Tom 23 2007 Zeszyt 3
RADOS£AW TARKOWSKI*, BARBARA ULIASZ-MISIAK**
Oddzia³ywanie CO
2na ska³y zbiornikowe w celu okreœlenia
ich przydatnoœci dla geologicznego unieszkodliwiania dwutlenku wêgla
S ³ o w a k l u c z o w e
Geologiczna sekwestracja CO2, geologia z³o¿owa, ska³y zbiornikowe, mineralogia, geochemia
S t r e s z c z e n i e
Przedstawiono wyniki dotychczas prowadzonych badañ oddzia³ywania CO2na ska³y zbiornikowe, w celu
okreœlenia ich przydatnoœci dla geologicznego unieszkodliwiania dwutlenku wêgla. Zaproponowano przeprowa-dzenie laboratoryjnych badañ oddzia³ywania CO2na próbki skalne z wybranych mezozoicznych poziomów
zbior-nikowych w warunkach z³o¿owych (ciœnienia i temperatury, w obecnoœci solanki). Ich wyniki powinny umo¿liwiæ wskazanie istotnych cech ska³ oraz problemów zwi¹zanych z oddzia³ywaniem CO2–ska³a–p³yny z³o¿owe podczas
zat³aczania dwutlenku wêgla. Wyniki eksperymentów laboratoryjnych wykorzystane do komputerowej symulacji i modelowania równowag reakcji minera³–roztwór, przy u¿yciu programu PHREEQC, powinny pozwoliæ na odtworzenie z du¿¹ dok³adnoœci¹ rzeczywistych procesów zachodz¹cych w strukturze geologicznej podczas zat³aczania dwutlenku wêgla.
1. Istota problemu oraz celowoœæ badañ
Zat³aczany do struktur geologicznych dwutlenek wêgla oddzia³uje na ska³y i p³yny z³o¿owe (rozpuszcza siê w p³ynach z³o¿owych, reaguje z minera³ami wchodz¹cymi w sk³ad matrycy skalnej). Efekty tych procesów maj¹ wp³yw na podziemne zat³aczanie dwutlenku
* Dr hab. in¿., ** Dr in¿., Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ PAN, Kraków; tarkowski@min-pan.krakow.pl; umb@min-pan.krakow.pl
wêgla (zarówno w trakcie, jak i po jego zakoñczeniu). Wp³ywaj¹ one na: pojemnoœæ struktury geologicznej do której gaz jest zat³aczany, parametry zbiornikowe, szczelnoœæ ska³ nadk³adu i inne.
Badania dotycz¹ce oddzia³ywania CO2na ska³y zbiornikowe w warunkach z³o¿owych
nie by³y w Polsce dotychczas prowadzone. Zagraniczne publikacje z tego zakresu przedsta-wiaj¹ce wyniki szczegó³owych i specyficznych badañ wskazuj¹ na celowoœæ przepro-wadzenia tego typu prac na bazie ska³ zbiornikowych charakterystycznych dla danego kraju lub obszaru. Badania te dotycz¹ nowego obszaru badawczego zwi¹zanego z podziemnym sk³adowaniem dwutlenku wêgla. Polska posiada uwarunkowania geologiczne dla pod-ziemnego sk³adowania CO2(Tarkowski, Uliasz-Misiak 2005). W szczególnoœci dotyczy to
sk³adowania tego gazu w g³êbokich poziomach wodonoœnych oraz z³o¿ach wêglowodorów. Oprócz zakoñczonego powodzeniem projektu RECOPOL zrealizowanego przez zespó³ z G³ównego Instytutu Górnictwa, polskie doœwiadczenia w zakresie podziemnego sk³ado-wania CO2s¹ niewielkie, co potwierdza celowoœæ tego typu badañ.
Proponowane prace maj¹ istotne znaczenie dla operacji podziemnego zat³aczania CO2.
Poznanie zachodz¹cych zjawisk, interakcji CO2–ska³a–p³yny z³o¿owe, umo¿liwi
optyma-lizacjê procesu zat³aczania dwutlenku wêgla. Nieznajomoœæ zachodz¹cych procesów mo¿e doprowadziæ do wycieków gazu poza strukturê z³o¿ow¹, a nawet do unicestwienia operacji sekwestracji dwutlenku wêgla. Wyniki badañ mog¹ znaleŸæ zastosowanie przy projek-towaniu pilotowej instalacji podziemnego sk³adowania CO2 w Polsce.
