KR101661336B1 - Apparatus and method for calculating permeability and porosity of rock using image of slice of rock - Google Patents
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Abstract
본 발명은 암석의 박편 영상을 이용하여 3차원 공극 구조를 얻고 이 공극 구조에서 격자 볼츠만 법을 이용해 암석의 투수율 및 공극률을 산출하는, 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치는, 암석 박편 샘플을 촬영하여 2차원 박편 영상을 획득하도록 구성된, 디지털 카메라가 장착된 현미경과, 상기 현미경으로부터 2차원 박편 영상을 입력받아 3차원 공극 구조를 획득하고 이 공극 구조에서 격자 볼츠만 법을 이용해 암석의 투수율 및 공극률을 산출하여서 이에 상응하는 표시 제어신호를 출력하도록 구성된 제어 수단과, 상기 제어 수단으로부터 출력되는 표시 제어신호를 입력받아 디스플레이하는 표시부를 포함한다. The present invention relates to an apparatus and method for calculating the permeability and porosity of a rock using a slice image of a rock, in which a three-dimensional pore structure is obtained by using a slice image of a rock, and the permeability and porosity of the rock are calculated by using the lattice Boltzmann method . The apparatus for calculating the permeability and porosity of a rock using a slice image of a rock according to the present invention comprises a microscope equipped with a digital camera and configured to acquire a two-dimensional thin film image by photographing a rock slice sample, A control means configured to acquire a three-dimensional pore structure by inputting, calculate a permeability and porosity of the rock by using the lattice Boltzmann method in the pore structure, and output a display control signal corresponding thereto; And a display unit for receiving and displaying.
Description
본 발명은 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 암석의 박편 영상을 이용하여 3차원 공극 구조를 얻고 이 공극 구조에서 격자 볼츠만 법을 이용해 암석의 투수율 및 공극률을 산출하는, 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for calculating the permeability and porosity of a rock using a slice image of a rock, and more particularly, to a three-dimensional pore structure using a slice image of a rock, and using the lattice Boltzmann method, The present invention relates to a method for calculating a porosity and a porosity of a rock using a slice image of a rock.
통상적으로, 암석의 투수율을 측정하거나 예측하는 것은 지하수 연구, 토목 기초, 유가스 자원 개발, 온실 가스 지중 저장 등의 분야에 있어서 소위 "지질 특성화"에 매우 중요하고 기초적인 작업이다.Typically, measuring or predicting the permeability of rocks is a very important and fundamental task for so-called "geological characterization" in areas such as groundwater research, civil engineering foundations, oil and gas exploration, and greenhouse gas underground storage.
종래의 암석 투수율 측정은, 암석 및 토양 시료를 원주형으로 획득하여 실험실에서 실제로 측정하거나, 암석 및 토양 시료를 성형 및 가공하여 원기둥 모양의 미소 암석 샘플을 제조하고 고에너지의 X선 가속기를 이용하여 원기둥 모양의 암석 샘플을 CT 촬영하여서 3차원 암석 구조를 획득한 후 투수율을 측정하는 방식을 채택하였다.Conventional measurements of rock permeability are based on the assumption that rocks and soil samples are obtained in a columnar form and are actually measured in a laboratory or formed and processed into rock and soil samples to produce cylindrical microstructures, A cylindrical rock sample was taken by CT to acquire the three - dimensional rock structure and the permeability was measured.
그러나, 이와 같은 종래의 투수율 측정 방식중 암석 및 토양 시료를 원주형으로 획득하여 실험실에서 실제로 측정하는 방식은 실험실에서의 측정시간이 길어진다는 문제점이 있으며, 종래의 투수율 측정 방식중 고에너지의 X선 가속기를 이용하는 방식은 원기둥의 암석 샘플을 획득하기가 용이하지 않으며 X선 가속기를 이용하므로 비용이 고가이고 시간이 많이 소요된다는 문제점이 있었다.However, there is a problem in that, in the conventional method of measuring the permeability of water, the method of acquiring a rock and soil sample in a cylindrical shape and actually measuring it in a laboratory has a problem that a measurement time in a laboratory is long, The method using the accelerator has a problem in that it is not easy to acquire the sample of the cylindrical rock and the X-ray accelerator is used, so that the cost is high and the time is long.
