基于数值仿真与神经网络的CO2封存效率优化

牛业超 ,  李霞 ,  孙一雪 ,  杨富 ,  遆昊焜 ,  李石

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (3) : 230 -235.

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现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (3) : 230-235. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.03.037
工业技术

基于数值仿真与神经网络的CO2封存效率优化

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Optimization of CO2 storage efficiency based on numerical simulation and neural network

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摘要

针对枯竭油气藏CO2注入过程中多机制封存性能缺乏快速评估工具的问题,构建了基于CMG-GEM平台的三维油藏模型,结合拉丁超立方抽样(LHS)生成1 520组参数场景,模拟溶解俘获、残余俘获与结构圈闭3类封存机制的响应过程。通过斯皮尔曼秩相关系数(SRCC)识别关键控制参数,并建立反向传播神经网络(BPNN)模型,实现封存效率及机制贡献的快速预测。结果表明,所建模型在3项指标上均具较高精度(R2>0.98,RMSE<0.01),可为封存方案优化与风险评估提供有效支持。

Abstract

To address the lack of rapid evaluation tools for multi-mechanism CO2 storage performance during CO2 injection in depleted oil and gas reservoirs,a three-dimensional reservoir model was developed based on the CMG-GEM platform.Latin Hypercube Sampling (LHS) was employed to generate 1520 parameter scenarios,enabling the simulation of the responses of three major trapping mechanisms,namely solubility trapping,residual trapping,and structural trapping.Key controlling parameters were identified using the Spearman rank correlation coefficient (SRCC),and a backpropagation neural network (BPNN) model was established to achieve rapid prediction of storage efficiency and the contributions of individual trapping mechanisms.The results indicate that the proposed model exhibits high predictive accuracy for all three indices (R2>0.98,RMSE<0.01),demonstrating its effectiveness in supporting storage scheme optimization and CO2 storage risk assessment.

Graphical abstract

关键词

枯竭油气藏 / 风险评估 / 反向传播神经网络 / 二氧化碳封存

Key words

depleted oil and gas reservoir / risk assessment / backpropagation neural network / CO2 storage

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牛业超,李霞,孙一雪,杨富,遆昊焜,李石. 基于数值仿真与神经网络的CO2封存效率优化[J]. 现代化工, 2026, 46(3): 230-235 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.03.037

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随着全球气候变化问题日益严峻,碳捕集与封存(carbon capture and storage,CCS)被认为是实现“碳达峰”与“碳中和”目标的重要技术路径之一[1]。政府间气候变化专门委员会(IPCC)指出,为将全球升温控制在1.5℃以内,需在本世纪中叶前实现大规模CO2减排与封存[2]。通过CCS技术将CO2注入深层地质体以实现长期封存,是当前主要的负排放手段之一[3-4]
目前,深层咸水层、枯竭油气藏、不可开采煤层及海底储层是CO2地质封存的主要场所[5-6]。其中,枯竭油气藏因具有良好的封闭性、成熟的钻井基础设施和丰富的开发数据[7-8],在封存安全性和经济性方面优势明显,被认为是减少碳排放的切实可行方案之一[9]。但CO2在油气藏中的封存过程涉及多机制协同作用[10],其效率和稳定性受多因素非线性耦合影响,评价仍存在较大不确定性[11]。数值模拟技术可解析CO2多相渗流与传质过程,是封存机制研究的重要工具[12]。然而,传统高保真模型在大规模多参数场景评估中计算成本高昂,场景模拟耗时常达数日甚至数周,难以满足封存场选址与快速评估需求。
近年来,机器学习(machine learning,ML)技术被广泛应用于构建数值模拟的代理模型,以提升CO2封存过程的预测效率[13-15]。然而,现有研究多聚焦于单一封存机制的预测,缺乏对多机制协同作用的系统建模;同时,敏感性分析方法多基于局部样本,难以有效覆盖高维参数空间,限制了模型的可解释性和工程推广能力。
针对上述问题,本文中构建了融合全局敏感性分析与机器学习的预测框架。基于CMG-GEM平台建立三维油藏模型,结合拉丁超立方抽样(latin hypercube sampling,LHS)生成1 520组多参数工况,模拟并定量表征3类封存机制。利用斯皮尔曼秩相关系数(spearman’s rank correlation coefficient,SRCC)识别关键控制因素,明确各输入参数对溶解俘获、残余俘获与结构圈闭机制的相对影响。在此基础上,构建反向传播神经网络(backpropagation neural network,BPNN)模型,实现3类封存指数快速预测,并通过独立盲测样本验证泛化能力。研究结果可为CO2封存机制解析、场址筛选与环境风险评估提供理论依据与技术支撑。

