Geokjemiske reaksjoner i reservoarer etter CO 2 injeksjon Reaktivitet til glaukonitt og dawsonitt

Transkript

1 Geokjemiske reaksjoner i reservoarer etter CO 2 injeksjon Reaktivitet til glaukonitt og dawsonitt Per Aagaard 1, Helge Hellevang 2, Eric H. Oelkers 3 & Bjørn Kvamme 2 1 Institutt for Geofag, UiO, 2 Institutt for fysikk og teknologi, UiB, 3 Laboratoire des Mécanismes et Transferts en Géologie, CNRS; Toulouse

2 2 NFR prosjekter: Safe long term storage of CO 2 in aquifers (Bjørn Kvamme, Physics & Technology, UiB) - Geochemical part: stipendiate Helge Hellevang CO 2 sequestration in aquifers - Experimental studies on mineral trapping (Per Aagaard,, UiO) - stipendiate Hege Orefellen

3 CO 2 injeksjon og lagring

4 CO 2 injeksjon i en vannfyllt akvifer Superkritisk CO 2 vil fortrenge den ikke (minimalt) blandbare vannfasen Kapillæreffekter med et vannfuktet system gir foretrukken strømning av CO 2 i store porer/viskøs fingering Resultat raskere advektiv strømning med langsommere oppløsning og diffusjon ut i de mindre porer

5 CO 2 sequestration -processes Hydrodynamic trapping Aqueous trapping Mineral trapping CO2 exits well-casing Ca, Mg, Fe Carbonate precipitation CO2 disp into pore fluid H2CO3 aqueous H+ HCO3- HCO3- Silicate reactions Microbial activity? Al, Si, K, Na Sec. clays ppt Dove (2001) CH4 Veldig store forskjeller i tidsskala på fysisk fortrenging, oppløsning og diffusjon og mineralvannreaksjonene

6 ??? Hva er lagringskapasiteten og hva slags mineral-vannreaksjoner vil skje når superkritisk CO 2 ved tilstrekkelig høyt trykk sendes ned i akviferen? Situasjonen har mange likhetspunkter med det vi kjenner fra diagenetiske studier i oljegeologi, hvor CO 2 er en viktig faktor i reaksjonsforløpet og reaktiviteten til systemet.

7 CO 2 injection North Sea oil fields New Zealand Partial pressure of CO 2 in HC reservoirs on the Norwegian shelf -2 Iceland Hydrothermal systems TEMPERATURE ( C)

8 CO 2 injeksjon og geokjemisk reaktivitet CO 2 innholdet mangedobles i forhold til naturlige diagenetiske systemer, og man vil forvente langt høyere reaksjonspotensiale. F.eks. Vil ph ligge mellom Reaktive mineraler vil kunne inngå i reaksjoner med CO 2 og binde CO 2 under dannelse av nye mineraler.

9 Geokjemisk modellering (Perkins & Gunter, 1995, Gunter et al., 2000), Resultater fra geokjemiske reaksjonssimuleringer viser at den klastiske mineralogien er svært viktig for CO 2 binding. Karbonater vil kunne reagere hurtig men har minimal kjemisk lagringskapasitet. Reaktive silikatmineraler som er istand til å danne karbonatmineraler, vil gi en stor grad av kjemisk forbruk og binding av CO 2.

10 Modell simuleringer Forutsetter: - Tilfredstillende kinetisk formulering og parametre - Mineralologisk sammenseting og tilgjengelig overflateareal (spes partikkelstørrelse for de reagerende mineraler) Batch-simuleringer Åpen og lukket system beregninger for å etterligne hhv konstant CO 2 trykk og utvikling etter injeksjon Kolonne-simuleringer Enkle 1D transport koder til forenklede reaktiv transport beregninger

