0  

  

RECS: TOUGH2­ECO2N Numerical Modeling Activity June 8, 2011   Activity Leaders: 

Catherine Ruprecht, cruprec@clemson.edu 

Ron Falta, faltar@clemson.edu 

Clemson University EE&ES 

  

1  

 Exercise 1: Injection into a Homogeneous Deep Saline Aquifer  

This is a basic problem of CO2 injection into a saline aquifer, examining two‐phase flow with CO2 

displacing saline water under conditions that may be encountered in brine aquifers at a depth 

of approximately 2 km. A CO2 injection well fully penetrates a homogeneous, isotropic, infinite‐

acting aquifer of 100 m thickness, at maximum conditions of 200 bar pressure, 40 ˚C 

temperature, and a salinity of 5% by weight. CO2 is injected uniformly at a constant rate of 

15.75 kg/s for 20 years. This is the equivalent of the amount of CO2 needed to be captured from 

a 50 MWe coal burning power plant. After injection, an 80 year monitoring period is simulated.  

 

1. New Model Set Up Open PetraSim. File>New 

Select TOUGH2 and ECO2N, then create a model with bounds such that X Max = 2000, Y 

Max=1, and Z Max =100. Press OK.  

 

 

 

  

2  

2. Edit Layers  

Select  from the top toolbar. Enter “10” as the number of cells. Press OK. 

 

 

 

3. Create a Mesh  

Select  from the top toolbar.  

From the dropdown menu, select “Radial” as the mesh type.  

Select “Custom” divisions. 

Fill in the values as seen in the table below. Press OK.  

 

 

  

3  

4. Initial Conditions File>Load Initial Conditions. Navigate to the folder titled “Initial Conditions” within the 

Exercise 1 folder provided. Select the “SAVE” file and click “Open”.  

There is now a pressure gradient equivalent to a bottom depth of 2 km. Formation 

temperature of 40 ºC and a salinity of 5% by weight has been initialized. Examine these 

properties using the front view button   and the “Cell Color” drop down menu. 

 

Note that by selecting a radial mesh, a slice plane of half a cylinder has been produced. 

The left side of the figure represents the center of the cylinder and the right side 

represents to outer edge. This cylinder represents the Area of Review.  

 

5. Global Properties 

Select   from the top toolbar. Click on the EOS tab, to edit the equation of state 

properties. Choose “Isothermal”, leave all else unchanged. Press OK.  

 

  

4  

6. Material Data 

Select  from the top toolbar.  

Edit the existing material “ROCK1” to match the properties given. 

 

 

Select Additional Material Data… 

Under the Relative Perm tab, choose the van Genuchten‐Mualem Model for relative 

permeability curves. Enter the appropriate parameters given below.  

 

  

5  

Still in the Additional Material Data box, select the Capillary Press tab.  

Choose the van Genuchten Function for capillary pressure. Enter the parameters given 

below.  

 

 

Press OK to return to the Material Data box.  

Under “Materials” select “New”.  

Create a material named “WELL” based on ROCK1.  

Press OK.  

 

 

 

 

  

6  

Edit the new material “WELL” to match the properties given.  

 

Select Additional Material Data… 

Under the Relative Perm tab, choose the van Genuchten‐Mualem Model for relative 

permeability curves. Set Slr and Sgr to 2.0E‐02.  

 

Still in the Additional Material Data box, select the Capillary Press tab.  

Choose “No Capillary Pressure”. Press OK to return to the Materials box. Select OK again 

to return to the PetraSim home screen.  

  

7  

7. Setting Materials 

By using the Zoom Box  from the toolbar, drag and release to zoom in on the top left 

side of the model. Zoom in until the top grid block of the first column is visible. Press 

 to select a column from the mesh. Then select the top left grid block (the entire 

column will be selected).   

 

 

Right click on this column and choose to Edit Cells. From the Material drop down menu, 

select WELL. Press OK.  

 

 

  

8  

Use the Select Objects tool   to left‐click and then right‐click on the top left grid block. 

Choose to Edit Cells. In the Sources/Sinks tab, under “Injection” click the CO2 box. 

From the drop down menu to the right, choose “Table”.  

Select Edit…  

Fill the injection rates table in with the following values.  

 

 

 

Press OK to return to the Edit Cell Data box, then press OK to return to the PetraSim 

home screen. 

 

8. Boundary Conditions 

Select   for a front view of the model. Again press   to select a column from the 

mesh. Then select any cell in the right‐most grid block column (the entire column will be 

selected).  Right click on this column and choose to edit cells.  

In the Properties tab, select “Fixed State” from the Type drop‐down menu. Press OK.  

  

9  

 

 

1. Solution Controls 

Select  from the top toolbar to access solution controls.  

In the Times tab, edit the End Time to be “100 years”.  

In the drop‐down menu for Max Num Time Steps, allow for “Infinite” time steps. 

 

 

  

10  

In the Weighting tab, select “Harmonic Weighted” under the Permeability at Interface 

header.  

 

Press OK.  

 

10.   Output Controls 

  Select   from the top toolbar to access Output Controls.  

Update the output controls to print and plot every 2000 time steps.  

Select Edit… for Additional Print& Plot Times. 

Open the Additional_Print_Times.xls file provided in the Exercise 1 folder. Input the given print 

and plot times by copying and pasting the column of values into the Additional Print Times box. 

Once pasted, they will appear in scientific notation. 

