CCS CCUS EP7 residual trapping – capillary trapping – CCS, CCUS ตอนที่ 7 เจาะลึกกลไกการกักเก็บแบบคงค้าง (residual trapping / capillary trapping)
สวัสดีครับทุกท่าน ความเดิมจากตอนที่แล้วผมได้แนะนำเกี่ยวกับกับกลไกหลัก 4 กลไกในการกักเก็บเฉพาะในตัวกลางที่มีรูพรุน (ก้อนหินของเรานั้นแหละ)
CCS, CCUS EP6 Reservoir engineering EP4
ในตอนนี้ผมจะพาไปเจาะลึกถึงรายละเอียดที่มาที่ไปและเหตผลว่าทำไมมันถึงเป็นแบบนี้ โดยจะมีสมการมาประกอบ แต่ไม่ต้องกลัวนะครับผมจะพยายามอธิบายให้เห็นภาพแน่นอนครับผม
CCS CCUS EP7 residual trapping – capillary trapping
กลไกการคงค้างในรูพรุน (Residual trapping / Capillary trapping)
จากตอนที่แล้วผมได้บอกว่า CO2 ของเราไปบุกรุกบ้านคนอื่น (น้ำเกลือ) ถูกไหมครับ จากนั้น CO2 บางส่วนถูกเจ้าบ้านไล่ตะเพิดกลับไปแต่ดันหนีไปไหนไม่ได้ซะงั้น มันเป็นเพราะอะไร? คำตอบอยู่ในรูปด้านล่างทางขวาและสมการทางซ้ายมือครับ
เครดิตรูปภาพนี้จะเป็นแค่กราฟนะครับที่เหลือผมไปยืมกราฟเค้ามาตัดแต่งรูปภาพให้ได้ชมกัน 55: Capillary Pressure–Saturation Relations for Supercritical CO2 and Brine in Limestone/Dolomite Sands: Implications for Geologic Carbon Sequestration in Carbonate Reservoirs | Environmental Science & Technology
มาดูที่กราฟทางขวามือกันหน่อยครับ! (ไอ้ที่ผมใส่เลข 1 ถึง 4 ไว้ให้ดูง่ายๆ นั่นแหละ) กราฟตัวนี้มันเล่าเรื่องของ “สงครามยึดพื้นที่” สุดมันส์ระหว่าง ‘เจ้าบ้าน’ (คือน้ำ) กับ ‘ผู้บุกรุก’ (คือ CO2) ที่เราอัดเข้าไปในรูพรุนหินครับ จำคอนเซ็ปต์ Drainage (เดรนเนจ) และ Imbibition (อิมบิบิชั่น) ในตอนที่ 3 ได้ไหม? นั่นแหละครับ มันมาใช้ตรงนี้แหละ!
วิธีการอ่านกราฟสำหรับสงครามยึดพื้นที่นะครับ เราต้องเริ่มอ่านจาก ขวาไปซ้าย ครับ เพราะตอนแรกก้อนหินของเรามี น้ำเต็ม 100% (Sw = 100% ตามเส้นประสีน้ำเงิน) คือน้ำเป็นเจ้าของพื้นที่ทั้งหมด
เมื่อกระบวนการเดรนเนจเริ่มต้นขึ้น (ตอนที่อัด CO2) ช่วง 1 ไป 2 (ช่วงสบาย) โดยธรรมชาติ CO2 มันฉลาดครับ มันจะพุ่งเข้าไปในรูพรุนที่มีขนาด ใหญ่ที่สุดก่อน เพราะมันไหลได้โคตรง่าย! ทำให้ช่วงแรก แรงดันแคปพลิลารี่ (Pc) หรือเรียกง่ายๆ ว่า “แรงต้าน” ในการไล่ที่ยัง ต่ำอยู่ (ดูเส้นสีแดงสิครับ มันเริ่มแบบนิ่มๆ ค่อยๆไต่ขึ้น) พอไล่ไปสักพัก น้ำก็ถูกเตะออกจากบ้านไปบางส่วน (เหลือประมาณ Sw 50% ที่เลข 2)
ช่วง 2 ไป 3 (ช่วงยากลำบาก) พออัดไปเรื่อยๆ ห้องดีๆ รูใหญ่ๆ โดน CO2 ยึดหมดแล้วถูกไหมครับ ฉะนั้นไอเจ้า CO2 เนี่ย ต้องพยายามบุกเข้าสู่รูพรุนที่ เล็กจิ๋ว เท่านั้น!
