Wpływ oddziaływania CO₂ na dynamiczne parametry geomechaniczne w systemie geotermalnym

Sekwestracja CO₂ w formacje geologiczne wiąże się z szeregiem zjawisk fizycznych mających wpływ na strukturę skały, takich jak m.in. absorpcja CO₂ przez matrycę skalną, a także wytwarzanie w solankach złożowych kwasu węglowego, mającego zdolność rozpuszczania węglanów. Zjawiska te mogą powodować zmniejszenie sztywności skał i w konsekwencji wpływać na zmianę warunków geomechanicznych w górotworze, ze szczególnym uwzględnieniem stref przyotworowych. Mogą także powodować zmniejszenie funkcji uszczelniającej skał nadkładu. Skały zróżnicowane pod względem składu mineralnego oraz warunków depozycji (ciśnienia, temperatury, obecności mediów porowych) mogą wykazywać charakterystyczne cechy zwiększonej lub zmniejszonej odporności na kontakt z CO₂. W pracy zostały przedstawione laboratoryjne badania przypadków oddziaływania CO₂ na piaskowce o spoiwie węglanowym oraz ilastym podczas hipotetycznej sekwestracji do poziomu zbiornikowego jednego z polskich złóż geotermalnych. Wyznaczono wpływ obecności mediów porowych zawierających CO2 (rozpuszczony w solance złożowej oraz w stanie nadkrytycznym) w skałach na ich właściwości geomechaniczne – dynamiczne parametry sprężystości. Po trzymiesięcznym okresie ekspozycji na CO₂ w przypadku każdej z próbek zanotowano spadek prędkości fal sprężystych – zarówno P, jak i S, co jest potwierdzeniem danych literaturowych. Moduły Younga, odkształcenia postaci i objętości mierzonych próbek po ekspozycji na CO₂ obniżyły się w zależności od konkretnego przypadku od kilku do kilkudziesięciu procent w stosunku do wartości wyjściowych. Zaobserwowano też zmiany we współczynniku Poissona. Efekt ten może być wyjaśniony osłabieniem szkieletu skalnego próbek przez oddziaływanie kwasu węglowego powstałego w wyniku rozpuszczenia CO₂ w solance na spoiwo węglanowe oraz oddziaływaniem nadkrytycznego CO₂ na minerały ilaste. Pomimo niewielkiej próby reprezentatywnej użytej w testach można stwierdzić, że ekspozycja na CO₂ badanych piaskowców powoduje wyraźne zmniejszenie ich sztywności.

CO₂ sequestration in geological formations is related to a number of phenomena in the rock structure, such as absorption of CO₂ by the rock matrix, as well as the production of carbonic acid in reservoir brines, capable of dissolving carbonates. These effects can cause a decrease in rock stiffness and change of rock-mechanics conditions especially in the near-borehole zones. They can also reduce the sealing function of the overburden rocks. Different types of rocks varying in mineral composition and deposition conditions (pressure, temperature, pore media) may show characteristic features of increased or decreased resistance to CO₂. This paper deals with laboratory case study of the effect of CO₂ on carbonate- and clay-cemented sandstones during the hypothetical sequestration to the reservoir level of one of the Polish geothermal deposits. The influence of the presence of pore media containing CO₂ (dissolved in reservoir brine and a supercritical CO₂) in the rocks on their rock-mechanics properties – dynamic elasticity parameters – was determined. After a 3-month exposure to CO₂, a decrease in the velocity of both P and S waves was observed for each of the samples. Decrease of the Young's, bulk and shear moduli of all measured samples after exposure to CO₂ were also observed, depending on a sample, by a few to several dozen % in relation to the initial values. Changes in Poisson’s ratio were also observed. These effects can be explained by the weakening of the sample’s matrix, by action of the carbonic acid formed by dissolving of CO₂ in brine, and the action of supercritical CO₂ on clay minerals. Despite the small representative sample used in the tests, it can be concluded that the exposure to CO₂ of the tested sandstones causes a significant reduction in their stiffness.