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

In der Erdöl– und Gasindustrie sind bildgebende Verfahren und Simulationen auf der Porenskala im Begriff Routineanwendungen zu werden. Ihr weiteres Potential lässt sich im Umweltbereich anwenden, wie z.B. für den Transport und Verbleib von Schadstoffen im Untergrund, die Speicherung von Kohlendioxid und dem natürlichen Abbau von Schadstoffen in Böden. Mit der Röntgen-Computertomografie (XCT) steht ein zerstörungsfreies 3D bildgebendes Verfahren zur Verfügung, das auch häufig für die Untersuchung der internen Struktur geologischer Proben herangezogen wird. Das erste Ziel dieser Dissertation war die Implementierung einer Bildverarbeitungstechnik, die die Strahlenaufhärtung der Röntgen-Computertomografie beseitigt und den Segmentierungsprozess dessen Daten vereinfacht. Das zweite Ziel dieser Arbeit untersuchte die kombinierten Effekte von Porenraumcharakteristika, Porentortuosität, sowie die Strömungssimulation und Transportmodellierung in Porenräumen mit der Gitter-Boltzmann-Methode. In einer zylindrischen geologischen Probe war die Position jeder Phase auf Grundlage der Beobachtung durch das Vorhandensein der Strahlenaufhärtung in den rekonstruierten Bildern, das eine radiale Funktion vom Probenrand zum Zentrum darstellt, extrahierbar und die unterschiedlichen Phasen ließen sich automatisch segmentieren. Weiterhin wurden Strahlungsaufhärtungeffekte von beliebig geformten Objekten durch einen Oberflächenanpassungsalgorithmus korrigiert. Die Methode der „least square support vector machine” (LSSVM) ist durch einen modularen Aufbau charakterisiert und ist sehr gut für 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, benötigt für den Fall aber längere Rechenzeiten, so dass mehrdimensionale Trainingsdatensätze verwendet werden müssen. Die Dynamik von den unmischbaren Phasen Luft und Wasser wird durch eine Kombination von Porenmorphologie und Gitter Boltzmann Methode für Drainage und Imbibition Prozessen in 3D Datensätzen von Böden, die durch synchrotron-basierte XCT gewonnen wurden, untersucht. Obwohl die Porenmorphologie eine einfache Methode ist Kugeln in den verfügbaren Porenraum einzupassen, kann sie dennoch die komplexe kapillare Hysterese als eine Funktion der Wassersättigung erklären. Eine Hysterese ist für den Kapillardruck und die hydraulische Leitfähigkeit beobachtet worden, welche durch die hauptsächlich verbundenen Porennetzwerke und der verfügbaren Porenraumgrößenverteilung verursacht sind. Die hydraulische Konduktivität ist eine Funktion des Wassersättigungslevels und wird mit einer makroskopischen Berechnung empirischer Modelle verglichen. Die Daten stimmen vor allem für hohe Wassersättigungen gut überein. Um die Gegenwart von Krankheitserregern im Grundwasser und Abwässern vorhersagen zu können, wurde in einem Bodenaggregat der Einfluss von Korngröße, Porengeometrie und Fluidflussgeschwindigkeit z.B. mit dem Mikroorganismus Escherichia coli studiert. Die asymmetrischen und langschweifigen Durchbruchskurven, besonders bei höheren Wassersättigungen, wurden durch dispersiven Transport aufgrund des verbundenen Porennetzwerks und durch die Heterogenität des Strömungsfeldes verursacht. Es wurde beobachtet, dass die biokolloidale Verweilzeit eine Funktion des Druckgradienten als auch der Kolloidgröße ist. Unsere Modellierungsergebnisse stimmen sehr gut mit den bereits veröffentlichten Daten überein.Pore scale imaging and modeling is becoming a routine practice in the oil and gas industry, and has potential applications in environmental aspects of contaminant fate and transport, carbon storage, and enhanced natural attenuation. X-ray computed microtomography (µCT) is frequently used as a non-destructive 3D imaging technique for the investigation of internal structure of geologic material. The first objective of this thesis was to implement the image processing techniques that mainly involve the removal of beam-hardening artefacts, and segmentation process. The second objective was to study the combined effect of pore characteristics, porosity and pore tortuosity on the fluid flow simulation and transport modeling using the lattice Boltzmann method. In a cylindrically-shaped geologic sample, the position of each phase was extracted with the observation that the presence of beam-hardening in the reconstructed µCT image is a radial function from the periphery to the center of the sample and thus, automatically segmented the different phases. Moreover, the beam-hardening was also removed by simply applying surface fitting to the reconstructed image data regardless of any object shape. Since, the least square support vector machine is characterized by a great degree of modularity, and it is very convenient and applicable for a large-scale pattern recognition problem, and classification task. For these reasons, the least square support vector machine was implemented as a pixel-based classification task. This algorithm proves to classify a complex multi-mineral geologic sample, but seems computationally costly in the case of a high dimensional training data set. The dynamics of immiscible air-water phases were investigated by a combination of pore morphology and lattice Boltzmann method for drainage and imbibition processes in a 3D soil image obtained by synchrotron-based µCT. Though, the pore-morphology is a simple method which applies fitting spheres into an accessible pore space, but compatible to interpret a complex capillary pressure hysteresis as function of water saturation. A hysteresis was seen for both capillary pressure and hydraulic conductivity which was mainly caused by the inter-connected pore network, and the available pore size distribution. The hydraulic conductivity as a function of water saturation levels were compared to macroscopic calculations of empirical models and matched well, especially at higher water saturation. To predict the presence of pathogens in drinking water and waste water, the microorganisms e.g., Escherichia coli known as indicator organisms, was investigated in a soil aggregate with the effect of grain size, pore geometry, and pore water velocity. The asymmetrical and long tailed breakthrough curves, especially at higher water saturation, were caused by dispersive flow due to the interconnected pore geometry, and heterogeneity of the fluid velocity field. It was observed that the biocolloid residence is also a function of pressure gradients and colloidal size, and our simulation results supported the data that was reported in the literature