Investigación experimental y teórica de los mecanismos de secado durante la inyección de CO2 en reservorios salinos

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9155 (2023) Citar este artículo

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Un recurso de almacenamiento de CO2 viable debe tener suficiente capacidad de almacenamiento, eficiencia de contención confiable e inyectividad de pozo adecuada. Las formaciones salinas profundas destacan por su capacidad de almacenamiento y eficiencia de contención. Sin embargo, el secado de la salmuera de formación y la precipitación de sal en la región cercana al pozo podrían afectar la inyección de CO2 en los reservorios salinos profundos, reduciendo así su potencial de almacenamiento de CO2. Se utilizaron experimentos de inundación central y modelos analíticos para investigar varios mecanismos de precipitación de sal externa e interna. En particular, se investigó el impacto de la extensión de la región seca sobre la inyectividad de CO2. Se encontró que, para rocas de alta permeabilidad, la inyección de CO2 a velocidades de inyección relativamente bajas podría resultar en la deposición de tortas de sal en la entrada de la inyección, especialmente en condiciones de alta salinidad. También se encontró que la extensión de la región seca no tiene un impacto significativo en la inyectividad de CO2. Aunque la magnitud del deterioro de la inyectividad de CO2 aumentó más del doble cuando se duplicó la salinidad inicial de la salmuera, se descubrió que los cambios en la inyectividad de CO2 en tiempo real durante el proceso de secado eran independientes de la salinidad inicial de la salmuera. Hemos demostrado que el modelo de haz de tubos podría proporcionar información útil sobre el proceso de vaporización de salmuera y deposición de sal en la región seca durante la inyección de CO2. Este trabajo proporciona una comprensión vital del efecto de la precipitación de sal en la inyectividad de CO2.

Los requisitos previos para una captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS) exitosos son una eficiencia de contención robusta, un volumen de almacenamiento adecuado y suficiente inyectividad del pozo, para inyectar grandes cantidades de CO2 a tasas de flujo prácticas1. Las formaciones salinas profundas son recursos de almacenamiento adecuados para las CCUS en función de su capacidad de almacenamiento y contención2,3,4,5,6,7. Sin embargo, la precipitación de sal debido a la vaporización de salmuera, especialmente en las cercanías del pozo, durante la inyección de CO2 podría afectar la inyectividad de CO2 en formaciones salinas profundas8,9,10,11,12,13. Los factores subyacentes del deterioro de la inyectividad del CO2 inducido por la precipitación de sal han sido ampliamente estudiados e identificados para incluir la concentración de sal en la salmuera, las propiedades petrofísicas y petrográficas de la roca, la velocidad de secado, la extensión de la zona de secado, el sólido saturación de sal en los espacios porosos después del secado, distribución de sales precipitadas dentro de los poros y propiedades petrofísicas de la roca del yacimiento14,15.

La precipitación o descamación de sal ha sido un importante desafío de daños a la formación en las operaciones de yacimientos petrolíferos desde el inicio de la industria. En operaciones de campo de inyección, almacenamiento y producción de gas natural; Se han encontrado e informado varios niveles de deterioro de la inyectividad relacionados directa e indirectamente con la precipitación de sal16,17,18,19. A partir de experimentos de laboratorio se ha informado un deterioro de la permeabilidad que oscila entre el 13 y el 83 % y una reducción de la porosidad de alrededor del 2 al 15 %9,11,12,20,21,22,23,24. Las simulaciones teóricas rigurosas también han confirmado los hallazgos experimentales y de campo informados23,25,26,27,28,29,30. Cui et al., (2023) compilaron una actualización más reciente del deterioro de la inyectividad inducido por la precipitación de sal que varios investigadores informaron a través de estudios experimentales y de modelado. Generalmente, el deterioro de la porosidad ha sido menor que los cambios de permeabilidad ya que la deposición de sal en las vías de flujo tiene más impacto en la permeabilidad que en la porosidad.

Durante la inyección de CO2 en la roca llena de salmuera, el gas inyectado inicialmente desplaza la salmuera móvil fuera de la roca. Durante esta etapa de desplazamiento inmiscible, la transferencia de masa entre el gas y la fase acuosa desplazada es mínima. Una vez que se ha desplazado la salmuera móvil, la inyección continua de CO2, especialmente en condiciones típicas de inyección de campo, da como resultado la vaporización de la salmuera, el secado y la precipitación de la sal. Generalmente, la zona de secado se extiende hacia la formación con el tiempo de inyección después del inicio del proceso de secado. Algunos estudios experimentales y numéricos han examinado en parte los mecanismos que subyacen al desarrollo de la zona seca cualitativa y cuantitativamente9,25,27,31,32,33,34,35. Sin embargo, según el leal saber y entender de los autores, no ha habido estudios experimentales o de modelado que hayan intentado monitorear la extensión de la zona seca en tiempo real y examinar su impacto en el deterioro de la inyectividad.

