Evaluation of the Impact of Aqueous Phase Salinity on Carbon Dioxide Mineralization during Gas Sequestration

Document Type : Original Article

Authors
Bright Bariakpoa Kinate 1
Ugwunna Dickson Amadi 2
Olalekan Kunle Akindele 3
Jeremiah Ifeanyi Okoroma 1
1 Department of Petroleum Engineering, Faculty of Engineering, Rivers State University, Port Harcourt, Nigeria
2 Department of Petroleum and Gas,University of Salford, Manchester, United Kingdom
3 Department of Data Science, Artificial Intelligence and Modeling, University of Hull, United Kingdom
20.1001.1/jgt.2024.2033713.1042
Abstract
Aqueous phase salinity has a major effect on the quantity of carbon dioxide trapped by solubility trapping and may also affect mineral dissolution and precipitation. While carbon dioxide storage through structural, residual, dissolution and partly mineral trapping modes have a wide investigation, the mineral trapping potential and its influencing factors have not been explored. In this work, the effects of variable aqueous phase salinity on carbon dioxide mineralization were investigated. Numerical simulations were done using a geochemical simulator and three-dimensional homogeneous aquifer model of dimensions 30×30×10 (9000 grid blocks) and block width of 70 m was built. The generated grid was populated with petrophysical, grid and rock properties. Four models with similar rock and fluid characteristics were simulated for pure water and different salinity of 0.01 wt (10000 ppm), 0.015 wt (15000 ppm) and 0.02 wt (20000 ppm) respectively. Result shows a decrease in the moles of carbon dioxide solubilized with an increase in brine salinity level. Increase in brine salinity decreases the moles of carbon dioxide converted to aqueous ions and dissolution in resident brine. There was an increase in the rate of Kaolinite precipitation, Calcite precipitation and a decrease in the rate of Anorthite dissolution with increase in duration of carbon dioxide injection. The mineral mole changes for Anorthite increases with level of salinity and decreases with duration of carbon dioxide injection. Moreover, Calcite and Kaolinite mineral moles changes decreases with level of salinity and with duration of carbon dioxide injection. Calcite and Kaolinite decreases as aqueous phase salinity increases. This work has shown that formation minerals has different reactivity to salinity concentration which decides carbon dioxide trapping and storage capacity.

Keywords

Subjects

Article Title Persian

ارزیابی تأثیر شوری فاز آبی بر معدنی شدن دی‌اکسید کربن در طول فرآیند ذخیره‌سازی گاز

Authors Persian

برایات بریاکپوآ کیناته 1
اوگونا دیکسون آمادی 2
اولالکان کونل آکیندله 3
جرمیاه ایفئانی اکرومه 1
1 گروه مهندسی نفت، دانشکده فنی، دانشگاه ایالتی ریورز، پورت هارکورت، نیجریه
2 گروه نفت و گاز، دانشگاه سالفورد، منچستر، انگلستان
3 گروه علوم داده، هوش مصنوعی و مدل‌سازی، دانشگاه هال، انگلستان
Abstract Persian

