Nowe badania dotyczące magazynowania dwutlenku węgla w porowatych skałach
Techniki składowania dwutlenku węgla w geologii mogą odgrywać istotną rolę w naszych wysiłkach zmierzających do ograniczenia zagrożeń związanych z globalnym ociepleniem. Głównym założeniem tej technologii jest wychwytywanie emitowanego CO2 przed jego wejściem do atmosfery, a następnie przechowywanie go na dużej głębokości pod wysokim ciśnieniem, w porowatych skałach. „Wiedza o tym, jak struktura porów ewoluuje w czasie, ma kluczowe znaczenie dla bezpiecznego i efektywnego magazynowania dwutlenku węgla, ponieważ wpływa to na aspekty, takie jak integralność uszczelnień, możliwość wtłaczania CO2 i pojemność składowania geologicznego”, zauważa dr Yi Yang, stypendysta programu Marie Skłodowska-Curie, w ramach którego realizowany jest projekt OMNICS (Observing, Modelling and Predicting in situ Petrophysical Parameter Evolution in a Geologic Carbon Storage System). Postęp w tej dziedzinie polega na pokonywaniu wyzwań związanych z technologią charakteryzacji i zmniejszeniu wysokich kosztów obliczeniowych współczesnych metod modelowania. Badanie mechanizmu saturacji Projekt OMNICS skupił się na badaniu reakcji zachodzących między CO2, płynami złożowymi i minerałami w podziemnych zbiornikach geologicznych. „Mówiąc najprościej, szybkość rozpuszczania porowatej skały pod wpływem działania płynu zależy od jej rozpuszczalności i czasu trwania kontaktu z płynem. Im dłuższa interakcja między ciałami stałymi i płynami, tym bardziej płyn jest nasycony”, wyjaśnia dr Yang. W tym przypadku nasycenie odnosi się do ilości rozpuszczonego ciała stałego, które jest obecne w płynie. Wpływa to na zdolność płynu do przenoszenia skał w formie substancji rozpuszczonych; jeżeli wartość ta jest wysoka, szybkość rozpuszczania jest niska. Jak wyjaśnia dr Yang, , po wpompowaniu CO2 pod ziemię gaz zakwasza wodę i rozpuszcza minerały. Reaktywny płyn płynie w kierunku bardziej przepuszczalnego obszaru i rozpuszcza jego minerały, czyniąc go jeszcze bardziej przepuszczalnym. Bogaci się bogacą Takie samoczynne usprawnianie odprowadzania przepływu skutkuje spontaniczną kanalizacją płynu. Zjawisko to jest podobne do efektu św. Mateusza w socjologii, zgodnie z którym nierówność ekonomiczna prowadzi do mechanizmu „bogatsi się bogacą, a biedni ubożeją”. W tej analogii wodnisty CO2 to „majątek”, a niejednorodne właściwości petrofizyczne i chemiczne naturalnych porowatych materiałów stanowią nierówności. Podczas tego dynamicznego procesu niektóre cechy mikrostruktury determinują ostatecznie całe pole przepływu płynu. Rentgen w oczach Podstawowy mechanizm tego, w jaki sposób mieszanka kwaśnego gazu i wody powoduje erozję formacji skalnych, reprezentuje nowy scenariusz samoorganizacji w naturze i otwiera drogę dla projektu OMNICS. „Ideą jest wygenerowanie realistycznego obrazu ewolucji mikrostruktury skały, kiedy bogata w CO2 woda tworzy nowe kanały przepływowe”, zauważa dr Yang. W pierwszym etapie badacze zbudowali zbiornik testowy, w którym panowały warunki typowe dla zbiornika wodnego. Zastosowanie tomografii komputerowej z synchrotronem umożliwiło naukowcom obserwowanie ewolucji mikrostruktury naturalnych porowatych mediów w bardzo małych skalach. Przy pomocy obliczeniowej dynamiki płynów zespół mógł również prześledzić to, co „widzi” porowata powierzchnia, gdy przechodzi przez nią bogata w CO2 woda. Zastosowanie nowego modelu sieci reaktorów umożliwiło naukowcom zbadanie rozwoju sieci przepływowych w obszarach geologicznego składowania dwutlenku węgla. Pomogło im to powiązać cechy topologiczne i statystyczne sieci z jej zdolnością do „trawienia” antropogenicznego CO2. Jednak połączenie równań matematycznych ze strukturą tomograficzną nie obyło się bez przeszkód. Dużym problemem była kompensacja ogromnej ilości utraconych informacji podczas segmentowania danych w skali szarości. „W naszym modelu intensywności szarości służą do parametryzacji każdego woksela jako pojedynczego reaktora. W ten sposób model zachowuje informacje geometryczne pozyskane metodą obrazowania 3D i modyfikuje główne równania, aby zoptymalizować symulacje numeryczne”, wyjaśnia dr Yang. Model sieciowy reaktora może znacznie obniżyć koszty obliczeniowe przewidywania ewolucji struktur porowatych w czasie. Do tej pory badania prowadzone w ramach projektu OMNICS zaowocowały wydaniemczterech recenzowanych artykułów.
Słowa kluczowe
OMNICS, porowaty, CO2, skała, model sieci reaktora, magazyn dwutlenku węgla, nanotomografia z wykorzystaniem promieniowania rentgenowskiego
