利索能及
我要发布
收藏
专利号: 2024107654043
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种二氧化碳矿化过程成像及固碳效果评价方法,其特征在于,包括如下步骤:S10:对完成缝网改造的封存地层(110)取样并进行基础参数分析,获得原岩层中碳酸盐平均含量,在封存地层(110)内布置超声监测探头(120),通过超声监测探头(120)进行超声波监测,得到封存地层(110)内的初始波速场;

S20:关闭封存地层的排出口(140),并由封存地层(110)的注入口(130)向封存地层(110)中注入CO2水合物(150),CO2水合物(150)注入完成后关闭注入口(130),然后再通过超声监测探头(120)对封存地层(110)周期性发射声波信号;

S30:对封存地层(110)进行区域网格划分,基于超声波在不同孔隙状态的岩石中波速的差异原理,根据超声监测探头(120)发射及接收的信号对封存地层(110)中各网格区域的超声波射线路径进行分析,基于克里金插值法对超声波速进行层析成像求解,通过对波速云图的分析得出封存地层(110)的裂隙场演化,对矿化过程进行实时定位和反演;所述步骤S30具体包括如下步骤:S31:建立波速场和波速矩阵,即:

;其中, 为第 个超

声探头发射声波信号到达第 个超声探头的波速;为基于超声探头布置方式下发射端与接收端的距离矩阵; 为超声探头声波发射端到接收端的时间矩阵; 为矩阵为1的单位向量; 为超声探头发射声波的时间矩阵;S32:把封存地层(110)每个剖面进行网格划分,离散成具有波速的单元,由超声波射线穿过的网格单元定义为已知元素,采用克里金插值法通过已知元素信息准确估计其余未知元素的信息,最终得到封存地层(110)全局各个离散单元的波速;

S33:将全局各个离散单元的波速绘制成云图的形式,将在矿化反应前各个剖面的波速以同样方式进行计算,得出矿化反应前封存地层(110)的波速云图,与矿化反应后的波速云图进行对比,定义了各个离散单元波速的离散度 :;其中, 表示矿化反应后层析云图中各个离散单元的波速,

表示在矿化反应前封存地层(110)内各个离散单元的波速;

S40:在封存地层(110)完成矿化反应后,由排出口(140)排出封存地层(110)内盈余的CO2水合物(150)并记录此时水合物的体积和其中CO2的质量浓度,通过计算反应前后的CO2质量差,建立不同区域网格下波速场与固碳场之间的关系,形成矿化反应过程中固碳场的变化,对CO2在封存地层(110)内的矿化路径进行反演,对不同网格区域的固碳效果进行分析;

S50:对完成矿化反应的封存地层(110)进行产物取样,取出其中特定某一区域岩样进行分析,利用酸度测试仪测量其中碳酸盐含量,对比反应前该区域的碳酸盐含量得反应实际固碳量,对反演结果进行验证和修正,建立修正后的固碳效果评价模型,对固碳效果进行多等级评价。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳矿化过程成像及固碳效果评价方法,其特征在于,在步骤S10中,在封存地层(110)内布置超声监测探头(120)包括如下步骤:S11:确定封存地层(110)位置,根据超声监测探头(120)安装所需要的条件选取监测点位作为候选点;

S12:将满足超声监测探头(120)布设条件的候选点进行二次筛选;

S13:沿着封存地层(110)的深度方向至少设置三个监测平面,每个监测平面阵列设置多个超声监测探头(120),按照所在监测平面的标高对探头进行编号划分;

S14:建立D值优化模型,将通过二次筛选的候选点通过D值优化准则进行优化组合,得到不同的测点布设方案,计算每个测点方案的适应度值,该适应度值用于评价各方案的优劣;

S15:通过遗传算法进行求解,设置最大迭代次数,配合选择、交叉和变异操作,将交叉和变异操作后产生的子代个体与当前种群中的部分个体合并,形成新的种群,根据适应度值对新种群中的个体进行排序,选择适应度较高的个体作为下一代种群,最终实现在最大迭代次数内找到满意的测点布设方案。

3.根据权利要求2所述的二氧化碳矿化过程成像及固碳效果评价方法,其特征在于,超声监测探头(120)布设条件的候选点至少满足以下两个条件:

1)裂隙(160)改造重点区域布设多个超声波探头,在大裂隙附近布设不少于5个候选监测点位;

