“双碳”目标下二氧化碳地质封存技术应用前景及模型构建实践方法与讨论

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2022年七月七日，工业和信息化部、发展改革委、生态环境部关于印发工业领域碳达峰实施方案的通知落地。全国各省份积极响应，纷纷出台地方指导文件，标志着我国碳减排事业的全面铺开。二氧化碳地质封存技术作为实现我国“双碳”目标的重要一环，引起国内高校和大量生产单位的重点关注。 然而，我国二氧化碳地质封存技术起步较晚，目前仍没有一套相对完整的行业规范；且就该技术而言，涉及环节众多，理论相对复杂，对于行业的新入局者不太友好。因此，结合时代背景，我们首次尝试对二氧化碳地质封存技术进行系统规整，涵盖技术背景、技术特色、发展演化、国际标准解读、关键性技术说明、研究热点追踪、研究方法论述和数值模型构建等诸多方面，以期降低大家学习难度与时间成本。
鉴于数值方法是当前二氧化碳地质封存研究的主要工具，数值模型构建与计算是本次培训的重点。结合不同数学模型的拆分讲解，我们提供了一套完整的软件架构和解决方案（PHREEQC + TOUGH Family + CMG），能够处理复杂多相流体运移过程中的水-热-力-化（Hydraulics-Thermodynamics-Mechanics-Chemistry, THMC）多场耦合问题。特别地，考虑到目前二氧化碳地质封存技术主要应用于提高原油回采率（Enhance Oil Recovery, EOR），本文追加了CMG软件说明与练习，保证了解决各类实际问题的适用性。
系统解读二氧化碳地质封存技术及其行业发展趋势，缕清二氧化碳地质封存中的不同科学问题与关键矛盾，并通过大量实例练习，重点培养大家数值建模的能力，以面对未来复杂场地数值建模工作。

【内容简述】：

一、CCS背景介绍、发展历程及已有CCS工程概述了解全球环境问题、能源问题及各种表观冲突下的大国政治博弈，深刻理解CCS提出的历史使命；整理说明世界范围内已建设CCS工程类型、设计初衷、设计与实际储量、以及暴露出的问题；针对中国CCS历史进程、发展现状与未来规划进行阐述，包括适宜封存场地分布、储量估算、已有工程建设经验、未来设计建设工程统计等。

1.1 全球环境问题与可持续发展（IPCC 2022）

1.2 CCS技术的诞生、发展及向CCUS的逐步转化

1.3 世界范围内重要CCS工程概述

1.4 中国CCS历史进程与“双碳”目标下未来规划

二、CCS相关标准解读与关键性技术说明我国CCS相关规范相对起步较晚，目前仍没有发布针对整个行业链的、一套完整的CCS规程。鉴于此，主要参考加拿大和ISO国际标准展开介绍，并追加部分国内CO2-EOR油气行业规范进行解读。

结合上述规范，介绍部分CCS关键性技术，包括碳源的收集、压缩、传输，注入场地选址，注入管理与监测等。

2.1 CCS相关标准介绍与解读

2.2 CCS关键性技术说明

三、二氧化碳地质封存的一般过程与封存机理讲解；CGS学术热点问题汇总、分类与分析；CGS主要研究手段介绍。

针对二氧化碳地质封存（Carbon Geological Storage, CGS）的一般过程与碳封存机理进行说明，深刻理解多相流多组分运移过程的复杂性（碳循环与归宿，多相流的特殊性）；了解碳封存机理（构造封闭，溶解捕获，残余捕获，矿物固定），并掌握不同时空尺度下二氧化碳地质封存中的主要矛盾。 目前，关于CGS过程研究依据时空尺度、研究领域（水动力、热效应、化学过程、力学效应）不同呈现出百花齐放的状态，宏观上的目标都是为了解决二氧化碳注入性、可持续性和封存安全性服务。

目前，CGS主要研究手段包括：自然类比，理论计算，实验与试验等方法。

3.1 CGS一般过程及储层中碳封存机理演化

3.2 CGS学术问题汇总、分类与分析

3.3 CGS主要研究手段介绍

四、CGS数值模型构建方法及常见软件讲解系统介绍

CGS过程所涉及的流体动力场（H-Hydraulic）、热力学（T-Thermodynamics）、力学（M-Mechanics）和化学场（C-Chemical）基本微分方程，理解多相流的常规处理方法，了解多场耦合数值方法、编程与软件设计思路等。

介绍CGS研究中认可度较高的部分软件，包括商业软件TOUGH系列软件，CMG Suite，开源软件PHREEQC、MUFITS、GEOSX、OGS、PELOTRAN等。

4.1 CGS数值模型构建方法与多场耦合

4.2 CGS研究中常见软件介绍

五、PHREEQC、TOUGH、CMG、TOUGH-CSM等软件讲解及建模训练

根据软件学习难易程度以及CGS过程中所涉及场的维度差异，系统介绍PHREEQC、TOUGH-ECO2N、TOUGHREACT、CMG-GEM以及TOUGH-CSM模块或软件。其中，PHREEQC偏向于静态水岩反应，面向实验室高压釜和驱替装置的碳储模拟，短板为多相流无法处理；出路：IPHREEQC，OGS；TOUGH-ECO2N模块是TOUGH家族中专门面向CGS开发的、处理咸含水层中碳封存流体运移和温度影响的利器；更进一步，TOUGHREACT和TOUGH-CSM是在ECO2N基础上，分别耦合了化学和力学模块，使得TOUGH能够从容面对CGS过程中复杂的水岩相互作用和流固耦合问题。CMG-GEM模块则更加全面，实现了THMC的全耦合模拟。特别地，CMG对于油气开发支撑度更好，能够全面支持CO2-EOR数值建模。

5.1 PHREEQC软件介绍及在CGS过程中的应用

5.2 TOUGH系列软件介绍及在CGS过程中的应用（ECO2N模块-THC耦合）

5.3 TOUGH-CSM模块介绍及在CGS过程中的应用（THM耦合）

5.4 CMG软件介绍及在CGS过程中的应用（CO2-EOR，THMC耦合）

六、CCS开发中潜在环境地质问题讨论，课程总结、讨论与展望。

6.1 CCS开发中所面临的环境地质问题讨论

6.2总结、讨论与展望

我国未来地质封存主要战场在哪里？可能遇到的核心问题及解决思路探讨。

注：请提前自备电脑及安装所需软件。

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