2. Stan wiedzy w zakresie tematu badañ
Zat³aczany pod ziemiê dwutlenek wêgla, jako kwaœny gaz, oddzia³uje na ska³y i p³yny z³o¿owe. W d³ugim okresie czasu podziemne sk³adowanie tego gazu okreœlone bêdzie przez oddzia³ywanie czterech podstawowych mechanizmów zale¿nych od rodzaju struktury wy-korzystywanej do sk³adowania CO2(Holloway 2002). S¹ to:
— hydrodynamiczne wi¹zanie – CO2 mo¿e byæ uwiêziony w pu³apkach z³o¿owych
w fazie gazowej lub superkrytycznej; mechanizm ten dominuje w przypadku sk³a-dowania w wyeksploatowanych z³o¿ach wêglowodorów;
— rozpuszczanie CO2 w p³ynach z³o¿owych; mechanizm ten dominuje w przypadku
sk³adowania w poziomach wodonoœnych oraz przy intensyfikacji wydobycia ropy z wykorzystaniem CO2(EOR);
— geochemiczne reakcje z p³ynami z³o¿owymi lub minera³ami buduj¹cymi ska³y (mi-neralne wi¹zanie) – CO2 bêdzie wchodziæ w reakcjê z minera³ami i substancj¹
organiczn¹, staj¹c siê czêœci¹ matrycy skalnej;
— jeœli uszczelnienie nie jest doskona³e, migracja CO2poza z³o¿e w którym prowadzi
siê geologiczne sk³adowanie.
Sk³adowanie CO2 w formacjach geologicznych dotyczy setek, a nawet tysiêcy lat.
gazu i jego zachowania siê w warstwach geologicznych, ocena mechanizmów chemicznego i fizycznego uwiêzienia CO2, okreœlenie iloœci sk³adowanego gazu (Tarkowski 2005).
Poznanie oddzia³ywania CO2–ska³y zbiornikowe–p³yny z³o¿owe odgrywa tutaj podstawow¹
rolê (Vision... 2002).
W projektach badawczych dotycz¹cych geologicznej sekwestracji CO2 zagadnienia
mo¿liwoœci wycieku, dróg migracji, spójnoœci nadk³adu i otworu, reakcji pomiêdzy CO2
a ska³ami zbiornikowymi s¹ coraz czêœciej podejmowane. Pozwalaj¹ one lepiej zrozumieæ naturê wycieków, d³ugoterminowe fizyczne i chemiczne reakcje pomiêdzy CO2,
podziem-nym zbiornikiem i ska³ami nadk³adu. Nale¿y podkreœliæ, ¿e chemiczne reakcje pomiêdzy zat³oczonym CO2 a ska³ami mog¹ mieæ korzystny wp³yw na trwa³e zwi¹zanie dwutlenku
wêgla. Uwa¿a siê, ¿e ucieczka ma³ych iloœci CO2do nadleg³ych warstw mo¿e spowodowaæ
zwiêkszenie sczelnoœci nadk³adu. Oddzia³ywania te nie s¹ jednak dobrze poznane, st¹d istnieje zagro¿enie, ¿e mog¹ mieæ równie¿ ujemny wp³yw na spójnoœæ nadk³adu (Putting... 2001). Wiele problemów dotycz¹cych podziemnego sk³adowania CO2 pozostaje do
rozwi¹-zania. Dotycz¹ one monitorowania przemieszczania siê CO2w z³o¿u, sprawdzenia
efektyw-noœci stosowanych metod, lepszego zrozumienia kinetyki rozpuszczania siê CO2 i
mi-neralnego wi¹zania, okreœlenia sposobu w jaki wzrost ciœnienia wywo³any zat³aczaniem CO2
wp³ywa na trwa³oœæ nadk³adu skalnego i inne. Czêœæ tych zagadnieñ podj¹³ zrealizowany projekt Saline Aquifier CO2Storage (SACS). Dotyczy³ on monitorowania formacji Utsira z³o¿a Sleipner, kontroli rozprzestrzeniania siê zat³oczonego CO2, charakterystyki z³o¿a
i próby przewidzenia zachowania siê CO2w przysz³oœci (Vision... 2002).