2)监测点位的分布空间化,避免点位都分布在一条直线或者一个平面内。

4.根据权利要求1所述的二氧化碳矿化过程成像及固碳效果评价方法,其特征在于,在步骤S20中,通过超声监测探头(120)对封存地层(110)周期性发射声波信号包括如下步骤:S21:由其中第一个监测平面上的超声监测探头(120)依次发射声波信号,由第二个监测平面上的超声监测探头(120)接收该声波信号;与此同时,由第二个监测平面上的超声监测探头(120)依次发射声波信号,由第三个监测平面上的超声监测探头(120)接收该声波信号,依次类推;其中,每个监测平面上的编号邻近的两个超声监测探头(120)发射声波信号的间隔时间ΔT,其中一个监测平面上的超声监测探头(120)发射超声波信号后其中另一个监测平面上的超声监测探头(120)第一次接收到该超声波信号的时间Δt,其中,ΔT﹥Δt;

S22:由其中第二个监测平面上的最后一个超声监测探头(120)接收到第一个监测平面上的最后一个超声监测探头(120)发射的声波信号后,由第二个监测平面上的超声监测探头(120)依次发射声波信号,并由第一个监测平面上的超声监测探头(120)接收该声波信号;与此同时,由其中第三个监测平面上的最后一个超声监测探头(120)接收到第二个监测平面上的最后一个超声监测探头(120)发射的声波信号后,由第三个监测平面上的超声监测探头(120)依次发射声波信号,并由第二个监测平面上的超声监测探头(120)接收该声波信号,依次类推;其中,每个监测平面上的编号邻近的两个超声监测探头(120)发射声波信号的间隔时间ΔT,其中一个监测平面上的超声监测探头(120)发射超声波信号后其中另一个监测平面上的超声监测探头(120)第一次接收到该超声波信号的时间Δt,其中,ΔT﹥Δt;重复上述步骤直至完成所有监测平面上的超声监测探头(120)发射声波信号,结束一个监测周期;

S23:在注入CO2水合物(150)后关闭注入口(130),每间隔时间T1进行一次周期性声波监测,得到封存地层(110)内的波速场分布,在相邻两个周期波速场变化幅度较小即矿化反应趋于稳定后,间隔时间T2进行一次周期性声波监测,直至波速场不发生变化,其中,T2﹥T1。

5.根据权利要求1所述的二氧化碳矿化过程成像及固碳效果评价方法,其特征在于,在所述步骤S32中,把封存地层(110)每个剖面进行网格划分,离散成具有波速的单元,由超声波射线穿过的网格定义为已知元素,采用克里金插值法通过已知元素信息较准确估计其余未知元素的信息,最终得到封存地层(110)全局各个离散单元的波速,具体步骤如下:S321:在有限区域的波速场集合 中,设已知波速单元为 ,

该波速单元在波速场集合 上的波速值为 ,设待估计波速单元为 ,其估计波速值由下式进行计算:;其中, 为权重系数,在确定权重系数时需要保证估计

波速值 与已知波速值 之差的数学期望为0,且方差最小;

S322:对于波速场 中任意两点 和 , 且 ,定义变

异函数 ,如下:

根据克里金插值法的二阶平稳假设和本征假设,波速场 中任意两点 和 ,其区域化变量之差的数学期望 ,方差 存在且仅与2点距离相关,即变得:

;其中,为波速场 中两点 和 之间的距离,

为基于点间距的变异函数模型;

S323:选择变异函数模型,此处选用球状模型进行计算,对应以下计算式:

;其中, 为变程; 为块金常数,为常数值

;为拱高,代表参数结构性变化的部分, ,其中, 为基台,

反映参数在数值大小上的最大变化幅度;

S324:从 中取值使 取得最小值,利用拉格朗日乘数法构造函数

,分别求 对 和 的偏导数并令其为0,整

理得克里金方程:

;其中,为拉格朗日乘子,通过上式结解算得权重系数

,即带入步骤S321中进行计算,得到待估计波速单元 的较准确

波速估计值 。

6.根据权利要求1所述的二氧化碳矿化过程成像及固碳效果评价方法,其特征在于,在所述步骤S40中,建立不同区域网格下波速场与固碳场之间的关系包括通过计算波速变化得出各离散单元的固碳量 ,表达式如下:;其中,设注入封存地层(110)内的CO2水合物

