search
ruРусский
banner
Дом / Новости / Сила тяжести
Новости
pageSearch
Последние новости

Сила тяжести

Jan 21, 2024Jan 21, 2024

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9400 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Многие проблемы, связанные с секвестрацией углекислого газа (\(\hbox {CO}_2\)) в подземных породах, связаны с закачкой флюидов через искусственные или существующие сети трещин и тем, как эти флюиды изменяются в результате геохимических взаимодействий. Здесь мы демонстрируем, что перемешивание флюидов и распределение карбонатных минералов в трещинах контролируются гравитационной химической динамикой. Используя оптическое изображение и численное моделирование, мы показываем, что контраст плотности между двумя смешивающимися жидкостями вызывает образование ручья жидкости низкой плотности, площадь которого увеличивается по мере уменьшения наклона трещины от 90\(^\circ\) (вертикальная плоскость трещины). ) до 30\(^\circ\). Рулетка поддерживается во времени, а ее стабильность контролируется гравитационным образованием трехмерных вихрей, которые возникают в режиме ламинарного течения. Когда вызывалось гомогенное осаждение, карбонат кальция покрывал всю поверхность горизонтальных трещин (0\(^\circ\)). Однако при наклоне трещины более 10\(^\circ\) образование ручейков ограничивало площадь выпадения осадков до уровня менее 15% поверхности трещины. Эти данные позволяют предположить, что способность изолировать \(\hbox {CO}_2\) посредством минерализации вдоль трещин будет зависеть от ориентации трещины относительно силы тяжести, при этом горизонтальные трещины с большей вероятностью закроются равномерно.

Одним из методов снижения содержания углекислого газа (\(\hbox {CO}_2\)) в атмосфере Земли является закачка уловленного \(\hbox {CO}_2\) в недра Земли, где существует несколько механизмов, которые могут улавливать или удерживайте \(\hbox {CO}_2\) на месте1. Подповерхностное хранение \(\hbox {CO}_2\) в породе посредством минерализации2 тесно связано со свойствами закачиваемых и встречающихся в природе флюидов, реакционной способностью и минералогией вдоль поверхностей трещин, а также морфологией и связностью сети трещин. через которые текут жидкости. Полевой эксперимент в Исландии (Carbfix) показал, что 95% из 220 тонн \(\hbox {CO}_2\), закачанных в подземный базальтовый резервуар в 2012 году, были преобразованы в кальцит и другие минералы3. В этом процессе \(\hbox {CO}_2\) растворяется в воде (угольной кислоте) и впрыскивается в базальтовую формацию через сеть трещин. Угольная кислота вызывает высвобождение катионов из базальта, которые, в свою очередь, реагируют с углекислым раствором, образуя карбонатные минералы. Эти химические процессы не только изменяют поверхности трещин, но также влияют на состав и плотность флюидов и, в свою очередь, на гидродинамику и перемешивание флюидов внутри сети трещин.

Это поднимает фундаментальные вопросы о том, как две смешивающиеся жидкости с контрастом плотности смешиваются и образуют минеральные осадки в трещине. Известно, что на осаждение минералов внутри трещины влияет геометрия пути потока внутри трещины, которая контролирует перемешивание4, диффузия и дисперсия флюидов, которые контролируют степень и пространственное распределение взаимодействий флюид-порода и минерализация5, а также минеральная неоднородность вдоль пути потока трещин, которые влияют на тип индуцированных минеральных осадков4,6,7,8,9,10. Но ключевым фактором, не учтенным в предыдущих исследованиях, является влияние ориентации трещин относительно силы тяжести на химическую динамику. В горизонтальных трещинах сегрегация жидкости происходит, когда закачиваемые жидкости имеют разную плотность, при этом менее плотная жидкость находится поверх более плотной жидкости. Для смешивающихся жидкостей градиент плотности может привести к нестабильностям, таким как двойная диффузия, вызванная образованием пальцев11, перемешивание, обусловленное конвекцией12, а также нестабильность Рэлея-Тейлора13,14. Ключевой вопрос заключается в том, как эти нестабильности влияют на перемешивание флюидов и, в свою очередь, на осаждение минералов поперек наклонной плоскости трещины.

