井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸與數(shù)據(jù)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

徐同暉，吳陳芋潼，邢蘭昌，賈寧洪，呂偉峰

(1. 中國石油大學(xué)(華東)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3. 提高采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

全球氣候變化與碳中和背景下，CO2封存利用已成為人類綠色發(fā)展的必然趨勢(shì)與選擇[1]，是實(shí)現(xiàn)零碳及負(fù)碳排放的重要技術(shù)保障和關(guān)鍵技術(shù)、托底技術(shù)[2-8]。CO2封存是通過工程技術(shù)手段將捕集的 CO2注入地下深部地質(zhì)儲(chǔ)集層，通過物理、化學(xué)作用將CO2長期儲(chǔ)存于地下以實(shí)現(xiàn) CO2與大氣長期隔絕的過程[9-12]。部分國家正在實(shí)施大型的封存項(xiàng)目，包括加拿大(Weyburn-Midale)、德國(CO2SINK)、挪威(Sleipner)、北非(in Salah)和美國(Cranfield)等[13]。典型的深部咸水層埋深一般在800米以下，CO2封存的穩(wěn)定性和安全性引發(fā)人們對(duì)于CCS(Carbon Capture Storage)的巨大擔(dān)憂，因此對(duì)CO2封存過程中和封存后的運(yùn)移狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是十分有必要的[14]。CO2地質(zhì)封存監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有紅外氣體分析、激光、高光譜成像、地球化學(xué)方法等非地球物理方法和聲波測(cè)井、時(shí)移地震、3D/4D地震、電阻層析成像(ERT，Electrical Resistance Tomography)等地球物理方法[15]。

在CO2地質(zhì)封存工程中，超臨界態(tài)的CO2被注入到具有適當(dāng)封閉條件的地層[16]?？紫犊臻g中低電阻率孔隙水被高電阻率的CO2所驅(qū)替，引起地層電阻率的增加，這為電阻率法的應(yīng)用提供了物理基礎(chǔ)[17]。Peter等研究了CO2的注入對(duì)飽和水地層電阻率產(chǎn)生的顯著影響，結(jié)果表明ERT測(cè)量信號(hào)對(duì)液體/氣體飽和度具有良好的敏感性，具備探測(cè)地下CO2運(yùn)移的能力[18]。美國在Cranfield的試驗(yàn)場(chǎng)超過3千米的深度注入了約100萬噸CO2，運(yùn)用井間ERT技術(shù)獲取了隨時(shí)間變化的電阻率圖像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地層中CO2運(yùn)移狀態(tài)的監(jiān)測(cè)[19]。德國在靠近Ketzin的CO2SINK監(jiān)測(cè)場(chǎng)采用井間ERT監(jiān)測(cè)了深度約650 m的地層中CO2的遷移過程，證明了井間ERT對(duì)地層中CO2成像的能力[20]。西班牙在Hontomín CO2封存點(diǎn)進(jìn)行了多通道地-井和井間的ERT監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)含水層中CO2封存過程的監(jiān)測(cè)[21]。在位于日本長岡的CO2注入試驗(yàn)場(chǎng)地，研究人員利用井間ERT系統(tǒng)采集了電阻率數(shù)據(jù)，研究了適用于含有復(fù)雜礦物成分且較高黏土含量地層的CO2飽和度評(píng)價(jià)方法[22]。國外井間ERT監(jiān)測(cè)CO2的眾多研究主要采用現(xiàn)場(chǎng)成像的方式，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)多處于交通和通訊條件較差的環(huán)境，不具備大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高性能計(jì)算的基本條件。目前國內(nèi)井間ERT技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得以應(yīng)用，如水利水電領(lǐng)域、煤田勘探領(lǐng)域、環(huán)境地質(zhì)領(lǐng)域等，而關(guān)于CO2地質(zhì)封存監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究及應(yīng)用鮮有報(bào)道。

