DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2026.106431
تاريخ النشر: 2026-01-31
المؤلف: Tomasz Szawełło وآخرون
الموضوع الرئيسي: احتجاز ثاني أكسيد الكربون والتفاعلات الجيولوجية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير عمليات الذوبان في الوسائط المسامية والمكسورة على كل من كيمياء السوائل وبنية المواد الصلبة. وتبرز أن الذوبان يمكن أن يؤدي إلى نتائج متنوعة، مثل توسيع المسام بشكل متساوٍ، أو توسيع القنوات الموجودة، أو تشكيل ثقوب دودية، متأثرة بتفاعل التدفق، الانتشار، التفاعلات السطحية، وتباين الوسيط الأولي. تستخدم الدراسة ثلاثة نماذج شبكة – شبكة مسام منتظمة، شبكة مسام غير منتظمة، وشبكة كسور منفصلة – لت quantifying هذه التأثيرات باستخدام مقياس موحد يعرف باسم ملف تركيز التدفق. يلتقط هذا المقياس تطور مسارات التدفق ويكشف عن سلوكيات مميزة عبر أنظمة الذوبان المختلفة.
تشير النتائج إلى أنه بينما يميل الذوبان المتساوي إلى توحيد التدفق في الشبكات المنتظمة، تحتفظ الشبكات غير المنتظمة وشبكات الكسور المنفصلة بتباين كبير، خاصة من حيث أطوال المسارات والترابط. تشير هذه الاستمرارية في التباين الهيكلي إلى أن نماذج مقياس دارسي التقليدية، التي غالبًا ما تفترض تجانس المسامية أو النفاذية، قد تتنبأ بشكل غير دقيق بسلوك التدفق من خلال تجاهل التعقيدات التي تقدمها طوبولوجيا الشبكة. تؤكد الدراسة على ضرورة دمج التباين الهيكلي في النماذج للتنبؤ بدقة بديناميات الذوبان وسلوك النقل في التطبيقات العملية، مثل الحموضة وتخزين الكربون الجيولوجي. بشكل عام، توسع البحث في تطبيق ملف تركيز التدفق على مجموعة واسعة من الأنظمة، مما يبرز أهمية النظر في التباين عند استقراء نتائج المختبر إلى سيناريوهات ميدانية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التأثير الكبير لتدفق السوائل التفاعلية عبر الصخور على كل من تركيبة السوائل وخصائص المصفوفة الصلبة، مما يؤثر بدوره على ديناميات النقل. هذه الفهم أمر حاسم لمجموعة متنوعة من التطبيقات الجيولوجية والبيئية، مثل التخلص الآمن من النفايات المشعة وتقييم هجرة الملوثات. يتم تسليط الضوء على الربط بين التدفق والنقل وخصائص الخزان المتطورة كأمر أساسي لشرح الهياكل المتنوعة التي تنشأ من عمليات الذوبان.
تحدد الورقة أربعة أنظمة رئيسية للذوبان – مضغوط، ثقوب دودية، قنوات، ومتجانس – كل منها يتميز بسلوكيات تدفق وتفاعل مميزة. تؤكد الحاجة إلى تحليل كمي للتفريق بين هذه الأنظمة، خاصة في الأنظمة المعقدة مثل الوسائط المكسورة، حيث يمكن أن تهيمن التباينات ذات النفاذية العالية على التدفق. تتناول الدراسة أيضًا التحديات المتعلقة بنمذجة الأنظمة الطبيعية التي تحتوي على العديد من الكسور المتقاطعة وتقدم نماذج شبكة الكسور المنفصلة (DFN) كنهج قابل للتطبيق حسابيًا. تهدف الدراسة إلى quantifying كيف تتفاعل أشكال مختلفة من التباين – على مستوى القنوات، مستوى القطع، ومستوى الشبكة – مع عمليات الذوبان، مما يؤثر في النهاية على تطور مسارات التدفق وديناميات التجانس في النظام. تؤكد النتائج على أهمية النظر في كل من تباينات الطول والترابط، والتي تصبح حاسمة مع تقدم الذوبان وتقلص تباين عرض القنوات.