W zagadnieniach podziemnego sk³adowania dwutlenku wêgla wa¿n¹ rolê odgrywaj¹ w³aœciwoœci fizyczne i chemiczne CO2, w tym jego rozpuszczalnoœæ. Gaz ten mo¿e
wy-stêpowaæ w trzech stanach skupienia: sta³ym, ciek³ym i gazowym. W temperaturach wy¿szych od krytycznej (31°C) wystêpuje jedna faza zwana p³ynem (Wystêpowanie... 2002). W warunkach ciœnienia i temperatury panuj¹cych w z³o¿u (poni¿ej 1000 metrów, temperatura kilkadziesi¹t stopni) zat³aczany CO2 bêdzie znajdowa³ siê w postaci
nad-krytycznej, okreœlanej jako gêsta faza gazowa (Nodzeñski, Ho³da 2003; Tarkowski, Uliasz--Misiak 2005; Wystêpowanie... 2002), a jego gêstoœæ w tych warunkach utrzymuje siê na wzglêdnie sta³ym poziomie, miêdzy 600–800 kg/m3.
Mineralna sekwestracja (karbonatyzacja) CO2, w wyniku której powstaj¹ trwa³e zwi¹zki
wêglanowe, odegra³a istotn¹ rolê w rozpoznaniu zjawisk zwi¹zanych z oddzia³ywaniem CO2
na ska³y i minera³y (Huijgen, Comans 2003; Mazurkiewicz i in., 2004; Uliasz-Bocheñczyk i in. 2004). W szczególnoœci dotyczy to takich minera³ów jak: serpentyn, talk, oliwin, które mog¹ byæ zastosowane w sekwestracji CO2na drodze mineralnej karbonatyzacji. Próbuje siê w tym
celu wykorzystaæ równie¿ odpady wytwarzane w wyniku dzia³alnoœci cz³owieka, np. popio³y lotne, odpady betonowe, krzemiany wapniowe i magnezowe, odpady azbestowe, ¿u¿le hut-nicze (Fuji i in. 2001; Huijgen, Comans 2003; Mazurkiewicz i in. 2004). G³ówn¹ barier¹ wstrzymuj¹c¹ przed zastosowaniem tej metody jest wolne tempo zachodz¹cych reakcji.
Rozwa¿aj¹c oddzia³ywanie CO2 na ska³y z³o¿owe nale¿y uwzglêdniæ jego
mineralizacja, a istotne znaczenie ma obecnoœæ rozpuszczonych sk³adników sta³ych powo-duj¹cych powstawanie jonów wodorowêglanowych i wêglanowych. Szczególnie wa¿na jest obecnoœæ wêglanów: wapnia, magnezu, ¿elaza i manganu. Dwutlenek wêgla podczas rozpuszczania wchodzi w reakcje nie tylko z wod¹, ale i z wymienionymi minera³ami (Nodzeñski, Ho³da 2003; Wystêpowanie …2002).
Wiele minera³ów buduj¹cych ska³y mo¿e reagowaæ z CO2 w warunkach ciœnienia
i temperatury panuj¹cej w z³o¿u. Reakcje jakie zajd¹ s¹ uzale¿nione od rodzaju ska³ i ich sk³adu mineralnego. Inne reakcje zachodz¹ w ska³ach wêglanowych, inne zaœ w pias-kowcach (Olsen, Stentoft 2003). Zarówno minera³y wêglanowe, jak i krzemianowe mog¹ ulegaæ rozpuszczaniu i wytr¹caniu. Prêdkoœæ reakcji z minera³ami wêglanowymi jest gene-ralnie wiêksza ni¿ w przypadku minera³ów krzemianowych. Zat³aczanie CO2do formacji
piaskowcowych mo¿e spowodowaæ wzrost pojemnoœci magazynowania CO2, jakkolwiek
jest to proces bardzo powolny. Sk³adowanie w tych formacjach jest prostsze i ³atwiej jest oceniæ reaktywnoœæ matrycy skalnej (reaguj¹ g³ównie minera³y wêglanowe). Prêdkoœæ reakcji tych minera³ów jest du¿a w porównaniu do reakcji z krzemianami. W pobli¿u otworu zat³aczaj¹cego minera³y wêglanowe rozpuszczaj¹ siê pod wp³ywem CO2w zale¿noœci od
porowatoœci, przepuszczalnoœci i ch³onnoœci zbiornika. W dalszej odleg³oœci, w strefie ni¿szego ciœnienia lub wy¿szej temperatury, minera³y te mog¹ siê wytr¹caæ z wody nasy-conej dwutlenkiem wêgla. Kinetyka rozpuszczania i wytr¹cania wêglanów jest szybsza w porównaniu do minera³ów glinowo-krzemianowych. Reakcje chemiczne jakie zachodz¹ w matrycy skalnej zbiornika zale¿¹ od sk³adu mineralogicznego, tekstury ska³, temperatury i ciœnienia, prêdkoœci przep³ywu i czasu reakcji; ich ogólne trendy s¹ mo¿liwe do prze-widzenia (Czernichowski-Lauriol i in. 1996).