針對(duì)上述問題，開發(fā)具備遠(yuǎn)程傳輸、高性能計(jì)算等功能的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)成為必然的需求。王天龍等采用B/S架構(gòu)，基于Web平臺(tái)開發(fā)了煤礦用自動(dòng)化鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件[23]。祝起明等采用B/S架構(gòu)開發(fā)了基于Web的水土保持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)站水土保持相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集[24]。劉世杰等設(shè)計(jì)了一套基于B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并采用Vue作為開發(fā)框架開發(fā)了前端交互界面[25]。姚引娣等提出了一種基于B/S架構(gòu)的LoRa組網(wǎng)遠(yuǎn)程溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)[26]。常國鋒等采用B/S架構(gòu)，利用HTML5+CSS3+JavaScript開發(fā)了客戶端界面，設(shè)計(jì)了基于阿里云的工業(yè)廢氣遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[27]?，F(xiàn)有的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和處理，但是由于這些系統(tǒng)均面向特定的應(yīng)用場(chǎng)景而設(shè)計(jì)，因此各系統(tǒng)的推廣應(yīng)用受到一定局限。

針對(duì)上述問題，本文開發(fā)用于綜合處理CO2地質(zhì)封存過程中井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平臺(tái)。在對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行需求分析和總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開發(fā)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心并存儲(chǔ)、地層中CO2飽和度成像、地層中CO2運(yùn)移狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能模塊，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了所開發(fā)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的可用性。

1 井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)功能需求分析與總體設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)功能需求分析

井間電阻率成像方法由常規(guī)地面電阻率勘探方法發(fā)展而來。井間ERT系統(tǒng)中，在一個(gè)鉆孔中布置激勵(lì)電極系，另一個(gè)鉆孔中布置測(cè)量電極系，對(duì)激勵(lì)電極依次供電，同時(shí)觀測(cè)測(cè)量電極之間的電壓，進(jìn)而將觀測(cè)值換算為視電阻率，最后反演出井間監(jiān)測(cè)區(qū)域的電性參數(shù)分布圖像[28]。

圖1展示了井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集方式。固定電極A和B的位置，測(cè)量電極M和N依次選通其他電極，在完成所有測(cè)量電極的觀測(cè)之后，移動(dòng)電極A和B至下一對(duì)激勵(lì)電極的位置，重復(fù)上述測(cè)量電極M和N的選通和觀測(cè)過程，直至完成所有激勵(lì)電極條件下測(cè)量電極電壓信號(hào)的采集。

由于CO2運(yùn)移過程緩慢，短時(shí)間內(nèi)運(yùn)移狀態(tài)不會(huì)發(fā)生較大變化，因此遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸可采用定時(shí)傳送的方式。監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)無法配置高性能計(jì)算機(jī)，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)井間ERT成像結(jié)果較為粗糙，無法滿足準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)CO2封存狀態(tài)的需求，因此需要在監(jiān)控中心開發(fā)井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2運(yùn)移狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。該平臺(tái)主要具備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理以及圖像顯示等功能，具體說明如下：

1)位于監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器能夠建立與現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通信鏈接，實(shí)現(xiàn)井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)服務(wù)器；

2)監(jiān)控中心的程序服務(wù)器能夠獲取數(shù)據(jù)服務(wù)器中存儲(chǔ)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行井間ERT圖像重建處理以生成電阻率分布圖像，依據(jù)電阻率與CO2飽和度之間的關(guān)系來獲得CO2飽和度圖像；

3)能夠?qū)ζ脚_(tái)用戶進(jìn)行管理，根據(jù)角色分配用戶的功能權(quán)限；用戶通過瀏覽器登錄平臺(tái)，可以訪問平臺(tái)功能模塊，獲取CO2封存及運(yùn)移狀態(tài)信息。

