Thermo-hydro-mechanical impacts of carbon dioxide (CO2) injection in deep saline aquifers.

• Autores: Víctor Vilarrasa Riaño
• Directores de la Tesis: Jesús Carrera Ramírez (dir. tes.), Sebastià Olivella Pastallé (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2012
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Auli Niemi (presid.), Daniel Fernández García (secret.), Olaf Kolditz (voc.), Jonny Rutqvist (voc.), Jordi Cama Robert (voc.)
• Materias:
  • Ciencias de la tierra y del espacio
    • Geología
      • Hidrogeología
    • Hidrología
      • Aguas subterráneas
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de la construcción
      • Ingeniería civil
    • Ingeniería y tecnología del medio ambiente
      • Eliminación de residuos
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  TDX  Digital CSIC 
• Resumen

  • Los procesos termo-hidro-mecánicos relacionados con el almacenamiento geológico de carbono deben ser entendidos y cuantificados para demostrar a la opinión pública de que la inyección de dióxido de carbono (CO2) es segura. Esta Tesis tiene como objetivo mejorar dicho conocimiento mediante el desarrollo de métodos para: (1) evaluar la evolución tanto de la geometría de la pluma de CO2 como de la presión de los fluidos; (2) definir un ensayo de campo que permita caracterizar la presión de inyección máxima sostenible y los parámetros hidromecánicos de las rocas sello y almacén; y (3) proponer un nuevo concepto de inyección que es energéticamente eficiente y que mejora la estabilidad de la roca sello en la mayoría de escenarios geológicos debido a efectos termo-mecánicos. modelo viscoplástico. Las simulaciones ilustran que, dependiendo de las condiciones de contorno, el momento más desfavorable ocurre al inicio de la inyección. Sin embargo, si los contornos son poco permeables, la presión de fluido continúa aumentando en todo el acuífero, lo que podría llegar a comprometer la estabilidad de la roca sello a largo plazo. Para evaluar dichos problemas, proponemos un ensayo de caracterización hidromecánica a escala de campo para estimar las propiedades hidromecánicas de las rocas sello y almacén. Obtenemos curvas para la sobrepresión y el desplazamiento vertical en función del término de la deformación volumétrica obtenido del análisis adimensional de las ecuaciones hidromecánicas. Ajustando las medidas de campo a estas curvas se pueden estimar los valores del módulo de Young y el coeficiente de Poisson del acuífero y del sello. Los resultados indican que la microsismicidad inducida tiene más probabilidades de ocurrir en el acuífero que en el sello. El inicio de la microsismicidad en el sello marca la presión de inyección máxima sostenible para asegurar un almacenamiento permanente de CO2 seguro. Finalmente, analizamos la evolución termodinámica del CO2 y la respuesta termohidro- mecánica de las rocas sello y almacén a la inyección de CO2 líquido (frío). Encontramos que inyectar CO2 en estado líquido es energéticamente más eficiente porque al ser más denso que el CO2 supercrítico, requiere menor presión en cabeza de pozo para una presión dad en el acuífero. De hecho, esta presión también es menor en el almacén porque se desplaza un volumen menor de fluido. La disminución de temperatura en el entorno del pozo induce una reducción de tensiones debido a la contracción térmica del medio. Esto puede producir deslizamiento de fracturas existentes en acuíferos formados por rocas rígidas bajo contrastes de temperatura grandes, lo que podría incrementar la inyectividad de la roca almacén. Por otro lado, la estabilidad mecánica de la roca sello mejora cuando la tensión principal máxima es la vertical. Primero, investigamos numérica y analíticamente los efectos de la variabilidad de la densidad y viscosidad del CO2 en la posición de la interfaz entre la fase rica en CO2 y la salmuera de la formación. Introducimos una corrección para tener en cuenta dicha variabilidad en las soluciones analíticas actuales. Encontramos que el error producido en la posición de la interfaz al despreciar la compresibilidad del CO2 es relativamente pequeño cuando dominan las fuerzas viscosas. Sin embargo, puede ser significativo cuando dominan las fuerzas de gravedad, lo que ocurre para tiempos y/o distancias largas de inyección. Segundo, desarrollamos una solución semianalítica para la evolución de la geometría de la pluma de CO2 y la presión de fluido, teniendo en cuenta tanto la compresibilidad del CO2 como los efectos de flotación dentro del pozo. Formulamos el problema en términos de un potencial de CO2 que facilita la solución en capas horizontales, en las que hemos discretizado el acuífero. El CO2 avanza inicialmente por la porción superior del acuífero. Pero a medida que aumenta la presión de CO2, la pluma crece no solo lateralmente, sino también hacia abajo, aunque no tiene porqué llegar a ocupar todo el espesor del acuífero. Tanto la interfaz CO2-salmuera como la presión de fluido muestran una buena comparación con las simulaciones numéricas. En tercer lugar, estudiamos posibles mecanismos de rotura, que podrían llegar a producir fugas de CO2, en un sistema acuífero-sello con simetría radial, utilizando un