碳捕集与封存CCS数值模拟

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全球经济增长导致化石能源需求快速增长，随之而来的是温室气体大量排放，尤其是CO2，温室效应的加剧必然引发全球变暖，极大地影响人类的生存和发展。有效控制温室气体排放，应对全球气候变化，已刻不容缓。针对化石燃料使用产生的温室气体排放，常见的减排方法包括提高能源利用效率、CO2捕集与封存（CCS）、清洁能源替代等３种。目前CCS被认为是短期之内控制温室气体排放途径中最重要的技术之一。

CCS通过碳捕集技术，将工业和有关能源产业产生的CO2分离出来，然后采用碳储存手段，将其输送到地下或海底等与大气隔绝的地方进行封存。从而阻止或者显著减少温室气体的排放，以减轻对地球气候的影响，CCS被认为是目前最有效的措施。

图1 二氧化碳输运

使用二氧化碳驱油以提高采收率是石油工业已经应用了几十年的成熟技术，特别是近年来，应用EOR技术在非常规和高难度的油藏中的开发逐渐变得经济可行。二氧化碳捕集、埋存和提高采收率技术相结合（CCS-EOR）可实现石油增产和CCS成本降低的双重目的，被认为是加快CCS技术部署的双赢解决方案。

图2 CO2驱油示意图

图3 蓝色代表注入的CO2，棕色代表石油

二氧化碳进行深层地下储存时，需要考虑储存地点的安全性，同时还需考虑随着时间的推移，封存在地下的CO₂是否会通过地下层（多孔结构）或注入井再返回到地面。在选择合适的CCS地点时，预测其二氧化碳储存潜力，估算被捕获流体的数量至关重要。因此，必须对二氧化碳的运输、捕获、溶解和储存条件下的化学过程有充分、科学的理解。模拟计算方法可以再现这一过程。目前，计算模型借助于孔隙尺度直接数值模拟（DNS）方法，该方法既可以考虑多孔介质的非均匀性，也能在孔隙尺度上解决微边界层问题。

对于计算流体仿真软件VirtualFlow，孔隙尺度DNS的实现基于两种方法：

■一种为岩石孔隙的浸入界面技术(IST)；

■ 一种为砂土类型的颗粒方法。

对于岩石空隙，采用浸入界面技术IST，通过level-set距离函数描述某一点到固体壁面的距离，并通过Level-set函数符号区分固体和流体区域。流体和固体分别具有不同的材料属性，包括密度、比热容、导热系数等。

IST的主要优点是可以避免对孔结构进行网格划分(用光滑函数来描述孔结构，并且可以直接解决耦合传热问题)。

图4为VirtualFlow计算模拟流体通过多孔介质时的流场分布情况。