 

  

11  

 

(These values correspond to 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, and 90 years. They are entered in 

seconds.) 

 

Press  OK to return to the Output Controls. Press OK again to return to the PetraSim home 

screen. 

 

11.   Run Simulation 

To run TOUGH2‐ECO2N, press the   tool.  

A prompt will appear to name and save the simulation. Navigate to the Exercise 1 folder. Name 

it Ex1.sim and press Save. The simulation will then being running.   

This simulation will take approximately 6 minutes to run.  

 

12.   Examine 3D Results 

Select the 3D Results tool  .  

In the 3D Results window, use the front view tool   to rotate the image. On the left‐hand tool 

bar, click on “Slice Planes”. Choose “Y” from the first drop down menu and set its coordinate 

value to 0.5. Click “Apply” and then close the Slice Planes box.  

  

12  

 

 

A slice plane of pressure contours at 1 year is now visible.  

 

Scroll  through  the  Times  box  to watch  these  pressure  contours  evolve  through  the  simulated 

injection and monitoring periods. Note that injection ends at 6.31138e8 seconds.  

From the Scalar drop‐down menu, select any variable of interest and scroll through the printed 

times. A reference table for this menu is given.  

 

P  Pressure (Pa) 

T  Temperature (ºC) 

SG  CO2 Gas Saturation 

SS  Solid Saturation 

XNaCl  Salt Mass Fraction 

YH2OG  Water Mass Fraction ‐ Gaseous Phase 

XCO2aq  CO2 Mass Fraction ‐ Aqueous Phase 

PCAP  Capillary Pressure (Pa) 

k‐red  Permeability Reduction 

DG  Gas Density (kg/m3) 

DL  Liquid Density (kg/m3) 

PER MOD Permeability Modifier 

  

13  

 

Useful commands in the 3D Results window: Holding the left click button allows you to rotate the grid.  

Holding the Alt key and left click button allows you to zoom in and out of the grid. 

Holding the Shift key and left click button allows you to drag the grid.      

At any point, press the front view tool   to reset the grid view.   

 

Questions for thought: 

1. Select solid saturation, SS, from the scalar drop‐down menu. Zoom in on the area near 

injection.  

a. Describe what is going on during the 20 year injection period (up to 6.31138e8 

seconds). 

b. Describe what is going on during the 80 year monitoring period.   

c. How does the solid saturation relate to the CO2 gas saturation? 

 

2. Select the CO2 gas saturation, SG, from the scalar drop‐down menu. Use the  tool to 

show the mesh.  

a. What is the radial extent of the CO2 plume after 20 years of injection? 

b. What is the radial extent of the CO2 plume after 80 years after injection ends?  

Hint: Right‐click on an individual grid‐block and choose to edit cells.  

 

 

 

 

 

Exercise 2: Modeling Hydrogeologic Heterogeneities  This exercise builds on Exercise 1. In this case, a three dimensional polygonal grid is implemented. To 

examine the effects of hydrogeologic complexities, a random, spatially correlated, heterogeneous 

permeability field has been mapped onto the TOUGH2 mesh. Initial conditions, CO2 injection rates, and 

  

14  

all other hydrogeologic parameters are set the same as Exercise 1. To conserve time, a 20 year CO2 

injection period followed by an 80 year monitoring period has already been simulated.  

**Do NOT hit the run TOUGH2   button at any point during this exercise.  

 

1. Getting started Open the Ex2.sim from within the Exercise 2 folder.  

Notice the polygonal Voronoi grid used to discritize the mesh. This grid has been refined around 

the injection point, now found in the center of the Top View .  

 

2.  Examine 3D Results Select the 3D Results tool  .  

From “View”, select “Scale Axes…” 

Set the Z Factor to 5.0. 

Press OK.  

 

 

3.  Isosurfaces Select CO2 gas saturation, SG, from the Scalar drop‐down menu. 

Confirm there is a check mark next to “Show Isosurfaces (Scalar)”. 

Use the commands used in Exercise 1 to rotate and zoom in on the CO2 plume. Choose a view 

allowing a view in a three dimensions. As seen below.  

  

15  

 

Watch the CO2 plume isosurfaces evolve through injection and monitoring periods through the 

Time (s) menu.   

 

4.  Slice Planes Select “Show Slice Planes” and then select the “Slice Planes…” button.  

Set X and Y Axis Coordinates to 2000, and Z Axis Coordinates to 100 as shown below.  

 

Click Close.  

Deselect “Show Isosurfaces”. Click on the Show/Hide Wells tool . Slice planes with contours of 

supercritical CO2 saturation around the injection point are now visible. 

 

Rotate the image to watch the contours evolve through the injection and monitoring periods.  

  

16  

 

 

Switch back and forth between “Show Isosurfaces” and “Show Slice Planes” with the any other 

scalar variables of interest.   

 

Questions for thought: 

1. From the 3D Results window: File>Line Plot 

Allow the X coordinates to span from 0 to 4000. The Y Coordinates should both be set to 

2000 and the Z coordinates should both be set to 100.  

 

Click OK. A window with line plots of primary data will appear. Choose CO2 gas 

saturation, SG, from the variable drop‐down menu. 

a. Approximately, what is the maximum radial extent of the CO2 plume from the well 

after 20 years of injection?  

b. After the 80 year monitoring period?  

 

2. How does hydrogeologic heterogeneity affect the flow of CO2?