Badania zat³aczania CO2do piaskowców wskazuj¹, ¿e zachodz¹ tu dwa rodzaje reakcji.
Pierwsza grupa obejmuje reakcje z lepiszczem wêglanowym, anhydrytowym i innym. Mog¹ one doprowadziæ do zmiany przepuszczalnoœci w strefie przyotworowej w wyniku rozpuszczenia lepiszcza; reakcje tej grupy s¹ podobne do reakcji zachodz¹cych w ska³ach wêglanowych. Druga grupa to reakcje minera³ów krzemianowych. Ich rezultatem mo¿e byæ rozpuszczanie skaleni oraz wytr¹canie minera³ów ilastych, zeolitów i wêglanów (Olsen, Stentoft 2003).
Podczas eksperymentów zat³aczania CO2do piaskowców stwierdzono w mniejszym lub
wiêkszym stopniu rozpuszczanie siê skaleni. Obserwowano równie¿ korozjê K-skaleni i wytr¹canie siê kryszta³ów kaolinitu. Wymienione reakcje K-skaleni tworz¹cych kaolinit lub illit bêd¹ dotyczyæ tylko niektórych piaskowców w strefie przyotworowej podczas zat³aczania CO2 oraz w z³o¿u podczas sekwestracji tego gazu (Olsen, Stentoft 2003).
W formacjach piaskowcowych zaobserwowano równie¿ proces przekszta³cania krzemionki w minera³y wêglanowe (karbonatyzacjê). Jest to proces chemiczny, w którym minera³y zawieraj¹ce Ca, Mg, Na, K s¹ przekszta³cane w stabilne wêglany i wodorowêglany tych metali przez CO2 rozpuszczone w wodzie (Olsen, Stentoft 2003).
Jednym z istotnych zagadnieñ jest rozpoznanie problemów zwi¹zanych z mineralnym wi¹zaniem CO2poprzez wytr¹canie minera³ów wêglanowych. Stwierdzono, ¿e warunkiem
wytr¹cania wêglanów jest dostêpnoœæ kationów metali w wodzie, pochodz¹cych z nie-wêglanowych minera³ów, które mog¹ ³¹czyæ siê z rozpuszczonym dwutlenkiem wêgla. Analizowano prêdkoœci rozpuszczania minera³ów dostarczaj¹cych tych kationów (Carroll, Knauss 2005; Oelkers i in. 1994; Golubev i in. 2005). Pozwoli³o to stwierdziæ, ¿e nie ma jednoznacznego wp³ywu CO2 na prêdkoœæ rozpuszczania tych minera³ów, oraz ¿e pH na
kontakcie z powierzchni¹ tych minera³ów jest g³ównym czynnikiem kontroluj¹cym wahania prêdkoœci rozpuszczania. Pokrovsky i in. (2005) pomierzyli prêdkoœci rozpuszczania kal-cytu, dolomitu i magnezytu w funkcji ciœnienia CO2i koncentracji NaCl w œrednio kwaœnych
roztworach. Zaobserwowano, ¿e w przypadku ka¿dego z tych minera³ów prêdkoœæ rozpusz-czania wzrasta wraz ze wzrostem ciœnienia CO2w zakresie od 1 do 10 atm., pozostaje
na-tomiast sta³a przy dalszym zwiêkszaniu ciœnienia CO2do 60 atm. W przypadku dolomitu
i magnezytu prêdkoœci mog¹ byæ dok³adnie prognozowane przy wykorzystaniu modelowania. Rozpuszczalnoœæ CO2 w solance by³a przedmiotem rozwa¿añ Portier’a i Rochelle’a
(2005). Autorzy ci podsumowali istniej¹ce wyniki badañ dotycz¹ce rozpuszczalnoœci CO2
w wodzie i solance, przedstawili nowe dane eksperymentalne o rozpuszczalnoœci w p³ynach, w typowych miejscach podziemnego sk³adowania CO2. Podali równanie pozwalaj¹ce
prog-nozowaæ rozpuszczalnoœæ jako funkcjê temperatury, ciœnienia i sk³adu solanki, a tak¿e przyk³ady jak rozpuszczalnoœæ mo¿e byæ wykorzystana do oszacowania pojemnoœci sk³a-dowania w poziomach wodonoœnych. Soong i in. (2004) przeprowadzili badania mineral-nego wi¹zania CO2w solance i stwierdzili, ¿e ciœnienie i temperatura CO2maj¹ mniejszy
wp³yw na proces tworzenia siê wêglanów ni¿ pH roztworu.