Miri y Hellevang14 han identificado los principales mecanismos subyacentes que gobiernan la tasa de secado y la extensión de la zona de secado durante la precipitación salina. Estos factores incluyen: (1) desplazamiento de dos fases inmiscible de la salmuera residente por el CO2 inyectado, (2) vaporización de la salmuera en la corriente de CO2 que fluye, (3) reflujo de salmuera impulsado por capilaridad hacia la entrada de inyección, (4 ) difusión de sal disuelta en la fase acuosa, (5) anulación por gravedad del CO2 inyectado y (6) automejora de sal. Estos factores también se han confirmado en condiciones prácticas de inyección de campo36. También se ha informado que una tasa de evaporación de salmuera muy baja en el frente de secado puede dar como resultado una distribución homogénea de la sal precipitada en todo el medio poroso9,10,14,37. Para tasas de vaporización altas, no hay tiempo suficiente para que el gradiente de concentración de sal se difunda lejos del frente de secado, lo que resulta en una acumulación no homogénea de sal10,38. La posición en la que la acumulación de sal es máxima sigue siendo discutible en gran medida. Los experimentos numéricos realizados por Roels et al.39 sugieren que la sal precipitada puede acumularse lejos del pozo. Sin embargo, otros trabajos de investigación6,7,9,17,22,40 informan que la sal precipitada se acumula cerca del pozo donde los flujos y la vaporización de salmuera son más altos. Sin embargo, Berntsen et al.41 identificaron tres regímenes de secado diferentes en diferentes regiones del pozo cuando investigaron el secado y la obstrucción por sal en condiciones de flujo radial de CO2 casi realistas. Esto sugiere que la distribución de la sal precipitada no es uniforme en toda la región de secado, aunque la distribución relativa exacta de la sal precipitada y los factores que la gobiernan aún no se han investigado a fondo. Hajiabadi et al.42 han presentado una revisión y evaluación detalladas de los mecanismos de deterioro de la inyectividad del CO2.

Se han desarrollado varios modelos analíticos y numéricos para estudiar la física detrás de la precipitación salina en las escalas de núcleo y de campo27,28,43,44,45. Más recientemente, también se ha adoptado el modelado basado en el aprendizaje automático para estudiar los mecanismos de la inyectividad del CO246,47,48. La microestructura de los medios porosos naturales es muy compleja con tortuosidad y, a menudo, canales de poros no circulares49,50,51. Se han utilizado ampliamente tres modelos a escala de poros en un intento de reconstruir análogos representativos de la estructura porosa para estudiar el flujo de fluidos en medios porosos; los modelos de red, el modelo de paquete de esferas y el modelo de haz de tubos52. El modelo de escala de poros más simple es el modelo de haz de tubos que normalmente se deriva de la ecuación de Hagen-Poiseuille53. Los primeros modelos tradicionales de haces de tubos representan los medios porosos como un conjunto de tubos capilares circulares uniformes e independientes54,55. Los modelos de haz de tubos pueden interactuar o no interactuar, dependiendo de la comunicación fluida entre los tubos individuales56.

En el presente trabajo, hemos llevado a cabo experimentos de inundación de núcleo utilizando tapones de núcleo de arenisca para investigar los mecanismos de deposición de sal interna y externa durante la inyección de CO2 en depósitos salinos profundos. En particular, investigamos el desarrollo de la zona de secado casi en tiempo real e intentamos monitorear y cuantificar el impacto de la extensión de la región de secado en la inyectividad de CO2. Luego derivamos un modelo manejable de haz de tubos que describe las observaciones experimentales, en un intento de modelar la relación entre el deterioro de la inyectividad de CO2 y la extensión de la zona seca, es decir, para establecer una relación cuantitativa entre el desarrollo de la zona seca y la inyectividad de CO2. Los resultados han sido discutidos a la luz de la literatura establecida.

Los tapones de núcleo de arenisca Berea del afloramiento considerados homogéneos con una permeabilidad a la salmuera en el rango de 60–100 mD y una porosidad entre 18 y 20% se usaron como roca reservorio principal para el estudio. Cada muestra central tiene una longitud de 20 cm y un diámetro de 3,81 cm. Estos tapones de núcleo largo se seleccionaron a propósito para aumentar el tiempo de residencia del CO2 durante el proceso de secado.

Como fase no humectante se utilizó CO2 licuado con un porcentaje de pureza de aproximadamente el 99,7%. Durante la inyección de CO2 líquido, el fluido se inyectó a 80 bar y 25 °C. Para la inyección de CO2 supercrítico, las condiciones de inyección se establecieron en 80 bar y 45 °C.