(150)体积为 ,CO2质量浓度为 ,完成矿化反应后排出的CO2水合物(150)体积为 ,其中CO2质量浓度为 ,为离散单元网格总数,根据封存地层(110)内各个离散单元的固碳量得出CO2在封存地层(110)内的矿化路径,对矿化路径进行反演; 表示矿化反应后层析云图中各个离散单元的波速, 表示在矿化反应前封存地层(110)内各个离散单元的波速。

7.根据权利要求1所述的二氧化碳矿化过程成像及固碳效果评价方法,其特征在于,所述步骤S50具体包括如下步骤:S51:矿化结束后,根据层析云图的结果对封存地层(110)内矿化重点区域进行取样,利用酸度测试仪测量其中碳酸盐含量或者采用CT扫描产物分析方法,得出该区域反应后所得的碳酸盐含量 ,设原始状态下原岩层中碳酸盐平均含量为 ,则反应过程该区域新生成的碳酸盐含量为 ;

S52:将实际取样分析所得该区域内新生成的碳酸盐含量与计算所得该区域内各个离散单元消耗的CO2总量进行对比验证,能够得到修正系数 ,由修正系数 对矿化效果评价模型进行修正;修正系数 的表达式为:;其中,n为该区域内离散单元数量,M为碳酸盐的相对分子质量,44

为CO2的相对分子质量, 为计算所得该区域内各个离散单元的固碳量,故修正后封存地层(110)内各个离散单元固碳量 为: ;

S53:将修正后封存地层(110)内各离散单元的固碳量绘制成云图,建立矿化效果多级评价体系,按固碳量 和固碳速率 对各离散单元的固碳效果进行评价,固碳速率计算公式如下:;其中, 为离散单元内矿化反应速率, 为离散单元内矿化反应时间。

8.根据权利要求7所述的二氧化碳矿化过程成像及固碳效果评价方法,其特征在于,所述步骤S53具体包括如下步骤:S531:将各离散单元固碳量云图按照不同数值和颜色深浅划分为三个带区,定义为矿化反应剧烈带、反应微弱带和无反应带;

S532:根据离散单元在固碳量云图中的位置和动态固碳速率将其矿化效果评价为优、中和差三个等级;

S533:若某一离散单元处于反应微弱带或无反应带,且其固碳效率较低,则说明该离散单元矿化效果较差,需要采取局部升温、局部压裂或者局部加压的方式加速其矿化效率,实现对于矿化过程的动态调控,提高固碳量。

9.一种如权利要求1至权利要求8中任意一项所述的二氧化碳矿化过程成像及固碳效果评价方法的评价系统,其特征在于,包括:基础参数获取单元,配置为用于对完成缝网改造的封存地层(110)取样并进行基础参数分析,获得原岩层中碳酸盐平均含量;

超声波监测单元,配置为在封存地层(110)内布置超声监测探头(120),通过超声监测探头(120)进行超声波监测;

水合物注入单元,配置为关闭封存地层的排出口(140),并由封存地层(110)的注入口(130)向封存地层(110)中注入CO2水合物(150), CO2水合物(150)注入完成后关闭注入口(130);

矿化定位与反演单元,配置为用于对封存地层(110)进行区域网格划分,基于超声波在不同孔隙状态的岩石中波速的差异原理,根据超声监测探头发射及接收的信号对封存地层(110)中各网格区域的超声波射线路径进行分析,基于克里金插值法对超声波速进行层析成像求解,通过对波速云图的分析得出封存地层(110)的裂隙场演化,对矿化过程进行实时定位和反演;

固碳量计算单元,配置为用于在封存地层(110)完成矿化反应后,由排出口(140)排出封存地层(110)内盈余的CO2水合物(150)并记录此时水合物的体积和其中CO2的质量浓度,通过计算反应前后的CO2质量差,建立不同区域网格下波速场与固碳场之间的关系,形成矿化反应过程中固碳场的变化,对CO2在封存地层(110)内的矿化路径进行反演,对不同网格区域的固碳效果进行分析;

固碳效果评价单元,配置为用于对完成矿化反应的封存地层(110)进行产物取样,取出其中特定某一区域岩样进行分析,利用酸度测试仪测量其中碳酸盐含量,对比反应前该区域的碳酸盐含量得反应实际固碳量,对反演结果进行验证和修正,建立修正后的固碳效果评价模型,对固碳效果进行多等级评价。