基于MPI的TOUGHREACT并行性能分析

反应运移模拟在实际应用中的主要制约因素是其计算量巨大,对模拟程序并行化可以拓展反应运移模拟的应用范围。在阐述反应运移模拟耦合过程的基础上,介绍了TOUGHREACT基于MPI的并行实现方法。以ECO2N模块为例,通过分析程序的流程图、加速比和并行效率,探讨TOUGHREACT并行程序的计算性能,并通过加密网格的方式对其加速效果进行验证。结果表明:基于MPI的TOUGHREACT并行程序采用METIS区域分解方法和AZTEC并行迭代解法器库,有效地实现了对TOUGHREACT的并行加速;在计算集群上调用2~128个处理器时,可以达到2.00~68.09倍的相对加速,显著提高了程序的计算效率;网格的剖分精度越高,该程序的并行效果就越好,表明该程序对复杂问题的并行加速效果更优。     

考虑热传导开采天然气水合物藏的可行性研究:以南海神狐海域为例

天然气水合物作为一种新型替代能源,如何有效开发成为当前研究的热点,热激发被认为是除降压法外天然气水合物开采的另一重要途径;然而,目前对于天然气水合物热开采效率及其经济可行性仍没有清楚的认识。本项研究构建了天然气水合物注热开采的模型,该模型经过理想简化,忽略了开采过程中热对流和压力差的影响,只考虑热作用对水合物分解的影响;进一步计算了水合物注热开采的热消耗效率和天然气的能量效益、可研究水合物开采的最大产出效率。通过对南海北部神狐海域天然气水合物藏特征以及钻井取心相关重要参数的研究,计算了天然气水合物的注热开发潜力,并通过相关参数的敏感性计算和分析研究,论证了神狐海域天然气水合物注热开采效率和可行性。研究结果显示,神狐海域水合物藏的单位长度生产井段3 a的最大累积产气量为509 m3,远低于工业开发标准。水合物热激发分解速度缓慢,注热开采水合物生产成本较高,经济效益低下;因此,基于热传导开采南海神狐海域天然气水合物不具备工业应用的可行性。     

增强型地热系统（EGS）的裂隙模拟方法

增强型地热系统（EGS）是在干热岩技术基础上提出来的一个清洁能源概念,水力压裂建立人工热储是开采地下干热岩热能的有效方法之一。利用TOUGH2系列软件对增强型地热系统进行模拟,具体介绍了对水压致裂过程中裂隙网络模拟的处理方法。裂隙中的水流可以采用不同的概念模型,最为常见的模型包括双空隙率、双渗透率、多重相互作用连续统一体（MINC）以及有效连续统一体（ECM）,这些模型明确了对离散的裂隙和基质的模拟方法。应根据基质的渗透性和裂隙的性质灵活地选择裂隙处理方法,也可将不同方法结合起来使用。提出了几种有效的混合模拟方案,对将来高温岩体地热开发具有重要意义。     

缝洞型碳酸盐岩油藏并行模拟器及其应用研究

在成熟应用的缝洞型碳酸盐岩油藏模拟器KarstSim的基础上,针对更加精细和大规模网格的模拟需求,开发了KarstSim的并行模拟器。并行化主要通过网格分区、大型线性方程解法和处理器之间信息通讯3个部分实现,同时借助了Aztec库和METIS软件。基于Buckley-Leverett两相纵向流动理论和塔河油田某区块的模型,对并行版与解析解、单机版计算结果的对比,验证了并行模拟结果的准确性以及计算的效率性。将并行模拟器应用至64万网格非均质的缝洞型油藏,在最高采用128核服务器中模型计算时间最低为7.3h,计算效率提升显著。最后对不同网格规模的均质油藏进行了模拟,网格规模从1万逐渐增加到1千万规模,结果显示对于千万级网格的均质油藏,并行模拟器计算时间为85min,证实了并行模拟器在大规模油藏模拟中的实用性。     

