不同的软件进行数值模拟时所需的参数、计算方法、剖分格式等不尽相同，数值模拟的过程也不同，但大致相同，本文以TOUGHREACT为例介绍CO2地质储存数值模拟的流程。
（一）研究范围的确定
一般情况下，独立的天然水文地质系统是计算区最好的选择，它具有自然边界，便于较准确地利用其真实的边界条件，避免人为边界在资料提供上的困难和误差。但是在实际工作中，常常不能完全利用自然边界，这就需要充分利用勘察和长期观测资料等建立人为边界。在确定计算区域时，除了保证范围足够大以外，还应使假定的边界条件尽可能接近真实状态。
计算范围的划定应充分考虑研究目的、区域地质构造、储层岩性、储层岩石矿物组成及地下水化学成分等多方面因素。数值模拟时间根据研究目的不同具有不同的时间尺度。就CO2地质储存数值模拟而言，如果不考虑地球化学作用，封存系统在1000年数量级的模拟时间内基本上已达到平衡或稳定。在划定边界时还应考虑CO2在储层中的扩散距离，与研究区地质模型的孔隙度，渗透率等参数关系密切。为了保证所选模型范围边界在模拟期内不影响模拟结果，尽量通过具有相同地质条件的天然CO2气田（藏）进行类比，确定大体的计算范围的边界。如果考虑地球化学反应，由于CO2注入引发的水－岩－气反应对围岩岩性改变较显著，制约着CO2注人的速度和径向运移的距离等。
（二）明确研究目的
在进行数值模拟以前首先要明确利用数值模拟技术要解决什么样的问题。对于CO2地质储存工程而言，进行数值模拟的目的主要是在CO2地质储存工程实施前，通过数值模拟技术对工程的选址、方案设计进行优化，工程实施期技术指导、运行期监测及后期CO2泄漏的风险评估等进行预测，以指导项目科学、合理地实施，将CO2泄漏风险降至最低。
研究目的决定着前期资料的收集类型、地质建模的侧重点、地质模型离散的精密度以及初始、边界条件的处理方式等过程。
（三）资料的收集整理
1）通过遥感、综合地质调查、物探、钻探和各类样品测试分析等手段获取场地深部地层岩性、地质构造、水文地质、水文地球化学、岩石矿物资料和数据；
2）搜集和分析CO2地质储存场地地质岩性、区域构造格架、活动断层与地震活动情况等；
3）采用钻井岩心、测井和地震反射方法，调查CO2地质储存场地目标储层和盖层的空间分布形态，埋深、厚度和规模等；
4）使用X射线衍射、扫描电镜等方法研究分析封存场地岩石矿物组成、孔隙结构特征及其物理化学性质；
5）通过采取浅部、深部含水层水样进行水质全分析，获得储盖层地层水及浅部含水层初始水化学成分。
不同的数值模拟软件其数学模型的数值解法不同，空间离散方式也不尽相同，所需的模型参数也有一定的差异，表9-1即为TOUGHREACT数值模拟所需要的主要参数。
表9-1 CO2地质储存模拟过程中需要的主要参数（以TOUGHREACT为例）
（四）概念模型的建立
利用所掌握研究区的地形地貌、气象水文、地层岩性、地质构造、水文地质、水文地球化学等资料，根据研究目的初步建立地质模型雏形。为了解决实际问题，往往要对所建模型及初始条件、边界条件等进行必须要的概化，概化内容包括：
1）含水层系统结构的概化：应依据含水层的类型、岩性、厚度、渗透系数等，将内部结构概化为均质、非均质各向同性或者异性的含水层；
2）侧向边界和顶，底部边界的概化；根据研究区边界的划定，将侧向边界和顶、底部边界概化为一、二和三类边界条件；
3）根据所要解决问题的难易程度，将地质模型概化为一维、二维或者三维模型，并进行合理精密级的网格剖分；
4）源汇项的处理：储存库一般位于地表800m以下，上覆有致密的盖层岩石，CO2难以通过越流方式得到补充和排泄，在理想的条件下整个地质储库系统的CO2通过径向对流或抽取井的方式得到补充和排泄。
（五）模拟方案的设计
