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A hybrid machine-learning approach for analysis of methane hydrate formation dynamics in porous media with synchrotron CT imaging

甲烷 水合物 笼状水合物 多孔介质 多孔性 卤水 材料科学 人工智能 计算机科学 矿物学 生物系统 化学 热力学 物理 生物 复合材料 有机化学
作者
Mikhail Fokin,Viktor Nikitin,Anton A. Duchkov
出处
期刊:Journal of Synchrotron Radiation [Wiley]
卷期号:30 (5): 978-988 被引量:10
标识
DOI:10.1107/s1600577523005635
摘要

Fast multi-phase processes in methane hydrate bearing samples pose a challenge for quantitative micro-computed tomography study and experiment steering due to complex tomographic data analysis involving time-consuming segmentation procedures. This is because of the sample's multi-scale structure, which changes over time, low contrast between solid and fluid materials, and the large amount of data acquired during dynamic processes. Here, a hybrid approach is proposed for the automatic segmentation of tomographic data from time-resolved imaging of methane gas-hydrate formation in sandy granular media, which includes a deep-learning 3D U-Net model. To prepare a training dataset for the 3D U-Net, a technique to automate data labeling based on sample-specific information about the mineral matrix immobility and occasional fluid movement in pores is proposed. Automatic segmentation allowed for studying properties of the hydrate growth in pores, as well as dynamic processes such as incremental flow and redistribution of pore brine. Results of the quantitative analysis showed that for typical gas-hydrate stability parameters (100 bar methane pressure, 7°C temperature) the rate of formation is slow (less than 1% per hour), after which the surface area of contact between brine and gas increases, resulting in faster formation (2.5% per hour). Hydrate growth reaches the saturation point after 11 h of the experiment. Finally, the efficacy of the proposed segmentation scheme in on-the-fly automatic data analysis and experiment steering with zooming to regions of interest is demonstrated.
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