Las salmueras de NaCl, salinidad de 75 g/ly 150 g/l, fueron seleccionadas para representar salmueras de formación de baja salinidad (LS) y alta salinidad (HS), respectivamente. Se espera que la salmuera HS represente salmuera de formación salina profunda, mientras que la salmuera LS se seleccionó para probar la sensibilidad de la salinidad de la salmuera.

La Figura 1 muestra esquemas del aparato de inundación del núcleo utilizado en el trabajo experimental. Inicialmente, el núcleo se cargó en el soporte del núcleo. La bomba Quizix se usa para entregar salmuera a través de la celda de pistón conectada para el envejecimiento temporal para alcanzar una temperatura uniforme establecida antes de que llegue a la entrada del núcleo. La bomba de CO2 ISCO recibe CO2 líquido de la botella de gas a través de un regulador de presión. Se puede inyectar CO2 líquido o supercrítico en el núcleo según las condiciones establecidas. El fluido inyectado pasa por la celda del pistón que retiene el fluido hasta que se alcanza una temperatura preestablecida en el horno. Se utilizan un manómetro diferencial y un transductor de presión para controlar la caída de presión en el núcleo y registrar la presión intersticial. Se fijó una contrapresión de 80 bar en la salida durante la inyección de CO2 y el fluido efluente se recogió de forma segura en una celda de pistón para su análisis y eliminación segura.

La configuración experimental utilizada para los experimentos de inundación del núcleo con CO2.

La muestra del núcleo se limpió primero y se secó a 65 °C durante aproximadamente 24 h. Luego, el núcleo se envolvió en un manguito de teflón que se encoge antes de insertarlo en un manguito de goma para evitar fugas de CO2. La muestra del núcleo cuidadosamente envuelta se montó luego en el soporte del núcleo. Se aplicó una presión de confinamiento de aproximadamente 150 bar al núcleo en el soporte del núcleo. El procedimiento experimental consiste en lo siguiente:

Se midió la permeabilidad inicial al CO2 líquido (\({K}_{i})\) de la muestra central.

El núcleo se saturó al vacío con una salmuera de salinidad específica (HS o LS).

La muestra del núcleo saturado se inundó con volúmenes de poro específicos (PV) de CO2 supercrítico para vaporizar la salmuera y secar el núcleo a partir de la entrada de inyección.

Se sacó el núcleo, se inspeccionó y se midió la extensión de la zona seca.

Se midió la permeabilidad final al CO2 líquido (\({K}_{f}\)) del núcleo.

En el Paso 2, se preparó el núcleo saturado al vacío y se insertó en el soporte del núcleo, seguido de una inyección de salmuera a 1 ml/min hasta que se alcanzó la saturación completa. En el Paso 3, se inyectó CO2 supercrítico en el núcleo saturado a 5 ml/min para vaporizar la salmuera y posiblemente precipitar la sal en los poros. Después de cada ronda de inyección de CO2 supercrítico, se inspeccionó el núcleo y se midió la extensión de la zona seca mediante escaneo. En los pasos 1 y 5, se inyectó CO2 líquido a 2 ml/min para medir la permeabilidad antes y después de la vaporización de la salmuera y la precipitación de la sal.

Se registraron los perfiles de caída de presión y la presión intersticial durante la inyección de CO2 para estudiar cualitativamente el proceso de secado y el impacto del secado en la inyectividad. Es posible que los perfiles de caída de presión no brinden información completa sobre los eventos del nivel de poro, pero brindan información útil sobre los cambios en tiempo real en las propiedades de flujo en el núcleo durante el proceso de secado.

Para tasas de inyección constantes (\({q}_{i}={q}_{f}\)) bajo condiciones de flujo lineal en una roca homogénea, podemos definir el índice de cambio de inyectividad relativa, \(\beta \) de Ley de Darcy como:

Los términos \(\left(\frac{{\Delta p}_{i}}{{\Delta p}_{f}}\right)\) y \(\left(\frac{{K}_{ f}}{{K}_{i}}\right)\) se evalúan y comparan para verificar su consistencia. El \(\beta \) proporciona una estimación indirecta de la inyectividad de CO2 inducida por el proceso de secado. La acumulación de sal en las constricciones de los poros aumentará la caída de presión, disminuyendo así la permeabilidad de la roca y la inyectividad del CO2.