1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分包括數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)器和程序服務(wù)器；軟件部分運(yùn)用軟件工程中的模塊化、功能化的設(shè)計(jì)思想[29]，具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)功能、井間ERT成像功能和CO2運(yùn)移狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。其中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊位于數(shù)據(jù)服務(wù)器，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成像模塊和CO2運(yùn)移狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊位于程序服務(wù)器。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸與存儲(chǔ)模塊用以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)向監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器的遠(yuǎn)程傳輸及數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)服務(wù)器中的保存；利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成像模塊對(duì)井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建算法的處理并生成CO2飽和度圖像；CO2運(yùn)移狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的功能是保證具有權(quán)限的遠(yuǎn)程用戶在企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi)通過客戶端Web瀏覽器查看CO2的運(yùn)移狀態(tài)。圖2所示為該井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的組成示意圖。

圖2 CO2封存井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)組成示意圖

數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)模塊包括井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸子模塊與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子模塊。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸子模塊用于將井間ERT現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子模塊用于將采集的數(shù)據(jù)按照時(shí)間格式命名，并以文本文件格式保存至數(shù)據(jù)服務(wù)器。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成像模塊包括電阻層析成像(ERT)子模塊和CO2飽和度成像子模塊。程序服務(wù)器連接數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫讀取井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(測(cè)量電壓)，ERT子模塊利用成像算法求解井間場(chǎng)域內(nèi)電阻率的分布；CO2飽和度成像子模塊根據(jù)電阻率分布與CO2濃度的關(guān)系模型生成CO2飽和度圖像。

CO2運(yùn)移狀態(tài)監(jiān)測(cè)客戶端界面包括賬戶管理子模塊、當(dāng)前封存狀態(tài)顯示子模塊和歷史封存狀態(tài)顯示子模塊。賬戶管理子模塊保證不同使用者具備不同的權(quán)限，管理員可以添加、刪除平臺(tái)用戶信息以及為用戶重置密碼，普通用戶可以修改用戶個(gè)人信息；CO2當(dāng)前封存狀態(tài)顯示子模塊展示根據(jù)最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)生成的CO2飽和度圖像；CO2歷史封存狀態(tài)顯示模塊向用戶提供歷史圖像查詢功能。

2 井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)開發(fā)

2.1 CO2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸及存儲(chǔ)

2.1.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸

本模塊包含硬件與軟件兩部分，硬件部分為位于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的4G DTU(Data Transfer Unit)無線傳輸模塊[30]，用來向數(shù)據(jù)服務(wù)器傳輸井間ERT系統(tǒng)采集的電壓信號(hào)。軟件部分為在數(shù)據(jù)服務(wù)器中基于LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)軟件，用來控制由監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)與無線傳輸模塊所組成的下位機(jī)以及接收下位機(jī)發(fā)送的電壓測(cè)量數(shù)據(jù)。圖3所示為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸過程流程圖。

圖3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸過程流程圖

利用花生殼軟件的內(nèi)網(wǎng)穿透功能建立數(shù)據(jù)服務(wù)器與4G DTU無線傳輸模塊間的通訊鏈接。使用上位機(jī)軟件接收并解析4G DTU發(fā)送的數(shù)據(jù)包。上位機(jī)軟件的工作過程如圖3右邊框所示。首先設(shè)置TCP (Transmission Control Protocol)偵聽組件以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)器指定端口上的TCP連接請(qǐng)求，當(dāng)監(jiān)測(cè)到服務(wù)器端口出現(xiàn)TCP連接請(qǐng)求時(shí)，則進(jìn)入TCP讀取數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)；然后通過設(shè)置起始位和長度來截取字符串，并將字符串進(jìn)行相應(yīng)的進(jìn)制轉(zhuǎn)換，完成對(duì)數(shù)據(jù)包的解析[31]；通過設(shè)置接收數(shù)據(jù)的時(shí)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩〞r(shí)功能，使用新建txt組件將解析后的數(shù)據(jù)保存至txt文件，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器的遠(yuǎn)程傳輸。

2.1.2 系統(tǒng)用戶與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件信息存儲(chǔ)

