固多场耦合并行数值模拟研究

发布时间：2016-12-18 20:34

  本文关键词：鄂尔多斯盆地二氧化碳地质封存机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

《吉林大学》 2016年

CO_2地质封存中热—流—固多场耦合并行数值模拟研究

吴帆  

【摘要】：CGS(CO_2 Geologic Storage,CO_2地质封存)是近年来国际上兴起的一种温室气体封存技术。作为一种新型的岩土工程技术,在储存CO_2方面具有储存容量大、能供CO_2储存的区域多、实施成本低等特点,同时其对地表生态环境影响很小,CGS技术在减少大气中CO_2含量减缓全球气候变暖中得到广泛应用和发展。CGS工程的安全性、可靠性关乎到人类生命安全,为了保障CO_2封存区域的安全性,在任何一个大型CGS项目开展之前均需要进行大量的论证工作,考虑到大型CGS工程涉及到的地质、力学问题复杂,工程涉及到的时间(1000年)、空间(1011m3数量级)尺度大,评估CGS工程安全性在实际操作中是有很难实现的。然而数值模拟作为一种十分有效而又经济的技术方法,是进行CO_2地质封存研究的必要手段。CGS中数值模拟过程是一个复杂的涉及到温度-渗流-力(thermal-hydromechanical,THM)的多物理场耦合问题,前人已经做了许多涉及到THM多场耦合问题方面的研究,然而,在CGS工程领域的多场耦合数值模拟中仍然存在一些不足之处,目前,笔者所在课题组自主研发了一套搭接程序将TOUGH与FLAC3D搭接起来,形成一套单机版THM耦合程序。然而,该程序受两个程序读写数据能力及网格数量的限制,windows操作系统下,在剖分网格的时候最多只能达到1万网格,在处理大规模,地层条件复杂的CO_2地质封存工程中,只能将模型进行简化处理,其精度在模拟CGS这类大型工程中是远远不够的。在前人的研究基础上,本文利用FORTRAN95和FISH语言自主研发一套程序对并行版TOUGH和FLAC3D进行搭接,编制了源代码,形成一套并行版THM耦合程序,通过建立阿尔及利亚地区In Salah场地CO_2地质封存模型与单机版THM耦合程序以及场地监测数据进行对比分析,模拟结果显示,CO_2连续灌注三年之后,对比孔压和CO_2运移情况,并行版THM程序模拟结果和单机版THM程序模拟结果基本上接近,出现的少量差异均是由网格划分之粗细导致的;在地表隆起量方面,并行版THM程序模拟结果的1.49mm相较于单机版THM程序模拟结果的1.55mm,更接近于地表监测值得1.5mm。因此,并行版THM耦合程序在做CGS工程数值模拟研究中其精度是优于单机版THM耦合程序的。储盖层岩体的物理力学性质直接决定该地区CO_2封存能力,本中对取自于鄂尔多斯地区的岩样做了一些室内试验研究,对该研究区地层储盖层的孔隙率、渗透率、导热系数、比热容、密度等物理性质、力学性质特征做了分析研究,同时这些参数也是对鄂尔多斯CO_2地质封存做数值模拟的基础。本文基于鄂尔多斯地区CO_2地质封存示范工程项目,采用自主研发的并行版THM耦合程序,建立了一个8000m×8000m×2800m尺寸的13万网格的三维地质模型,根据实际工程的CO_2注入状况,在模型中设置一口深度约为2500m的注入井,选取涵盖刘家沟组、石千峰组、石盒子组和山西组构成的13组储层,以105t/年的CO_2注入速率持续持续注入三年,停止灌注之后模拟继续运行7年,对这10年间地层的变化做了一个分析研究。此外,在这个模型的基础上,假设CO_2持续注入10年,对地层中CO_2运移情况及引起的地层力学特性变化做了一个预测,大量CO_2灌注到含水层势必会打破原有的应力平衡,其主要体现是孔隙流体压力增大,固体骨架之间的连接由致密变得疏松,导致孔隙率增加,而多孔介质孔隙率增加,则会导致渗透率的增加,CO_2灌注会引起的地表隆起,停注一段时间之后,受自重压力的作用,固体骨架之间会变得密实,地表的隆起量会逐渐下降直至恢复平衡。

【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X701;X141
【目录】：

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