针对不同的研究问题，可以根据设计者技术水平、场地经验等设计出不同的方案。利用数值模拟技术对多种方案进行模拟分析，评估方案实施的可行性，并对方案进行优化，最终得出经济、合理的方案。如进行CO2灌注场地的遴选时，要对几个目标场区进行灌注能力，储存潜力、CO2在储层中的扩散速度及距离以及后期CO2泄漏风险等环节进行模拟，然后对模拟输出的数据进行后期处理。通过分析、统计这些数据确定最佳的灌注场地，同时合理划分储盖层的层位、厚度等。对场区灌注能力和储存潜力评估是数值模拟技术所能解决的CO2地质储层领域的又一难题。不同的灌注方式导致CO2进入储层的速度、流量等不同。根据设计者所设计的所有可行的注入方式进行模拟，分析比较不同方案下注入能力和注入量的大小，确定最优的灌注方式。
模拟方案的设计要根据研究问题不同视情况而定，而且方案设计的合理与否依赖于设计者自身理论和实际场地经验，不同的研究着对于同一个问题可能设计出不同的方案。我们可以针对这些方案建立不同的模型，通过模拟技术判断其合理性与可行性，最后确定最佳的方案。
（六）数值模型及模拟软件的选择
数值模拟的关键是地质模型概化、计算精度和计算速度。由于计算的精度取决于离散的程度，而离散的程度又决定了计算的速度，这是一对矛盾，要根据解决问题的需要来选择离散化的程度和计算速度。
CO2在储层中的运移、溶解以及与围岩的化学反应形成了一个多相、多组分的反应体系，涉及的主要数学方程有超临界CO2－水的两相流体运动控制方程、溶质运移控制方程和化学反应方程等。在建立数值模型时，通常采用的方法有有限差分法、有限元法和积分有限差法等。
由于实际应用时多采用已有的数值模拟软件对CO2地质储存的全过程进行模拟.不涉及软件的开发及程序代码的编写，只需根据研究的需要选择合适的软件进行模拟预测，而软件一旦选定，数学模型和数值模型基本上已经确定。以TOUGHREACT为例，基于上述所建的概念模型建立数学模型。气相和液相统一的偏微分方程为（9-1），咸水的偏微分方程为（9-2），超临界方程为（9-3）。方程中所涉及的相关字符和角标见表9-2。
二氧化碳地质储存技术方法概论
二氧化碳地质储存技术方法概论
表9-2 数学模型中所涉及的符号的意义
（七）数值模型的建立
1.网格剖分
建立了地质模型以后要对研究区离散化，即进行网格的剖分。首先确定离散点，即把所研究的区域按照某种几何形状（如矩形、任意多边形等）分割成网格系统。研究区的边界可以用最接近它的格线近似表示。当网格划分得足够小时，曲折的格线也能够很好地刻画出边界的形状。此过程又称研究区域的离散化（剖分）。在离散化时要遵循以下两条基本原则。
1）几何相似。要求物理模拟模型从几何形状方面接近真实被模拟体。
2）物理相似。要求离散单元的特性从物理性质方面（含水层结构、水流状态）近似于真实结构在这个区域的物理性质。
网格类型大体上可分为规则和不规则两种。规则网格剖分包括矩形、三角形和其他规则图形的剖分（图9-3），而不规则网格则包括不规则多边形等。网格的形状主要根据研究区形状而定。
图9-3 网格剖分
网格剖分对计算的精度及计算的效率有很重要的影响。精度越高对模拟结果刻画的越精细，但是数据的计算量越大，对计算机的要求也越高。建议在进行地质模型剖分时先采用较粗的网格剖分，如果这种剖分方式下模拟结果合理然后再进行精细化剖分，用于对模拟结果更加详细的刻画。
2.参数和初始条件
初始条件是指在初始时刻（t=0）时研究区内求解数学模型主要状态变量的初始值。选择的应用软件不同所需的状态变量数量、种类不同。如TOUGHREACT所需的初始主要状态变量包括压力、温度和组分浓度的空间分布。地质参数包括孔隙度、渗透率、密度、压力、温度、毛细压力等参数值。这些数值一部分采用室内实验测得，另一部分采用参考文献的经验值；地层水的化学成分的初始值采用实际地层水的化学分析，主要是8大离子的浓度、盐度和pH 等。如果研究区深部地层中的水样难以获得，如盖层，则采用静态平衡的方法，利用具有与储层相同盐度的咸水与含有原生矿物的地层岩石在原地层环境下进行化学反应，获取平衡状态下的地层水化学成分的初始值；通过岩矿分析、电子扫描、Ⅹ衍射等手段，获得组成CO2地质储层盖层的原生矿物成分体积含量初始值，并根据原生矿物的组成合理判断次生矿物。
从原则上讲，初始时刻是可以任意取定的，只要该时刻所需的参数和状态变量值已知即可。因此我们不应该把初始条件理解为研究系统的初始状态。具体如何取，应该视问题的需要、资料来源、计算方便与否等因素而定。