本監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)利用MySQL創(chuàng)建兩個(gè)數(shù)據(jù)庫，分別為用戶信息數(shù)據(jù)庫與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件信息數(shù)據(jù)庫[32]。

用戶信息數(shù)據(jù)庫內(nèi)創(chuàng)建了一個(gè)名為“用戶信息”的表，該表含5個(gè)字段：賬號(hào)、密碼、用戶姓名、最后登錄IP和最后登錄時(shí)間。開發(fā)過程中規(guī)定了“用戶信息”表中各字段的數(shù)據(jù)類型以及字段長度，“用戶信息”表的結(jié)構(gòu)見表1。

表1 用戶信息表

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)由上位機(jī)軟件按照時(shí)間格式命名并以文本文件格式存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)服務(wù)器中，同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)路徑保存至數(shù)據(jù)服務(wù)器中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件信息數(shù)據(jù)庫中。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件信息數(shù)據(jù)庫內(nèi)創(chuàng)建了一個(gè)名為“監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件信息”的表，該表格含3個(gè)字段：文件名稱、文件類型和文件存儲(chǔ)路徑?！氨O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件信息”表的結(jié)構(gòu)見表2。

表2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件信息表

2.2 CO2監(jiān)測(cè)井間電阻層析成像

2.2.1 電阻層析成像理論基礎(chǔ)

ERT正問題是在已知敏感場(chǎng)電導(dǎo)率分布的條件下求解電勢(shì)分布。對(duì)三角形單元與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)插值函數(shù)列出一次激勵(lì)下一個(gè)三角單元中各節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)值計(jì)算式，求解得到單元?jiǎng)偠染仃?，將所有三角單元的剛度矩陣進(jìn)行疊加以合成總剛度矩陣，最后得到總的線性方程組[33-35]：

Y·φ=C

(1)

式中，Y為剛度矩陣，C為激勵(lì)電流，φ為各節(jié)點(diǎn)電勢(shì)分布矩陣。Y為n×n維矩陣，C為n×1維矩陣，n為節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。求解式(1)可得場(chǎng)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)值，從而建立靈敏度系數(shù)矩陣。對(duì)于井間ERT逆問題的求解，在兩井之間場(chǎng)域內(nèi)激勵(lì)電流和測(cè)量電壓已知的條件下，利用反演算法求解場(chǎng)域內(nèi)的電阻率分布，并以圖像方式進(jìn)行呈現(xiàn)，即為圖像重建過程[36-37]。

在兩井之間場(chǎng)域的內(nèi)部，由電阻率分布可以確定測(cè)量電極的電壓，即U=F(σ)。在局部一點(diǎn)將該式進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開，并忽略高階項(xiàng)的影響，可得：

(2)

Jx=b

(3)

式中，b為對(duì)應(yīng)邊界測(cè)量電壓變化量的向量，J為將靈敏度矩陣離散化后的矩陣，x為對(duì)應(yīng)電阻率變化量的向量。利用Geselowitz[39]的靈敏度理論可以進(jìn)行靈敏度矩陣的計(jì)算，用公式表示為：

(4)

其中：Jij是靈敏度矩陣J的第(i，j)個(gè)元素，電極對(duì)i和電極對(duì)j的激勵(lì)電流為和時(shí)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)域分布分別是φi和φj。將式(3)寫為歸一化形式可得式(5)：

Sg=z

(5)

式中，S為歸一化的靈敏度矩陣；z為歸一化的測(cè)量電壓；g為歸一化灰度值向量[40-41]。作為ERT重建圖像的理論依據(jù)，該式反映了被測(cè)場(chǎng)域內(nèi)測(cè)量電壓與電阻率分布之間的關(guān)系[42-43]。

