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Gravidade

Jan 21, 2024Jan 21, 2024

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9400 (2023) Cite este artigo

Detalhes das métricas

Muitos desafios relacionados ao sequestro de dióxido de carbono (\(\hbox {CO}_2\)) na rocha subterrânea estão ligados à injeção de fluidos através de redes de fraturas induzidas ou existentes e como esses fluidos são alterados por meio de interações geoquímicas. Aqui, demonstramos que a mistura de fluidos e as distribuições de minerais de carbonato em fraturas são controladas pela dinâmica química impulsionada pela gravidade. Usando imagens ópticas e simulações numéricas, mostramos que um contraste de densidade entre dois fluidos miscíveis causa a formação de um runlet de fluido de baixa densidade que aumenta em extensão de área à medida que a inclinação da fratura diminui de 90\(^\circ\) (plano de fratura vertical ) a 30\(^\circ\). O runlet é sustentado ao longo do tempo e a estabilidade do runlet é controlada pela formação de vórtices 3D impulsionada pela gravidade que surgem em um regime de fluxo laminar. Quando a precipitação homogênea foi induzida, o carbonato de cálcio cobriu toda a superfície para fraturas horizontais (0\(^\circ\)). No entanto, para inclinações de fratura maiores que 10\(^\circ\), a formação de runlet limitou a extensão da área da precipitação a menos de 15% da superfície de fratura. Esses insights sugerem que a capacidade de sequestrar \(\hbox {CO}_2\) através da mineralização ao longo das fraturas dependerá da orientação da fratura em relação à gravidade, com fraturas horizontais com maior probabilidade de selar uniformemente.

Um método para reduzir o dióxido de carbono (\(\hbox {CO}_2\)) na atmosfera da Terra é injetar \(\hbox {CO}_2\) capturado no subsolo da Terra, onde existem vários mecanismos que podem prender ou segure o \(\hbox {CO}_2\) no lugar1. O armazenamento subterrâneo \(\hbox {CO}_2\) na rocha através da mineralização2 está fortemente associado às propriedades dos fluidos injetados e de ocorrência natural, à reatividade e à mineralogia ao longo das superfícies de fratura, bem como à morfologia e conectividade da rede de fratura através do qual os fluidos escoam. Um experimento de campo na Islândia (Carbfix) mostrou que 95% das 220 toneladas de \(\hbox {CO}_2\) injetadas em um reservatório basáltico subterrâneo em 2012 foram convertidas em calcita e outros minerais3. Nesse processo, \(\hbox {CO}_2\) é dissolvido em água (ácido carbônico) e injetado em uma formação basáltica através de uma rede de fraturas. O ácido carbônico causa a liberação de cátions do basalto que, por sua vez, reagem com a solução carbônica para formar minerais de carbonato. Esses processos químicos não apenas alteram as superfícies de fratura, mas também afetam a composição e a densidade dos fluidos e, por sua vez, a hidrodinâmica e a mistura de fluidos dentro da rede de fratura.

Isso levanta questões fundamentais de como dois fluidos miscíveis com um contraste de densidade se misturam e formam precipitados minerais em uma fratura. A precipitação mineral dentro de uma fratura é conhecida por ser afetada pela geometria do caminho de fluxo dentro de uma fratura que controla a mistura4, pela difusão e dispersão de fluidos que controlam a extensão e distribuição espacial das interações fluido-rocha e mineralização5, e pela heterogeneidade mineral ao longo os caminhos de fluxo de fratura que afetam o tipo de precipitação mineral induzida4,6,7,8,9,10. Mas um fator chave não abordado em estudos anteriores é o efeito da orientação da fratura em relação à gravidade na dinâmica química. Nas fraturas horizontais, a segregação do fluido ocorre quando os fluidos injetados têm densidades diferentes, com o fluido menos denso subindo sobre o fluido mais denso. Para fluidos miscíveis, um gradiente de densidade pode levar a instabilidades, como digitação induzida por difusão dupla11, mistura conduzida por convecção12, bem como instabilidades de Rayleigh-Taylor13,14. Uma questão chave é como essas instabilidades afetam a mistura de fluidos e, por sua vez, a precipitação mineral através de um plano de fratura inclinado.

