Laboratory-scale characterizations of the mixing zone for reactive transport in a carbonate system

We have performed laboratory-scale percolation experiments combining hydrodynamic and geochemical reaction processes in a unique setup to study the evolution of permeability induced by dissolution reactions in a natural Carbonate system. First, the key parameters controlling Calcite dissolution due to mixing of two end member solutions representing fresh and sea waters are assessed through typical geochemical modeling. Both solutions are at equilibrium with Calcite and are associated with different values of partial pressure of CO2 and salinity. Mixing of the two selected end members provides a subsaturated solution with low and moderate ionic strength, high pCO2, and high salinity. Modeling results reveal that the maximum subsaturation is expected to occur for mixing ratios of about 15%. The expected dissolved Calcite until equilibrium attains its maximum at a mixing ratio of about 45%. Experimental results indicate that the calcite dissolution rate at a 15% mixing ratio is higher than that observed at 45% mixing ratio. The outlet solution from the sample reactor is always undersaturated with respect to Calcite. Permeability of the tested sample displays a rapid decrease during the beginning of injection. It then shows a stable behavior until the end of percolation when the porosity of the sample increases due to dissolution. To understand permeability and porosity evolution obtained from the mixing experiments we perform dissolution experiments under different dissolution regimes by injection of deionized water (DW) and/or DW enriched with CO2. It is observed that permeability decreases when DW is injected whereas it increases following injection of DW enriched with CO2. The observed global dissolution rate of Calcite is larger for the experiments with DW enriched with CO2 than for those performed with DW. The observed permeability reduction is due to the clogging of connected pore caused by migration of micro particles detaching from the host porous matrix and migrating towards the outlet. Evidences of particles migration and pore clogging are verified through SEM and XRMT analysis. A key conclusion of the study is that a dissolution reaction can lead to permeability reduction if the dissolution rate is not large enough to dissolve detached microparticles. The observed permeability reduction is interpreted through a simple zero-dimensional model relating permeability to grain size distribution and relying the measured global reaction rate to the rate of partitioning of the particles that constitute the porous medium matrix.

Si sono effettuati esperimenti di percolazione su scala di laboratorio per l’analisi congiunta di processi idrodinamici e geochimici al fine di analizzare l'evoluzione dinamica della permeabilità a seguito di reazioni di dissoluzione in un sistema carbonatico naturale. In una prima fase si è adottato un modello geochimico per la valutazione dell’effetto dei parametri principali che controllano la dissoluzione del carbonato di calcio a seguito della miscelazione di due soluzioni che rappresentano acqua dolce e salata. Le due soluzioni considerate sono in equilibrio con il CaCO3 e sono associate a differenti valori di pressione parziale di CO2 e di salinità. La miscelazione delle due soluzioni risulta in una soluzione che si trova in condizioni di sotto-saturazione, con forza ionica bassa / moderata, elevate pCO2 e salinità. I risultati della modellazione rivelano che la sotto-saturazione massima si verifica per rapporti di miscelazione intorno al 15%. La dissoluzione attesa di CaCO3 raggiunge il suo massimo per rapporto di miscelazione pari a circa il 45%. Risultati sperimentali indicano che il tasso di dissoluzione ad un rapporto di miscelazione del 15% è superiore a quanto osservato per un rapporto di miscelazione pari al 45%. La soluzione in uscita dal reattore contenente il campione utilizzato è sempre sotto-saturata rispetto al CaCO3. La permeabilità del campione testato mostra una rapida diminuzione durante la prima fase dell'iniezione. Successivamente, si rileva un comportamento stabile chepermane fino all’esaurimento della percolazione, quando si osserva un incremento della porosità del campione a causa di processi di dissoluzione. Per comprendere la dinamica di permeabilità e porosità osservata negli esperimenti di miscelazione, si sono effettuati esperimenti di percolazione per diversi regimi di dissoluzione, iniettando acqua deionizzata (DW) e/o DW arricchita con CO2. Si osserva che la permeabilità del campione di roccia testato diminuisce a seguito dell’iniezione di DW, mentre aumenta a valle dell'iniezione di DW arricchita con CO2. Il tasso globale di dissoluzione di calcite osservato è maggiore per gli esperimenti con DW arricchita con CO2 rispetto a qaunto misurato negli esperimenti effettuati con DW. Si ritiene che la riduzione della permeabilità sia dovuta ad un intasamento di pori interconnessi causato dalla migrazione di micro particelle che si staccano dal matrice porosa e migrano nel sistema. Risultati di analisi SEM e XRMT supportano questo schema concettuale. La conclusione principale dello studio consiste nella osservazione sperimentale che una reazione di dissoluzione può risultare in una riduzione della permeabilità se il tasso di dissoluzione non è sufficiente elevato da dissovlere le microparticelle solide che si distaccano dalla matrice del mezzo poroso. La riduzione di permeabilità osservata è quindi interpretata attraverso un modello semplice (zero-dimensionale) basato sul modello concettuale descritto.