ทีนี้แหละ “แรงต้าน” (Pc) ก็พุ่งสูงปรี๊ดดด (เส้นสีแดงวิ่งขึ้นสูงเสียดฟ้าเลยครับ) เพราะน้ำมันเกาะติดแน่นมากจนไล่ไม่ไป555
สุดท้ายการบุกก็จะไปจบที่ เลข 3 ซึ่งเป็นจุดที่ CO2 ไล่น้ำออกไปได้มากที่สุดแล้ว… ส่วนน้ำที่เหลืออยู่ตรงนั้นคือ Swir (Irreversible water saturation) หรือน้ำที่ติดแน่นชนิดที่ CO2 ก็ทำอะไรไม่ได้แล้วครับ
ชีวิตมีขึ้นก็ต้องมีลงครับ Imbibition (เส้นสีเขียว) เจ้าบ้านกลับมาล้างแค้น พอเกิด Imbibition (เจ้าบ้าน-น้ำ กลับมา) น้ำก็จะกลับมาไล่ CO2 ออกจากรูพรุนคืน (ตามเส้นสีเขียวย้อนกลับไป)
แต่เรื่องมันเศร้าครับ… น้ำไล่ CO2 ออกมาไม่หมด T_T บางส่วนของ CO2 จะถูก “ดักจับ” อยู่ในช่องรูพรุนเล็กๆ ในตอนที่มันพยายามจะไปไล่น้ำในช่วงเลข 3 นั้นแหละครับแต่ดันเคราะห์ซ้ำกรรมซัดกลับออกมาเองไม่ได้เพราะตอนออกมาถูกน้ำ “รุมล้อม” เอาไว้จนไปไหนไม่ได้แล้วปรากฎการณ์นี้เรียกว่าการ Snap-off (ศัพท์เทคนิคคือ Water Enclosement ครับ)
ผมมีรูปขยายแบบชัดๆมาให้คือรูปนี้ครับ
เครดิตรูปภาพ: Capillary pinning in sedimentary rocks for CO2 storage: Mechanisms, terminology and State-of-the-Art – ScienceDirect
ซึ่งกระบวนนี้เนี่ยมันจะไปจบที่เส้นประสีเขียว (Sw อยู่ที่ประมาณ 70%) นั่นแปลว่า CO2 ถูกดักจับติดอยู่ข้างใน 30%
นี่แหละครับคือที่มาที่ไปของกลไก Residual Trapping (การดักจับแบบคงค้าง – residual แปลว่าเหลือหรือตกค้างนะครับ) นั่นเอง CO2 โดนขังถาวรไปเรียบร้อย! (ตัวเลขไม่ได้เป็นอย่างนี้เสมอไปนะครับ เป็นเพียงตัวเลขตัวอย่างสมมุติให้เห็นภาพง่ายขึ้นเท่านั้น)
แถมครับ ไอเจ้าสมการ Pc (กรอบสีแดงด้านซ้าย) อธิบายกฏแห่งการไล่ที่ได้ง่ายๆ ครับ
ซึ่งผมแบ่งเป็นแก๊งค์มาให้เรียบร้อยแล้วครับ พจน์ด้านบน คือแก๊งค์ของ แรงตึงผิว ที่พยายามจะตรึงของไหลที่เราสนใจไว้ครับ (มันขึ้นอยู่กับมุมมองว่าเรามองในมุมของน้ำ หรือ CO2 ครับ) พจน์ด้านล่าง คือ ขนาดของรูพรุน (r) ครับ
