[논문 리뷰] Scaling up FluidFlower results for carbon dioxide storage in geological media

Anthony R. Kovscek, Jan M. Nordbotten외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 24.

CO2 Sequestration and Geologic Interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 유체플로우어 대규모 시각화 실험의 결과를 확장하여 지질학적 형성에서의 CO2 저장을 위한 척도 관계를 수립한다. 실험에서 1시간이 실제 저류지에서 수백 년에 해당하며, 주입 기간 동안 대류 혼합과 CO2-브라인 질량 이동이 빠르게 발생하여 점탄성 낟알 형성 시기의 도래를 크게 단축시키고 초기 혼합 및 용해를 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실험실 규모의 FluidFlower 실험 결과를 실제 지질학적 CO2 저장 형성으로 번역하는 척도 법칙을 수립하기 위해.
• 실험실 실험과 현장 규모 저류지 조건 간의 시간 척도를 정량화하기 위해, 특히 CO2 주입 및 대류 역학에 중점을 두고.
• 이주면 질량 이동과 비평형 효과가 이동 중 CO2의 브라인에 대한 용해에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 대표적인 저류지 조건 하에서 대류 혼합과 점탄성 낟알 형성 시기의 도래를 결정하기 위해.
• 혼합 및 용해가 주로 활성 CO2 주입 기간 동안 발생하는지 아니면 이후에 발생하는지 실험적 및 이론적 분석을 바탕으로 평가하기 위해.

제안 방법

• 불미분산성, 용해 가능한 CO2가 브라인을 밀어내는 것을 모델링하는 편미분 방정식을 유도하며, 국소 질량 이동 효과를 포함한다.
• 자유상 CO2의 이동이 대류에 의해 지배된다는 가정 하에 척도 분석을 적용하여 실험실과 현장 조건 간의 시간 척도를 설정한다.
• FluidFlower 설정에서의 실험 관측 결과를 활용하여 척도 관계를 정립하고 검증한다.
• 대류 혼합 도래 시간의 이론적 분석을 수행하고 주입 기간과 비교한다.
• 이주면 질량 이동을 중요한 비평형 과정으로 간주하여 브라인 상에서 CO2의 과포화를 고려한다.
• 하향 이동하는 CO2 손실의 도래 시간을 예측하고 주입 기간과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FluidFlower 실험의 시간 척도는 실제 지질학적 CO2 저장 형성으로 어떻게 척도화되는가?
• RQ2 대표적인 저류지 조건에서 대류 혼합과 점탄성 낟알 형성의 도래 시간은 무엇이며, 주입 기간과 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ3 CO2와 브라인 간의 이주면 질량 이동은 주입 기간 동안 혼합 역학에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 CO2는 얼마나 빨리 브라인에 용해되는가, 그리고 이 과정은 주로 주입 중에 발생하는가 아니면 이후에 발생하는가?
• RQ5 실험실 결과를 현장 규모 CO2 저장 운영으로 확장하기 위해 유도할 수 있는 척도 기준은 무엇인가?

주요 결과

• 자유상 CO2 이동이 대류에 의해 지배되는 바, FluidFlower 실험에서 1시간이 실제 지질학적 저장 형성에서는 약 수백 년에 해당한다.
• 하향 이동하는 CO2 손실의 도래 시간은 일반적으로 전체 CO2 주입 기간의 일부분에 해당하여 조기에 대류 혼합이 발생함을 시사한다.
• 이주면 질량 이동은 중요한 비평형 현상으로 작용하여 브라인 상에서 CO2 과포화가 급격히 발생하고 혼합이 향상된다.
• 실험적 및 이론적 결과는 대류 혼합과 용해가 주로 활성 CO2 주입 기간 동안 발생하며, 이후에는 그렇지 않음을 보여준다.
• 유도된 척도 기준은 실험실에서의 매개변수 및 운영 조건 변화를 현장 조건으로 신뢰성 있게 확장하는 데 기여한다.
• 예측 결과는 많은 경우에서 점탄성 낟알 형성 시기의 도래가 주입 기간보다 훨씬 짧다는 것을 확인하여 빠른 초기 혼합 및 용해를 뒷받침한다.