Modelling Fluid-Rock Interaction Induced by the Percolation of CO₂-Enriched Solutions in Core Samples: the Role of Reactive Surface Area

La modélisation des interactions eau-roche induites par la percolation de solutions enrichies en CO₂ dans des échantillons de carottes : le rôle de la surface réactive

Institut français du pétrole

Corresponding author: etienne.brosse@ifp.fr

Abstract

Understanding the fate of CO₂ disposed in aquifers or depleted hydrocarbon fields is partly based on the use of reaction-transport models, able to predict the possible interaction between acidified waters and the minerals. The results delivered by such models depend on many parameters and hypotheses, of which some are still poorly constrained. A key issue is how to transpose kinetics of a mineral reaction to a representative rock system, from data acquired in laboratory experiments involving controlled mineral powders under high water-tomineral ratio. The paper focuses on the simulation of plug-flow experiments designed to improve the upscaling of kinetic rates. The experiments were performed on a natural limestone made of pure calcite (Noiriel et al., this issue), in conditions of temperature, pressure, pCO₂ and water composition for which a kinetic rate of dissolution is available for calcite (Plummer et al., 1978, the so-called PWP model). A reactiontransport code is used to simulate the experiment and then to investigate the transposition of the kinetic rate from the mineral to the rock material. However, the comparison between experimental and modelling results cannot help to understand what is the main control on the dissolution rate of limestone in the conditions studied, either the surface reaction or a transport mechanism in the water phase. In the first case, a value of the reactive surface area must be adjusted. In the second case, the fitting parameter is the average thickness of a diffusive layer, which depends on pH.

Résumé

Comprendre le devenir du dioxyde de carbone (CO₂) injecté dans des aquifères ou des gisements d'hydrocarbures exploités reposera en partie sur l'utilisation de modèles chimie-transport, capables de prédire les interactions possibles entre les eaux acidifiées et les minéraux. Les résultats fournis par de tels modèles dépendent d'un grand nombre d'hypothèses et de paramètres, parfois mal contraints. Un aspect clé est l'intégration, dans les simulations portant sur des roches, de vitesses de réaction mesurées sur des minéraux apprêtés et isolés, et avec des rapports eau-roche beaucoup plus élevés. Cet article est consacré à la modélisation d'expériences de percolation réactive, qui ont été mises au point pour améliorer l'intégration des vitesses de réaction. Ces expériences ont été menées sur des échantillons de calcaire naturel purement constitués de calcite (Noiriel et al., ce volume), dans des conditions de température, de pression, de pression partielle de CO₂ (pCO₂) et de composition d'eau pour lesquelles une vitesse de dissolution de la calcite est disponible (Plummer et al., 1978, modèle dit PWP). Ainsi, un modèle chimie-transport peut être utilisé pour simuler les expériences et pour discuter, précisément, la manière de transposer à la roche le modèle cinétique du minéral. La comparaison entre les résultats expérimentaux et les résultats de calcul ne permet pas de décider du contrôle de la réaction de dissolution du calcaire, dans les conditions étudiées : soit la réaction de surface, soit un mécanisme de transport d'espèce(s) dans la phase aqueuse. Dans le premier cas, la démarche consiste à ajuster la valeur d'une surface dite « réactive ». Dans le second cas, le paramètre d'ajustement est l'épaisseur moyenne d'une couche diffuse, qui dépend du pH.