Carbon storage efficiency and permeability decay during microbubble and conventional carbon dioxide injection in high-permeability sandstone

Sintesi Tecnica: Efficienza di Stoccaggio del Carbonio e Decadimento della Permeabilità durante l'Iniezione di CO₂ a Microbolle e Convenzionale in Arenaria ad Alta Permeabilità

Problematica
Lo stoccaggio geologico del carbonio (GCS) in acquiferi salini affronta sfide riguardanti l'efficienza di spazzamento (sweep efficiency) e l'iniettività, in particolare nelle formazioni ad alta permeabilità dove la CO₂ tende a canalizzarsi attraverso percorsi dominanti, bypassando volumi porosi significativi. Sebbene l'iniezione di CO₂ a microbolle (MB) sia stata proposta per migliorare l'efficienza di spazzamento e il trapping per dissoluzione (attraverso il blocco temporaneo dei pori grandi, l'effetto "Jamin", e l'aumento della superficie per la dissoluzione), le sue implicazioni per l'iniettività e l'integrità near-wellbore nelle arenarie ad alta permeabilità rimangono poco vincolate. Studi precedenti si sono concentrati principalmente su serbatoi a bassa permeabilità o esperimenti a singola velocità di flusso, lasciando un vuoto nella comprensione di come l'iniezione MB si comporti sotto le variabili velocità di flusso tipiche delle operazioni sul campo e di come influenzi la permeabilità della roccia a lungo termine attraverso l'esposizione cumulativa.

Metodologia
Lo studio ha impiegato esperimenti ripetuti di core-flooding a bilancio di volume su campioni di arenaria Berea ad alta permeabilità (~1000 mD) in condizioni di acquifero salino profondo (40 °C, 10,7 MPa). Il design sperimentale ha confrontato l'iniezione di CO₂ supercritica convenzionale con l'iniezione di CO₂ a microbolle attraverso una gamma di velocità di flusso (0,05, 0,1 e 0,5 cc/min).

• Apparato e Configurazione: È stato utilizzato un sistema a doppia pompa a siringa, con la contropressione e la pressione di confinamento mantenute da pompe ISCO. Le microbolle sono state generate meccanicamente tramite un filtro ceramico (pori su scala micronica di 0,5 cm), posizionato all'ingresso del campione, dove la salamoia fluiva attraverso il filtro seguita dalla CO₂.
• Protocollo Sperimentale:
  • Replicazione: Il campione BO5 è stato sottoposto a molteplici flood a una velocità fissa e bassa (0,05 cc/min) per replicare i protocolli della letteratura precedente (Zhai et al., 2020).
  • Test Sequenziali: Il campione BO3 è stato sottoposto a flood sequenziali con velocità di flusso crescenti (0,05 → 0,1 → 0,5 cc/min) per entrambi i tipi di iniezione, al fine di valutare la sensibilità alla velocità di flusso.
  • Monitoraggio della Permeabilità: La permeabilità della salamoia è stata misurata prima e dopo i flood sequenziali per tracciare il decadimento. Un campione di controllo (BO7) è stato sottoposto a flood con azoto gassoso per isolare gli effetti specifici della CO₂.
• Analisi: La saturazione di CO₂ è stata calcolata tramite bilancio di volume. Il decadimento della permeabilità è stato modellato utilizzando una funzione esponenziale singola con un asintoto. L'analisi dell'incertezza ha tenuto conto del volume morto, delle letture dei cilindri e degli effetti di pressione/temperatura.

Risultati Chiave

1. Dipendenza della Sweep Efficiency dalla Velocità di Flusso:

   • Alla velocità di flusso più bassa (0,05 cc/min), l'iniezione di microbolle ha aumentato la saturazione media di CO₂ di circa l'8,9% rispetto al flooding convenzionale nel campione replicato (BO5). Ciò è stato attribuito al blocco temporaneo dei canali di flusso dominanti, che forza la CO₂ in pori più piccoli.
   • Tuttavia, questo beneficio è diminuito e si è invertito a velocità di flusso più elevate (0,1–0,5 cc/min). Nei test sequenziali, l'iniezione MB ha prodotto saturazioni finali di CO₂ significativamente inferiori (del 13–25%) rispetto all'iniezione convenzionale. Gli autori suggeriscono che, a velocità più elevate, la resistenza idraulica del filtro di generazione delle microbolle possa esacerbare il flusso preferenziale, negando i benefici di spazzamento.
   • È stata notata una discrepanza tra i campioni: mentre BO5 mostrava un miglioramento MB a 0,0 descorso 0,05 cc/min, BO3 (testato sequenzialmente) mostrava una performance inferiore delle MB anche alla stessa velocità, probabilmente a causa dell'alterazione cumulativa del campione e dei cambiamenti nella struttura dei pori derivanti dal flooding precedente.

2. Decadimento della Permeabilità e Integrità:

   • La permeabilità della salamoia nel campione BO3 è declinata significativamente durante i flood sequenziali, scendendo da ~955 mD a ~288 mD.
   • La curva di decadimento ha indicato che la permeabilità ha continuato a diminuire durante la fase delle microbolle, anche dopo essersi stabilizzata durante l'iniezione convenzionale.
   • I test di controllo con azoto (Campione BO7) non hanno mostrato alcun decadimento della permeabilità, confermando che il danno è guidato dall'esposizione alla CO₂.
   • Gli autori attribuiscono il decadimento accelerato nei test MB a una combinazione di esposizione alla CO₂, generazione di microbolle, effetti del filtro e alterazione cumulativa del campione, potenzialmente guidata dalla mobilitazione di fini e da reazioni minerali potenziate dovute alla rapida dissoluzione delle microbolle e alla localizzata acidificazione.

3. Caduta di Pressione:

   • Le iniezioni di microbolle hanno presentato cadute di pressione fino a tre volte superiori rispetto alle iniezioni convenzionali. Tuttavia, gli autori osservano che ciò è ampiamente dominato dalla bassa permeabilità del filtro di generazione piuttosto che dal core di roccia stesso, limitando i confronti diretti della resistenza idraulica tra le modalità.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di essere il primo a quantificare sistematicamente il comportamento della CO₂ a microbolle dipendente dalla velocità di flusso e il decadimento della permeabilità in arenaria ad alta permeabilità sotto cicli di iniezione ripetuti. Lo studio evidenzia un compromesso critico nell'iniezione di CO₂ a microbolle:

• Potenziali Guadagni: A basse velocità di flusso, l'iniezione MB può migliorare l'efficienza di spazzamento e il trapping residuo.
• Rischi Operativi: Ad alte velocità di flusso, l'iniezione MB può portare a una ridotta efficienza di spazzamento e a un accelerato danno alla permeabilità near-wellbore (perdita di iniettività).

Gli autori concludono che, sebbene l'iniezione a microbolle offra potenziali benefici per la sicurezza dello stoccaggio nel far-field o a basse velocità di iniezione, la sua applicazione vicino al pozzo in sistemi ad alta permeabilità richiede un'attenta ottimizzazione delle velocità di flusso. I risultati suggeriscono che le strategie su scala di campo debbano tenere conto del rischio di compromissione dell'iniettività e della complessa interazione tra velocità di flusso, storia del campione e alterazione cumulativa della roccia. Lo studio invita a ulteriori ricerche a velocità di flusso più elevate per allineare meglio i risultati di laboratorio alle condizioni operative pratiche.