มันเป็นความสัมพันธ์แบบผกผันกันครับ ! แปลว่า ถ้าขนาดรูพรุนใหญ่ (r มีค่ามาก) มันก็เหมือนเราเดินเข้าประตูโรงยิมบานใหญ่ๆ สบายๆ เลยครับ
กลับกันถ้ารูพรุนที่ไหลเข้าไปมีขนาดเล็ก (r มีค่าน้อย) มันก็เหมือนกับเราพยายามจะมุดเขาไปในลูกกรงครับ มันก็เลยเป็นที่มาที่ไปว่าทำไมตอนสุดท้ายกราฟเส้นสีแดงพุ่งสูงเสียดฟ้านะครับ 555
ก่อนจะจบผมขอเชื่อมโยงความรู้ย้อนกลับไปตอนที่แล้วนิดนึงครับ จำได้ไหมครับว่าผมเคยบอกว่า วังวน การไหลเข้าออกของน้ำกับ CO2 ในรูพรุนมันจะไม่มีทางจบสิ้นตราบใดที่ยังมีแรงดันให้ CO2 ไหลอยู่ (แรงดันก้นหลุม – BHP กับ แรงลอยตัวเนื่องจากน้ำที่เบาของ CO2 – Buoyancy Force)
กราฟเส้นสีแดงกับเส้นสีเขียวก็จะวิ่งขึ้นลงไม่จบไม่สิ้นครับ ซึ่งผมจะขออนุญาตแนะนำไอเจ้าวังวนนี้ว่า ฮิสเทอร์รีซิส (hysteresis) ครับ ซึ่งมันจะส่งผลให้ปริมาณของ CO2 ที่โดนดักจับไว้ในรูพรุนขนาดเล็กเปลี่ยนแปลงไปแน่นอน
ข้อนี้สำคัญครับ มันจะทำให้การเข้าไปไล่ทีของ CO2 ในรอบหลังๆ เข้าไปได้ง่ายหรือยากยิ่งขึ้น พูดง่ายๆยิ่งอัดไปนานๆ จะยิ่งอัดเข้าน้อยลงหรือมากขึ้นนั้นแหละครับขึ้นอยู่กับสภาพแหล่งกักเก็บล้วนๆ แต่ไม่ได้ถึงขั้นรุนแรงนะครับ เพราะหากมันผ่านการไหลเข้า ไหลออกหลายๆรอบมันจะเริ่มหาจุดสมดุลของตัวมันเองได้ครับ ตัวอย่างกราฟ Capillary pressure (Pc) แบบ hysteresis ครับ ให้พอได้เห็นไอเดีย
เป็นไงครับสำหรับสายแข็ง 555 ฮ่าๆ เรื่องราวของ residual trapping ก็จบประมาณนี้แหละครับ
สิ่งหนึ่งที่ใครอ่านแล้วตกตะกอนได้ (ชี้ช่องรวย) จะเห็นได้ว่าแรงตึงผิวมีอิทธิพลก็การคงค้างไม่ให้ CO2 ไปไหนถูกไหมครับ ถ้าหากมีใครคิดค้นหรือหาสารเคมีมาใช้ปรับแรงตรึงผิวในแหล่งกักเก็บได้ ให้ตรึง CO2 ไว้ในหินเยอะๆ ไว้มาเรียกผมกับลุงนกด้วยนะครับ 5555 เราจะรวยไปด้วยกัน
เป็นไงบ้างครับสำหรับตอนนี้ หวังว่าคงจะชอบกันนะครับ
ไว้ตอนนหน้ามาพบกันกับการลงรายละเอียดกลไกการคงค้างแบบการละลาย (Dissolution trapping) นะครับผม ไว้ผมกันครับ
Nautilus (Tuna) – nattirut.ys@gmail.com
Special thanks to PEwoF team