CO₂ forsegler selv mulige flugtveje fra undergrunden

Når man bruger mange millioner kroner på at fange CO₂ og pumpe den ned i undergrunden, vil man gerne være sikker på, at den bliver der. Heldigvis yder CO₂’en selv den garanti et langt stykke af vejen.

På et kontor i København står en computerskærm, der viser to billeder af en cylinder. Den ene med mange røde plamager og den anden med færre røde plamager. Det ligner et udsnit fra et gerningssted. Heldigvis viser billederne noget langt mere fredeligt, fortæller ejermanden af kontor og computerskærm, statsgeolog og geokemiker Claus Kjøller fra De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland (GEUS).

”De røde områder er hulrum og revner i en cementkerne før og efter, vi har ført CO₂ igennem den.”

Den højre cylinder på billedet herover viser, at CO₂’en har reageret med cementen med det resultat, at revnerne er fyldt ud.

Det er Claus Kjøller, der sammen med den norske Stiftelse for Industriel og Teknisk Forskning (SINTEF) har lavet forsøget, som scanningsbillederne er et resultat af.

Forsøget gik ud på at støbe små cementpropper ind i en kappe af sandsten og scanne dem i en særlig CT-scanner før og efter at have pumpet CO₂ igennem.

Hvorfor nu al den snak om cement, kan man spørge. Det er, fordi de rør, der sender CO₂ ned i et underjordisk CO₂-lager, er et af de steder, hvor der kan være risiko for, at CO₂’en siver op og ud (se figur 5 herunder). Derfor fylder man cement udenom røret, som også i sig selv er pakket ind i flere isolerende lag.

Dog er det en kendt sag, at cementen i sådan nogle borehuller godt kan få små revner og sprækker med tiden, og derfor kunne man have sin tvivl om, hvorvidt den faktisk holder CO₂’en fanget i reservoiret.

CT-scanning af cement

CO₂’en i de underjordiske reservoirer forsegler altså selv de potentielle flugtveje til overfladen, der skulle opstå ved rørledningen. I princippet minder det lidt om en vandhane, der tilstoppes af kalk. Forskerne kalder fænomenet for ’cement-selvheling’.

Forsøget med cementpropperne i CT-scanneren skulle imidlertid gøre forskerne klogere på, hvad der helt præcis sker, når CO₂’en fylder hullerne ud.

”Vi vidste, at det skete, men vi vidste ikke 100 procent, hvordan det skete. Altså ikke kun rent kemisk, men også hvordan det rent visuelt så ud inde i cementen. Det kunne vi vise med den nye type CT-scanner, der kan scanne stenprøver og genskabe dem fuldstændig i 3D,” fortæller Claus Kjøller.

Inden forsøgets start blev cementprøverne støbt ind i sandsten for at imitere forhold­ene nede i borehullet, hvor cementforseglingen ligger tæt ud mod undergrunden, som i et CO₂-lager ofte vil være sandsten. Han vender sig og griber det, der viser sig at være en cement-sandstensprøve, der svarer til dem, der blev fremstillet til forsøget. Der står tre af dem opstillet i vindues­karmen sammen med en snes andre sten.

• 

• 

”Du kan se her, at der er små revner i cementen. Det er revner som dem, der i teorien kunne være kilde til udsivning fra lageret. Vi fik dem CT-scannet før og efter forsøg­et, så vi kunne se, nøjagtig hvad der skete, når der blev tilsat CO₂.”

Kernerne blev sat ind i et rør i forsøgsopstillingen, der blev sat under det tryk og den temperatur, som efterlignede de forhold, der vil være i den dybe undergrund i et potentielt CO₂-lager. Derpå sendte Claus Kjøller og hans kollegaer en efterligning af det salte,
underjordiske vand igennem cementkernen efterfulgt af CO₂. Det gjorde de fem gange, mens de målte på udvikling i tryk og den kemiske sammensætning i det vand, der kom ud på den anden side.

”Målingerne viste tydeligt, at for hver gang vi havde sendt CO₂ gennem prøven, blev det efterfølgende sværere for vandet at trænge igennem. Der skulle højere tryk til at presse det igennem, det vil sige, at permeabiliteten var blevet lavere. Noget måtte altså være sket med stenen, og det kunne vi se ved at scanne kernen. Området, der før var næsten helt rødt og viste revnen gennem cement­en, var næsten helt væk efter forsøget,” fortæller han.

Hurtig reaktion i cementen

Udover 3D-konstruktionen af cementkernerne fik forskerne også en række tværsnitsbilleder fra CT-scanningen. Her kunne man tydeligt se, hvordan den tredelte revne gennem cementen efter forsøget var blevet fyldt med calcit (se herunder).

Målingerne viste blandt andet, at procentdelen af hulrum i cementen, altså porøsiteten, var gået fra 0,8 til 0,5 procent på de blot fem dage, forsøget tog. Det betød blandt andet, at cementens evne til at lede vand og/eller CO₂ var næsten halveret.

”Det går altså meget hurtigt, og det betyder, at de revner, der eventuelt opstår i cementen langs røret, hurtigt vil blive fyldt ud af udfældede mineraler fra CO₂-reaktionen. Dog vil processen blive langsommere og med tiden gå i stå,” fortæller Claus Kjøller.

Derfor er det altså ikke en reaktion, der begynder at påvirke selve cementforsegling­en som helhed, det vil holde sig til kanter og sprækker. Til gengæld mangler man stadig at finde ud af, hvor grænsen går for den selvhelende reaktion, lyder det fra forskeren.

”Mig bekendt har man endnu ikke lavet forsøg, der viser, præcis hvor store sprækker CO₂’en kan forsegle, og sat den sammenhæng på formel. Vi har ikke selv haft midler til at lave det, men det er klart noget, der ville være godt at få afklaret. Selvom der er mange sikkerhedsforanstaltninger ved CO₂-lagring, der forhindrer, at der opstår store revner, så er det jo godt at være forberedt på scenariet.”

---

Kemisk reaktion der danner calcit:

A CO₂ opløses i porevandet og danner kulsyre:

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ 2H⁺ + CO₃^2-

B Kulsyren opløser cementens portlandit (Ca(OH)₂) og calcium-silika-hydrat (C-S-H), og det danner frie kalciumioner (Ca²⁺):

Ca(OH)₂ + H^– ↔ Ca²⁺ + OH^–+ H₂O (CaO)_x + (SiO₂)_y + (H₂O)_z + (x+2_y)H⁺ ↔ xCa²⁺ + (SiO₂)_y + (OH^–)_x+2y

C De frie CO₃^2-og Ca²⁺-ioner danner tilsammen calcit (CaCO₃).

---

Projekt BIGCCS

Projektet med måling af den selvhelende cementforsegling er en del af det store norsk-ledede projekt BIGCCS, som kørte mellem 2009 og 2017, blandt andet med støtte fra den norske stat på 1 mia. kr. Projektet skulle undersøge en masse aspekter af videre­udvikling og forståelse af Carbon Capture and Storage (CCS), herunder CO₂’ens helende evner i cementforsegling­en i borehullerne.

---

---