Wpływ oddziaływania CO2 na dynamiczne parametry geomechaniczne w systemie geotermalnym

• Autorzy: Moska Rafał

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2023.03.06

Warianty tytułu

EN

CO2 influence on the rock dynamic elastic parameters in geothermal system

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Sekwestracja CO2 w formacje geologiczne wiąże się z szeregiem zjawisk fizycznych mających wpływ na strukturę skały, takich jak m.in. absorpcja CO2 przez matrycę skalną, a także wytwarzanie w solankach złożowych kwasu węglowego, mającego zdolność rozpuszczania węglanów. Zjawiska te mogą powodować zmniejszenie sztywności skał i w konsekwencji wpływać na zmianę warunków geomechanicznych w górotworze, ze szczególnym uwzględnieniem stref przyotworowych. Mogą także powodować zmniejszenie funkcji uszczelniającej skał nadkładu. Skały zróżnicowane pod względem składu mineralnego oraz warunków depozycji (ciśnienia, temperatury, obecności mediów porowych) mogą wykazywać charakterystyczne cechy zwiększonej lub zmniejszonej odporności na kontakt z CO2. W pracy zostały przedstawione laboratoryjne badania przypadków oddziaływania CO2 na piaskowce o spoiwie węglanowym oraz ilastym podczas hipotetycznej sekwestracji do poziomu zbiornikowego jednego z polskich złóż geotermalnych. Wyznaczono wpływ obecności mediów porowych zawierających CO2 (rozpuszczony w solance złożowej oraz w stanie nadkrytycznym) w skałach na ich właściwości geomechaniczne – dynamiczne parametry sprężystości. Po trzymiesięcznym okresie ekspozycji na CO2 w przypadku każdej z próbek zanotowano spadek prędkości fal sprężystych – zarówno P, jak i S, co jest potwierdzeniem danych literaturowych. Moduły Younga, odkształcenia postaci i objętości mierzonych próbek po ekspozycji na CO2 obniżyły się w zależności od konkretnego przypadku od kilku do kilkudziesięciu procent w stosunku do wartości wyjściowych. Zaobserwowano też zmiany we współczynniku Poissona. Efekt ten może być wyjaśniony osłabieniem szkieletu skalnego próbek przez oddziaływanie kwasu węglowego powstałego w wyniku rozpuszczenia CO2 w solance na spoiwo węglanowe oraz oddziaływaniem nadkrytycznego CO2 na minerały ilaste. Pomimo niewielkiej próby reprezentatywnej użytej w testach można stwierdzić, że ekspozycja na CO2 badanych piaskowców powoduje wyraźne zmniejszenie ich sztywności.

EN

CO2 sequestration in geological formations is related to a number of phenomena in the rock structure, such as absorption of CO2 by the rock matrix, as well as the production of carbonic acid in reservoir brines, capable of dissolving carbonates. These effects can cause a decrease in rock stiffness and change of rock-mechanics conditions especially in the near-borehole zones. They can also reduce the sealing function of the overburden rocks. Different types of rocks varying in mineral composition and deposition conditions (pressure, temperature, pore media) may show characteristic features of increased or decreased resistance to CO2. This paper deals with laboratory case study of the effect of CO2 on carbonate- and clay-cemented sandstones during the hypothetical sequestration to the reservoir level of one of the Polish geothermal deposits. The influence of the presence of pore media containing CO2 (dissolved in reservoir brine and a supercritical CO2) in the rocks on their rock-mechanics properties – dynamic elasticity parameters – was determined. After a 3-month exposure to CO2, a decrease in the velocity of both P and S waves was observed for each of the samples. Decrease of the Young's, bulk and shear moduli of all measured samples after exposure to CO2 were also observed, depending on a sample, by a few to several dozen % in relation to the initial values. Changes in Poisson’s ratio were also observed. These effects can be explained by the weakening of the sample’s matrix, by action of the carbonic acid formed by dissolving of CO2 in brine, and the action of supercritical CO2 on clay minerals. Despite the small representative sample used in the tests, it can be concluded that the exposure to CO2 of the tested sandstones causes a significant reduction in their stiffness.

Słowa kluczowe

PL

sekwestracja CO2; geomechanika; moduł Younga; współczynnik Poissona; moduł sprężystości dynamiczny; badania laboratoryjne; geotermia

EN

CO2 sequestration; rock mechanics; Young’s modulus; Poisson’s ratio; dynamic elastic moduli; laboratory tests; geothermics

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 79, nr 3
• Strony: 199--212
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz.

