基于有限元数值模拟的地质封存CO2运移行为预测方法

来源：计算机测量与控制杂志2024年第11期北京时间：

作者：武晓菲,徐同晖,何畅,姬泽敏,贾宁洪,邢兰昌

单位：中国石油大学华东控制科学与工程学院

摘要：针对注入咸水层CO2运移特征预测的工程需求，基于COMSOL Multiphysics平台建立了矿藏尺度的咸水层CO2地质封存有限元数值模型，探讨了地层孔隙度、温度及CO2注入流量等因素对咸水层中CO2运移行为的影响规律，开发了可移植使用的仿真软件，最终形成了一种基于有限元数值模拟的地质封存CO2运移行为预测方法。以中国神华集团咸水层二氧化碳捕集与地质封存项目中的石千峰地层为例，开展了有限元数值建模、CO2运移行为影响因素和影响规律研究。研究结果表明:(1) 在CO2注入阶段的前期，CO2沿着近似水平方向运移并在注入井周围形成高压区域；随着CO2的持续注入，CO2在咸水层中的分布区域逐渐形成上宽下窄的“舌状”，咸水层压力有所降低；在CO2停注后，咸水层的压力逐渐降低至原地层压力水平，出现咸水反向驱替CO2的现象；(2) 随着地层孔隙度的减小，CO2注入咸水层后地层压力呈指数增长趋势，孔隙度的改变影响CO2的运移形态；在CO2停注后，随着咸水层孔隙度的增大，咸水的反向驱替现象愈加明显，咸水层顶部的CO2堆积量增加；(3) 地层温度的升高增强了咸水的反向驱替作用，CO2运移时“舌状”区域的边界倾角随之增大，咸水层顶部的CO2侧向分布范围逐渐扩大；(4) CO2的扩散范围随注入流量的增加而扩大；注入流量相同的条件下，CO2的扩散速率随时间的推移而降低；在CO2停注后，注入流量越低反向驱替现象越明显；(5) 所开发的仿真软件具有数值模型建立、仿真数据分析等功能模块，测试结果表明了软件的可用性。研究成果可为CO2地质封存点的选址、注入条件优化、泄漏监测提供理论和模型基础。

关键词：二氧化碳;地质封存;咸水层;数值模拟;运移特征;预测