h1

h2

h3

h4

h5
h6
http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png

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



Verantwortlichkeitsangabesubmitted by Ali Naderi Beni

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen Univ. 2011

UmfangXIV, 143 S. : Ill., graph. Darst., Kt.

ISBN978-3-942789-01-1

ReiheE.On Energy Research Center / E.ON Energy Research Center <Aachen> : GGE - Applied geophysics and geothermal energy ; 2


Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache


Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-03-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-36932
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64199/files/3693.pdf

Einrichtungen

  1. E.ON Energy Research Center (616400)
  2. Lehrstuhl für Applied Geophysics and Geothermal Energy (E.ON Energy Research Center) (532610)
  3. Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie (530000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kohlendioxid (Genormte SW) ; Sequestrierung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; CO2-Sequestrierung (frei) ; reaktive Transportmodellierung (frei) ; Speichermechanismus (frei) ; dimensionslose Analyse (frei) ; CO2 sequestration (frei) ; reactive transport modeling (frei) ; trapping mechanism (frei) ; dimensionless analysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

Geological storage of carbon dioxide (CO2) has been studied worldwide as a possible means for reducing CO2 emissions to the atmosphere. In this context, reservoir modeling which provides both quantitative and qualitative predictions of reservoir behavior is a key element for evaluating a CO2 test injection. Successful implementation of these methods depends on the ability of predicting the physical behavior of the injected CO2 into the subsurface. The better understanding of sequestration and migration processes enables to choose the best site for storage. However, this is not an easy task since coupling of hydrodynamic flow and mass transport in porous media is a very complex physical process. Often phase changes are involved and often the flow is complicated by the presence of chemical species. This thesis contributes to the current efforts to analyze numerically the systems for CO2 underground storage in order to fill some of the scientific gaps identified in this field. Prediction of CO2 plume fate for evaluating CO2 test injections are performed. This is demonstrated in case studies for the Malmö site (Sweden) where a considerable amount of data is available and for the Minden site (Germany) as a potential site with a less than complete existing data set. It is shown that multi-component, multi-phase reactive flow modeling has a high potential for quantifying and identifying different trapping mechanisms and processes in CO2 storage operations. In particular, a few codes allow to account for the different mass transport processes. This turned out to be important for simulations. The variation of the physical properties must not be neglected since it can influence strongly the results. Therefore, a comprehensive data set on seismic, geologic, and geophysical properties form an excellent basis for reservoir modeling. In addition to these data, other parameters must enter the numerical models. Very important are relative permeabilities and capillary pressures, but data is generally sparse. With these caveats and being aware of these constraints, the three-dimensional modeling show that in the Malmö site dissolution trapping mechanism is dominant. However, sensitivity analysis show that the results are in a sensitive range, meaning that a little increase or decrease in a parameter may have a large effect on the results. For example, it is shown how relative permeability and capillary pressure may change the amount and extent of salt precipitation near the injection well ranging from little salt precipitation to a complete well plugging. Further, grid refinement studies imply that simulations on too coarse a grid will overestimate the plume extent. It is indicated that grid block sizes of 0.4 m and smaller are sufficient. Grid resolution appears to be very important. However, it is neglected in many studies and most of the existing models rely on coarse grids. Modeling results show that small inclinations influence the results to some extent, mainly causing some asymmetry of the CO2-phase relative to the injection borehole. It indicates that layer inclinations of less than 2° may be assumed to be horizontal. Non-isothermal, multi-phase flow modeling result also indicates that the temperature variation in question of 5 K at maximum does not alter the fluid and solid material properties significantly and cooling effect due to the Joule-Thomson expansion can be neglected. Reservoir models can help to study the effect of different CO2 injection strategies and to predict the relevant processes. Simulation results indicate that higher injection rates may delay or even inhibit salt plugging. Alternatively, salt precipitation can be reduced or even prevented by practical measures such as injecting fresh water prior to gas. The simulation results of the calcite dissolution experiment indicate that formations that contain mainly carbonate minerals are less suitable for mineral sequestration because calcite dissolves fairly rapidly (on the short-term period of tens of years) which liberates CO2 in dissolution. On the long term, instead, aluminous-silicate reactions dominate resulting in precipitation of a significant amounts of secondary minerals. The reactive transport simulations for the Minden site indicate that after a long time (several hundred years) most of the injected CO2 is fixed in newly formed carbonates such as dawsonite, ankerite, and siderite. It means that hydrodynamic and dissolution trapping mechanisms do not play a role near the injection point and the areas far from the cap rock. Moreover, the estimates of CO2 storage capacity per unit pore volume of the Bunter formation in the Minden site are comparable to those derived from quasi-similar calculations for the Bunter sandstone in the UK sector of the North Sea Basin. The mineral reactions cause a relatively large decrease of porosity and in turn a decrease of permeability in parts of the reservoir. The latter is based on a cubic relationship between porosity and permeability. The modeling results presented here reveal the importance and variations of different processes with respect to many parameters and assumptions to be made in the modeling works and, hence, for further improvements the provided recommendations might be helpful. In this regard and with CO2 storage system analysis, this dissertation serves not only as a feasibility study of the potential sites even with a less than complete data set but also as a guidance for operators. However, they are set up based on existing data. They also are necessarily based on some assumptions such as relative permeability and capillary pressure curves. The performance of these realistic simplified models, e. g. at Malmö, needs to be tested through a series of both field and laboratory experiments. The degree of matching will either confirm current simulations or indicate how modeling should be adjusted. The ultimate aim is to demonstrate that the key modeling assumptions are corroborated by observations. In summary, these numerical simulations of reactive transport provide both a better understanding of the fate of the CO2 plume in a reservoir in time and guidance for practical decisions. This work was supported in part by theWestLB Foundation and E.ON Sverige Värmekraft.

Fulltext:
Download fulltext PDF

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Interne Identnummern
RWTH-CONV-125536
Datensatz-ID: 64199

Beteiligte Länder
Germany

 GO


OpenAccess

QR Code for this record

The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Georesources and Materials Engineering (Fac.5) > Division of Earth Sciences and Geography
Faculty of Electrical Engineering and Information Technology (Fac.6)
Publication server / Open Access
616400_20140620
Public records
Publications database
532610
530000

 Record created 2013-01-28, last modified 2023-11-03


Fulltext:
Download fulltext PDF
Rate this document:

Rate this document:
1
2
3
 
(Not yet reviewed)