Zn(II), Mn(II) and Sr(II) Behavior in a Natural Carbonate Reservoir System. Part II: Impact of Geological CO₂ Storage Conditions

Comportement du Zn(II), Mn(II) et Sr(II) au sein d’un système réservoir carbonate naturel. Partie II : impact des conditions de stockage géologique de CO₂

¹ IFP Energies nouvelles, 1-4 avenue de Bois Préau, 92852 Rueil-Malmaison – France
² IFP Energies nouvelles, Rond-point de l’échangeur de Solaize, BP 3, 69360 Solaize – France
³ EA 4592 G&E, ENSEGID, Université de Bordeaux, 1 allée F. Daguin, 33607 Pessac Cedex – France
e-mail: baptiste.auffray@beicip.com; baptiste.auffray@gmail.com – bruno.garcia@ifpen.fr – charles.lienemann@ifpen.fr – loic.sorbier@ifpen.fr – adrian.cerepi@ipb.fr

^* Corresponding author

Abstract

Some key points still prevent the full development of geological carbon sequestration in underground formations, especially concerning the assessment of the integrity of such storage. Indeed, the consequences of gas injection on chemistry and petrophysical properties are still much discussed in the scientific community, and are still not well known at either laboratory or field scale. In this article, the results of an experimental study about the mobilization of Trace Elements (TE) during CO₂ injection in a reservoir are presented. The experimental conditions range from typical storage formation conditions (90 bar, supercritical CO₂) to shallower conditions (60 and 30 bar, CO₂ as gas phase), and consider the dissolution of the two carbonates, coupled with the sorption of an initial concentration of 10⁻⁵ M of Zn(II), and the consequent release in solution of Mn(II) and Sr(II). The investigation goes beyond the sole behavior of TE in the storage conditions: it presents the specific behavior of each element with respect to the pressure and the natural carbonate considered, showing that different equilibrium concentrations are to be expected if a fluid with a given concentration of TE leaks to an upper formation. Even though sorption is evidenced, it does not balance the amount of TE released by the dissolution process. The increase in porosity is clearly evidenced as a linear function of the CO₂ pressure imposed for the St-Emilion carbonate. For the Lavoux carbonate, this trend is not confirmed by the 90 bar experiment. A preferential dissolution of the bigger family of pores from the preexisting porosity is observed in one of the samples (Lavoux carbonate) while the second one (St-Emilion carbonate) presents a newly-formed family of pores. Both reacted samples evidence that the pore network evolves toward a tubular network type.

Résumé

Aujourd’hui encore, quelques points essentiels limitent le développement industriel de la séquestration géologique du carbone dans des formations souterraines, en particulier celui concernant l’évaluation de l’intégrité du stockage. En effet, les conséquences de l’injection de gaz sur la chimie et les propriétés pétrophysiques sont encore beaucoup discutées au sein de la communauté scientifique, et doivent être mieux comprises tant à l’échelle de laboratoire que sur le terrain.

Dans cet article, le résultat d’une étude expérimentale de mobilisation d’éléments traces suite à une injection de CO₂ dans un réservoir est présenté. Les conditions expérimentales étudiées représentent des conditions équivalentes à celles d’un stockage typique de formation (90 bar, CO₂ supercritique) jusqu’à des conditions peu profondes (60 et 30 bar, le CO₂ étant sous forme gazeuse), et considèrent la dissolution des deux carbonates, couplées avec la sorption de Zn(II) dont la concentration initiale est de 10⁻⁵ M, ainsi que la dissolution de Mn(II) et Sr(II).

L’étude présente le comportement spécifique de chaque élément par rapport à la pression et le carbonate naturel considéré, montrant que des concentrations différentes d’équilibre sont à prévoir si des fuites d’un fluide avec une concentration donnée en éléments traces sont présentes vers une formation supérieure. Et même si le phénomène de sorption est mis en évidence, celui-ci ne contrebalance pas la quantité d’éléments traces relargués par le processus de dissolution. L’augmentation de la porosité est clairement mise en évidence comme une fonction linéaire de la pression de CO₂ imposée pour le carbonate de St-Émilion. Pour le carbonate de Lavoux, cette tendance est confirmée par l’expérience de 90 bar. Une dissolution préférentielle de la plus grande famille de pores de la porosité préexistante est observée dans un des échantillons (carbonate de Lavoux) tandis que le second (carbonate de St-Émilion) présente une famille nouvellement formée de pores, avec une géométrie de type tubulaire.