[论文解读] 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 4

一句话总结

本文通过扩展FluidFlower大规模可视化实验的结果，建立了地质构造中CO2封存的尺度关系。研究表明，实验中1小时的时长对应于实际储层中数百年的时长，且在注入过程中，对流混合与CO2-盐水质量传递迅速发生，显著缩短了黏性指流出现的时间，增强了早期混合与溶解。

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.

研究动机与目标

• 建立尺度定律，将实验室规模的FluidFlower实验结果转化为实际地质CO2封存构造中的结果。
• 量化实验室实验与现场规模储层条件之间的时序尺度关系，特别关注CO2注入与对流动力学。
• 研究CO2在驱替过程中向盐水相转移的界面质量传递及非平衡效应在CO2溶解中的作用。
• 确定在代表性储层条件下对流混合与黏性指流的起始时间。
• 基于实验与理论分析，评估混合与溶解主要发生在CO2注入期间还是之后。

提出的方法

• 推导描述不混溶、可溶CO2驱替盐水的偏微分方程，包括局部质量传递效应。
• 在自由相CO2传输主要由对流主导的假设下应用尺度分析，实现实验室与现场条件之间的时序尺度化。
• 利用FluidFlower装置的实验观测结果来指导并验证尺度关系。
• 结合理论分析对流混合起始时间，并与注入时长进行比较。
• 将界面质量传递建模为显著的非平衡过程，考虑盐水相中CO2的饱和度。
• 预测向下迁移的CO2指流的起始时间，并与CO2注入时长进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 FluidFlower实验中的时序尺度如何扩展到实际地质CO2封存构造？
• RQ2 在代表性储层条件下，对流混合与黏性指流的起始时间是什么？其与注入时长相比如何？
• RQ3 CO2与盐水之间的界面质量传递在注入期间对混合动力学的影响有多大？
• RQ4 CO2溶解到盐水中有多快？该过程主要发生在CO2注入期间还是之后？
• RQ5 可以推导出哪些尺度化标准，以实现从实验室结果到现场规模CO2封存作业的外推？

主要发现

• 由于CO2传输以对流为主导，FluidFlower实验中1小时的时长可对应于实际地质封存构造中约数百年的时长。
• 向下迁移的CO2指流的起始时间通常仅为总CO2注入时长的一小部分，表明对流混合在早期即已发展。
• 界面质量传递是一个显著的非平衡现象，导致盐水相中CO2迅速饱和，从而增强混合。
• 实验与理论结果表明，对流混合与溶解主要发生在CO2主动注入期间，而非之后。
• 所推导的尺度化标准可实现从实验室到现场条件的可靠参数与操作变化外推。
• 预测结果证实，在许多情况下，黏性指流的起始时间显著短于注入时长，支持了早期快速混合与溶解。