주요 수치 시뮬레이션 소프트웨어

최근에는 컴퓨터 시뮬레이션 기술이 많은 연구 분야에서 널리 활용되고 있으며, 우수한 시뮬레이션 소프트웨어와 프로그램이 많이 개발되고 있다. 마찬가지로 PHREEQC, GEM, ECLIPSE, TOUGHREACT, PETROMOD, MUFTE-UG 및 NUFT 등을 포함하여 CO2 지질 저장을 연구하는 데 사용할 수 있는 많은 수치 시뮬레이션 소프트웨어가 있습니다. 이러한 소프트웨어에는 고유한 특성과 적용 가능성이 있습니다. 따라서 수치 시뮬레이션을 수행하기 전에 이러한 수치 시뮬레이션 소프트웨어를 평가 및 분석하고 연구하고 해결하려는 문제에 적합한 시뮬레이션 소프트웨어를 선택하는 것이 필요합니다. 다음은 세계에서 일반적으로 사용되는 여러 가지 소프트웨어를 소개합니다.

(1) PHREEQC

PHREEQC는 다양한 저온 수력지구화학적 반응을 계산하는 데 사용되는 컴퓨터 소프트웨어입니다(Scott and David, 2011). 이온 관련 물 모델을 기반으로 PHREEQC는 다음 작업을 완료할 수 있습니다.

1) 물질 형성 유형 및 미네랄의 용해 포화 지수 계산

2) 지구화학적 역전 시뮬레이션 ;

3) 순차 배치 반응과 1차원 이동 반응을 계산합니다.

또한 PHREEQC는 다성분 용질 수송 모델과 결합되어 지하수 흐름 시스템을 시뮬레이션하기 위한 3차원 반응 수송 시뮬레이터인 PHAST를 생성할 수 있습니다. 그러나 PHREEQC는 단상 물 흐름을 기반으로 한 모델이므로 초임계 CO2 물의 2상 유체 운동을 시뮬레이션할 수 없습니다. PHREEQC의 가장 간단한 응용은 용액 내 다양한 ​​화학 물질의 분포와 용액 내 미네랄 및 가스의 포화 상태를 계산하는 것입니다. 역전 시뮬레이션 기능은 유동 과정 중 화학종의 변화를 반영하는 화학 반응 방정식을 도출하고 정량화할 수 있습니다.

(2) GEM

GEM v.2009.13은 석유 회수를 향상시키기 위해 CO2 및 산성 가스의 사용을 시뮬레이션하는 데 사용되는 시뮬레이터입니다. 시뮬레이터는 방정식에서 지구화학과 완전히 결합됩니다. 국가의 (Nghiem et al., 2004). GEM은 상태 방정식을 풀기 위해 1단계 솔루션 방법을 사용하지만 계산 작업량이 크다는 단점이 있습니다. GEM은 대류 및 분산 유체, 오일(또는 초임계 CO2), 가스와 염수 간의 평형, 수성 종 간의 화학 평형, 광물의 동적 용해 및 침전을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다. 시뮬레이터는 적응형 암시적 이산화 기술을 사용하고 1D, 2D 또는 3D 모델을 사용하여 다공성 매질에서 용질의 이동을 시뮬레이션할 수 있습니다. 오일 및 기체상은 상태 방정식을 사용하여 모델링되고, 수상 내 기체의 용해도는 헨리의 법칙 모델을 사용하여 계산됩니다. 증발, 캡핑, 열 효과 및 균열 밀봉을 통해 가스상으로 물이 침투하는 현상도 GEM을 사용하여 시뮬레이션할 수 있습니다.

(3) ECLIPSE

ECLIPSE는 블랙 오일, 구성 요소, 열 회수 및 기타 문제를 시뮬레이션할 수 있는 병렬적이고 성숙한 소프트웨어입니다(Schlumberger, 2008). 1994년에 Shengli Petroleum Administration Bureau는 ECLIPSE 석유 저장소 수치 시뮬레이션 직렬 소프트웨어를 도입하고 석유 저장소에서 가스 저장소까지, 일반 유전에서 특수 석유 및 가스전까지, 기존 시뮬레이션 연구에서 특수 시뮬레이션 연구까지 광범위한 응용 프로그램을 수행했습니다. 주요 모듈에는 메인 모델, 블랙 오일, 부품, 열 회수, 합리화 방법, 운영 플랫폼 및 ECLIPSEOffice 등이 포함됩니다.

ECLIPSE는 상용 소프트웨어로 사용 중에는 커널 부분이 닫혀 있어 사용자는 '블랙박스'로만 작동할 수 있다. 단점은 다음과 같습니다: 무료로 얻을 수 없으며 마음대로 사용하고 수정할 수 있습니다. 가장 최첨단 지유체 열역학 모델과 결합할 수 없으며 특정 문제를 연구하기 위해 더 많은 영향을 미치는 요소를 추가할 수 없습니다. 따라서 ECLIPSE는 과학 연구에 적합하지 않습니다.