النتائج
تشير النتائج إلى أن أنواع الشبكات المختلفة تظهر سلوكيات ذوبان فريدة تتأثر بتنظيمها الهيكلي وتباينها. في شبكة المسام المنتظمة، تؤدي أطوال القنوات المتساوية وتوزيع القطر إلى تباين على مستوى القنوات. على العكس، تتضمن شبكة المسام غير المنتظمة كل من التباين على مستوى القنوات والتباين على مستوى القطع، مع تباينات في أطوال القنوات ومواقع التقاطع، مما يؤدي إلى ديناميات ذوبان أكثر استمرارية. تقدم شبكة الكسور المنفصلة (DFN) تباينًا عبر جميع المقاييس، مع أحجام فتحات متغيرة تساهم في التباين على مستوى القنوات، بينما تعزز تباينات طول الكسور التباين على مستوى القطع. يضيف ترابط الكسور مزيدًا من التباين العام في الشبكة.
تظهر محاكاة هذه الأنظمة، باستخدام معلمات بلا أبعاد \(Da_{\text{eff}}\) و \(G\)، أنظمة ذوبان مميزة: ذوبان متجانس، قنوات، وثقوب دودية. يتم توضيح تطور الشبكات في نظام الثقوب الدودية في الشكل 2، حيث يظهر أنه في شبكات المسام، تظهر القنوات السائدة بسرعة، بينما في DFNs، يتركز التدفق على طول المسارات ذات الموصلية العالية الموجودة، مع تطوير مسارات جديدة ذات نفاذية عالية بشكل أكثر دقة. يتم التقاط ديناميات الذوبان كميًا بواسطة ملف تركيز التدفق، الذي يعمل كمقياس ثابت عبر كل من الوسائط المسامية والمكسورة. من خلال تتبع تطور هذا الملف في فضاء \( (Da_{\text{eff}}, G) \)، تسهل الدراسة مقارنات سلوكيات الذوبان عبر أنواع الشبكات المختلفة، مما يبرز كل من الأنظمة الشائعة والخصائص المحددة للهندسة.
مناقشة
في هذا القسم، يستكشف المؤلفون ديناميات الذوبان وخصائص النقل للوسائط المسامية وشبكات الكسور باستخدام نماذج شبكة متنوعة. يستخدمون نموذج شبكة مسام شعرية ونموذج شبكة كسور منفصلة (DFN) لتحليل كيفية تأثير الاختلافات الهيكلية على أنظمة الذوبان. تقارن الدراسة بين ثلاث هندسيات: شبكة مسام منتظمة بأحجام مسام متساوية، شبكة مسام غير منتظمة مع وضع عشوائي للعقد، وDFN مستندة إلى كسور كربونات طبيعية. يتم إخضاع كل نموذج لسلسلة من المحاكاة لتقييم تأثير معلمات مثل عدد دامكهولر الفعال ($Da_{eff}$) ومعامل التفاعل-الانتشار ($G$) على سلوك الذوبان.
تشير النتائج إلى أن عملية الذوبان تختلف بشكل كبير عبر أنواع الشبكات المختلفة. بالنسبة لشبكة المسام المنتظمة، يتطور ملف تركيز التدفق عبر أنظمة مميزة – متجانسة، قنوات، وثقوب دودية – حيث يتأثر درجة التجانس بالمعامل $G$. على العكس، تظهر شبكة المسام غير المنتظمة تقدمًا أبطأ في القنوات وتجانسًا أقل اكتمالًا بسبب تباينها الهيكلي الفطري. تظهر DFN مؤشر تركيز تدفق أولي مرتفع، مما يدل على قنوات قوية، لكنها تكشف أيضًا أن التجانس الكامل غير قابل للتحقيق بسبب تعقيدات ترابط الكسور. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على الدور الحاسم لهندسة الشبكة وتباينها في تنظيم عمليات النقل التفاعلية، مما يؤكد أن الأنظمة الجيولوجية الحقيقية لا يمكن نمذجتها بدقة باستخدام الشبكات المنتظمة المبسطة.
