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Gravità

Jan 21, 2024Jan 21, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9400 (2023) Citare questo articolo

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Molte sfide legate al sequestro dell’anidride carbonica (\(\hbox {CO}_2\)) nelle rocce del sottosuolo sono legate all’iniezione di fluidi attraverso reti di fratture indotte o esistenti e al modo in cui questi fluidi vengono alterati attraverso le interazioni geochimiche. Qui, dimostriamo che la miscelazione dei fluidi e le distribuzioni dei minerali carbonatici nelle fratture sono controllate dalla dinamica chimica guidata dalla gravità. Utilizzando imaging ottico e simulazioni numeriche, mostriamo che un contrasto di densità tra due fluidi miscibili provoca la formazione di un rigagnolo di fluido a bassa densità che aumenta in estensione al diminuire dell'inclinazione della frattura da 90\(^\circ\) (piano di frattura verticale ) a 30\(^\circ\). Il runlet è sostenuto nel tempo e la stabilità del runlet è controllata dalla formazione guidata dalla gravità di vortici 3D che si presentano in un regime di flusso laminare. Quando è stata indotta una precipitazione omogenea, il carbonato di calcio ha ricoperto l'intera superficie per le fratture orizzontali (0\(^\circ\)). Tuttavia, per inclinazioni di frattura superiori a 10\(^\circ\), la formazione di rigagnoli limita l'estensione areale della precipitazione a meno del 15% della superficie di frattura. Queste intuizioni suggeriscono che la capacità di sequestrare \(\hbox {CO}_2\) attraverso la mineralizzazione lungo le fratture dipenderà dall'orientamento della frattura rispetto alla gravità, con le fratture orizzontali che hanno maggiori probabilità di sigillarsi in modo uniforme.

Un metodo per ridurre l'anidride carbonica (\(\hbox {CO}_2\)) nell'atmosfera terrestre è iniettare la \(\hbox {CO}_2\) catturata nel sottosuolo terrestre dove sono presenti diversi meccanismi che possono intrappolare o tieni il \(\hbox {CO}_2\) in posizione1. Lo stoccaggio del sottosuolo \(\hbox {CO}_2\) nella roccia attraverso la mineralizzazione2 è strettamente legato alle proprietà dei fluidi iniettati e presenti in natura, alla reattività e alla mineralogia lungo le superfici di frattura, nonché alla morfologia e alla connettività della rete di fratture attraverso il quale scorrono i fluidi. Un esperimento sul campo in Islanda (Carbfix) ha mostrato che il 95% di 220 tonnellate di \(\hbox {CO}_2\) iniettate in un serbatoio basaltico sotterraneo nel 2012 era stato convertito in calcite e altri minerali3. In questo processo, \(\hbox {CO}_2\) viene sciolto in acqua (acido carbonico) e iniettato in una formazione basaltica attraverso una rete di fratture. L'acido carbonico provoca il rilascio di cationi dal basalto che a loro volta reagiscono con la soluzione carbonica per formare minerali carbonatici. Questi processi chimici non solo alterano le superfici di frattura ma influenzano anche la composizione e la densità dei fluidi e, di conseguenza, l'idrodinamica e la miscelazione dei fluidi all'interno della rete di frattura.

Ciò solleva questioni fondamentali su come due fluidi miscibili con una densità contrastante si mescolano e formano precipitati minerali in una frattura. È noto che la precipitazione minerale all'interno di una frattura è influenzata dalla geometria del percorso del flusso all'interno di una frattura che controlla la miscelazione4, dalla diffusione e dispersione dei fluidi che controllano l'estensione e la distribuzione spaziale delle interazioni fluido-roccia e della mineralizzazione5, e dall'eterogeneità minerale lungo i percorsi di flusso della frattura che influenzano il tipo di precipitazione minerale indotta4,6,7,8,9,10. Ma un fattore chiave non affrontato negli studi precedenti è l’effetto dell’orientamento della frattura rispetto alla gravità sulla dinamica chimica. Nelle fratture orizzontali, la segregazione dei fluidi si verifica quando i fluidi iniettati hanno densità diverse, con il fluido meno denso che scorre sopra il fluido più denso. Per i fluidi miscibili, un gradiente di densità può portare a instabilità come la diteggiatura indotta dalla doppia diffusione11, la miscelazione guidata dalla convezione12 nonché le instabilità di Rayleigh-Taylor13,14. Una questione chiave è come queste instabilità influenzano la miscelazione dei fluidi e, di conseguenza, la precipitazione dei minerali attraverso un piano di frattura inclinato.

In questo articolo combiniamo esperimenti visivi di laboratorio e modelli numerici per dimostrare che la dinamica chimica guidata dalla gravità controlla la miscelazione dei fluidi e la distribuzione dei precipitati all'interno di una frattura dell'apertura uniforme. Dimostriamo che un contrasto di densità tra i due fluidi può portare al confinamento del fluido meno denso in un rivolo stretto. La dimensione del runlet dipende dall'orientamento del piano di frattura rispetto alla gravità. La forma e la stabilità delle runlet sono influenzate dai vortici 3D indotti dalla gravità in un regime di flusso laminare, e i vortici influenzano anche le linee di miscelazione e la distribuzione spaziale dei precipitati di carbonato attraverso il piano di frattura. La presenza di instabilità indotte dalla gravità in un regime laminare ha il potenziale di influenzare la progettazione e il funzionamento delle operazioni sotterranee di sequestro di \(\hbox {CO}_2\) mediante intrappolamento di minerali nella roccia fratturata. Le fratture nel sottosuolo possono sigillarsi in modo diverso a seconda dell'orientamento, influenzando così la capacità di autoguarigione di una frattura, soprattutto se orientata verticalmente. È più probabile che le fratture orizzontali siano sigillate uniformemente dalla precipitazione minerale.

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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