Przebadano równie¿ oddzia³ywanie mieszaniny superkrytycznego CO2i solanki w wa-runkach z³o¿owych na ska³y zbiornikowe i ska³y nadk³adu. Badania pozwoli³y na okreœlenie reakcji zachodz¹cych w ska³ach oraz zmian geochemicznych, które mog¹ byæ wykorzysty-wane jako wskaŸniki wycieku CO2poza ska³ê zbiornikow¹. W badaniach tych odtworzono w warunkach geologicznej sekwestracji reakcje mieszaniny kwarcu, skalenia, biotytu i ³upków z wzbogacon¹ w CO2 solank¹ (NaCl), w temperaturze 200°C. Stwierdzono
wa¿noœæ procesu wytr¹cania magnezytu i syderytu w procesie mineralnego wi¹zania. Ekspe-rymenty z reakcj¹ superkrytycznego CO2w obecnoœci i przy braku wapieni i arkoz bogatych
w plagioklazy, w obecnoœci naturalnej i syntetycznej solanki pokaza³y, ¿e reakcja solanki nasyconej CO2z wapieniami powoduje zmiany mineralogiczne i porowatoœci ska³y,
uza-le¿niona jest od sk³adu solanki, szczególnie od wystêpowania rozpuszczonego wapnia i siarki. Kierunki i wielkoœæ zmian porowatoœci s¹ funkcj¹ geochemicznych reakcji, w³¹cza-j¹c w to dolomityzacjê kalcytu i wytr¹canie anhydrytu. Rozpuszczanie kalcytu i dolomi-tyzacja zwiêksza porowatoœæ, natomiast wytr¹canie anhydrytu j¹ obni¿a (Kaszuba i in. 2005).
Prowadzone s¹ równie¿ badania modelowania geochemicznego maj¹cego na celu prog-nozowanie zachowania i efektów zat³aczania CO2 w zró¿nicowanych uwarunkowaniach
geologicznych. Xu i in. (2005) rozwa¿yli efekty zat³aczania dwutlenku wêgla do pias-kowców uszczelnionych ³upkami. Ca³kowita iloœæ CO2unieruchomiona w minera³ach
ska³ o reprezentatywnym sk³adzie, 90 kg CO2/m3 mo¿e byæ unieruchomione w okresie
100 000 lat. Podkreœla siê, ¿e wi¹zanie CO2jest konsekwencj¹ istnienia ³upków, które s¹
Ÿród³em kationów tworz¹cych wêglany unieruchamiaj¹ce dwutlenek wêgla. Oddzia³ywanie kwaœnych p³ynów bogatych w CO2z ³upkami z jednej strony mo¿e dostarczaæ kationów
metali do wi¹zania CO2w minera³ach wêglanowych, z drugiej zaœ ³ugowanie tych metali
z ³upków mo¿e zwiêkszyæ ich przepuszczalnoœæ, doprowadzaj¹c do ucieczki CO2 z
pod-ziemnego sk³adowiska (Moore i in. 2005). Podobne wyniki otrzymali Gauss i in. (2005), którzy przeprowadzili modelowanie aktywnego transportu oddzia³ywania pomiêdzy roz-tworami bogatymi w CO2i ska³ami nadk³adu w z³o¿u Sleipner. Stwierdzili oni, ¿e
poro-watoœæ i przepuszczalnoœæ ska³ nadk³adu mo¿e siê zmniejszaæ lub zwiêkszaæ w zale¿noœci od sk³adu mineralnego ska³ poddanych oddzia³ywaniu dwutlenku wêgla.
W ramach projektu CO2SINK realizowanego przez GFZ (Niemcy) w ramach 6 PR UE przeprowadzono wstêpne prace badawcze maj¹ce na celu okreœlenie oddzia³ywania solanki wzbogaconej w superkrytyczny dwutlenek wêgla na ska³y zbiornikowe. Próbki skalne by³y analizowane przed i po poddaniu oddzia³ywania dwutlenku wêgla. Eksperymenty prze-prowadzono przy wykorzystaniu specjalnej aparatury, w warunkach temperatury i ciœnienia jakie s¹ spodziewane w miejscu sk³adowania (w konkretnym przypadku: ciœnienie – 15 MPa, temperatura – 60°C). Stwierdzono, ¿e przemianie uleg³y minera³y z grupy biotytu, pla-gioklazów, skaleni alkalicznych oraz wêglany. Analiza p³ynów wype³niaj¹cych pory próbek wykaza³a mobilizacjê Ca, Fe, Mg, Mn, K, Si, Zn, jak równie¿ pierwiastków œladowych. Przy u¿yciu badañ SEM stwierdzono znaczne zmiany K-skaleni w strukturze porowej.
