Optimization methods for multiphase systems in the subsurface : application to methane migration in coal mining areas

Abstract

This thesis has two foci. The first focus is the development of a so-called simulation-optimization model. An optimization algorithm, Simulated Annealing (SA), is coupled with a Multiphase/ Multicomponent simulator, MUFTE-UG, to solve a real-world simulation-optimization problem (henceforth MUFTE-SA). In this thesis, the simulation-optimization model is tailored to the study of better (optimal) methane-extraction strategies from an abandoned coal mine in the Ruhrgebiet, Germany. The question of how to deal with the methane from abandoned coal mines is always of great concern for the administrators. Thus, I try to provide one numerical tool to support this decision making in the context of extraction-well operations. The skills required for modelling, for example using computational fluid dynamic theories, have been making progress for the past couple of decades. So nowadays, additionally, the importance of developing a so-called decision-support system integrating these skills is starting to be noticed. This simlation-optimization model is designed to answer these new requirements.Although, the use of the simulation-optimization model in this thesis is limited to the investigation of better methane-extraction strategies, the model itself can be utilized anologously for many processes whose abstracted aspects can be modelled by the multiphase/ multicomponent model. In the past, this sort of simulation-optimization model could only be applied to an artificially designed example since the computational time needed to make real-world simulations is generally enormous, although optimization procedures require dozens, hundreds, thousands of iterations. Thus, a pseudo parallelization design of the optimization procedure is proposed in order to use a parallel computer, having succeeded in reducing the total computational time by a factor of 23. The second focus is to make comparative studies using different model concepts (i.e. a two-phase and a two-phase/ three-component model) for the simulation of methane-migration and methane-water interaction processes in saturated coal mines. This work includes the new development of a two-phase (liquid, gas) / three-component (water, air and methane) model in order to incorporate mass-transfer processes between the phases. Considering the mass transfer processes between the phases sometimes becomes very important, especially when the coal mine is modelled after groundwater rebound. This is because the dissolution of the methane in the liquid phase is relatively high under some conditions.

Diese Dissertation behandelt zwei Kernpunkte: erstens die Entwicklung eines Simulations-Optimierungsmodells für Mehrphasenströmungen im Untergrund und zweitens Vergleichsuntersuchungen von verschiedenen Modellierungskonzepten. Zur Entwicklung des Simulations-Optimierungsmodells wurde ein Optimierungsalgorithmus, Simulated Annealing, programmiert und mit einem Mehrphasen-Mehrkomponenten-Simulationsprogramm (MUFTE-UG) gekoppelt. Dieses Simulations-Optimierungsmodell wird auf die Untersuchung von optimalen Methan-Extraktionsstrategien für ein stillgelegtes Kohlebergwerk im Ruhrgebiet zugeschnitten. Die Frage, wie mit dem Methan aus stillgelegten Kohlebergwerken umgegangen werden soll, ist von großer Bedeutung. Einerseits ist einer möglichen Explosionsgefahr durch unkontrollierte Methanmigration vorzubeugen, anderseits wird die wirtschaftliche Nutzung des Methans zur Energieerzeugung untersucht. Deshalb versuche ich, ein numerisches Werkzeug zur Verfügung zu stellen, das diese Entscheidungen in Bezug auf den Betrieb von Extraktionsbrunnen unterstützt. Die Möglichkeiten der Modellierung von realen Lagerstatten haben innerhalb der letzten Jahrzehnte stark zugenommen, da leistungsfähige numerische Methoden und Rechner entwickelt worden sind. Deshalb wird heutzutage die Bedeutung der Entwicklung sogenannter decision-support Systeme, die diese Kenntnisse integrieren, mehr und mehr geschätzt. Dieses Simulations-Optimierungsmodell stellt eine Antwort auf diese neuen Anforderungen dar. Obwohl das Simulations-Optimierungsmodell in dieser Dissertation auf die Untersuchung besserer Methan-Extraktionsstrategien beschränkt ist, kann das Modell analog für viele andere Anwendungen verwendet werden, die durch ein Mehrphasen-Mehrkomponentenmodell modelliert werden können. In der Vergangenheit konnte diese Art von Simulations-Optimierungsmodell nur auf künstliche Beispiele angewandt werden, da die Rechenzeit für praktische Simulationen im Allgemeinen enorm ist. Da Optimierungsprozeduren Hunderte von Iterationen benötigen, wird eine pseudo-parallele Ausführung der Optimierungsprozedur durchgeführt, um Parallelrechner verwenden zu können. Damit kann die Rechenzeit dieser Prozedur um einen Faktor 23 verringert werden. Der zweite Punkt dieser Arbeit sind Vergleichsuntersuchungen unter Verwendung verschiedener Modellkonzepte (d.h., eines Zweiphasen- und eines Zweiphasen - Dreikomponentenmodells) für die Simulation von Methanmigration und Methan-Wasser-Interaktionsprozessen in den gefluteten Kohlebergwerken. Diese Arbeit schließt die Neuentwicklung eines Zweiphasen (Flüssigkeit, Gas) / Dreikomponenten (Wasser, Luft und Methan) - Modells ein, um den Massentransfer zwischen den Phasen beschreiben zu können. Die Betrachtung des Massentransfers zwischen den Phasen wird besonders dann sehr wichtig, wenn das Kohlebergwerk nach dem Grundwasseranstieg modelliert wird. Das liegt daran, dass die Löslichkeit des Methans in der Flüssigphase unter bestimmten Bedingungen relativ hoch ist.