地质封存CO2的天然变量数值模拟方法：应对相变不连续性的压力-焓算法创新

针对CO2地质封存中因相变导致的焓值突变难题，研究人员提出基于天然变量（NV）与压力-焓（p-H）相平衡算法的模拟新框架。通过重构总流体焓并耦合状态方程（EOS），解决了传统油藏模拟器无法处理的纯CO2气液两相快速转换问题。该研究在荷兰枯竭气田和挪威咸水层模型中验证了算法精度，为工业级CCUS模拟提供了高效工具。

　　

随着全球碳中和进程加速，CO₂地质封存成为难减排行业（如水泥、钢铁）的关键技术。然而，将低温CO₂注入高温储层时，纯CO₂会在恒定压力温度下发生气-液相态突变，导致传统油藏模拟器基于K值或温度变量的方法失效。这种相变伴随的焓值不连续性（enthalpy discontinuity）可能引发数值震荡，亟需开发新型模拟算法。

TotalEnergies的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表研究，提出天然变量（Natural Variables, NV）与压力-焓（p-H）相平衡耦合的模拟框架。不同于前作Moncorgé等（2022）直接采用总焓（TE）作为变量，新方法以压力、温度、饱和度及组分等天然变量重构焓值，既保持状态方程（Equation of State, EOS）精度，又避免了对非线性求解器的复杂改造。研究通过荷兰枯竭气田和挪威咸水层全油田模型验证，证明该算法可精确捕捉CO₂相变动态。

关键技术包括：1）四相（气/液/水/固）NV公式构建；2）基于Agarwal双循环法的p-H相平衡算法；3）混合Brent-Newton数值优化；4）考虑盐分（NaCl）的组分分配模型。

Reservoir equations and formulations
研究建立包含CO₂、烃类、水和盐（NaCl）的N组分系统，定义气（g）、液（l）、水（a）、固（s）四相。NV公式以压力、温度、饱和度及相组分为主变量，通过相平衡计算确定焓值，解决了传统方法在临界点附近的收敛难题。

Numerical examples
单网格模型测试显示，NV与TE公式在p-H图不同热力学路径下结果一致。荷兰枯竭气田案例中，NV算法将非线性迭代次数降低15%，挪威咸水层模型运行时间缩短22%，证明其计算效率优势。

Conclusions
该研究创新性地将NV公式与p-H相平衡结合，既保留了Moncorgé等（2022）的物理精度，又简化了工业模拟器集成路径。算法成功处理了CO₂气液突变引发的焓不连续问题，为CCUS大规模部署提供了可靠数值工具。

讨论指出，当前商业模拟器（如Eclipse、GEM）均未实现EOS与焓变量的耦合，而学术代码（如GEOS、DARTS）多依赖温度变量。本研究填补了这一技术空白，其算法已被应用于TotalEnergies的CO₂封存项目。未来工作将扩展至含杂质CO₂混合物的三相模拟场景。