다공질 암석의 공극구조는 그 암석의 수리-역학적 거동에 매우 큰 영향을 미친다. 다공질 암석의 공극구조 특성을 표현하는 대표적인 방법은 공극률, 공극크기분포, 방향성 등이 있다. 암석의 유효공극률은 실험적으로 비교적 쉽게 구할 수 있지만, 공극의 크기분포 특성을 파악하는 것은 매우 어려운 실정이다. 본 연구에서는 X-ray CT를 이용하여 대표적 다공질 암석인 베레아 사암의 공극구조 중 공극크기분포를 이미지 기반으로 평가하였다. 공극크기분포 평가를 위해 본 연구에서는 이미지 필터링, 이진화, 골격화 등의 이미지 기반 처리 작업을 수행하였으며, 국부 두께평가 및 star chord를 이용하여 베레아 사암의 공극크기분포를 구하였다. 본 연구에서 제시된 X-ray CT 기반의 공극크기분포 평가방법을 이용하여 향후 다공질 재료의 공극구조 평가에 새롭고 효율적인 방안을 제시하고자 하였다.
다공질 암석의 공극구조는 그 암석의 수리-역학적 거동에 매우 큰 영향을 미친다. 다공질 암석의 공극구조 특성을 표현하는 대표적인 방법은 공극률, 공극크기분포, 방향성 등이 있다. 암석의 유효공극률은 실험적으로 비교적 쉽게 구할 수 있지만, 공극의 크기분포 특성을 파악하는 것은 매우 어려운 실정이다. 본 연구에서는 X-ray CT를 이용하여 대표적 다공질 암석인 베레아 사암의 공극구조 중 공극크기분포를 이미지 기반으로 평가하였다. 공극크기분포 평가를 위해 본 연구에서는 이미지 필터링, 이진화, 골격화 등의 이미지 기반 처리 작업을 수행하였으며, 국부 두께평가 및 star chord를 이용하여 베레아 사암의 공극크기분포를 구하였다. 본 연구에서 제시된 X-ray CT 기반의 공극크기분포 평가방법을 이용하여 향후 다공질 재료의 공극구조 평가에 새롭고 효율적인 방안을 제시하고자 하였다.
Pore structures in porous rock play an important role in hydraulic & mechanical behaviour of rock. Porosity, size distribution and orientation of pores represent the characteristics of pore structures of porous rock. While effective porosity can be measured easily by conventional experiment, pore si...
Pore structures in porous rock play an important role in hydraulic & mechanical behaviour of rock. Porosity, size distribution and orientation of pores represent the characteristics of pore structures of porous rock. While effective porosity can be measured easily by conventional experiment, pore size distribution is hard to be quantified due to the lack of corresponding experiment. We assessed pore size distribution of Berea sandstone using X-ray CT image based analysis combined with associated images processing, i.e., image filtering, binarization and skeletonization subsequently followed by the assessment of local thickness and star chord length. The aim of this study is to propose a new and effective way to evaluate pore structures of porous rock using X-ray CT based analysis for pore size distribution.
Pore structures in porous rock play an important role in hydraulic & mechanical behaviour of rock. Porosity, size distribution and orientation of pores represent the characteristics of pore structures of porous rock. While effective porosity can be measured easily by conventional experiment, pore size distribution is hard to be quantified due to the lack of corresponding experiment. We assessed pore size distribution of Berea sandstone using X-ray CT image based analysis combined with associated images processing, i.e., image filtering, binarization and skeletonization subsequently followed by the assessment of local thickness and star chord length. The aim of this study is to propose a new and effective way to evaluate pore structures of porous rock using X-ray CT based analysis for pore size distribution.
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문제 정의
하지만 이러한 방법을 이용해도 공극의 크기분포특성은 산출이 매우 어렵고 측정의 오차가 크게 발생하게 된다. 본 연구에서는 X-ray CT (computed tomography)를 이용하여 다공질 암석의 공극크기분포를 산정하는 방법론을 제시하고자 하였다. X-ray CT는 X선에 대한 재료 고유의 감쇄특성을 이용하여 재료 내부의 구조를 영상화 하는 기술로서 1970년대 의료용으로 첫 개발이 되었고 그 후로 1980년대 산업용으로 개발되어 사용되어 왔다.
본 연구에서는 대표적인 다공질 사암인 베레아 사암(Berea sandstone)의 공극구조에 대한 특성 중 공극크기 분포를 X-ray CT를 이용하여 산정하는 방법을 제시하고자 하였다. 이렇게 구해진 공극크기분포 정보를 활용하여 다공질 재료의 수리역학 모델링 분석에 주요 인자로 활용할 수 있도록 하는 것을 주요 연구목표로 하였다.
