基于相场格子玻尔兹曼方法(Phase-field Lattice Boltzmann Methods, PF-LBM)的孔隙尺度地下CH4、H2及CO2封存应用研究

《Journal of Energy Storage》：Pore scale applications of Phase-field Lattice Boltzmann Methods for underground CH4, H2 and CO2 storage

　　

可持续大规模地下储能系统设计依赖于准确的储层动态建模，毛细管压力、临界饱和度和相对渗透率等关键宏观参数受孔隙尺度多相流现象及捕集机制显著影响。本研究采用格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)对代表注采过程的吸入(imbibition)与驱替(drainage)过程进行数值模拟。LBM因其固有的并行结构及处理复杂几何构型的灵活性，为多孔介质内多相流模拟提供了高效框架，但以往研究多应用于简化孔隙几何或采用无法处理演化多相系统中相界面穿越出口边界条件的边界条件。本工作基于开源并行库OpenLB进行定制与改进，在二维多孔介质域内模拟由Allen–Cahn方程控制的两相流。所提出的改进克服了以往局限，可模拟更真实的几何构型并实现允许相界面动态穿越出口的出流边界条件(outflow boundary condition)。模拟域设计为再现代表储层岩石的物理二维微模型(Rock-on-a-Chip)，重点针对H2、CH4及CO2–盐水(brine)体系。经实验室实验验证后，该数值框架拟扩展至难以实验复现的储层条件分析。

论文解读：《Pore scale applications of Phase-field Lattice Boltzmann Methods for underground CH₄, H₂and CO₂storage》发表于Journal of Energy Storage

研究背景与意义

地下天然气(Underground Gas Storage, UGS)、地下储氢(Underground Hydrogen Storage, UHS)及CO₂地质封存中，残余饱和度、毛细管力及相对渗透率等关键宏观参数强烈依赖于孔隙尺度多相流动力学与捕集机制。传统LBM多相流研究常局限于高孔隙度(φ>0.3)简化几何、均匀圆颗粒堆积构型，且较少同时完整模拟驱替(drainage, 注气)与吸入(imbibition, 注水)全过程并处理相界面穿越出口问题；此外大多研究密度比与粘度比范围有限，缺乏针对低孔隙度不规则天然岩心形态及高流体物性差异(如H₂与盐水密度比>100)的稳定算法与验证。为此，研究人员基于开源OpenLB库开发并优化了适用于类真实二维微模型(Rock-on-a-Chip)的Allen–Cahn相场格子玻尔兹曼方法(Phase-field LBM based on Allen–Cahn equation)，旨在更准确地表征孔隙尺度置换机制、毛细捕集及不同注入流体(CH₄, H₂, CO₂)对驱替模式的影响，为地下气体封存数值模拟提供可靠工具。

主要关键技术方法

研究人员从Ketton碳酸盐岩与S2砂岩三维Micro-CT图像提取横截面并随机拼接、骨架连接与平滑二值化处理，构建2 cm×1 cm类真实二维孔隙微模型；另用Voronoi剖分生成低孔隙度(φ≈0.12)狭缝通道模型。单相及多相模拟均采用D2Q9格点，Navier–Stokes方程与Allen–Cahn相场序参量?(0=气相,1=液相)分别用正则化碰撞算子与Smagorinsky常数Cs=0.03的稳定化松弛求解，引入缓冲入口/出口区与对流出流边界(convective boundary)允许相界面穿出。单相流用水饱和定压差计算绝对渗透率并与OpenFOAM对比验证；两相流设储层条件(100 bar, 50℃)下brine(润湿相)与H₂/CH₄/CO₂(非润湿相)物性及界面张力，接触角40°，分别做驱替与吸入模拟，终止于饱和度稳定，并与OpenFOAM VoF结果对照。

研究结果

3.1. Single-phase simulations（单相流模拟）

通过单相当水流定压差模拟，OpenLB所得绝对渗透率(Ketton≈24 D, S2≈7.2 D, Voronoi≈0.26 D)与OpenFOAM及多相当同种流体结果吻合良好，网格无关性验证通过；OpenFOAM因略大网格致通道稍宽使渗透率略偏高(同量级)。表明LBM单相求解可靠，为后续两相流提供孔隙结构表征基准。

3.2. Two-phase simulations（两相流模拟）

Ketton吸入(H₂初始饱和)的OpenLB与OpenFOAM-VoF对比显示流体分布、指进特征及最终水饱和度(S_w≈0.85 vs 0.77)基本一致，验证相场LBM可靠性。全场景结果表明：驱替过程中H₂因最低粘度比(viscosity ratio M=μ_inj/μ_res)引发显著粘性指进(viscous fingering)，沿优势通道快速突破，尤其Voronoi与S2几何最终气饱和度最高达0.799(Ketton较低仅0.492)；吸入过程总体呈活塞式推进但Voronoi与S2中H₂初始饱和时出现毛细指进(capillary fingering)导致残余气较多、最终水饱和度偏低(如Voronoi H₂吸入S_w=0.553, CO₂吸入S_w=0.972)。不同孔隙几何(孔喉尺寸分布、连通性)与不同气体物性共同决定捕集效率与置换模式，符合Lenormand图预测区域。

讨论与结论总结

研究人员在OpenLB中实现了适用于伪真实二维岩石微模型的Allen–Cahn相场多相LBM求解器，通过Smagorinsky稳定化及改进压力/对流出流边界条件克服高密比与大梯度区数值不稳定及相界面穿出问题。单相通量验证证实LBM对复杂孔隙渗透率估算可靠；两相流捕获了驱替时H₂明显粘性指进降低扫油效率、吸入时窄孔喉致毛细捕集影响可采气量等孔隙尺度现象，与Lenormand图一致，且与OpenFOAM结果定性定量相符。该框架可拓展至难以实验的储层条件，孔隙尺度置换机制量化对确定相对渗透率、毛细压力曲线及残余饱和度等宏观参数具重要支撑作用，为地下CH₄、H₂及CO₂封存方案优化提供微观力学依据。