Modellering og simulering av CO₂-lagring

Fra vurdering av lagringsområder til detaljerte simuleringer

Hvor mye CO₂ kan en formasjon ta imot, hvor bør den injiseres, og hva skjer etter at injeksjonen avsluttes? Svarene avhenger av geologi, strømningsegenskaper, driftsvalg og hvilke fysiske prosesser modellen beskriver. Vi utvikler beregningsmetoder som gjør det mulig å undersøke disse sammenhengene på ulike romlige skalaer og over lange tidsperioder.

Vi samarbeider med industri og forskningsmiljøer om å:

• Analysere migrasjon, strukturelle feller og mekanismer som holder CO₂ tilbake i undergrunnen.
• Vurdere lagringskapasitet, trykkoppbygging og alternative injeksjonsstrategier.
• Utvikle detaljerte strømningsmodeller og raske modeller for screening og scenarioanalyser.
• Koble strømning og geomekanikk for å undersøke spenninger og deformasjon ved injeksjon.
• Gjennomføre sensitivitets- og usikkerhetsanalyser og utvikle tilpassede beregningsverktøy.

Ta kontakt med vår forskningsgruppe innen Anvendt beregningsvitenskap for å diskutere en konkret modelleringsoppgave eller behovet for nye simuleringsmetoder.

Riktig modell for spørsmålet

CO₂-lagring involverer fysiske prosesser som virker på ulike romlige skalaer og tidsskalaer. Betydningen av trykkdrevet strømning, oppdrift, kapillærkrefter og oppløsning endrer seg under injeksjonen og den videre migrasjonen. Vår innføring i grunnlaget for modellering av geologisk CO₂-lagring forklarer disse prosessene og de viktigste lagringsmekanismene.

Vi utvikler komposisjonelle modeller og flerfasemodeller med forenklet beskrivelse av fluidegenskaper og faseoppførsel, så vel som reduserte modeller basert på spillpunktanalyse og vertikal midling. Denne bredden gjør det mulig å tilpasse både den fysiske detaljeringen og beregningskostnaden til spørsmålene som skal undersøkes.

Detaljerte tredimensjonale modeller er nyttige når lokale forhold og samspillet mellom fysiske prosesser må beskrives nøye. For regionale vurderinger og studier av langsiktig migrasjon kan modeller basert på vertikal likevekt redusere beregningskostnaden betydelig. Disse kombinerer vertikal integrasjon av strømningsligningene med antakelser om hvordan fluidene fordeler seg i høyden. Vi kombinerer også detaljerte og reduserte modeller i samme simulering, slik at beregningsinnsatsen kan konsentreres der den trengs.

Strukturelle feller og langsiktig migrasjon

Formen på lagringsformasjonen under takbergarten har stor betydning for hvor CO₂ beveger seg og samles. Våre verktøy for strukturell felleanalyse og spillpunktanalyse identifiserer feller, beregner volumene deres og kartlegger forbindelsene som CO₂ kan følge videre når fellene fylles. Analysene krever lite beregningstid og gir et nyttig utgangspunkt for å vurdere lagringsområder og velge scenarioer for mer detaljerte simuleringer.

Migrasjonen kan fortsette lenge etter at injeksjonen er avsluttet. Vi utvikler metoder for å forutsi langsiktig migrasjon ved hjelp av spillpunktdynamikk. Metodene anslår den endelige fordelingen av CO₂ uten å simulere hele migrasjonsforløpet eksplisitt. Slik kan vurderingen av injeksjonsstrategier også ta hensyn til migrasjon utover tidshorisonten i en ordinær simulering.

Åpne verktøy for lagringsanalyse

MRST-co2lab samler verktøy for analyse av CO₂-lagring over store områder og lange tidsrom. De dekker hele arbeidsflyten fra strukturell felleanalyse og interaktiv utforsking av geologiske data til simulering av trykkoppbygging, migrasjon og lagringsmekanismer. For detaljerte strømningsberegninger bruker og videreutvikler vi også OPM Flow og JutulDarcy.

Tilgang til kildekoden gjør det mulig å undersøke modellforutsetninger, innføre nye fysiske prosesser og tilpasse beregningene til prosjektets behov. Programvaren gir også et grunnlag for å sammenligne metoder og gjenskape beregningsresultater.

Felles sammenligningsgrunnlag og åpne data

SINTEF var medorganisator for SPE11, den ellevte sammenligningsstudien i regi av Society of Petroleum Engineers, som omhandler simulering av geologisk CO₂-lagring. Felles testproblemer gjør det mulig å sammenligne simuleringsverktøy, undersøke forskjeller mellom resultater og vurdere betydningen av numeriske metoder og modelleringsvalg.

Vi bidrar også til å gjøre data tilgjengelige gjennom CO₂ DataShare. Portalen forvaltes av SINTEF og deler tilrettelagte datasett fra forskning, demonstrasjonsprosjekter og industrielle CCS-prosjekter. Slike data gir et viktig grunnlag for å utvikle og evaluere modeller og gjøre forskningsresultater etterprøvbare.

Trykk, geomekanikk og usikkerhet

Injeksjon påvirker både poretrykket og den mekaniske tilstanden i undergrunnen. Koblede modeller kan brukes til å undersøke hvordan trykkendringer påvirker spenninger og deformasjon, og hvordan dette igjen påvirker strømningen.

Modellresultatene må vurderes i lys av usikker geologi, materialegenskaper og randbetingelser. Vi legger vekt på å undersøke hvilke antakelser som styrer resultatene, og hvilket detaljeringsnivå som er nødvendig for spørsmålet modellen skal besvare. Dette omfatter å vurdere når reduserte modeller er egnet, og når det trengs en mer detaljert fysisk beskrivelse eller finere oppløsning.

Les mer

• MRST-co2lab: programvare, eksempler og faglig bakgrunn
• Open Porous Media og OPM Flow
• JutulDarcy: programvare og dokumentasjon
• SPE11: internasjonal sammenligningsstudie for CO₂-lagringssimulering
• CO₂ DataShare: åpne datasett for CCS-forskning