Neste artigo, combinamos experimentos visuais de laboratório e modelagem numérica para mostrar que a dinâmica química impulsionada pela gravidade controla a mistura de fluidos e a distribuição de precipitados dentro de uma fratura de abertura uniforme. Demonstramos que um contraste de densidade entre os dois fluidos pode levar ao confinamento do fluido menos denso a um runlet estreito. O tamanho do runlet depende da orientação do plano de fratura em relação à gravidade. A forma e a estabilidade do runlet são afetadas por vórtices 3D induzidos pela gravidade em um regime de fluxo laminar, e os vórtices também afetam as linhas de mistura e a distribuição espacial dos precipitados de carbonato através do plano de fratura. A presença de instabilidades induzidas pela gravidade em um regime laminar tem o potencial de afetar o projeto e operação de operações de subsuperfície no sequestro de \(\hbox {CO}_2\) por aprisionamento mineral em rocha fraturada. As fraturas na subsuperfície podem selar de forma diferente, dependendo da orientação, afetando assim a capacidade de uma fratura se autocurar, especialmente se orientada verticalmente. Fraturas horizontais são mais propensas a serem uniformemente seladas por precipitação mineral.

5.4). When the two solutions mixed in a fracture, the pH increased and exceeded 6.8, causing the mixed fluids to turn purple. Figure 8 shows digital images of the fracture for 25, 50, 75, 167 and 250 minutes after the initiation of simultaneous pumping of solutions 3 and 4. Just as for the non-reactive case (Fig. 1), the fracture was initially filled with less dense Solution 4 (blue in Fig. 8 at 25 minutes) for the reactive miscible fluids experiment. As the less dense solution 4 is displaced and mixed with the denser Solution 3, the color changes to purple./p> 75\) mins and inclination angles \(>30^\circ\) Once the denser solution reached the outlet (time >75 min), the less dense solution replenished the front leading to continual formation of precipitates along the horizontal front. However, depending on the fracture inclination, the precipitates either settled (i.e. rained down) from the horizontal front and accumulated around the inlet of the fracture, or deposited over the entire fracture plane. The sedimentation of the precipitates in regions near the inlet occurred for fracture inclinations of 45\(^\circ\) to 90\(^\circ\). While precipitates continually rained down from the front for fractures inclined at 90\(^\circ\), a critical mass of precipitates was required for inclination of 45\(^\circ\) to 75\(^\circ\) case. When a critical mass was reached, the precipitates slid down the inclined fracture plane and collected near the inlet of the fracture. This was not observed for fractures inclined at 15\(^\circ\) or 30\(^\circ\). This suggests that the coefficient of static friction for the precipitates is between tan (30\(^\circ\)) and tan (45\(^\circ\)), though one must also account for viscous drag forces from the flowing solutions./p> 75 minutes, indicating that a high concentration of Solution 3 that is not interacting with the less dense Solution 4. As in the non-reactive case, the less dense fluid is essentially confined to a narrow runlet (blue path on right of images) as the denser fluid filled the fracture. As a result, after the initial displacement of the less dense fluid, precipitate formation was restricted to a narrow path along the less dense fluid runlet (Fig. 8) for high inclination angles. The precipitation along the edges of the runlet was sufficient to block flow in the aperture at these locations thus inhibiting mixing and the formation of additional precipitates./p> 30^\circ\), precipitates slide down to the bottom of the fracture; (3) When the angle is \(45^o< \theta < 90^\circ\), precipitates collect near the inlet; (4) When \(\theta < 30^\circ\), precipitates achieve almost complete coverage of the fracture plane. (The evolution of the precipitate distribution can be viewed in movies SM1-SM6 that are part of the Supplemental Information.)/p>5. For higher pH values, there is the potential to form Al- and Fe-hydroxides, chalcedony, and zeolites and smectites24. As these reactions occur along fracture flow paths, the pH and other fluid properties are likely to evolve over time and distance. Diffusivity of the fluids also affects mixing and alters the density contrast of fluids over time. High values of diffusivity will most likely lead to an increase in the runlet width or possibly inhibit runlet formation if the diffusion is rapid relative to the flow rate. The injection rate of the fluids will affect the stability of the runlet because it controls the shape and movement of vortices. Fracture and rock properties such as fracture aperture variability should be considered in future studies because the structural heterogeneity will affect runlet formation and the amount of fluid stratification within each aperture. In nature, fracture surfaces are rough and vary in mineralogy that result in aperture variability, and in turn can lead to preferential flow paths and stagnation zones, both of which are known to significantly affect fluid flow, mixing and transport as observed Fig. 10./p>

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