(4) TOUGH2/TOUGHREACT

TOUGH2는 Transport of Unfused Groundwater and Hea(t 불포화 지하수 흐름 및 열 흐름 수송)의 영어 약어입니다. 3차원 공극 또는 파괴 매체에서 다상 유동, 다성분 및 비등온 수류 및 열 전달에 대한 차원 및 2차원 및 수치 시뮬레이션 프로그램(Pruesset al., 1999). TOUGH2는 IFD(Integral Finite Differences) 방법(그림 9-1)을 사용하여 다상 흐름 및 다성분 화학 수송 시뮬레이션의 공간 이산화 문제를 해결합니다. 대규모 컴퓨팅의 요구를 충족하기 위해 Zhang et al.(2008)은 TOUGH2-MP라는 TOUGH2의 병렬 컴퓨팅 버전을 개발했습니다.

그림 9-1 적분 유한 차분법의 공간 이산화 및 기하학적 매개변수 데이터

Xu Tianfu 외 연구진은 TOUGH2 프레임워크 및 지구화학적 반응을 기반으로 다성분 용질 수송을 추가했습니다. 다양한 포화 지질 매체에서 비등온 다상 유체 반응을 위한 잘 보정된 지구화학적 이동 시뮬레이션 소프트웨어 세트를 형성하는 시뮬레이션 기능, TOUGHRE ACT(Xu et al., 2004). TOUGH2의 모든 기능을 포함하는 것 외에도 TOUGHREACT는 다양한 반응성 유체 및 지구화학적 이동 문제에 적용될 수 있습니다. 예를 들어, Kd 선형 흡착 및 방사성 붕괴를 수반하는 오염물질 이동 문제, 주변 환경 조건에서 지하수의 화학적 진화, 깊은 암석층의 퇴적 속성 분석, 다단계 유체 이동, - 성분 반응 지구화학, 다양한 저장 형태의 저장 용량 및 시간과 공간에 따른 변화, 광물 퇴적(초유전자 구리 광석 농축 등), 자연 및 재충전 환경에서 온수 시스템의 광물 변화.

(5) PETROMOD

독일 IES(Integrated Exploration System) 회사가 개발한 PETROMOD 다성분, 다상 다차원 석유 및 가스 시스템 시뮬레이션 소프트웨어 종합 플랫폼은 세계가 사용하고 있으며 석유산업에서도 인정받고 있습니다(IES, 1995). 이 소프트웨어에는 단층 활동, 소금 돔 용승 및 천공, 화산암 침입, 가스 확산 효과, 오일, 가스 및 물 3상 이동, 오일 및 가스 흡착 모델과 같은 관련 기술이 통합되어 있습니다.

이 시뮬레이션 소프트웨어 플랫폼이 출시하고 채택한 석유 및 가스 마이그레이션 결합 시뮬레이션 알고리즘(Hybird)은 오늘날 가장 발전된 석유 및 가스 마이그레이션 시뮬레이션 알고리즘으로 시뮬레이션의 정확성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 시뮬레이션 속도 계산이 크게 향상되었습니다. 그중 PETROFLOW3D는 석유 및 가스 이동, 축적, 트랩핑 및 손실을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 동시에 PETROCHARGE EXPRESS는 그래픽을 기반으로 하는 석유 및 가스 이동 및 트랩 시뮬레이션을 위한 빠른 분석 도구를 제공합니다.

(6) MUFTE-UG

MUFTE-UG는 MUFTE와 UG.MUFTE의 조합입니다. MUFTE는 다상 흐름, 운송 및 에너지 모델입니다(Class et al., 2002; Helmig, 1997). 패키지에는 주로 다공성 및 파쇄 매체의 등온 및 비등온 다상 다성분 흐름 및 이동 프로세스에 대한 물리적 모델 개념과 이산 방법이 포함됩니다. 이는 파손된 다공성 매체에 대한 개별적인 설명을 제공할 수 있습니다. UG는 Unstructured Grid의 약자로 병렬 및 적응형 다중 그리드 방식을 기반으로 이산 편미분 방정식을 빠르게 풀 수 있는 데이터 구조입니다. 모듈식 구조를 갖춘 MUFTE UG는 특별한 요구 사항이 있는 다양한 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다.

MUFTE-UG의 모듈식 구조에는 다양한 환경적, 기술적 적용이 있습니다. 예를 들어, 환경 응용 분야에서 MUFTE-UG는 다음 두 가지 문제를 시뮬레이션할 수 있습니다.

1) NAPL(비액상 유체)이 포화 및 불포화 토양으로 누출됩니다.

최적화되고 개선된 수리 기술은 MUFTE에서 광범위한 연구 개발 공간을 보유하고 있습니다.

2) CO2 지하 이동. CO2는 고온 및 고압에서 표면 아래 수천 미터의 지층에 주입됩니다. MUFTE-UG는 온도 효과(팽창 및 압축으로 인한) 및 구성과 함께 이종 대수층(대류 및 분산 이동)에서 연기 발생을 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 서로를 용해시킵니다(염수와 CO2).

