Supercritical CO2 injection in moderate-tight hydrocarbon reservoirs, a preliminary case study
Authors: Veres Gábor Pál 
Published: December 2022

Summary.

The research deals with the investigation of one alternative of carbon-dioxide
utilization – underground storage – from a petroleum geoscience point of view.
The basic assumptions and the results of the laboratory studies to be carried
out later are based on a specific hydrocarbon field in Hungary. The previously
measured and studied geological and petrophysical parameters of the reservoir
(porosity, permeability, saturation, capacity, etc.) will be restudied and
specified, based on the results of the new concept of laboratory
experiments.

By defining these parameters, a 3D geological model, a “Dynamic model” will be
created to understand the effect of carbon-dioxide injection on the dynamic
behavior of a moderate-tight sandstone reservoir. Based on the results of the
dynamic model, the storage capacity will be defined. The carbon-dioxide
injection laboratory experiments will contribute to understanding these
underground geo-chemical reactions (e.g. carbonation ability, compositional
variation) and flow characteristics.

Összefoglalás.

Korunk egyik legmeghatározóbb problémája az üvegházhatású gázok, különösen a
szén-dioxid kibocsátásának csökkentése. Alapvetően két fő ágra oszlanak ezen
törekvések: egyrészt a kibocsátásért felelős technológiák
optimalizálására/„zöldítésére”, másrészt a már kibocsátott szén-dioxid
hasznosítására (CCU), illetve befogására és letárolására (CCS). A kutatás a
szén-dioxid hasznosítás egyik alternatívájával, a föld alatti letárolás
lehetőségének vizsgálatával foglalkozik földtudományi aspektusból.

A kézirat alap felvetései és a későbbiekben magmintákon elvégzendő
laborkísérletek eredményei egy konkrét, Magyarországon található szénhidrogén
mezőre vonatkoznak. Emiatt más szén-dioxid tárolására alkalmas földtani
képződmény (sókaverna, széntelep, illetve sósvizes aquifer) vizsgálatára a
tanulmány nem tér ki. A laborkísérletek eredményeinek segítségével az előzetesen
a mérnöki gyakorlatban használt és ismert tárolói paraméterek (porozitás,
permeabilitás, kapacitás, telítettség stb.) kerülnek pontosításra. Az elvégzendő
labormérések: higany besajtolásos porozitás vizsgálat, centrifugális kapilláris
nyomásgörbe és relatív permeabilitási görbék meghatározása, röntgendiffrakciós
anyagvizsgálat. Ezen paraméterek ismeretében egy pontosított földtani modell
kerül megalkotásra.

A kutatás első fázisában a már meglévő, ipari gyakorlatban alkalmazott
kőzetvizsgálati módszerek kerültek felülvizsgálatra, és egy új szemléletű, az
eddigi módszereket pontosító eljárás került kidolgozásra a hazai geológiai
formációkra vonatkoztatva. A későbbiekben a kőzetmintákon végzett tárolói
paramétereket szimuláló szén-dioxid besajtolási kísérletek a föld alatti
reakciók (pl. karbonátosodási képesség) és az áramlástani sajátosságok
megértéséhez és modellezéséhez is hozzájárulhatnak. Feltételezhetően a föld
alatti reakcióknak köszönhetően egy, a korábbi becslésektől eltérő
tárolótérfogatot lehet meghatározni.

Megállapításra került, hogy a szén-dioxid szuperkritikus állapotban besajtolva,
rétegvízzel rendelkező zárt rétegekben egybefüggő „csóvaként” vándorol a porózus
kőzeteken keresztül, amely a gravitációs szegregáció következtében vertikálisan
kitágul a fedőkőzet alatt. Az oldalirányú szén-dioxid expanzió folyamatát a
folyadékok csapdázódása korlátozza. Ezért a többfázisú áramlás és csapdázódás
alapos vizsgálata elengedhetetlen a tárolókapacitás pontos meghatározásának
érdekében.

A szén-dioxid besajtolhatóságát és a tárolási kapacitást nagymértékben
befolyásolja a szén-dioxiddal telített sóoldat relatív permeabilitása, amely
erősen függ a kőzet heterogenitásától. Miljkovic (2006)
sóoldattal telített homokkő minták szimulációs méréseit hasonlította össze,
amelyek csak a heterogenitás tekintetében tértek el egymástól. Megmutatta, hogy
a kis strukturálatlan heterogenitás, úgy tűnik, nem befolyásolja jelentősen a
CO2 telítettségét és ennek következtében a tárolási kapacitást.
Ezzel ellentétben Kuo és társai (2011) kimutatták, hogy a
telítési profilt erősen befolyásolja a mag heterogenitása, és nagy injektálási
sebességre van szükség ahhoz, hogy a heterogén közeg relatív állandó
telítettségét elérje a homogénhez képest. Hozzájuk hasonlóan Shi és
társai (2009) heterogén homokkő magokon szimulálták a
szén-dioxiddal telített sóoldat elvezetését és beszívódását. Kimutatták, hogy a
porozitás változása szignifikáns hatással volt a CO2 migrációs
mintázatára alacsony kiszorítási sebesség mellett és ez fokozatosan eltűnik az
injektálási sebesség növelésével.

Fontos célkitűzésként jelenik meg a kutatásokban ezen tézisek vizsgálata,
valamint a többfázisú áramlási kísérletek elvégzése a magyarországi CCS
potenciális jelöltjeként számon tartott tároló magmintáin. A víz-gáz elvezetési
relatív permeabilitási vizsgálatok szimulált tározókörülmények között szintén
fontos új információkat fognak szolgáltatni, melyek lehetőséget teremtenek a
CO2 front végső eloszlásának meghatározására, valamint
javaslattételre a tárolási kapacitás pontosítására és a geokémiai változásokra
az adott tárolórétegekre jellemző heterogenitás függvényében.