또한, 종래의 투수율 측정 방식은 어떠한 암상(지층)의 투수율의 특성을 파악하기 위해서는 자연적인 공극률의 변화에 의해 투수율의 변화 양상을 파악하여 피팅 커브(fitting curve)를 획득해야 하기 때문에 여러 개의 샘플을 대상으로 측정해야 하므로 시간이 많이 소요되며 비용이 많이 발생한다는 문제점이 있었다. Also, in the conventional permeability measurement method, in order to grasp the characteristics of the permeability of a certain rock (stratum), it is necessary to acquire the fitting curve by grasping the change of the permeability due to the change of the natural porosity, There is a problem in that it takes a lot of time and costs a lot because it needs to be measured as a target.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 비용이 저가이며 시간이 많이 소요되지 않으면서 효율적으로 암석의 투수율 및 공극률을 산출할 수 있는, 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치 및 그 방법을 제공하는 데에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a method and apparatus for measuring rock mass and porosity of a rock, And a method for calculating the porosity and porosity of a rock using the same.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 하나의 실시형태에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치는 암석 박편 샘플을 촬영하여 2차원 박편 영상을 획득하도록 구성된, 디지털 카메라가 장착된 현미경, 상기 현미경으로부터 2차원 박편 영상을 입력받아 3차원 공극 구조를 획득하고 이 공극 구조에서 격자 볼츠만 법을 이용해 암석의 투수율 및 공극률을 산출하여서 이에 상응하는 표시 제어신호를 출력하도록 구성된 제어 수단, 및 상기 제어 수단으로부터 출력되는 표시 제어신호를 입력받아 디스플레이하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, there is provided an apparatus for calculating the permeability and porosity of a rock using a slice image of a rock according to an embodiment of the present invention includes a digital camera equipped with a digital camera configured to acquire a two- A control means configured to obtain a three-dimensional void structure by receiving a two-dimensional thin film image from the microscope, calculate a permeability and porosity of the rock by using the lattice Boltzmann method in the void structure, and output a display control signal corresponding thereto; And a display unit for receiving and displaying a display control signal output from the control unit.
상기 하나의 실시형태에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 2차원 박편 영상을 입력받아 영상분석을 통해 자기 상관 길이(autocorrelation length)를 계산하고 최적 해상도를 도출하며, 공극률 및 입자 별로 상기 최적 해상도를 가진 입력 영상을 생성하며, 3차원 구조 생성 프로그램을 활용하여 상기 생성된 입력 영상 별 동확률(equiprobable) 3차원 공극 구조를 획득하고 공극률을 획득하며, 상기 획득된 3차원 공극구조에서 격자 볼츠만 법을 이용한 유체 전산 모사를 수행하며, 상기 유체 전산 모사의 결과를 다시 방정식에 적용하여 투수율을 계산하며, 모든 입력 영상의 투수율 및 공극률이 계산되면 입력 영상별로 계산된 투수율 및 공극률의 변화 양상에 따른 표시 제어신호를 출력하며, 상기 입력 영상별로 계산된 투수율 및 공극률을 평균하여 대표 투수율 및 대표 공극률을 계산하여 이에 상응하는 표시 제어신호를 출력하도록 구성될 수 있다.In the permeability and porosity calculating device of rock using the slice image of rock according to the one embodiment, the control means calculates the autocorrelation length by inputting the two-dimensional thin film image and performing image analysis And an input image having the optimal resolution is generated for each of the porosity and the particle, and an equiprobable three-dimensional void structure for each of the generated input images is obtained by using a three-dimensional structure generation program, The permeability is calculated by applying the result of the fluid computer simulation to the equation, and when the permeability and porosity of all the input images are calculated, And outputs a display control signal according to the variation of the porosity and the porosity calculated for each image, And calculating a representative permeability and a representative porosity by averaging the permeability and porosity calculated for each input image, and outputting a corresponding display control signal.
상기 하나의 실시형태에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치에 있어서, 상기 공극률 및 입자 별로 생성된 입력 영상은 암석의 변형의 영향으로 생성된 압축 밴드와 그 압축 밴드의 양 옆의 메트릭스 구간으로 분류되고, 상기 압축 밴드 및 메트릭스 구간에서 각각 3개 영역(양호하게 분류된 큰 입자의 영역, 양호하게 분류된 작은 입자의 영역, 양호하지 않게 분류된 입자의 영역)인 총 6개 영역에서 획득된 영상일 수 있다.In the apparatus for calculating a porosity and a porosity of a rock using a slice image of a rock according to the one embodiment, the input image generated by the porosity and the particle is divided into a compression band generated due to the deformation of the rock, And a total of six regions (regions of well-classified small particles, regions of well-classified small particles, regions of poorly classified particles), each of which is classified into three regions in the compression band and the matrix region Region. ≪ / RTI >
본 발명의 다른 실시형태에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 방법은, 암석 박편 샘플을 촬영하여 2차원 박편 영상을 획득하는 단계, 상기 2차원 박편 영상을 입력받아 영상분석을 통해 자기 상관 길이를 계산하고 최적 해상도를 도출하는 단계, 공극률 및 입자 별로 상기 최적 해상도를 가진 입력 영상을 생성하는 단계, 3차원 구조 생성 프로그램을 활용하여 상기 생성된 입력 영상 별 동확률 3차원 공극 구조를 획득하고 공극률을 획득하는 단계, 상기 획득된 3차원 공극구조에서 격자 볼츠만 법을 이용한 유체 전산 모사를 수행하는 단계, 상기 유체 전산 모사의 결과를 다시 방정식에 적용하여 투수율을 계산하는 단계, 상기 생성된 입력 영상 모두의 투수율 및 공극률이 계산되었는지의 여부를 판단하는 단계, 및 상기 판단단계에서 생성된 모든 입력 영상의 투수율 및 공극률이 계산되었다면 상기 입력 영상별로 계산된 투수율 및 공극률의 변화 양상을 디스플레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method for calculating the percentage of permeability and the porosity of a rock using a slice image of a rock according to another embodiment of the present invention comprises the steps of: capturing a rock slab sample to obtain a two-dimensional slice image; Calculating an autocorrelation length and deriving an optimum resolution, generating an input image having the optimal resolution for each of the porosity and the particle, and generating a three-dimensional pore structure for each input image using the three- Calculating a permeability by applying the result of the fluid computer simulation to the equation, and calculating a permeability of the fluid, Judging whether or not the permeability and porosity of all of the input images have been calculated, If the permeability and porosity of all the input image generated based on the calculation it is characterized in that it comprises the step of displaying a change of the permeability and porosity calculated by the input image.
