Integrating advanced frequency-domain signal processing with machine learning for accurate leak detection in subsurface CO2 storage
Notice bibliographique
Résumé
Ensuring the integrity of geological CO 2 storage is critical for the long-term success of carbon capture and storage (CCS) technologies. The detection and localisation of potential leakage events rapidly and accurately remains a key challenge, particularly under constraints of limited monitoring data. This study presents a proof-of-concept framework that integrates advanced frequency-domain signal processing with machine learning to address this challenge using only pressure data from a monitoring well in a CO 2 storage site. Here, pressure signals are translated into the frequency domain using Fast Fourier Transform (FFT) in order to extract physically meaningful features that are highly sensitive to leakage phenomena. These features capture subtle variations in signal behaviour that are often missed in time-domain analysis. A two-stage machine learning pipeline is also developed, involving a classification stage to distinguish leak versus no-leak conditions, followed by leak localisation in a regression stage. The results showed that in the leak detection stage, ensemble and probabilistic classifiers, particularly Naive Bayes (test accuracy = 0.9873, F1 = 0.9788) and Random Forest (test accuracy = 0.9823, F1 = 0.9016), outperformed linear models by a substantial margin. In the localisation stage, the K-Nearest Neighbours Regressor (test R 2 = 0.9899, MAE ≈ 6.8 m) and Gradient Boosting Regressor (test R 2 = 0.9790, MAE ≈ 9.5 m) achieved the highest spatial prediction accuracy. Additionally, the findings demonstrate that frequency-domain feature engineering substantially enhances leak-detection sensitivity and spatial inference accuracy compared to time-domain methods. The proposed framework is computationally efficient, requiring only sparse pressure data, and can be integrated into real-time monitoring systems. • Novel framework integrates frequency-domain signal processing (FFT) with machine learning for CO 2 leak detection. • Achieves accurate leak detection and localisation using only sparse pressure data from a single monitoring well. • Fast Fourier Transform (FFT) extracts features sensitive to leakage phenomena. • A two-stage ML pipeline classifies leaks and estimates their location. • Ensemble models show superior detection and localisation performance.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».