در این پژوهش، تأثیر شوری فاز آبی بر فرآیند معدنی شدن دی‌اکسید کربن بررسی شده است. شوری فاز آبی تأثیر قابل توجهی بر میزان دی‌اکسید کربن به دام افتاده از طریق مکانیزم انحلالی دارد و همچنین ممکن است بر فرآیندهای انحلال و رسوب‌گذاری مواد معدنی تأثیر بگذارد. در حالی که روش‌های مختلف ذخیره‌سازی دی‌اکسید کربن از جمله ذخیره‌سازی ساختاری، باقیمانده، انحلالی و تا حدی معدنی به طور گسترده مطالعه شده‌اند، پتانسیل به دام‌اندازی معدنی و عوامل مؤثر بر آن کمتر مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
در این تحقیق، تأثیر تغییرات شوری فاز آبی بر معدنی شدن دی‌اکسید کربن از طریق شبیه‌سازی عددی بررسی شده است. این شبیه‌سازی با استفاده از یک شبیه‌ساز ژئوشیمیایی و یک مدل سه‌بعدی همگن از یک آبخوان با ابعاد ۱۰×۳۰×۳۰ (۹۰۰۰ بلوک شبکه‌ای) و عرض هر بلوک ۷۰ متر انجام شده است. شبکه تولید شده با ویژگی‌های پتروفیزیکی، شبکه‌بندی و خصوصیات سنگی پر شده است. چهار مدل با خصوصیات سنگ و سیال مشابه برای شرایط آب خالص و شوری‌های مختلف  wt (10000ppm) ۰/۰۱ ، wt (15000ppm) ۰/۰۱۵،  و  wt (20000ppm) ۰/۰۲ به ترتیب شبیه‌سازی شدند.
نتایج نشان داد که با افزایش شوری آب شور، میزان دی‌اکسید کربن حل‌شده کاهش می‌یابد. افزایش شوری باعث کاهش مول‌های دی‌اکسید کربن تبدیل‌شده به یون‌های محلول در آب و کاهش میزان انحلال در آب موجود می‌شود. همچنین، با افزایش مدت زمان تزریق دی‌اکسید کربن، نرخ رسوب‌گذاری کائولینیت و کلسیت افزایش یافته، در حالی که نرخ انحلال آنورتیت کاهش می‌یابد. تغییرات مولی مواد معدنی در مورد آنورتیت با افزایش سطح شوری افزایش یافته اما با افزایش مدت زمان تزریق دی‌اکسید کربن کاهش می‌یابد. از سوی دیگر، تغییرات مولی کلسیت و کائولینیت با افزایش سطح شوری و مدت زمان تزریق کاهش پیدا می‌کند. به طور کلی، با افزایش شوری فاز آبی، مقدار کلسیت و کائولینیت کاهش می‌یابد.
این مطالعه نشان داده است که واکنش‌پذیری مواد معدنی تشکیل‌دهنده مخزن نسبت به غلظت شوری متفاوت است که این امر نقش تعیین‌کننده‌ای در ظرفیت ذخیره‌سازی و به دام‌اندازی دی‌اکسید کربن دارد.

