De nouvelles recherches sur le stockage de dioxyde de carbone dans les roches poreuses
Les techniques de stockage géologique de carbone peuvent jouer un rôle très important dans nos efforts pour limiter les risques posés par le réchauffement planétaire. L’idée derrière cette technologie est de capturer le CO2 émis avant qu’il ne rentre dans l’atmosphère, puis le stocker en profondeur à haute pression à l’intérieur de roches poreuses. «Savoir comment la structure poreuse évolue avec le temps est essentiel pour stocker le carbone d’une façon sûre et efficace, car cela affecte l’intégrité de l’étanchéité, la possibilité d’injecter du CO2 et la capacité de stockage d’un site géologique», signale le Dr Yi Yang, membre fondateur du projet OMNICS (Observing, Modelling and Predicting in situ Petrophysical Parameter Evolution in a Geologic Carbon Storage System), un projet de l’action Marie Skłodowska-Curie. Les progrès dans ce domaine dépendent de la capacité à surmonter les défis liés à la caractérisation et à réduire les coûts computationnels élevés des approches de modélisation actuelles. Étude du mécanisme de saturation OMNICS s’est concentré sur l’étude des réactions qui ont lieu entre le CO2, les liquides et les minéraux dans les réservoirs géologiques souterrains. «Pour faire simple, la vitesse à laquelle la roche poreuse se dissout au contact d’un liquide dépend de sa solubilité et de la durée pendant laquelle ils ont été en contact. Plus l’interaction entre les éléments solides et liquides est longue, plus le liquide se trouve près d’un état saturé», explique le Dr Yang. Ici, le terme «saturation» fait référence à la quantité de solide dissous présente dans un fluide en circulation. Cela affecte la capacité du liquide à transporter des roches sous forme de solutés; si la valeur de saturation est élevée, cela ralentit le taux de dissolution. Comme l’explique le Dr Yi Yang, une fois que le CO2 est pompé dans le sous-sol, le gaz acidifie l’eau et dissout les minéraux. Le liquide réactif s’écoule à travers la zone la plus perméable et en dissout les minéraux, ce qui la rend encore plus perméable. Les riches deviennent plus riches Cette autoamélioration du débit a pour résultat une canalisation spontanée du liquide. Ce phénomène est semblable à l’effet Matthieu en sociologie, lorsqu’une inégalité économique conduit à un mécanisme du type «les riches deviennent plus riches et les pauvres plus pauvres». Dans cette analogie, le CO2 aqueux représente la «fortune» et les hétérogénéités chimiques et pétrophysiques inhérentes aux matériaux poreux naturels représentent les inégalités. Pendant ce processus dynamique, certaines caractéristiques microstructurales déterminent, à terme, tout le champ d’écoulement du liquide. Vision à rayon X Le mécanisme sous-jacent qui explique comment ce mélange de gaz acide et d’eau érode les formations rocheuses représente un nouveau scénario d’auto-organisation dans la nature et ouvre la voie pour OMNICS. «L’idée est de générer des images réalistes de l’évolution de la microstructure des roches, tandis que l’eau riche en CO2 forme de nouveaux canaux de circulation», explique le Dr Yang. Dans un premier temps, les chercheurs ont construit une cuve-échantillon qui reproduit les conditions typiques d’un réservoir. L’utilisation d’une tomographie aux rayons x synchrotron a permis aux chercheurs d’observer l’évolution de la microstructure des milieux poreux naturels à des échelles très petites. À l’aide d’une dynamique des fluides computationnelle, l’équipe a également pu suivre ce que «voit» la surface poreuse à mesure que l’eau riche en CO2 traverse l’architecture poreuse. L’utilisation d’une nouvelle modélisation par réseaux de réacteurs a permis aux chercheurs d’étudier l’évolution des réseaux de flux dans le stockage géologique du carbone. Cela les a aidés à faire le lien entre les caractéristiques statistiques et topologiques du réseau et sa capacité à «digérer» le CO2 anthropique. Cependant, combiner les équations mathématiques avec la structure tomographique a comporté sa part de défis. Un des plus importants a été de compenser la grande quantité d’informations perdues lors de la segmentation des données en niveaux de gris. «Dans notre modèle, les intensités en niveaux de gris sont utilisées pour paramétrer chaque voxel en tant que réacteur individuel. De cette façon, le modèle conserve les informations géométriques accessibles par imagerie 3D et modifie les équations déterminantes afin d’optimiser les simulations numériques», explique le Dr Yang. La modélisation par réseaux de réacteurs peut réduire de façon significative les coûts computationnels pour prédire l’évolution des structures poreuses avec le temps. Jusqu’à présent, les recherches d’OMNICS ont fait l’objet de quatre articles publiés dans des revues à comité de lecture.
Mots‑clés
OMNICS, poreux, CO2, roche, modélisation par réseaux de réacteurs, stockage de carbone, nanotomodensitométrie