В этой статье мы объединяем визуальные лабораторные эксперименты и численное моделирование, чтобы показать, что гравитационная химическая динамика контролирует смешивание флюидов и распределение осадков внутри однородной апертурной трещины. Мы показываем, что контраст плотности между двумя жидкостями может привести к ограничению менее плотной жидкости узким ручейком. Размер ручья зависит от ориентации плоскости разрушения относительно силы тяжести. На форму и устойчивость ручейков влияют трехмерные вихри, вызванные гравитацией в режиме ламинарного течения, а вихри также влияют на линии смешения и пространственное распределение карбонатных осадков по плоскости трещины. Наличие гравитационной нестабильности в ламинарном режиме может повлиять на проектирование и проведение подземных работ по секвестрации \(\hbox {CO}_2\) путем улавливания минералов в трещиноватых горных породах. Трещины в недрах могут уплотняться по-разному в зависимости от ориентации, что влияет на способность трещины к самозаживлению, особенно если она ориентирована вертикально. Горизонтальные трещины с большей вероятностью будут равномерно закрыты минеральными осадками.

5.4). When the two solutions mixed in a fracture, the pH increased and exceeded 6.8, causing the mixed fluids to turn purple. Figure 8 shows digital images of the fracture for 25, 50, 75, 167 and 250 minutes after the initiation of simultaneous pumping of solutions 3 and 4. Just as for the non-reactive case (Fig. 1), the fracture was initially filled with less dense Solution 4 (blue in Fig. 8 at 25 minutes) for the reactive miscible fluids experiment. As the less dense solution 4 is displaced and mixed with the denser Solution 3, the color changes to purple./p> 75\) mins and inclination angles \(>30^\circ\) Once the denser solution reached the outlet (time >75 min), the less dense solution replenished the front leading to continual formation of precipitates along the horizontal front. However, depending on the fracture inclination, the precipitates either settled (i.e. rained down) from the horizontal front and accumulated around the inlet of the fracture, or deposited over the entire fracture plane. The sedimentation of the precipitates in regions near the inlet occurred for fracture inclinations of 45\(^\circ\) to 90\(^\circ\). While precipitates continually rained down from the front for fractures inclined at 90\(^\circ\), a critical mass of precipitates was required for inclination of 45\(^\circ\) to 75\(^\circ\) case. When a critical mass was reached, the precipitates slid down the inclined fracture plane and collected near the inlet of the fracture. This was not observed for fractures inclined at 15\(^\circ\) or 30\(^\circ\). This suggests that the coefficient of static friction for the precipitates is between tan (30\(^\circ\)) and tan (45\(^\circ\)), though one must also account for viscous drag forces from the flowing solutions./p> 75 minutes, indicating that a high concentration of Solution 3 that is not interacting with the less dense Solution 4. As in the non-reactive case, the less dense fluid is essentially confined to a narrow runlet (blue path on right of images) as the denser fluid filled the fracture. As a result, after the initial displacement of the less dense fluid, precipitate formation was restricted to a narrow path along the less dense fluid runlet (Fig. 8) for high inclination angles. The precipitation along the edges of the runlet was sufficient to block flow in the aperture at these locations thus inhibiting mixing and the formation of additional precipitates./p> 30^\circ\), precipitates slide down to the bottom of the fracture; (3) When the angle is \(45^o< \theta < 90^\circ\), precipitates collect near the inlet; (4) When \(\theta < 30^\circ\), precipitates achieve almost complete coverage of the fracture plane. (The evolution of the precipitate distribution can be viewed in movies SM1-SM6 that are part of the Supplemental Information.)/p>5. For higher pH values, there is the potential to form Al- and Fe-hydroxides, chalcedony, and zeolites and smectites24. As these reactions occur along fracture flow paths, the pH and other fluid properties are likely to evolve over time and distance. Diffusivity of the fluids also affects mixing and alters the density contrast of fluids over time. High values of diffusivity will most likely lead to an increase in the runlet width or possibly inhibit runlet formation if the diffusion is rapid relative to the flow rate. The injection rate of the fluids will affect the stability of the runlet because it controls the shape and movement of vortices. Fracture and rock properties such as fracture aperture variability should be considered in future studies because the structural heterogeneity will affect runlet formation and the amount of fluid stratification within each aperture. In nature, fracture surfaces are rough and vary in mineralogy that result in aperture variability, and in turn can lead to preferential flow paths and stagnation zones, both of which are known to significantly affect fluid flow, mixing and transport as observed Fig. 10./p>

Предыдущий: Себестоимость производства лаурилсульфата натрия в 2023 году: анализ ценовых тенденций и прогноз на 2028 год Следующий: Oz Lithium представляет отчет о воздействии на окружающую среду и продвигает исследование воздействия на окружающую среду с помощью программы исследований и отбора проб VES
Отправить запрос
Отправлять