Multi-phase, multi-species reactive transport modeling as a tool for system analysis in geological carbon dioxide storage

  • Mehrphasen-Mehrkomponenten-Strömungsmodellierung als Werkzeug für die Systemanalyse geologischer Speicherung von Kohlenstoffdioxid

Naderi Beni, Ali; Clauser, Christoph (Thesis advisor)

1. Aufl.. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen Univ. (2011)
Doktorarbeit

In: E.On Energy Research Center / E.ON Energy Research Center <Aachen> 2 : GGE - Applied geophysics and geothermal energy
Seite(n)/Artikel-Nr.: XIV, 143 S. : Ill., graph. Darst., Kt.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Kurzfassung

Die geologische Speicherung von Kohlendioxid (CO2) wird weltweit als eine mögliche Maßnahme untersucht, um die CO2-Emission in die Atmosphäre zu reduzieren. In diesem Zusammenhang stellen Reservoirmodellierungen ein Schlüsselelement zur Bewertung von CO2-Testeinspeisungen dar, indem sie sowohl quantitative als auch qualitative Vorhersagen des Reservoirverhaltens ermöglichen. Ein erfolgreicher Einsatz dieser Methoden hängt von der Fähigkeit ab, das physikalische Verhalten des in den Untergrund injizierten CO2 vorherzusagen. Ein besseres Verständnis der Sequestrierungs- und Migrationsprozesse ermöglicht die Wahl des besten Speicherstandortes. Dies ist allerdings keine einfache Aufgabe, da die Kopplung zwischen hydrodynamischer Strömung und Massentransport in porösen Medien einen sehr komplexen physikalischen Prozess darstellt. Oftmals sind Phasenübergänge beteiligt und oftmals wird die Strömung durch die Anwesenheit von chemischen Bestandteilen verkompliziert. Diese Arbeit trägt zu den laufenden Bemühungen bei, die CO2-Speicherung im Untergrund numerisch zu analysieren, um wissenschaftliche Lükken auf diesem Gebiet zu schließen. Es werden Vorhersagen der CO2-Ausbreitung zur Bewertung von CO2-Testeinspeisungen getroffen. Die bestehenden Möglichkeiten werden demonstriert anhand einer Feldstudie für Malmö (Schweden), wo eine erhebliche Datenmenge verfügbar ist, und einer Studie für Minden (Deutschland), als potentiellen Speicherstandort mit nur unvollständigen Datensätzen. Es wird gezeigt, dass die Modellierung von reaktivem Mehrkomponenten-Mehrphasen-Fluss ein großes Potenzial besitzt, die verschiedenen Speichermechanismen und -prozesse im CO2-Speicherbetrieb zu quantifizieren und identifizieren. Insbesondere ermöglichen nur wenige Programme, die verschiedenen Massentransportprozesse zu berücksichtigen. Dies erwies sich als wichtig für die Simulationen. Die Änderungen der physikalischen Eigenschaften dürfen nicht vernachlässigt werden, da sie die Ergebnisse stark beeinflussen können. Entsprechend stellt ein umfassender Datensatz von seismischen, geologischen und geophysikalischen Eigenschaften eine exzellente Basis für Reservoirmodellierungen dar. Zusätzlich zu diesen Daten werden für numerische Modelle weitere Parameter benötigt. Sehr wichtig sind hierbei relative Permeabilitäten und Kapillardrücke, wobei diese Daten üblicherweise selten sind. Unter diesen Vorbehalten und mit dem Bewusstsein der Einschränkung, zeigt die dreidimensionale Modellierung für den Standort Malmö, dass die Lösung von CO2 in Salzwasser als Speichermechanismus dominant ist. Eine Sensitivitätsstudie zeigt allerdings, dass die Ergebnisse in einem sensitiven Bereich liegen, was bedeutet, dass kleine Änderungen großen Einfluss auf die Ergebnisse haben können. Es wird zum Beispiel gezeigt, wie relative Permeabilität und Kapillardruck die Menge und Ausbreitung von Salzausfällung nahe dem Einspeisepunkt ändern können, von geringer Salzausfällung bis hin zu einer vollständigen Verstopfung des Reservoirs in der Umgebung des Bohrlochs.Weiterhin zeigen Studien zur Gitterverfeinerung, dass Simulationen auf zu groben Gittern die Ausdehnung der Fahne überschätzen. Es zeigt sich, dass in dem untersuchten Fall Gitterabstände von 0.4 m und kleiner hinreichend sind. Die