Etude expérimentale et théorique des mécanismes d'assèchement lors de l'injection de CO2 dans des réservoirs salins

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9155 (2023) Citer cet article

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Une ressource de stockage de CO2 viable doit avoir une capacité de stockage suffisante, une efficacité de confinement fiable et une injectivité de puits adéquate. Les formations salines profondes se distinguent par leur capacité de stockage et leur efficacité de confinement. Cependant, l'assèchement de la saumure de formation et la précipitation de sel dans la région proche du puits pourraient altérer l'injectivité du CO2 dans les réservoirs salins profonds, réduisant ainsi leur potentiel de stockage du CO2. Des expériences d'inondation de carotte et une modélisation analytique ont été utilisées pour étudier divers mécanismes de précipitation de sel externe et interne. En particulier, l'impact de l'extension de la région d'assèchement sur l'injectivité du CO2 a été étudié. Il a été constaté que, pour les roches à haute perméabilité, l'injection de CO2 à des taux d'injection relativement faibles pouvait entraîner un dépôt de gâteau de sel à l'entrée d'injection, en particulier dans des conditions de salinité élevée. Il a également été constaté que l'extension de la région d'assèchement n'a pas d'impact significatif sur l'injectivité du CO2. Bien que l'ampleur de la dégradation de l'injectivité du CO2 ait plus que doublé lorsque la salinité initiale de la saumure a doublé, les changements en temps réel de l'injectivité du CO2 pendant le processus de séchage se sont avérés indépendants de la salinité initiale de la saumure. Nous avons montré que le modèle de faisceau de tubes pourrait fournir des informations utiles sur le processus de vaporisation de la saumure et de dépôt de sel dans la région d'assèchement lors de l'injection de CO2. Ce travail fournit une compréhension essentielle de l'effet de la précipitation du sel sur l'injectivité du CO2.

Les conditions préalables à la réussite du captage, de l'utilisation et du stockage du carbone (CCUS) sont une efficacité de confinement robuste, un volume de stockage adéquat et une injectivité de puits suffisante, pour injecter de grandes quantités de CO2 à des débits pratiques1. Les formations salines profondes sont des ressources de stockage appropriées pour le CCUS en fonction de leur capacité de stockage et de leur confinement2,3,4,5,6,7. Cependant, la précipitation de sel due à la vaporisation de la saumure, en particulier à proximité du puits de forage, lors de l'injection de CO2 pourrait affecter l'injectivité du CO2 dans les formations salines profondes8,9,10,11,12,13. Les facteurs sous-jacents de la dégradation de l'injectivité du CO2 induite par la précipitation du sel ont été largement étudiés et identifiés pour inclure la concentration de sel dans la saumure, les propriétés pétrophysiques et pétrographiques de la roche, le taux de séchage, l'étendue de la zone d'assèchement, la saturation en sel dans les espaces poreux après séchage, répartition des sels précipités dans les pores et propriétés pétrophysiques de la roche réservoir14,15.

La précipitation ou l'entartrage des sels a été un défi majeur en matière d'endommagement des formations dans les opérations des champs pétrolifères depuis la création de l'industrie. Dans les opérations de terrain impliquant l'injection, le stockage et la production de gaz naturel ; divers niveaux d'altération de l'injectivité liés directement et indirectement à la précipitation saline ont été rencontrés et rapportés16,17,18,19. Une altération de la perméabilité comprise entre 13 et 83 % et une réduction de la porosité d'environ 2 à 15 % ont été rapportées lors d'expériences en laboratoire9,11,12,20,21,22,23,24. Des simulations théoriques rigoureuses ont également confirmé les résultats expérimentaux et de terrain rapportés23,25,26,27,28,29,30. Cui et al., (2023) ont compilé une mise à jour plus récente de l'altération de l'injectivité induite par la précipitation saline qui a été rapportée par divers chercheurs par le biais d'études expérimentales et de modélisation. Généralement, la dégradation de la porosité a été inférieure aux changements de perméabilité, car le dépôt de sel dans les voies d'écoulement a plus d'impact sur la perméabilité que la porosité.

Lors de l'injection de CO2 dans la roche remplie de saumure, le gaz injecté déplace initialement la saumure mobile hors de la roche. Lors de cette étape de déplacement non miscible, le transfert de masse entre le gaz et la phase aqueuse déplacée est minimal. Une fois la saumure mobile déplacée, l'injection continue de CO2, en particulier dans des conditions d'injection typiques sur le terrain, entraîne la vaporisation de la saumure, le séchage et la précipitation du sel. Généralement, la zone d'assèchement s'étend dans la formation avec un temps d'injection après le début du processus de séchage. Certaines études expérimentales et numériques ont en partie examiné les mécanismes sous-tendant le développement de la zone d'assèchement qualitativement et quantitativement9,25,27,31,32,33,34,35. Cependant, à la connaissance des auteurs, aucune étude expérimentale ou de modélisation n'a tenté de surveiller l'extension de la zone d'assèchement en temps réel et d'examiner son impact sur la dégradation de l'injectivité.