상기 다른 실시형태에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 방법은, 상기 투수율 및 공극률의 변화 양상을 디스플레이하는 단계 후에, 상기 입력 영상별로 계산된 투수율 및 공극률을 평균하여 대표 투수율 및 대표 공극률을 계산하여서 이를 디스플레이하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method for calculating a permeability and a porosity of a rock using the slice image of a rock according to another embodiment of the present invention is characterized in that after the step of displaying the change in the permeability and the porosity, the permeability and porosity calculated for each input image are averaged, Calculating the porosity and displaying it.
상기 다른 실시형태에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 방법은, 상기 판단단계에서 생성된 모든 입력 영상의 투수율 및 공극률이 계산되지 않았다면 상기 생성된 입력 영상 별 동확률 3차원 공극 구조를 획득하고 공극률을 획득하는 단계로 진행될 수 있다.If the permeability and porosity of all input images generated in the determination step are not calculated using the slice image of the rock according to another embodiment of the present invention, And acquiring the porosity.
상기 다른 실시형태에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 방법에 있어서, 상기 공극률 및 입자 별로 생성된 입력 영상은 암석의 변형의 영향으로 생성된 압축 밴드와 그 압축 밴드의 양 옆의 메트릭스 구간으로 분류되고, 상기 압축 밴드 및 메트릭스 구간에서 각각 3개 영역(양호하게 분류된 큰 입자의 영역, 양호하게 분류된 작은 입자의 영역, 양호하지 않게 분류된 입자의 영역)인 총 6개 영역에서 획득된 영상일 수 있다.In the method of calculating a porosity and a porosity of a rock using a slice image of a rock according to another embodiment of the present invention, the input image generated by the porosity and the particle is generated by a compression band generated by the influence of deformation of the rock, And a total of six regions (a region of a well-classified large particle, a region of a well-classified small particle, a region of an undesirably classified particle) each of which is classified as a metric region, As shown in FIG.
본 발명의 실시형태에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치 및 방법에 의하면, 일반적인 지질조사에서 흔히 사용되는 암편으로부터 얻을 수 있는 암석 박편 샘플을 이용하므로, 종래의 투수율 측정 방식에 비해 샘플을 용이하고 신속하게 얻을 수 있다는 효과가 있다. According to the apparatus and method for calculating the permeability and porosity of a rock using a slice image of a rock according to an embodiment of the present invention, since a sample of a rock slab obtained from a rock mass, which is commonly used in general geological survey, is used, The sample can be obtained easily and quickly.
또한, 본 발명의 실시형태에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치 및 그 방법에 의하면, 2차원 박편 영상을 이용하여 3차원 공극 구조를 얻고 이 공극 구조에서 격자 볼츠만 법을 이용해 암석의 투수율 및 공극률을 산출하는 방식이므로, 종래의 투수율 측정 방식에 비해 비용이 저가이며 시간이 많이 소요되지 않으면서 효율적으로 암석의 투수율 및 공극률을 산출할 수 있다는 다른 효과가 있다.Further, according to the permeability and porosity calculating apparatus and method for calculating the rock permeability of a rock using a rock slice image according to an embodiment of the present invention, a three-dimensional pore structure is obtained by using a two-dimensional flake image, and the lattice Boltzmann method There is another effect that the permeability and porosity of the rock can be calculated efficiently without costly and time-consuming cost as compared with the conventional permeability measuring method since it is a method of calculating the permeability and porosity of the rock.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 방법을 도시하는 플로우챠트이다.
도 3은 디지털 카메라가 장착된 현미경을 이용하여 획득된 박편의 영상을 도시하는 도면이다.
도 4의 (a)는 박편 영상의 2차원 자기 상관 함수를 나타내는 도면이며, (b)는 상기 2차원 자기 상관 함수로부터 추출된 두 개의 1차원 자기 상관 함수를 나타내는 도면이다.
