[論文レビュー] Numerical modeling of carbon dioxide sequestration on the rate of pressure solution creep in limestone: Preliminary results

François Renard, Elisabeth Gundersen+3 more|ArXiv.org|Jan 3, 2008

CO2 Sequestration and Geologic Interactions参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2次元数値モデルを用いて、炭酸カルシウムの圧力溶解クリープに及ぼすCO2固定の影響を調査し、高CO2分圧（最大30 MPa）が、コンパクションレートを50〜75倍に増加させ、岩石マトリックスの粘性を低下させることを示した。これは、長期的なリザーバー変形および貯蔵容量に顕著な影響を及ぼす。

ABSTRACT

When carbon dioxide (CO2) is injected into an aquifer or a depleted geological reservoir, its dissolution into solution results in acidification of the pore waters. As a consequence, the pore waters become more reactive, which leads to enhanced dissolution-precipitation processes and a modification of the mechanical and hydrological properties of the rock. This effect is especially important for limestones given that the solubility and reactivity of carbonates is strongly dependent on pH and the partial pressure of CO2. The main mechanism that couples dissolution, precipitation and rock matrix deformation is commonly referred to as intergranular pressure solution creep (IPS) or pervasive pressure solution creep (PSC). This process involves dissolution at intergranular grain contacts subject to elevated stress, diffusion of dissolved material in an intergranular fluid, and precipitation in pore spaces subject to lower stress. This leads to an overall and pervasive reduction in porosity due to both grain indentation and precipitation in pore spaces. The percolation of CO2-rich fluids may influence on-going compaction due to pressure solution and can therefore potentially affect the reservoir and its long-term CO2 storage capacity. We aim at quantifying this effect by using a 2D numerical model to study the coupling between dissolution-precipitation processes, local mass transfer, and deformation of the rock over long time scales. We show that high partial pressures of dissolved CO2 (up to 30 MPa) significantly increase the rates of compaction by a factor of ~ 50 to ~ 75, and also result in a concomitant decrease in the viscosity of the rock matrix.

研究の動機と目的

• CO2含有流体注入が石灰岩リザーバーにおける圧力溶解クリープに与える影響を定量化すること。
• CO2溶解に伴う酸性化が炭酸塩鉱物の溶解・析出プロセスをどのように強化するかを理解すること。
• 上昇したCO2分圧が、地質的時間スケールにおける岩石の変形および空隙率の低下に与える影響を評価すること。
• 多孔質石灰岩における物質移動、流体化学、機械的コンパクションのカップリングをモデル化すること。
• 炭酸塩堆積物における長期的CO2貯蔵容量およびリザーバーの整合性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 流体化学、物質移動、岩石変形の相乗的相互作用を模擬するための2次元数値モデルを開発した。
• 高応力の粒子接触部での溶解と、低応力の空隙部での析出を組み込み、粒間圧力溶解クリープ（IPS）を表現した。
• 化学反応はpHおよびCO2分圧によって支配され、溶解速度は炭酸塩の溶解度および流体の拡散係数に依存する。
• 異なるCO2分圧下での時間経過に伴う空隙率、流体化学、応力分布の変化を追跡した。
• 沈殿および溶解に伴う空隙率および鉱物学的変化に応じ、岩石の粘性を動的に再計算した。
• CO2含有条件下での累積的コンパクションおよび透水率の変化を評価するため、長時間スケールでのシミュレーションを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CO2分圧の上昇は、石灰岩における圧力溶解クリープの速度にどのように影響するか？
• RQ2 CO2由来の酸性化は、炭酸塩鉱物における溶解・析出プロセスにどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 CO2含有流体の存在は、特にその粘性に影響を与える岩石マトリックスの機械的特性をどのように変化させるか？
• RQ4 CO2固定は、石灰岩リザーバーにおける空隙率の低下およびコンパクションをどの程度加速するか？
• RQ5 上昇したCO2分圧下で、リザーバーの整合性およびCO2貯蔵容量に長期的にどのような影響が生じるか？

主な発見

• 溶解CO2の高分圧（最大30 MPa）は、石灰岩における圧力溶解クリープ速度を50〜75倍に増加させる。
• コンパクションレートの増加は、CO2由来の酸性化に起因する流体反応性の上昇と直接関連している。
• 高CO2条件下では岩石マトリックスの粘性が顕著に低下し、機械的挙動における緩みの効果が示唆される。
• 粒子接触部での溶解促進および空隙部での析出により、空隙率の低下が加速される。
• 化学的変化と機械的変形の強いカップリングがモデルで予測され、長期的リザーバー安定性に影響を与える。
• これらの影響は、CO2固定の過程で、コンパクションの加速および貯蔵容量の損失の重大なリスクを示唆している。