Multiphase Thermo-Poromechanics on Corner Point Geometry Grids using Finite Volume Method
本文提出并验证了一种使用具有弱对称性的多点应力近似（MPSA-W）有限体积法，用于直接在工业标准的角点几何（Corner Point Geometry）网格上计算地质力学，从而消除了对易出错的网格转换的需求，并提高了包含断层和尖灭（pinch-outs）情形下二氧化碳注入场景的模型精度。
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我们脚下的地球并非一个静态的舞台；它是一个活生生的、呼吸着的系统，会对我们施加的每一次变化做出反应。当我们从深层地下储层中抽取流体以提取石油或天然气，或者在注入新流体时，岩层会发生移动、压缩，有时甚至会产生裂缝。这种被称为地质力学的运动，是现代能源项目中的一个关键因素。如果地面发生意外移动，可能会损坏井眼、引发微震，甚至危及深层地下二氧化碳封存以应对气候变化的安全性。为了预测这些运动，科学家们构建了地球的数字模型，但这些模型的优劣取决于用于计算它们的工具。几十年来，模拟流体如何在岩石中流动的标准工具，一直与计算岩石如何变形的工具不同。这种不匹配迫使工程师不断重新塑造他们的数字地图，这是一个繁琐且易出错的过程，往往会扭曲他们试图研究的特征，例如地下断层的锯齿状线条。
来自道达尔能源（TotalEnergies）、SINTEF Digital 和 CHLOE 的一个研究小组开发了一种解决此问题的新方法，允许他们在用于流体流动的同一复杂地图上直接计算岩石变形。他们的工作专注于一种特定类型的数字网格，称为角点几何（Corner Point Geometry），这是行业内用于表现地下岩层混乱、不规则现实的标准方式，包括断层的锐角和岩层消失处的变薄部分。传统上，为了研究这些网格如何对压力和温度变化做出反应，工程师必须将网格转换为另一种更简单的形状，以便旧的计算机方法能够理解。这种转换通常会拉伸或挤压网格单元，尤其是在断层附近，从而导致预测不准确。研究人员提出了一种新方法，跳过了整个转换过程，使用一种称为多点应力近似（Multi-Point Stress Approximation）的数学技术，直接在原始的复杂网格上计算力和运动。
该团队将这种新方法与使用旧有的、基于转换的方法的既定计算机程序进行了对比测试，同时也针对简单场景下的已知数学解进行了测试。他们首先从基础模型开始，以确保新方法在规则网格、带有断层的网格以及岩层变薄并消失的网格上都能正常工作。在这些测试中，新方法产生的结果与已知解高度吻合，即使在最扭曲的网格上也仅表现出极小的差异。随后，他们转向更真实的场景，模拟向热储层注入冷水以及向荷兰的一个枯竭气田注入冷二氧化碳。在这些复杂的模拟中，新方法继续与传统软件保持紧密一致，成功捕捉到了岩石如何响应压力和温度的变化。
其中最重要的发现之一是处理非一致网格的能力，即岩层并不从模型的一侧完美对齐到另一侧的情况，这是包括断层在内的真实地质构造中的常见特征。传统软件在处理这些不规则形状时表现挣扎，通常需要将网格平滑化或简化，这可能会掩盖重要的细节。然而，新方法能够自然地处理这些不规则性，在网格匹配的区域产生与参考软件几乎相同的结果，并在传统软件无法运行的区域提供稳定的解。研究人员还探讨了流体流动与岩石运动需要多紧密地协同计算。他们发现，对于许多场景而言，一种更简单的、分步计算的方法就足够了，这在不牺牲准确性的情况下节省了大量的计算时间。
研究结论认为，这种新方法是石油和天然气行业传统工具的一种稳健且可靠的替代方案。通过允许工程师直接在他们已用于流体流动的复杂网格上运行地质力学模拟，这种新方法消除了进行风险性网格转换的需求，并减少了准备模型的时间。这对于涉及地质碳封存的项目尤为重要，因为在将冷二氧化碳安全注入热的深层储层时，需要精确预测岩石的行为。研究人员在荷兰的一个真实场址模型上验证了他们的工作，证明了该方法可以处理自然界中岩石属性的极端变化，包括非常软的岩石区域和极其坚硬的盐丘区域。虽然该方法在测试模型的一个特定、高度不稳定的角落出现了轻微偏差，但整体结果证实，它为模拟地球对工业活动的反应提供了一条清晰、准确且高效的路径。
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