1 方法

为系统分析枯竭油气藏中CO2的封存行为,本文中构建了一套融合数值模拟与机器学习的数据驱动建模框架,如图1所示。包括多场景数值模拟、封存机制敏感性分析以及基于BP神经网络的封存效率预测。在保证物理合理性的前提下,该框架提高了建模效率,为封存风险识别与注入方案优化提供技术支撑。

1.1 设计仿真模拟

基于CMG软件中的GEM模块,构建三维枯竭油藏模型,模拟CO2的注入、迁移与封存过程,识别控制封存行为的关键地质与工程参数。模型初始状态假设油气藏历经长期开发,孔隙压力大幅降低、产能衰减至经济极限,处于典型的枯竭状态,同时具备完好盖层以保障CO2封存的完整性与安全性。
模型采用结构化三维网格,横向方向分别划分为36×36个单元,垂向分为10层,共计12 960个网格。各向网格尺寸均匀,以兼顾模拟精度与计算效率。为更准确描述垂向流动特征,模型在垂向上设定细分网格,同时简化假设储层孔隙度与渗透率沿垂向均质分布,以突出整体规律性分析。
地质与工程参数参考典型文献与实际工程经验设定[16],数值模拟的基准参数如表1所示。考虑超临界CO2的PVT性质,利用CMG-GEM中的组分模型,模拟其在油相与水相中的溶解行为,同时引入残余气体俘获和溶解俘获等机制,以更真实反映其封存过程。
注入方案如图2所示,采用四周对称布井方式,形成环绕注入系统,模拟注入期为10 a,封存监测期为90 a,总模拟时长为100 a。边界条件设定为无流边界,以模拟封闭储层系统,排除外部干扰对CO2迁移路径的影响。

1.2 数据生成与敏感性分析

为系统评估地质与工程参数对CO2封存行为的影响,并为后续风险建模提供数据支撑,本文中基于油藏基础模型开展了敏感性分析与批量模拟工作,涵盖样本生成、封存机制量化、响应指标设定等关键环节。

1.2.1 参数空间构建

采用LHS方法,对9个主要控制参数进行全局敏感性分析,构建具有代表性的多维参数空间并生成机器学习模型所需的训练与验证数据集,具体参数范围与分布如表1所示。该方法通过分层等概率抽样策略,能够在样本量有限的情况下有效表征参数间的非线性耦合效应。

1.2.2 封存机制响应指标定义

基于LHS生成的1 520组参数组合,在CMG-GEM平台上执行批量模拟,每组对应1个独立的CO2封存场景。模拟输出包括溶解相CO2封存量、残余气相封存量及超临界气相质量等动态数据。为了评价CO2注入过程的有效性,定量评估封存风险,研究结合IPCC提出的封存机制划分方法[17],模拟过程中考虑了以下3类主要封存机制,并根据此定义响应指标[18]
(1)溶解俘获机制
指CO2逐步溶解于孔隙盐水中,形成热力学稳定的溶液,过程受温度、压力和盐度等因素控制。定义溶解俘获指数(solubility gas trapping index,STI)为:
$STI=溶解于盐水中的C{O}_{2}总质量\left(kg\right)/$
注入CO2总质量(kg)
(2)残余气体俘获机制
在毛细压力作用下,CO2被困于孔隙中形成不可移动气相,其过程受岩石润湿性及残余气饱和度的影响。定义残余俘获指数(residual gas trapping index,RTI)为:
$\begin{array}{r}RTI=以残余气相形式俘获的C{O}_{2}总质量\left(kg\right)/\\ 注入C{O}_{2}总质量\left(kg\right)\end{array}\left(2\right)$
(3)结构/重力俘获机制
CO2在非均质储层中上浮至顶部盖层处受阻,形成自由气聚集区,表现为结构圈闭与重力稳定。定义结构俘获指数(structural trapping index,StTI)为:
$StTI=因浮力作用被结构圈闭的C{O}_{2}总质量\left(kg\right)/$
注入CO2总质量(kg)
3项俘获机制占比之和为1,反映CO2在不同物理机制下的最终赋存状态,作为后续多输出预测模型的目标变量。

