吉林大学新能源与环境学院-加拿大英属哥伦比亚大学-学术工作坊系列报道（一）-地下能源与废物处置研究所

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吉林大学新能源与环境学院-加拿大英属哥伦比亚大学-学术工作坊系列报道（一）

为推动学校“双一流”建设，提升研究生的国际化水平、培养一流人才，在学校国际合作处的大力支持下，由吉林大学新能源与环境学院许天福教授及7位研究生组成的交流访学团于2019年4月22日抵达加拿大温哥华，开展为期一周的学术合作交流。本次学术交流的主题为“吉林大学-英属哥伦比亚大学联合学术工作坊-地下多相流体流动及溶质运移”（JLU-UBC Joint Workshop on Subsurface Multiphase Flow and Transport）。

加拿大英属哥伦比亚大学(UBC)，1908年成立，前身是麦吉尔大学不列颠哥伦比亚学院（McGill University College of British Columbia），是不列颠哥伦比亚省历史最悠久的大学，于1915年成为独立的英属哥伦比亚大学，并与麦吉尔大学，多伦多大学和皇后大学组成加拿大的常春藤联盟。该校起初为研究性合作机构，后来逐渐发展为一所综合性大学。100年的时间里，UBC已发展成为享誉加拿大的高等学府和全球著名的综合性大学之一，其卓越的学术水平和广泛的专业设置使其成为了众多学子所向往的顶尖大学。UBC在加拿大连续多年被权威杂志《麦克林杂志》评为博士级大学综合排名第二名。此外，与我们开展合作交流的地球科学学科归属地球、海洋和大气科学学部（Department of Earth, Ocean and Atmosphere Sciences，EOS），该学科在加拿大排名第一，全球排名15(2018年QS排名)，在反应溶质运移和地球化学数值模拟领域具有深厚的研究基础。

访学团成员于当地时间2019年4月23日早8点30分前往UBC，会见了Uli Mayer教授及其研究团队，他们对吉林大学访学团的到来表示热烈欢迎。首先，Uli Mayer教授就英属哥伦比亚大学在中低温地下水系统中，水质污染和修复过程中的水文地球化学演化相关研究现状和进展进行了简要介绍，许天福教授也代表访学团对吉林大学新能源与环境学院和访学团的概况进行了介绍。随后，吉林大学访学团成员和英属哥伦比亚大学的师生分别进行了学术报告。问答交流环节，双方师生对各个专题的报告展开了热烈的讨论。各个专题的主要报告内容如下：

专题一：TOUGH2模拟能力开发与应用-CO₂封存利用

许天福教授首先做了题为“Recent development at JLU for modeling of subsurface multi-phase flow and reactive Biogeochemical Transport（吉林大学在地下多相流和反应生物地球化学运移模拟方面的研究进展）”的报告。他着重介绍了吉林大学研究团队近年来对TOUGH2程序二次开发的成果及应用，包含水-热-力学耦合、井-储耦合、TOUGH+HYDRATE-REACT耦合和TOUGH系列程序并行化等方面内容。其中，水-热-力学耦合程序可以用于解决地热、水合物开发引发的地面沉降和力学稳定性问题；井-储耦合过程通过利用不同的渗流方程能够更准确地刻画井筒及储层内的流体运移过程，实现了井筒内多相非达西流与储层内达西流耦合代码开发，同时也可以用于刻画多相流体在井筒内的相态变化过程模拟；多相流生物地球化学耦合模拟程序TOUGH+HR可对天然气水合物储层中发生的甲烷泄漏所引起的生物地球化学过程进行模拟；TOUGH2系列并行计算程序通过利用分布式内存并行技术（Message-Passing Interface，MPI），提高了大规模模型的数值计算效率。最后，许天福教授对吉林大学在未来地下新能源开发方面的研究进行了展望，并期待未来吉林大学能够同英属哥伦比亚大学进行相关学术和研究合作。