二氧化碳地质封存瞬时非达西流井筒泄漏模型研究

二氧化碳地质封存的有效性和持久性依赖于地层的完整性,废弃井的存在是潜在的CO2逃逸路径,需要了解流体在井中的流动过程,才能确保封存的安全性。使用最近开发的TOUGH2系列软件的T2Well/ECO2N模块进行研究,此模块利用DFM模型(Drift Flux Model)考虑流体的相间滑移过程,能够更为精确地描述高速多相井流过程。笔者以我国首个CCS示范项目———神华10万吨/年CCS项目为背景,对CO2潜在的井泄漏情况进行了模拟研究,了解泄漏过程中压力和流体速度等参数的变化过程,并对系统压力、盐度(井底增加0.1MPa、1Mpa和改变储层盐度)参数进行了敏感性分析。结果表明:井筒中的流体传播速度极快,难以用达西流描述;井筒浅部出现二氧化碳的相态转变;二氧化碳的大量累积使得气体饱和度、压力、气液相流量和密度等参数出现明显波动;压力和盐度的是气液相流量和流速的敏感参数。     

地质封存二氧化碳沿断层泄漏数值模拟研究

安全性和封存效果是二氧化碳（CO2）地质封存（GCS）最受关注的问题,其中以断层/裂缝引起的场地不确定性因素较为复杂。利用储层多相流模拟软件TOUGH2/ECO2N,研究了不同情境下注入深部咸水层中的CO2沿断层发生泄漏的时间、速率、泄漏量等特征。通过15个场地尺度的模型结果分析表明,CO2注入方案、断层性质（发育位置、产状、几何形态、内部结构）、系统内岩层的组合形态对CO2泄漏均有影响。相同储存环境和断层发育条件下,CO2注入速率从1.59 kg/s增加至6.34 kg/s,CO2泄漏时间提前3 706 d,泄漏量在20 a后增加至注入总量的32.43%。断层发育位置对CO2封存影响极为显著,本次研究,距注入井100 m位置的断层可造成CO2的泄漏量在20 a后高达总注入量的63.39%。相同条件下,倾斜/窄小的断层比垂直/宽厚的断层对CO2及储层咸水的泄漏影响更小。断层渗透率增加一倍,可导致CO2泄漏量增加2.11%,泄漏速率约提高0.006~0.01 kg/s。     

基于TOUGHREACT-MP的苏北盆地盐城组咸水层CO2矿物封存数值模拟

基于TOUGHREACT并行版,建立了苏北盆地盐城组下段砂岩层在碳封存中的CO2-水-岩反应二维径向模型,并评估储层的矿物封存潜力,探讨分析了网格剖分精度和储层各向异性对矿物封存模拟的影响。模拟结果表明:在CO2封存过程中,片钠铝石、方解石和菱铁矿沉淀较明显,在CO2注入5 000a后矿物封存的比例高达34.0%;网格剖分精度的不同对矿物封存反应路径没有影响,但粗网格模型计算得到的矿物封存量偏高;降低储层的kv(垂向渗透率)在短期内会促进CO2的水平运移,有利于溶解和矿物封存;但随着时间延长,降低kv对对流作用的抑制开始体现,表现为1 000a后中等kv值的模型计算出的矿物封存量高于较大kv和较小kv值的模型。     

缝洞型碳酸盐岩油藏并行模拟器及其应用研究

在成熟应用的缝洞型碳酸盐岩油藏模拟器KarstSim的基础上,针对更加精细和大规模网格的模拟需求,开发了KarstSim的并行模拟器。并行化主要通过网格分区、大型线性方程解法和处理器之间信息通讯3个部分实现,同时借助了Aztec库和METIS软件。[JP2]基于Buckley Leverett两相纵向流动理论和塔河油田某区块的模型,对并行版与解析解、单机版计算结果的对比,验证了并行模拟结果的准确性以及计算的效率性。将并行模拟器应用至64万网格非均质的缝洞型油藏,在最高采用128核服务器中模型计算时间最低为7.3 h,计算效率提升显著。最后对不同网格规模的均质油藏进行了模拟,网格规模从1万逐渐增加到1千万规模,结果显示对于千万级网格的均质油藏,并行模拟器计算时间为85 min,证实了并行模拟器在大规模油藏模拟中的实用性。