Proceso de simulación numérica

Diferentes software de simulación numérica requieren diferentes parámetros, métodos de cálculo, formatos de perfil, etc., y el proceso de simulación numérica también es diferente, pero es más o menos el mismo. Este artículo toma TOUGHREACT como ejemplo para presentarlo. Proceso de simulación numérica del almacenamiento geológico de CO2.

(1) Determinación del alcance de la investigación

En términos generales, un sistema hidrogeológico natural independiente es la mejor opción para calcular el área. Tiene límites naturales y facilita una utilización más precisa. Las condiciones evitan las dificultades y errores al proporcionar información debido a límites artificiales. Sin embargo, en el trabajo real, los límites naturales a menudo no se pueden utilizar plenamente, lo que requiere el uso completo de datos de encuestas y observaciones a largo plazo para establecer límites artificiales. Al determinar el área de cálculo, además de garantizar que el rango sea lo suficientemente grande, las condiciones límite supuestas también deben acercarse lo más posible al estado real.

La delimitación del área de cálculo debe considerar plenamente factores como el propósito de la investigación, la estructura geológica regional, la litología del yacimiento, la composición mineral de la roca del yacimiento y la composición química del agua subterránea. Según los diferentes propósitos de la investigación, el tiempo de simulación numérica tiene diferentes escalas de tiempo. En lo que respecta a las simulaciones numéricas del almacenamiento geológico de dióxido de carbono, si no se tienen en cuenta los efectos geoquímicos, el sistema de almacenamiento alcanza básicamente el equilibrio o la estabilidad en un tiempo de simulación de unos 1.000 años. La distancia de difusión del dióxido de carbono en el yacimiento también debe considerarse al delimitar el límite, que está estrechamente relacionada con parámetros como la porosidad y la permeabilidad del modelo geológico del área de estudio. Para garantizar que los límites del rango del modelo seleccionado no afecten los resultados de la simulación durante la simulación, los límites del rango de cálculo general se determinan por analogía con los yacimientos (depósitos) de gas natural CO2 con las mismas condiciones geológicas. Si se consideran las reacciones geoquímicas, la reacción agua-roca-gas provocada por la inyección de CO2 cambia de manera más significativa la litología de la roca circundante, restringiendo así la tasa de inyección de CO2 y la distancia de migración radial.

(2) Aclarar el propósito de la investigación

Antes de la simulación numérica, debe quedar claro qué tipo de problemas debe resolver la tecnología de simulación numérica. Para los proyectos de almacenamiento geológico de CO2, el propósito de la simulación numérica es principalmente optimizar la selección del sitio del proyecto y el diseño del esquema antes de la implementación del proyecto de almacenamiento geológico de CO2, y proporcionar orientación técnica durante el período de implementación del proyecto, monitoreo durante el período de operación y Fuga de CO2 en el período posterior. La evaluación de riesgos hace predicciones para guiar la implementación científica y razonable del proyecto y minimizar el riesgo de fuga de CO2.

El propósito de la investigación determina el tipo de recopilación temprana de datos, el enfoque del modelado geológico, la precisión de la discretización del modelo geológico y el procesamiento de las condiciones iniciales y de contorno.

(3) Recopilación y clasificación de datos

1) Mediante teledetección, estudio geológico integral, prospección geofísica, perforación, diversas pruebas y análisis de muestras, etc., obtenga la litología y la estructura. de los estratos profundos del sitio. Estructura geológica, hidrogeología, hidrogeoquímica, mineralogía de rocas y otra información y datos;

2) Recopilar y analizar la litología geológica, el marco tectónico regional, las fallas activas y la actividad sísmica del sitio. Sitio de almacenamiento geológico de CO2.

3) Recopilar y analizar la litología geológica, marco tectónico regional, fallas activas y actividad sísmica de sitios de almacenamiento geológico de dióxido de carbono.

3) Utilizar métodos como perforación de núcleos, registro de pozos y reflexión sísmica para estudiar el patrón de distribución espacial, la profundidad de enterramiento, el espesor y la escala de los reservorios objetivo y las rocas de cobertura en el área de almacenamiento geológico de CO2;

4) Usar difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido y otros métodos para estudiar y analizar la composición mineral de la roca, las características de la estructura de poros y las propiedades físicas y químicas del área de almacenamiento;

5) Tomando muestras de agua de acuíferos poco profundos y acuíferos profundos Recolectar y obtener la composición química del agua del yacimiento y de la formación de sobrecarga, así como el agua inicial del acuífero poco profundo para realizar un análisis integral de la calidad del agua.

