УСТРОЙСТВО РЕНТГЕНОВСКОЙ ТОМОГРАФИИ
DEVICE FOR X-RAY TOMOGRAPHY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству рентгеновской томографии.
Уровень техники
Настоящее изобретение относится к устройству рентгеновской томографии, выполненному с возможностью применения в области петрофизики, например, для исследования потока текучих сред в пористой среде. Например, его цель состоит в исследовании многофазного потока смеси двух или трех текучих сред внутри пористой среды: смесь любых двух или трех сред из воды, газа и нефти.
Известны системы рентгеновской томографии, выполненные с возможностью исследования морфологии пор внутри горных пород для идентификации минералов, составляющих образец горной породы (пористая среда), или топологии различных фаз текучей среды, присутствующей в образце горной породы в статических (то есть, без протекания) условиях.
Благодаря использованию полихроматического рентгеновского источника эти системы позволяют получать приблизительные результаты из-за нелинейности поглощения и поэтому возникновения артефактов изображения. Это сильно влияет на качество изображений, в частности, в отношении идентификации материалов (текучей среды или горной породы). Лабораторные источники, используемые в этих системах, имеют очень малый поток фотонов, который требует очень длительного времени записи для получения изображений с высоким разрешением. Такие системы, таким образом, не предоставляют время для получения, совместимое с изучением многофазного потока в пористых средах. В этих системах также используются алгоритмы реконструкции изображения, которые должны работать с большими объемами данных, для расчета только одного 3D томографического изображения. Кроме того, сильный угол расхождения полихроматических рентгеновских томографов вводит артефакты в реконструкциях 3D изображения, получаемые из-за компромиссов в процессе комплексной реконструкции с очень расходящейся структурой. Эти системы не пригодны для быстрого получения 3D томографических изображений, для генерирования кинофильма перемещений текучей среды в образце пористой среды.
Следовательно, такие устройства выполнены с возможностью обеспечения только значений статических характеристик внутри пористой среды, таких как минимальная насыщенность воды или остаточная насыщенность нефти. Они не позволяют визуализировать поток текучей среды или поток множества текучих сред внутри пористой среды.
Синхротронные источники рентгеновского излучения обеспечивают достаточный поток фотонов.
2
Но эти устройства обеспечивают параллельный поток фотонов, имеющий очень малый размер точки фокуса, который изменяется от приблизительно некоторых мм, что является несовместимым с большим полем обзора, необходимым для наблюдения макроскопического потока текучих сред внутри пористой среды и, в частности, в реальных пористых средах, где дисперсия, анизотропия, вязкостное языкообразование, требуют обеспечить возможность записи всего вида образца. Кроме того, такие устройства имеют огромный размер, они являются очень дорогостоящими и предназначены только для научного использования. При этом трудно получить доступ к такому инструменту для анализа нефтеносной пористой среды, где время эксперимента может потребовать ожидания в течение от нескольких недель до нескольких месяцев.
Задачи и сущность изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить устройство рентгеновской томографии, которое можно использовать для анализа потока текучих сред внутри пористой среды, такой как образец горной породы геологической формации.
Для этого устройство рентгеновской томографии, в соответствии с изобретением, выполнено с возможностью предоставления 3D топографического изображения образца и оно содержит:
- рентгеновский источник, излучающий поток фотонов в направлении оси пучка, упомянутый рентгеновский источник представляет собой близкий к монохроматическому источник, и упомянутый поток фотонов имеет пространственный угол больше чем 0,1 градуса вокруг упомянутой оси пучка,
- ячейку, выполненную с возможностью включать в себя пористый образец, изображение которого снимают, упомянутая ячейка расположена внутри потока фотонов и выполнена с возможностью поворота вокруг оси ячейки, которая, по существу, перпендикулярна оси пучка, и которая выполнена с возможностью обеспечения затопления пористого образца по меньшей мере одной текучей средой,
- детектор фотонов, принимающий переданный фотонный луч, который был пропущен через упомянутую ячейку, упомянутый детектор фотонов обеспечивает по меньшей мере одно полученное изображение для каждого угла из множества углов ячейки, и упомянутые полученные изображения, снятые в течение всей длительности времени, меньше чем десять минут, и
- модуль обработки, который рассчитывает томографическое изображение на основе полученных изображений, соответствующих множеству углов ячейки.
Благодаря таким свойствам устройство рентгеновской томографии выполнено с возможностью мгновенного получения высокого уровня фотонов в большом поле зрения.
Также возможно получить очень высокий уровень фотонов в малом поле зрения, что позволяет работать в режиме сшивания или в режиме локальной томографии.
