Analysis of the Pressure Fields in Arbitrary Flow Regimes and Associated Caprock Deflections from CO2 Sequestration
Creators: name: Τζουμάνη, Ευαγγελία Ευθυμίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2025
Subjects: Έγχυση CO2
Συνέπειες άνωσης
Παραμορφώσεις υπερκείμενου πετρώματος
CO2 injection
Buoyancy effects
Caprock deflections

description: Η διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στις κρίσιμες προκλήσεις που συνδέονται με τη δέσμευση και αποθήκευση διοξειδίου του άνθρακα (CO₂), ειδικότερα στη συμπεριφορά υδρομηχανικών και γεωφυσικών φαινομένων των πετρωμάτων κάλυψης, τα οποία είναι απαραίτητα για τη σφράγιση του CO₂ σε γεωλογικούς σχηματισμούς. Η έρευνα εξετάζει τις διεργασίες που επηρεάζουν την ακεραιότητα των πετρωμάτων κάλυψης κατά την έγχυση CO₂ και αναπτύσσει εργαλεία πρόβλεψης για την εξασφάλιση ασφαλούς και αποτελεσματικής αποθήκευσης. Ο κύριος στόχος της μελέτης είναι η αξιολόγηση της παραμόρφωσης και της πιθανής αστοχίας των πετρωμάτων κάλυψης υπό συνθήκες τάσης που προκαλούνται από την έγχυση CO₂, με σκοπό την καθιέρωση επιχειρησιακών κατευθυντήριων γραμμών για πιέσεις και ρυθμούς έγχυσης που ελαχιστοποιούν τον κίνδυνο διαρροής. Η εργασία υιοθετεί μια διεπιστημονική προσέγγιση, συνδυάζοντας πειραματική έρευνα, αριθμητική μοντελοποίηση και ανάλυση δεδομένων πεδίου. Πειράματα στο εργαστήριο χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση συνθηκών υπογείου, μετριώντας βασικές ιδιότητες όπως η πορώδης, η διαπερατότητα και η μηχανική αντοχή των πετρωμάτων κάλυψης όταν εκτίθενται σε αυξημένες πιέσεις και θερμοκρασίες CO₂. Η αριθμητική μοντελοποίηση αποτελεί τον πυρήνα της μεθοδολογίας, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων για την προσομοίωση συζευγμένων υδρομηχανικών διεργασιών στα πετρώματα κάλυψης. Αυτά τα μοντέλα ενσωματώνουν τη δυναμική της ροής διφασικών ρευστών, τη συμπεριφορά τάσης-παραμόρφωσης των πετρωμάτων, θερμικές μεταβολές που προκαλούνται από την έγχυση CO₂ και τη μηχανική των ρωγμών για την πρόβλεψη της εξάπλωσης ρωγμών και τον εντοπισμό πιθανών διαδρομών διαρροής. Τα δεδομένα πεδίου από πραγματικές τοποθεσίες έγχυσης CO₂ ενσωματώνονται για την επικύρωση και τη βελτίωση της ακρίβειας αυτών των μοντέλων, εξασφαλίζοντας την εφαρμοσιμότητά τους σε πραγματικά σενάρια. Τα αποτελέσματα της μελέτης δείχνουν ότι η έγχυση CO₂ μεταβάλλει σημαντικά την πίεση των πόρων και τη διανομή τάσης στα πετρώματα κάλυψης, οδηγώντας ενδεχομένως σε θραύση εφελκυσμού εάν οι ρυθμοί έγχυσης υπερβούν κρίσιμα όρια. Παρόλο που τα αργιλώδη πετρώματα κάλυψης εμφανίζουν ευνοϊκά χαρακτηριστικά σφράγισης, είναι ευάλωτα σε μηχανική αστοχία υπό ακραίες συνθήκες. Τα αριθμητικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν αποδεικνύονται αποτελεσματικά στην πρόβλεψη αυτών των κρίσιμων ορίων, προσφέροντας ένα αξιόπιστο πλαίσιο για την αξιολόγηση κινδύνων συγκεκριμένων τοποθεσιών σε έργα αποθήκευσης CO₂. Επιπλέον, τα πειραματικά ευρήματα επιβεβαιώνουν την ανάγκη ακριβούς βαθμονόμησης των μοντέλων με εμπειρικά δεδομένα για τη βελτίωση των προβλεπτικών τους δυνατοτήτων. Η μελέτη καταλήγει ότι η αποτελεσματική αποθήκευση CO₂ απαιτεί όχι μόνο ισχυρές τεχνικές μοντελοποίησης αλλά και συνεχή παρακολούθηση και προσαρμοστική διαχείριση για την αντιμετώπιση νέων κινδύνων. Μέσα από την ανάλυση της αλληλεπίδρασης μεταξύ ροής ρευστού, μηχανικής τάσης και θερμικών φαινομένων, η έρευνα παρέχει πολύτιμες γνώσεις για τη σχεδίαση ασφαλέστερων και πιο αποτελεσματικών λειτουργιών αποθήκευσης CO₂. Τελικά, τα ευρήματα συμβάλλουν στην πρόοδο βιώσιμων τεχνολογιών διαχείρισης άνθρακα, προσφέροντας μια ολοκληρωμένη κατανόηση της συμπεριφοράς των πετρωμάτων κάλυψης υπό συνθήκες έγχυσης και καθορίζοντας κατευθυντήριες γραμμές για τη μείωση του κινδύνου διαρροής.