Twórcy

autor

Moska Rafał

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Agofack N., Lozovyi S., Bauer A., 2018. Effect of CO2 on P- and S-wave velocities at seismic and ultrasonic frequencies. International Journal of Greenhouse Gas Control, 78: 388–399. DOI: 10.1016/j.ijggc.2018.09.010.
• Al-Ameri W.A., Abdulraheem A., Mahmoud M., 2016. Long-Term Effects of CO2 Sequestration on Rock Mechanical Properties. Journal of Energy Resources Technology, 138: 012201-1. DOI: 10.1115/1.4032011.
• Alemu B., Aker E., Sodal M., Johnsen O., Agaard P., 2011. Influence of CO2 on rock physics properties in typical reservoir rock: A CO2 flooding experiment of brine saturated sandstone in a CT-scanner. Energy Procedia, 4: 4379–4386. DOI: 10.1016/j.egypro.2011.02.390.
• Choi C.-S., Kim J., Song J.-J., 2021. Analysis of shale property changes after geochemical interaction under CO2 sequestration conditions. Energy, 214: 118933. DOI: 10.1016/j.energy.2020.118933.
• Choi C.-S., Song J.-J., 2012. Swelling and Mechanical Property Change of Shale and Sandstone in Supercritical CO2. Tunnel and Underground Space, 22(4): 266–275. DOI: 10.7474/TUS.2012.22.4.266.
• Ciężkowski W., Duliński W., Józefko I., Kiełczawa B., Liber-Madziarz E., Witczak S., Zuber A., Żak S., 2002. Występowanie, dokumentowanie i eksploatacja endogenicznego dwutlenku węgla w Polsce. Ministerstwo Środowiska, Departament Geologii i Koncesji Geologicznych, Wrocław.
• Credos A., Bildstein O., Julien M., Rayn J., Petronin J.C., Lilo M., Pozo C., Geniaut G., 2009. Experimental and modeling study of geochemical reactivity between clayey caproks and CO2 in geological storage conditions. Energy Procedia, 1: 3445–3452.
• Elwegaa K., Emadi H., Soliman M., Gamadi T., Elsharfi M., 2019. Improving oil recovery from shale oil reservoirs using cyclic cold carbon dioxide injection – An experimental study. Fuel, 254: 115586. DOI: 10.1016/j.fuel.2019.05.169.
• Gaus I., 2010. Role and impact of CO2–rock interactions during CO2 storage in sedimentary rocks. International Journal of Greenhouse Gas Control, 4(1): 73–89. DOI: 10.1016/j.ijggc.2009.09.015.
• Gunter W.D., Wiwchar B., Perkins E.H., 1997. Aquifer disposal of CO2-rich greenhouse gases: extension of the time scale of experiment for CO2-sequestering reactions by geochemical modeling. Mineralogy and Petrology, 59: 121–140.
• Hangx S., van der Liden A., Marcelis F., Bauer A., 2013. The effect of CO2 on the mechanical properties of the Captain Sandstone: Geological storage of CO2 at the Goldeneye field (UK). International Journal of Greenhouse Gas Control, 19: 609–619. DOI: 10.1016/j.ijggc. 2012.12.016.
• Jarosiński M., 2005. Współczesny reżim tektoniczny w Polsce na podstawie analizy testów szczelinowania hydraulicznego ścian otworów wiertniczych. Przegląd Geologiczny, 53(10/1): 863–872.
• Liu E., He S., 2012. Effects of cyclic dynamic loading on the mechanical properties of intact rock samples under confining pressure conditions. Engineering Geology, 125: 81–91. DOI: 10.1016/j.enggeo.2011.11.007.
• Liu H., Hou Z., Were P., Gou Y., Xiong L., Sun C., 2014. Modelling CO2-brine-rock interactions in the Upper Paleozoic formations of Ordos Basin used for CO2 sequestration. Environmental Earth Sciences, 73(5): 2205–2222. DOI: 10.1007/s12665-014-3571-4.
• Lu Y., Chen X., Tang J., Li H., Zhou L., Han S., Ge Z., Xia B., Shen H., Zhang J., 2019. Relationship between pore structure and mechanical properties of shale on supercritical carbon dioxide saturation. Energy, 172: 270–285. DOI: 10.1016/j.energy.2019.01.063.
• Lyu Q., Long X., Ranjith P.G., Tan J., Kang Y., Wang Z., 2018. Experimental investigation on the mechanical properties of a low-clay shale with different adsorption times in sub-/super-critical CO2. Energy, 147: 1288–1298. DOI: 10.1016/j.energy.2018.01.084.
• Lyu Q., Ranjith P.G., Long X., Ji B., 2016. Experimental Investigation of Mechanical Properties of Black Shales after CO2-Water-Rock Interaction. Materials, 9: 663. DOI: 10.3390/ma9080663.
• Moska R., 2017. Laboratoryjne badania akustyczne skał pod kątem potrzeb hydraulicznego szczelinowania. Nafta-Gaz, 73(2): 38–46. DOI:10.18668/NG.2017.02.02.
• Moska R., 2021. Brittleness index of coal from the Upper Silesian Coal Basin. Acta Geodynamica et Geomaterialia, 18(1): 91–101. DOI:10.13168/AGG.2021.0007.