도 5는 최적 해상도를 가진 박편 영상의 전체 영역을 나타내는 도면이다.
도 6은 투수율 계산 및 변화양상을 관찰하기 위해 도 5의 전체 영역에서 선택된 각 영역별 입력 영상을 나타내는 도면이다.
도 7은 3차원 구조 생성 프로그램을 활용하여 생성된 3차원 공극 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 격자 볼츠만법에서 사용하는 속도 벡터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 9는 3차원 공극 구조에서 유체의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 10은 각 그룹별로 예측된 공극률과 투수율의 분포를 나타내는 도면이다.
도 11은 각 그룹별로 파악된 공극률에 따른 투수율의 변화 양상을 나타내는 도면이다.FIG. 1 is a block diagram of a permeability and porosity calculating apparatus of a rock using a slice image of a rock according to an embodiment of the present invention.
2 is a flow chart showing a method of calculating a porosity and a porosity of a rock using a slice image of a rock according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing an image of a flake obtained using a microscope equipped with a digital camera.
FIG. 4A is a diagram showing a two-dimensional autocorrelation function of a thin film image, and FIG. 4B is a diagram showing two one-dimensional autocorrelation functions extracted from the two-dimensional autocorrelation function.
5 is a diagram showing the entire area of the thin film image having the optimum resolution.
FIG. 6 is a view showing an input image for each region selected in the entire region of FIG. 5 to observe the calculation of the permeability and the change pattern.
FIG. 7 is a diagram showing a three-dimensional void structure generated by using a three-dimensional structure generation program. FIG.
8 is a diagram showing a structure of a velocity vector used in the lattice Boltzmann method.
9 is a view showing a flow of fluid in a three-dimensional pore structure.
10 is a graph showing the distribution of porosity and permeability predicted for each group.
FIG. 11 is a diagram showing a change in the permeability according to the porosity per group.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치의 블록 구성도로서, 본 발명의 실시예에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치는 디지털 카메라가 장착된 현미경(100), 제어 수단(200) 및 표시부(300)를 포함한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram of a permeability and porosity calculating apparatus for rocks using a slice image of rock according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a graph showing the permeability and porosity of a rock using a slice image of a rock according to an embodiment of the present invention. A
디지털 카메라가 장착된 현미경(100)은 암석 박편 샘플을 촬영하여 2차원 박편 영상을 획득하도록 구성되어 있다. A microscope (100) equipped with a digital camera is configured to acquire a two-dimensional flake image by photographing a rock flake sample.
제어 수단(200)은 디지털 카메라가 장착된 현미경(100)으로부터 2차원 박편 영상을 입력받아 3차원 공극 구조를 획득하고 이 공극 구조에서 격자 볼츠만 법을 이용해 암석의 투수율 및 공극률을 산출하여서 이에 상응하는 표시 제어신호를 출력하도록 구성되어 있는 마이크로컴퓨터이다. 한편, 제어 수단(200)은 디지털 카메라가 장착된 현미경(100) 또는 표시부(300)와 유, 무선 통신가능한 이동 단말기(예컨대, 노트북, 퍼스널컴퓨터, PDA, PMP, 스마트폰 등)일 수 있다. 제어 수단(200)이 수행하는 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 방법에 대해서는 뒤에 설명하기로 한다.The control means 200 receives a two-dimensional flaky image from the
표시부(300)는 제어 수단(200)로부터 출력되는 표시 제어신호를 입력받아 디스플레이하는 모니터, LCD, PDP 등의 디스플레이 장치가 될 수 있다.The
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치를 이용하여 본 발명의 다른 실시예에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, the percentage of permeability and porosity of a rock using a slice image of a rock according to another embodiment of the present invention, using the permeability and porosity of the rock using the slice image of the rock according to the embodiment of the present invention, Will be described.
먼저, 디지털 카메라가 장착된 현미경(100)을 이용해 암석 박편 샘플을 촬영하여 도 3에 도시된 바와 같은 2차원 박편 영상을 획득한다(S1). 도 3에서 청색부분은 공극을 나타내고, 회색 계열은 입자를 나타낸다. 위치에 따라 입자의 크기나 공극의 양의 차이가 현저함을 알 수 있다.First, a rock flake sample is photographed using a
이어서, 제어 수단(200)은 획득된 상기 2차원 박편 영상을 디지털 카메라가 장착된 현미경(100)으로부터 입력받아 영상분석을 통해 자기 상관 길이(α)를 계산하고, 최적 해상도를 도출한다(S2). 본 스텝(S2)에 대해 좀 더 상세히 설명하면, 적절한 해상도를 정하기 위해 상기 2차원 박편 영상을 2차원 함수(f(r))로 구성하고, 이로부터 자기 상관 함수(A(h))를 계산한다. 그 식은 다음과 같다.