Miri et Hellevang14 ont identifié les principaux mécanismes sous-jacents qui régissent le taux d'assèchement et l'extension de la zone d'assèchement lors des précipitations salines. Ces facteurs comprennent : (1) le déplacement diphasique non miscible de la saumure résidente par le CO2 injecté, (2) la vaporisation de la saumure dans le flux de CO2 en circulation, (3) le reflux capillaire de la saumure vers l'entrée d'injection, (4 ) la diffusion du sel dissous dans la phase aqueuse, (5) le remplacement par gravité du CO2 injecté et (6) l'auto-amélioration du sel. Ces facteurs ont également été confirmés dans des conditions pratiques d'injection sur le terrain36. Il a également été rapporté qu'un très faible taux d'évaporation de la saumure dans le front de séchage peut entraîner une distribution homogène du sel précipité dans tout le milieu poreux9,10,14,37. Pour des taux de vaporisation élevés, il n'y a pas suffisamment de temps pour que le gradient de concentration en sel se diffuse loin du front de séchage, ce qui entraîne une accumulation non homogène de sel10,38. La position où l'accumulation de sel est maximale est encore largement discutable. Des expériences numériques menées par Roels et al.39 suggèrent que le sel précipité peut s'accumuler loin du puits de forage. Cependant, d'autres travaux de recherche6,7,9,17,22,40 rapportent que le sel précipité s'accumule près du puits de forage où les flux et la vaporisation de la saumure sont les plus élevés. Cependant, Berntsen et al.41 ont identifié trois régimes d'assèchement différents dans différentes régions de forage lorsqu'ils ont étudié l'assèchement et le colmatage du sel dans des conditions d'écoulement de CO2 radiales presque réalistes. Cela suggère que la distribution du sel précipité n'est pas uniforme dans la région de séchage, bien que la distribution relative exacte du sel précipité et les facteurs déterminants doivent encore être étudiés en profondeur. Un examen et une évaluation détaillés des mécanismes de dégradation de l'injectivité du CO2 ont été présentés par Hajiabadi et al.42.

Plusieurs modèles analytiques et numériques ont été développés pour étudier la physique derrière la précipitation du sel à l'échelle du cœur et du champ27,28,43,44,45. Plus récemment, la modélisation basée sur l'apprentissage automatique a également été adoptée pour étudier les mécanismes d'injectivité du CO246,47,48. La microstructure des milieux poreux naturels est très complexe avec des tortueux et des canaux de pores souvent non circulaires49,50,51. Trois modèles à l'échelle des pores ont été largement utilisés pour tenter de reconstruire des analogues représentatifs de la structure poreuse pour étudier l'écoulement des fluides dans les milieux poreux ; les modèles de réseau, le modèle sphere-pack et le modèle bundle-of-tubes52. Le modèle à l'échelle des pores le plus simple est le modèle du faisceau de tubes qui est normalement dérivé de l'équation de Hagen-Poiseuille53. Les premiers modèles traditionnels de faisceaux de tubes représentent les milieux poreux comme un assemblage de tubes capillaires circulaires indépendants et uniformes54,55. Les modèles de faisceaux de tubes peuvent être interactifs ou non, selon la communication fluide entre les tubes individuels56.

Dans le présent travail, nous avons mené des expériences d'inondation de carottes à l'aide de bouchons de carottes de grès pour étudier les mécanismes de dépôt interne et externe de sel lors de l'injection de CO2 dans des réservoirs salins profonds. En particulier, nous avons étudié le développement de la zone d'assèchement en temps quasi réel et tenté de surveiller et de quantifier l'impact de l'extension de la région d'assèchement sur l'injectivité du CO2. Nous avons ensuite dérivé un modèle de faisceau de tubes traitable décrivant les observations expérimentales, dans le but de modéliser la relation entre la dégradation de l'injectivité du CO2 et l'étendue de la zone d'assèchement, c'est-à-dire d'établir une relation quantitative entre le développement de la zone d'assèchement et l'injectivité du CO2. Les résultats ont été discutés à la lumière de la littérature établie.

Les noyaux de grès de l'affleurement Berea considérés comme homogènes avec une perméabilité à la saumure de l'ordre de 60 à 100 mD et une porosité comprise entre 18 et 20% ont été utilisés comme principale roche réservoir pour l'étude. Chaque carotte a une longueur de 20 cm et un diamètre de 3,81 cm. Ces bouchons à noyau long ont été sélectionnés à dessein pour augmenter le temps de séjour du CO2 pendant le processus de séchage.

Du CO2 liquéfié avec un pourcentage de pureté d'environ 99,7 % a été utilisé comme phase non mouillante. Lors de l'injection de CO2 liquide, le fluide a été injecté à 80 bar et 25 °C. Pour l'injection de CO2 supercritique, les conditions d'injection ont été fixées à 80 bar et 45 °C.

