Numerical studies on CO2-brine mixing in the hele-shaw analogue model for geological CO2 sequestration

Abstract

El cambio climático es uno de los problemas más urgentes de nuestra era, afectando climas y ecosistemas a nivel global. Entre las estrategias más prometedoras para reducir sus efectos, la captura y almacenamiento de dióxido de carbono (CO2) en formaciones geológicas profundas destaca por su capacidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Este estudio se centra en la dinámica de fluidos en medios permeables derivada de la inyección de CO2 supercrítico en acuíferos salinos profundos. El CO2 supercrítico, al ser más liviano que la salmuera, asciende hasta alcanzar capas impermeables, donde se disuelve en la salmuera, generando un fluido más denso que provoca un flujo descendente impulsado por un gradiente de densidad. Sin embargo, entender esta dinámica es complejo debido a las diversas escalas involucradas, lo cual plantea desafíos tanto en la modelación como en la interpretación experimental.

Este trabajo propone que las inconsistencias en las leyes de escalamiento del transporte de masa pueden explicarse mediante mecanismos adicionales y que la incorporación de la tensión interfacial en modelos Hele-Shaw afecta cuantitativamente la dinámica de dicho transporte. Los resultados obtenidos muestran que los flujos impulsados por flotabilidad en geometrías Hele-Shaw obedecen una ley de escalamiento universal, mientras que la tensión interfacial, modelada con el tensor de Korteweg, retrasa la inestabilidad convectiva. Además, esta tensión interfacial modifica la coalescencia de los plumas advectivas, promoviendo un transporte más estable del CO2 hacia el fondo del dominio. Estos hallazgos ofrecen una comprensión más profunda sobre la captura de CO2 en acuíferos salinos y sientan una base teórica robusta para futuras investigaciones en el área de mitigación del cambio climático mediante almacenamiento geológico de CO2.

Climate change is one of the most urgent issues of our time, affecting climates and ecosystems globally. Among the most promising strategies to mitigate its effects, carbon dioxide (CO2) capture and storage in deep geological formations stands out due to its potential to reduce greenhouse gas emissions. This study focuses on the fluid dynamics in permeable media resulting from the injection of supercritical CO2 into deep saline aquifers. Being lighter than brine, supercritical CO2 rises until it reaches impermeable layers, where it dissolves into the brine, forming a denser fluid that initiates a downward flow driven by a density gradient. However, understanding this dynamic is complex due to the various scales involved, posing challenges in both modeling and experimental interpretation. This work proposes that inconsistencies in the scaling laws of mass transport may be explained by additional mechanisms and that incorporating interfacial tension in Hele-Shaw models quantitatively affects transport dynamics. The results show that buoyancy-driven flows in Hele-Shaw geometries follow a universal scaling law, while interfacial tension, modeled with the Korteweg tensor, delays convective instability. Additionally, this interfacial tension alters the coalescence of advective fingers, promoting a more stable downward transport of CO2. These findings provide a deeper understanding of CO2 sequestration in saline aquifers and establish a robust theoretical foundation for future research on climate change mitigation through geological CO2 storage.