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

Resumo Técnico: Eficiência de Armazenamento de Carbono e Decaimento de Permeabilidade Durante a Injeção de CO₂ por Microbolhas e Convencional em Arenito de Alta Permeabilidade

Definição do Problema
O armazenamento geológico de carbono (GCS) em aquíferos salinos enfrenta desafios relacionados à eficiência de varredura e injetividade, particularmente em formações de alta permeabilidade, onde o CO₂ tende a canalizar através de trajetórias dominantes, contornando volumes significos de poros. Embora a injeção de CO₂ por microbolhas (MB) tenha sido proposta para aumentar a eficiência de varredura e o aprisionamento por dissolução — ao bloquear temporariamente poros grandes (o efeito Jamin) e aumentar a área superficial para dissolução — suas implicações para a injetividade e integridade da zona próxima ao poço em arenitos de alta permeabilidade permanecem pouco delimitadas. Estudos anteriores concentraram-se amplamente em reservatórios de baixa permeabilidade ou experimentos de taxa de fluxo única, deixando uma lacuna na compreensão de como a injeção de MB performa sob as taxas de fluxo variáveis típicas de operações de campo e como ela afeta a permeabilidade da rocha a longo prazo através da exposição cumulativa.

Metodologia
O estudo empregou experimentos de inundação de núcleo (core-flooding) por balanço de volume repetidos em núcleos de arenito Berea de alta permeabilidade (~1000 mD) sob condições de aquífero salino profundo (40 °C, 10,7 MPa). O design experimental comparou a injeção convencional de CO₂ supercrítico contra a injeção de CO₂ por microbolhas através de uma gama de taxas de fluxo (0,05, 0,1 e 0,5 cc/min).

• Aparelhagem e Configuração: Um sistema de bomba de seringa dupla foi utilizado para a injeção, com pressão de retaguarda e pressão de confinamento mantidas por bombas ISCO. As microbolhas foram geradas mecanicamente usando um filtro cerâmico (poros de escala micrométrica de 0,5 cm), onde a salmoura fluía através do filtro seguida pelo CO₂.
• Protocolo Experimental:
  • Replicação: A amostra BO5 passou por múltiplas inundações a uma taxa fixa baixa (0,05 cc/min) para replicar protocolos de literatura anterior (Zhai et al., 2020).
  • Testes Sequenciais: A amostra BO3 foi submetida a inundações sequenciais com taxas de fluxo crescentes (0,05 → 0,1 → 0,5 cc/min) para ambos os tipos de injeção, a fim de avaliar a sensibilidade à taxa de fluxo.
  • Monitoramento de Permeabilidade: A permeabilidade da salmoura foi medida antes e depois das inundações sequenciais para rastrear o decaimento. Uma amostra de controle (BO7) foi inundada com nitrogênio gasoso para isolar os efeitos específicos do CO₂.
• Análise: A saturação de CO₂ foi calculada via balanço de volume. O decaimento da permeabilidade foi modelado usando uma função exponencial simples com uma assíntota. A análise de incerteza considerou o volume morto, leituras de cilindros e efeitos de pressão/temperatura.

Principais Resultados

1. Dependência da Taxa de Fluxo da Eficiência de Varredura:

   • Na taxa de fluxo mais baixa (0,05 cc/min), a injeção de microbolhas aumentou a saturação média de CO₂ em aproximadamente 8,9% em comparação com a inundação convencional na amostra replicada (BO5). Isso foi atribuído ao bloqueio temporário dos canais de fluxo dominantes, forçando o CO₂ para poros menores.
   • No entanto, este benefício diminuiu e se inverteu em taxas de fluxo mais altas (0,1–0,5 cc/min). Nos testes sequenciais, a injeção de microbolhas resultou em saturações finais de CO₂ significativamente menores (13–25% menores) do que a injeção convencional. Os autores sugerem que, em taxas mais altas, a resistência hidráulica do filtro de geração de microbolhas pode exacerbar o fluxo preferencial, anulando os benefícios de varredura.
   • Uma discrepância foi observada entre as amostras: enquanto a BO5 mostrou melhoria de MB a 0,05 cc/min, a BO3 (testada sequencialmente) mostrou subperformance de MB mesmo nesta taxa baixa, provavelmente devido à alteração cumulativa da amostra e mudanças na estrutura de poros decorrentes da inundação prévia.

2. Decaimento de Permeabilidade e Integridade:

   • A permeabilidade da salmoura na amostra BO3 declinou significamente ao longo das inundações sequenciais, caindo de ~955 mD para ~288 mD.
   • A curva de decaimento indicou que a permeabilidade continuou a declinar durante a etapa de microbolhas, mesmo após ter se estabilizado durante a injeção convencional.
   • Testes de controle com nitrogênio (Amostra BO7) não mostraram decaimento de permeabilidade, confirmando que o dano é impulsionado pela exposição ao CO₂.
   • Os autores atribuem o decaimento acelerado nos testes de MB a uma combinação de exposição ao CO₂, geração de microbolhas, efeitos de filtro e alteração cumulativa da amostra, potencialmente impulsionados pela mobilização de finos e reações minerais intensificadas devido à rápida dissolução das microbolhas e acidificação local.

3. Queda de Pressão:

   • As injeções de microbolhas exibiram quedas de pressão até três vezes maiores do que as injeções convencionais. No entanto, os autores observam que isso é amplamente dominado pela baixa permeabilidade do filtro de geração, e não pelo próprio núcleo da rocha, limitando as comparações diretas de resistência hidráulica entre os modos.

Significância e Alegações
O artigo afirma ser o primeiro a quantificar sistematicamente o comportamento dependente da taxa de fluxo da injeção de CO₂ por microbolhas e o decaimento de permeabilidade em arenito de alta permeabilidade sob ciclos de injeção repetidos. O estudo destaca um compromisso crítico (trade-off) na injeção de CO₂ por microbolhas:

• Ganhos Potenciais: Em taxas de fluxo baixas, a injeção de MB pode melhorar a eficiência de varredura e o aprisionamento residual.
• Riscos Operacionais: Em taxas de fluxo mais altas, a injeção de MB pode levar à redução da eficiência de varredura e ao dano acelerado da permeabilidade próxima ao poço (perda de injetividade).

Os autores concluem que, embora a injeção de microbolhas ofereça benefícios potenciais para a segurança do armazenamento no campo distante (far-field) ou em taxas de injeção baixas, sua aplicação próxima ao poço em sistemas de alta permeabilidade requer otimização cuidadosa das taxas de fluxo. Os resultados sugerem que as estratégias em escala de campo devem considerar o risco de comprometimento da injetividade e a complexa interação entre a taxa de fluxo, o histórico da amostra e a alteração cumulativa da rocha. O estudo apela para mais pesquisas em taxas de fluxo mais altas para alinhar melhor as descobertas laboratoriais com as condições operacionais práticas.