Les saumures de NaCl, de salinité de 75 g/l et 150 g/l, ont été sélectionnées pour représenter respectivement les saumures de formation à faible salinité (LS) et à haute salinité (HS). La saumure HS devrait représenter la saumure de formation saline profonde, tandis que la saumure LS a été sélectionnée pour tester la sensibilité de la salinité de la saumure.

La figure 1 représente des schémas de l'appareil d'injection de noyau utilisé dans les travaux expérimentaux. Initialement, le noyau était chargé dans le porte-noyau. La pompe Quizix est utilisée pour fournir de la saumure à travers la cellule à piston connectée pour un vieillissement temporaire afin d'atteindre une température uniforme définie avant qu'elle n'arrive à l'entrée du cœur. La pompe à CO2 ISCO reçoit le CO2 liquide de la bouteille de gaz via un régulateur de pression. Du CO2 liquide ou supercritique peut être injecté dans le cœur en fonction des conditions définies. Le fluide injecté passe dans la cellule à piston qui retient le fluide jusqu'à ce qu'une température prédéfinie soit atteinte dans le four. Un manomètre différentiel et un transducteur de pression sont utilisés pour surveiller la chute de pression à travers le noyau et enregistrer la pression interstitielle. Une contre-pression de 80 bars a été réglée à la sortie, lors de l'injection de CO2 et le fluide effluent a été collecté en toute sécurité dans une cellule à piston pour analyse et élimination en toute sécurité.

Le montage expérimental utilisé pour les expériences d'injection de CO2.

La carotte a d'abord été nettoyée et séchée à 65 °C pendant environ 24 h. Le noyau a ensuite été enveloppé dans un manchon en téflon rétractable avant d'être inséré dans un manchon en caoutchouc pour éviter les fuites de CO2. La carotte soigneusement emballée a ensuite été montée dans le porte-carotte. Une pression de confinement d'environ 150 bar a été appliquée au noyau dans le porte-noyau. La procédure expérimentale comprend les éléments suivants :

La perméabilité initiale au CO2 liquide (\({K}_{i})\) de la carotte a été mesurée.

Le noyau a été saturé sous vide avec une saumure de salinité spécifique (HS ou LS).

L'échantillon de carotte saturé a été inondé avec des volumes de pores spécifiques (PV) de CO2 supercritique pour vaporiser la saumure et sécher la carotte à partir de l'entrée d'injection.

La carotte a été extraite, inspectée et l'étendue de la zone d'assèchement a été mesurée.

La perméabilité finale au CO2 liquide (\({K}_{f}\)) du noyau a été mesurée.

À l'étape 2, le noyau saturé sous vide a été préparé et inséré dans le porte-noyau suivi d'une injection de saumure à 1 ml/min jusqu'à ce que la saturation complète soit atteinte. À l'étape 3, du CO2 supercritique a été injecté dans le noyau saturé à 5 ml/min pour vaporiser la saumure et éventuellement précipiter le sel dans les pores. Après chaque cycle d'injection de CO2 supercritique, le cœur a été inspecté et l'étendue de la zone d'assèchement a été mesurée par balayage. Aux étapes 1 et 5, du CO2 liquide a été injecté à 2 ml/min pour mesurer la perméabilité avant et après la vaporisation de la saumure et la précipitation du sel.

Les profils de perte de charge et la pression interstitielle ont été enregistrés lors de l'injection de CO2 pour étudier qualitativement le processus de séchage et l'impact du séchage sur l'injectivité. Les profils de chute de pression peuvent ne pas fournir des informations complètes sur les événements au niveau des pores, mais ils donnent un aperçu utile des changements en temps réel des propriétés d'écoulement dans le noyau pendant le processus de séchage.

Pour des taux d'injection constants (\({q}_{i}={q}_{f}\)) dans des conditions d'écoulement linéaire dans une roche homogène, nous pouvons définir l'indice de changement d'injectivité relatif, \(\beta \) à partir de Loi de Darcy comme :

Les termes \(\left(\frac{{\Delta p}_{i}}{{\Delta p}_{f}}\right)\) et \(\left(\frac{{K}_{ f}}{{K}_{i}}\right)\) sont évalués et comparés pour la cohérence. Le \(\beta \) fournit une estimation indirecte de l'injectivité du CO2 induite par le processus de séchage. L'accumulation de sel dans les constrictions des pores augmentera la perte de charge, diminuant ainsi la perméabilité de la roche et l'injectivité du CO2.

