Unexpected swelling effects of CO2 on clays: Good or bad news for CO2 storage integrity and leak mitigation options?

Onverwachte zweleffecten in klei door CO2-opname: goed of slecht nieuws voor de integriteit van CO2 -opslag en lekkagebeperking?

Publieke samenvatting / Public summary

Samenvatting
Experimenteel onderzoek, in 2012 – 2013 door verschillende organisaties uitgevoerd o.a. binnen CATO-2 (WP3.3), geeft aan dat smectiet-houdende kleistenen opzwellen wanneer CO2 worden binnendringt onder ondergrondse condities die relevant zijn voor de bovenste 1 tot 3 km van de aardkorst. Dit effect wordt toegekend aan interacties tussen interstitieel water, dat al tussen de platen van het smectiet-kristalrooster aanwezig is, en CO2-moleculen die de kleistructuur binnendringen. Ook werd geconstateerd dat, als de zwelling ruimtelijk wordt beperkt, wanneer CO2 binnendringt in scheurtjes-bevattende, kleirijke afdekgesteenten of in kleihoudende breuken, de veroorzaakte kleizwelling kan leiden tot substantiële mechanische normaalspanningen en eventueel ook schuifspanningen.

Projectdoelstelling
Het opbouwen van kennis over de interacties tussen CO2 en smectiet-achtige kleimineralen, om daarmee de volgende vragen te evalueren:

  1.  Of gebroken smectiet-houdende kleigesteenten zelf-herstellend/afsluitend zijn bij binnendringing van CO2 onder in situ condities
  2. Hoeveel en wat voor mechanische spanning kan worden opgebouwd door kleizwelling;
  3. Of de geïnduceerde schuifspanningen een mogelijk risico vormen voor breuk-reactivatie;
  4. Of injectie van smectiet-slurries helpt om CO2-lekkages langs breuken of boorputten te stoppen of beperken. 

Projecttoelichting
Omdat de interacties van CO2 en smectiet op verschillende manieren een effect kunnen hebben op de integriteit van geologische opslagsystemen voor CO2, zijn er verschillende scenario’s onderzocht. Bij de analyse lag de focus op inschatting van het zelfherstellend- en spanningsopbouwend vermogen van kleizwelling in breuken en opgebroken, kleirijke afdekgesteenten. Voor het onderzoek zijn meerdere methoden gebruikt waaronder:

  • Thermodynamisch modelleren van de door CO2 geïnduceerde kleizwelling;
  • Uitvoering van moleculaire dynamica simulaties van CO2-opname en het zwelmechanisme in de klei;
  • Numeriek modelleren van CO2-diffusie in kleirijke afdekgesteenten;
  • Het gekoppeld modelleren van kleizwelling in de ondergrond (waar geen ruimte is voor vrije expansie) en de mechanische spanningsopbouw die hierdoor ontstaat, als gevolg van een poro-elastische reactie in het afdekgesteente. 


Daarnaast is er uitgebreid experimenteel onderzoek verricht om te bepalen hoeveel zwelling en spanningsopbouw kan worden veroorzaakt door CO2-opname in smectiet-achtige kleien (Na-SWy-1 Montmorilloniet), en op welke tijdschalen deze processen spelen. 

Tenslotte is er gekeken naar de effecten van kleizwelling en spanningsopbouw op de doorlatendheid van opgebroken, kleirijke gesteenten en gesimuleerde, met klei gevulde breuken, in doorstroomexperimenten met zowel droge CO2, als natte CO2 en CO2-gesatureerd water. 

Resultaten 
De experimentele resultaten voor het kleizwelgedrag bevestigen dat smectiet-klei-aggregaten substantieel expanderen (1.5-3%) wanneer ze worden blootgesteld aan superkritische CO2 onder de condities met betrekking tot druk, temperatuur en wateractiviteit (relatieve luchtvochtigheid) die relevant zijn voor de bovenste 1 tot 3 km van de aardkorst. 

