【摘 要】
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二氧化碳的捕集与利用是未来碳中和时代下的主旋律。为应对温室气体CO2过量排放带来全球气候恶化影响人类生存环境的共同挑战,全球学术界和商业界强强联手雄心勃勃地推出了基于CCUS（Carbon Capture,Utilization and Sequestration）技术的“碳中和”计划。CCUS即二氧化碳的捕集、运输、利用与封存技术。在CCUS技术理论研究与实践的过程中,必须要考虑到封存环境CO2
【基金项目】
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陕西延长石油（集团）有限公司重点项目（项目基金编号:ycsy2019ky-A-18）; 2 试验区储盖层多相多场演化分析和CCUS全流程风险评价技术研究”（合同编号:YJCSLS19SKF001）】','','');
">陕西延长石油（集团）有限责任公司设立的【集团级科研项目《CCUS全流程风险评估基础研究》的一部分“CO2 试验区储
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二氧化碳的捕集与利用是未来碳中和时代下的主旋律。为应对温室气体CO2过量排放带来全球气候恶化影响人类生存环境的共同挑战,全球学术界和商业界强强联手雄心勃勃地推出了基于CCUS（Carbon Capture,Utilization and Sequestration）技术的“碳中和”计划。CCUS即二氧化碳的捕集、运输、利用与封存技术。在CCUS技术理论研究与实践的过程中,必须要考虑到封存环境CO2泄漏可能性的存在。为了预防和阻止CCUS封存环境下CO2泄漏安全事故的发生,国内外学者进行了广泛的理论研究,但CCUS封存环境CO2泄漏监测领域的研究缺乏系统性整合,未形成体系化建设。针对上述问题,本文依托延长石油公司CCUS驱油助采全流程试验性工程项目,结合前人对CCUS封存环境CO2泄漏监测的研究成果,初步制定了地层-地表-大气一体式监测井装置的模块化设计方案;针对CO2泄漏监测数据分析处理存在干扰和冗余的问题,提出了一种在监测时间序列上分段预处理以达到减少误差干扰和降低数据冗余应用于CCUS封存环境CO2泄漏监测数据处理的改进卡尔曼滤波单传感器数据融合算法;根据改进算法对实测数据应用验证的需要,完成了小规模CCUS封存CO2泄漏试验平台的自主设计和搭建以及CO2泄漏监测数据的获取,并验证了改进算法在CCUS封存CO2泄漏监测数据融合处理领域应用的可行性。本文的主要研究工作和取得的成果及结论如下:1.基于研究基础探究的CCUS封存环境CO2泄漏监测及其数据融合算法文献综述从本课题研究内容CCUS封存环境CO2泄漏监测及其数据融合算法研究涉及的诸多领域查阅文献资料115篇有余,调研了延长石油公司CCUS驱油助采全流程试验性工程概况,分析了 CCUS封存环境CO2泄漏对封存环境的影响情况,总结了常见CCUS封存环境(CO2泄漏监测方法及最新的国内外相关研究成果,完成了CCUS封存环境CO2泄漏监测及其数据融合算法研究述评。2.基于模块化的CCUS封存环境一体式CO2泄漏监测井装置方案设计研究根据CCUS封存环境（地下水、土壤层、大气等场景）下(CO2泄漏影响情况监测需要,结合文献调研综述结果,整合多种环境监测技术构建了一个CCUS封存环境下CO2监测节点的完整地层-地表-大气一体式监测井装置模块化总体设计方案架构,该架构将整个监测井装置分为核心控制器模块、电源供给模块、数据通信模块、气象因子监测模块、大气CO2泄漏监测装置模块、地表土壤层CO2泄漏影响情况监测模块、浅层地下水CO2泄漏影响情况监测模块等共7个子模块,根据应用场景的实际选择选取必要模块进行组合使用的方案经过计算显示多达15种,通过模块化监测井装置分层设计案例分析证明了设计的创新性和可行性。3.基于改进卡尔曼滤波的CCUS封存环境CO2泄漏监测数据融合算法研究针对在超长时间尺度下CCUS封存环境CO2泄漏监测数据融合处理中存在干扰和数据冗余的问题,在对卡尔曼滤波算法理论研究的基础上进行了 CO2泄漏监测数据融合的初步应用,发现了冗余数据和误差数据会严重影响卡尔曼滤波算法数据融合处理效果,随后加以了在监测时间序列上分段预处理以达到减少误差干扰和降低数据冗余的创新性改进,提出了一种基于时间改进卡尔曼滤波的单传感器数据融合算法;在对改进算法性能研究方面进行了 3个仿真实验,结果显示:待融合处理数据的信噪比与改进预处理长度值之间呈现负相关关系,信噪比SNR为15dB情况下预处理长度值N取1到15过程中的改进算法预处理长度N值选定评估函数变化趋势总体上呈现出一个先上升后下降的凸字型分布,此分布中存在有选定评估函数最优值对应的N为5,并且预处理长度N取5整个最佳值情况下改进卡尔曼滤波的融合处理结果（后验估计）与“理想真值”之间最为接近。综上仿真实验结果表明,改进算法相较于经典卡尔曼滤波算法在数据融合滤波性能方面得到了很大的提升,具有一定的科学性。4.基于小规模CCUS封存CO2泄漏试验的监测数据融合算法验证根据算法性能实验验证的需要,设计并搭建了试验平台,获取了泄漏试验实测数据,并使用在CO2泄漏监测数据融合算法性能验证实验上进行了 2个仿真实验,结果显示:改进算法在时间序列预处理段长度值N为1到40之间取18时的改进预处理效果最佳,N取18的滤波效果相较于N取其他值均有所提升,特别地,相较于N为1（经典卡尔曼滤波算法）的信噪比提升达51.8%。综上实验验证结果表明,改进后的单传感器数据融合效果相对于传统算法的数据融合效果得到提升的结论与仿真实验结果一致,证明了改进算法具有可行性和科学性。上述研究的工作经验和取得的相应成果及结论,可以为后续CCUS封存环境CO2泄漏监测体系的完善包括资料借鉴、监测装置方案设计、监测数据融合处理等方面提供理论支持与实践经验参考,有着一定的积极价值。图[47]表[30]参[115]
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