基于电容层析成像的CO2咸水层封存动态运移规律的测量方法研究

CO2 sequestration in brine aquifer is considered as a promising approach of the geological storages, in which accrately measuring the migration behaviors of CO2 plays an important role in understanding the complicated mitgration laws. In this project, the electrical capacitance tomography (ECT) method is used to visually investigate the dynamic migration laws of CO2 sequestration in brine aquifer. Several aspects will be developed for improving the accuracy and speed of the ECT measurement of CO2 dynamic migration behaviors, such as a new measurement method that integrates the ECT measurement information and the dynamic evolution information of CO2 will be proposed, which will make a breakthrough in the lack of information in the ECT measurement of the complicated field of CO2 sequestration; a new objective functional, which simultaneously considers the ECT measurement information, the dynamic evolution information of CO2 and the temporal and spatial constraints, and the effificent computational methods will be proposed; the compressed sensing based image post-processing patterns and computational methods will be developed; the GPU based high-performance computational methods will be explored for accelerating image reconstruction and post-processing. Research achievements will make a breakthrough in visualization study of the dynamic migration laws of CO2, and provide the scientific proofs and solutions for ensuring the safety and environmental quality of CO2 geological sequestration, and the early warning of the seal failure.

将CO2封存于咸水层被认为是一种极具发展前景的地质封存方式，准确测量CO2的运移过程对于理解CO2复杂的动态运移规律和确保地质封存的安全性与环境质量具有重要意义。本项目采用电容层析成像（ECT）方法对CO2封存过程中的动态运移规律进行可视化测量研究。从突破ECT测量CO2封存过程复杂场信息量匮乏的瓶颈，建立融合ECT测量信息与CO2动态演化信息的新型测量方法；构建耦合ECT测量信息与CO2动态演化信息、并同时考虑时间与空间约束的新型图像重建目标泛涵与高效求解方法；发展基于压缩传感理论的新型图像后处理模式与算法；开拓基于GPU的图像重建与后处理的高性能计算方法等方面提高ECT测量CO2动态运移过程的精度与速度。研究成果将在可视化研究CO2动态运移规律方面取得突破，并将为确保CO2地质封存的安全性与环境质量、提供早期封存失效预警等方面提供科学依据。

将CO2封存于咸水层被认为是一种极具发展前景的地质封存方式，准确测量CO2的运移过程中介质空间分布对于理解CO2复杂的动态运移规律和确保地质封存的安全性与环境质量具有重要意义。本项目采用电容层析成像（ECT）方法对CO2封存过程中的动态运移规律进行可视化测量研究。主要的研究发现可总结为如下：.（1）建立了异类信息融合的数学方法与模型；解决多源数据分辨率不一致的问题，获得具有时间、空间和物理一致性的数据集；增加ECT图像重建的有效信息量；.(2）突破ECT测量CO2封存过程介质空间分布复杂场信息量匮乏的瓶颈，建立融合ECT测量信息与CO2动态演化信息的新型测量方法，突破机理研究的局限；.（3）采用先进的数学方法模化被测对象的先验信息，包括低秩特性、变换域稀疏性、非局部自相似特性等，改善成像质量，开拓ECT测量先验信息模化与利用的新途径；.（4）不同于常规成像方法，利用降维方法建立了降维图像重建方法，减少未知变量的数目，有效利用被测对象的先验信息，在同时改善图像重建的精度与速度方面取得突破；.（5）不同于常规单帧成像方法，基于多测量向量模型，构建了在一个时间窗内的多帧动态重建方法。采用高维数据分析方法以及高阶导数考虑图像时空体积在各个维度上的相关性，有效利用动态图像序列的时空相关性；提出了基于矩阵运算的可分离三维变换方法，突破三维多尺度变换高计算代价的瓶颈，为ECT图像重建提供了新的思路；.（6）不同于常规的点测量方法与层析成像的场测量方法，利用高维数据的低维表示方法，建立了利用较少局部测量信息重建全局信息的测量方法，减少了传感器的数目与测量成本，为大规模复杂场参数快速测量提供了一种新的有效途径；.（7）提出了新型的压缩传感重建模型与数值求解方法，实现了在相对较少采样数下高精度重建出原始信号，为发展基于压缩传感的图像后处理方法，增强图像中的信息透明度，改善解释能力，获得对CO2动态运移过程更为细致、准确与完整的描述奠定了基础。.（8）改善了ECT测试仪器的硬件，提高了系统的稳定性与数据采集质量，更适合于实际的测量需求；编写了数据采集程序；在MATLAB平台上开发了ECT图像重建软件；进行了可视化测量实验研究，获得了相关的测量结果。.研究成果将在可视化研究CO2动态运移规律方面取得突破，并将为确保CO2地质封存的安全性与环境质量、提供早期封存失效预警等方面提供科学依据。