Los diferentes software de simulación numérica tienen diferentes soluciones numéricas para los modelos matemáticos, diferentes métodos de discretización espacial y los parámetros del modelo requeridos también tienen ciertas diferencias. La Tabla 9-1 son los principales parámetros requeridos para la simulación numérica TOUGHREACT.

Tabla 9-1 Principales parámetros requeridos para el proceso de simulación del almacenamiento geológico de CO2 (tomando como ejemplo TOUGHREACT)

(4) Establecimiento del modelo conceptual

Utilizar lo dominado Con base en la topografía, meteorología, hidrología, estratigrafía, litología, geología, hidrogeología, hidrogeología, hidrogeología y química del área de estudio, inicialmente se estableció un modelo geológico preliminar con base en el propósito de la investigación.

Para resolver problemas prácticos, a menudo es necesario generalizar el modelo, las condiciones iniciales y las condiciones de contorno, incluyendo:

1) Generalización de la estructura del sistema acuífero: debe basarse en el tipo de acuífero, litología , espesor, coeficientes de permeabilidad, etc., generalizan la estructura interna en un acuífero homogéneo, un acuífero isotrópico heterogéneo o un acuífero anisotrópico.

2) Resumen de límites laterales y límites superior e inferior con base en el estudio del tipo de acuífero, litología, espesor, coeficiente de permeabilidad y otra información, se resume en acuífero homogéneo, capa de acuífero isotrópico heterogéneo o anisotrópico; acuífero. Resumen de límites laterales y límites superiores e inferiores de acuerdo con la división de los límites del área de estudio, los límites laterales y los límites superiores e inferiores se resumen en condiciones de límites de primera, segunda y tercera categoría

<; p> 3) Según la dificultad de resolver el problema, resuma el modelo geológico en un modelo unidimensional, bidimensional o tridimensional y divida la cuadrícula en un nivel de precisión razonable

4) Procesamiento de términos fuente y términos sumidero: Los yacimientos generalmente se ubican por debajo de los 800 metros. El subsuelo está cubierto por un acuífero isotrópico o anisotrópico homogéneo. Los depósitos generalmente están ubicados bajo tierra por debajo de los 800 metros y están cubiertos por una densa capa de roca, lo que dificulta la reposición y descarga del dióxido de carbono a través del desbordamiento. En condiciones ideales, el dióxido de carbono en todo el sistema de almacenamiento geológico se puede reponer y ventilar mediante convección radial o pozos de extracción.

(5) Diseño del esquema de simulación

Para diferentes problemas de investigación, se pueden diseñar diferentes esquemas según el nivel técnico del diseñador, experiencia de campo, etc. Utilice tecnología de simulación numérica para simular y analizar varias soluciones, evaluar la viabilidad de la implementación de la solución, optimizar la solución y finalmente llegar a una solución económicamente razonable. Por ejemplo, al seleccionar un sitio de inyección de dióxido de carbono, se deben simular varios sitios objetivo en términos de capacidad de inyección, potencial de almacenamiento, velocidad de difusión y distancia del dióxido de carbono en el depósito, y riesgo de fuga de dióxido de carbono en el período posterior, y luego Postprocesar la salida de datos de la simulación. A través del análisis y estadísticas de estos datos, se determina el punto óptimo de inyección y se dividen razonablemente las capas y el espesor del yacimiento y la roca de cobertura. La evaluación de la capacidad de inyección y el potencial de almacenamiento de los puntos de inyección de agua es otro problema difícil en el campo de los yacimientos geológicos de dióxido de carbono, y la tecnología de simulación numérica puede resolver este problema. Los diferentes métodos de inyección dan como resultado diferentes tasas y flujos de dióxido de carbono hacia el yacimiento. Con base en todos los métodos de inyección factibles diseñados por el diseñador, realice un análisis de simulación y compare la capacidad y el volumen de inyección en diferentes situaciones para determinar el mejor método de inyección.

El diseño del plan de simulación depende del problema de investigación, y la racionalidad del diseño del plan depende de la propia teoría y experiencia práctica del diseñador. Diferentes investigadores pueden diseñar diferentes planes para el mismo problema. Podemos construir diferentes modelos para estas soluciones, juzgar su racionalidad y viabilidad mediante tecnología de simulación y, finalmente, determinar la mejor solución.

