Transport and reaction in fractured porous media

This thesis deals, from a modelling and numerical point of view, with the problem of flow and transport in fractured porous media with a special focus on the coupling with chemical reactions. In particular we model the chemical interaction of CO2 with the Wollastonite mineral (CaSiO3 ) in the subsurface. This process is part of the wider problem of CO2 capture and storage in the underground, which has received increasing attention in recent years as a technique to mitigate climate change. A realistic modeling requires the coupling of kinetic mineral reactions and equilibrium ones, with suitable numerical techniques. The model, initially tested in homogeneous media, has been extended to fractured media, by means of a geometric reduction that involves both the modelling and numerical parts. The test cases presented in this work are based on realistic data to simulate laboratory conditions, i.e. flow in a rock sample. This work dedicates particular attention also to the porosity changes induced by the chemical reactions considered, that couple the transport-reaction equation with the flow ones. The implementation of the model is based on the PorePy library which provides the basic tools for the simulation of flow in porous media: we have implemented original ad hoc classes and functions for the modeling of chemical reactions.

Questa tesi tratta, da un punto di vista modellistico e numerico, il problema del flusso e del trasporto in mezzi porosi fratturati, con particolare attenzione all’accoppiamento con reazioni chimiche. In particolare, si modella l’interazione chimica di CO2 con il minerale Wollastonite (CaSiO3 ) in una matrice porosa. Questo processo fa parte del più ampio problema della cattura e dello stoccaggio della CO2 nel sottosuolo, che ha ricevuto una crescente attenzione negli ultimi anni come tecnica per mitigare il cambiamento climatico. Una modellazione realistica richiede l’accoppiamento di reazioni minerali cinetiche con quelle di equilibrio, utilizzando tecniche numeriche adeguate. Il modello, inizialmente testato in mezzi omogenei, è stato esteso a mezzi fratturati, per mezzo di una riduzione geometrica che coinvolge sia la parte modellistica che quella numerica. I casi test presentati in questo lavoro sono basati su dati realistici per simulare le condizioni di laboratorio, cioè il flusso in un campione di roccia. Questo lavoro dedica particolare attenzione anche ai cambiamenti di porosità indotti dalle reazioni chimiche considerate, che accoppiano l’equazione di trasporto-reazione con quelle di flusso. L’implementazione del modello si basa sulla libreria PorePy che fornisce gli strumenti di base per la simulazione del flusso in mezzi porosi: si sono implementate classi e funzioni originali ad hoc per la modellazione delle reazioni chimiche.