L'objectif principal du travail de modélisation est de développer un modèle analytique physique traitable avec juste assez de capacité pour compléter les études expérimentales en termes d'estimation de la dégradation de l'injectivité induite après la précipitation du sel sans sacrifier l'efficacité du modèle pour capturer les principaux mécanismes sous-jacents. Le modèle de faisceau de tubes a été sélectionné en raison de sa capacité à capturer les principaux processus physiques de transport dans les milieux poreux, de son efficacité de calcul et de sa flexibilité pour modéliser différents événements à l'échelle des pores. Les principales hypothèses du modèle incluent :

Une roche réservoir parfaitement homogène

Aucune interaction chimique entre le fluide d'injection et le contenu de la roche réservoir

Ecoulement monophasique du CO2 injecté dans le réservoir lors des tests d'injectivité

Dépôt uniforme de sel précipité dans la région d'assèchement de la roche

Bien que le modèle soit limité par ces hypothèses, il capture les mécanismes de base et est donc capable de fournir des estimations acceptables de l'impact quantitatif du dépôt de sel sur le stockage du CO2 dans les réservoirs salins profonds à l'échelle du cœur.

La figure 2 montre un noyau Berea initialement saturé de saumure LS et inondé d'environ 160 PV de CO2 supercritique à un débit d'injection de 5 ml/min. On peut observer que la partie du cœur proche de l'entrée d'injection s'est complètement asséchée après vaporisation de la saumure tandis que la partie restante proche de la sortie est restée humide de saumure immobile.

Un noyau de grès de Berea après une période de séchage. Le cœur a été initialement saturé de saumure LS, après quoi il a été inondé d'environ 160 PV de CO2 supercritique à un débit d'injection de 5 ml/min.

Par inspection, la carotte peut être sectionnée en une zone sèche et une zone humide après vaporisation et séchage de la saumure (Fig. 2). Des précipitations de sel sont attendues dans la région d'assèchement après la vaporisation de la saumure. Le noyau cylindrique, de rayon \(R\) et de longueur \(L\) a été reconstruit avec un faisceau de tubes capillaires cylindriques parallèles de rayons variables (\({r}_{1},{r}_{2},{ r}_{3},\dots {r}_{N}\)) entrecoupées d'une masse non poreuse (régions grisées) qui représentent la matrice rocheuse (Fig. 3). Le modèle est divisé en une région sèche (\({L}_{1}\)) où le sel a été précipité dans les tubes et la région humide (\({L}_{2}\)) où le les pores contiennent de la saumure immobile.

Un schéma du modèle de faisceau de tubes. Le noyau de longueur L et de rayon R est représenté par un faisceau de tubes capillaires cylindriques parallèles avec des rayons variables intercalés entre une masse non poreuse.

Dans la région d'assèchement, le sel solide précipité est supposé s'accumuler sur les parois de la constriction des pores, représentée par les tubes capillaires. En conséquence, le sel accumulé dans la zone d'assèchement réduirait la section d'écoulement du tube \(r\) de \(\Delta r\), pour un total de \(N\) tubes capillaires dans le milieu poreux .

Nous définissons un paramètre sans dimension \({l}_{d},\) pour surveiller l'extension de la région d'assèchement de l'entrée à la sortie de l'âme de longueur totale \(L\) donnée par :

En utilisant l'équation de Hagen − Poiseuille, l'injectivité du fluide à travers le faisceau de tubes capillaires peut être exprimée par :

Dans l'éq. (3), \(\mu \) est la viscosité du fluide injecté, \(Q\) est le débit d'injection et \(\Delta p\) est la perte de charge totale à travers le faisceau de tubes. L'indice de changement d'injectivité relatif \(\beta \) peut alors être dérivé comme :

Dans l'éq. (4), \({I}_{i}\) et \({I}_{f}\) sont respectivement l'injectivité du fluide avant et après le séchage et la précipitation du sel. Si la distribution de la taille des pores de la roche est connue, Eq. (4) peut être utilisé pour estimer l'impact du sel précipité sur l'injectivité si \({l}_{d}\) et \({\Delta r}_{i}\) pour chaque \({r}_{ i}\) du total \(N\) tubes capillaires sont connus. Ce sont les trois paramètres inconnus de l'équation qu'il faut déterminer.

Le volume poreux de l'âme est approximativement égal à la somme des volumes internes de tous les tubes capillaires. En utilisant la définition de la porosité,\(\phi ,\) le nombre total de tubes capillaires représentatif du volume poreux du noyau peut être mis en relation avec la porosité, la taille du noyau \(R\) et le pore moyen rayon, \(\overline{{r }_{i}}\) par :

L'intégration de \({r}_{i}^{2}\) de zéro à l'épaisseur de sel maximale \({\Delta r}_{max}\) donne :

De même, l'intégration de \({r}_{i}\) sur la même épaisseur de sel donne :

Combiner les éq. (6) et (7) donne une relation entre \(\overline{{r }_{i}^{2}}\) et \(\overline{{r }_{i}}\) :

où \({\overline{r} }_{i}^{2}\) est le carré de la moyenne des rayons des tubes capillaires. En remplaçant l'éq. (8) dans l'éq. (5), le nombre total de tubes capillaires qui donneront une porosité spécifique peut être estimé :

De l'éq. (9), le nombre total de tubes capillaires qui représente quantitativement le volume poreux du noyau peut être estimé, compte tenu de la porosité \(\phi \) et de la taille moyenne des pores, \(\overline{{r }_{i}} \), compte tenu de la distribution de la taille des pores de la roche.