description: The thesis focuses on the critical challenges associated with carbon dioxide (CO₂) sequestration, particularly the hydro-mechanical and geophysical behaviour of caprocks, which are essential for sealing CO₂ in geological formations. The research examines the processes that impact caprock integrity during CO₂ injection and develops predictive tools to ensure safe and efficient storage. The primary objective of the study is to evaluate the deformation and potential failure of caprocks under stress conditions caused by CO₂ injection, aiming to establish operational guidelines for injection pressures and rates while minimizing the risk of leakage. The work adopts a multi-disciplinary approach, combining experimental investigations, numerical modelling, and field data analysis. Laboratory experiments are used to replicate subsurface conditions, measuring key properties such as porosity, permeability, and mechanical strength of caprocks when subjected to elevated CO₂ pressures and temperatures. Numerical modelling forms the core of the methodology, utilizing finite element methods to simulate coupled hydro-mechanical processes within caprocks. These models incorporate the dynamics of two-phase fluid flow, the stress-strain behaviour of rocks, thermal variations induced by CO₂ injection, and fracture mechanics to predict crack propagation and identify potential leakage pathways. Field data from actual CO₂ injection sites are integrated to validate and enhance the accuracy of these models, ensuring their applicability to real-world scenarios. The study’s results demonstrate that CO₂ injection significantly alters pore pressure and stress distribution within caprocks, potentially leading to tensile fracturing if injection rates exceed critical thresholds. While clay-rich caprocks exhibit favourable sealing characteristics, they are vulnerable to mechanical failure under extreme conditions. The numerical models developed in the research prove effective in predicting these critical thresholds, offering a reliable framework for evaluating site-specific risks in CO₂ sequestration projects. Additionally, laboratory findings confirm the need for precise calibration of models with empirical data to enhance their predictive capabilities. The study concludes that effective CO₂ sequestration requires not only robust modelling techniques but also ongoing monitoring and adaptive management strategies to address emerging risks. By highlighting the interplay between fluid flow, mechanical stress, and thermal effects, the research provides valuable insights into designing safer and more efficient CO₂ storage operations. Ultimately, the findings contribute to advancing sustainable carbon management technologies by offering a comprehensive understanding of caprock behaviour under injection conditions and establishing guidelines to mitigate the risk of leakage. This work underscores the importance of integrating experimental and numerical approaches to ensure the long-term safety and effectiveness of geological CO₂ storage, positioning it as a critical tool in global efforts to combat climate change.
description: Τμήμα Γεωλογίας, Συνεργαζόμενα Τμήματα: Γεωλογίας και Γεωπεριβάλλοντος (Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών), Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο), Οικονομικών Επιστημών (Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης)