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主要數值模擬軟件

近年來,計算機仿真技術在許多研究領域得到了廣泛的應用,開發出了許多優秀的仿真軟件和程序。同樣,可以用來研究CO2地質封存的數值模擬軟件也很多,主要有PHREEQC、GEM、ECLIPSE、TOUGHREACT、PETROMOD、MUFTE-UG、NUFT等。這些軟件各有特點和適用性。因此,在進行數值模擬之前,有必要對這些數值模擬軟件進行評估和分析,選擇適合所要研究和解決問題的模擬軟件。下面簡單介紹壹下目前國際上常用的幾款軟件。

(1) PHREEQC

PHREEQC是壹個計算各種低溫水文地球化學反應的計算機軟件(Scott和David,2011)。基於離子締合水模型,PHREEQC可以完成以下任務:

1)計算物質的種類和礦物的溶解飽和指數;

2)模擬地球化學反演過程;

3)計算序批式反應和壹維遷移反應。

此外,PHREEQC與多組分溶質運移模型耦合可以生成PHAST,這是壹個模擬地下水流系統的三維反應運移模擬器。然而,PHREEQC是基於單相水流的模型,因此它不能模擬超臨界CO2水的兩相流體運動。PHREEQC最簡單的應用是計算溶液中各種化學物質的分布,以及溶液中礦物和氣體的飽和狀態。逆向模擬功能可以推導出能夠反映流動過程中化學物質變化的化學反應方程式,並進行量化。

(2)創業板

GEM v.2009.13是壹個模擬器,用於模擬使用CO2和酸性氣體來提高石油采收率。模擬器與地球化學成分的狀態方程完全耦合(Nghiem等人,2004年)。GEM采用壹步求解法求解狀態方程,缺點是計算工作量大。GEM可用於模擬對流和彌散流體、石油(或超臨界CO2)、氣體和鹽水之間的平衡、水相中物種之間的化學平衡以及礦物的動態溶解和沈澱。模擬器采用自適應隱式離散化技術,可使用1D、2D或3D模型模擬多孔介質中的溶質運移。油相和氣相用狀態方程模擬,氣體在水相中的溶解度用亨利定律模型計算。GEM還可以模擬水通過蒸發滲透到氣相和蓋層中的過程、熱效應和裂縫的封閉作用。

(3)日食

ECLIPSE是壹個並行的成熟軟件,可以模擬黑油、成分和熱采(Schlumberger,2008)。1994年,勝利石油管理局推出了油藏數值模擬ECLIPSE系列軟件,從油藏到氣藏,從普通油田到特殊油氣田,從常規模擬研究到特殊模擬研究等多個方面得到了廣泛應用。主要模塊有主模型、黑油、組成、熱采、流線方法、操作平臺和ECLIPSEOffice。

ECLIPSE是壹個商業軟件,其內核部分在使用中是封閉的,用戶只能將其作為“黑匣子”來操作。它的缺點是:無法免費獲取並隨意使用和修改;無法耦合最先進的地質流體熱力學模型;不可能加入更多的影響因素來研究具體問題。所以月食不適合科學研究。

TOUGH2/TOUGHREACT

TOUGH2是Transport of Unsaturated Ground Water and HEA的縮寫,是壹個數值模擬程序(Pruesset al .,1999),用於模擬多相流、多組分和非等溫水流以及壹維、二維和三維多孔或裂隙介質中的傳熱。TOUGH2采用積分有限差分法,IFD)(圖9-1)解決多相流和多組分化學運移模擬中的空間離散化問題。為了滿足大規模計算的需要,張等(2008)開發了TOUGH2的並行計算版本,即TOUGH2-MP。

圖9-1積分有限差分法中的空間離散化和幾何參數數據

在TOUGH2的基礎上,徐天福等增加了多組分溶質運移和地球化學反應的模擬功能,形成了壹套標定的可變飽和地質介質中非等溫非均質流體反應地球化學運移模擬軟件TOUGHRE ACT(徐等,2004)。除了TOUGH2的所有功能,TOUGHREACT還可以應用於壹系列反應流體和地球化學遷移問題。比如伴隨Kd線性吸附和放射性衰變的汙染物遷移問題;周圍環境條件下自然界地下水的化學演化;核廢料處理場的評估;深層沈積成巖作用;CO2的地質封存:多相流體運動、多組分反應地球化學、各種封存形式的封存容量及其隨時間和空間的變化;礦物沈積(如表生銅礦的富集);自然和回灌環境下熱水系統中礦物質的變化。

(5)沙特石油公司

德國IES(綜合勘探系統)公司開發的PETROMOD多組分、多相、多維石油系統模擬軟件集成平臺得到了世界石油行業的認可(IES,1995)。該軟件集成了斷層活動、鹽丘上湧和刺穿、火山侵入、氣體擴散效應、油氣水三相運移和油氣吸附模型。