본 연구에서는 베레아 사암의 공극구조를 정량화하기 위해 X-ray CT 이미지와 공극의 형태학적 평가 방법론에 기반한 공극크기분포 특성 산정 방법을 제시하고자 하였다. 이를 위해 영상을 분석하기 전 다양한 필터링을 통해 이미지를 분석이 용이하도록 품질을 향상한 후에 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 대표적인 다공질 사암인 베레아 사암(Berea sandstone)의 공극구조에 대한 특성 중 공극크기 분포를 X-ray CT를 이용하여 산정하는 방법을 제시하고자 하였다. 이렇게 구해진 공극크기분포 정보를 활용하여 다공질 재료의 수리역학 모델링 분석에 주요 인자로 활용할 수 있도록 하는 것을 주요 연구목표로 하였다.
제안 방법
CT로부터 생성된 볼륨에 대해 공극의 골격(skeleton)을 추출하고, 이로부터 공극크기분포(PSD)를 얻어내는 방법을 적용하였다. PSD를 산출하기 위해서는 객체의 정확한 골격을 추출하는 것이 중요하다.
이를 위해서는 경계값(threshold)을 설정하는 것이 매우 중요하다. 경계값을 효율적으로 설정하기 위한 다양한 이론(Sheppard et al., 2004)들이 나와 있으나, 본 연구에서는 실제 실험적으로 구한 유효공극률을 기준으로 이진화 이미지에서 산출한 공극률을 반복적 수행법에 의해 맞추는 방식으로 경계값을 설정하였다. CT 이미지로부터 이진화하는 작업의 주요 과정이 Fig.
베레아 사암의 공극크기분포를 평가하기 위해 골격화, 국부두께산정, Star chord length 등의 다양한 공극구조 평가할 수 있는 알고리즘을 탑재한 소프트웨어를 직접 개발하여 분석에 활용하였다. 국부두께 산정에 의한 방법이 상대적으로 공극크기분포를 과소평가할 수 있고, Star chord length를 이용한 방법은 과대평가할 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 X-ray CT 이미지에서 불가피하게 발생하는 일반적인 결함요소인 링결함(ring artifact)와 빔하드닝(beam hardening)의 두 요소를 제거하였다. 링결함은 주로 디덱터의 소자결함이나 하드웨어 보정을 제대로 이루어지지 못했을 때 발생하는 일반적인 CT 현상이다.
대상 데이터
본 실험에서 사용된 암석은 층리가 발달한 베레아 (Berea)사암이며 공극률과 투수율이 상대적으로 큰 암석으로, 주 구성광물은 석영과 장석이다. 광물조성 분석을 위하여 XRD 분석을 실시하여 분석결과를 Table 1에 정리하였으며, 베레아 사암의 광학현미경 결과를 Fig.
사용한 X-ray tube는 최대 관전압 225 kV를 갖는 micro-focus X-ray CT이다. 최적의 해상도를 가진 영상을 얻기 위하여 촬영조건은 관전압 80 kV, 관전류 400 µA, 노출타임 2초, 투영횟수를 2,000번으로 설정하여 1초에 0.
데이터처리
본 연구에서는 이러한 SCL을 2D 이진화 이미지 및 3D 이진화 영상에서 탐색할 수 있는 알고리즘 및 계산 프로그램을 Visual C++ 언어를 사용하여 구현하였다. 특히, 탐색 및 계산시간을 단축시키기 위해 멀티코어(multi-core)를 활용하여 계산되도록 하였다.
이론/모형
국부두께로 산출한 PSD와 SCL 방법에 의한 PSD를 비교분석하였다. Figure 9는 동일한 2D 공극이미지에 대하여 국부두께와 SCL 방법을 적용한 모습이다.
, 1994). 본 연구에서는 객체의 위상학적(topological) 제약 조건을 만족하는 범위 내에서 외곽의 점들을 반복해서 제거하는 알고리즘인 세선화 알고리즘을 적용하여 골격을 구성하였다. 여기서, 위상학적 제약조건이란 세선화의 결과로 생성된 볼륨내의 연결된 객체(connected objects), 홀(hole) 및 공동(cavity)의 개수가 원본과 같아야 한다는 것을 의미 한다.
세 개의 X-ray tube는 서로 다른 촬영조건에 최적화 되어 있기 때문에 필요한 목적에 따라서 적절한 X-ray tube를 선택하여 최적의 촬영조건으로 조절하여 사용할 수 있다. 본 연구에서는 한국건설기술연구원에서 보유하고 있는 고해상도 산업용 X-ray CT 시스템을 활용하였으며, 시스템의 세부 사양은 Table 2와 같다.
성능/효과
베레아 사암의 공극크기분포를 평가하기 위해 골격화, 국부두께산정, Star chord length 등의 다양한 공극구조 평가할 수 있는 알고리즘을 탑재한 소프트웨어를 직접 개발하여 분석에 활용하였다. 국부두께 산정에 의한 방법이 상대적으로 공극크기분포를 과소평가할 수 있고, Star chord length를 이용한 방법은 과대평가할 수 있음을 확인하였다. 향후 이러한 방법을 통해 산출된 공극크기분포에 대한 통계적 수치가 실제 수리모델링 등에 활용되기 위해서는 다양한 실험적 결과와 수치해석 결과와의 비교 분석이 추가적으로 수행될 필요가 있을 것이다.