De verzamelde resultaten geven aan dat verwacht kan worden dat CO2-geïnduceerde kleizwelling afdichting en zelfherstel van opgebroken, smectiet-houdende afdekgesteenten bevordert, zolang de hydratiecondities gunstig zijn en grootschalige instroom van erg droge CO2 wordt voorkomen. 

Ondanks deze verwachtingen zal een kritische evaluatie van de effecten van CO2-interacties met het afdekgesteente altijd nodig zijn voor betrouwbare prestatie- inschattingen voor geologische CO2-opslagvelden waar smectiet-houdende afdekgesteenten en/of breuken aanwezig zijn. Hierbij moeten de opslagveld-specifieke in situ mechanische spanningen en hydrogeologische condities in acht worden genomen. 

Verder suggereren de resultaten dat water- gesatureerde smectiet-slurries kunnen uitdrogen door blootstelling aan CO2, wat leidt tot krimp en verdere binnendringing van CO2 in een zichzelf versterkend proces. Daarom wordt injectie van smectiet-slurries in breuken of verdachte boorputten, met als doel het verminderen of voorkomen van CO2 lekkage, afgeraden. 

Publicaties 
Hieronder volgt een overzicht van openbare publicaties over het project.

Journal papers 

    Busch, A., P. Bertier, Y. Gensterblum, G. Rother, C.J. Spiers, M. Zhang, and H.J.M. Wentinck, On sorption and swelling of CO2 in clays. Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo- Resources, submitted. 

    Wentinck, H.M. and A. Busch, The swelling of smectites by CO2 in the subsurface and its possible impact on the containment of CO2 below a shale type caprock. Geological Society of London Special Publications, submitted.  Conference proceedings 

    Busch, A., Wentinck, R., Bertier, P. (2015), CO2/clay interactions and the significance for geological storage of carbon dioxide, EGU General Assembly, 2015, Vienna, Austria. 

    Spiering, P., R. Wentinck, A. Busch, J.G.E.M. Fraaije, and T.J. Tambach (2014), Molecular Mechanisms of CO2 in Swelling Clays, Goldschmidt 2014, Sacramento, California, USA. 

    Wentinck, H.M. and A. Busch (2014). The swelling of smectites by high-pressure CO2 and the possible impact on the containment of CO2 below the caprock, Mid European Clay Conference, 2014, Dresden, Germany. 

    Busch, A., R. Wentinck, and P. Bertier (2014), CO2/clay interactions and the significance for geological storage of carbon dioxide, Mid European Clay Conference, 2014, Dresden, Germany. 

    M. Zhang, C.J. Spiers, S.M. de Jong, A. Busch and R. Wentick (2014), Swelling stress development in smectites upon exposure to CO2 under in-situ P-T conditions, Mid European Clay Conference, 2014, Dresden, Germany. 

    Spiering, P., Wentinck, R., Busch, A., Fraaije, H., Tambach, T. (2014). Molecular investigation of CO2 adsorption and swelling strain in Na-exchanged Wyoming montmorillonite. 51st Clay Mineral Society Annual Meeting, May 17-21, Texas A&M University, TX. 

    Spiering, P., Wentinck, H.M., Busch, A., Fraaije, J.G.E.M., and Tambach, T.J. (2014). Molecular Mechanisms of Clay Swelling by CO2 adsorption. 27th European Symposium on Applied Thermodynamics (ESAT 2014): “Experiments meet Theory and Simulation”, 6-9 July, Eindhoven, The Netherlands. 

    M. Zhang, C.J. Spiers, S.M. de Jong, A. Busch and R. Wentick (2013). Swelling stress development of constrained smectites upon exposure to CO2, 50th Clay Mineral Society Annual Meeting, October 6- 10, 2013, Univ. of Illinois, Urbana-Champaign, Illinois, USA.