2.2.2 成像數(shù)據(jù)的獲取

在Microsoft Visual Studio的ASP.NET Core項(xiàng)目中，采用C#語言編寫連接數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的代碼以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)路徑的接口，實(shí)現(xiàn)的功能為返回監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件在數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲(chǔ)的路徑。將MATLAB程序代碼編譯為動(dòng)態(tài)鏈接庫，實(shí)現(xiàn)井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與圖像重建的算法。由于采用定時(shí)傳輸并獨(dú)立存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式，所以加載的文件路徑為非固定值，因此將擬加載數(shù)據(jù)文件的路徑進(jìn)行參數(shù)化處理。通過連接數(shù)據(jù)庫以獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件的保存路徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)井間ERT測(cè)量電壓數(shù)據(jù)的獲取，將其作為數(shù)據(jù)處理與圖像重建算法的輸入?yún)?shù)。

2.2.3 基于有限元法的正問題求解

采用有限單元法對(duì)井間ERT正問題進(jìn)行求解，基于MATLAB開發(fā)有限元正演計(jì)算程序。圖4描述了基于有限元法的正問題求解過程。首先構(gòu)建空?qǐng)瞿Ｐ停O(shè)定電極對(duì)個(gè)數(shù)、電極間距、監(jiān)測(cè)區(qū)域垂向范圍和兩井間的水平距離。

圖4 有限元法正問題求解流程圖

井間ERT監(jiān)測(cè)的場(chǎng)域?yàn)閮删g的平面區(qū)域，將場(chǎng)域離散化，對(duì)三角形單元以及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，獲取三角形單元的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)并通過插值函數(shù)得到三節(jié)點(diǎn)的電位方程，進(jìn)而得到三角形單元上線性插值的基函數(shù)。

根據(jù)基函數(shù)計(jì)算單元導(dǎo)納矩陣元素并形成單元導(dǎo)納矩陣，將單元導(dǎo)納矩陣進(jìn)行疊加組成總體剛度矩陣。將總體剛度矩陣代入激勵(lì)電流值得到一次激勵(lì)下的各節(jié)點(diǎn)電勢(shì)值，通過矩陣變換將節(jié)點(diǎn)電勢(shì)矩陣轉(zhuǎn)換為測(cè)量電壓值矩陣，疊加所有激勵(lì)下測(cè)量電壓值矩陣，最終得到場(chǎng)域電極測(cè)量電壓。

2.2.4 基于線性反投影法的逆問題求解

采用線性反投影法來求解井間ERT的逆問題。圖5展示了基于線性反投影算法進(jìn)行井間ERT逆問題求解的流程圖。

圖5 線性反投影算法逆問題求解流程圖

根據(jù)有限單元法計(jì)算得到的電極測(cè)量電壓值，畫出兩井之間場(chǎng)域的等勢(shì)線，將場(chǎng)域劃分為多個(gè)等勢(shì)線區(qū)。當(dāng)對(duì)第1對(duì)電極進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，根據(jù)正問題計(jì)算得到各單元節(jié)點(diǎn)的電位和電極的電位，判斷各個(gè)網(wǎng)格單元的所屬投影域，計(jì)算出場(chǎng)域各剖分三角形單元的電阻率分布。

對(duì)所有電極對(duì)依次進(jìn)行激勵(lì)，將各單元每次激勵(lì)條件下得到的反投影結(jié)果疊加求平均，繼而得到整個(gè)場(chǎng)域的電阻率分布。根據(jù)電阻率值為每個(gè)單元賦予灰度值，得到兩井之間場(chǎng)域電阻率的分布圖。

利用阿爾奇公式將電阻率轉(zhuǎn)換為CO2飽和度，為不同的CO2飽和度值賦予不同的灰度值，得到CO2飽和度分布圖。

2.2.5 CO2飽和度圖像的存儲(chǔ)

在ASP.NET MVC開發(fā)模型中采用代碼與邏輯分離的方式進(jìn)行前端頁面設(shè)計(jì)和后端邏輯控制。后端封裝當(dāng)前圖片路徑接口、歷史圖片路徑接口和用戶傳參接口，并生成接口文檔；前端根據(jù)接口文檔配置axios(Web數(shù)據(jù)交互方式)調(diào)用應(yīng)用程序編程接口(API，application programming interface)實(shí)現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)的交互。