(6) Selección de modelos numéricos y software de simulación

La clave de la simulación numérica es la versatilidad, precisión de cálculo y velocidad de cálculo del modelo geológico. Dado que la precisión del cálculo depende del grado de discretización, y el grado de discretización determina la velocidad de cálculo, lo cual es una contradicción, el grado de discretización y la velocidad de cálculo deben seleccionarse de acuerdo con las necesidades de resolución del problema.

La migración, disolución y reacción química del CO2 en el yacimiento y la roca circundante constituyen un sistema de reacción multifase y multicomponente que involucra la ecuación de control de movimiento de fluido bifásico CO2 supercrítico-agua, soluto. ecuaciones de control de transporte y ecuaciones de reacciones químicas y otras ecuaciones matemáticas importantes. Al establecer modelos numéricos, los métodos comúnmente utilizados son el método de diferencias finitas, el método de elementos finitos y el método integral de diferencias finitas.

Utilice el software de simulación numérica existente para simular todo el proceso de almacenamiento geológico de dióxido de carbono para lograr una aplicación práctica. No implica el desarrollo de software ni la escritura de códigos de programa. Solo es necesario seleccionar el software apropiado para la predicción de simulación de acuerdo con las necesidades de la investigación. Una vez seleccionado el software, se determinan básicamente el modelo matemático y el modelo numérico. Tomando TOUGHREACT como ejemplo, el modelo matemático se establece con base en el modelo conceptual construido anteriormente. La ecuación diferencial parcial de la fase gaseosa unificada y la fase líquida es (9-1), la ecuación diferencial parcial del agua salobre es (9-2) y la ecuación diferencial parcial supercrítica es (9-3). Los caracteres relevantes y símbolos de ángulos involucrados en las ecuaciones se muestran en la Tabla 9-2.

Introducción a los métodos de tecnología de almacenamiento geológico de CO2

Introducción a los métodos de tecnología de almacenamiento geológico de CO2

Tabla 9-2 Significados de los símbolos involucrados en el modelo matemático

(7) Establecimiento del modelo numérico

1. División de la cuadrícula

Establecimiento Una vez establecido el modelo geológico, el área de estudio debe discretizarse, es decir, cuadricularse. El primer paso es determinar puntos discretos, es decir, dividir el área de estudio en un sistema de cuadrícula basado en algunas formas geométricas (como rectángulos, polígonos arbitrarios, etc.). El límite del área de estudio se puede aproximar mediante la línea de cuadrícula más cercana a él. Cuando la malla es lo suficientemente pequeña, las líneas de cuadrícula en zigzag también pueden delinear bien la forma del límite. Este proceso también se conoce como discretización (disección) del área de estudio. La discretización sigue los siguientes dos principios básicos.

1) Similitud geométrica. Se requiere que el modelo de simulación física sea geométricamente cercano al cuerpo de simulación real.

2) Similitud física. Se requiere que las características de las unidades discretas se acerquen a las propiedades físicas de la estructura real en el área en términos de propiedades físicas (estructura del acuífero, régimen de flujo).

Los tipos de cuadrícula se pueden dividir aproximadamente en cuadrículas regulares y cuadrículas irregulares. Los perfiles de cuadrícula regulares incluyen rectángulos, triángulos y otros perfiles de formas regulares (Figura 9-3), mientras que las cuadrículas irregulares incluyen polígonos irregulares, etc. La forma de la cuadrícula depende principalmente de la forma del área de estudio.

Figura 9-3 Segmentación de la cuadrícula

La segmentación de la cuadrícula tiene un impacto importante en la precisión y eficiencia del cálculo. Cuanto mayor sea la precisión, más detallados serán los resultados de la simulación, pero cuanto mayor sea la cantidad de datos a calcular, mayores serán los requisitos de la computadora. Se recomienda utilizar la segmentación de malla gruesa al segmentar el modelo geológico. Si los resultados de la simulación son razonables con este método de segmentación, se realiza una segmentación de malla fina para describir los resultados de la simulación con más detalle.

