Численное исследование конвективного растворения флюида CO2 в воде при его захоронении в подземном пористом образовании
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2026.19.2.14Ключевые слова:
водонасыщенный пласт, геологическое захоронение диоксида углерода, растворение, концентрационная конвекция, численное моделирование, конечно-разностный методАннотация
Исследование направлено на решение важной экологической проблемы, связанной с вредным воздействием парниковых газов на температуру и климат Земли и необходимостью уменьшения антропогенных выбросов углекислого газа в атмосферу. Рассматривается односторонняя концентрационная конвекция внутри пористого образования, развивающаяся при растворении сверхкритического флюида CO2 в воде, в технологии захоронения диоксида углерода в подземных водонасыщенных пластах. Гидродинамическая модель включает уравнения неразрывности, движения (на основе закона Дарси), конвекции--диффузии и нелинейное уравнение состояния, связывающее плотность жидкой среды с концентрацией CO2; жидкая среда описывается как однофазная двухкомпонентная, с переменной вязкостью. На основе имеющихся в литературе данных определены физические свойства системы CO2 + H2O в диапазонах температуры T=307.7 - 342.8 К и давления P=8.07 - 31.42 МПа и проведено численное моделирование гидродинамических процессов в ней с помощью созданного конечно-разностного вычислительного кода. В частности, изучено, как меняются характеристики конвективного растворения в зависимости от температуры и давления. Получено, что при увеличении последних конвективное растворение флюида CO2 в воде происходит интенсивнее. Так, время, в течение которого половина CO2 растворяется в воде и отводится вглубь конвективным течением, сокращается почти вдвое. Таким образом, более высокие температура и давление способствуют повышению надежности захоронения диоксида углерода в подземных водонасыщенных пластах.
Скачивания
Библиографические ссылки
Bashir A., Ali M., Patil S., Aljawad M.S., Mahmoud M., Al-Shehri D., Hoteit H., Kamal M.S. Comprehensive review of CO2 geological storage: Exploring principles, mechanisms, and prospects // Earth-Science Reviews. 2024. Vol. 249. 104672. DOI: 10.1016/j.earscirev.2023.104672
Huppert H.E., Neufeld J.A. The Fluid Mechanics of Carbon Dioxide Sequestration // Annual Review of Fluid Mechanics. 2014. Vol. 46. P. 255–272. DOI: 10.1146/annurev-fluid-011212-140627
Núñez-López V., Moskal E. Potential of CO2 – EOR for Near-Term Decarbonization // Frontiers in Climate. 2019. Vol. 1. 5. DOI: 10.3389/fclim.2019.00005
Афанасьев А.А., Андреева А.И., Сыпченко И.М., Чернова А.А. О влиянии растворения CO2 в воде на эффективность газовых методов увеличения нефтеотдачи // Вычислительная механика сплошных сред. 2024. Т. 17, № 3. C. 320–328. DOI: 10.7242/1999-6691/2024.17.3.27
Голдобин Д.С., Барях А.А. Подземная утилизация углерода как элемент декарбонизации деятельности человека // Вестник Пермского федерального исследовательского центра. 2023. № 4. C. 6–13. DOI: 10.7242/2658-705X/2023.4.1
Ndlovu P., Bulannga R., Mguni L.L. Progress in carbon dioxide capture, storage and monitoring in geological landform // Frontiers in Energy Research. 2024. Vol. 12. 1450991. DOI: 10.3389/fenrg.2024.1450991
Ajayi T., Gomes J.S., Bera A. A review of CO2 storage in geological formations emphasizing modeling, monitoring and capacity estimation approaches // Petroleum Science. 2019. Vol. 16. P. 1028–1063. DOI: 10.1007/s12182-019-0340-8
Riaz A., Cinar Y. Carbon dioxide sequestration in saline formations: Part I—Review of the modeling of solubility trapping // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2014. Vol. 124. P. 367–380. DOI: 10.1016/j.petrol.2014.07.024
Soboleva E. Instability Problems and Density-Driven Convection in Saturated Porous Media Linking to Hydrogeology: A Review // Fluids. 2023. Vol. 8, no. 2. 36. DOI: 10.3390/fluids8020036
Ennis-King J., Paterson L. Role of Convective Mixing in the Long-Term Storage of Carbon Dioxide in Deep Saline Formations // SPE Journal. 2005. Vol. 10, no. 3. P. 349–356. DOI: 10.2118/84344-PA
Riaz A., Hesse M., Tchelepi H.A., Orr F.M. Onset of convection in a gravitationally unstable diffusive boundary layer in porous media // Journal of Fluid Mechanics. 2006. Vol. 548. P. 87–111. DOI: 10.1017/S0022112005007494