Gitterauflösung erscheint als sehr wichtig. Trotzdem wird sie in vielen Studien vernachlässigt und die meisten existierenden Modelle beruhen auf groben Gittern. Modellierungsergebnisse zeigen, dass geringe Schichtneigungen die Ergebnisse nur in einem geringen Maße beeinflussen und hauptsächlich eine gewisse Asymmetrie in der Ausbreitung von CO2 relativ zum Injektionspunkt bewirken. Es zeigt sich, dass Schichten, die weniger als 2° geneigt sind, als horizontal angenommen werden können. Nicht-isotherme Mehrphasenfluss-Modellierung zeigt weiterhin, dass Temperaturvariationen von maximal 5 K Fluid- und Festmaterialeigenschaften nicht signifikant ändern und die Abkühlung aufgrund des Joule-Thomson-Effekts vernachlässigt werden kann. Reservoirmodellierungen können helfen, die Effekte verschiedener Strategien zur CO2-Einspeisung zu studieren und die relevanten Prozesse vorherzusagen. Simulationsergebnisse besagen, dass höhere Injektionsraten Verstopfungen durch Salz verzögern oder sogar verhindern können. Alternativ kann Salzausfällung durch praktische Maßnahmen wie Frischwassereinspeisung vor der Gasinjektion verringert oder sogar vermieden werden. Die Simulationsergebnisse zu Lösungsexperimenten von Kalzit zeigen, dass Formationen, die überwiegend Karbonatminerale enthalten, weniger geeignet für die mineralische Speicherung sind, da Kalzit ziemlich schnell gelöst wird (auf Zeitskalen von einigen Zehn Jahren), was CO2 in Lösung freisetzt. Auf lange Sicht dominieren allerdings Aluminium-Silikat- Reaktionen, die Ausfällungen von bedeutenden Mengen sekundärer Minerale bewirken. Die reaktiven Transportsimulationen für das Minden-Szenario zeigen, dass nach längerer Zeit (mehrere hundert Jahre) der Großteil des injizierten CO2 in neu gebildeten Karbonaten wie Dawsonit, Ankerit und Siderit fixiert ist. Dies bedeutet, dass hydrodynamische und Lösungs-Bindungsmechanismen keine Rolle nahe dem Einspeisungspunkt spielen und auch nicht in Bereichen weiter entfernt von der Deckschicht. Darüber hinaus sind die Abschätzungen der CO2 Speicherkapazität pro Volumeneinheit vergleichbar mit denen, die von ähnlichen Berechnungen für Buntsandsteine im Becken des britischen Nordsee-Sektors abgeleitet wurden. Die Mineralreaktionen bewirken in Teilen des Reservoirs eine relativ starke Abnahme der Porosität, und damit verbunden der Permeabilität. Letzteres folgt aus der hier als kubisch angenommenen Beziehung zwischen Porosität und Permeabilität. Die hier präsentierten Modellierungsergebnisse zeigen die Wichtigkeit und Variationsbreite verschiedener Prozesse bezüglich vieler Parameter und Annahmen, die bei der Modellierungsarbeit vergenommen werden müssen; entsprechend könnten folgende Empfehlungen für weitere Verbesserungen hilfreich sein. In Hinblick auf die Analyse von CO2-Speichersystemen dient diese Dissertation nicht nur als Machbarkeitsstudie für potentiellen Standorte, inkl. des Falls mangelhafter Datenverfügbarkeit, sondern ist gleichzeitig auch zur Beratung von Anlagenbetreibern einsetzbar. Die Simulationen basieren auf existierenden Daten. Notwendigerweise basieren sie auch auf Annahmen, wie zu relativen Permeabilitäten und Kapillardruck-Kurven. Die Qualität dieser realistisch vereinfachten Modelle, z.B. für Malmö, muss durch eine Serie von Feld- und Laborexperimenten überprüft werden. Der Grad der Übereinstimmung wird entweder die aktuellen Simulationen bestätigen oder zeigen, wie die Modellierungen angepasst werden müssen. Das endgültige Ziel ist es, dass die Schlüsselannahmen der Modellierung durch Beobachtungen untermauert werden. Insgesamt führen diese numerischen Simulationen von reaktivem Transport sowohl zu einem besseren Verständnis der zeitabhängigen CO2-Ausbreitung im Reservoir als auch zu einer Anleitung für praktische Entscheidungen. Teile dieser Arbeit wurden durch die WestLB Stiftung und E.ON Sverige Värmekraft unterstützt.

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