Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4333
Main Title: Methoden zur Anwendung der geochemischen Modellierung für die Bewertung der Langzeitmineralisierung von CO 2 auf Reservoirskala
Translated Title: Methods to use geochemical modeling for quantification of long term mineral trapping at reservoir scale
Author(s): Klein, Elisa
Advisor(s): Tröger, Uwe
Referee(s): Tröger, Uwe
Schneider, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Mineralisierung von CO2 gehört zu den Stabilisierungsmechanismen, die bei der CO2-Speicherung zur Langzeitsicherheit beitragen. Dabei wird das CO2 in einem langsamen Prozess im Reservoir in Form von Carbonaten immobilisiert. Vorhersagen zur Langzeitmineralisierung von CO2 erfolgen standortspezifisch über numerische Modelle, die nicht validiert werden können. Dabei stellt sich die Frage nach der Vertrauenswürdigkeit der Prognose. Ziel dieser Arbeit ist die Quantifizierung der Langzeitmineralisierung von CO2 am Pilotstandort Ketzin, basierend auf geochemischer Modellierung mit dem Programm PHREEQC. Im Mittelpunkt steht die Bewertung der Vertrauenswürdigkeit der Prognose. Darüber hinaus soll die Vorgehensweise durch die ganzheitliche Bearbeitung der Problemstellung zur Formalisierung des Modellierungsprozesses beitragen, neue Argumentationspfade hervorbringen und den interdisziplinären Austausch fördern. Als erstes wird das Untersuchungsgebiet beschrieben. Der Pilotstandort Ketzin liegt 25 km westlich von Berlin, im östlichen Teil der Roskow-Ketzin-Doppelantiklinalen. Nahezu 70000 t CO2 wurden, in die 650 m tiefen Sandsteine der Stuttgart-Formation eingespeist. Die Reservoirtemperatur beträgt 34°C und der Druck 60 bar. Das Formationsfluid ist NaCl dominiert und weist eine Gesamtmineralisation von 231 bis 250 g/l auf. Im zweiten Schritt wird das geochemische Modell umfassend charakterisiert. Die Eingangsgrößen werden in einem Ursache-Wirkungs-Diagramm klassifiziert, sodass sich die Haupteingangsgrößen, darunter Primärminerale, Fluidzusammensetzung, CO2-Fugazität, Reaktionskinetik und Sekundärminerale in Nebeneingangsgrößen aufgliedern. Prognoseschwächende Faktoren werden identifizieren und Maßnahmen im Umgang mit diesen beschrieben. Als nächstes wird das geochemischen Modells vom Pilotstandort Ketzin aufgestellt. Standortübergreifende Methoden helfen die prozessrelevanten Reservoireigenschaften zu erkennen und den Ausgangszustand zu definieren. Im Basisszenario sind nach 10000 Jahren 0,33 Mol CO2 im Referenzvolumen von 0,01 m3 als Siderit und Dolomit mineralisiert. Die Auswirkungen von Mineralauswahl und reaktiver Oberfläche werden in einer Szenarienanalyse bzw. Sensitivitäsprüfung untersucht. Die Quantifizierung der Mineralisierung auf Reservoirskala erfolgt in einem innovativen Ansatz durch die Kopplung der Ergebnisse von geochemischen und Reservoirsimulationen. Dafür wird der Einfluss von Porosität, Wassersättigung, CO2 Konzentration und Reservoirdruck auf die Mineralisierung von CO2 ermittelt. Nach 10000 Jahren sind 17000 t CO2 in Form von Carbonaten mineralisiert, das entspricht etwa 25% der Gesamtinjektionsmenge. Die kritische Betrachtung des Modellierungsprozesses legt die Grenzen und Interpretationsspielräume des geochemischen Modells offen. Diese resultieren unter anderem aus der Vereinfachung der mineralogischen Zusammensetzung, der Gleichgewichtsbetrachtung mit dem Formationsfluid, einer eingeschränkten Datenverfügbarkeit zur Parametrisierung von kinetischen Reaktionen und den Gültigkeitsgrenzen von Aktivitätsmodellen.
One of the requirements for geological CO2 storage is the evolution of the storage site towards long-term stability. Mineral trapping, which represents CO2 incorporated into minerals due to chemical precipitation, is one of the trapping mechanisms acting towards long-term stability and immobilization of CO2. Predictions of long-term mineral trapping are site dependent and based on numerical models, which cannot be validated. This raises the question of reliability of predictions. The aim of this work is to quantify long-term mineral trapping of CO2 at the pilot site Ketzin, based on geochemical modeling with PHREEQC. The focus is on the evaluation of the reliability of model predictions. Furthermore, the integral approach is looking to contribute to the formalization of the modeling process, to open new paths of argumentation and to promote interdisciplinary exchange. First, the study area is described. The pilot site Ketzin is located 25 km to the west of Berlin, in the eastern part of the Roskow-Ketzin double anticline. Almost 70000 t of CO2 were injected into the 650 m deep sandstones of the Stuttgart formation. The temperature and pressure in the reservoir is around 34°C and 60 bar, respectively. The formation fluid is strongly NaCl dominated with a TDS of 231-250 g/l. The second step is the comprehensive characterization of the geochemical model. Input variables are classified in a cause-and-effect diagram. In doing so, the main input variables, including primary minerals, fluid composition, CO2 fugacity, reaction kinetics, and secondary minerals are subdivided into associated input parameters. Furthermore prognosis debilitating factors and measures to deal with them are described. Next step is the setup of the geochemical model of the Ketzin pilot site. Guidelines are developed to identify the process-relevant reservoir properties and to define the initial state of the system. In the base case simulation mineral trapping is taken over by siderite and dolomite, resulting in 0.33 mole CO2 trapped in the reference volume of 0.01 m3 after 10000 years. The impact of mineral choice and reactive surface area are investigated by means of a scenario analysis and sensitivity test, respectively. Finally, the quantification of mineral trapping at reservoir scale is performed in an innovative approach by coupling the results of geochemical and reservoir simulations. Therefor the effect of porosity, water saturation, CO2 concentration and reservoir pressure on mineral trapping is identified. After 10000 years, 17000 t of CO2 are immobilized through mineral trapping, which is about 25% of the injection volume. The critical analysis of the modeling process reveals limitations and the scope for interpretation of the geochemical model. These result among others from: the simplification of the mineralogical composition, the equilibrium imposed with the formation fluid, the availability of data to parameterize kinetic reactions and the validity limits of activity models.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-62166
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4630
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4333
Exam Date: 19-Dec-2014
Issue Date: 30-Jan-2015
Date Available: 30-Jan-2015
DDC Class: 622 Bergbau und verwandte Tätigkeiten
Subject(s): CO2-Mineralisierung
CO2-Speicherung
Geochemische Modellierung
Pilotstandort Ketzin
Sandstein
CO2 storage
Geochemical modeling
Ketzin pilot site
Mineral trapping
Sandstone
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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