(7) NUFT

NUFT(비등온 불포화-포화 흐름 및 운송 모델)는 다상, 다성분 비등온 흐름 및 용질을 해결하는 데 사용되는 일련의 모델입니다. 다공성 매체에서의 운송 이동 중 지하 오염물질 이동에 대한 수치 해석기(Nitao, 1998). 이 소프트웨어는 간단한 코드를 활용하여 일반적인 유틸리티와 입력 파일 형식을 활용합니다. 최근 이 코드는 Unix 및 DOS 시스템에서 성공적으로 실행되었습니다.

이 프로그램은 완전한 유한 차분 공간 이산화 방법 세트를 사용하여 평형 방정식 시스템을 해결합니다. 각 시간 단계에서 비선형 연립방정식을 풀기 위해서는 Newton-Raphson 방법을 사용하고, 각 반복과정에서 선형 연립방정식을 풀기 위해서는 직접해법과 Pre-yoked Gradient 방법을 사용합니다. 이 모델은 1차원, 2차원, 3차원 물 흐름과 용질 수송 문제를 해결할 수 있습니다. 앞으로 이 모델은 모세관 히스테리시스, 비직교 그리드 이산화, 유한 요소 메싱 및 고체 비선형 등온 흡착과 결합될 것입니다.

(8) CODE-BRIGHT

CODE-BRIGHT는 지질 매체의 열수력(THM) 결합 문제를 처리하는 데 사용되는 유한 요소 프로그램입니다(Olivella et al., 1996 ). 정상적인 조건에서 5가지 주요 지배방정식(압력수지, 물질량수지, 기체질량수지, 에너지수지, 소량의 화학수지)의 초기 경계값 문제를 계산할 수 있으며 특정 조건에서도 균형을 계산할 수 있습니다. 지역의 방정식. 공간 이산화에는 유한요소법이 사용되고, 시간 이산화에는 암시적 유한차분법이 사용된다. Newton-Raphson 반복은 비선형 문제를 해결하는 데 사용됩니다.

CODE-BRIGHT는 가스의 물로의 치환과 가스의 용해 과정, 각 구성 요소의 대류 및 비대류 흐름과 에너지, 물의 상 상태 변화를 시뮬레이션할 수 있습니다. 사용자는 희소 매트릭스 메모리와 직접적이고 반복적인 솔루션 방법 중에서 자유롭게 선택할 수 있습니다. 병렬 프로그램은 이미 사용 가능합니다. CODE-BRIGHT는 사용자가 대용량 정보를 쉽게 처리할 수 있도록 전처리 및 후처리 작업에 Gi D 시스템을 사용합니다.

(9) COORES

COORES(CO2 저장소 환경 시뮬레이터)는 우물에서 유역 규모까지 CO2 저장 과정을 연구하기 위해 IFP가 작성한 프로그램 코드입니다(Le Gallo et al., 2006). 미국 응용수학과에서 개발한 것으로, 저수지공학과, 지구화학과, 열역학학과에서 지정하고 검증한 프로그램입니다.

이 프로그램을 통해 사용자는 분할 프로세스 중에 필요에 따라 그리드 크기, 모양 및 스타일을 유연하게 변경하여 저수지의 특성을 정확하게 파악함으로써 필요한 그리드 수를 최소화할 수 있습니다. COORES는 구조적 또는 구조화되지 않은 메시를 사용하여 이질적인 다공성 매질에서 다성분, 3상 및 3D 흐름 프로세스를 시뮬레이션할 수 있습니다. 완전히 결합된 몰 보존 방정식은 뉴턴의 방법으로 선형화됩니다. 또한 운송 모델은 광물학의 변화를 설명하기 위해 지구화학 반응 시뮬레이터인 Arxim과 결합됩니다. Kozeny-Carman, Labrid 또는 Fair-Hatch 법칙과 같은 다양한 다공성-투과성 및 다공성-모세관 압력 법칙을 가정함으로써 다공성 변화로 인한 투과도 및 모세관 압력의 변화가 수정됩니다.

(10) DUMUX

DUMUX는 다공성 매체에서 다중 규모 및 다중 물리적 흐름과 이동 프로세스를 시뮬레이션하는 프로그램입니다(Bastian et al., 2008). 독일 슈투트가르트 대학에서 DUNE(Distributed or Unified Numerical Environment)을 기반으로 C++ 언어로 작성하여 개발했습니다.

Du NE는 통합 인터페이스를 사용하여 다양한 구현에서 동일한 개념(예: 그리드, 솔버)을 사용할 수 있도록 하여 리소스 활용도를 향상시킵니다. 프레임워크에는 개별적으로 다운로드할 수 있는 여러 모듈이 포함되어 있습니다. DUMUX는 주로 다공성 매질 흐름 문제(문제 공식화, 공간 및 시간 이산 솔루션 선택, 비선형 방정식 솔루션 선택, 모델 결합까지)에서 모델을 편리하고 효과적으로 구현하기 위해 다른 모듈의 기능을 상속하는 추가 모듈입니다. DUMUX에는 즉시 사용 가능한 수치 모델과 예제 애플리케이션이 있습니다.