Keywords Persian

معدنی شدن
انحلال
مدل آبخوان
شوری فازی
ذخیره‌سازی
Abas, N., and Khan, N. (2014). Carbon conundrum, climate change, CO2 capture and consumptions. Journal of CO2 Utility, 8, 39-48.
Al-Yaseri, A. Z., Lebedev, M., Barifcani, A., and Iglauer, S. (2016). Receding and advancing (CO2 + brine + quartz) contact angles as a function of pressure, temperature, surface roughness, salt type and salinity. The Journal of Chemical Thermodynamics, 93, 416-423.
Al-khdheeawi, E.A., Vialle, S., Barifcani, A., Sarmadivaleh,M.and Iglauer,S. (2017). Effect of brine salinity on CO2 plume migration and trapping capacity in deep saline aquifers.APPEA J ,57,100-109.
Al-khdheeawi,E.A, Vialle, S.,Barifcani, A.,Sarmadivaleh,M., Zhang,Y.,and Iglauer,S.(2018).Impact of salinity on CO2 containment security in highly heterogeneous reservoirs.Greenhouse Gases Sci Technol,8(1),93-105.
Arif, M., Al-Yaseri, A. Z., Barifcani, A., Lebedev, M., and Iglauer, S. (2016a). Impact of pressure and temperature on CO2-brine-mica contact angles and CO2-brine interfacial tension: implications for carbon geo-sequestration. Journal of Colloid and Interface Science, 462, 208-215.
Bachu, S. (2016). Review of CO2 Storage Efficiency in Deep Saline Aquifers. International Journal of Greenhouse Gas Control, 40, 188-202.
Gaus, I. (2010). Role and impact of CO2-rock interactions during CO2 storage in sedimentary rocks. International Journal of Greenhouse Gas Control, 4, 73-89.
Gunter, W. D., Bachu, S., and Benson, S. (2004). the role of hydrogeological and Geochemical trapping in sedimentary basins for secure geological storage of carbon dioxide. In: Geological Society of London, Special Publication, 233, 129-45.
Hesse, M., Orr, F., and Tchelepi, H. (2008). Gravity currents with residual trapping. Journal of Fluid Mechanics, 611(1), 35-60.
Iglauer, S., Al-Yaseri, A. Z., Rezaee, R., and Lebedev, M. (2015). CO2 wettability of caprocks:Implications for structural storage capacity and containment security.Geophysical Research Letters, 42(21), 9279-9284.
Iglauer, S., Paluszny, A., Pentland, C. H., and Blunt, M. J. (2011). Residual CO2 imaged with X- ray micro-tomography. Geophysical Research Letters, 38(21), 1-6.
Kolster, C., Agada, S., Mac Dowell, N., and Krevor, S. (2018). The impact of time-varying CO2 injection rate on large scale storage in the UK Bunter Sandstone. International Journal of Greenhouse Gas Control, 68, 77-85.
Krevor, S., Blunt, M. J., Benson, S. M., Pentland, C. H., Reynolds, C., Al-Menhali, A., and Niu, B. (2015). Capillary trapping for geologic carbon dioxide storage - from pore scale physics to field scale implications. International Journal of Greenhouse Gas Control, 40, 221-237.
Kumar, A., Noh, M. H., Ozah, R. C., Pope, G. A., Bryant, S. L., Sepehrnoori, K., and Lake, L.W. (2005). Reservoir simulation of CO2 storage in aquifers. SPE Journal, 10(3), 336-348.
Kumar, R., Campbell,S., Sonnenthal, E.,andCunningham,J.(2020). Effect of brine salinity on the geological sequestrationof CO2 in a deep saline carbonate formation.Greenhouse Gas Sci Technol, 0,1-17.
Liu, B., Fu, X., and Li, Z. (2018). Impacts of CO2-brine-rock interaction on sealingefficiency of sand caprock: a case study of Shihezi formation in Ordos basin. Advances in Geo-Energy Research, 2, 380-392.
Naylor, M., Wilkinson, M., and Haszeldine, R. (2011). Calculation of CO2 column heights in depleted gas fields from known pre-production gas column heights. Marine Petroleum Geology, 28(5), 1083-1093.
Olajire, A. A. (2018). Recent progress on the nanoparticles-assisted greenhouse carbon dioxide conversion processes. Journal of CO2 Utility, 24, 522-547.
Pentland, C. H., El-Maghraby, R., Iglauer, S., and Blunt, M. J. (2011). Measurements of the capillary trapping of super-critical carbon dioxide in Berea sandstone. Geophysical Research Letters, 38(6), 1-4.
Pruess, K., Xu, T., Apps, J., and Garcia, J. (2003). Numerical modelling of aquifer disposal of CO2. SPE Journal, 8(1), 49-60.
Rahman, T., Lebedev, M., Barifcani, A., and Iglauer, S. (2016). Residual trapping of supercritical CO2 in oil-wet sandstone. Journal of Colloid and Interface Science, 469, 63- 68.
Saraji, S., Piri, M., and Goual, L. (2014). The effects of SO2 contamination, brine salinity,pressure, and temperature on dynamic contact angles and interfacial tension of supercritical CO2/brine/quartz systems. International Journal of Greenhouse Gas Control, 28, 147-155.
Singh, H. (2018). Impact of four different CO2 injection schemes on extent of reservoir pressure and saturation. Advances in Geo-Energy Research, 2, 305-318.
Spycher, N., Pruess, K., and Ennis-King, J. (2003). CO2-H2O mixtures in the geological sequestration of CO2. Assessment and calculation of mutual solubilities from 12 to 100 °C and up to 600bar. Geochimica et Cosmochimica Acta, 67(16), 3015-3031.
Venkatraman, V., and Alsberg, B. K. (2017). Predicting CO2 capture of ionic liquids using machine learning. Journal of CO2 Utility, 21, 162-168.
Xu, T., Apps, J. A., and Pruess, K. (2003). Reactive geochemical transport simulation to study mineral trapping for CO2 disposal in deep arenaceous formations. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 108(B2), 1-13.
Xu, T., Apps, J. A., and Pruess, K. (2004). Numerical simulation of CO2 disposal by mineral trapping in deep aquifers. Applied Geochemistry, 19(6), 917-936.
Xu, T., Apps, J. A., and Pruess, K. (2005). Mineral sequestration of carbon dioxide in a sandstone-shale system. Chemical Geology, 217(3), 295-318.
Zhang, Y., Lebedev, M., Sarmadivaleh, M., Barifcani, A., and Iglauer, S. (2016). Swelling-induced changes in coal microstructure due to supercritical CO2 injection. Geophysical Research Letter 43(17), 9077-9083.
Journal of Gas Technology
Volume 9, Issue 1 - Serial Number 12
September 2024
Pages 5-18