1.2.3 数据集构建与归一化处理

由于9个输入变量在量纲与取值范围上差异较大,直接作为神经网络输入易影响模型训练稳定性。为此,采用Min-Max归一化方法将所有输入变量线性缩放至[0,1]区间,同时保持其相对分布特征,表达式如下:
${x}_{i}\text{'}=[{x}_{i}-min({x}_{i}\left)\right]/\left[max\right({x}_{i})-min({x}_{i}\left)\right]$
式中,xi为原始输入变量值;xi'为归一化后变量值;min(xi)与max(xi)分别为第i个变量的最小值与最大值。

1.2.4 斯皮尔曼秩相关系数

为定量评估输入参数对CO2封存机制响应指标的全局敏感性,并增强模型可解释性,采用SRCC进行分析。该方法可表征多参数非线性耦合条件下输入与输出之间的单调相关关系,计算公式如下:
$\rho =1-\left(6\sum _{i=1}^{n}{d}_{i}^{2})/[n\right({n}^{2}-1\left)\right]$
式中,ρ为斯皮尔曼秩相关系数;di为第i个样本在2个变量秩次中的差值;n为样本数量。系数取值范围为[-1,1],当ρ趋近于1或-1时,表示变量间存在显著的正向或负向单调关系;当ρ近似于0时,则说明两者间无明显的单调性。

1.3 BP神经网络模型建立

BP神经网络是一种基于误差反向传播算法的前馈神经网络,具有较强的非线性拟合能力。该网络由输入层、隐藏层和输出层组成,采用均方误差(mean squared error,MSE)作为损失函数,通过反向传播与梯度下降算法迭代优化权重与偏置参数。
本文中基于MATLAB深度学习工具箱,采用Resilient Backpropagation(Rprop,训练函数为trainrp)构建前馈神经网络模型,输入为表1所列参数,输出为3类封存机制指标(STI、RTI、StTI)。数据集划分为训练集、验证集和测试集,模型训练以最小化训练集的MSE为目标,结合验证集性能判定模型收敛。模型性能通过决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)进行评价,以抑制过拟合并提高泛化能力,定义如下:
${R}^{2}=1-\sum _{i=1}^{n}({y}_{i,true}-{y}_{i,pred}{)}^{2}/\sum _{i=1}^{n}({y}_{i,true}-{\stackrel{-}{y}}_{i,true}{)}^{2}$
$RMSE=\sqrt{(1/n)\sum _{i=1}^{n}({y}_{i,true}-{y}_{i,pred}{)}^{2}}$
式中,yi,trueyi,pred分别为样本的真实值与神经网络预测值;${\stackrel{-}{y}}_{i,true}$为真实值均值;n为样本总数。

2 结果与分析

2.1 全局敏感性分析

为评估输入参数对3类封存机制指标的影响,本文中采用SRCC表征9个地质-注采参数与STI、RTI及StTI之间的单调相关关系。结果显示,注入速率与StTI呈强正相关(ρ=0.64),与STI呈强负相关(ρ=-0.71),与RTI为弱-中等正相关(ρ=0.21),表明在研究参数范围内注入速率的变化与封存机制分配呈最一致的单调响应趋势[16]。盐度与STI为中等负相关(ρ=-0.50),与StTI为中等正相关(ρ=0.48),指示高盐度条件下溶解封存相关指标降低、结构型指标升高。渗透率与RTI呈较强负相关(ρ=-0.65),而与STI和StTI的相关性较弱(ρ=0.13、0.12),说明渗透率对残余气封存指标的单调响应更为突出。有效厚度与孔隙度与STI分别为正相关(ρ=0.32、0.35),与StTI为弱负相关(ρ=-0.29、-0.31)。Kv/Kh与RTI为弱负相关(ρ=-0.28),其单调相关强度有限。其余参数(残余油饱和度、残余气饱和度、注入井底压力等)与3类指标的相关性均较弱(|ρ|≤0.05),在本研究样本范围内未呈现明显的单调关联。

