Role of poroelasticity in simulations of in-situ CO2 mineralization in olivine formations

Present work focuses on permanent carbon sequestration techniques. We try to numerically simulate a scenario of in-situ CO2 mineralization within geological olivine formations. To this end, simulations are required to capture how reaction-induced fracturing enables continuous fluid migration and mineral formation. Then, we tried to identify a range of environmental conditions where the CO2 mineralization reaction can be effective. We characterized a poroelastic model to simulate CO2 mineralization. These simulation models can quantify reaction-driven cracking and assess the potential for transforming CO2 into stable carbonate minerals. Numerical simulation models were developed using the finite element TerraFERMA toolkit. The simulation toolkit can account for fluid-rock interactions during the CO2 carbonation process by integrating (i) fluid flow dynamics, (ii) rock deformation, and (iii) chemical reactions. The research involved modeling of CO2 carbonation under different environmental (i.e., pressure, temperature, and pH) conditions. This study sought to identify the optimal environmental conditions for CO2 carbonation that would yield a moderate reduction in porosity in both rock and fracture for effective mineral trapping of CO2 yet maintain the ongoing reaction process. The analysis of various environmental scenarios of the CO2 carbonation process has led us to recommend conditions that prevent immediate clogging of the porous medium due to rapid mineralization reactions, while selecting scenarios where reaction-driven cracking continues excessively. Our simulation results confirm that for high pH values we need to inject CO2 into rock formations at high depths. This research emphasizes the importance of reaction-driven cracking in enhancing CO2 mineralization by incorporating depth-specific environmental factors such as temperature, pressure, and pH. The findings contribute to the development of scalable and efficient carbon storage methods applicable to various geological contexts. The current simulation results lay the groundwork for expanding analyses to field-scale simulations.

Il lavoro attuale si concentra sulle tecniche di sequestro permanente del carbonio. Tentiamo di simulare numericamente uno scenario di mineralizzazione in-situ di CO₂ all'interno di formazioni geologiche di olivina. A tal fine, sono necessarie simulazioni per comprendere come la fratturazione indotta dalla reazione consenta una continua migrazione dei fluidi e la formazione di minerali. Successivamente, abbiamo cercato di identificare una gamma di condizioni ambientali in cui la reazione di mineralizzazione di CO₂ possa essere efficace. Abbiamo caratterizzato un modello poroelastico per simulare la mineralizzazione di CO₂. Questi modelli di simulazione possono quantificare la fratturazione indotta dalla reazione e valutare il potenziale di trasformazione della CO₂ in minerali carbonatici stabili. I modelli numerici di simulazione sono stati sviluppati utilizzando il toolkit a elementi finiti TerraFERMA. Il toolkit di simulazione può tenere conto delle interazioni fluido-roccia durante il processo di carbonatazione di CO₂, integrando (i) la dinamica del flusso di fluidi, (ii) la deformazione della roccia e (iii) le reazioni chimiche. La ricerca ha coinvolto la modellazione della carbonatazione di CO₂ in diverse condizioni ambientali (ad esempio, pressione, temperatura e pH). Questo studio ha cercato di identificare le condizioni ambientali ottimali per la carbonatazione della CO₂ che comporterebbero una riduzione moderata della porosità sia nella roccia che nella frattura per un'efficace intrappolamento minerale della CO₂, mantenendo al contempo il processo di reazione in corso. L'analisi di vari scenari ambientali del processo di carbonatazione di CO₂ ci ha portato a raccomandare condizioni che evitano un immediato intasamento del mezzo poroso a causa delle reazioni di mineralizzazione rapida, selezionando al contempo scenari in cui la fratturazione indotta dalla reazione continui in modo eccessivo. I risultati delle nostre simulazioni confermano che per valori elevati di pH è necessario iniettare CO₂ in formazioni rocciose a grandi profondità. Questa ricerca sottolinea l'importanza della fratturazione indotta dalla reazione nel migliorare la mineralizzazione di CO₂, incorporando fattori ambientali specifici della profondità come temperatura, pressione e pH. I risultati contribuiscono allo sviluppo di metodi di stoccaggio del carbonio scalabili ed efficienti applicabili a vari contesti geologici. I risultati delle simulazioni attuali pongono le basi per espandere le analisi a simulazioni su scala di campo.