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CO2封存监测的地质—地球物理联合建模及数值仿真技术研究

申报人:王佳祥 申报日期:2025-01-05

基本情况

2025年批次
CO2封存监测的地质—地球物理联合建模及数值仿真技术研究 学生申报
创新训练项目
工学
地质类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
本项目聚焦碳捕获与封存技术的核心需求,综合应用电磁法、地震学和重力测量等多学科地球物理数据,结合先进的地质建模和数值仿真工具,筛选适宜二氧化碳储存的地质场所,精准刻画储层特征,监测二氧化碳羽流的迁移行为。 首先,利用地质建模软件3D Mine,构建高精度地质模型,提取储层孔隙度、渗透率及构造完整性等关键参数。随后,整合多源地球物理数据,在COMSOL Multiphysics环境下进行数值仿真,模拟二氧化碳注入、迁移、扩散的过程,监测其在地下的迁移行为。 通过本研究,将建立一套基于地球物理数据的联合建模与仿真评估方法,为储层筛选及碳封存工程提供科学依据,为应对全球气候变化做出积极贡献。
曾参与中国“互联网+”系列大学生创新创业大赛
1、主持完成国家自然科学基金1项,广西自然科学基金2项,其他项目多项,参与完成国家自然科学基金项目3项。
2、发表学术论文40余篇,出版专著1部,获软件著作权多项,获得省部级奖项2项,教学成果奖2项。
主讲电磁场理论、数值计算方法、数学物理方程、复变函数与积分变换、电法勘探、重磁勘探、高级语言程序设计等本科课程。 
1. 提供项目指导与建议:
项目规划: 指导学生制定创新创业项目的详细规划,包括目标设定、技术方案等。
方法论: 提供专业的方法论支持,帮助学生选择适合的研究方法和实践路径。
问题解决: 协助学生解决项目中遇到的问题,提供解决方案和实践经验。
2. 资源支持与引导:
人脉资源: 介绍学生与行业专家、企业家等人脉资源对接,为项目发展提供合作机会。
实验室设施: 提供实验室、工作室等创新创业基地的使用权限,支持学生进行项目实践和研发。
资金渠道: 指导学生申请创业基金、创业竞赛奖金等资金支持,帮助项目顺利启动和运营。
3. 激励与鼓励:
奖励机制: 设立创新创业奖励机制,鼓励学生积极参与创业项目,提高创新创业活动的参与度和质量。
荣誉认定: 对优秀的创新创业项目和团队进行荣誉认定,增强学生的自豪感和成就感,激发更多学生的创业热情。
4. 教育培训:
课程设置: 设计创新创业相关的课程,培养学生的创新意识、创业能力和团队合作精神。
讲座与研讨: 组织创业导师讲座、创业案例分享等活动,拓展学生的视野,提升创业素养。
5. 跟踪支持与评估:
项目跟踪: 对学生创新创业项目进行跟踪管理,及时了解项目进展和困难,提供必要的支持和指导。
成果评估: 对学生创新创业成果进行评估和反馈,为学生提供改进和进步的建议,促进项目的持续发展。 
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
王佳祥 地球科学学院 勘查技术与工程(创新班) 2023 使用COMSOL进行仿真建模
邓苗 计算机科学与工程学院 人工智能 2023 编写数值仿真的程序并得出数值仿真结果
陈铭翔 地球科学学院 勘查技术与工程(创新班) 2023 使用3D Mine进行地质建模并标注参数
李文浩 地球科学学院 勘查技术与工程 2024 资料查找
陈鹃 地球科学学院 勘查技术与工程 2023 对二氧化碳的封存进行仿真模拟