Изображение анализируемого объема может быть получено в течение длительности времени, меньшей чем десять минут, что является весьма конкурентоспособным с тем, что получается с использованием синхротрона 3-го поколения.
Поэтому возможно получить множество 3D томографических изображений, представляющих кинофильм потока текучих сред внутри пористой среды образца. Кроме того, возможно сканировать весь объем и идентифицировать области флуктуации текучих сред перед увеличением масштаба для получения наилучшего разрешения.
В различных вариантах осуществления устройства рентгеновской томографии одно и/или другое из следующих свойств может быть встроено, в случае необходимости.
В соответствии с частным вариантом изобретения монохроматический и очень яркий рентгеновский источник представляет собой компактный источник света, в котором используется столкновение между лазерным пучком и противоположным электронным пучком.
В соответствии с частным вариантом изобретения длительность времени анализа объема меньше чем одна минута.
В соответствии с частным вариантом изобретения модуль обработки рассчитывает томографическое изображение в течение периода времени, меньше, чем длительность времени, используемая для формирования полученных изображений, соответствующих множеству углов ячейки.
В соответствии с частным вариантом изобретения ячейка имеет размер в диапазоне от 0,3 см до 20 см и предпочтительно в диапазоне от 0,6 см до 10 см.
В соответствии с частным вариантом изобретения ячейка выполнена из материала из списка, содержащего бериллий, сплавы бериллия и композиционный материал углерод - углерод.
В соответствии с частным вариантом изобретения ячейка содержит средство для нагрева образца до температуры выше 650°С и средство для повышения давления в ячейке до давления выше 1000 бар.
В соответствии с частным вариантом изобретения детектор фотона содержит прибор с зарядовой связью (CCD) с разрешением по меньшей мере десять мегапикселей.
В соответствии с частным вариантом изобретения рентгеновское томографическое устройство дополнительно содержит интерферометр на основе решетки, расположенный между ячейкой и детектором фотонов.
В соответствии с частным вариантом изобретения устройство рентгеновской томографии дополнительно содержит микроскоп, расположенный между ячейкой и детектором фотона.
Краткое описание чертежей
Другие признаки и преимущества изобретения будут понятны из следующего подробного описания одного из его вариантов осуществления, которое представлено в виде неограничительного примера, со ссылкой на приложенные чертежи. На чертежах:
- на фиг.1 схематично показано рентгеновское томографическое устройство в соответствии с изобретением, и
- на фиг.2 показан пример 3D томографического изображения, полученного с помощью устройства по фиг.1.
Осуществление изобретения
На различных чертежах одними и теми же номерами ссылочных позиций обозначены идентичные или аналогичные элементы. Направление Z представляет собой вертикальное направление. Направление Х или Y представляют собой горизонтальное или поперечное направление. Они представляют собой показатели для понимания изобретения.
Устройство 1 рентгеновской томографии, показанное на фиг.1, содержит:
- рентгеновский источник 2, излучающий пучок фотонов (РВ) в направлении оси ВА пучка,
- ячейку 3, содержащую пористый образец 10, изображение которого должно быть сформировано,
- детектор 4 фотонов, принимающий пучок прошедших фотонов (ТРВ), который прошел через упомянутую ячейку 3, и
- модуль 5 обработки, рассчитывающий 3D томографическое изображение на основе полученных изображений, предоставляемых детектором 4 фотонов.
Рентгеновский источник 2, предпочтительно, представляет собой монохроматический источник, такой, чтобы ячейка освещалась рентгеновским пучком высокой яркости с малым углом расхождения. Энергия полихроматических источников распределяется в широкой полосе частот. При этом возможно получить естественный монохроматический поток фотонов или фильтровать пучок фотонов (РВ) для получения квазимонохроматического пучка фотонов. Однако это значительно уменьшает поток фотонов. В монохроматическом источнике энергия концентрируется в очень узком частотном диапазоне. Длительность по времени, необходимая для получения изображения с помощью детектора, тогда очень мала, и она совместима с многофазным отслеживанием потока.
Пучок фотонов (РВ), генерируемый упомянутым рентгеновским источником 2, представляет собой расходящийся конусный пучок, имеющий пространственный угол SA, который является широким и, например, большим чем 0,1 градуса или несколько мрад вокруг оси ВА пучка. При этом возможно освещать всю ячейку, имеющую размер 10 см на расстоянии от рентгеновского источника 2, которое представляет собой малое расстояние, например меньше 25 м и предпочтительно меньше 10 м. Пространственный угол SA может быть больше чем 0,5 градусов.