朱慧星博士代替未能来到现场的封官宏博士做了题为“Modeling capacity development and applications for CO₂ enhanced coal-bed methane recovery（TOUGH模拟能力提升及其在CO₂增强煤层气开采中的应用）”的报告。他首先介绍了如何将现有的ECBM和ECO2M模块进行整合，实现对CO₂增强煤层气开采过程中复杂相变问题及气体竞争吸附过程的刻画。最后他强调，由于原有的ECBM模块并不能考虑CO₂在不同温压条件下的相变问题，该项模块整合工作对于提高模拟精度，尤其是解释实际工程关井过程中出现的流体井喷现象具有重要的实际意义。

专题二：TOUGH2程序开发与应用-地热能开发

李凤昱博士做了题为“Optimization of geothermal injection and production using coupled thermal hydraulic modeling（利用水热耦合数值模拟优化地热采、灌过程）”的报告，并详细介绍了天津中低温碳酸盐地热资源条件及开采现状。他以天津东丽湖地区一对井地热采、灌工程作为实例，先后利用天然状态模拟及井-储耦合数值模拟，来校正深部热储层导热系数及预测井头产水温度和产量优化（考虑热储层渗透率非均质分布），计算结果表明，若要保证未来50年内无热突破现象发生，现有条件下采、灌量应控制在200 m³/h以内。

梁旭硕士做了题为“Numerical and experimental studies on cation-exchanging and thermos-sensitive tracers in geothermal systems（吸附示踪剂及热敏感示踪剂在地热系统中的实验及数值模拟研究）”的报告。她的报告首先总结了多组分示踪剂在评价裂隙地热储层连通性和热交换能力的应用原理，随后分析了室内多组分岩心流动示踪实验结果，并通过地下多组分溶质运移数值模拟程序TOUGHREACT对岩心流动实验条件进行了敏感性分析，为今后多组分示踪实验的开展提供了理论依据。

专题三：TOUGH2程序开发与应用-天然气水合物系统

袁益龙博士做了题为“Incorporating geomechanics into TOUGH2 with applications to natural gas hydrate（地质力学模块与TOUGH2耦合及其在天然气水合物领域的应用）”的报告。他首先对吉林大学研究团队在水合物降压开采地层力学稳定性方面的研究进展进行了简要介绍，随后分别就代码开发、含水合物系统多相渗流参数获取、现场试采应用等内容与英属哥伦比亚大学师生进行了深入交流。

贝科奇博士做了题为“Numerical modeling of the gas migration and hydrate accumulation in heterogeneous marine sediments（海底非均质沉积地层中甲烷气体运移及水合物成藏模拟研究）”的报告。他首先介绍了吉林大学研究团队在海域天然气水合物成藏数值模拟方面的最新进展，随后详细介绍了如何利用TOUGH+HYDARTE软件刻画海洋沉积地层中气体向上迁移及水合物在稳定带内形成的成藏过程。基于Hetro_3D软件刻画海底地层的非均质特征，他进一步模拟了非均质地层中的气体差异性迁移及非均质水合物成藏过程。

朱慧星博士做了题为“Numerical modeling of natural gas hydrate accumulation with mixed origin in marine sediments: Case study of Shenhu Area, South China Sea（海域混合成因天然气水合物形成过程的数值模拟研究—以南海神狐海域为例）”的报告。他首先介绍了将生物成因产甲烷过程耦合到现有TOUGH+HYDARTE程序当中的动机和过程，最终使得该程序可用于原位生物成因产甲烷过程的定量刻画，并在南海神狐海域进行了现场应用验证。通过与实际场地数据进行对比验证，他的模拟结果指出，南海神狐海域SH2站位水合物的甲烷气源为生物-热混合成因，并确定了两种成因各自的贡献比例。

商松华硕士做了题为“Modeling of methane leakage induced AOM-SR reactive biogeochemical processes in gas-hydrate-bearing marine sediments（海洋天然气水合物沉积物中甲烷泄露诱导甲烷厌氧氧化-硫酸盐还原反应的生物地球化学过程模拟）”的报告。他主要介绍了多相流生物地球化学模拟程序TOUGH+HR的主要功能及搭建过程和方法，并通过该模拟程序对天然气水合物储层中发生的甲烷泄漏所引起的生物地球化学过程进行模拟，验证了TOUGH+HR程序的有效性。他的研究结果显示，生物地球化学过程对于甲烷气体的泄漏起到关键的阻滞作用，而且在浅表层中形成特征化学分布，一定程度上可指示下伏水合物赋存。