La saturation en sel solide \({S}_{si}\) déposée dans un tube capillaire est définie par :

où \({V}_{si}\) est le volume de sel solide dans le tube,\({V}_{pi}\) est le volume disponible dans le tube pour le dépôt de sel et \({r}_ {e}=({r}_{i}-{\Delta r}_{i}\)). La substitution de \({r}_{e}=({r}_{i}-{\Delta r}_{i}\)) donne :

Dans l'éq. (11), en supposant \({r}_{i}\gg {\Delta r}_{i}\) que \(\frac{\Delta {r}_{i}}{{r}_{i }^{2}}=0\) nous pouvons dériver \({\Delta r}_{i}\) en termes de \({S}_{si}\) :

La masse totale de sel solide déposée dans tous les tubes \(N\) peut être estimée à :

où \({\rho }_{s}\) est la densité du sel solide. Mais la masse totale de sel déposée dans le noyau peut aussi s'exprimer par :

où \({V}_{st}\) est le volume total de sel déposé dans le noyau. Combiner les éq. (13) et (14) donne :

Substitution d'éqs. (9) dans (15) donne :

Puisque \({S}_{s}\) et \({l}_{d}\) sont constants à tout moment, l'incertitude dans \(\overline{{\Delta r }_{i}} \) dans l'éq. (16) est principalement associé à l'incertitude dans \(\overline{{r }_{i}}\). Par conséquent, l'éq. (16) peut être utilisé pour estimer l'épaisseur moyenne du sel solide déposé sur les parois des pores en termes de saturation cumulée en sel solide, \({S}_{s}\) par :

Si \({S}_{s}\) et \({l}_{d}\) sont connus, nous pouvons calculer \({\Delta r}_{i}\) pour chaque \({r} _{i}\) après précipitation saline. À l'aide du bilan massique, Pruess27 a dérivé une équation pour estimer la saturation en sel solide comme :

Dans l'éq. (18), \({\overline{S} }_{g,d}\) est la saturation moyenne en gaz derrière le front d'assèchement, \({\rho }_{aq}\) est la densité de la saumure , \({X}_{s}\) est la fraction massique de sel dans la saumure et \({\rho }_{s}\) est la densité du sel solide. Étant donné que \({\overline{S} }_{g,d}\) est également une mesure de l'extension de la région d'assèchement similaire à \({l}_{d}\) dans le modèle actuel, un corrélation a été dérivée pour la saturation en sel solide, en ajustant les données expérimentales :

Tout d'abord, nous avons mesuré \({\rho }_{aq}\) et \({X}_{s}\) pour une saumure de 100 g/l de NaCl. Ensuite, une carotte de grès de Berea avec une perméabilité initiale connue a été saturée de saumure et environ 300 PV de CO2 supercritique ont été inondés à travers la carotte à un débit de 5 ml/min. Après chaque 50 PV d'injections de CO2, le noyau a été inspecté par balayage pour déterminer \({l}_{d}\) après quoi la perméabilité a été mesurée. Nous avons ensuite calculé \(\beta \) pour chaque \({l}_{d}\) et tracé les données. Une corrélation \({S}_{s}\) initiale similaire à l'Eq. (18) en remplaçant \({\overline{S} }_{g,d}\) par \({l}_{d}\) sans que les paramètres correspondants aient été utilisés pour calculer \(\beta \). La corrélation de saturation \({S}_{s}\) a ensuite été optimisée pour s'adapter aux données expérimentales initiales. La corrélation optimale dans l'Eq. (19) a ensuite été utilisé tout au long des différentes expériences. Une concentration de saumure en dehors de la plage utilisée dans l'ensemble expérimental principal a été utilisée pour calibrer la corrélation et assurer la répétabilité.

L'équation (19) est utilisée pour estimer \({S}_{s}\) dans la zone d'assèchement. Une fois que \({S}_{s}\) est connu, \({\Delta r}_{i}\) est calculé à partir de l'équation. (17) puis \(\beta \) pour chaque \({l}_{d}\) calculé à partir de l'équation. (4).

Les mécanismes de précipitation du sel peuvent être regroupés en deux : la formation de gâteau de sel à l'entrée de l'injection et les effets de séchage. Dans certaines conditions favorables, un gâteau de sel peut se former à la surface de l'entrée du noyau pendant les premières étapes de la vaporisation de la saumure avant le début du séchage.