Pau G.S.H., Bell J.B., Pruess K., Almgren A.S., Lijewski M.J., Zhang K. High-resolution simulation and characterization of density-driven flow in CO2 storage in saline aquifers // Advances in Water Resources. 2010. Vol. 33. P. 443–455. DOI: 10.1016/j.advwatres.2010.01.009
Soboleva E.B. Density-driven convection in an inhomogeneous geothermal reservoir // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. Vol. 127. P. 784–798. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.08.019
Neufeld J.A., Hesse M.A., Riaz A., Hallworth M.A., Tchelepi H.A., Huppert H.E. Convective dissolution of carbon dioxide in saline aquifers // Geophysical Research Letters. 2010. Vol. 37. 22404. DOI: 10.1029/2010GL044728
Elenius M.T., Gasda S.E. Convective Mixing Driven by Non-monotonic Density // Transport in Porous Media. 2021. Vol. 138. P. 133–155. DOI: 10.1007/s11242-021-01593-3
Соболева Е.Б. Моделирование односторонней конвекции в пористой среде с использованием нелинейного уравнения состояния // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2025. № 3. C. 94–106. DOI: 10.31857/S1024708425030094
Брацун Д.А., Мошева Е.А. Особенности формирования волн плотности в двухслойной системе смешивающихся реагирующих жидкостей // Вычислительная механика сплошных сред. 2018. Т. 11, № 3. C. 302–322. DOI: 10.7242/1999-6691/2018.11.3.23
Bratsun D.A., Mizev A.I., Mosheva E.A. Extended classification of the buoyancy-driven flows induced by a neutralization reaction in miscible fluids. Part 2. Theoretical study // Journal of Fluid Mechanics. 2021. Vol. 916. A23. DOI: 10.1017/jfm.2021.202
McBride-Wright M., Maitland G.C., Trusler J.P.M. Viscosity and Density of Aqueous Solutions of Carbon Dioxide at Temperatures from (274 to 449) K and at Pressures up to 100 MPa // Journal of Chemical & Engineering Data. 2015. Vol. 60. P. 171–180. DOI: 10.1021/je5009125
Зубова Н.А., Любимова Т.П. Нелинейные режимы конвекции бинарной смеси в двухслойной пористой среде различной конфигурации // Вычислительная механика сплошных сред. 2022. Т. 15, № 2. C. 145–159. DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.2.11
Chemistry WebBook, SRD 69, National Institute of Standards and Technology. URL: http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/
Efika E.C., Hoballah R., Li X., May E.F., Nania M., Sanchez-Vicente Y., Trusler J.P.M. Saturated Phase Densities of (CO2 + H2 O) at Temperatures from (293 to 450) K and Pressures up to 64 MPa // The Journal of Chemical Thermodynamics. 2016. Vol. 93. P. 347–359. DOI: 10.1016/j.jct.2015.06.034
Hemmati-Sarapardeh A., Amar M.N., Soltanian M.R., Dai Z., Zhang X. Modeling CO2 Solubility in Water at High Pressure and Temperature Conditions // Energy & Fuels. 2020. Vol. 34. P. 4761–4776. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.0c00114
Lu W., Guo H., Chou I.M., Burruss R.C., Li L. Determination of diffusion coefficients of carbon dioxide in water between 268 and 473K in a high-pressure capillary optical cell with in situ Raman spectroscopic measurements // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2013. Vol. 115. P. 183–204. DOI: 10.1016/j.gca.2013.04.010
Leonard B.P. A stable and accurate convective modelling procedure based on quadratic upstream interpolation // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 1979. Vol. 19, no. 1. P. 59–98. DOI: 10.1016/0045-7825(79)90034-3
Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.
Соболева Е.Б. Метод численного моделирования концентрационно-конвективных течений в пористых средах в приложении к задачам геологии // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2019. Т. 59, № 11. C. 1961–1972. DOI: 10.1134/S0044466919110115
Соболева Е.Б. Численное моделирование фильтрационных концентрационно-конвективных течений с контрастом вязкости // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2022. Т. 62, № 11. C. 1927–1939. DOI: 10.31857/S0044466922110126
Soboleva E. On the Influence of Weak Heterogeneity of Porous Medium on Rayleigh–Taylor Convection of Miscible Fluids // Transport in Porous Media. 2025. Vol. 152. 50. DOI: 10.1007/s11242-025-02189-x
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2026 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