Przegl¹d literatury dotycz¹cej oddzia³ywania CO2 na ska³y zbiornikowe, w szczegól-noœci w warunkach z³o¿owych, wskazuje na z³o¿onoœæ tej problematyki.
3. Metodyka badañ
Dla oceny wp³ywu zat³aczania CO2na ska³y zbiornikowe proponuje siê wykonanie badañ na próbkach ska³ pochodz¹cych z wybranych mezozoicznych poziomów zbiornikowych Ni¿u Polskiego, przy wykorzystaniu prototypowego urz¹dzenia pozwalaj¹cego na przeprowadzenie doœwiadczeñ w warunkach odpowiadaj¹cych rzeczywistym warunkom z³o¿owym (ciœnienia i temperatury, w obecnoœci solanki). Te go typu badania pozwol¹ wskazaæ istotne cechy ska³ zbiornikowych oraz problemy zwi¹zane z oddzia³ywaniem CO2 na te ska³y, umo¿liwi¹
okreœlenie przydatnoœci badanych ska³ do geologicznego unieszkodliwiania CO2.
Proponowane badania dotycz¹ce okreœlenia oddzia³ywania CO2na ska³y zbiornikowe
nie by³y dotychczas w Polsce realizowane. Stanowi¹ one kontynuacjê wczeœniejszych prac w zakresie podziemnego sk³adowania CO2 prowadzonych w IGSMiE PAN (Tarkowski
2005; Tarkowski i Uliasz-Misiak 2005a). Na œwiecie prowadzone by³y ju¿ podobne badania, a tematykê tê w Europie zapocz¹tkowano w ramach projektu GESTCO (5 PR UE). W ka¿-dym przypadku badania dotycz¹ specyficznych uwarunkowañ geologiczno-z³o¿owych; st¹d celowoœæ ich przeprowadzenia równie¿ dla obszaru Polski.
Proponowane badania wymagaj¹ po³¹czenia wiedzy teoretycznej z przeprowadzonymi badaniami laboratoryjnymi. Wymagaj¹ one wspó³pracy interdyscyplinarnego zespo³u sk³a-daj¹cego siê z geologów, mineralogów, geochemików i chemików, którzy posiadaj¹ wiedzê i doœwiadczenie wynikaj¹ce ze znajomoœci problematyki podziemnego zat³aczania CO2,
mineralnej karbonatyzacji CO2, geologii regionalnej i z³o¿owej, mineralogii, geochemii
i petrografii.
W Instytucie Gospodarki Surowcami Mineralnym i Energi¹ PAN rozpoczêto doœwiad-czalne badania oddzia³ywania CO2na ska³y zbiornikowe w warunkach z³o¿owych (ciœnienia
i temperatury, w obecnoœci solanki) na próbkach ska³ pochodz¹cych z wybranych mezozo-icznych poziomów zbiornikowych Ni¿u Polskiego. Przewiduje siê przeprowadzenie kom-pleksowych badañ mineralogiczno-petrograficznych, petrofizycznych, geochemicznych próbek ska³ przed i po ich nasyceniu dwutlenkiem wêgla.
W pierwszym etapie prac zaplanowane s¹ szczegó³owe badania mineralogiczne, petro-graficzne i geochemiczne maj¹ce na celu opisanie charakterystyki badanych ska³. Oz-naczony zostanie sk³ad mineralny, przeprowadzona zostanie analiza minera³ów w spoiwie, badania petrograficzne, analiza zawartoœci wêglanów, minera³ów ilastych, analiza pier-wiastków g³ównych i œladowych, badania petrofizyczne w celu szczegó³owej charakte-rystyki parametrów zbiornikowych badanych ska³ i inne.
Drugi etap bêdzie dotyczy³ prac doœwiadczalnych zwi¹zanych z nasycaniem próbek ska³ solank¹ i dwutlenkiem wêgla. Badania zostan¹ wykonane przy wykorzystaniu solanek sporz¹dzonych w oparciu o sk³ad solanek wystêpuj¹cych w rozwa¿anych poziomach wodo-noœnych z których pochodz¹ próbki skalne. Prace doœwiadczalne zwi¹zane z nasycaniem rdzeni ska³ solank¹ i dwutlenkiem wêgla prowadzone bêd¹ w zbudowanej na potrzeby realizacji badañ eksperymentalnej aparaturze, która daje mo¿liwoœæ stworzenia warunków z³o¿owych.