8
11
Предпочтительно рентгеновский источник выполнен с возможностью излучения пучка фотонов, имеющего высокий уровень энергии, например от 10 до 200 кэВ. Поток фотонов может быть больше чем 10 фотонов/с рядом с детектором 4 фотонов и предпочтительно больше чем 10 фотонов/с. Устройство также выполнено с возможностью формирования изображения толстых ячеек и толстых образцов (от 0,3 см до 10 см). Рентгеновский источник может иметь настраиваемый уровень энергии рентгеновского излучения.
Например, рентгеновский источник 2 может представлять собой компактный источник фотонов, в котором используется столкновение между лазерным пучком и противоположным электронным пучком. В таком рентгеновском источнике 2, предпочтительно, используется обратный эффект Комптона (рассеяние Томсона) для генерирования естественного монохроматического пучка фотонов РВ, имеющего высокий уровень энергии. Основное преимущество таких рентгеновских источников состоит в том, что они являются очень компактными по сравнению с классическими синхротронными устройствами. Известное настольное синхротронное устройство, в котором используются такие физические свойства, представляет собой "Компактный источник света" (CLS), поставляемый Lyncean Technologies Inc., но в результате фильтрации очень яркого полихроматического потока такой "Mirrorcle" от Photon Production Lab позволяет получать практически аналогичный результат.
Рентгеновский источник 2 может быть настраиваемым в соответствии с уровнем энергии (яркости) для использования в разных экспериментах с описанным выше пористым образцом.
Ячейка 3 помещена внутри фотонного пучка РВ. Положением ячейки можно управлять с помощью средства 8 вращения (вращение Z) и средства 9 перемещения (перемещение XYZ).
Благодаря средству 8 вращения ячейка 3 может поворачиваться вокруг оси СА ячейки, по существу, параллельной оси Z и перпендикулярной оси X, оси ВА пучка по фиг.1. Ячейка 3 поворачивается на угол ячейки вокруг оси СА ячейки. Таким образом, детектор 4 может снимать изображения, полученные из ячейки (образца) под разными углами обзора, и модуль 5 обработки может рассчитывать 3D томографическое изображение образца.
Благодаря средству 9 перемещения ячейку 3 можно размещать внутри фотонного пучка РВ.
Ячейка 3 может быть помещена или расположена между первым расстоянием от источника 2 и вторым расстоянием от источника 2. Первое расстояние может быть небольшим, и ячейка 3 располагается рядом с источником 2 рентгеновских лучей (см. положение Р1 на фиг.1). Такая конфигурация оптимизирует максимальный поток при высоком разрешении (режим сшивания или локальной томографии). Второе расстояние намного больше, чем первое расстояние, при этом ячейка 3 располагается на расстоянии от рентгеновского источника 2. В этой конфигурации возможно освещать всю область, представляющую интерес, обеспечивая возможность простого переключения с глобального томографического режима к локальной томографии на основе наблюдаемых изменений, индуцируемых многофазным потоком. Время сбора данных в такой последней конфигурации является меньшим, чем в первом случае, но оно позволяет анализировать образец в интерактивном режиме.
Например, цилиндрический образец горной породы, содержащийся внутри ячейки 3, имеет размер в диапазоне от 0,3 см до 10 см. Размер предпочтительно находится в диапазоне от 0,6 см до 3 см по диаметру и в диапазоне от 2 см до 10 см в длину. Размер образца горной породы выбирают достаточно большим для исследования свойств многофазного транспортирования в масштабе, представительном для свойств макроскопического транспортирования в упомянутой горной породе, и достаточно малым, для обеспечения томографии с высоким разрешением образца в течение длительности времени, которая позволяет формировать изображения всего образца менее чем за десять минут: получая изображения под множеством углов ячейки в пределах упомянутого времени.
Ячейка 3 представляет собой, например, трубу, продолжающуюся вдоль оси СА ячейки, в трубу помещают образец пористой среды. Ячейка 3 содержит входной трубопровод 6, по которому текучая среда поступает в ячейку 3, и выходной трубопровод 7, по которому текучую среду выводят из ячейки. Ячейка выполнена с возможностью пересечения ее текучей средой.
Устройство 1 рентгеновской томографии также содержит гидравлические устройства, которые обеспечивают подачу текучей среды во входной трубопровод и вывод этой текучей среды из выходного трубопровода. Такие гидравлические устройства также могут дополнительно обеспечивать физические параметры текучей среды; температуру, давление. С этой целью такие гидравлические устройства включают в себя тепловой регулятор и регулятор давления. Образец 10 внутри ячейки 3 можно тестировать в соответствии с физическими условиями геологической формации.
Тепловой регулятор может нагревать образец вплоть до температуры 650°С.