于涵硕士做了题为“Kinetics and modeling of methane production from gas-hydrate-bearing layer through depressurization（降压开采海域天然气水合物的动力学模拟）”的报告。他首先介绍了海域水合物沉积层开采数值模拟与水合物分解动力学过程。随后，基于日本Nankai海槽水合物试采场地条件，利用TOUGH+HYDRATE程序进行试采历史拟合，并系统对比动力学模型和平衡模型对水合物开采行为的影响。他的研究结果表明，在实验室尺度模拟和短期场地模拟的压力波动阶段，动力学模型能够较好再现实际过程；而对于长期大尺度开采过程，平衡模型可较好的替代动力学模型。

专题四：MIN3P程序开发及在核废料处置方面的应用

Uli Mayer教授首先做了题为“Overiew on MIN3P and RT modeling at UBC-Current status and past efforts（英属哥伦比亚大学在MIN3P的开发和反应性溶质运移模拟的概述-现状及成果总结）”的报告。MIN3P是一种面向过程的多组分反应性运移模型，可以用于研究局部平衡体系中饱和、非饱和多孔介质中的反应性溶质运移问题，并能够模拟地下水流动、溶解组份的对流-扩散运移，实现了对流-扩散气体运移与多种生物地球化学和无机反应的耦合。该程序被广泛应用于各种反应性溶质运移问题的研究，包括：矿山酸性尾水产生及排放后的处置问题；利用渗透性反应屏障和KMnO₄处置污染的地下水；次生地球化学反应对修复技术长期性能的潜在影响；各种饱和介质中有机污染物的自然衰减，及对控制微生物降解反应的物理和化学参数的评估；在非饱和带中，利用Ar和N₂的非反应特性，根据其富集及贫化程度作为气体对流运移的指示等。Uli Mayer教授在报告中详细介绍了英属哥伦比亚大学在反应性溶质运移程序开发及模拟应用领域最新的研究进展，包括并行计算、非结构化网格构建、多组分扩散及电化学迁移模拟等。

之后Danyang Su博士后做了题为“MIN3P-HPC：Parallel computing and unstructured grid methods（MIN3P-HPC：并行计算与非结构化网格方法）”的报告。他首先介绍了一种实现并行计算的新方法，既将MPI（分布式内存并行）和OpenMP（内存共享技术）方法相结合，先将整个计算区域分解为若干个子域，每个处理器管理一个子域和与其相连接的子域（虚拟节点），每个子域又被若干个线程共享，以此提高程序的运算效率。之后他又介绍了非结构化网格方法的构建与应用。该方法能够更灵活的刻画复杂的地质结构体，且更容易实现计算子域在多个计算进程中的分配。目前，此方法已大量应用于复杂2维及3维模拟中。

最后Mingliang Xie研究员做了题为“Applications related to long-term nuclear waste storage（MIN3P在长时间尺度核废料处置方面的应用）”的报告。他利用一维反应性溶质运移模型，刻画了放射性核素在不同介质中的迁移、转化、反应过程。模拟结果显示，膨润土、混凝土和石灰岩相邻界面间的长期化学作用将会造成介质孔隙度的改变。具体表现为同混凝土邻近的膨润土孔隙度降低最多，混凝土和石灰岩交界面处，石灰岩易发生孔隙堵塞。而隔绝材料的孔隙度变化会显著影响放射性核素的迁移，尤其在孔隙发生堵塞时。

专题讨论结束后，Uli Mayer教授再次对吉林大学访学团全体人员的到来表示热烈欢迎，对与会人员的研究内容和学术报告积极肯定，在热烈的掌声中，第一天的学术交流完美的拉下帷幕。