地质封存中CO2混合体系密度数据库建立及应用

摘要

CO2-混合体系是CO2地质封存过程中最为常见的流体，密度作为基础物性之一，会影响流体的传热和流动特性。获取大量精确可靠的密度数据，并充分了解其对CO2地质封存的影响，才能确保实际工程长期的安全运行。本文首先对CO2地质封存领域内的CO2-混合体系的密度研究进行了系统性综述，共调研了300余篇文献、十万余个数据点。结果表明大多数混合组分已经有比较充足的密度研究数据，部分实验数据由于研究年代过于久远，存在不可靠性，部分组分缺少油藏工况下的数据。CO2-咸水三元体系、CO2-气体多元体系的相关实验数据工况较少，且模型方面的研究，尤其是理论模型方面的研究尚显不足。在此基础上，建立了两种能够共享和查询的实验数据库，利用Java搭建的查询系统可以通过局域网在线使用，C#系统简单便捷，便于搭建维护及使用。 随后利用实验数据拟合建立了CO2-混合体系密度模型，基于梯度提升回归算法的密度模型（GBRT）和随机森林算法密度模型（RF），适用于混合气及NaCl-H2O系统、298.15-478.15K、5-18MPa、0.8-1xCO2的情况。GBRT模型能够准确预测CO2混合系统的密度，AARD为0.25%，具有广泛的适用性。RF模型的预测能力稍弱于GBRT，AARD为0.89%，整体精度尚可。GBRT和RF模型对于杂质浓度超过20%的情况预测精度偏弱，需要加强模型对高杂质浓度情况的预测能力。 利用GBRT模型改进CO2溶液密度，建立了井筒注入-咸水层封存联合模型，并分析了不同注入工况对井筒、地层传热特性的影响。结果表明，井深较浅时，焦耳汤姆森冷却效应以及流体-地层的温差是影响井筒内温度变化的主要原因；井深大于600m时，流体温度取决于地层温度及井筒热阻。流体注入影响冷却域范围以及温度极值出现的位置，高温或低压注入将抑制焦耳汤姆森冷却效应。在地质封存工况下，井筒入口处的温压条件对咸水层封存后期物性参数的影响较小。局部焦耳汤姆森冷却效应过大可能会造成井筒内结冰堵塞，影响工程效率，实际封存中应尽量避免。

目录

声明

1 绪论

1.1 碳捕集利用与封存

1.2 CO2混合体系密度特性研究进展

1.2.1 密度实验研究

1.2.2 模型研究

1.3 井筒注入及咸水层封存模型研究

1.4 主要内容

2 CO2混合体系密度研究及数据库建立

2.1 测量原理

2.2 CO2-烷烃体系

2.3 CO2-咸水体系

2.4 CO2-混合气体系

2.5 模型研究现状及比较

2.5.1 CO2-烷烃体系

2.5.2 CO2-咸水体系

2.5.3 CO2-混合气体系

2.6 实验数据库

2.6.1 Java架构

2.6.2 C#架构

2.6.3 程序对比

2.7 小结

3 基于机器学习的混合体系密度模型研究

3.1 机器学习算法

3.1.1 梯度提升回归树算法

3.1.2 随机森林算法

3.2 CO2-混合体系密度模型

3.2.1 GBRT模型

3.2.2 RF模型

3.3 模型精度及对比

3.4 小结

4 注入-封存联合模型

4.1 模型建立

4.1.1 传热模型

4.1.2 物性参数

4.2 改进后的模型精度

4.3 影响因素分析

4.3.1 注入温度的影响

4.3.2 注入压力的影响

4.3.3 咸水层半径的影响

4.4 小结

结论

参考文献

附录A CO2-烷烃密度实验数据

附录B CO2-咸水密度实验数据

附录C CO2-混合气体系实验数据

附录D GBRT模型各系统预测精度图

附录E RF模型各系统预测精度图

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

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