2.2 神经网络训练样本

基于1 520组油藏数值模拟结果构建CO2封存机制预测模型,图3图4分别展示了样本划分方式及3类封存机制指标的分布特征。各指标在样本空间中分布均匀,具有良好的离散性与覆盖性,可为神经网络建模提供可靠数据基础。为提升模型泛化能力并抑制过拟合,选取1 290组样本用于训练,其余230组作为独立盲测样本;训练样本按70%-15%-15%划分为训练集、验证集和测试集,其中验证集用于监控模型收敛并触发早停机制,测试集仅用于模型性能评估。

2.3 神经元和隐藏层的最优配置

神经网络中,隐藏层是刻画输入与输出之间非线性关系的关键结构,其层数与神经元数量直接影响模型的表达能力与泛化性能。为评估网络结构对预测精度的影响,本文中对神经元数量和隐藏层层数2个网络结构参数进行调优。首先,在单隐藏层结构下改变神经元数量(6~100),分析模型性能变化[图5(a)];随后固定每层神经元数量为15,逐步增加隐藏层层数至14层,比较模型在训练集与验证集上的表现[图5(b)]。
实验结果表明,适当提升网络复杂度可提高模型拟合能力与预测精度;但当网络结构过深或单层神经元数量过多时,训练时间显著增加,且验证集性能波动加剧,出现过拟合倾向。综合预测精度与计算效率,最终确定采用包含3个隐藏层、每层15个神经元的BP神经网络为最优配置,结构如图6所示。

2.4 BP神经网络模型性能验证

图7展示训练过程中MSE随迭代变化。STI模型在第201次迭代取得最优验证性能,MSE为0.001 584 6;RTI与StTI模型分别在第245次和第96次迭代收敛,验证MSE为0.006 146 8和0.003 297 8。训练与验证曲线趋势一致、无明显偏离,表明训练稳定,未见过拟合,模型收敛性与泛化能力较好。
图8展示了模型在训练集、验证集和测试集上的预测值与数值模拟结果的对比关系。可以看出,3类封存指标在各数据集上的预测结果与模拟值高度一致,散点整体紧贴对角线分布,表明模型具有良好的回归拟合能力。定量评价结果显示,STI、RTI与StTI模型的整体RMSE分别为0.005 6、0.007 4和0.006 9,均处于较低水平,进一步验证了模型的稳定性、鲁棒性与泛化能力。
为检验模型在未见数据上的泛化能力,选取独立的230组数值模拟样本进行盲测。图9给出了3类指标在盲测样本上的预测-真实值对比,结果表明,BP模型对STI、RTI与StTI的预测R2均高于0.98,说明模型具有良好的泛化性能与风险预测能力,可为实际封存情景下的风险评估提供支持。

2.5 模型计算效率对比分析

在评估数据驱动模型在实际工程应用中的潜力时,对比了BP神经网络与传统数值模拟方法在单场景封存预测任务中的平均计算耗时。传统数值模拟方法在完成一次完整的封存过程(注入+封存监测)时,平均耗时约960 s(16 min);而BP神经网络模型在完成同类预测时仅需约0.05 s,计算效率提升近4个数量级。结果表明,数据驱动方法在多场景、高维输入处理任务中展现出显著优势。

3 结论与展望

(1)基于CMG-GEM构建三维枯竭油气藏模型,采用LHS生成1 520组情景,系统模拟CO2迁移与封存过程,并提取溶解俘获、残余俘获与结构圈闭3类指标以量化机制贡献。
(2)SRCC结果表明,注入速率、渗透率与盐度为关键控制参数:注入速率促进结构圈闭而抑制溶解俘获;渗透率主导残余气相行为;盐度对STI与StTI呈相反作用。
(3)基于1 290组样本建立的3层BPNN在训练与独立盲测中均获得较高精度(R2>0.98,RMSE<0.01),可实现多场景封存行为快速预测。
(4)与数值模拟相比,BPNN单次预测约0.05 s,效率提升近4个数量级,适用于封存风险评估与选址优化;所提出的“数值模拟+机器学习”耦合框架在保持物理机制完整性的同时显著降低计算成本,具备工程应用潜力。

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