[논문 리뷰] Numerical modeling of carbon dioxide sequestration on the rate of pressure solution creep in limestone: Preliminary results

François Renard, Elisabeth Gundersen외 3명|ArXiv.org|2008. 01. 03.

CO2 Sequestration and Geologic Interactions참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 2차원 수치 모델을 사용하여 이산화탄소 저장이 석회석에서 압력 용해 찍힘에 미치는 영향을 조사하며, 이산화탄소 부분압력이 높을수록(최대 30 MPa) 압축 속도가 50~75배 증가하고 암석 매트릭스의 점도가 감소함을 보여주어 장기적인 저류체 변형과 저장 용량에 크게 영향을 미친다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이산화탄소를 포함한 유체 주입이 석회석 저류체에서 압력 용해 찍힘에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 이산화탄소 용해로 인한 산성화가 탄산염 암석에서 용해-침전 과정을 어떻게 강화하는지 이해하는 것.
• 지질학적 시간 척도에서 높은 이산화탄소 부분압력이 암석 변형과 다공도 감소에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 다공성 석회석에서 질량 이동, 유체 화학, 기계적 압축 간의 상호작용을 모델링하는 것.
• 탄산염 성분에서 장기적인 이산화탄소 저장 용량과 저류체의 무결성에 대한 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 유체 화학, 질량 이동, 암석 변형 간의 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 2차원 수치 모델을 개발하였다.
• 고응력 영역의 입자 접촉면에서의 용해와 저응력 영역의 낮은 응력 틈새에서의 침전을 반영하여 입자 간 압력 용해 찍힘(IPS)을 모델링하였다.
• 화학 반응은 pH와 이산화탄소 부분압력에 의해 결정되며, 용해 속도는 탄산염의 용해도와 유체의 확산성에 의존한다.
• 다양한 이산화탄소 부분압력 하에서 시간에 따른 다공도 변화, 유체 화학, 응력 분포 변화를 추적하였다.
• 침전과 용해로 인한 다공도 및 광물학적 변화에 따라 암석 점도를 동적으로 재계산하였다.
• 장기적인 시간 척도에서 이산화탄소 농도가 높은 조건에서 누적 압축과 투과도 변화를 평가하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 높아진 이산화탄소 부분압력은 석회석에서 압력 용해 찍힘 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 이산화탄소 유도 산성화는 탄산염 암석에서 용해-침전 과정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이산화탄소를 포함한 유체의 존재는 특히 점도에 영향을 미쳐 암석 매트릭스의 기계적 성질을 어떻게 변화시키는가?
• RQ4 이산화탄소 저장은 석회석 저류체에서 다공도 감소와 압축을 얼마나 가속화하는가?
• RQ5 높은 이산화탄소 부분압력 하에서 장기적으로 저류체의 무결성과 이산화탄소 저장 용량에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 용해된 이산화탄소의 높은 부분압력(최대 30 MPa)은 석회석에서 압력 용해 찍힘 속도를 50배에서 75배까지 증가시킨다.
• 압축 속도 증가의 원인은 이산화탄소 유도 산성화로 인한 유체 반응성 증가와 직접적으로 연관되어 있다.
• 고이산화탄소 조건에서는 암석 매트릭스의 점도가 크게 감소하여 기계적 거동에 연약함 효과가 있음을 나타낸다.
• 입자 접촉면에서의 용해 증가와 틈새에서의 침전으로 인해 다공도 감소가 가속화된다.
• 모델은 화학적 변화와 기계적 변형 간의 강한 상호작용을 예측하며, 장기적인 저류체 안정성에 영향을 미친다.
• 이러한 효과들은 이산화탄소 저장 중에 압축이 가속화되고 저장 용량이 감소할 가능성이 크다는 것을 시사한다.