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
李长伟 地球科学学院

立项依据

     本项目旨在发展一套基于地质-地球物理联合建模和多地球物理数据融合的数值仿真评估监测方法,筛选适合二氧化碳封存的地质场所,研究储层特性及二氧化碳羽流的迁移行为,为碳捕获与封存技术的科学研究与工程实践提供理论与技术支撑。具体目标包括:
     1.利用3D Mine建立能细致刻画地质构造的三维模型,明确地层结构、岩石参数分布以及地质体几何形态等,建立高精度地质模型。
     2.基于COMSOL Multiphysics,整合多源地球物理数据,提取储层孔隙度、渗透率和构造完整性等关键参数,模拟二氧化碳注入后的迁移、扩散及其在储层中的分布特征。
     3.基于有限元仿真算法,模拟CO2在地下介质中的流动与迁移过程,设计基于地球物理电磁法的监测方案,实现对二氧化碳储存状态的有效监控与预警。
     4.通过仿真结果,分析评估不同地质结构(如深层盐层、废弃油气田等)作为CO₂存储库的适宜性。确定二氧化碳在特定地质构造中的储存容量、长期稳定性,评估因地质环境变化、地质体变形等导致的泄漏风险和安全问题。 
1.储层高精度地质建模
   利用3D Mine软件构建细致刻画地质构造的三维模型,明确储层的地层结构、岩石参数分布(如孔隙度、渗透率)及地质体的几何形态。重点研究储层内部地质构造的非均质性及复杂性,建立精准反映储层实际特征的高精度地质模型,为后续数值仿真
2.二氧化碳迁移过程仿真
   基于COMSOL Multiphysics数值仿真平台,综合电磁法、地震学和重力测量等地球物理数据,整合从储层参数(孔隙度、渗透率、岩石力学特性等),模拟二氧化碳注入后的迁移、扩散及分布特征。研究注入速率、储层压力变化、岩石孔隙结构演化及构造完整性对二氧化碳迁移行为的影响,预测其长期分布规律和可能的风险区域。进一步开发多物理场耦合模型,分析地质环境的变化对二氧化碳封存行为的综合影响。
3.设计监测优化方案
   基于有限元仿真算法,模拟二氧化碳在地下介质中的流动与迁移过程,分析电磁信号的响应特征,设计适用于不同储层条件的监测方案。利用地球物理电磁法监测二氧化碳羽流的分布及变化,建立实时监测和预警系统,实现对储层中二氧化碳封存状态的精确监控与风险防控。评估监测方案的灵敏度及可靠性,优化监测布局和方法,提高数据采集效率和空间分辨率。
4.评估储存效能与安全
   结合仿真结果,分析不同地质结构(如深层盐层、废弃油气田等)的储存效能,研究其孔隙-裂隙系统对二氧化碳封存的适应性与影响。评估二氧化碳在特定储层条件下的封存容量和长期稳定性,探索最佳注入条件及封存策略。分析储层在长期封存过程中可能因地质体变形、流体-岩石相互作用等因素引发的泄漏风险,并提出安全性改进措施,确保封存系统的可靠运行。 
国外研究现状及发展动态
    在美国德 克萨斯州Frio构造进行的实验性CO2 封存项目中, 时移VSP方法和井间地震层析成像方法对CO2 的 监测结果与数值模拟所预测的结果相符,显示出大 量CO2 因相对渗透率降低而被封存在储层中 (Hovorkaetal.,2006).挪威Sleipner地区CO2注入项目中进行了一次海洋 CSEM 勘测,以绘制 Utsira 地层的二氧化碳羽流图,结果得出CSEM可有效地显示CO2注入Utsira 地层中运移情况[11]。西班牙Hontomin地区CO2注入项目中,研究人员结合模拟储层电阻率变化的模拟实验研究结果,设计了CSEM监测实验,研究分析了不同实验配置(源/接收机位置和相对方位、发射频率等)的能力,根据实际实验确定合适的配置,对CSEM的探测能力进行了评价,最后得出CSEM法能够识别由CO2引起的局部电阻率变化[7, 13]。Zhang等(2013)应用全波形反演的方 法对德国Ketzin封存项目的时移地震数据进行了 反演研究,反演的CO2 分布结果与数值模拟结果相 吻合.Bergmann等(2016)总结了在德国 Ketzin地 区的CO2 实验性封存项目的地球物理监测结果.在这个欧洲首个陆上CO2 封存项目中,研究者综合使 用了各种地球物理方法来监测地下CO2 的运移,例 如4D地震调查、VSP方法、井间调查、MSP方法以 及电阻率层析成像等方法.
(摘自郝艳军, 杨顶辉, 程远锋. 基于自适应杂交遗传算法的CO2地质封存的储层参数反演研究[J]. 地球物理学报, 2016, 59(11): 4234-4245, doi: 10.6038/cjg20161125 )
国内研究现状及发展动态
    我国近海盆地具有物理力学性质较良好的储层和盖层[21],并具有碳封存圈闭特性,近海主要盆地中的咸水层可封存约 2×1012 t 的 CO2。针对我国海底 CO2 地质封存的可行性,目前已进行了全面且深过针对性的封存区环境地质监测,但恩平 15-1 油田CO2 回注封存示范工程首次开展了环境监测方案研究,对地层水、回注参数、时移地震和环境现状等要素进行了监测[23],填补了我国海底碳封存区环境监测示范的空缺,但目前我国海底 CO2 地质封存以及监测技术尚处于起步阶段,缺少专门针对封存区监测的相关规定和案例。对封存区进行全面监测有利于准确评估封存效率,对于可能出现的安全隐患也能快速做出应急判断以及补救措施
(摘自[1]向雷,王惠民,盛金昌,等.碳封存砂岩储层的孔隙迂曲度分形特征研究[J].高校地质学) 
(1)创新点
