[論文レビュー] Scaling up FluidFlower results for carbon dioxide storage in geological media

Anthony R. Kovscek, Jan M. Nordbotten+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2023

CO2 Sequestration and Geologic Interactions被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、FluidFlowerの大規模な可視化実験の結果を拡張することで、地質的CO2貯留のためのスケーリング関係を確立する。実験で1時間の時間経過が、実際の貯留層では数世紀に相当し、注入中に対流混合とCO2- brine間の質量移動が急速に進行する。これにより、粘性指状不安定化の発生までの時間が著しく短縮され、初期の混合と溶解が促進される。

ABSTRACT

The partial differential equations describing immiscible, but soluble, carbon dioxide (CO2) displacement of brine are developed including local mass-transfer effects. Scaling relationships for characteristic time among laboratory and representative storage formation conditions are found upon assumption that free-phase CO2 transport during injection is dominated by convection. The implication is that an hour in the FluidFlower (large-scale visual model) scales to hundreds of years of elapsed time in the storage formation. The scaling criteria permit extrapolation of the effects of changes in parameters and operating conditions. Interphase mass transfer allows CO2 to saturate the brine phase and such mass transfer is a significant nonequilibrium phenomenon. Significant mixing of CO2 dissolved into formation brine with original brine is found experimentally and is also predicted. The magnitude of onset time for downward migrating fingers containing CO2 is typically only a fraction of the duration of CO2 injection and in general agreement with theoretical analysis in the literature. Predictions for onset time of convective mixing at representative storage formation conditions likewise teach that the onset time for viscous fingering is significantly less than the duration of CO2 injection in some cases. The implications of this observation include that mixing of CO2 with brine and the subsequent settling due to gravity are relatively rapid and coincide with the period of active CO2 injection.

研究の動機と目的

• 実験室スケールのFluidFlower実験結果を、実際の地質的CO2貯留形成に翻訳するスケーリング法則を確立すること。
• 実験室と現場スケールの貯留条件間での時間スケーリングを定量化すること、特にCO2注入と対流ダイナミクスに焦点を当てる。
• 移動中のCO2の水に溶解する際の界面間質量移動と非平衡効果の役割を調査すること。
• 代表的な貯留条件における対流混合と粘性指状不安定化の発生時刻を特定すること。
• 混合と溶解が、主にCO2注入中か、それ以降に発生するかを、実験的および理論的分析に基づいて評価すること。

提案手法

• 不混和性で可溶なCO2がブラインを置換する過程をモデル化する偏微分方程式を導出。局所的質量移動効果を含む。
• 自由相CO2移動が対流に支配されているものと仮定し、実験と現場条件間の時間スケーリングを可能にするスケーリング解析を適用。
• FluidFlower装置からの実験的観察を、スケーリング関係の構築と検証に活用。
• 対流混合の発生時刻の理論的分析を実施し、注入時間と比較。
• 界面間質量移動を顕著な非平衡プロセスとしてモデル化。ブライン相におけるCO2飽和度を考慮。
• 下向きに移動するCO2の指状の発生時刻を予測し、CO2注入時間と比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FluidFlower実験の時間スケールは、実際の地質的CO2貯留形成にどのようにスケーリングされるか？
• RQ2 代表的な貯留条件下での対流混合および粘性指状不安定化の発生時刻は何か。それは注入時間と比べてどうか？
• RQ3 CO2とブライン間の界面間質量移動は、注入中の混合ダイナミクスにどの程度影響を与えるか？
• RQ4 CO2はどの程度の速さでブラインに溶解するか。このプロセスは主にCO2注入中か、それ以降に発生するか？
• RQ5 実験結果を現場スケールのCO2貯留作業に拡張するためのスケーリング基準は何か？

主な発見

• 自由相CO2移動が対流に支配されているため、FluidFlower実験での1時間が、実際の地質的貯留形成では約数世紀に相当する。
• 下向きに移動するCO2の指状の発生時刻は、通常はCO2注入時間の一部にとどまるため、対流混合が早期に発生することが示された。
• 界面間質量移動は顕著な非平衡現象であり、ブライン相におけるCO2の急速な飽和と混合の促進をもたらす。
• 実験的および理論的結果から、対流混合と溶解は、主にCO2注入中に行われ、その後ではほとんど発生しないことが明らかになった。
• 導出されたスケーリング基準により、実験から現場条件へのパラメータおよび運用条件の信頼性のある拡張が可能になった。
• 予測結果は、多くの場合、粘性指状不安定化の発生時刻が注入時間よりも著しく短いことを確認しており、迅速な初期混合と溶解を支持する。