對(duì)于經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的CO2飽和度圖像，將其按照時(shí)間格式命名并保存至程序服務(wù)器，將其保存路徑存儲(chǔ)至程序服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。當(dāng)前圖像路徑接口向前端返回實(shí)時(shí)成像結(jié)果的保存路徑。用戶傳參接口判斷用戶是否在界面手動(dòng)選擇了歷史時(shí)間，該接口判斷到用戶傳參后，后端根據(jù)用戶選擇的時(shí)間在數(shù)據(jù)庫中檢索對(duì)應(yīng)時(shí)間的CO2飽和度圖像保存的路徑，然后將該路徑返回到歷史封存狀態(tài)圖像地址接口處。

2.3 CO2運(yùn)移狀態(tài)監(jiān)測(cè)

2.3.1 賬戶管理模塊

賬戶管理模塊實(shí)現(xiàn)的功能包括注冊(cè)賬號(hào)、登入系統(tǒng)以及查看和維護(hù)個(gè)人信息及密碼。用戶在前端界面輸入用戶名和密碼，使用axios發(fā)送HTTP請(qǐng)求到后端服務(wù)器，后端服務(wù)器獲取用戶提供的用戶名和密碼，并與用戶信息數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證用戶身份是否正確。用戶身份通過驗(yàn)證之后，則登錄界面跳轉(zhuǎn)到主界面，用戶可以進(jìn)行設(shè)定權(quán)限內(nèi)的操作。

圖6 用戶登錄流程圖

2.3.2 CO2當(dāng)前和歷史狀態(tài)顯示模塊

前端通過配置axios的請(qǐng)求方式、請(qǐng)求路徑、請(qǐng)求體參數(shù)和請(qǐng)求方法等，在index.vue響應(yīng)頁面對(duì)應(yīng)代碼處引入當(dāng)前CO2封存狀態(tài)圖像地址接口的路由，在該頁面完成對(duì)該地址接口的調(diào)用，同時(shí)編寫圖片顯示函數(shù)以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前CO2封存狀態(tài)在Web界面的顯示。具體流程如圖7所示。

圖7 當(dāng)前封存狀態(tài)圖像顯示流程圖

在前端配置axios接口等參數(shù)，并在index.vue響應(yīng)頁面對(duì)應(yīng)代碼處引入歷史封存狀態(tài)圖像地址接口的路由，完成對(duì)該地址接口的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)歷史CO2封存狀態(tài)在Web界面的顯示，具體流程如圖8所示。當(dāng)用戶在界面選擇歷史時(shí)間，用戶傳參接口響應(yīng)用戶需求，并向歷史狀態(tài)圖像地址接口返回歷史圖像保存地址。

圖8 歷史運(yùn)移狀態(tài)圖像顯示流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸與存儲(chǔ)模塊測(cè)試

設(shè)置監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)與數(shù)據(jù)服務(wù)器分別處于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室。在花生殼軟件的內(nèi)網(wǎng)穿透模塊界面配置數(shù)據(jù)服務(wù)器的IP地址和端口號(hào)。如圖9所示，在上位機(jī)軟件界面控制4 G DTU每間隔3個(gè)小時(shí)向數(shù)據(jù)服務(wù)器定時(shí)傳輸一次數(shù)據(jù)，設(shè)置文件名格式、存儲(chǔ)文件夾名和文件存儲(chǔ)路徑。設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸波特率為9 600 bps，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，設(shè)定若出現(xiàn)上位機(jī)與設(shè)備通訊失敗的情況，則上位機(jī)每隔30秒重新連接一次設(shè)備。

測(cè)試結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件可以按照設(shè)定的時(shí)間定時(shí)傳輸至位于另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)服務(wù)器，并以txt格式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件的保存路徑被存儲(chǔ)至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件信息數(shù)據(jù)庫中。