Pour étudier les mécanismes de formation du gâteau de sel, un noyau Bentheimer propre a été saturé sous vide avec 120 g/L de saumure NaCl et inondé avec environ 50 PV de CO2 supercritique sec à un débit de 1 mL/min. Le noyau Bentheimer a été sélectionné en raison de sa perméabilité relativement élevée. Des profils de perte de charge ont été enregistrés lors de l'injection de CO2. D'après la figure 4A, on peut observer qu'aucun sel ne s'est formé à la sortie du noyau. La figure 4B montre un dépôt massif de gâteau de sel à l'entrée du noyau. Au début de l'injection, lorsque le cœur est complètement saturé de saumure, le CO2 supercritique injecté laisse de la saumure derrière l'entrée en raison d'un mauvais balayage de la saumure par le fluide injecté. La salinité de la saumure augmente progressivement en raison du transfert de masse de l'eau de la saumure vers le CO2 supercritique sec. Si la salinité initiale de la saumure est suffisamment élevée, la saumure laissée à l'entrée pourrait atteindre une sursaturation et précipiter le sel sur la surface de l'entrée. Le sel précipité crée un gradient de saturation qui attire plus de saumure dans la région d'entrée par reflux capillaire, entraînant la précipitation de plus de sels à l'entrée. Ainsi, la formation de gâteau de sel pourrait augmenter avec la salinité de la saumure et le déplacement inefficace de la saumure à l'entrée d'injection.

Photographies de la carotte de Bentheirmer après injection de CO2 à 1 mL/min dans la carotte initialement saturée de 120 g/L de saumure NaCl. (A) Aucun gâteau de sel observé à la sortie du noyau. (B) Gâteau de sel massif trouvé à l'entrée d'injection.

Pour étudier l'impact du balayage sur le développement du gâteau de sel, le débit d'injection de CO2 supercritique a été augmenté de 1 à 5 mL/min. Le dépôt de sel à l'entrée d'injection a diminué lorsque le débit d'injection a été augmenté de 1 à 5 mL/min (Fig. 5). Le balayage à l'entrée d'injection s'est amélioré avec l'augmentation du débit d'injection, laissant moins de saumure derrière l'entrée d'injection pour la précipitation du sel.

Photographies montrant le développement du gâteau de sel à l'entrée du noyau lorsque le taux d'injection de CO2 supercritique est passé de (A) 1 mL/min à (B) 5 mL/min. L'augmentation du taux d'injection de CO2 a diminué la quantité de sel déposé.

La salinité initiale de la saumure a ensuite été réduite à 75 g/L, en maintenant le débit d'injection de CO2 constant à 5 mL/min. La quantité de gâteau de sel précipité à l'entrée d'injection a encore diminué de manière significative lorsque la salinité de la saumure a diminué (Fig. 6). À vitesse constante de vaporisation, l'abaissement de la salinité de la saumure saturante retarde la sursaturation, permettant à une partie importante de la saumure laissée à l'entrée d'injection d'être balayée dans le noyau, ce qui a tendance à réduire la quantité de gâteau de sel formé à l'entrée.

Photographies montrant le développement d'un gâteau de sel à l'entrée du cœur lorsque la salinité de la saumure est passée de (A) 120 g/L à (B) 75 g/L. La diminution de la salinité de la saumure a encore réduit le dépôt de sel.

À partir de ces études expérimentales, on peut observer que le dépôt de gâteau de sel à l'entrée d'injection lors de l'injection de CO2 dans un milieu poreux salin peut dépendre de la salinité saturante de la saumure et du balayage de la saumure à l'entrée d'injection.

La distribution de la taille des pores est nécessaire pour modéliser le milieu poreux avec le modèle de faisceau de tubes dérivé dans la section "Travaux de modélisation". Sur la base d'une analyse de la distribution de la taille des pores à partir d'une injection de mercure sur un grès de Berea, Shi et al.57 ont trouvé un rayon moyen des pores d'environ 6,7 μm. Dullien et Dhawan58 ont rapporté des tailles de constriction des pores comprises entre 0,5 et 5,0 μm et des tailles de chambres de pores allant de 5,0 à 50 μm dans le grès de Berea. À partir de ces données, nous avons calibré notre modèle à une taille moyenne de pores de 6 μm en utilisant une distribution log-normale des rayons des tubes, comme le montre la Fig. 7. Sur la Fig. 7, on peut observer que les tubes avec des rayons supérieurs à 20 μm sont constitués de moins de 5% du nombre total de tubes capillaires. Le rayon minimum du tube a été fixé à 0,38 μm.

Distribution des rayons des tubes représentant la distribution de la taille des pores du noyau de grès de Berea. Les rayons des tubes ont été tirés d'une distribution log-normale avec un rayon moyen des tubes d'environ 6 μm, qui est la taille moyenne de la gorge des pores du grès de Berea.

Les roches réservoirs naturelles ont des corps de pores ouverts reliés par deux ou plusieurs gorges de pores en fonction du nombre de coordination du type de roche. Le nombre moyen de coordination des grès de Berea est compris entre 4 et 859,60. La distribution de la taille des pores sur la figure 7 se compare favorablement à cette plage de nombre de coordination.