模擬軟件平臺引入並采用的Hybird是目前最先進的油氣運移模擬算法,既能保證模擬精度,又能大大提高模擬運行速度。其中,PETROFLOW3D用於模擬油氣運移、聚集、圈閉和損失,PETROCHARGE EXPRESS為我們提供了基於地圖的油氣運移和圈閉模擬快速分析工具。

(6) MUFTE-UG

MUFTE-UG是MUFTE和UG的組合。MUFTE MUFTE是多相流、運輸和能量的模型(Class等人,2002年;赫爾姆格,1997).該軟件包主要包括物理模型的概念和多孔、裂縫介質中等溫、非等溫多相、多組分流動和運移的離散方法。它可以描述裂隙多孔介質的離散性。UG是非結構化網格的簡稱,它提供的數據結構可以快速求解基於並行自適應多重網格方法的離散偏微分方程。模塊化結構的MUFTE UG可以輕松解決各種有特殊要求的問題。

模塊化結構的MUFTE-UG有許多不同的環境和技術應用。比如在環境應用領域,MUFTE-UG可以模擬以下兩個問題。

1)napl(非液態流體)滲入飽和與非飽和土壤。經過優化和改進的修復技術在未來有著廣闊的研究和發展空間。

2)CO2地下運移。二氧化碳在高溫高壓下被註入地表下幾千米的地層。MUFTE-UG可用於評估非均質含水層中羽流的演化(對流和彌散遷移),並伴有溫度效應(由於膨脹和壓縮)和組分的相互溶解(鹽水和CO2)。

(7)努夫特

Nuft(非等溫非穩定-飽和流動與遷移模型)是壹套數值求解器(Nitao,1998),用於求解多相多組分非等溫流動和多孔介質溶質運移過程中地下汙染物的遷移。該軟件使用簡單的代碼來利用常見的實用程序和輸入文件格式。最近這段代碼在Unix和DOS系統下運行成功。

該程序采用壹套完整的有限差分空間離散化方法來求解平衡方程。每壹時間步用牛頓-拉夫遜法求解非線性方程組,每壹次叠代用直接解法和預軛梯度法求解線性方程組。該模型可以解決壹維、二維和三維水流和溶質運移問題。未來,該模型將耦合毛細滯後、非正交網格離散、有限元分區和固體非線性等溫吸附等功能。

(8)代碼-明亮

CODE-BRIGHT是壹個有限元程序,用於處理地質介質中熱水力學(THM)的耦合問題(Olivella et al .,1996)。五個主要控制方程(壓力平衡、水質量平衡、氣體質量平衡、能量平衡和少量化學平衡)的初邊值問題在壹般條件下可以計算,局部區域的平衡方程在壹定條件下也可以計算。空間離散采用有限元法,時間離散采用隱式有限差分法。牛頓-拉夫遜叠代用於求解非線性問題。

CODE-BRIGHT可以模擬氣體對水的置換,氣體的溶解過程,組分和能量的對流和非對通量,水相的變化。用戶可以自由選擇稀疏矩陣存儲和直接叠代求解方法。並行程序已經可以使用了。為了方便用戶處理大量信息,碼亮使用Gi D系統做前後處理工作。

(9) COORES

COORES (CO2儲層環境模擬器)是由IFP編寫的程序代碼,用於研究CO2從油井到盆地的規模儲存過程(Le Gallo等人,2006)。由美國應用數學系開發,是指定程序,由油藏工程系、地球化學系和熱力學系驗證。

在細分過程中,程序允許用戶根據需要靈活地改變網格大小、形狀和樣式,以準確描述儲層特征,從而最大限度地減少必要的網格數量。使用結構化或非結構化網格,COORES可以模擬非均質多孔介質中的多組分、三相和三維水流過程。用牛頓法將完全耦合的摩爾守恒方程線性化。考慮到礦物學的變化,遷移模型還與地球化學反應模擬器Arxim耦合。通過假設不同的孔隙度-滲透率和孔隙度-毛管壓力定律,如Kozeny-Carman、Labrid或Fair-Hatch定律,校正孔隙度變化引起的滲透率和毛管壓力變化。

(10)多美滋

DUMUX是壹個模擬多孔介質中多尺度和多物理水流和遷移過程的程序(Bastian等人,2008)。它由德國斯圖加特大學開發,基於分散或統壹的數值環境(DUNE),用c++語言編寫。Du NE采用* * *相同的接口,允許不同的實現使用相同的概念(比如grid和solver),從而提高資源利用率。該框架包括許多可以單獨下載的模塊。DUMUX是壹個附加模塊,繼承了其他模塊的功能,主要是方便有效地實現模型在多孔介質流動問題中的應用(從問題的提出、時空離散格式的選擇、非線性方程組的求解到模型的耦合)。DUMUX有壹個現成的數值模型和壹個示例應用程序。

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