Diffusion Properties of Carbonated Caprocks from the Paris Basin Propriétés diffusives de roches de couverture carbonatées du Bassin de Paris

Abstract

The efficiency of geological storage of CO2 lies in the confinement properties of the caprock. Among these properties, diffusive characteristics play an important, though sometimes underestimated, role. Although diffusion is a slow process, it can play a significant role in the long run. Besides, the desirable properties for a caprock – mainly high entry pressure and low permeability – are by no means contradictory with relatively high diffusion coefficients; the reason is that all these quantities do not depend on the same geometrical properties of the porous matrix (pore size in one case, tortuosity in the other). Within the framework of the Géocarbone-INTÉGRITÉ project, financed by the National Research Agency ANR from 2006 to 2008, the diffusion coefficients for water and bicarbonate ions have been measured in caprock samples from three levels (Comblanchien and Dalle Nacrée formations). These two species cover the main situations encountered in storage site conditions (neutral/charged species, interacting or not with the solid matrix). The model used for interpretation of the experiments is presented; this enables review of various quantities of interest: effective diffusion coefficient, pore diffusion coefficient, apparent diffusion coefficient, retardation factor. The pore self-diffusion coefficient for water was measured by two different techniques (Nuclear Magnetic Resonance and tritiated water 1H3HO tracing) on two samples. The results are comparable: porosity about 6%, pore diffusion coefficient 2 × 10−10 m2/s, tortuosity about 10. The radioactive tracer method is then applied with tritiated water and carbon-14-tagged bicarbonate ions, H1CO-3, to samples from three depth levels. Reduction of accessible porosity is evidenced for bicarbonate ions, which is attributed to anionic exclusion. Interaction between bicarbonate ions and the solid matrix is also shown. This suggests that additional CO2storage capacity might be offered by carbonated caprocks (regardless of the problem of alteration by acidified water, not addressed here). Lastly, a few simple rules for extending the results presented here to other experimental conditions are proposed. L’efficacite d’un stockage geologique de CO2 repose sur les proprietes de confinement des roches de couverture. Parmi ces proprietes, les caracteristiques diffusives jouent un role important qui est parfois sous-estime. En effet, la diffusion est un processus lent mais qui peut s’averer non negligeable sur le long terme. De plus, les caracteristiques recherchees pour une roche de couverture, principalement une forte pression d’entree et une faible permeabilite, ne sont pas incompatibles avec des coefficients de diffusion relativement eleves, puisque ces grandeurs sont liees a des caracteristiques geometriques differentes (schematiquement, les tailles de pore pour les unes et la tortuosite pour les autres). Dans le cadre du projet Geocarbone–INTEGRITE, finance par l’ANR de 2006 a 2008, on a donc mesure les coefficients de diffusion de l’eau et de l’ion bicarbonate dans des echantillons de roche de couvertures carbonatees provenant de trois niveaux (formations des Calcaires du Comblanchien et de la Dalle Nacree). Ces deux especes permettent en effet de couvrir, en premiere approximation, les situations rencontrees en conditions de stockage (espece neutre/espece chargee, interagissant ou non avec la matrice solide). Dans un premier temps, on presente le modele simple de diffusion utilise pour le depouillement des experiences, ce qui permet de passer en revue les differentes grandeurs utiles : coefficient de diffusion effectif, coefficient de diffusion de pore, coefficient de diffusion apparent, porosite accessible, facteur de retard. Le coefficient d’autodiffusion de l’eau est mesure par deux techniques differentes (Resonance Magnetique Nucleaire et tracage radioactif a l’eau tritiee 1H3HO) dans deux echantillons. Les resultats obtenus sont comparables : porosite de l’ordre de 6 %, coefficient de diffusion de pore de l’ordre de 2 × 10−10 m2/s, tortuosite proche de 10. Le tracage de l’eau tritiee et de l’ion bicarbonate marque au carbone 14, H1CO-3, est ensuite applique aux trois types d’echantillons. Il met en evidence une diminution de la porosite accessible a l’ion bicarbonate, diminution que l’on attribue a l’exclusion anionique. L’interaction entre l’ion bicarbonate et la matrice solide est egalement visible – ce qui suggere une capacite de stockage du CO2 dans les roches de couverturecarbonatees (independamment des problemes de leur alteration par l’eau acidifiee, qui n’est pas aborde). Enfin, on propose quelques regles simples de transposition des resultats obtenus a d’autres conditions experimentales.