1、地质-地球物理联合建模型与仿真
采用3D Mine与COMSOL Multiphysics的结合,实现地质模型与地球物理数值仿真的结合,深入探讨储层特性与二氧化碳迁移行为的动态关系。
2、基于电磁法监测二氧化碳羽流迁移
在联合建模中聚焦二氧化碳羽流的迁移与扩散特性,基于数值仿真,开发基于电磁勘探技术的二氧化碳羽流迁移监测评估技术,为长期封存的稳定性提供科学依据。
3、多学科地球物理数据的融合与应用
整合电磁法、地震学和重力测量等多学科地球物理数据,通过数据交叉验证和互补分析,提高地质建模和储层特性刻画的精度和可靠性。
(2)项目特色
1、多学科技术交叉融合
整合地球物理学、地质学、算科学等多学科知识与技术手段。地球物理方法提供地质构造信息,地质学明确地层结构与岩性分布,计算科学保障大规模数据处理与复杂模型计算。多学科技术协同工作,确保研究成果的科学性与可靠性。
2、技术框架具有通用性
该项目可以得出一套通用的建模和仿真技术框架,项目成果可扩展至岩溶塌陷、滑坡监测、地热开发、地下能源储存和废弃矿井利用等领域,为地质灾害预防、绿色能源技术创新提供支持。 
技术路线
1.调研与数据收集:通过地球物理学报、地质学报和知网等相关网站全面收集国内外相关研究文献,了解已有技术和方法,总结前人经验和不足。收集多种地球物理观测数据,并对其进行整理和评估,确保其可靠性
2.模型构建:运用3D Mine地质建模软件和COMSOL仿真建模软件,使用多参数、多尺度的建模方法,不断调整模型参数使模拟结果与实际观测数据相匹配,提高模型可靠性与准确性,优化建模过程,提高计算效率。
3.数值仿真方法:选择出合适的数值仿真方法,例如有限元法、边界元法,本项目中着重学习使用有限元法,而后设计数值仿真方案,确定仿真的时间步长,空间步长等关键参数,对数值方针的结果进行可视化处理,以便进行更好的分析。
4.结果验证与准确度的评估,将数值仿真的结果与实际地球物理数据进行对比分析,采用均方根误差、相关系数等指标定量评估模型精度与可靠性,对于验证过程中发现的误差,回溯整个过程,确定误差来源并进行修正与优化。
拟解决的关键问题:
1.多数据融合:在数据收集中,不同地球物理数据反映出不同的物理性质,如何去将这些数据有效融合,使其在联合建模中相互补充,需要找出数据之间合理的关联方式,进行分析试验,构建出较为全面的物理模型。
2.数值仿真算法:构建与地质实际情况符合的模型,针对复杂地质构造,开发出高精度、高效率、能处理复杂几何模型的数值仿真算法,提高仿真精度和可行性。
3.模型与地质实际情况的符合度:缺乏标准的检验体系,我们需要建立一个综合的验证体系,如利用已知地质结构地区的数据进行对比验证,确保模型的可靠性。
 预期成果:
1、形成可推广的联合建模与仿真技术方法框架,包括数据处理、模型构建、数值仿真和结果分析等模块。
2、提出基于电磁法的二氧化碳迁移监测方案,实现对储层内二氧化碳分布状态的精准监控和动态预警,提升封存过程的安全性与可靠性。
3、建立一套评估储层适宜性、储存容量和长期稳定性的系统方法,针对不同地质条件(如盐层、废弃油气田)提出优化封存策略。
4、对研究结果进行分析总结,发表高质量学术论文,为碳捕获与封存技术领域提供新的理论支撑与实践参考。 
第1个月:明确好选题与路线,进行相关的文献查阅,收集资料及相关数据,进行项目申报;
第2-4个月:学习3D Mine地质建模软件和COMSOL仿真建模软件;
第5-6个月:利用收集到的数据通过3D Mine地质建模软件搭建出地质模型,根据地质模型确定二氧化碳注入层位和注入井的位置,在模型中设定二氧化碳的注入参数;
第7-9个月,将搭建好的模型输入COMSOL软件,利用该软件的电磁感应功能进行数值监测及仿真推演;
第10-11个月, 总结前段时间的研究成果,得出一套完整的地球物理联合建模和数值仿真方法
第12个月,选择多种地质现象通过该方法进行仿真推演,根据得出的结果,判断该项目的可运行性。整理成果,撰写项目报告并进行项目汇报。 
已掌握了地质学,地球物理学的专业基础知识,熟悉地球物理仿真算法的原理,掌握了电磁法勘探正反演软件的使用,初步规划了项目实施技术方案。
已具备的条件:具备了地质建模,地球物理仿真模拟的软硬件实现平台,后续研究将在专业老师的指导下进行。
尚缺少的条件:尚未掌握多地球物理数据的融合原理和实现技术,以及地质建模软件的使用。
解决办法:阅读相关文献,制定更详细的研究方案,学习数据融合技术,掌握数值仿真技术,将整个项目进行分割,分阶段、分模块解决。 

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 8000.00 3500.00 4500.00
1. 业务费 6000.00 各项用途 2000.00 4000.00
(1)计算、分析、测试费 3000.00 电脑借用 1000.00 2000.00
(2)能源动力费 500.00 交通工具的使用 200.00 300.00
(3)会议、差旅费 1000.00 出行所需的交通、住宿、饮食等费用 500.00 500.00
(4)文献检索费 500.00 文献查找 300.00 200.00
(5)论文出版费 1000.00 出版费 0.00 1000.00
2. 仪器设备购置费 500.00 仪器借用 200.00 300.00
3. 实验装置试制费 1000.00 软件购买 1000.00 0.00
4. 材料费 500.00 材料打印 300.00 200.00
结束