本文關鍵詞：鄂爾多斯盆地二氧化碳地質封存機理研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《吉林大學》 2016年

CO_2地質封存中熱—流—固多場耦合并行數(shù)值模擬研究

吳帆  

【摘要】：CGS(CO_2 Geologic Storage,CO_2地質封存)是近年來國際上興起的一種溫室氣體封存技術。作為一種新型的巖土工程技術,在儲存CO_2方面具有儲存容量大、能供CO_2儲存的區(qū)域多、實施成本低等特點,同時其對地表生態(tài)環(huán)境影響很小,CGS技術在減少大氣中CO_2含量減緩全球氣候變暖中得到廣泛應用和發(fā)展。CGS工程的安全性、可靠性關乎到人類生命安全,為了保障CO_2封存區(qū)域的安全性,在任何一個大型CGS項目開展之前均需要進行大量的論證工作,考慮到大型CGS工程涉及到的地質、力學問題復雜,工程涉及到的時間(1000年)、空間(1011m3數(shù)量級)尺度大,評估CGS工程安全性在實際操作中是有很難實現(xiàn)的。然而數(shù)值模擬作為一種十分有效而又經濟的技術方法,是進行CO_2地質封存研究的必要手段。CGS中數(shù)值模擬過程是一個復雜的涉及到溫度-滲流-力(thermal-hydromechanical,THM)的多物理場耦合問題,前人已經做了許多涉及到THM多場耦合問題方面的研究,然而,在CGS工程領域的多場耦合數(shù)值模擬中仍然存在一些不足之處,目前,筆者所在課題組自主研發(fā)了一套搭接程序將TOUGH與FLAC3D搭接起來,形成一套單機版THM耦合程序。然而,該程序受兩個程序讀寫數(shù)據(jù)能力及網格數(shù)量的限制,windows操作系統(tǒng)下,在剖分網格的時候最多只能達到1萬網格,在處理大規(guī)模,地層條件復雜的CO_2地質封存工程中,只能將模型進行簡化處理,其精度在模擬CGS這類大型工程中是遠遠不夠的。在前人的研究基礎上,本文利用FORTRAN95和FISH語言自主研發(fā)一套程序對并行版TOUGH和FLAC3D進行搭接,編制了源代碼,形成一套并行版THM耦合程序,通過建立阿爾及利亞地區(qū)In Salah場地CO_2地質封存模型與單機版THM耦合程序以及場地監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析,模擬結果顯示,CO_2連續(xù)灌注三年之后,對比孔壓和CO_2運移情況,并行版THM程序模擬結果和單機版THM程序模擬結果基本上接近,出現(xiàn)的少量差異均是由網格劃分之粗細導致的;在地表隆起量方面,并行版THM程序模擬結果的1.49mm相較于單機版THM程序模擬結果的1.55mm,更接近于地表監(jiān)測值得1.5mm。因此,并行版THM耦合程序在做CGS工程數(shù)值模擬研究中其精度是優(yōu)于單機版THM耦合程序的。儲蓋層巖體的物理力學性質直接決定該地區(qū)CO_2封存能力,本中對取自于鄂爾多斯地區(qū)的巖樣做了一些室內試驗研究,對該研究區(qū)地層儲蓋層的孔隙率、滲透率、導熱系數(shù)、比熱容、密度等物理性質、力學性質特征做了分析研究,同時這些參數(shù)也是對鄂爾多斯CO_2地質封存做數(shù)值模擬的基礎。本文基于鄂爾多斯地區(qū)CO_2地質封存示范工程項目,采用自主研發(fā)的并行版THM耦合程序,建立了一個8000m×8000m×2800m尺寸的13萬網格的三維地質模型,根據(jù)實際工程的CO_2注入狀況,在模型中設置一口深度約為2500m的注入井,選取涵蓋劉家溝組、石千峰組、石盒子組和山西組構成的13組儲層,以105t/年的CO_2注入速率持續(xù)持續(xù)注入三年,停止灌注之后模擬繼續(xù)運行7年,對這10年間地層的變化做了一個分析研究。此外,在這個模型的基礎上,假設CO_2持續(xù)注入10年,對地層中CO_2運移情況及引起的地層力學特性變化做了一個預測,大量CO_2灌注到含水層勢必會打破原有的應力平衡,其主要體現(xiàn)是孔隙流體壓力增大,固體骨架之間的連接由致密變得疏松,導致孔隙率增加,而多孔介質孔隙率增加,則會導致滲透率的增加,CO_2灌注會引起的地表隆起,停注一段時間之后,受自重壓力的作用,固體骨架之間會變得密實,地表的隆起量會逐漸下降直至恢復平衡。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X701;X141
【目錄】：

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