El objetivo principal del trabajo de modelado es desarrollar un modelo analítico físico manejable con la capacidad suficiente para complementar los estudios experimentales en términos de estimación del deterioro de la inyectividad inducido después de la precipitación salina sin sacrificar la efectividad del modelo para capturar los principales mecanismos subyacentes. El modelo de haz de tubos fue seleccionado por su capacidad para capturar los principales procesos físicos de transporte en medios porosos, su eficiencia computacional y su flexibilidad para modelar diferentes eventos a escala de poros. Los principales supuestos del modelo incluyen:

Una roca reservorio completamente homogénea

Sin interacción química entre el fluido de inyección y el contenido de la roca del yacimiento

Flujo monofásico de CO2 inyectado en el yacimiento durante las pruebas de inyectividad

Deposición uniforme de sal precipitada en la región seca de la roca

Aunque el modelo está limitado por estos supuestos, captura los mecanismos básicos y, por lo tanto, es capaz de proporcionar estimaciones aceptables del impacto cuantitativo de la deposición de sal en el almacenamiento de CO2 en reservorios salinos profundos a escala central.

La figura 2 muestra un núcleo de Berea que se saturó inicialmente con salmuera LS y se inundó con aproximadamente 160 PV de CO2 supercrítico a un caudal de inyección de 5 ml/min. Se puede observar que la parte del núcleo cercana a la entrada de inyección se secó completamente después de la vaporización de la salmuera mientras que la sección restante cercana a la salida permaneció húmeda con salmuera inmóvil.

Un núcleo de arenisca Berea después de un período de secado. El núcleo se saturó inicialmente con salmuera LS, después de lo cual se inundó con aproximadamente 160 PV de CO2 supercrítico a un caudal de inyección de 5 ml/min.

Mediante inspección, el núcleo se puede seccionar en una región seca y una región húmeda después de la vaporización y el secado de la salmuera (Fig. 2). Se espera la precipitación de sal en la región seca después de la vaporización de la salmuera. El núcleo cilíndrico, radio \(R\) y longitud \(L\) se reconstruyó con un haz de tubos capilares cilíndricos paralelos con radios variables (\({r}_{1},{r}_{2},{ r}_{3},\dots {r}_{N}\)) intercalados entre una masa no porosa (regiones sombreadas) que representan la matriz de la roca (Fig. 3). El modelo se secciona en una región seca (\({L}_{1}\)) donde la sal se ha precipitado en los tubos y la región húmeda (\({L}_{2}\)) donde la los poros contienen salmuera inmóvil.

Un esquema del modelo de haz de tubos. El núcleo de longitud L y radio R está representado por un haz de tubos capilares cilíndricos paralelos con radios variables intercalados entre masa no porosa.

En la región seca, se supone que la sal sólida precipitada se acumula en las paredes de la constricción de los poros, representada por los tubos capilares. Como resultado, la sal acumulada en la región seca reduciría el área de flujo del tubo \(r\) en \(\Delta r\), para un total de \(N\) tubos capilares en el medio poroso .

Definimos un parámetro adimensional \({l}_{d},\) para monitorear la extensión de la región seca desde la entrada hasta la salida del núcleo de longitud total \(L\) dada por:

Usando la ecuación de Hagen − Poiseuille, la inyectividad del fluido a través del haz de tubos capilares se puede expresar como:

En la ecuación. (3), \(\mu \) es la viscosidad del fluido inyectado, \(Q\) es el caudal de inyección y \(\Delta p\) es la caída de presión total a través del haz de tubos. El índice de cambio de inyectividad relativa \(\beta \) se puede derivar entonces como:

En la ecuación. (4), \({I}_{i}\) y \({I}_{f}\) son la inyectividad del fluido antes y después del secado y la precipitación de sal, respectivamente. Si se conoce la distribución del tamaño de poro de la roca, la ecuación. (4) se puede usar para estimar el impacto de la sal precipitada en la inyectividad si \({l}_{d}\) y \({\Delta r}_{i}\) para cada \({r}_{ i}\) del total de \(N\) tubos capilares. Estos son los tres parámetros desconocidos en la ecuación que deben determinarse.

El volumen de poro del núcleo es aproximadamente igual a la suma del volumen interno de todos los tubos capilares. Usando la definición de porosidad,\(\phi ,\) el número total de tubos capilares que es representativo del volumen de poro del núcleo se puede relacionar con la porosidad, el tamaño del núcleo \(R\) y el poro promedio radio, \(\overline{{r }_{i}}\) por:

Integrando \({r}_{i}^{2}\) desde cero hasta el espesor máximo de sal \({\Delta r}_{max}\) da:

De manera similar, al integrar \({r}_{i}\) sobre el mismo espesor de sal se obtiene:

Combinando Ecs. (6) y (7) dan una relación entre \(\overline{{r }_{i}^{2}}\) y \(\overline{{{r }_{i}}\):

donde \({\overline{r} }_{i}^{2}\) es el cuadrado del promedio de los radios del tubo capilar. Sustituyendo la ecuación. (8) en la ecuación. (5), el número total de tubos capilares que darán una porosidad específica se puede estimar:

De la ecuación. (9), se puede estimar cuantitativamente el número total de tubos capilares que representa el volumen de poro del núcleo, dada la porosidad \(\phi \) y el tamaño medio de poro, \(\overline{{r }_{i}} \), dada la distribución del tamaño de poro de la roca.

La saturación de sal sólida \({S}_{si}\) depositada en un tubo capilar se define por:

donde \({V}_{si}\) es el volumen de sal sólida en el tubo,\({V}_{pi}\) es el volumen disponible en el tubo para la deposición de sal y \({r}_ {e}=({r}_{i}-{\Delta r}_{i}\)). Sustituyendo por \({r}_{e}=({r}_{i}-{\Delta r}_{i}\)) da:

En la ecuación. (11), asumiendo \({r}_{i}\gg {\Delta r}_{i}\) que \(\frac{\Delta {r}_{i}}{{r}_{i }^{2}}=0\) podemos derivar \({\Delta r}_{i}\) en términos de \({S}_{si}\):

La masa total de sal sólida depositada en todos los \(N\) tubos se puede estimar como:

donde \({\rho }_{s}\) es la densidad de la sal sólida. Pero la masa total de sal depositada en el núcleo también se puede expresar como:

donde \({V}_{st}\) es el volumen total de sal depositado en el núcleo. Combinando Ecs. (13) y (14) da:

Sustituyendo las ecuaciones. (9) en (15) da:

Dado que \({S}_{s}\) y \({l}_{d}\) son constantes en cualquier momento, la incertidumbre en \(\overline{{\Delta r }_{i}} \) en la ecuación. (16) se asocia principalmente con la incertidumbre en \(\overline{{r }_{i}}\). Por lo tanto, la ecuación. (16) se puede usar para estimar el espesor promedio de la sal sólida depositada en las paredes de los poros en términos de la saturación de sal sólida acumulada, \({S}_{s}\) por:

Si se conocen \({S}_{s}\) y \({l}_{d}\), podemos calcular \({\Delta r}_{i}\) para cada \({r} _ {i}\) después de la precipitación de sal. Usando el balance de masa, Pruess27 derivó una ecuación para estimar la saturación de sal sólida como:

En la ecuación. (18), \({\overline{S} }_{g,d}\) es la saturación de gas promedio detrás del frente de secado, \({\rho }_{aq}\) es la densidad de la salmuera , \({X}_{s}\) es la fracción de masa de sal en la salmuera y \({\rho }_{s}\) es la densidad de la sal sólida. Dado que \({\overline{S} }_{g,d}\) es también una medida de la extensión de la región seca similar a \({l}_{d}\) en el modelo actual, una Se derivó una correlación para la saturación de sales sólidas ajustando los datos experimentales:

Primero, medimos \({\rho }_{aq}\) y \({X}_{s}\) para una salmuera de 100 g/l de NaCl. Luego, una muestra de núcleo de arenisca Berea con permeabilidad inicial conocida, se saturó con la salmuera y se inundó aproximadamente 300 PV de CO2 supercrítico a través del núcleo a una velocidad de 5 ml/min. Después de cada 50 PV de inyecciones de CO2, el núcleo se inspeccionó escaneando para determinar \({l}_{d}\) después de lo cual se midió la permeabilidad. Luego calculamos \(\beta \) para cada \({l}_{d}\) y trazamos los datos. Una correlación inicial \({S}_{s}\) similar a la ecuación. (18) reemplazando \({\overline{S} }_{g,d}\) con \({l}_{d}\) sin los parámetros correspondientes se usó para calcular \(\beta \). La correlación de saturación \({S}_{s}\) luego se optimizó para ajustarse a los datos experimentales iniciales. La correlación óptima en la ecuación. (19) se utilizó a lo largo de los diversos experimentos. Se utilizó una concentración de salmuera fuera del rango utilizado en el conjunto experimental principal para calibrar la correlación y garantizar la repetibilidad.

La ecuación (19) se usa para estimar \({S}_{s}\) en la zona seca. Una vez que se conoce \({S}_{s}\), \({\Delta r}_{i}\) se calculan a partir de la ecuación. (17) y luego \(\beta \) para cada \({l}_{d}\) calculado a partir de la ecuación. (4).

Los mecanismos de precipitación de sal se pueden agrupar en dos: formación de torta de sal en la entrada de inyección y efectos de secado. Bajo algunas condiciones favorables, se puede formar una torta de sal en la superficie de la entrada del núcleo durante las primeras etapas de vaporización de la salmuera antes del inicio del secado.

