Numerical simulation of CO₂ leakage in a shallow subsurface layer from a CO₂ geological storage site

Abstract

In an effort to detect and quantify potential CO₂ leakage from geologic storage sites, this work investigates the migration process of CO₂ leaked in a shallow subsurface associated with the CO₂ sequestration project at Shaanxi, China. A shallow subsurface model with aquifer and soil layers was established, and the sensitivities of leakage rate and geological conditions were analysed. The results show that the distribution morphology of the CO₂ plume is generally mushroom-shaped when the leaked CO₂ enters the formation as a point source. Maximum leakage occurs at the soil surface due to the comprehensive effects of pressure, concentration, and density differences between CO₂ and soil gas. The mass fraction of CO₂ in gas is approximately 0.38–0.48 near the surface leak point, and leaked CO₂ moves laterally along the bottom of the soil vadose zone. The leakage rate of CO₂ significantly affects the pressure build-up as observed for an increase in the CO₂ leakage rate from 0.0002 to 0.02 kg/s. In addition to the loess beam area, the migration process of CO₂ leakage in the valley terrace area was also studied. The results show that the CO₂ concentration in the leakage centre area of the valley terrace is not much different from that in the loess beam. Moreover, the surface leakage range in the valley terrace is much smaller than that in the loess beam, which is because of the differences in the formation composition and thickness. Heterogeneity has limited effect on leakage.

Résumé

Dans le but de détecter et de quantifier les fuites potentielles de CO₂ provenant de sites de stockage géologique, ces travaux étudient le processus de migration du CO₂ issu de fuite dans une couche de sub-surface peu profond associée au projet de séquestration du CO2 à Shaanxi, en Chine. Un modèle du sous-sol peu profond avec des couches d’aquifère et de sol a été établi, et les sensibilités du taux de fuite et des conditions géologiques ont été analysées. Les résultats montrent que la morphologie de distribution du panache de CO₂ est généralement en forme de champignon lorsque la fuite de CO₂ pénètre la formation en un point source unique. Des fuites maximales se produisent à la surface du sol en raison des effets compressifs de la pression, de la concentration, et des différences de densité entre le CO₂ et les gaz du sol. La fraction de masse du CO₂ dans le gaz est d’environ 0.38–0.48 près du point de fuite de surface, et la fuite de CO₂ se déplace latéralement le long de la base de la zone vadose du sol. Le taux de fuites de CO₂ affecte considérablement l’accumulation de pression telle qu’observée pour une augmentation du taux de fuites de CO₂ de 0.0002 à 0.02 kg/s. En plus de la zone de loess en forme de faisceau, le processus de migration des fuites de CO₂ dans la zone de terrasses alluviales a également été étudié. Les résultats montrent que la concentration de CO₂ dans la région centrale des fuites de la terrasse alluviale n’est pas très différente de celle de la zone de loess en forme de faisceau. En outre, la gamme de fuites de surface dans la terrasse alluviale est beaucoup plus petite que celle dans le secteur en loess en forme de faisceau, ce qui s’explique de part des différences de composition et d’épaisseur de la formation. L’hétérogénéité a un effet limité sur les fuites.

Resumen

En un esfuerzo por detectar y cuantificar las potenciales filtraciones de CO₂ en sitios de almacenamiento geológico, este trabajo investiga el proceso de migración del CO₂ filtrado en una sub-superficie poco profunda asociada con el proyecto de secuestro de CO₂ en Shaanxi, China. Se estableció un modelo de subsuperficie poco profunda con niveles de acuífero y suelo, y se analizaron las sensibilidades de la tasa de filtración y las condiciones geológicas. Los resultados muestran que la morfología de la distribución de la pluma de CO₂ tiene generalmente forma de hongo cuando el CO₂ filtrado entra en la formación como fuente puntual. La máxima filtración se produce en la superficie del suelo debido a los efectos integrales de las diferencias de presión, concentración y densidad entre el CO₂ y el aire en el suelo. La fracción de masa de CO₂ en el aire es aproximadamente 0.38–0.48 cerca del punto de filtración en la superficie, y el CO₂ filtrado se mueve lateralmente a lo largo del fondo de la zona vadosa del suelo. La tasa de filtración de CO₂ afecta significativamente la acumulación de presión, como se observa en el aumento de la tasa de filtración de CO₂ de 0.0002 a 0.02 kg/s. Además de la zona del manto de loess, también se estudió el proceso de migración de la filtración de CO2 en la zona de la terraza del valle. Los resultados muestran que la concentración de CO₂ en el área del centro de la filtración de la terraza del valle no es muy diferente de la del manto de loess. Además, el rango de filtración sobre la superficie en la terraza del valle es muy inferior al del manto de loess, lo que se debe a las diferencias en la composición y los espesores de la formación. La heterogeneidad tiene un efecto limitado sobre las filtraciones.

摘要

为了探知和量化地质封存场地潜在的CO₂泄漏问题, 本工作调查了与中国陕西省CO₂封存项目相关的浅层地下CO₂泄漏的迁移过程。建立了具有含水层和土壤层的浅层地下水模型, 并分析了泄漏率和地质条件的敏感性。结果表明, 当泄漏的CO₂以点源进入地层时, CO₂羽的分布形态通常为蘑菇形。由于CO₂和土壤气体之间的压力, 浓度和密度差异的综合影响, 最大泄漏率发生在土壤表面。气相CO₂的质量分数在表面泄漏点附近约为0.38–0.48, 泄漏的CO₂沿土壤包气带底部横向移动。如观测到的CO₂泄漏率从0.0002增加到0.02 kg/s, CO₂泄漏率会显著影响压力的积聚。除黄土梁地外, 还研究了山谷阶地CO₂泄漏的迁移过程。结果表明, 山谷阶地泄漏中心区的CO₂浓度与黄土梁区的CO₂浓度差异不大。此外, 由于地层成分和厚度的差异, 山谷阶地的表面泄漏范围比黄土梁区的小得多。非均质性对泄漏的影响有限。

Resumo

Em um esforço para detectar e quantificar o potencial vazamento de CO₂ em sítios de armazenamento geológico, este trabalho investiga o processo de migração de CO₂ vazado em subsuperfície rasa associado ao projeto de sequestro de CO₂ em Shaanxi, China. Um modelo de subsuperfície rasa, incluindo aquífero e camadas de solo, foi estabelecido e as sensibilidades na taxa de vazamento e condições geológicas foram analisadas. Os resultados mostram que a morfologia da distribuição da pluma de CO₂ geralmente tem a forma de cogumelo quando o CO₂ vazado entra na formação como uma fonte pontual. O vazamento máximo ocorre na superfície do solo devido aos efeitos abrangentes das diferenças de pressão, concentração e densidade entre o CO₂ e o gás no solo. A fração mássica de CO_{2 ,} em gás, é de aproximadamente 0.38-0.48 perto do ponto de vazamento da superfície, e o CO₂ vazado se move lateralmente ao longo do fundo da zona vadosa do solo. A taxa de vazamento de CO₂ afeta significativamente o aumento da pressão, conforme observado para um aumento na taxa de vazamento de CO₂ de 0.0002 para 0.02 kg/s. Além da área de feixe de loesse, também foi estudado o processo de migração do vazamento de CO₂ na área do terraço do vale. Os resultados mostram que a concentração de CO₂ na área central do vazamento no terraço do vale não é muito diferente da concentração no feixe de loesse. Além disso, a faixa de vazamento de superfície no terraço do vale é muito menor do que a do feixe de loesse, devido às diferenças na composição e espessura da formação. A heterogeneidade tem efeito limitado no vazamento.