2. Parámetros y condiciones iniciales

Las condiciones iniciales se refieren a los valores iniciales de las principales variables de estado del modelo matemático en el área de estudio en el momento inicial (t=0). ). Diferentes aplicaciones eligen diferentes números y tipos de variables de estado requeridas. Por ejemplo, las variables de estado primarias iniciales requeridas por TOUGHREACT incluyen la presión, la temperatura y la distribución espacial de las concentraciones de los componentes. Los parámetros geológicos incluyen valores de parámetros como porosidad, permeabilidad, densidad, presión, temperatura y presión capilar. El valor inicial de la composición química del agua de formación se obtiene mediante análisis químico del agua de formación real, que incluye principalmente la concentración, salinidad y valor de pH de 8 iones principales. El valor inicial de la composición química del agua de formación se obtiene mediante análisis químico del agua de formación real. Si es difícil obtener muestras de agua en los estratos profundos (como caprock) en el área de estudio, se utiliza el método de equilibrio estático, utilizando agua salada con la misma salinidad que el yacimiento para reaccionar químicamente con las rocas de formación que contienen minerales nativos en el ambiente estratigráfico original. El valor inicial de la composición química del agua de formación se obtiene en estado de equilibrio. El valor inicial de los minerales primarios que constituyen la roca de capa del reservorio geológico de dióxido de carbono se obtiene mediante análisis petrológico y mineralógico, escaneo electrónico. , difracción de rayos X y otros medios. El valor inicial del contenido en volumen del componente se obtiene mediante análisis petrográfico, difracción de rayos X y otros medios, y los minerales secundarios se juzgan razonablemente en función de la composición de los minerales primarios.

En principio, siempre que se conozcan los valores de los parámetros y las variables de estado requeridas en el momento inicial, el momento inicial puede tomar cualquier valor. Por tanto, no debemos entender las condiciones iniciales como el estado inicial del sistema en estudio. Cómo elegirlo depende de las necesidades del problema, la fuente de la información, la conveniencia del cálculo y otros factores.

3. Condiciones de frontera

Las condiciones de frontera son una de las condiciones necesarias para que un modelo matemático de un problema práctico tenga una solución definitiva. Las definiciones de condiciones de contorno para problemas de flujo de agua subterránea y problemas de transporte de solutos son diferentes, pero generalmente se resumen en los tres tipos siguientes.

(1) Un tipo de condición de contorno (condición de Dirichlet)

Al resolver problemas de flujo de agua, este tipo de condición de contorno se da para la altura del agua en todos los puntos del límite; para el transporte de solutos Para problemas de migración, un tipo de condición de contorno significa que se conoce la distribución de la concentración de soluto en el límite del área de estudio. Para resolver el problema del flujo bifásico de dióxido de carbono y agua, este tipo de condición de frontera significa que se da la presión en todos los puntos de la frontera.

(2) Dos tipos de condiciones de contorno (condición de Neumann)

Cuando se conoce el flujo de entrada o salida por unidad de área en un límite determinado, se puede considerar como dos tipos de flujo. problemas. Límite de clase; en relación con el transporte de solutos, este tipo de límite también se denomina límite de flujo de difusión dado, es decir, se conoce la ley del flujo de difusión en el límite.

(3) Límite tipo III (Condición de Cauchy)

Cuando parte del área de estudio satisface el primer tipo de condición de Dirichlet y la otra parte satisface el segundo tipo de condición de Neumann, esta Este tipo de problema se llama problema de límites mixtos, también conocido como límite de tres categorías. Para el transporte de solutos, este tipo de límite es aquel en el que se conoce el cambio en el flujo de soluto con el tiempo.

Durante la simulación numérica del almacenamiento geológico de CO2, dado que el estrato del yacimiento está por debajo de los 800 m, la parte superior e inferior del modelo geológico pueden tratarse como límites impermeables de acuerdo con las necesidades reales para evitar el impacto de; Los límites en los resultados de la simulación. El rango del área de estudio es generalmente mucho mayor que el rango al que realmente puede migrar el CO2, por lo que cuando se trata de límites periféricos, generalmente se establecen en límites infinitos o límites impermeables. límite. Al determinar las condiciones límite, se deben considerar exhaustivamente las condiciones hidrogeológicas y los datos existentes.

4. Tratamiento de los términos fuente y términos sumidero

En los problemas de flujo y transporte de solutos en medios porosos, la convección, la difusión hidrodinámica y las fuentes o/y sumideros de soluto son los factores determinantes. dos factores principales en la velocidad a la que la masa del soluto cambia con el tiempo en cualquier punto interno del acuífero. Las cuestiones fuente-sumidero juegan un papel importante en el cálculo de la calidad y cantidad del agua, así como en el correcto manejo de las ecuaciones de convección-difusión y las ecuaciones diferenciales básicas de filtración. Hay muchas maneras de obtener y hundir elementos, como la recarga de flujo cruzado, la recarga de liberación elástica del acuífero y la recarga de pozos de bombeo (inyección).