이러한 제약사항에도 불구하고, X-ray CT를 통한 다공질 암석의 수리적 특성 규명을 위해 공극구조를 평가하는 방법은 기존의 실험적 방법이 가지는 근본적인 한계점을 혁신적으로 극복할 수 있다는 점에서 매우 중요하다고 할 수 있다. 이미지 전처리과정, 분석과정의 신뢰도 향상, 분석결과의 정확도 검증 등과 같은 부분에서 지속적인 연구성과 확보를 통해 이러한 새로운 평가 방법의 적용성을 높이기를 기대하는 바이다.
후속연구
따라서, 공극의 크기와 이미지 해상도(픽셀 크기)가 실제 결과에 미치는 영향이 매우 크다. 따라서, 이러한 연구를 기초로 하여 추가적인 연구가 지속적으로 수행되어 결과에 대한 영향인자들의 민감도 분석 등이 수행되어진다면, 다공질 암석의 공극 구조에 기반한 수리역학적 특성 규명에 좋은 정보를 제공할 수 있을 것이다.
향후 이러한 방법을 통해 산출된 공극크기분포에 대한 통계적 수치가 실제 수리모델링 등에 활용되기 위해서는 다양한 실험적 결과와 수치해석 결과와의 비교 분석이 추가적으로 수행될 필요가 있을 것이다. 또한, CT 이미지 기반의 분석은 이미지의 해상도가 결과에 미치는 영향이 크기 때문에, 이를 고려한 민감도 분석도 분석방법의 신뢰도를 높이기 위해서 수행되어야 할 것으로 보인다.
이러한 제약사항에도 불구하고, X-ray CT를 통한 다공질 암석의 수리적 특성 규명을 위해 공극구조를 평가하는 방법은 기존의 실험적 방법이 가지는 근본적인 한계점을 혁신적으로 극복할 수 있다는 점에서 매우 중요하다고 할 수 있다. 이미지 전처리과정, 분석과정의 신뢰도 향상, 분석결과의 정확도 검증 등과 같은 부분에서 지속적인 연구성과 확보를 통해 이러한 새로운 평가 방법의 적용성을 높이기를 기대하는 바이다.
국부두께 산정에 의한 방법이 상대적으로 공극크기분포를 과소평가할 수 있고, Star chord length를 이용한 방법은 과대평가할 수 있음을 확인하였다. 향후 이러한 방법을 통해 산출된 공극크기분포에 대한 통계적 수치가 실제 수리모델링 등에 활용되기 위해서는 다양한 실험적 결과와 수치해석 결과와의 비교 분석이 추가적으로 수행될 필요가 있을 것이다. 또한, CT 이미지 기반의 분석은 이미지의 해상도가 결과에 미치는 영향이 크기 때문에, 이를 고려한 민감도 분석도 분석방법의 신뢰도를 높이기 위해서 수행되어야 할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
X-ray CT이란 무엇인가?
본 연구에서는 X-ray CT (computed tomography)를 이용하여 다공질 암석의 공극크기분포를 산정하는 방법론을 제시하고자 하였다. X-ray CT는 X선에 대한 재료 고유의 감쇄특성을 이용하여 재료 내부의 구조를 영상화 하는 기술로서 1970년대 의료용으로 첫 개발이 되었고 그 후로 1980년대 산업용으로 개발되어 사용되어 왔다. X-ray CT 장비는 발생장치를 통해 생성된 X선을 재료에 투과 시킨 후 감쇄된 X선의 양을 디텍터라고 불리는 장치를 통해 측정하는 과정으로 이루어진다.
X-ray CT가 공극의 구조분석에 적용되는 이유는 무엇인가?
X-ray CT는 물체의 내부를 가시적으로 나타낼 뿐만 아니라 비파괴 분석을 수행 할 수 있는 이점이 있어 최근 지반재료 분석 등 다양한 연구범위에 적용되고 있다. 특히, 암석의 입자 및 공극의 미세구조를 가시적으로 나타내고 정량적으로 평가하기에 유리하므로 공극의 구조분석에 적용하는 사례가 증가하고 있다.
다공질 암석의 공극구조 특성을 표현하는데 대표적인 방법으로는 어떤 것들이 있는가?
다공질 암석의 공극구조는 그 암석의 수리-역학적 거동에 매우 큰 영향을 미친다. 다공질 암석의 공극구조 특성을 표현하는 대표적인 방법은 공극률, 공극크기분포, 방향성 등이 있다. 암석의 유효공극률은 실험적으로 비교적 쉽게 구할 수 있지만, 공극의 크기분포 특성을 파악하는 것은 매우 어려운 실정이다.
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