Μηχανική και υδραυλική απόκριση ασυνεχειών ψαμμίτη σε περιβάλλον γεωλογικής αποθήκευσης CO2

Abstract

This dissertation presents an experimental investigation into the effects of carbon dioxide on the hydraulic and mechanical properties of calcite-rich sandstone. In pursuit of reducing greenhouse gas emissions in the atmosphere, particularly carbon dioxide, the scientific community proposes methods such as Carbon Capture and Storage (CCS). This approach involves capturing CO₂ from point-source emitters and subsequently sequestering it in geological formations. Among these formations, sedimentary basins saturated with brine (saline water) are commonly recommended for CO₂ storage. Geological storage entails the injection of CO₂ into deep underground reservoirs, where the combination of pressure and temperature compresses it into a liquid or supercritical phase. In brine-saturated environments, CO₂ dissolves and forms carbonic acid, which can subsequently react with acid-soluble minerals, thereby altering their mechanical and hydraulic characteristics. The samples analyzed in this study were surface outcrop from sandstone formations in the Mesohellenic Trough, located in the broader region of Western Macedonia, northwest of Grevena. This area is under consideration as a potential CO₂ storage site due to its proximity to point-source CO2 emitters (notably thermoelectric power plants) and the presence of subsurface hydrocarbon deposits. The study examined variations in the mechanical and hydraulic properties of the samples, with particular attention to the response of rock fractures following exposure to CO₂-saturated water. Both intact rock samples and those with artificial fractures were tested. The exposure tests, conducted at static conditions replicating the temperature and pressure found at storage depths, were used to assess changes in strength, while continuous flow tests evaluated fracture conductivity. The results demonstrated a reduction in mechanical strength under shear, tensile, and normal stress, with a time-dependent increase in degradation. Hydraulic conductivity in the fractures rose by an order of magnitude (10x). Electron and polarized microscopy (thin section analysis) revealed notable calcite dissolution, a finding corroborated by X-ray diffraction (XRD) mineralogical analysis. This dissolution caused an increase in porosity, confirmed by mercury porosimetry. Flow tests with CO₂-H₂O solutions through fractures led to surface erosion, which, under high normal stresses that narrowed the fracture, funneled the flow into two main channels. Observation and quantification were conducted using micro-CT scanners, followed by image/section processing. To further explore the influence of fracture geometry on flow behavior, we additionally tested water flow in rough marble fractures with varying apertures and hydraulic gradients. The results suggested that the cubic law was less accurate at larger apertures and higher gradients, likely due to a reduction in effective hydraulic aperture caused by fluid turbulence within fracture depressions and cavities. We also evaluated Barton’s empirical equation for correlating fracture opening with hydraulic aperture, finding a tendency to underestimate larger apertures and overestimate smaller ones. These findings contribute valuable insights for refining parameter estimates in computational models, enhancing the accuracy of analyses for the effectiveness of geological CO₂ storage systems

Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκε πειραματικώς η επίδραση του διοξειδίου του άνθρακα στις υδραυλικές και μηχανικές ιδιότητες ψαμμίτη με υψηλή περιεκτικότητα σε ασβεστίτη. Για την επίτευξη των στόχων μείωσης των αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα και ιδιαίτερα του διοξειδίου του άνθρακα, μια από τις μεθόδους που προτείνονται από την επιστημονική κοινότητα είναι η δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα από σημειακούς ρυπαντές και εν συνεχεία η γεωλογική αποθήκευση του (Carbon Capture and Storage - CCS). Μεταξύ των γεωλογικών σχηματισμών για αποθήκευση, προτείνονται ιζηματογενείς λεκάνες κορεσμένες σε υφάλμυρο νερό (brine). Η διαδικασία της γεωλογικής αποθήκευσης αφορά στην εισπίεση μέσω γεωτρήσεων του διοξειδίου του άνθρακα σε κατάλληλο βάθος (περιορισμός του όγκου με μεταβολή της πυκνότητας λόγω πίεσης και θερμοκρασίας ώστε το αέριο να βρίσκεται σε υγρή φάση ή σε φάση υπερκρίσιμου ρευστού (supercritical phase). Λόγω της παρουσίας υφάλμυρου νερού (brine) το διοξείδιο του άνθρακα διαλυτοποιείται και προκύπτει ανθρακικό οξύ. Με τη σειρά του το ανθρακικό οξύ μπορεί να αντιδράσει με ορυκτά που είναι επιδεκτικά σε διαλυτοποίηση παρουσία οξέος και να μεταβάλει τα χαρακτηριστικά των πετρωμάτων (μηχανικά, υδραυλικά κλπ). Τα δείγματα της παρούσας εργασίας προέκυψαν από επιφανειακή απόληξη τεμαχίων ψαμμιτικού σχηματισμού από την γεωλογική δομή της Μεσελληνικής αύλακας στην ευρύτερη περιοχή της δυτικής Μακεδονίας (Δυτικά Βορειοδυτικά των Γρεβενών). Περιοχή που ενδεχομένως μπορεί να αποτελέσει χώρο γεωλογικής αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα λόγω εγγύτητας με σημειακούς ρυπαντές (θερμοηλεκτρικά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος) και ύπαρξης υπόγειων κοιτασμάτων υδρογονανθράκων. Τα δοκίμια που διαμορφώθηκαν από το παραπάνω υλικό, ελέγχθηκαν για μεταβολή στις μηχανικές και υδραυλικές τους ιδιότητες, με έμφαση στην επίδραση που υφίστανται οι ασυνέχειες (διακλάσεις) του βράχου κατόπιν έκθεσης σε κορεσμένο διάλυμα νερού με CO2. Τα δοκίμια αποτελούσαν ακέραιο πέτρωμα και τεχνητές ασυνέχειες. Η έκθεση σε θερμοκρασίες και πίεση που απαντάται σε βάθη γεωλογικού αποδέκτη, έγινε σε στατικές συνθήκες για τα περισσότερα δοκίμια (δοκιμές αντοχής) και υπό συνθήκες συνεχούς ροής για την εξέταση της αγωγιμότητας της ασυνέχειας. Τα αποτελέσματα έδειξαν απομείωση μηχανικών ιδιοτήτων σε διάτμηση, εφελκυσμό και ορθή φόρτιση (αυξανόμενα με το χρόνο έκθεσης) και αύξηση υδραυλικής αγωγιμότητας των ασυνεχειών κατά μία τάξη μεγέθους (10x). Η παρατήρηση με ηλεκτρονικό και πολωτικό μικροσκόπιο (λεπτές τομές) έδειξε σαφή απομάκρυνση ασβεστιτικών υλικών, κάτι που επαληθεύτηκε και από την ορυκτολογική ανάλυση XRD (Κρυσταλλογραφία ακτινών Χ). Η διαλυτοποίηση του ασβεστίτη προκάλεσε μεταβολή του πορώδους που επαληθεύτηκε με ποροσίμετρο υδραργύρου. Η δοκιμή ροής διαλύματος CO2-H2O διαμέσου ασυνέχειας προκάλεσε διάβρωση της επιφάνειας της ασυνέχειας που υπό μεγάλες ορθές τάσεις (κλείσιμο ασυνέχειας) περιόρισε τη ροή (και την διάβρωση) σε 2 διαύλους, αυξάνοντας ωστόσο σημαντικά την παροχετευτικότητα (transmissivity) της ασυνέχειας. Η παρατήρηση και ποσοτικοποίηση έγινε με μικροαξονικό τομογράφο και επεξεργασία των εικόνων/τομών και μετρήσεις παροχής. Πρόσθετα στα πλαίσια κατανόησης της επίδρασης της γεωμετρίας της ασυνέχειας στη ροή, εξετάσαμε και ροή σκέτου νερού σε τραχιά ασυνέχεια μαρμάρου με μεταβλητά εύρη και μεταβλητή υδραυλική βαθμίδα (διαφορική πίεση εισόδου εξόδου). Τα αποτελέσματα έδειξαν σχετική αδυναμία χρήσης του κυβικού νόμου για τα μεγαλύτερα εύρη και τις μεγαλύτερες υδραυλικές βαθμίδες. Η παρατήρηση αυτή αποδόθηκε στην πιθανή απομείωση του ενεργού υδραυλικού εύρους από μη χρήση τμημάτων του χώρου της ασυνέχειας λόγω πιθανών στροβιλισμών ρευστού σε υφέσεις και κοιλότητες στα τοιχώματα της ασυνέχειας. Πρόσθετα εξετάσαμε την ισχύ της εμπειρικής εξίσωσης του Barton για συσχέτιση του ανοίγματος ασυνέχειας με το υδραυλικό εύρος. Οι παρατηρήσεις μας δείχνουν ότι στην πρόβλεψη από την εν λόγω σχέση, υπάρχει μια υποεκτίμηση για μεγάλα σχετικά εύρη ασυνέχειας ενώ σε μικρότερα τα υπερεκτιμά. Οι ενδείξεις και τα αποτελέσματα της παρούσας μπορούν να αξιοποιηθούν για την καλύτερη εκτίμηση της απόδοσης των γεωλογικών αποδεκτών (αποθηκών CO2) μέσω του καλύτερου ορισμού των αντίστοιχων παραμέτρων στα μοντέλα ανάλυσης με Η/Υ.