• Moska R., 2022. Wspomagane systemy geotermalne (EGS) jedną z możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Rynek Polskiej Nafty i Gazu, 17: 92–95.
• Moska R., Kasza P., Masłowski M., 2018. Rock anizotropy and brittleness from laboratory ultrasonic measurements in the service of hydraulic fracturing. Acta Geodynamica et Geomaterialia, 15(1): 67–76. DOI: 10.13168/AGG.2018.0005.
• Moska R., Labus K., Kasza P., 2021. Hydraulic Fracturing in Enhanced Geothermal Systems – Field, Tectonic and Rock Mechanics Conditions – A Review. Energies, 14(18): 5725. DOI: 10.3390/en14185725.
• Moska R., Labus K., Kasza P., Moska A., 2023. Geothermal Potential of Hot Dry Rock in South-East Baltic Basin Countries – A Review. Energies, 16(4): 1662. DOI: 10.3390/en16041662.
• Myer L.R., 2001. Laboratory Measurement of Geophysical Properties for Monitoring of CO2 Sequestration. 1st National Symposium on Carbon Sequestration, Morgantown, WV, May 14–17. Paper No. LBNL-47643.
• Niezgoda T., Miedzińska D., Sławiński G., 2018. Energia z głębokich pokładów gorących suchych skał (HDR) do poprawy bezpieczeństwa infrastruktury krytycznej Polski. Inżynieria Bezpieczeństwa Obiektów Antropologicznych, 3–4: 65–69.
• Peter A., Yang D., Eshiet K.I.-I.I., Sheng Y., 2022. A Review of the Studies on CO2–Brine–Rock Interaction in Geological Storage Process. Geosciences, 12: 168. DOI: 10.3390/geosciences12040168.
• Rørheim S., Bhuiyan M.H., Bauer A., Cerasi P.R., 2021. On the Effect of CO2 on Seismic and Ultrasonic Properties: A Novel Shale Experiment. Energies, 14: 5007. DOI: 10.3390/en14165007.
• Rutqvist J., 2012. The Geomechanics of CO2 Storage in Deep Sedimentary Formations. Geotechnical and Geological Engineering, 30:525–551. DOI: 10.1007/s10706-011-9491-0.
• Słota-Valim M., 2017. Predykcja ciśnień porowych w otworach wiertniczych przewiercających dolnopaleozoiczne formacje łupkowe basenu bałtyckiego – północna Polska. Nafta-Gaz, 73(4): 219–226. DOI: 10.18668/NG.2017.04.01.
• Sowiżdżał A., Gładysz P., Andresen T., Miecznik M., Frengstad B.S., Liszka M., Chmielowska A., Gawron M., Løvseth S.W., Pająk L.,
• Stenvik L.A., Tomaszewska B., 2021. CO2-enhanced geothermal systems for climate neutral energy supply. TCCS-11. Trondheim Conference on CO2 Capture, Transport and Storage Trondheim, Norway, June 21–23.
• Szuflita S., 2016. Badania laboratoryjne oddziaływania gazów kwaśnych na skałę zbiornikową w procesach sekwestracji CO2. Nafta-Gaz,72(7): 520–527. DOI: 10.18668/NG.2016.07.04.
• Ulusay R., Hudson J.A., 2007. The Complete ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 1974–2006. Commission on Testing Methods – ISRM, Ankara, Turkey.
• Wang Z., Cates M.E., Langan R.T., 1998. Seismic monitoring of a CO2 flood in a carbonate reservoir: A rock physics study. Geophysics, 63(5): 1604–1617. DOI: 10.1190/1.1444457.
• Wang Z., Nur A., 1989. Effects of CO2 Flooding on Wave Velocities in Rocks With Hydrocarbons. SPE Reservoir Engineering, 4(04): 429–436. DOI: 10.2118/17345-PA.
• Warnecki M., 2010. Rozpuszczalność CO2 i rodzimych gazów ziemnych w solance złożowej. Nafta-Gaz, 66(1): 19–26.
• Wójcicki A., Sowiżdżał A., Bujakowski W., 2013. Ocena potencjału bilansu cieplnego i perspektywicznych struktur geologicznych dla potrzeb zamkniętych systemów geotermicznych (Hot Dry Rocks) w Polsce. Ministerstwo Środowiska, Warszawa.
• Xue Z., Ohsumi T., Koide H., 2005. An experimental study on seismic monitoring of a CO2 flooding in two sandstones. Energy, 30(11–12):2352–2359. DOI: 10.1016/j.energy.2004.07.022.
• Yin H., Zhou J., Xian X., Jiang Y., Lu Z., Tan J., Liu G., 2017. Experimental study of the effects of sub- and super-critical CO2 saturation on the mechanical characteristics of organic-rich shales. Energy, 132: 84–95. DOI: 10.1016/j.energy.2017.05.064.
• Zhang S., Xian X., Zhou J., Zhang L., 2017. Mechanical behaviour of Longmaxi black shale saturated with different fluids: an experimental study. RSC Advances, 7: 42946. DOI: 10.1039/c7ra07179e.
• Zuchiewicz W., Badura J., Jarosiński M., 2007. Neotectonics of Poland: selected examples. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego,425: 105–128.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).