W ostatnim etapie prac, po zakoñczeniu prac doœwiadczalnych, zostanie przeprowadzona analiza p³ynów oraz badanie rdzeni. Wykonane zostan¹ szczegó³owe badania mineralo-giczne, petrograficzne i geochemiczne maj¹ce na celu dokonanie szczegó³owej charakte-rystyki ska³ zbiornikowych po nasycaniu solank¹ i dwutlenkiem wêgla. Porównanie wy-ników badañ ska³ przed i po nasycaniu dwutlenkiem wêgla powinno pozwoliæ na okreœlenie zmian jakie zasz³y w sk³adzie próbek ska³ oraz w solance.
Dla wszystkich eksperymentów laboratoryjnych przeprowadzona zostanie ich kompu-terowa symulacja i modelowanie równowag reakcji minera³ – roztwór, przy wykorzystaniu programu PHREEQC (Parkuhrst 1995). Program pozwala z du¿¹ dok³adnoœci¹ odtwarzaæ rzeczywiste procesy zachodz¹ce w œrodowisku. Wyniki modelowania bêd¹ weryfikowane rezultatami badañ laboratoryjnych. Danymi wejœciowymi sporz¹dzanych modeli bêd¹ stwierdzone w analizach petrograficznych i w eksperymentach fazy mineralne. W modelach odtworzony zostanie rzeczywisty sk³ad roztworów u¿ytych w badaniach laboratoryjnych.
Praca naukowa finansowana ze œrodków na naukê w latach 2007–2009 jako projekt badawczy Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wy¿szego nr N 521 020 31/3715
LITERATURA
C a r r o l l S.A., K n a u s s K.G., 2005 – Dependence of labradorite dissolution kinetics on CO2(aq), Al (aq), and
temperature. Chemical Geolology 217, 213–225.
C z e r n i c h o w s k i -L a u r i o l I., S n a j u a n B., R o c h e l l e C., B a t e m a n K., P e a r c e J., B l a c k w e l l P., 1996 – Analysis of the geochemical aspects of the underground disposal of CO2, In: Tsang C., Apps J.A. (red.):
Deep Injection Disposal of Hazardous and IndustrialWaste. Academic Press, s. 565–583.
F u j i M., Y a m a s a k i A., K a k i z a w a M., Y a n a g i s a w a Y., 2001 – Reduction of CO2emission by treatment
of waste concrete via an artifical process. Division Fuel Chemistry 46, 1, s. 75–77.
G a u s s I., A z a r o u a l M., C z e r n i c h o w s k i -L a u r i o l I., 2005 – Reactive transport modelling of the impact of CO2injection on the clayey cap rock at Sleipner (North Sea). Chemical Geolology 217, 319–337.
G o l u b e v S.V., P o k r o v s k y O.S., S c h o t t J., 2005 – Experimental determination of the effects of dissolved CO2 on the dissolution kinetics of Mg and Ca silicates at 25 8C. Chemical Geolology 217, 227–238. H o l l o w a y S., 2002 – Underground sequestration of carbon dioxide – a viable greenhouse gas migration option.
In: Proceedings of the 5thInt. Symp. On CO
2Fixation and the Efficient Utilization of Energy (C&E 2002).
March 4–6, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan: s. 373–380.
H u i j g e n W.J.J., C o m a n s R.N.J., 2003 – Carbon dioxide sequestration by mineral carbonation. ECN-Pub-lications. www.ecn.nl.
K a s z u b a J.P., J a n e c k y D.R., S n o w M.G., 2005 – Experimental evaluation of mixed fluid reactions between supercritical carbon dioxide and NaCl brine: relevance to the integrity of a geologic carbon repository. Chemical Geolology 217, 277–293.
M a z u r k i e w i c z M., P i o t r o w s k i Z., P o m y k a ³ a R., 2004 – Zawiesina popio³owo-wodna jako œrodek transportu CO2do zrobów kopalni podziemnych. Szko³a Gospodarki Odpadami, Kraków.
M o o r e J., A d a m s M., A l l i s R., L u t z S., R a u z i S., 2005 – Mineralogical and geochemical consequences of the long-term presence of CO2in natural reservoirs: an example from the Springerville–St. Johns Field,
Arizona, and New Mexico, U.S.A. Chemical Geolology 217, 365–385.