Then, the control means 200 receives the obtained 2D flake image from the
[수학식 1][Equation 1]
A(h)=〈f(r)f(r+h)〉A (h) = < f (r) f (r + h)
[여기서, h는 간격(Lag)이며,〈〉는 평균을 의미한다]
[Where h is the interval (Lag), <> means the average]
이어서, 계산된 상기 자기 상관 함수(A(h))의 X축으로의 성분과 Y축으로의 성 분으로부터 1차원 자기 상관 함수를 추출하고, 이 함수를 다음의 모델함수로 피팅(fitting)하게 되면 모델함수 내의 자기 상관 길이(α)가 정해진다.
Next, a one-dimensional autocorrelation function is extracted from the X-axis component and the Y-axis component of the calculated autocorrelation function A (h), and this function is fitted to the following model function The autocorrelation length α in the model function is determined.
[수학식 2]&Quot; (2) "
[여기서, φ는 공극률이다]
[Where? Is the porosity]
상기 자기 상관 길이(α)는 박편의 평균 입자 사이즈와 연관되며, 효율적인 투수율 예측을 위해서는 이 자기 상관 길이(α) 당 10~20개 사이의 픽셀이 되도록 영상의 해상도를 조절하여 다음 단계의 입력변수로 활용한다. 도 4 (a)는 박편 영상의 2차원 자기 상관 함수를 나타내는 도면이며, 도 4 (b)는 상기 2차원 자기 상관 함수로부터 추출된 두 개의 1차원 자기 상관 함수를 나타내는 도면으로서 X방향 함수와 Y방향 함수, 그리고 이를 이용한 모델함수를 도출하여 자기 상관 길이(α)를 구하는 것을 보여주고 있다.The autocorrelation length α is related to the average particle size of the flakes. For efficient permeability prediction, the resolution of the image is adjusted to be between 10 and 20 pixels per autocorrelation length α, . FIG. 4A is a diagram showing a two-dimensional autocorrelation function of a thin film image, FIG. 4B is a diagram showing two one-dimensional autocorrelation functions extracted from the two-dimensional autocorrelation function, and FIG. The direction function, and the model function using the model function to obtain the autocorrelation length (α).
스텝(S3)에서, 제어 수단(200)은 공극률 및 입자 별로 상기 최적 해상도를 가진 입력 영상을 생성한다. 도 5는 최적 해상도를 가진 박편 영상의 전체 영역을 나타내는 도면이며, 도 6은 투수율 계산 및 변화양상을 관찰하기 위해 도 5의 전체 영역에서 선택된 각 영역별 입력 영상을 나타내는 도면이다. 상기 공극률 및 입자 별로 생성된 입력 영상은, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 암석의 변형의 영향으로 생성된 압축 밴드와 그 압축 밴드의 양 옆의 메트릭스 구간으로 분류되고, 압축 밴드 및 메트릭스 구간에서 각각 3개 영역(양호하게 분류된 큰 입자의 영역, 양호하게 분류된 작은 입자의 영역, 양호하지 않게 분류된 입자의 영역)인 총 6개 영역에서 획득된 영상이다. In step S3, the control means 200 generates an input image having the optimal resolution for each porosity and particle. FIG. 5 is a view showing an entire region of a thin film image having an optimal resolution, and FIG. 6 is a view showing an input image for each region selected in the entire region of FIG. 5 in order to observe the calculation of permeability and the change pattern. As shown in FIGS. 5 and 6, the input image generated by the porosity and the particle is classified into a compression band generated by the influence of deformation of the rock and a matrix section on both sides of the compression band, Which is an image obtained in a total of six regions, each of which is three regions (well-classified large particle region, well-classified small particle region, and poorly classified particle region) in the interval.
이어서, 제어 수단(200)은 3차원 구조 생성 프로그램을 활용하여 스텝(S3)에서 생성된 입력 영상 별 동확률 3차원 공극 구조(도 7 참조)를 획득한다(S4).Next, the
스텝(S5)에서, 제어 수단(200)은 스텝(S4)에서 획득된 3차원 공극구조에서 격자 볼츠만 법을 이용한 유체 전산 모사를 수행한다. 좀 더 상세하게 설명하면, 복잡한 3차원 공극구조를 고려한 투수율 계산을 위해서 격자 볼츠만 방법을 이용하였다. 격자 볼츠만 방법은 셀룰라 오토마타(cellular automata) 이론을 기반으로 하고 있으며, 이는 간단한 로컬 룰(local rule)을 이용해 많은 수의 셀로 구성된 복잡한 시스템의 상호작용을 쉽게 묘사할 수 있는 특징을 갖고 있다. 또한, 어떠한 별개의 기하학적 구조 조건이나 다른 컴퓨팅 환경에서도 빠르게 적용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 격자볼츠만 방법은 질량 보존과 운동량 보존을 통해 나비어-스톡스 방정식의 해와 근사하도록 하는 방법을 사용한다. 시간 와 위치 에서의 입자 밀도 분포는 로 나타낸다. 는 각 방향의 속도 벡터를 의미하며, 는 각각의 방향을 의미한다. 각 방향은 2차원에서 도 8에 도시된 바와 같은 격자모델(face-centered hypercube grid)로 나타내며, 8개의 속도 방향을 갖는다. 각 노드에서의 초기밀도의 값인 로컬 질량 밀도 , 운동량 밀도 , 그리고 운동량 속 텐서(momentum flux tensor) 는 다음과 같이 나타낸다.