Para los sistemas de almacenamiento geológico de CO2 en acuíferos salados profundos, la parte superior del sistema generalmente son formaciones rocosas compactas, como lutitas y lutitas, con baja permeabilidad y pequeña porosidad, lo que dificulta que se produzca una recarga por desbordamiento. Los términos de fuente y sumidero de todo el sistema de almacenamiento geológico de dióxido de carbono se refieren principalmente a pozos de convección (como límites laterales) y de bombeo (inyección).

(8) Calibración y verificación del modelo

La identificación del modelo es uno de los pasos más importantes para establecer un modelo numérico para fluidos subterráneos. La comprensión y el ajuste correctos son cruciales para mejorar el efecto de la simulación. del modelo numérico. Es importante. En el caso de resultados de medición reales, como proyectos de demostración, los resultados de la simulación se pueden comparar con los resultados de la medición real y los parámetros relevantes se pueden ajustar de manera apropiada y razonable para que los resultados de la simulación sean consistentes con los resultados de la medición real dentro de un error determinado. rango. Si el error es grande, se debe volver a verificar o incluso redeterminar la confiabilidad del modelo conceptual. Una vez determinada la corrección, los cálculos deben continuar utilizando el modelo corregido y compararlos con los datos reales que no se utilizaron para determinar la corrección para verificar la precisión y confiabilidad del modelo. Si hay un error grande, es necesario repetir el proceso anterior. En ausencia de resultados de medición reales, la confiabilidad del modelo numérico puede juzgarse por analogía con datos relevantes o basándose en la experiencia y la teoría personales.

(9) Predicción de simulación

La predicción de modelos es el objetivo principal de implementar la tecnología de simulación numérica. Para los proyectos de almacenamiento geológico de CO2, debido a que la tecnología de almacenamiento geológico de CO2 se ha propuesto por poco tiempo, existen problemas con la migración y difusión de CO2 en acuíferos salinos profundos, la reacción química entre el agua subterránea y las rocas circundantes, y el daño a los reservorios causado por Inyección de CO2. La investigación sobre cambios en las propiedades físicas y químicas de la capa de cobertura aún se encuentra en etapa de investigación y desarrollo. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de producir herramientas con orientación técnica durante la implementación del proyecto para evitar riesgos como el desperdicio de inversiones y las fugas de dióxido de carbono.

Utilice modelos numéricos que hayan sido calibrados, calibrados y verificados para simular y predecir el proceso de almacenamiento geológico de dióxido de carbono, y realice un posprocesamiento de los datos de simulación de manera específica, como análisis estadístico, comparación y otros medios para interpretar los resultados para lograr la selección del sitio, la capacidad de llenado del embalse objetivo, la evaluación del potencial de almacenamiento, las vías de difusión y migración y las tasas de dióxido de carbono, los volúmenes de almacenamiento de diferentes métodos de captura y la conversión de tiempo y espacio entre ellos, etc. Describir y simular en detalle las rutas y tasas de difusión y migración del dióxido de carbono, los volúmenes de almacenamiento de diferentes métodos de captura y sus procesos de conversión espaciotemporal. Al mismo tiempo, también es posible predecir la probabilidad y el momento del escape de dióxido de carbono de fracturas existentes, reactivadas o creadas recientemente, evaluar el riesgo de fuga de dióxido de carbono y evaluar el impacto de la fuga de dióxido de carbono en la calidad y cantidad de aguas subterráneas poco profundas y ambientes superficiales.

El análisis de resultados anterior es sólo la punta del iceberg de los problemas que pueden resolverse mediante simulación numérica. El procesamiento de los resultados de la simulación numérica debe extraerse y descifrarse de manera específica según el propósito de la investigación.

Al resumir y analizar los datos procesados, podemos descubrir y resolver problemas, comprender las leyes inherentes, brindar apoyo teórico y orientación técnica científica para el diseño inicial, la implementación de proyectos, el monitoreo y la gestión a mediano plazo de proyectos de almacenamiento geológico de dióxido de carbono y llevar a cabo predicción de riesgos por adelantado, formular planes lo antes posible para prevenir peligros ocultos que puedan surgir durante la implementación y operación de proyectos de almacenamiento geológico de dióxido de carbono.