渗透率非均质性与背景流对深部地下超临界CO2溶解的影响
流体动力学
2023-05-23 v1
摘要
受CO2捕集与封存（CCS）设计考量驱动，我们考虑渗透率非均质性与背景流的耦合效应对超临界CO2透镜体溶解到其下方深部受限含水层中的影响。我们展示了一项大规模蒙特卡洛模拟研究的结果，考察了背景流率与描述多高斯对数渗透率场的三个参数——均值、方差和相关长度——之间的相互作用。使用PFLOTRAN有限体积软件执行了数百次高分辨率模拟，以模拟千米尺度含水层在1000年内的CO2溶解。针对从重力主导的自由对流到背景流主导的强制对流 regime，开发了将CO2溶解速率与非均质性统计、瑞利（Ra）数和佩克莱特（Pe）数关联起来的预测性无量纲标度关系。发现了 regime 转换的经验判据：Pe = Ra^{3/4}。所有模拟都迅速收敛到准稳态、近似线性的溶解速率。然而，即便在温和的渗透率非均质性下，共享相同非均质性统计的渗透率场实现之间的溶解速率也表现出显著变异性。一般而言，增强的非均质性伴随更低的平均溶解速率和更高的溶解速率方差，从CCS设计角度看是不利的。发现溶解速率与背景流之间的关系复杂且非线性。针对若干特殊情况揭示了无量纲标度关系。结果对适度至高水平背景流率下布辛涅斯克近似的有效性，以及无背景流数值模拟的普遍适用性提出了质疑。
引用
@article{arxiv.2305.12575,
title = {Impacts of permeability heterogeneity and background flow on supercritical CO2 dissolution in the deep subsurface},
author = {Scott K. Hansen and Yichen Tao and Satish Karra},
journal= {arXiv preprint arXiv:2305.12575},
year = {2023}
}