Coupling models of different complexity for the simulation of CO2 storage in deep saline aquifers

Abstract

Modeling carbon dioxide (CO2) storage in saline aquifers on a reservoir scale is very demanding with respect to computational cost. In realistic scenarios, large heterogeneous geometries need to be described. In addition, the governing physical processes are very complex. The models need to take into account non-isothermal, multiphase-multicomponent flow and transport processes, as well as geomechanical processes, that occur during CO2 storage.

However, in most cases it is not necessary to describe all physical processes for the whole simulation time and in the entire model domain. The processes which dominate during CO2 storage operations vary in time and space. This allows to use models of reduced or adapted complexity for the description of the dominant processes within a certain time period or subdomain.

In this work a spatial and a sequential model coupling concept for CO2 storage simulation are developed and investigated with respect to efficiency increase and coupling errors. It can be shown that by applying these models of reduced or adapted complexity, the model efficiency can be increased without neglecting the relevant phenomena.

Für die Realisierung großskaliger CO2-Speicherprojekte ist die Verfügbarkeit effizienter Simulationsprogramme zur Beschreibung der physikalischen Prozesse im Untergrund während und nach der CO2 Injektion unabdingbar. In der Planungsphase werden Simulationsprogramme für die Bestimmung geeigneter geologischer Speicherformationen und für die Abschätzung der verfügbaren Speicherkapazität benötigt. Außerdem dienen sie der Durchführung von Risikoanalysen und Machbarkeitsstudien. Während und nach der Injektionsphase helfen numerische Modelle bei der Optimierung der Injektionsabläufe und beim Aufbau eines effizienten Monitoringsystems.

Die zum Einsatz kommenden Simulationswerkzeuge müssen in der Lage sein komplexe physikalische Prozesse abzubilden. Abgesehen von den nichtisothermen Strömungsprozessen der Porenfluide CO2 und Salzwasser, spielen durch die gegenseitige Löslichkeit von CO2 und Salzwasser auch Transportprozesse innerhalb der Fluidphasen eine Rolle. Außerdem kann es infolge des durch die CO2 Injektion verursachten Druckanstiegs zu geomechanischen Deformationen der Gesteinsmatrix kommen. Auch geochemische Prozesse können eine Rolle spielen, da das im Formationswasser gelöste CO2 zu einer Änderung des pH-Werts führt und mit den vorhandenen Gelöststoffen und der Feststoffmatrix neue chemische Verbindungen eingehen kann.

Zusätzlich zur Komplexität der beteiligten Prozesse müssen für die Simulation von CO2-Speicherprojekten häufig große Zeit- und Raumskalen betrachtet werden. Eine Untersuchung der großskaligen Druckausbreitung und den damit verbundenen Konsequenzen für anderweitige Nutzungen des Untergrunds, wie Grundwassergewinnung, Geothermie oder Energiespeicherung, erfordert beispielsweise Modellgebiete mit einer lateralen Ausdehnung von bis zu 100 km. Das Langzeitverhalten des injizierten CO2, das für die Untersuchung der Speichersicherheit und Speicherkapazität eine Rolle spielt, kann sich auf Zeitskalen von bis zu mehreren tausend Jahren abspielen.

Im Allgemeinen steigt die Rechenzeit mit der Modellkomplexität und der Größe der beschriebenen Zeit- und Raumskalen. Es zeigt sich allerdings, dass die Komplexität der beteiligten Prozesse bei der CO2 Speicherung sowohl zeitlich als auch räumlich variiert. Dies motiviert die Entwicklung und Anwendung von gekoppelten Modellen, die einzelne, spezialisierte Teilmodelle entsprechend der zeitlich und/oder räumlich erforderliche physikalischen Komplexität kombinieren.

In dieser Arbeit werden zwei Arten von Modellkopplungen beschrieben, die sequentielle (zeitliche) und die räumlich Modellkopplung. Die sequentielle Kopplung wird zur Beschreibung des Langzeitverhaltens herangezogen. Hier liegt der Fokus auf der Beschreibung der nichtisothermen Strömungs- und Transportprozesse. Die räumliche Modellkopplung wird in dieser Arbeit für die Untersuchung der großskaligen Druckentwicklung unter Berücksichtigung linear elastischer geomechanischer Prozesse eingeführt.

Sowohl die sequentielle als auch die räumliche Modellkopplung bietet folglich eine Möglichkeit die Effizienz der Modelle zu steigern, ohne dass relevante Prozesse vernachlässigt werden. Die Kopplungsfehler sind in den meisten der in dieser Arbeit untersuchten Testfälle gering.