Моделирование односторонней конвекции в пористой среде с использованием нелинейного уравнения состояния

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Выполнено численное моделирование односторонней концентрационной конвекции в пористой среде в приложении к гидродинамическим процессам, происходящим при закачке углекислого газа в подземные пористые образования. При растворении углекислоты в воде или нефти плотность раствора увеличивается, что приводит к развитию неустойчивости. Использована гидродинамическая модель, которая включает уравнения неразрывности, движения (в форме уравнения Дарси) и конвекции-диффузии. Уравнение состояния, связывающее плотность жидкой фазы с концентрацией углекислоты, является нелинейным. Плотность раствора достигает максимума при некотором значении концентрации, которое варьируется. Для решения задачи создан новый вычислительный код, основанный на конечно-разностном методе. Исследовано влияние концентрации, дающей максимум плотности, на параметры конвективного движения и массопереноса. В частности, найдено, что если максимум плотности имеет место при большей концентрации, то увеличивается количество углекислоты, которое переносится вниз конвективным течением. Это значит, что конвективное растворение эффективней удерживает углекислоту на глубине.

Об авторах

Е. Б Соболева

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: soboleva@ipmnet.ru
Москва, Россия

Список литературы

  1. Huppert H.E., Neufeld J.A. The fluid mechanics of carbon dioxide sequestration // Ann. Rev. Fluid Mech. 2014. V. 46. P. 255–272.
  2. Ennis-King J., Paterson L. Role of convective mixing in the long-term storage of carbon dioxide in deep saline formations // SPE Journal. 2005. V. 10. No. 3. P. 349–356.
  3. Paoli M.De. Convective mixing in porous media: a review of Darcy, pore-scale and Hele-Shaw studies // Eur. Phys. J. E. 2023. V. 46. P. 129.
  4. Soboleva E. Instability problems and density-driven convection in saturated porous media linking to hydrogeology: A review // Fluids. 2023. V. 8. No. 2. P. 36.
  5. Riaz A., Hesse M., Tchelepi H.A., Orr F.M. Onset of convection in a gravitationally unstable diffusive boundary layer in porous media // J. Fluid Mech. 2006. V. 548. P. 87–111.
  6. 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 // Adv. Water Res. 2010. V. 33. P. 443–455.
  7. Soboleva E.B. Density-driven convection in an inhomogeneous geothermal reservoir // Int. J. Heat Mass Transf. 2018. V. 127 (C). P. 784–798.
  8. 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 // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. P. 22404.
  9. Daniel D., Riaz A. Effect of viscosity contrast on gravitationally unstable diffusive layers in porous media // Phys. Fluids. 2014. V. 26. P. 116601.
  10. Elenius M.T., Gasda S.E. Convective mixing driven by non-monotonic density // Transp. Porous Med. 2021. V. 138. P. 133–155.
  11. Leonard B.P. A stable and accurate convective modeling procedure based on quadratic upstream interpolation // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 1979. V. 19. P. 59–98.
  12. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоиздат, 1984. 124 c.
  13. Nield D.A., Bejan A. Convection in Porous Media. New York: Springer, 2006. 640 p.
  14. Соболева Е.Б., Цыпкин Г.Г. Численное моделирование конвективных течений в грунте при испарении воды, содержащей растворенную примесь // Изв. РАН. МЖГ. 2014. №5. С. 88–99.
  15. Соболева Е.Б. Метод численного моделирования концентрационно-конвективных течений в пористых средах в приложении к задачам геологии // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2019. Т. 59. №11. С. 162–173.
  16. Соболева Е.Б. Начало конвекции Рэлея–Тейлора в пористой среде // Изв. РАН. МЖГ. 2021. №2. С. 52–62.
  17. Соболева Е.Б. Влияние конечных возмущений плотности на развитие неустойчивости Рэлея–Тейлора в пористой среде // Теор. и матем. физ. 2022. Т. 211. №2. С. 333–346.
  18. Соболева Е.Б. Численное моделирование фильтрационных концентрационно-конвективных течений с контрастом вязкости // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2022. Т. 62. №11. С. 1927–1939.
  19. Wang Zh., Hou J. Measurement of CO2 diffusion coefficients in both bulk liquids and carven filling porous media of fractured-vuggy carbonate reservoirs at 50 MPa and 393 K // RSC Adv. 2021. V. 11. P. 19712.
  20. Коллинз Р. Течения жидкостей через пористые материалы. М.: Мир, 1964. 352 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025