[論文レビュー] Dynamics of convective carbon dioxide dissolution in a closed porous media system

Baole Wen, Daria Ahkbari+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2018

CO2 Sequestration and Geologic Interactions参考文献 40被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、気体圧力の低下がブラインの飽和に達する以前に溶解速度を低下させる負のフィードバックを引き起こす閉じた多孔質媒体系における対流的CO2溶解を調査する。直接数値シミュレーションとボックスモデルを用いて、溶解フラックスが界面濃度の二乗に比例し、圧力低下が対流を顕著に制限することが示され、自然のCO2貯留層が数千年にわたって持続する理由が説明される。

ABSTRACT

Motivated by geological carbon dioxide (CO$_2$) storage, many recent studies have investigated the fluid dynamics of solutal convection in porous media. Here we study the convective dissolution of CO$_2$ in a closed system, where the pressure in the gas declines as convection proceeds. This introduces a negative feedback that reduces the convective dissolution rate even before the brine becomes saturated. We analyse the case of an ideal gas with a solubility given by Henry's law, in the limits of very low and very high Rayleigh numbers. The equilibrium state in this system is determined by the dimensionless dissolution capacity, $Π$, which gives the fraction of the gas that can be dissolved into the underlying brine. Analytic approximations of the pure diffusion problem with $Π>0$, show that the diffusive base state is no longer self-similar and that diffusive mass transfer declines rapidly with time. Direct numerical simulations at high Rayleigh numbers show that no constant flux regime exists for $Π> 0$; nevertheless, the quantity $F/C_s^2$ remains constant, where $F$ is the dissolution flux and $C_s$ is the dissolved concentration at the top of the domain. Simple mathematical models are developed to predict the evolution of $C_s$ and $F$ for high-Rayleigh-number convection in a closed system. The negative feedback that limits convection in closed systems may explain the persistence of natural CO$_2$ accumulations over millennial timescales.

研究の動機と目的

• 気体圧力が溶解中に低下する閉じた多孔質媒体系における対流的CO2溶解のダイナミクスを理解すること。
• 圧力低下による負のフィードバックが拡散および対流的物質移動速度に与える影響を定量化すること。
• 閉じた系の制約下で高レイノルズ数対流における溶解フラックスおよび濃度の時間的変化を予測するモデルの構築。
• 構造的に閉じた貯留層における自然のCO2蓄積の長期的持続性を説明すること。
• 圧力と濃度が一定である従来のオープン系モデルと比較すること。

提案手法

• 有限の溶解容量Πを有する非自己相似的挙動を示す純粋拡散問題に対する解析的解。
• 高レイノルズ数における閉じた系の対流的溶解ダイナミクスを調査するための直接数値シミュレーション（DNS）。
• 高レイノルズ数においてF ∝ C_s²のスケーリングに基づくボックスモデルの開発、ここでFは溶解フラックス、C_sは領域上部の濃度である。
• 溶解容量Π（初期ガスのうち溶解可能な割合を表す）を含む次元なしパラメータの使用。
• ボックスモデルを用いてガス圧力、溶解フラックス、および総溶解CO2の時間的変化のモデリング。
• 閉じた系におけるヘンリーの法則を用いたCO2溶解度のモデル化および理想気体の挙動の考慮。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 閉じた多孔質系における気体圧力の低下が、対流的CO2溶解の発生および進行にどのように影響するか？
• RQ2 次元なし溶解容量Πが閉じた系における物質移動ダイナミクスに与える影響は何か？
• RQ3 高レイノルズ数対流において閉じた系に一定フラックス領域が存在するか？存在しない場合、フラックスはどのように変化するか？
• RQ4 ブラインの飽和に達する以前に、圧力低下がCO2溶解をどの程度制限するか？
• RQ5 単純なボックスモデルは、閉じた系における溶解フラックスおよび濃度の変化を正確に予測できるか？

主な発見

• Π > 0 の閉じた系では、溶解フラックスは一定に保たれない。代わりに、ガス圧力および界面濃度の低下に伴い減少する。
• 高レイノルズ数において、溶解フラックスFは界面濃度C_sの二乗に比例し、予測可能なボックスモデルの構築が可能になる。
• 高透水性貯留層（Ra₀ ≈ 1.6×10⁴）では、Π = 2 の場合、圧力低下のため11年で対流が停止するが、Π = 0 の場合は9年で停止する。
• Π = 2 の場合、溶解フラックスは7年で半減し、20年で初期値の10%にまで低下する。一方、Π = 0 の場合はそれぞれ19年および60年である。
• Π = 2 の場合、貯留層は110年で95%飽和に達するが、Π = 0 の場合は330年である。圧力フィードバックのおかげで飽和が顕著に加速されている。
• 圧力低下による負のフィードバックが、ブラインの飽和に達する以前に長期間にわたり対流を制限する。これは、自然のCO2貯留層が数千年にわたって持続する理由を説明する可能性がある。