In step S5, the
[수학식 3]&Quot; (3) "
[수학식 4]&Quot; (4) "
[수학식 5]&Quot; (5) "
[여기서 는 속도벡터 의 성분또는 성분 이다]
[here Is a velocity vector of ingredient or ingredient to be]
시간 흐름에 따른 분포 함수 는 불연속 볼츠만 방정식인 수학식 6과 같이 나타낸다.
Distribution function over time Is expressed by Equation 6, which is a discontinuous Boltzmann equation.
[수학식 6]&Quot; (6) "
[여기서, 는 충돌 연산자이고, 는 다음 시간 단계에서의 질량 밀도 분포를 의미한다]
[here, Is a conflict operator, Means the mass density distribution at the next time step)
시간 전개에 따른 분포 함수는 충돌 단계(collision step)와 전파 단계(propagation step)로 구성되며, 충돌 단계에서는 각각의 격자노드의 질량과 운동량을 재분배한다. 또한, 위치 에서의 분포는 이웃 위치에서 로 나타낸다. 수학식 6은 충돌 연산자를 선형화하고 고유방정식(eigen equations)을 풀면 수학식 7로 표시된다.
The distribution function according to time evolution consists of collision step and propagation step, and redistributes the mass and momentum of each lattice node in the collision step. Also, The distribution at Respectively. Equation (6) linearizes the collision operator and solves the eigen equations, which is expressed by Equation (7).
[수학식 7]&Quot; (7) "
[여기서 는 갱신된 운동량 속 텐서이다]
[here Is an updated momentum tensor]
새로운 분포는 유체의 특성에 따라 그리고 과 같은 계수가 결정된다. 충돌과 전파는 정류상태가 될 때까지 지속되며, 로컬 속(local flux)()는 수학식 8과 같이 계산된다.
The new distribution depends on the nature of the fluid And Is determined. Collisions and propagation continue until they are rectified, and local flux ( ) Is calculated as shown in Equation (8).
[수학식 8]&Quot; (8) "
이 방법을 활용하여 본 발명에서는 C언어를 사용하여 발명자가 개발한 프로그램을 사용하였다. 스텝(S4)에서의 3차원 공극구조에 이 방법을 적용하여 계산한 지역적 유체의 속도분포는 도 9에 도시된 바와 같다.Using this method, the present invention uses a program developed by the inventor using the C language. The velocity distribution of the local fluid calculated by applying this method to the three-dimensional cavity structure in step S4 is as shown in Fig.
이어서, 제어 수단(200)은 스텝(S5)에서 수행한 유체 전산 모사의 결과를 다시(Darcy) 방정식에 적용하여 투수율을 계산한다(S6). 좀 더 상세하게는, 앞에서 획득된 지역적 유체의 속도분포로부터 평균 속 를 계산하고, 적용한 압력구배 , 그리고 유체의 점도를 이용하면 투수율는 다음의 수학식 9와 같은 다시(Darcy) 식으로 표시된다.
Next, the
[수학식 9]&Quot; (9) "
이어서, 스텝(S7)에서는 제어 수단(200)이 스텝(S3)에서 생성된 입력 영상 모두의 투수율 및 공극률이 계산되었는지의 여부를 판단한다.Subsequently, in step S7, the control means 200 determines whether or not the permeability and porosity of all of the input images generated in step S3 have been calculated.
