Efficient models for Microbially Induced CAlcite Precipitation as a seal for CO2 storage

Lagring av CO2 i Nordsjøformasjoner kan gi et betydelig bidrag til å begrense klimaendringene hvis flere gigatonn lagres per år. Slike høye injeksjonsrater er knyttet til stor trykkøkning, spesielt i nærheten av injeksjonsbrønner, som fører til en risiko for lekkasjer. En lovende metode for å stoppe lekkasjer er å danne biofilm som tetter toppen av lagringsformasjonen i et titalls meter rundt injeksjonsbrønnen hvor den høyeste trykkoppbyggingen skjer. Aktiviteten til noen bakterier vil også føre til dannelse av kalsitt, som ytterligere tetter bergarten. Dette kalles mikrobielt frembrakt kalsittutfelling. Så langt har laboratoriemålinger og simuleringsverktøy i hovedsak vært rettet mot en skala på mindre enn en meter. For feltskalaanvendelse av denne metoden, er det viktig å utforme en strategi for injeksjon av mikrober og andre komponenter som er gunstige for å tette toppen av formasjonen, og samtidig opprettholde muligheten for å injisere CO2 lengre ned. For å kunne svare på slike spørsmål må dagens modeller oppskaleres. Det er velkjent at bruk av strømningsmodeller for undergrunnen som inneholder reaksjoner kan føre til store feil hvis de ikke er riktig oppskalert. Småskalavariasjon i konsentrasjonen av mikrober og løste stoffer som skyldes variable bergartsegenskaper er en viktig faktor i denne henseende. Derfor er hovedmålet i prosjektet MICAP å utvikle en robust og effektiv modell som inkluderer småskalavariasjon i et feltskala simuleringsverktøy. Som første oppgave i prosjektet har vi gjennomført en grundig litteraturstudie av de viktigste mikrobielle prosessene for storskala injeksjon. På bakgrunn av studien har vi utviklet to lovende injeksjonstilnærminger for effektiv kalsittutfelling: (I) injeksjon av pre-dyrkete bakterier og sementeringsblanding som gir kalsittutfelling fra bakteriene; og (II) injeksjon av bakterier og vekstblanding for å produsere biofilm (dvs. strukturert samfunn av bakterier) med påfølgende injeksjon av sementeringsblanding for kalsittutfelling fra biofilm. Numeriske simuleringer viste at begge injeksjonstilnærmingene ga signifikant forsegling av bergarten, hvor vi valgte (II) som vår hovedtilnærminger i fremtidige studier. Basert på kunnskapen fra litteraturstudiet utviklet vi en feltskalamodell hvor kun de nødvendige approksimasjonene og forenklingene av småskalareaksjonene ble inkludert. Simuleringsmodellen kjører med lav beregningskostnad sammenlignet med tidligere poreskala- og kjerneskalasimulatorer, som gjør det mulig å simulere 3D systemer der lekkasjer er eksplisitt modellert. Numeriske undersøkelser med den nyutviklete modellen gjort på en veletablert 3D sammenligningsmodell for CO2-lekasje viste at vi kunne blokkere lekkasjeveien fullstendig. Simuleringsmodellen ble implementert i Matlab Reservoir Simulation Toolbox (ad-micp modul) og Open Porous Media (OPM) Flow simulator, og er en del av de offisielle utgivelsene per, henholdsvis, 2021b og 2021.10. Deler av arbeidet til Post Doc var å ferdigstille en kjerneskalamodell fra et tidligere NFR prosjekt (IMMENS) som vil bidro i utviklingen av feltskalamodellen gjennom økt kunnskap om biofilmvekst. En viktig oppgave i MICAP-prosjektet var å studere formelle oppskaleringsmetoder fra pore- til feltskala. De biokjemiske reaksjonene i MICP fører til endringer i poregeometri, som igjen leder til endringer i porøsitet/permeabilitet. Vi har bevist gjennom matematiske argumenter at disse endringene er monotone. Disse resultatene har blitt utvidet til effektiv permeabilitet og diffusjonstensoren. Vi har også studert reaktiv transport i oppsprukken geometri og derivert oppskaleringsmetoder for visse regimer av porøsitet- og permeabilitetsskaleringer. Videre har vi jobbet med utvikling av optimeringsverktøy for å oppnå optimal forsegling av lekkasjeveier. Ved bruk av en statistisk metode, der vi kombinerte en proxy-modell av simulatoren og en effektiv Monte Carlo metode, kunne vi ta hensyn til usikkerhetene som finnes i reservoaret, f.eks., bergarts- (permeabilitet, porøsitet, etc.), biologiske (biofilm vekst, etc.), og fysiske parametere (injeksjonsrater og -perioder, etc.). Numeriske resultater viste vi at vi kunne få robuste verdier på, f.eks., injeksjonsstart på en av kjemikaliene under enhver realisasjon av en sensitiv biologisk parameter. Metoden kan dermed hjelpe med å finne optimale injeksjonsstrategier som virker uansett hvilken usikkerhet som er til stedet. For å fokusere på maksimal kalsittutfelling i lekkasjeveiene utviklet vi en optimeringsrutine med en innovativ injeksjonsstrategi hvor komponentene ble injisert i separate deler av brønnen. Numeriske resultat på 3D systemer viste at vi klarte å lukke diverse lekkasjeveier hvor vi reduserte CO2 lekkasjen med mer enn 99.8% i alle tilfellene.

The main outcome from the MICAP project is a field-scale numerical model for microbially induced calcite precipitation (MICP) implemented in open-source simulators OPM Flow and MRST. This enables academic, as well as industry, practitioners of MICP to easily run field-scale simulations and further develop the models. The rigorous numerical analysis and derivations of upscaling methods done in project MICAP will increase the robustness of MICP simulation models. The numerical results from the simulation and optimization studies performed in project MICAP advances the understanding of MICP for field-scale application. Together with field-scale demonstrations, the technology can be elevated to the level of safe utilization. With robust and efficient simulation tools for MICP we believe that the public confidence in the sealing technology will increase and, as a result, the social acceptance of geological CCS will increase.

Project MICAP will develop robust and efficient simulation tools to improve strategies that prevent leakage of CO2 in subsurface storage operations. Large-scale CO2 storage is pending on the regulatory framework that requires measures to mitigate and plug possible leakages. The project focuses on sealing by biomineralization, which was chosen because of its significant sealing capabilities and the potential for laterally extensive seals of biofilms and calcite. The ability to design injection strategies for this method is imperative to ensure good sealing properties while also maintaining the ability to inject CO2. This requires simulation tools that describe relevant processes at the field scale. Current models apply to much smaller scales, and the direct application of these models outside of their range of validity could lead to disastrous consequences. Accordingly, Project MICAP develops methodology to upscale proven existing models to the appropriate scales with verification at each step. The resulting methods will be used to develop strategies to seal potential leakage pathways in CO2 storage and will thus be essential for the implementation of large-scale CO2 storage as a method to limit global warming.