L'apprentissage automatique contribue à augmenter la résolution temporelle de X

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10529 (2023) Citer cet article

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De nombreuses technologies d’ingénierie souterraine ou processus naturels font évoluer les propriétés des milieux poreux, telles que la porosité ou la perméabilité, dans le temps. L'étude et la compréhension de ces processus à l'échelle des pores sont fortement facilitées par la visualisation des détails des changements géométriques et morphologiques dans les pores. Pour les supports poreux 3D réalistes, la tomodensitométrie à rayons X (XRCT) est la méthode de choix pour la visualisation. Cependant, la haute résolution spatiale nécessaire nécessite soit l'accès à des installations synchrotron à haute énergie limitées, soit des temps d'acquisition de données considérablement plus longs (par exemple des heures) que les échelles de temps des processus provoquant le changement de géométrie des pores (par exemple des minutes). Ainsi, jusqu’à présent, les technologies XRCT conventionnelles de paillasse sont souvent trop lentes pour permettre l’étude des processus dynamiques. Dans de nombreux cas, interrompre les expériences pour effectuer des analyses XRCT n’est pas non plus une approche viable. Nous proposons un nouveau flux de travail pour étudier les processus de précipitation dynamiques dans les systèmes de milieux poreux en 3D à l'aide d'une technologie XRCT conventionnelle. Notre flux de travail est basé sur la limitation du temps d'acquisition des données en réduisant le nombre de projections et en améliorant les images reconstruites de moindre qualité à l'aide d'algorithmes d'apprentissage automatique entraînés sur des images reconstruites à partir d'analyses initiales et finales de haute qualité. Nous appliquons le flux de travail proposé à la précipitation induite de carbonate dans un échantillon de billes de verre frittées en milieu poreux. Nous avons donc pu augmenter suffisamment la résolution temporelle pour étudier l’évolution temporelle de l’accumulation de précipités à l’aide d’un appareil XRCT de paillasse disponible.

Les réservoirs souterrains sont de plus en plus utilisés pour le stockage de fluides, et bon nombre des technologies appliquées sont liées à la production ou au stockage d'énergie, souvent controversées dans la société1. De nombreuses activités souterraines récentes visent à stocker de l'énergie sous forme d'air comprimé, CH\(_4\), ou H\(_2\) pour faire face à la production instable de sources renouvelables comme l'éolien et le solaire2, ou à lutter directement contre le changement climatique par la séquestration. de CO\(_2\)3.

Les fluides stockés dans le sous-sol peuvent dans certains cas s'échapper du réservoir cible. Cela réduit l’efficacité du stockage et peut potentiellement constituer une menace pour l’environnement ou toute autre utilisation du sous-sol1. La précipitation carbonatée induite (ICP), induite par exemple par voie enzymatique ou microbienne (E/MICP), est une technologie émergente pour atténuer de telles fuites qui s'est également révélée efficace dans des expériences sur le terrain4,5,6,7,8.

L'ICP a de nombreuses applications supplémentaires telles que le renforcement du sol, l'assainissement, le contrôle de l'érosion, etc.9,10,11,12. Des applications sur le terrain ou à grande échelle de l'ICP dans le but de modifier les propriétés du sol ont également été de plus en plus menées ces dernières années13,14,15,16,17,18. Bien que les changements de perméabilité soient d'un intérêt mineur dans les applications de renforcement des sols, il peut y avoir suffisamment de précipitations pour affecter les chemins d'écoulement et donc le transport des réactifs à plus grande échelle, ce qui rend les relations porosité-perméabilité précises importantes même pour les applications sans atténuation des fuites. du PCI. La précipitation carbonatée induite par voie enzymatique (EICP) est l’une des méthodes possibles pour réaliser la PCI, mais il existe de nombreuses autres méthodes pour induire la précipitation carbonatée19. Au cours de l'EICP, l'enzyme uréase catalyse la réaction d'hydrolyse de l'urée (\(\mathrm{(NH_2)_2CO}\)) en ammoniac (\(\mathrm{NH_{3}}\)) et en dioxyde de carbone (\(\mathrm {CO_2}\)). Cette réaction augmente le pH à mesure que les solutions aqueuses d'ammoniac deviennent alcalines. Une solution de plus en plus alcaline entraîne une augmentation des concentrations de carbonate (\(\mathrm{CO_{3}^{2-}}\)), car il s'agit de l'espèce dominante de carbone inorganique dans des conditions de pH élevé. En présence de calcium (\(\mathrm{Ca^{2+}}\)), des concentrations élevées de carbonate entraînent la précipitation du carbonate de calcium (\(\mathrm{CaCO_{3}}\)). La réaction globale de l’EICP est :