Methode der LSSVM als pixelbasierte Klassifikationsmethode implementiert. Dieser Algorithmus ist in der Lage komplexe geologische Proben korrekt zu klassifizieren, benotigt fur den Fall aber langere Rechenzeiten, so dass mehrdimensionale Trainingsdatensatze verwendet werden mussen. Die Dynamik von den unmischbaren Phasen Luft und Wasser wird durch eine Kombination von Porenmorphologie und Gitter Boltzmann Methode fur Drainage und Imbibition Prozessen in 3D Datensatzen von Boden, die durch synchrotron-basierte XCT gewonnen wurden, untersucht. Obwohl die Porenmorphologie eine einfache Methode ist Kugeln in den verfugbaren Porenraum einzupassen, kann sie dennoch die komplexe kapillare Hysterese als eine Funktion der Wassersattigung erklaren. Eine Hysterese ist fur den Kapillardruck und die hydraulische Leitfahigkeit beobachtet worden, welche durch die hauptsachlich verbundenen Porennetzwerke und der verfugbaren Porenraumgrosenverteilung verursacht sind. Die hydraulische Konduktivitat ist eine Funktion des Wassersattigungslevels und wird mit einer makroskopischen Berechnung empirischer Modelle verglichen. Die Daten stimmen vor allem fur hohe Wassersattigungen gut uberein. Um die Gegenwart von Krankheitserregern im Grundwasser und Abwassern vorhersagen zu konnen, wurde in einem Bodenaggregat der Einfluss von Korngrose, Porengeometrie und Fluidflussgeschwindigkeit z.B. mit dem…