Регулятор давления может поднимать давление в образце вплоть до давления 1000 бар.
Ячейка 3 представляет собой разновидность кернодержателя Хасслера, которая удовлетворяет требованиям формирования изображения рентгеновской томографии. Ячейка 3 выполнена с возможностью затопления пористого образца 10 одной или несколькими текучими средами в условиях управляемого давления и температуры.
Ячейка 3 выполнена из материала, который является прозрачным для пучка рентгеновских фотонов. Предпочтительно она выполнена из бериллия или из сплава бериллия, такого как сплав бериллия и алюминия, или из композита углерод - углерод.
Детектор 4 фотонов может быть настроен так, чтобы он имел чувствительность, соответствующую образцу и текучим средам. Малые вариации плотности текучей среды поэтому могут быть детектированы. При этом нефть и воду можно различать в полученных изображениях, предоставляемых детектором 4 фотонов, используя очень быстрый режим классической абсорбции, или режим фазы, или режим темного поля.
Детектор 4 фотонов формирует по меньшей мере одно изображение для каждого угла из множества углов ячейки. Все эти полученные изображения снимают в течение времени, меньшего чем десять минут, для анализа всего объема. Предполагается, что состояние образца не меняется в течение этого: движение текучих сред внутри пористой среды остается очень малым. Предполагается, что все полученные изображения под различными углами ячейки затем представляют уникальное состояние образца.
Предпочтительно длительность составляет менее одной минуты. Изображения представляют более точно уникальное состояние образца, и томографическое устройство получает изображения в режиме реального времени и сохраняет все эти изображения для модуля 5 обработки.
Детектор 4 фотонов может представлять собой плоскую панель или рентгеновский CCD (прибор с зарядовой связью), или CMOS. Детектор 4 фотонов имеет высокое разрешение. Например, он представляет собой CCD, имеющий по меньшей мере десять мегапикселей. Полученные изображения являются достаточно точными для визуализации в одно время (одновременно) полного поля обзора образца с очень малыми деталями внутри образца, благодаря режиму сшивания или процессу локальной томографии. Таким образом, возможны несколько подходов для сканирования образца, и полученное изображение может быть снято за очень короткое время, и полученное изображение будет достаточно экспонировано потоком фотонов для отображения малых деталей и малых вариаций плотности.
Модуль 5 обработки рассчитывает 3D томографическое изображение на основе полученных изображений, соответствующих множеству углов ячейки. Такой способ обработки изображений известен и является эффективным (быстрый и обеспечивает очень хорошее качество изображения), благодаря преимуществам квазипараллельной аппроксимации. Примеры способов обработки изображений можно найти в следующем документе: А.С. Kak and Malcolm Sidney, Principles of Computerized Tomographic Imaging, IEEE Press, 1988.
В настоящем изобретение модуль 5 обработки может содержать средство параллельных вычислений таким образом, что изображение 3D томографии может быть рассчитано в течение очень короткого периода времени. Такие высокие характеристики в течение времени воспроизведения и формирования изображения в основном обеспечиваются благодаря квазипараллельной геометрии пучка. Период времени может быть меньшим, чем длительность получения изображений с различными углами ячейки с образцом. Устройство рентгеновской томографии поэтому генерирует 3D томографическое изображения в режиме реального времени и позволяет визуализировать кинофильм в режиме реального времени, представляющий движения текучих сред внутри пористой среды.
Томографическое устройство 1 может содержать микроскоп для получения высокого (точного) разрешения. В этом случае разрешение может достигать размера векселя 200 нм, что представляет собой теоретический предел микроскопов из-за критерия Рэйли.
Томографическое устройство 1 также может содержать интерферометр на основе дифракционной решетки, расположенный между ячейкой 3 и микроскопом или детектором 4 фотонов. Такая решетка улучшает контраст полученных изображений, путем суммирования контрастного изображения поглощения, контрастного изображения фазы и контрастного изображения темного поля: материалы, имеющие аналогичную плотность, можно различать на полученных изображениях с помощью детектора 4 фотонов. В этом случае может быть получено такое же разрешение, которое можно было бы получить, используя только микроскоп.
Решетки, микроскоп и детектор 4 составляют оптическую установку рентгеновского томографического устройства 1.
На фиг.2 показан пример проекции 3D изображения 20, сформированного рентгеновским томографическии устройством 1, в соответствии с изобретением. 3D томографическое изображение содержит различные уровни серого или различные цвета, каждый из которых представляет составляющие образца. Номером 21 обозначена пористая среда. Номером 22 обозначена первая текучая среда, имеющая первую плотность. Номером 23 обозначена вторая текучая среда, имеющая вторую плотность.