상기 스텝(S7)에서 모든 입력 영상의 투수율 및 공극률이 계산되었다면(YES), 스텝(S8)으로 진행되어 입력 영상별로 계산된 투수율 및 공극률의 변화 양상을 표시부(300)를 통해 디스플레이한다. 도 11에는 입력 영상별로 계산된 투수율 및 공극률의 변화 양상이 도시되어 있다. If the water permeability and porosity of all input images have been calculated in step S7 (YES), the flow proceeds to step S8 to display the change in the permeability and porosity calculated for each input image through the
스텝(S9)에서, 제어 수단(200)은 입력 영상별로 계산된 투수율 및 공극률을 평균하여 대표 투수율 및 대표 공극률을 계산한후 표시부(300)를 통해 이를 디스플레이한다. 도 10은 각 그룹별로 예측된 공극률과 투수율의 분포를 나타내는 도면으로서, 큰 원은 평균값을 나타내고, 세부 값은 오른 쪽에 표시되어 있다. 작은 점들은 각 동확률 3차원 구조에서 얻어진 값들로 이들의 통계학적 분포를 반영하고 있다. 실험데이터는 이러한 복잡한 구조의 세부적인 투수율과 공극률의 값들을 전혀 반영하지 못하고 있다.In step S9, the
한편, 스텝(S7)에서 모든 입력 영상의 투수율 및 공극률이 계산되지 않았다면(NO), 상기 스텝(S4)으로 진행된다.On the other hand, if the water permeability and porosity of all input images have not been calculated in step S7 (NO), the flow proceeds to step S4.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치 및 방법에 의하면, 일반적인 지질조사에서 흔히 사용되는 암편으로부터 얻을 수 있는 암석 박편 샘플을 이용하므로, 종래의 투수율 측정 방식에 비해 샘플을 용이하고 신속하게 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 의한 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치 및 그 방법에 의하면, 2차원 박편 영상을 이용하여 3차원 공극 구조를 얻고 이 공극 구조에서 격자 볼츠만 법을 이용해 암석의 투수율 및 공극률을 산출하는 방식이므로, 종래의 투수율 측정 방식에 비해 비용이 저가이며 시간이 많이 소요되지 않으면서 효율적으로 암석의 투수율 및 공극률을 산출할 수 있다.As described above, according to the apparatus and method for calculating the permeability and porosity of a rock using a slice image of a rock according to an embodiment of the present invention, since a sample of rock flake, which can be obtained from a rock mass commonly used in general geological survey, is used, The sample can be obtained easily and quickly as compared with the measuring method. According to the apparatus for calculating the porosity and permeability of a rock using a slice image of rock according to an embodiment of the present invention, a three-dimensional pore structure can be obtained by using a two-dimensional flake image, and the lattice Boltzmann method The permeability and the porosity of the rock can be calculated efficiently because the permeability and the porosity of the rock are calculated. Therefore, the permeability and the porosity of the rock can be calculated efficiently without costly and time-consuming as compared with the conventional permeability measurement method.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the best mode has been shown and described in the drawings and specification, certain terminology has been used for the purpose of describing the embodiments of the invention and is not intended to be limiting or to limit the scope of the invention described in the claims. It is not. Therefore, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
100: 디지털 카메라 장착 현미경 200: 제어 수단
300: 표시부100: Digital camera mounting microscope 200: Control means
300:
Claims (7)
상기 현미경으로부터 2차원 박편 영상을 입력받아 3차원 공극 구조를 획득하고 이 공극 구조에서 격자 볼츠만 법을 이용해 암석의 투수율 및 공극률을 산출하여서 이에 상응하는 표시 제어신호를 출력하도록 구성된 제어 수단; 및
상기 제어 수단으로부터 출력되는 표시 제어신호를 입력받아 디스플레이하는 표시부를 포함하며:
상기 제어 수단은 상기 2차원 박편 영상을 입력받아 영상분석을 통해 자기 상관 길이(autocorrelation length)를 계산하고 최적 해상도를 도출하며, 공극률 및 입자 별로 상기 최적 해상도를 가진 입력 영상을 생성하며, 3차원 구조 생성 프로그램을 활용하여 상기 생성된 입력 영상 별 동확률(equiprobable) 3차원 공극 구조를 획득하고 공극률을 획득하며, 상기 획득된 3차원 공극구조에서 격자 볼츠만 법을 이용한 유체 전산 모사를 수행하며, 상기 유체 전산 모사의 결과를 다시 방정식에 적용하여 투수율을 계산하며, 모든 입력 영상의 투수율 및 공극률이 계산되면 입력 영상별로 계산된 투수율 및 공극률의 변화 양상에 따른 표시 제어신호를 출력하며, 상기 입력 영상별로 계산된 투수율 및 공극률을 평균하여 대표 투수율 및 대표 공극률을 계산하여 이에 상응하는 표시 제어신호를 출력하도록 구성된 것을 특징으로 하는 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치.A microscope equipped with a digital camera configured to capture a two-dimensional flaky image by photographing a rocky flake sample;
A control means configured to acquire a three-dimensional void structure by receiving a two-dimensional flaky image from the microscope, to calculate a permeability and porosity of the rock by using the lattice Boltzmann method in the void structure, and to output a corresponding display control signal; And
And a display unit for receiving and displaying a display control signal output from the control unit,
Wherein the control means calculates the autocorrelation length through the image analysis, derives the optimum resolution, generates the input image having the optimal resolution for each of the porosity and the particle, Acquiring an equiprobable three-dimensional pore structure for each of the generated input images using the generated program, obtaining a porosity, performing fluid computer simulation using the lattice Boltzmann method in the obtained three-dimensional pore structure, The permeability is calculated by applying the result of the computer simulation to the equation again. When the permeability and porosity of all the input images are calculated, the display control signal according to the change of the permeability and porosity calculated for each input image is output. The calculated permeability and porosity are averaged to calculate the representative permeability and the representative porosity. The permeability and porosity of the device for computing the rock using a foil image of the rock, characterized in that configured to output a display control signal.
