二氧化碳储存过程中粘性指形现象的数值模拟：探讨实验室测得相对渗透率方法的局限性

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Numerical simulation of viscous fingering in CO? storage: Addressing the limitations of laboratory-derived relative permeabilities

本文通过数值模拟研究CO?-水置换过程中粘性指状流的形成机制，指出传统实验室推导的相对渗透率（Relperms）因高动力平衡（λT值过低）而无法正确预测指状流。提出基于最大动力学的Relperms修正方法，成功模拟不同渗透率异质性和粘性比下的指状流形态，并揭示了毛细力与粘性力的动态平衡对指状流抑制的影响。研究强调需修正传统Relperms以准确表征高粘性比条件下的多相流行为。

　　CO?封存过程中的气驱现象一直是一个复杂且重要的研究领域，特别是在评估封存效率和预测长期地质安全时。传统上，大多数研究依赖于常规的相对渗透率（Relperm）方法，然而这些方法在某些条件下可能无法准确反映气驱现象，尤其是在粘性主导的流动环境中。本文通过对比传统Relperm方法与基于最大流动性（maximum mobility）的新型方法，探讨了其在模拟CO?注入过程中形成气指（viscous fingering）行为的有效性。

在CO?注入过程中，粘性差异是气指形成的关键因素之一。当注入的低粘性气体（如CO?）与原位高粘性流体（如盐水）发生置换时，粘性力与毛细力之间的相互作用决定了置换过程的稳定性。在实验室规模中，毛细力可能较强，从而抑制气指现象；然而在实际的现场规模中，毛细力的影响可能减弱，导致气指更明显。因此，传统Relperm方法在某些情况下可能低估了气指的影响，特别是在粘性主导的流动条件下，这可能会影响封存过程的模拟结果和预测准确性。

为了更准确地模拟气指现象，本文提出了一种基于最大流动性的Relperm方法。这种方法考虑了粘性力对流动过程的主导作用，通过数值模拟展示了其在粘性主导条件下的有效性。与传统方法相比，基于最大流动性的Relperm在模拟中更有效地生成了气指模式，并且能够与实验中的生产数据和压差数据相匹配。这表明，传统的Relperm方法可能未能充分捕捉到粘性主导条件下的流动行为，从而导致对气指现象的预测不足。

本文的研究还揭示了实验室条件与现场条件之间的差异。在实验室中，通常采用一维流动实验，使用平均渗透率来代表整个岩心样本，这可能无法准确反映真实地质环境中的复杂渗透率分布。此外，实验中可能存在的毛细力和重力效应也可能对气指的形成产生抑制作用。因此，将实验室数据直接应用于现场模拟时，需要考虑这些因素的综合影响，以提高模拟的准确性。

在数值模拟中，本文采用了二维的渗透率场模型，并通过调整渗透率对比度和相关长度，评估了不同条件下气指行为的变化。结果显示，即使在渗透率对比度较低的情况下，基于最大流动性的Relperm方法仍然能够生成清晰的气指模式，而传统方法则未能做到这一点。这表明，传统Relperm方法在某些情况下可能过于稳定，导致对气指现象的预测不足。

此外，本文还讨论了气指行为对封存过程的影响。气指可能导致CO?通过优先流路迁移，增加封存区域以外的流动可能性，从而影响封存效率和安全性。气指现象还可能对地质监测数据的解释产生干扰，强调了开发更先进的监测技术和数据处理方法的必要性。

在模拟过程中，本文发现，即使在高粘性比（如μ_w/μ_CO? = 55）的情况下，传统Relperm方法也未能生成明显的气指模式。这可能与实验室实验条件的简化有关，例如忽略了毛细力和重力的影响，或者未能充分考虑渗透率场的异质性。因此，为了更准确地模拟气指现象，需要使用能够反映实际流动行为的Relperm方法，如基于最大流动性的方法。

本文还探讨了不同因素对气指行为的影响，包括网格分辨率、粘性比和渗透率场的相关结构。结果显示，更高的网格分辨率能够更清晰地捕捉气指的细节，而粘性比的降低可能导致气指现象的减弱。此外，渗透率场的相关长度对气指的形态和发展有显著影响，更小的相关长度可能促进气指的形成。

综上所述，本文通过对比传统Relperm方法和基于最大流动性的新型方法，揭示了在粘性主导条件下，气指现象对CO?封存过程的影响。研究结果表明，传统方法可能未能充分捕捉气指行为，而基于最大流动性的方法能够更准确地模拟气指现象，从而提高封存过程的预测能力。未来的研究将进一步探讨这些方法在大规模封存场景中的应用，以确保封存过程的安全性和效率。