Numerical Modeling of the Effect of Carbon Dioxide Sequestration on the Rate of Pressure Solution Creep in Limestone: Preliminary Results

Abstract

Résumé -Simulation numérique de l'effet du stockage souterrain de dioxyde de carbone sur la déformation des calcaires par dissolution sous contrainte : résultats préliminaires -Lors de l'injection de dioxyde de carbone dans un réservoir déplété ou dans un aquifère, la dissolution du CO 2 dans l'eau de formation produit une acidification. Ce phénomène accélère les réactions de dissolutionprécipitation avec la matrice rocheuse, et par conséquent, peut modifier notablement les propriétés mécaniques et hydrauliques des roches. De tels effets sont particulièrement importants dans les calcaires pour lesquels la solubilité et la réactivité des minéraux dépendent directement du pH, qui est lié à la pression partielle de CO 2 . Le mécanisme de déformation par dissolution-précipitation sous contrainte est contrôlé par un couplage entre des processus de dissolution et de précipitation des minéraux et une déformation macroscopique de la matrice. Ce mécanisme implique une dissolution aux joints de grains où la contrainte normale est élevée, une diffusion de la matière dissoute dans le fluide intergranulaire, et une précipitation de matière dans les pores où la pression est plus faible. Cela induit une compaction de la roche et une diminution de porosité contrôlées à la fois par l'indentation des grains et par la précipitation dans les pores. La percolation de fluides riches en CO 2 tend à accélérer la compaction et peut ainsi modifier les propriétés mécaniques du réservoir à long terme. Dans cet article, nous avons cherché à quantifier ce processus à l'aide d'un modèle numérique 2D qui couple les processus de dissolution et de précipitation à l'échelle des grains avec des transferts de matière à une échelle plus importante (quelques décimètres). Nous montrons que des pressions élevées de CO 2 (jusqu'à 30 MPa) accélèrent la vitesse de compaction des roches calcaires d'un facteur ∼50 à ∼75 et diminuent aussi leur viscosité. Abstract

CO2 geological storage — Geotechnical implications

“…Calcite: 1.6-to-3.2×10 −5 mol · m −2 s −1 (Brosse et al, 2005) · Faster than aluminosilicates · Solubility depends on T, P, Salinity, ionic concentration, and pH · Dissolution rate is fast, but overall amount of reaction is small · Results in pH from 3 to 5 Sources: (a) (Drever, 1997); (b) (Li et al, 2006); (c) (Algive et al, 2009;Fredd and Fogler, 1998;Renard et al, 2005;Stumm and Morgan, 1996) D. N. Espinoza, S. H. Kim, and J. C Table 2 summarizes representative chemical reactions, typical reaction rates and related comments. The equilibrium constant for dissolution reaction denotes the concentration of produced species relative to the concentration of reactant species at steady state conditions, i.e., a function of mineral solubility.…”

“…(Stumm and Morgan, 1996). Furthermore, the reaction rate of minerals in CO 2 -water depends on temperature, pressure (i.e., CO 2 solubility and pH), and the concentration of other species (Algive et al, 2009;Fredd and Fogler, 1998;Pokrovsky et al, 2005;Renard et al, 2005). Dissolution rates for calcite CaCO 3 , anorthite CaAl 2 Si 2 O 8 , and kaolinite Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 are plotted as a function of pH in Fig.…”

Compaction creep of wet granular calcite by pressure solution at 28°C to 150°C

“…Compaction by IPS is achieved by stress-driven dissolution of material from grain contacts that comprise the load-bearing framework of the aggregate. The dissolved material is transported out of the contacts by diffusion through a fluid film or a microscale channel network at the grain boundary, and then precipitated on the pore walls or removed from the system by long-range advection or diffusion [Lehner, 1990[Lehner, , 1995Renard et al, 1997Renard et al, , 2000Renard et al, , 2005Zubtsov et al, 2005]. In this way, IPS plays a key role in the reduction of porosity and permeability of rocks under diagenetic and low-grade metamorphic conditions, exerting important controls on the quality of hydrocarbon reservoirs, sealing capacity of reservoirbounding faults, and evolution of the strength properties of fault zones .…”

Gas-Water-Rock Interactions Induced by Reservoir Exploitation, CO2 Sequestration, and Other Geological Storage

“…A second group of articles, [16][17][18], focuses on the question of model calibration, or validation, that can be drawn from well defined experiments. Finally, papers [19][20][21][22][23] present new or improved modelling tools from a very large range of topics, from liquid-vapour equilibria to more prospective future ab initio molecular calculations, through activity corrections, coupling between chemistry and mechanics, and solid solutions. …”