11 Eksperimentelle studier Modellsimuleringene har vist at kinetikken til mineralers oppløsning og utfelling har stor betydning for hva vi ender opp med og hvor raskt mineral innfangingen skjer. Har derfor studert noen kritiske mineralers kinetikk nærmere: - Glauconitt (K,Na)(Fe 3+,Fe 2+,Al,Mg)(Si,Al) (OH) 2 - Dawsonitt (NaAl(OH) 2 CO 3 )

12 Hvorfor glauconitt? 1. Marine sandsteiner har ofte autigene FeMg-mineraler, som glauconitt, og kan derfor være en viktig reaktant. 2. Kinetiske data brukt i simuleringer, svært usikre (brukt de for muskovitt og biotitt)

13 Glauconititt-rike sandsteiner- Grønnsander Micritic limest. (Coniacian) Arnager Greensand (Cenomanian) 80m Arnager Grønnsands, Bornholm, Denmark Dypvik (1995)

14 Glauconitt oppløsningsstudier Utført i mixed flow reaktorer ved temperaturer fra C og ph fra 2-8. på aggregater av velkrystallin glauconitt ( µm) Mineral oppløsningshastigheter ble beregnet ut fra steady state løsningssammensetning og estimert geometrisk overflateareal

15

16 Glauconitt oppløsningsstudier Utført i mixed flow reaktorer ved temperaturer fra C og ph fra 2-8. på aggregater av velkrystallin glauconitt ( µm) Mineral oppløsningshastigheter ble beregnet ut fra steady state løsningssammensetning og estimert geometrisk overflateareal

17 Hazlet glauconite Citrate-dithionite Ultrasoniccally treated

18 Hazlet glauconite Citrate-dithionite Ultrasoniccally treated

19

20 Glauconitt oppløsningsstudier Utført i mixed flow reaktorer ved temperaturer fra C og ph fra 2-8. på aggregater av velkrystallin glauconitt ( µm) Mineral oppløsningshastigheter ble beregnet ut fra steady state løsningssammensetning og estimert geometrisk overflateareal

21 Oppløsnings utvikling Stoichiometry. Steady state behavior

22 Dissolution behavior

23 Apparent activation energy 35 kj/mol

24 Rate comparison with other clay minerals 22 C 80 C Betts & Grandstaff (2001) Köhler et al., 2003

25 Hvorfor dawsonitt? Geokjemiske simuleringer har indikert at Dawsonitt (NaAl(OH) 2 CO 3 ) kan dannes, men det er basert på dårlig kjente kinetiske data, undersøkt kinetikken til Dawsonitt-oppløsning ved 80 C. Kan det vises at Dawsonitt virkelig dannes under reservoarforhold, vil kapasiteten til minerallagring av CO 2 økes betraktelig, særlig fordi det ofte er en god del Na-feltspat i mange reservoarer, som derfor kan være en viktig reaktant.

26 Dawsonite kinetic stability Naturlig dawsonitt (Monticolo, Italy) Åpen-batch oppløsnings-eksperimenter ved 80 C.

27 Oppløsnings-eksperimenter ved 80 C

28 Oppløsnings-eksperimenter ved 80 C

29 Dawsonite stabilitet

30 Post CO 2 injeksjon og geokjemisk stabilitet

31 CO 2 injeksjon og geokjemisk reaktivitet

32 Oppsummering Glaukonitt - Geometrisk overflateareal-normalisert glaukonitt-oppløsningshastighet er størrelses ordener høyere enn de andre glimmermineraler - Aktiveringsenergi ved ph 2 er ca 35 kj/ mol og tilsynelatende reaksjonsorden mht protoner 0.28.

33 Oppsummering Dawsonitt - Rask oppløsningshastighet - når rask likevekt med løsningen - Stabil? Stabil under vedvarende høy P CO2, men kan destabiliseres under trykkavlastning og strømning

34 Good News? Mineralinnfanging av CO 2 i marine sandsteiner med glaukonitt vil skje rimelig raskt Dawsonitt vil sannligvis dannes, men ikke nødvendigvis permanent Problemer med at bare en liten del av CO 2 produsert ved brenning av fossilt karbon kan samles sammen og lagres geologisk