不同温度和压强下(CO2+CH4)/(CO2+N2)/(CH4+N2)+H2O界面张力的SVR建模研究

摘要

气液界面张力是自然界中存在的最普遍的力作用，也是热物理的基础性质，在许多领域和工业中，都发挥着重要的影响。尤其在石油工业的勘探、开采以及加工等方面，界面张力对毛细管压力，相对渗透率和残留液体饱和度都有决定性的作用。因此，精确地了解压强、温度和气体组成对界面张力的影响对于设计和优化石油生产工艺和回收过程都非常的重要。然而，由于实验设备过于昂贵，实验流程过于精巧耗时，导致了在科学基础建设和工业应用中界面张力数据相关信息很有限。因此本文在已有的实验研究基础上，利用支持向量回归方法对(N2+CO2)+H2O，(CH4+CO2)+H2O和(CH4+N2)+H2O三种非极性气体水的系统的界面张力进行建模研究，主要工作如下：
　　(1)利用支持向量回归这种基于统计理论的机器学习方法来研究(CO4+N2)+H2O气液系统的界面张力，并且所建立的SVR模型（MAPE为0.29%）比现存在LGT半经验理论模型（MAPE为1.29%）的准确度得到了数量级的提高。同样地利用该方法对(CO2+CH4)+H2O系统的界面张力进行建模研究，所得到的模型的误差（MAPE）小于0.50%。
　　(2)利用支持向量回归这一机器学习方法对(CH4+N2)+H2O系统的界面张力进行建模研究，不仅通过二元子系统N2+H2O和CH4+H2O建立了准确的SVR模型（MAPE为0.30%），还准确地预测出三元系统(CH4+N2)+H2O在和子系统相同的温度和压强条件下的界面张力值（MAPE为0.79%），以及二元子系统 CH4+H2O在不同温度和不同压强下的界面张力值（MAPE为0.95%）。
　　(3)通过对(CO2+N2)+H2O、(CO2+CH4)+H2O及(CH4+N2)+H2O三个非极性气体与水系统建立的SVR模型的因素分析可知，对比三种不同系统中界面张力随温度、压强和分子组成的变化趋势的异同，分析变化趋势产生区别的原因。
　　结果表明：所建立的 SVR模型的稳定性高，预测性能强；(CH4+N2)+H2O、(CO4+N2)+H2O、(CO2+CH4)+H2O三个三元系统对应的平均绝对百分误差分别为0.29%、0.48%和0.79%，并且(CH4+N2)+H2O三元系统的界面张力可以通过仅有其二元子系统 CH4+H2O、N2+H2O的界面张力数据所建立的模型获得。不仅如此，本文还利用三个系统的界面张力模型进行了因素分析和因素灵敏度分析，发现(CH4+N2)+H2O系统在不同的温度、压强和气体组成条件下的变化趋势更为简单一致，然而在(CO4+N2)+H2O、(CO2+CH4)+H2O两个系统中，界面张力的变化趋势却更加复杂。其中(CO2+CH4)+H2O系统的SVR模型在对高压和高CO2摩尔百分比情况下界面张力的预测误差较大，分析其原因为此条件下 CO2在水中的溶解度随着气体浓度和压强发生变化，导致其界面张力变化更复杂引起。而对于三个系统的界面张力而言，通过三个SVR模型获得的最敏感因素都是温度，而温度和气体组成比例的敏感程度都较小，且很接近。在此基础上，本文还利用所建立的(CH4+N2)+H2O系统SVR模型预测了(CH4+N2)+H2O系统在CH4摩尔百分比从0到100、温度从295.15K到373.15K、压强在1MPa到30MPa范围内的界面张力值，丰富了工程应用中热物理性质的基础数据，为石油勘探、开采和加工过程中涉及到的界面张力值提供了重要参考。

目录

1 绪 论

1.1气液系统界面张力研究情况

1.2 研究目的与意义

1.3研究内容

2 基于粒子群参数寻优的支持向量回归

2.1支持向量机基本思想

2.2支持向量回归

2.3 核函数

2.4 粒子群算法参数寻优

2.5 模型泛化（预测）性能指数

2.6 小结

3 (CO2+N2)+H2O系统界面张力的建模研究

3.1源数据

3.2模型介绍

3.3结果与讨论

3.4因素及其灵敏度分析

3.5小结

4 (CH4+CO2)+H2O系统界面张力建模研究

4.1源数据

4.2模型介绍

4.3结果与讨论

4.4因素及其灵敏度分析

4.5小结

5 (CH4+N2)+H2O系统界面张力建模研究

5.1源数据

5.2模型介绍

5.3结果与讨论

5.4因素及其灵敏度分析

5.5小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. (CH4+N2)+H2O系统界面张力预测值