N o d z e ñ s k i A., H o ³ d a S., 2003 – Oddzia³ywanie fizykochemiczne dwutlenku wêgla ze œrodowiskiem centrów magazynowania. Polityka Energetyczna t. 6 (zeszyt specjalny), s. 357–366.
O e l k e r s E.H., S c h o t t J., D e v i d a l J.-L., 1994 – The effect of aluminum, pH, and chemical affinity on the rates of aluminosilicate dissolution reactions. Geochim. Cosmochim. Acta 58, 2011–2024.
O l s e n D., S t e n t o f t N., 2003 – Chemical and Physical Interaction of CO2 and Carbonate Rock. Geological Survey of Denmark and Greenland Ministry of Environment, Raport 2003/41. Archiwum BRGM.
P a r k u h r s t D.L., 1995 – User’s guide to PHREEQC_A computer program for speciation, reaction-path, advective-transport, and inverse geochemical calculations, U.S. Geological Survey Water-Resources Investigations Report 95–4227.
P o k r o v s k y O.S., G o l u b e v S.V., S c h o t t J., 2005 – Dissolution kinetics of calcite, dolomite and magnesite at 25°C and 0 to 50 atm pCO2. Chemical Geolology 217, 239–255.
P o r t i e r S., R o c h e l l e C., 2005 – Modeling CO2 solubility in pure water and NaCl-type waters from 0 to 300°C and from 1 to 300 bar. Application to the Utsira Formation at Sleipner. Chemical Geolology 217, 187–199.
Putting carbon back into the ground., 2001 – Raport specjalny programu GHG IEA. J. Davison, P. Freund and A. Smith (red), http://www.ieagreen.org.uk/.
S o o n g Y., G o o d m a n A.L., M c C a r t h y -J o n e s J.R., B a l t r u s J.P., 2004 – Experimental and simulation studies on mineral trapping of CO2with brine. Energy Conversion and Management 45, 1845–1859. T a r k o w s k i R., 2005 – Geologiczna sekwestracja CO2. Studia, Rozprawy, Monografie, 132, Wyd. IGSMiE
PAN, Kraków, pp. 106.
T a r k o w s k i R., U l i a s z -M i s i a k B., 2005b – Uwarunkowania i kryteria podziemnego sk³adowania CO2. W:
Tarkowski R. (red.): Podziemne sk³adowanie CO2w Polsce w g³êbokich strukturach geologicznych (ropo-,
gazo- i wodonoœnych). Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, 37–53.
U l i a s z -B o c h e ñ c z y k A., M a z u r k i e w i c z M., M o k r z y c k i E., P i o t r o w s k i Z., 2004 – Utylizacja ditlenku wêgla poprzez mineraln¹ karbonatyzacjê. Polityka Energetyczna 7, zesz. spec., 541–554.
Vision for the 21st Century. Zero Emissions Technologies for Fossil Fuels. Technology Status Report, Final Draft. IEAOECD, 2002.
Wystêpowanie, dokumentowanie i eksploatacja endogenicznego dwutlenku wêgla w Polsce. Poradnik meto-dyczny, pod red. W. Ciê¿kowskiego. Wydawnictwa WTN Wroc³aw. 2002.
X u T., A p p s J.A., P r u s s K., 2005 – Mineral sequestration of carbon dioxide in a sandstone-shale system. Chemical Geolology, 217, 295–31.
RADOS£AW TARKOWSKI, BARBARA ULIASZ-MISIAK
RESERVOIR ROCK REACTION TO CO2– AN EXPERIMENT TO ESTIMATE THEIR USE FOR CARBON DIOXIDE
GEOLOGICAL SEQUESTRATION NEEDS
K e y w o r d s
CO2geological sequestration, reservoir geology, reservoir rocks, mineralogy, geochemistry
A b s t r a c t
There have been presented results of research on reservoir rock reaction to CO2, obtained so far, due to
estimate their use for carbon dioxide geological sequestration needs. Execution of laboratory test on CO2influence
on rock samples from chosen Mesozoic aquifers, in deposit conditions (pressure, temperature, presence of brine) have been suggested.
The research results should allow to define substantial rock features and to display problems combined with mutual influence and reaction between CO2, rock and brine, when injecting carbon dioxide into a reservoir. Results
of laboratory experiments used as a part of input data in digital simulation and modeling of mineral-solution reaction equilibria, employing the PHREEQC software, should allow to render precisely real processes occurring in geological structure when injecting carbon dioxide.
