Stenstruktur i mikroskala påvirker mikroseismicitet ved underjordisk lagring af kuldioxid

At afbøde og vende virkningerne af klimaændringer er den vigtigste videnskabelige udfordring, som menneskeheden står over for. Kulstofbinding beskriver en række teknologier med potentiale til at reducere koncentrationen af ​​kuldioxid (CO₂) i atmosfæren. De fleste af disse ordninger involverer lagring af gassen under jorden, men dette er ikke uden risiko, og videnskabsmænd er bekymrede for, at underjordisk lagring kan føre til øget seismisk aktivitet (et fænomen kendt som "induceret seismicitet").

Nu har forskere i USA og Schweiz studeret mikroseismicitet, de små seismiske hændelser forårsaget af kulstofinjektion i værtssten, ved Illinois Basin Decatur Project (IBDP) i det midtvestlige USA. I 2011-2014 injicerede IBDP en million tons CO₂ ind i et underjordisk reservoir lige over et rhyolit-krystallinsk bassin. Nikita Bondarenko , Roman Makhnenko ved University of Illinois og Yury Podladchikov ved University of Lausanne har brugt en kombination af feltobservationer og computersimuleringer til at vise, hvordan mikroseismicitet ved IBDP er meget afhængig af mikroskalastrukturen af ​​værtsbjergarten.

Mohrs cirkel

Grundlaget for forskernes tilgang er et begreb kaldet "Mohrs cirkel", som beskriver den graf, der kan tegnes for at afbilde en stresstensor. Som en integreret del af mange geoingeniørbestræbelser kan Mohrs cirkler plottes for at beskrive reaktionen af ​​jord, mineraler og andre geofysiske materialer på stress i flere retninger. Forskernes mål var at udvikle en dybere forståelse af den lokale mikroseismicitet, idet man kun tager højde for begivenheder af størrelsesorden 2.0 eller mindre på Richter-skalaen under injektionen af ​​CO₂ ind i IBDP-klippereservoiret.

For at supplere deres Mohrs cirkelberegninger har gruppen overvejet, hvordan CO₂ opfører sig som en væske og fylder sprækkerne og porerne i værtsbjergarten. Deres resultater fra observation af IBDP's seismiske aktivitet indikerer, at injektionen af ​​CO₂ ind i den "krystallinske kælder" (stenlaget under en sedimentaflejring) kan forværre eksisterende revner og forkastninger og derved destabilisere bassinet. Derudover kan sprøjteinduceret revnedannelse forekomme i det stive lag direkte over den krystallinske kælder, også kendt som det "stive kompetente lag."

Hos IBDP, CO₂ er sprøjtet ind i den nederste enhed af Mt. Simon-sandsten inden for stratigrafien af ​​Illinois-bassinet (se figur). På grund af tilstedeværelsen af ​​intraformationelle sæler (uigennemtrængelige mineralårer i klippen) i Mt. Simon-komplekset, injicerede CO₂ påvirker fejlene i den krystallinske kælder under reservoiret, hvilket muliggør reaktivering af eventuelle fejlstrukturer, der er gunstigt orienteret.

Poroelastisk effekt

Et andet fænomen, der skal behandles under CO₂ injektion er den pororoelastiske effekt, som er relateret til poretryk og mekanisk belastning. Denne del af undersøgelsen fokuserede på Argenta-sandsten og prækambrisk rhyolit fra TR McMillen #2-brønden, som er 25 km sydvest for IBDP-injektionsstedet. Målet var at måle stedets poromekaniske egenskaber. Kerner af Argenta-sandsten og prækambrisk rhyolit blev begge udvundet inden for dybdeområdet 1900-2000 m.

Prækambrisk rhyolit, den krystallinske kælderbjergart, er kendt for at have brud, der tillader intern væskevandring, og derved svækker stenen og sænker dens elasticitetsmodul. Intakte eller heterogene prøver blev opnået via laboratorieskalaforsøg på prøven med størrelse i størrelsesordenen 10-100 mm. Målingerne opnået på denne minimale skala blev derefter kørt gennem holdets "fuldt koblede hydromekaniske numeriske kode", baseret på sættet af partielle afledte Biot-ligninger for porevæske og adfærd, for at modellere seismiciteten induceret af CO₂ injektion på IBDP.

Numerisk modellering

Ud over laboratoriemålinger blev der udført nogle numeriske modeller for at relatere stratigrafien af ​​sandstenen og rhyolitten til den mikroseismicitet, der finder sted på injektionsstedet. Resultater af seismiske undersøgelser udført af Illinois State Geological Survey viser en vis ujævn sedimentation i de stratigrafiske lag under IBDP, hvilket kan resultere i en ændring i spændingen i klippen. Derudover blev klippens styrke målt, og sammenligning af friktionsvinklen til tangentlinjen til Mohrs cirkel gjorde det muligt for forskerne at forstå tærsklen for sprøjteinduceret revnedannelse og klippesvigt. Kort sagt konkluderer de, at injektionen af ​​CO₂ Det er usandsynligt, at det vil resultere i signifikant seismisk aktivitet.

Forskerne beskriver deres resultater i Videnskabelige rapporter, og det vigtigste uddrag fra deres papir er, at seismicitet er et meget komplekst fænomen. Lokale stratigrafiske træk komplicerer analysen af ​​injektionsgenereret seismicitet. Som et resultat heraf kan IBDP-injektionsstedet ikke effektivt beskrives af en enkelt Mohrs cirkel, og en mikroseismisk reaktion kan heller ikke kun forklares af ændringerne i poretrykket. Hydromekanisk kobling, tofaset flow, stratigrafiske effekter og temperatur skal betragtes som en del af det større billede af IBDP's seismicitetsprofil. Der skal gøres mere arbejde for at forene behovet for kulstofbinding med industriens fortsatte udbredelse; seismicitet varsler en sikkerhedsrisiko, som påvirker folks opfattelse af kulstofbindingsforanstaltninger. Indtil vi opnår en bedre forståelse af induceret seismicitet fra kulstofinjektion, er farebegrænsning den bedste fremgangsmåde.