Para investigar los mecanismos de formación de la torta de sal, se saturó al vacío un núcleo de Bentheimer limpio con 120 g/L de salmuera de NaCl y se inundó con aproximadamente 50 PV de CO2 supercrítico seco a una velocidad de 1 mL/min. Se seleccionó el núcleo de Bentheimer debido a su permeabilidad relativamente alta. Se registraron perfiles de caída de presión durante la inyección de CO2. A partir de la figura 4A, se puede observar que no se formó sal en la salida del núcleo. La Figura 4B muestra la deposición masiva de tortas de sal en la entrada del núcleo. Al comienzo de la inyección, cuando el núcleo está completamente saturado con salmuera, el CO2 supercrítico inyectado deja salmuera detrás de la entrada debido a la mala barrida de la salmuera por parte del fluido inyectado. La salinidad de la salmuera aumenta gradualmente debido a la transferencia de masa de agua de la salmuera al CO2 supercrítico seco. Si la salinidad inicial de la salmuera es lo suficientemente alta, la salmuera que queda en la entrada podría alcanzar la sobresaturación y precipitar la sal en la superficie de la entrada. La sal precipitada crea un gradiente de saturación que atrae más salmuera hacia la región de entrada a través del reflujo capilar, lo que provoca la precipitación de más sales en la entrada. Por lo tanto, la formación de torta de sal podría aumentar con la salinidad de la salmuera y el desplazamiento ineficiente de la salmuera en la entrada de inyección.

Fotografías del núcleo de Bentheirmer después de inyectar CO2 a 1 mL/min en el núcleo inicialmente saturado con 120 g/L de salmuera de NaCl. (A) No se observó torta de sal en la salida del núcleo. (B) Torta masiva de sal encontrada en la entrada de inyección.

Para investigar el impacto del barrido en el desarrollo de la torta de sal, se aumentó el caudal de inyección de CO2 supercrítico de 1 a 5 ml/min. La deposición de sal en la entrada de la inyección disminuyó cuando el caudal de inyección aumentó de 1 a 5 ml/min (Fig. 5). El barrido en la entrada de inyección mejoró al aumentar el caudal de inyección, dejando menos salmuera detrás de la entrada de inyección para la precipitación de sal.

Fotografías que muestran el desarrollo de una torta de sal en la entrada del núcleo cuando la tasa de inyección de CO2 supercrítico se incrementó de (A) 1 ml/min a (B) 5 ml/min. El aumento en la tasa de inyección de CO2 disminuyó la cantidad de sal depositada.

Luego, la salinidad inicial de la salmuera se redujo a 75 g/L, manteniendo constante la tasa de flujo de inyección de CO2 en 5 mL/min. La cantidad de torta de sal precipitada en la entrada de inyección disminuyó aún más significativamente cuando disminuyó la salinidad de la salmuera (Fig. 6). A una tasa constante de vaporización, la reducción de la salinidad de la salmuera saturada retrasa la sobresaturación, lo que permite que una porción significativa de la salmuera que queda en la entrada de inyección sea barrida hacia el núcleo, lo que reduce la cantidad de torta de sal formada en la entrada.

Fotografías que muestran el desarrollo de una torta de sal en la entrada del núcleo cuando la salinidad de la salmuera disminuyó de (A) 120 g/L a (B) 75 g/L. La disminución de la salinidad de la salmuera disminuyó aún más la deposición de sal.

A partir de estos estudios experimentales, se puede observar que la deposición de la torta de sal en la entrada de inyección durante la inyección de CO2 en medios porosos salinos puede depender de la salinidad de salmuera saturada y el barrido de salmuera en la entrada de inyección.

Se requiere la distribución del tamaño de poro para modelar el medio poroso con el modelo de haz de tubos derivado en la sección "Trabajo de modelado". Sobre la base de un análisis de distribución del tamaño de poro de la inyección de mercurio en una arenisca de Berea, Shi et al.57 encontraron un radio de poro promedio de alrededor de 6,7 μm. Dullien y Dhawan58 informaron tamaños de constricción de poros entre 0,5 y 5,0 μm y tamaños de cámara de poros que oscilan entre 5,0 y 50 μm en la arenisca de Berea. A partir de estos datos, calibramos nuestro modelo a un tamaño de poro promedio de 6 μm usando una distribución logarítmica normal de los radios de los tubos, como se muestra en la Fig. 7. En la Fig. 7, se puede observar que los tubos con radios mayores a 20 μm consisten en menos del 5% del número total de tubos capilares. El radio mínimo del tubo se fijó en 0,38 μm.

Distribución de los radios de los tubos que representan la distribución del tamaño de los poros del núcleo de arenisca de Berea. Los radios de los tubos se extrajeron de una distribución logarítmica normal con un radio de tubo medio de aproximadamente 6 μm, que es el tamaño medio de la garganta de los poros de la arenisca Berea.

