중력
Jan 21, 2024Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9400(2023) 이 기사 인용
측정항목 세부정보
지하 암석의 이산화탄소(\(\hbox {CO}_2\)) 격리와 관련된 많은 과제는 유도된 또는 기존 균열 네트워크를 통한 유체 주입 및 이러한 유체가 지구화학적 상호 작용을 통해 어떻게 변경되는지와 관련이 있습니다. 여기에서는 균열의 유체 혼합 및 탄산염 광물 분포가 중력 구동 화학 역학에 의해 제어된다는 것을 보여줍니다. 광학 이미징과 수치 시뮬레이션을 사용하여 두 혼화성 유체 사이의 밀도 대비로 인해 파괴 경사가 90\(^\circ\)(수직 파괴 평면)에서 감소함에 따라 면적 범위가 증가하는 저밀도 유체 흐름이 형성된다는 것을 보여줍니다. )을 30\(^\circ\)으로 변경합니다. 런렛은 시간이 지나도 유지되며 런렛의 안정성은 층류 체제에서 발생하는 중력 구동 3D 와류 형성에 의해 제어됩니다. 균일한 석출이 유도되면 탄산칼슘이 수평균열(0\(^\circ\))을 위해 전체 표면을 덮었습니다. 그러나 10\(^\circ\)보다 큰 파괴 경사의 경우, 런렛 형성으로 인해 석출 면적 범위가 파괴 표면의 15% 미만으로 제한되었습니다. 이러한 통찰력은 균열을 따라 광물화를 통해 \(\hbox {CO}_2\)를 격리하는 능력이 중력에 대한 균열 방향에 따라 달라지며 수평 균열이 균일하게 밀봉될 가능성이 더 높다는 것을 시사합니다.
지구 대기에서 이산화탄소(\(\hbox {CO}_2\))를 줄이는 한 가지 방법은 포집된 \(\hbox {CO}_2\)를 지구 지하 표면에 주입하는 것입니다. \(\hbox {CO}_2\)를 제자리에 고정하세요1. 광물화를 통한 암석의 지하 \(\hbox {CO}_2\) 저장2은 주입된 자연 발생 유체의 특성, 균열 표면을 따른 반응성 및 광물학, 균열 네트워크의 형태 및 연결성과 밀접하게 연관되어 있습니다. 유체가 흐르는 곳. 아이슬란드(Carbfix)의 현장 실험에서는 2012년 지하 현무암 저장소에 주입된 \(\hbox {CO}_2\) 220톤 중 95%가 방해석 및 기타 광물로 전환된 것으로 나타났습니다3. 이 과정에서 \(\hbox {CO}_2\)는 물(탄산)에 용해되어 균열 네트워크를 통해 현무암 지층에 주입됩니다. 탄산은 현무암에서 양이온을 방출하고, 이는 다시 탄산 용액과 반응하여 탄산염 광물을 형성합니다. 이러한 화학적 과정은 파괴 표면을 변화시킬 뿐만 아니라 유체의 구성과 밀도에 영향을 미치고 결과적으로 파괴 네트워크 내의 유체 역학과 유체 혼합에도 영향을 미칩니다.
이는 밀도 대비가 혼합된 두 개의 혼화성 유체가 어떻게 균열에서 광물 침전물을 형성하는지에 대한 근본적인 질문을 제기합니다. 균열 내의 광물 강수는 혼합을 제어하는 균열 내의 흐름 경로 형상4, 유체-암석 상호작용 및 광물화의 범위 및 공간 분포를 제어하는 유체의 확산 및 분산5, 그리고 광물 이질성에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있습니다. 유도된 광물 침전의 유형에 영향을 미치는 파괴 흐름 경로4,6,7,8,9,10. 그러나 이전 연구에서 다루지 않은 핵심 요소는 중력에 대한 파괴 방향이 화학 역학에 미치는 영향입니다. 수평 골절에서는 주입된 유체의 밀도가 다르고 밀도가 낮은 유체가 밀도가 높은 유체 위에 떠 있을 때 유체 분리가 발생합니다. 혼화성 유체의 경우 밀도 구배는 이중 확산으로 인한 운지법11, 대류 구동 혼합12 및 레일리-테일러 불안정성13,14과 같은 불안정성을 초래할 수 있습니다. 핵심 질문은 이러한 불안정성이 유체 혼합에 어떻게 영향을 미치고 결과적으로 경사진 균열면에 걸친 광물 침전에 영향을 미치는지입니다.
본 논문에서는 시각적 실험실 실험과 수치 모델링을 결합하여 중력 구동 화학 역학이 균일한 조리개 균열 내에서 유체의 혼합과 석출물 분포를 제어한다는 것을 보여줍니다. 우리는 두 유체 사이의 밀도 대비로 인해 밀도가 낮은 유체가 좁은 흐름에 갇힐 수 있음을 보여줍니다. 런렛의 크기는 중력에 대한 파손면의 방향에 따라 달라집니다. 런렛 모양과 안정성은 층류 흐름 영역에서 중력에 의해 유발된 3D 와류의 영향을 받으며, 와류는 파쇄면을 가로지르는 탄산염 침전물의 혼합 라인과 공간 분포에도 영향을 미칩니다. 층류 영역에서 중력으로 인한 불안정성의 존재는 부서진 암석에 광물을 포획하여 \(\hbox {CO}_2\)를 격리하는 지하 작업의 설계 및 운영에 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 표면 아래의 균열은 방향에 따라 다르게 밀봉될 수 있으므로 특히 수직 방향인 경우 균열의 자가 치유 능력에 영향을 미칠 수 있습니다. 수평 균열은 광물 침전에 의해 균일하게 밀봉될 가능성이 더 높습니다.
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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