상기 공극률 및 입자 별로 생성된 입력 영상은 암석의 변형의 영향으로 생성된 압축 밴드와 그 압축 밴드의 양 옆의 메트릭스 구간으로 분류되고, 상기 압축 밴드 및 메트릭스 구간에서 각각 3개 영역(양호하게 분류된 큰 입자의 영역, 양호하게 분류된 작은 입자의 영역, 양호하지 않게 분류된 입자의 영역)인 총 6개 영역에서 획득된 영상인 것을 특징으로 하는 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 장치.The method according to claim 1,
The input image generated by the porosity and the particle is classified into a compression band generated due to the deformation of the rock and a matrix region on both sides of the compression band, and three regions (well-classified) in the compression band and the matrix region A region of large particles, a region of well-sorted small particles, and a region of particles not well classified), wherein the image is obtained from a total of six regions. .
상기 2차원 박편 영상을 입력받아 영상분석을 통해 자기 상관 길이(autocorrelation length)를 계산하고 최적 해상도를 도출하는 단계;
공극률 및 입자 별로 상기 최적 해상도를 가진 입력 영상을 생성하는 단계;
3차원 구조 생성 프로그램을 활용하여 상기 생성된 입력 영상 별 동확률(equiprobable) 3차원 공극 구조를 획득하고 공극률을 획득하는 단계;
상기 획득된 3차원 공극구조에서 격자 볼츠만 법을 이용한 유체 전산 모사를 수행하는 단계;
상기 유체 전산 모사의 결과를 다시 방정식에 적용하여 투수율을 계산하는 단계;
상기 생성된 입력 영상 모두의 투수율 및 공극률이 계산되었는지의 여부를 판단하는 단계; 및
상기 판단단계에서 생성된 모든 입력 영상의 투수율 및 공극률이 계산되었다면 상기 입력 영상별로 계산된 투수율 및 공극률의 변화 양상을 디스플레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 방법.Acquiring a two-dimensional flaky image by photographing a rock flake sample;
Calculating an autocorrelation length by inputting the 2D flake image and analyzing the image and deriving an optimal resolution;
Generating an input image having the optimal resolution for each of the porosity and the particle;
Obtaining an equiprobable three-dimensional void structure for each of the input images using the three-dimensional structure generation program and obtaining a void ratio;
Performing fluid computer simulation using the lattice Boltzmann method in the obtained three-dimensional void structure;
Applying the result of the fluid computer simulation to the equation to calculate the permeability;
Determining whether a permeability and a porosity of all of the generated input images have been calculated; And
And displaying the change in the percentage of permeability and porosity calculated for each input image if the permeability and porosity of all the input images generated in the determination step are calculated. Calculation method.
상기 투수율 및 공극률의 변화 양상을 디스플레이하는 단계 후에, 상기 입력 영상별로 계산된 투수율 및 공극률을 평균하여 대표 투수율 및 대표 공극률을 계산하여서 이를 디스플레이하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 방법.5. The method of claim 4,
Calculating a representative permeability and a representative porosity by averaging the permeability and the porosity calculated for each of the input images after displaying the aspect ratio of the permeability and porosity, Method of calculating permeability and porosity of used rocks.
상기 판단단계에서 생성된 모든 입력 영상의 투수율 및 공극률이 계산되지 않았다면 상기 생성된 입력 영상 별 동확률 3차원 공극 구조를 획득하고 공극률을 획득하는 단계로 진행되는 것을 특징으로 하는 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 방법.5. The method of claim 4,
Wherein if the percentages of permeability and porosity of all the input images generated in the determination step are not calculated, the step of acquiring the three-dimensional pore structure and obtaining the porosity of the input image is performed. Method of calculating permeability and porosity of rock.
상기 공극률 및 입자 별로 생성된 입력 영상은 암석의 변형의 영향으로 생성된 압축 밴드와 그 압축 밴드의 양 옆의 메트릭스 구간으로 분류되고, 상기 압축 밴드 및 메트릭스 구간에서 각각 3개 영역(양호하게 분류된 큰 입자의 영역, 양호하게 분류된 작은 입자의 영역, 양호하지 않게 분류된 입자의 영역)인 총 6개 영역에서 획득된 영상인 것을 특징으로 하는 암석의 박편 영상을 이용한 암석의 투수율 및 공극률 산출 방법. 7. The method according to any one of claims 4 to 6,
The input image generated by the porosity and the particle is classified into a compression band generated due to the deformation of the rock and a matrix region on both sides of the compression band, and three regions (well-classified) in the compression band and the matrix region A region of large particles, a region of well-sorted small particles, a region of undesirably classified particles), wherein the image is obtained in a total of six regions. The method of calculating the porosity and porosity of a rock using the slice image of the rock .
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