Einfluss von superkritischen CO2/Wasser-Interaktionen auf das geomechanische Verhalten von quarzreichen Sandstein für die geologische Speicherung von CO2

Im Laufe der CO2-Injektion in ein Speicherkammer sollte das Verständnis einer volumetrischen Änderung (z.B. Schwellung), die durch die Wechselwirkungen zwischen CO2, Wasser und Gestein in den Poren des Gesteins induziert wird, ein kritischer Schritt für die Modellierung der hydromechanischen Reaktion relevant für die CO2-Abscheidungs- und -speicherungstechnologie (CCS) sein. Für die Mehrheit der laufenden und geplanten CCS-Standorte weltweit sind harte sedimentäre Gesteine, die hauptsächlich aus Quarz und Feldspäten mit weniger Tonmineralien (z.B. Smektit, Illit) bestehen, repräsentative Reservoirgesteine. Es ist bekannt, dass Deckgesteine (d.h. Mergel und Schiefer) das Schwellungsverhalten einer Gesteinsmatrix in Anwesenheit von Wasser und/oder CO2 aufgrund von Interkalations- und Austauschreaktionen zwischen den Schichten von Tonmineralien aufweisen. Allerdings wird der Einfluss solcher volumetrischen Änderungen für quarzreiche Gesteine bislang nicht ausreichend untersucht. In dieser Studie untersuchen wir das geomechanische Verhalten von quarzreichem Sandstein (Berea-Sandstein) im superkritischen CO2 (scCO2)-Wassersystem unter einem wirksamen Druck von 10 MPa für bis zu ungefähr 1 Woche, wobei angenommen wird, dass CO2 in ein Speicherkammer in einer Tiefe von 1 km injiziert wird. Unsere Ergebnisse zeigen, dass quarzreicher Sandstein ein erhebliches Potenzial für Veränderungen der geomechanischen Eigenschaften (d.h. axiale Spannung, Verschiebung, volumetrische Dehnung) im scCO2-Wassersystem hat, ähnlich wie es bei tonreichen Deckgesteinen der Fall ist, obwohl bei nur Wasser-saturierten Proben unter den gleichen effektiven Spannungen nur geringe Veränderungen beobachtet wurden; der maximale Wert lag bei ungefähr 0,3 % für das scCO2/Wassersystem. Auch erhöhte axiale Spannungen, die durch die Änderung der volumetrischen Dehnung der getesteten Gesteinsprobe induziert wurden, überstiegen 1 MPa für alle Versuchsdurchläufe. Ein Vergleich der Ergebnisse deutete darauf hin, dass die erhaltenen volumetrischen Dehnungen für dieses System nicht vollständig durch die Änderung des Volumenmoduls vor und nach der Einführung von scCO2 in die Gesteinsprobe erklärt werden konnten. Die Ergebnisse unserer Studie könnten einen bedeutenden Beitrag für das gekoppelte hydromechanische Verhalten bei der Speicherung von CO2 in harten sedimentären Gesteinen leisten.