Las rocas de reservorio natural tienen cuerpos de poros abiertos conectados por dos o más gargantas de poros dependiendo del número de coordinación del tipo de roca. El número medio de coordinación de las areniscas de Berea está entre 4 y 859,60. La distribución del tamaño de poro en la Fig. 7 se compara favorablemente con este rango de número de coordinación.

Un núcleo de arenisca Berea con permeabilidad inicial conocida se saturó con salmuera LS antes del experimento de secado. Luego, el núcleo se inundó con CO2 supercrítico a 5 ml/min. Después de cada 100 PV de inyección de CO2, se extrajo e inspeccionó el núcleo, y se midió la región de secado en avance para estimar \({l}_{d}\). También se midió el cambio de inyectividad de CO2 causado por la precipitación de sal y se calculó \(\beta \). La Figura 8 muestra el impacto del avance de la región seca, \({l}_{d}\) en el deterioro de la inyectividad de CO2, \(\beta \) para los estudios experimentales y de modelado.

Efecto del avance de la región seca sobre el deterioro de la inyectividad del CO2. El núcleo se saturó inicialmente con salmuera LS. Se midió el cambio de inyectividad de CO2 y la extensión de la región seca después de cada 100 PV de inyección de CO2.

La Figura 8 muestra que los datos de la simulación concuerdan favorablemente con los datos medidos. Se puede observar que el deterioro de la inyectividad de CO2 fue mayor al inicio del secado. El deterioro de la inyectividad disminuyó a un mínimo para \({l}_{d}\) de alrededor de 0,45 y luego aumentó ligeramente hacia el final del efluente del núcleo. Al comienzo del secado, el deterioro de la inyectividad podría ser inducido por la precipitación de sal y los efectos de la permeabilidad relativa. La velocidad de vaporización de la salmuera es más alta cerca de la región de entrada debido a los altos flujos de retorno impulsados por los capilares. Cuando la salmuera alcanza la sobresaturación, la sal podría precipitarse en los poros, lo que a su vez podría reducir la inyectividad. Además, al comienzo del secado, una gran parte de la roca aún contiene salmuera. El reflujo capilar también puede conducir la fase acuosa hacia la entrada de inyección. La presencia de salmuera móvil en los poros podría reducir el espacio disponible para el flujo de CO2, disminuyendo así la permeabilidad relativa del CO2, lo que también podría tener un impacto en la inyectividad alrededor de la región de entrada.

A medida que el frente de secado avanza hacia el núcleo, se espera que la vaporización de salmuera y la precipitación de sal disminuyan como resultado de la reducción de los flujos. Además, la saturación de salmuera móvil disminuirá a medida que se extraiga más salmuera del núcleo. Esto aumentará la permeabilidad relativa al CO2. Cuando el núcleo está casi completamente seco, la vaporización de salmuera y la precipitación de sal en el extremo de salida del núcleo son casi insignificantes. Además, la ausencia de salmuera móvil en la roca mejora aún más la permeabilidad relativa de la roca al CO2. Sin embargo, los flujos de retorno capilares y los cambios en la distribución de la sal depositada como resultado de la inyección continua de grandes volúmenes de poros de CO2 después de la deposición de la sal fueron probablemente responsables del ligero aumento en el deterioro de la inyectividad hacia el final de la roca. La redistribución de sal dentro de los poros puede causar una deposición heterogénea de sal que tiende a afectar la inyectividad de CO2, como también observaron otros investigadores14,38,61.

Para investigar el efecto de la salinidad de la salmuera, se repitió el experimento con salmuera HS. Los resultados medidos y simulados para los casos de salmuera LS y HS se presentan en la Fig. 9.

Efecto de la salinidad de la salmuera sobre la inyectividad de CO2 en relación con el avance de la región seca. Se observa que la magnitud del deterioro de la inyectividad de CO2 aumenta más del doble cuando la salinidad de la salmuera se duplicó de 75 a 150 g/l.

En general, el deterioro de la inyectividad de CO2 aumentó más del doble cuando la salinidad de la salmuera se duplicó de 75 a 150 g/l (Fig. 9). Este resultado se compara bien con los hallazgos de Jeddizahed y Rostami62, quienes informaron un aumento del deterioro de la permeabilidad del 21 al 50 %, cuando la salinidad de la salmuera aumentó de 50 a 100 g/l, en condiciones experimentales similares. Otros investigadores8,25,27 también informaron un aumento directo en el deterioro de la inyectividad de CO2 proporcional al aumento en la salinidad de la salmuera.

La Figura 9 también sugiere que los mismos mecanismos son responsables del deterioro de la inyectividad de CO2 a medida que la región seca se extiende desde la entrada de inyección, independientemente de la salinidad de salmuera de saturación inicial. El aumento de la salinidad de la salmuera de LS a HS aumentó la magnitud del deterioro de la inyectividad de CO2 pero no tuvo un impacto directo en el desarrollo del deterioro de la inyectividad de CO2 durante el proceso de secado. Además, los resultados de la simulación se comparan favorablemente con los datos medidos para el aumento de la salinidad de la salmuera.