3.边界条件
边界条件是某一实际问题数学模型具有定解的必要条件之一。地下水流问题和溶质运移问题边界条件的定义不尽相同，但一般概化为以下三种。
（1）一类边界条件（Dirichlet条件）
解决水流问题时，此类边界条件为在边界上所有点的水头是给定的；对于溶质运移问题，一类边界条件是指研究区边界上的溶质浓度分布已知。解决CO2—水两相流动问题时，此类边界条件为在边界上所有点的压力是给定的。
（2）二类边界条件（Neumann条件）
当已知某一边界的单位面积流入或流出的流量时，可视作解决流动问题的二类边界；相对溶质运移来讲，此类边界又称给定弥散通量边界，即边界上的弥散通量随时间变化规律已知。
（3）三类边界（Cauchy条件）
当研究区一部分满足一类Dirichlet条件，而另一部分满足二类Neumann条件时，这类问题称为混合边界问题，称为三类边界。对溶质运移而言，此类边界为边界上溶质通量随时间变化规律已知。
在CO2地质储存数值模拟过程中，由于储层地层多在800m以下，地质模型的顶部和底部根据实际需要可以处理为不透边界；为了避免边界对模拟结果的影响，研究区的范围一般比实际CO2所能运移到的范围大得多，因此，在处理四周边界时一般设置为无穷一类边界或不透边界。在确定边界条件时，应根据水文地质条件以及现有的资料来综合考虑。
4.源汇项处理
在多孔介质中流动和溶质运移的问题中，对流、水动力弥散和溶质源或／和汇，是决定含水层中任一内点上溶质质量时变率的两大因素。源汇项问题在水质与水量计算中以及正确处理对流－弥散方程和渗流基本微分方程中占有重要地位。作为源汇项的方式很多，如越流补给、含水层弹性释放补给以及抽（注）井的补给等。
对于深部咸水层CO2地质储存系统而言，系统的顶部一般为具有低渗、低孔的泥岩、页岩等致密性岩层，越流补给较难发生。整个CO2地质储库系统的源汇项主要指对流（如侧向边界）和抽（注）井。
（八）模型的校正与验证
模型识别是建立地下流体数值模型最重要的环节之一，正确理解和进行拟合对于提高数值模型的仿真性是至关重要的。在有实测结果的情况下如示范工程，可将模拟结果与实测结果进行比较，对相关参数进行适当合理的调整，使模拟结果在给定的误差范围内与实测结果吻合。若误差较大，应该重新检验概念模型的可靠性，甚至重新建立概念模型。在识别校正以后，应采用校正好的模型继续计算，并与未用来识别校正的实际数据比较，验证模型的准确性和可靠性。若存在较大误差，需重复前面的过程。在没有实测结果的情况下，数值模型的可靠性可通过类比相关资料或根据个人经验和理论判断。
（九）模拟预测
模型预测是实施数值模拟技术的主要目的。对于CO2地质储存工程而言，由于CO2地质储存技术的提出为时尚短，针对CO2在深部咸水层中的运移、扩散、与地层水和围岩产生的化学反应，以及由于CO2灌注引起的储盖层物理、化学性质变化研究均处于研究和发展阶段。因此，在工程实施过程中急需具有技术指导性的工具产生，避免造成投资的浪费和CO2泄漏等风险的出现。
利用经过识别校正与验证过的数值模型对CO2地质储存过程进行模拟预测，有针对性地对模拟数据进行后期处理，如统计分析、比较等手段对结果进行解译，以此达到场地的优选，目标储层灌注能力、储存潜力的评估，CO：扩散运移途径和速度、不同捕集方式封存量及它们之间的时空转化等过程的详细刻画与模拟仿真等目的。同时可以预测CO2在已有、重新激活或新生成的裂隙中逃逸的可能性及时间、CO2泄漏风险评估以及评价CO2泄漏对浅层地下水的水质、水量及对地表环境的影响等。
上述结果的分析只是数值模拟技术所能解决问题的冰山一角。对于数值模拟结果的处理要根据所研究的目的进行有针对性的提取和解译。通过对处理后的数据进行总结分析，发现问题从而解决问题，并掌握内在规律，为CO2地质储存工程的前期设计、工程实施、中期监测管理提供理论支持和科学的技术指导，并可以提前开展风险预测，尽早制定预案防范CO2地质储存工程实施及运行过程中可能出现的隐患。