Un noyau de grès de Berea avec une perméabilité initiale connue a été saturé avec de la saumure LS avant l'expérience de séchage. Le cœur a ensuite été inondé de CO2 supercritique à 5 ml/min. Après chaque injection de 100 PV de CO2, le noyau a été retiré et inspecté, et la région d'assèchement en progression a été mesurée pour estimer \({l}_{d}\). Le changement d'injectivité du CO2 causé par la précipitation du sel a également été mesuré et \(\beta \) a été calculé. La figure 8 montre l'impact de l'avancée de la région d'assèchement, \({l}_{d}\) sur la dégradation de l'injectivité du CO2, \(\beta \) pour les études expérimentales et de modélisation.

Effet de l'avancée de la région d'assèchement sur la dégradation de l'injectivité du CO2. Le noyau a été initialement saturé de saumure LS. Le changement d'injectivité de CO2 et l'étendue de la région d'assèchement ont été mesurés après chaque injection de 100 PV de CO2.

La figure 8 montre que les données de simulation concordent favorablement avec les données mesurées. On peut observer que la dégradation de l'injectivité du CO2 était la plus élevée au début du séchage. La dégradation de l'injectivité a diminué jusqu'à un minimum pour \({l}_{d}\) d'environ 0,45, puis a légèrement augmenté vers l'extrémité de l'effluent principal. Au début du séchage, une altération de l'injectivité pourrait être induite par la précipitation du sel et les effets de perméabilité relative. Le taux de vaporisation de la saumure est le plus élevé près de la région d'entrée en raison des flux de retour élevés entraînés par les capillaires. Lorsque la saumure atteint la sursaturation, le sel pourrait être précipité dans les pores, ce qui pourrait à son tour réduire l'injectivité. De plus, au début du séchage, une grande partie de la roche contient encore de la saumure. Le reflux capillaire peut également entraîner la phase aqueuse vers l'entrée d'injection. La présence de saumure mobile dans les pores pourrait réduire l'espace disponible pour le flux de CO2, diminuant ainsi la perméabilité relative du CO2, ce qui pourrait également avoir un impact sur l'injectivité autour de la région d'entrée.

À mesure que le front de séchage avance dans le cœur, la vaporisation de la saumure et la précipitation du sel devraient diminuer en raison des flux réduits. De plus, la saturation en saumure mobile diminuera au fur et à mesure que plus de saumure est balayée du noyau. Cela augmentera la perméabilité relative au CO2. Lorsque le noyau est presque entièrement séché, la vaporisation de la saumure et la précipitation du sel à l'extrémité de sortie du noyau sont presque négligeables. De plus, l'absence de saumure mobile dans la roche améliore encore la perméabilité relative de la roche au CO2. Cependant, les flux capillaires refoulés et les changements dans la distribution du sel déposé à la suite de l'injection continue de grands volumes de pores de CO2 après le dépôt de sel étaient probablement responsables de la légère augmentation de la dégradation de l'injectivité vers l'extrémité de la roche. La redistribution du sel dans les pores peut provoquer un dépôt de sel hétérogène qui tend à altérer l'injectivité du CO2, comme l'ont également observé d'autres chercheurs14,38,61.

Pour étudier l'effet de la salinité de la saumure, l'expérience a été répétée avec de la saumure HS. Les résultats mesurés et simulés pour les cas de saumure LS et HS sont présentés à la Fig. 9.

Effet de la salinité de la saumure sur l'injectivité du CO2 en relation avec l'avancement de la région d'assèchement. L'ampleur de la dégradation de l'injectivité du CO2 semble plus que doubler lorsque la salinité de la saumure a doublé de 75 à 150 g/l.

Généralement, l'altération de l'injectivité du CO2 a plus que doublé lorsque la salinité de la saumure a doublé de 75 à 150 g/l (Fig. 9). Ce résultat se compare bien aux découvertes de Jeddizahed et Rostami62 qui ont rapporté une diminution de la perméabilité accrue de 21 à 50 %, lorsque la salinité de la saumure a été augmentée de 50 à 100 g/l, dans des conditions expérimentales similaires. D'autres chercheurs8,25,27 ont également signalé une augmentation directe de l'altération de l'injectivité du CO2 proportionnelle à l'augmentation de la salinité de la saumure.

La figure 9 suggère également que les mêmes mécanismes sont responsables de la dégradation de l'injectivité du CO2 lorsque la région d'assèchement s'étend à partir de l'entrée d'injection, quelle que soit la salinité de saturation initiale de la saumure. L'augmentation de la salinité de la saumure de LS à HS a augmenté l'ampleur de l'altération de l'injectivité du CO2 mais n'a eu aucun impact direct sur le développement de l'altération de l'injectivité du CO2 pendant le processus de séchage. En outre, les résultats de la simulation se comparent favorablement aux données mesurées pour la salinité accrue de la saumure.

