Large-Scale Column Experiment: Study of CO₂, Porewater, Rock Reactions and Model Test Case

Expérimentation de longue durée sur grandes colonnes, dans le contexte du stockage géologique de CO₂ : étude des interactions eau-roche et modélisation

British Geological Survey

Corresponding author: kba@bgs.ac.uk

Abstract

During underground carbon dioxide (CO₂) storage operations in deep reservoirs, the CO₂ can be trapped in three ways; - as "free" CO₂, most likely as a supercritical phase (physical trapping); - dissolved in formation water (hydrodynamic trapping); - precipitated in carbonate phases such as calcite (mineral trapping). This study focuses on the reactions between CO₂, porewater and host rock. The aim of this work was to provide a well-constrained long-term laboratory experiment reacting known quantities of minerals with CO₂-rich fluids, in order to try and represent situations where CO₂ is being injected into lithologies deep underground. The experimental results can then be used as a test case with which to help validate predictive geochemical computer models. These will help improve our ability to predict the long-term fate of carbon dioxide (CO₂) stored underground. The experiment, though complex in terms of equipment, ran for approximately 7.5 months. The reacted material was then examined for mineralogical changes and the collected fluids analysed to provide data on the fate of the dissolved species. Changes were readily observable on the carbonates present in thestarting material, which matches well with the observed trends in the fluid chemistry. However, although changes in silica concentrations were seen in the fluid chemistry no evidence for pitting or etching was noted in the silica bearing phases. Modelling of the experimental systems was performed using the BGS coupled code, PRECIP. As a general conclusion, the model predictions tend to over estimate the degree of reaction compared with the results from the experiment. In particular, some mineral phases (e.g. dawsonite) that are predicted to form in large quantities by the model are not seen at all in the experimental system. The differences between the model predictions and the experimental observations highlight the need for thermodynamic and kinetic data to be available under appropriate conditions (pH, and chemical composition of the fluid as well as temperature, and pressure), as extrapolation or "best guesses" may lead to errors being induced in the predictions. These errors and gaps in the data become obvious when comparing model predictions with experiments which serves to emphasise the importance of having "test cases" with which the models can be validated.

Résumé

Au cours des opérations de stockage du CO₂ en aquifère profond, le gaz acide injecté peut être piégé de trois manières : - en phase constituée, généralement un gaz surcritique (piégeage physique) ; - dissous dans l'eau interstitielle (piégeage hydrodynamique) ; - précipité sous forme de carbonates comme la calcite (piégeage minéralogique). La présente étude est consacrée aux réactions entre CO₂, l'eau interstitielle et la roche hôte. Le but de ce travail est de fournir une expérience de laboratoire suffisamment bien contrainte, d'une durée assez longue (plusieurs mois), mettant en jeu des quantités connues de minéraux et de solution aqueuse enrichie en CO₂, dans des conditions aptes à représenter une situation réelle de stockage. Une telle expérience est susceptible de devenir un cas test pour valider une approche de modélisation géochimique à vocation prédictive, qui s'inscrit dans l'effort entrepris pour mieux comprendre le sort, à long terme, du gaz acide injecté dans le sous-sol. L'expérience décrite, malgré son dispositif complexe, a fonctionné pendant une période de 7,5 mois. Des échantillons de fluide ont été régulièrement collectés, pour offrir un suivi des espèces dissoutes. Le matériel soumis à la réaction a pu ensuite être étudié, de manière à observer d'éventuels changements de composition minérale. Des modifications sensibles ont été mises en évidence sur les phases carbonatées, en accord avec les mesures effectuées sur l'effluent. À l'inverse, quoique des changements de silice dissoute aient été enregistrés, aucune manifestation tangible d'une altération des phases siliceuses n'a pu être révélée. La modélisation des interactions eau-minéraux a pu être effectuée à l'aide du logiciel Precip, du BGS. En première approche, le modèle tend à surestimer l'intensité des réactions. La précipitation de certaines phases minérales, comme la dawsonite, est prédite en quantités substantielles, alors qu'il n'y en a pas de trace visible dans le matériel expérimental. Les différences entre réalité et modèle montrent le besoin de meilleures données, tant thermodynamiques que cinétiques, dans les conditions pertinentes pour le stockage de CO₂ (pH, température, pression, composition des eaux de formation). On ne peut se contenter d'extrapolations.