[论文解读] Impact of background flow on dissolution trapping of carbon dioxide injected into saline aquifers

Saikiran Rapaka, Rajesh Pawar|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2011

CO2 Sequestration and Geologic Interactions参考文献 15被引用 6

一句话总结

本研究探讨了背景地下水流动如何通过将对流模式从自由对流（指流）转变为强迫对流，从而增强盐水含水层中CO2的溶解。结合理论分析与高分辨率模拟，研究识别出一个临界背景流速，使系统过渡至强迫对流，显著提升溶解速率，尤其在低瑞利数含水层中，此时指流缓慢或无效。

ABSTRACT

While there has been a large interest in studying the role of dissolution-driven free convection in the context of geological sequestration, the contribution of forced convection has been largely ignored. This manuscript considers CO$_2$ sequestration in saline aquifers with natural background flow and uses theoretical arguments to compute the critical background velocity needed to establish the forced convective regime. The theoretical arguments are supported by two dimensional high-resolution numerical simulations which demonstrate the importance of forced convection in enhancing dissolution in aquifers characterised by low Rayleigh numbers.

研究动机与目标

• 量化背景地下水流动对盐水含水层中CO2溶解效率的影响。
• 确定在低瑞利数系统中，强迫对流取代自由对流的临界背景流速。
• 评估强迫对流相较于低对流环境中缓慢发展的指流，能否显著提升溶解速率。
• 通过理论与数值模拟验证地质CO2封存中强迫对流溶解速率的标度律。
• 通过理解流致溶解动力学，指导监测井布设与储层模拟器设计。

提出的方法

• 使用对流速度、深度和溶解度量纲为基准，对达西定律、质量守恒和对流-扩散方程进行无量纲化处理。
• 应用Boussinesq近似来模拟由于CO2溶解引起的卤水密度变化，仅密度影响浮力。
• 将瑞利数（Ra）定义为浮力与粘性及扩散力之比，控制对流模式之间的转换。
• 基于标度分析，理论推导出强迫对流占主导地位的临界背景流速（u_c）。
• 利用无量纲化方程进行高分辨率二维数值模拟，计算努塞尔数（Nu）并追踪随时间的溶解动力学。
• 周期性施加强迫以维持自由对流模式下的指流，避免出现人为的稳态。

实验结果

研究问题

• RQ1 使盐水含水层中CO2溶解从自由对流过渡到强迫对流的临界背景流速是多少？
• RQ2 在低瑞利数含水层中，强迫对流相较于自由对流如何提升溶解速率？
• RQ3 强迫对流的理论标度律在数值模拟中预测溶解速率的准确性如何？
• RQ4 背景流如何影响用于检测溶解CO2的监测井布设的可靠性？
• RQ5 在边界层未被解析的储层模拟器中，强迫对流对模型放大有何影响？

主要发现

• 理论预测的临界背景流速为 $ u_c = 2.5 $（当 $ Ra = 400 $ 且 $ L = 10 $ 时），模拟结果高度验证了该值。
• 当 $ u_0 > u_c $ 时，系统表现出强迫对流行为，溶解速率稳定；而当 $ u_0 < u_c $ 时，由于指流导致溶解速率出现瞬态最小值，证实了对流模式的转变。
• 以 $ RaL $ 无量纲化的努塞尔数 $ Nu/RaL $ 符合理论预测：在强迫对流区，$ Nu/RaL = \sqrt{u_0/RaL} $；在自由对流区，保持恒定值。
• 对于低瑞利数系统（如 $ Ra = 400 $），强迫对流相比缓慢发展的指流主导的自由对流，能显著提升溶解速率。
• 模拟结果表明，强迫对流可实现稳定且可预测的溶解速率，有利于向更大尺度储层模型进行放大。
• 水动力弥散和水平渗透率各向异性将进一步提升强迫对流效率，降低临界流速，并使溶解速率超过理想化模型的预测值。