En general, la saturación de sales sólidas aumenta con el aumento de la salinidad de la salmuera10,20,26,44. Sin embargo, se puede observar que el aumento de la salinidad de la salmuera tuvo un efecto insignificante sobre los mecanismos subyacentes a los cambios en la inyectividad de CO2 a medida que la zona de secado se extiende hacia la roca. Los dos mecanismos principales, la tasa de precipitación de sal durante el proceso de secado y los efectos de la permeabilidad relativa dependen en su mayor parte de la tasa de inyección de CO2. El aumento de la salinidad de la salmuera solo aumenta la magnitud de la sal precipitada, pero la tasa de precipitación depende principalmente de la tasa de vaporización de la salmuera. Además, los efectos de la permeabilidad relativa están influenciados por la cantidad de salmuera móvil presente en la roca en tiempo real.

En términos de espacio de almacenamiento, las formaciones salinas profundas son los candidatos más viables para CCUS. Sin embargo, la precipitación de sal durante la inyección de CO2 en reservorios salinos profundos podría afectar la inyectividad de CO2 y reducir el potencial de almacenamiento. La comprensión del proceso de secado, los cambios en la región de secado y su impacto en la inyectividad de CO2 podría mejorar la comprensión de los mecanismos de secado y precipitación de sal en los depósitos salinos. Se llevaron a cabo experimentos de inundación del núcleo para investigar los mecanismos de secado durante la inyección de CO2 en depósitos salinos y el impacto del tamaño de la región de secado que avanza en la inyectividad de CO2. Los resultados experimentales se usaron para calibrar un modelo de haz de tubos para rastrear el tamaño de la región seca y su impacto en el deterioro de la inyectividad de CO2 inducido por la precipitación de sal sólida. Algunos aspectos destacados de nuestros hallazgos incluyen lo siguiente:

La sal podría precipitarse externamente en la superficie de la entrada de inyección en forma de torta de filtración. La salinidad de la salmuera y la eficiencia de barrido de la salmuera alrededor de la entrada de inyección se han identificado como los principales parámetros subyacentes de la precipitación externa de sal.

Para el secado y la precipitación interna de sal, el deterioro de la inyectividad de CO2 fue mayor al inicio del proceso de secado debido a la alta tasa de vaporización de la salmuera y la baja permeabilidad relativa del CO2. La inyectividad mejoró ligeramente a medida que el frente de secado avanzaba hacia la mitad del núcleo, pero disminuyó gradualmente hacia el final del proceso de secado. En general, el aumento en la región seca no impuso un efecto significativo en la magnitud de la inyectividad de CO2.

Duplicar la salinidad inicial de la salmuera de 75 a 150 g/l redujo la inyectividad de CO2 más del doble, pero el cambio sucesivo en la inyectividad debido a la extensión de la región seca fue independiente de la salinidad inicial de la salmuera.

Aunque el modelo analítico era en gran medida básico, los hallazgos experimentales que lo acompañan son muy importantes para comprender los mecanismos de secado y precipitación de sal en los depósitos salinos. La información del estudio actual podría proporcionar una base sólida para comprender la relación entre la inyectividad de CO2 inducida por la deposición de sal y el avance de una región seca.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Los autores agradecen al Prof. Emmanuel A. Donkor, Jefe del Departamento de Ingeniería del Petróleo de la Universidad de Ciencia y Tecnología Kwame Nkrumah de Ghana por su apoyo.

Departamento de Ingeniería Petrolera, Universidad de Ciencia y Tecnología Kwame Nkrumah, PMB Kumasi, Kumasi, Ghana

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

Departamento de Ingeniería del Petróleo, Universiti Teknologi PETRONAS, Seri Iskandar, 32610, Perak, Malasia

Muhammad Aslam Md. Yusof

Departamento de Ingeniería de Energía y Petróleo, Universidad de Stavanger, 4036, Stavanger, Noruega

Jann Rune Ursin

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YAS-N. diseñó el trabajo y escribió el manuscrito principal, MAMY analizó los datos y editó el manuscrito, SKO y ASO realizaron los experimentos, VD-O. y JNT trabajó en el modelado teórico, JR Ursin supervisó el trabajo.

Correspondencia a Yen Adams Sokama-Neuyam.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Sokama-Neuyam, YA, Yusof, MAM, Owusu, SK et al. Investigación experimental y teórica de los mecanismos de secado durante la inyección de CO2 en embalses salinos. Informe científico 13, 9155 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36419-3

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Recibido: 13 diciembre 2022

Aceptado: 03 junio 2023

Publicado: 06 junio 2023

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

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