圖9 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸與存儲(chǔ)模塊上位機(jī)軟件界面

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成像模塊測(cè)試

設(shè)定兩井水平間距為30米，監(jiān)測(cè)地層的深度(垂向范圍)為60米，兩井之間形成的場(chǎng)域中人為設(shè)定一個(gè)六邊形的含CO2地層，設(shè)定該六邊形的電阻率值為10 Ω·m，遠(yuǎn)大于場(chǎng)域內(nèi)其他區(qū)域的電阻率0.01 Ω·m。圖10對(duì)電阻率值進(jìn)行了歸一化處理。

圖10 設(shè)定的井間區(qū)域內(nèi)CO2的分布

采用上述井間ERT成像算法實(shí)現(xiàn)了正問題和逆問題的求解運(yùn)算，得到井間場(chǎng)域的電阻率分布，繼而得到圖11所示的CO2飽和度圖像。通過對(duì)比設(shè)定圖像和重建后圖像可知，使用線形反投影算法可以對(duì)CO2在地層中的分布進(jìn)行圖形重建，在CO2分布區(qū)域的中心位置CO2飽和度最大，CO2飽和度由內(nèi)向外逐步遞減，在CO2分布區(qū)域的邊界出現(xiàn)了一定的偽影。分析圖像中飽和度由內(nèi)向外遞減現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?yàn)椋簩⑷?jié)點(diǎn)電勢(shì)值取平均值代替了網(wǎng)格單元的電勢(shì)值，使得計(jì)算過程產(chǎn)生一定的誤差；根據(jù)場(chǎng)域內(nèi)測(cè)量電極處的電壓劃分投影域，投影角度較少，場(chǎng)域劃分不夠精細(xì)。如果成像區(qū)域存在明顯的電阻率變化或邊界，或者投影數(shù)據(jù)中存在強(qiáng)度較高的噪聲，利用經(jīng)典的線性反投影算法往往會(huì)得到帶有一定偽影的重建圖像。

圖11 反演的井間區(qū)域內(nèi)CO2飽和度分布

3.3 CO2運(yùn)移狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊測(cè)試

用戶在登錄界面輸入用戶名和密碼，若用戶輸入的信息與用戶信息數(shù)據(jù)庫中含有的用戶名和密碼一致，則可以成功登錄系統(tǒng)。用戶輸入賬號(hào)或密碼錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)提示“賬號(hào)或密碼輸入錯(cuò)誤，請(qǐng)重新輸入”。系統(tǒng)登錄界面如圖12所示。

圖12 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)登錄界面

進(jìn)入主界面后，管理員賬戶可在賬戶管理模塊實(shí)施新增用戶、刪除用戶等操作。如圖13所示，平臺(tái)當(dāng)前的用戶量為4。在成像顯示模塊中的當(dāng)前CO2運(yùn)移狀態(tài)顯示欄內(nèi)可查看當(dāng)前CO2飽和度圖像；在歷史CO2運(yùn)移狀態(tài)顯示欄內(nèi)選擇擬查看CO2封存狀態(tài)的時(shí)間，即可查看歷史CO2飽和度圖像，如圖14所示。

圖13 平臺(tái)系統(tǒng)管理員的賬戶管理界面

4 結(jié)束語

針對(duì)CO2地質(zhì)封存過程中井間ERT監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的需求，設(shè)計(jì)并開發(fā)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合處理平臺(tái)?；?G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，基于MySQL數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息和用戶信息的存儲(chǔ)，基于有限元法和線性反投影法實(shí)現(xiàn)了井間ERT圖像重建，基于B/S架構(gòu)和MVC設(shè)計(jì)模式開發(fā)了Web軟件。該數(shù)據(jù)處理平臺(tái)主要具備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心并存儲(chǔ)、地層中CO2飽和度成像、地層中CO2運(yùn)移狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。遠(yuǎn)程用戶登錄該平臺(tái)能夠?qū)Φ刭|(zhì)封存過程中CO2運(yùn)移狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和歷史狀態(tài)查詢。