Généralement, la saturation en sel solide augmente avec l'augmentation de la salinité de la saumure10,20,26,44. Cependant, on peut observer que l'augmentation de la salinité de la saumure a eu un effet négligeable sur les mécanismes sous-jacents aux changements d'injectivité du CO2 à mesure que la zone d'assèchement s'étend dans la roche. Les deux principaux mécanismes, le taux de précipitation du sel pendant le processus de séchage et les effets de perméabilité relative, dépendent pour la plupart du taux d'injection de CO2. L'augmentation de la salinité de la saumure ne fait qu'augmenter l'ampleur du sel précipité, mais le taux de précipitation dépend principalement du taux de vaporisation de la saumure. De plus, les effets de perméabilité relative sont influencés par la quantité de saumure mobile présente dans la roche en temps réel.

En termes d'espace de stockage, les formations salines profondes sont les candidats les plus viables pour le CCUS. Cependant, la précipitation de sel lors de l'injection de CO2 dans des réservoirs salins profonds pourrait altérer l'injectivité du CO2 et réduire le potentiel de stockage. Un aperçu du processus de séchage, des changements dans la région d'assèchement et de son impact sur l'injectivité du CO2 pourrait améliorer la compréhension des mécanismes de séchage et de précipitation du sel dans les réservoirs salins. Des expériences d'inondation de noyau ont été menées pour étudier les mécanismes de séchage lors de l'injection de CO2 dans des réservoirs salins et l'impact de la taille de la région d'assèchement en progression sur l'injectivité du CO2. Les résultats expérimentaux ont été utilisés pour calibrer un modèle de faisceau de tubes afin de suivre la taille de la région d'assèchement et son impact sur la dégradation de l'injectivité du CO2 induite par la précipitation de sel solide. Voici quelques faits saillants de nos constatations :

Le sel pourrait être précipité à l'extérieur sur la surface de l'entrée d'injection sous la forme d'un gâteau de filtre. La salinité de la saumure et l'efficacité de balayage de la saumure autour de l'entrée d'injection ont été identifiées comme les principaux paramètres sous-jacents de la précipitation externe du sel.

Pour le séchage et la précipitation interne du sel, la dégradation de l'injectivité du CO2 était la plus élevée au début du processus de séchage en raison du taux élevé de vaporisation de la saumure et de la faible perméabilité relative du CO2. L'injectivité s'améliorait légèrement au fur et à mesure que le front de séchage avançait vers le milieu de la carotte, mais diminuait progressivement vers la fin du processus de séchage. Dans l'ensemble, l'augmentation de la région d'assèchement n'a pas imposé d'effet significatif sur l'ampleur de l'injectivité du CO2.

Doubler la salinité initiale de la saumure de 75 à 150 g/l a réduit l'injectivité du CO2 de plus de deux fois, mais le changement successif d'injectivité dû à l'extension de la région d'assèchement était indépendant de la salinité initiale de la saumure.

Bien que le modèle analytique soit en grande partie basique, les résultats expérimentaux qui l'accompagnent sont très importants pour comprendre les mécanismes d'assèchement et de précipitation du sel dans les réservoirs salins. Les connaissances de l'étude actuelle pourraient fournir une base solide pour comprendre la relation entre l'injectivité du CO2 induite par le dépôt de sel et l'avancement d'une région d'assèchement.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Les auteurs remercient le professeur Emmanuel A. Donkor, directeur du département de génie pétrolier de l'Université des sciences et technologies Kwame Nkrumah, Ghana, pour son soutien.

Département de génie pétrolier, Université des sciences et technologies Kwame Nkrumah, PMB Kumasi, Kumasi, Ghana

Yen Adams Sokama-Neuyam, Shadrack Kofi Owusu, Victor Darkwah-Owusu, Joshua Nsiah Turkson & Adwoa Sampongmaa Otchere

Département de génie pétrolier, Universiti Teknologi PETRONAS, Seri Iskandar, 32610, Perak, Malaisie

Muhammad Aslam Md Yusof

Département de génie énergétique et pétrolier, Université de Stavanger, 4036, Stavanger, Norvège

Jann Rune Ursin

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YAS-N. a conçu le travail et rédigé le manuscrit principal, MAMY a analysé les données et édité le manuscrit, SKO et ASO ont mené les expériences, VD-O. et JNT ont travaillé sur la modélisation théorique, JR Ursin a supervisé les travaux.

Correspondance à Yen Adams Sokama-Neuyam.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Sokama-Neuyam, YA, Yusof, MAM, Owusu, SK et al. Etude expérimentale et théorique des mécanismes d'assèchement lors de l'injection de CO2 dans des réservoirs salins. Sci Rep 13, 9155 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36419-3

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Reçu : 13 décembre 2022

Accepté : 03 juin 2023

Publié: 06 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-36419-3

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