القيود
تستند قيود النموذج المقدم في هذا البحث إلى عدة افتراضات مبسطة وتقريبات. أولاً، يقوم النموذج بتصوير الوسيط المسامي كشبكة من الأنابيب الأسطوانية والوسيط المكسور كشبكة من القطع المستطيلة، مما يبسط هندسة القنوات وتقاطعاتها إلى عقد بلا حجم. هذه المثالية شائعة في نماذج شبكة المسام ونماذج شبكة الكسور المنفصلة (DFN)، مما يسهل توسيع النمذجة إلى ما هو أبعد من المسام الفردية مع الحفاظ على تعبيرات تحليلية للتدفق والنقل.
بالإضافة إلى ذلك، يقرب النموذج تأثيرات الذوبان على هندسة القنوات من خلال زيادة قطر القنوات بشكل متساوٍ بناءً على الحجم الإجمالي للمعادن المذابة، وهو الأكثر دقة عندما يكون طول اختراق المفاعل، \( l_p = L D_{a, \text{eff}} \)، أكبر بكثير من متوسط طول القناة. يفترض النموذج أيضًا أن التدفق يهيمن على الانتشار، وهو مبرر عندما يتجاوز عدد بيكلي بناءً على \( l_p \) الواحد، مما يحد من قابليته للتطبيق على السيناريوهات التي يهيمن عليها الانتشار مثل الذوبان المضغوط. تشمل الافتراضات الأخرى فصل مقاييس الزمن بين استرخاء التدفق والنقل وذوبان المعادن، والخلط المثالي للمواد المتفاعلة عند التقاطعات، واستخدام قانون معدل خطي لمكون واحد للكينتيك الكيميائي. بينما تعتبر هذه الافتراضات شائعة، قد لا تنطبق في الأنظمة التي تحتوي على أنواع متعددة من المواد المتفاعلة أو التخفيف القوي، مما يمكن أن يغير كيمياء السوائل بشكل كبير.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2026.106431
Publication Date: 2026-01-31
Author(s): Tomasz Szawełło et al.
Primary Topic: CO2 Sequestration and Geologic Interactions
Overview
The research investigates the impact of dissolution processes in porous and fractured media on both fluid chemistry and solid structure. It highlights that dissolution can lead to various outcomes, such as uniform pore enlargement, widening of existing channels, or the formation of wormholes, influenced by the interplay of advection, diffusion, surface reactions, and the medium’s initial heterogeneity. The study employs three network models—a regular pore network, a disordered pore network, and a discrete fracture network—to quantify these effects using a unified metric known as the flow focusing profile. This metric captures the evolution of flow paths and reveals distinct behaviors across different dissolution regimes.
The findings indicate that while uniform dissolution tends to homogenize flow in regular networks, disordered networks and discrete fracture networks retain significant heterogeneity, particularly in terms of path lengths and connectivity. This persistence of structural heterogeneity implies that traditional Darcy-scale models, which often assume uniform porosity or permeability, may inaccurately predict flow behavior by overlooking the complexities introduced by network topology. The study emphasizes the necessity of incorporating structural heterogeneity into models to accurately forecast dissolution dynamics and transport behavior in practical applications, such as acidizing and geological carbon storage. Overall, the research extends the application of the flow focusing profile to a wider range of systems, underscoring the importance of considering heterogeneity when extrapolating laboratory results to field-scale scenarios.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significant impact of reactive fluid flow through rock on both fluid composition and the properties of the solid matrix, which in turn influences transport dynamics. This understanding is crucial for various geological and environmental applications, such as the safe disposal of radioactive waste and the assessment of contaminant migration. The coupling between flow, transport, and the evolving properties of the reservoir is highlighted as essential for explaining the diverse structures that emerge from dissolution processes.
The paper identifies four principal dissolution regimes—compact, wormholing, channeling, and uniform—each characterized by distinct flow and reaction behaviors. It emphasizes the need for quantitative analysis to differentiate between these regimes, particularly in complex systems like fractured media, where high-permeability discontinuities can dominate flow. The research also addresses the challenges of modeling natural systems with numerous intersecting fractures and introduces discrete fracture network (DFN) models as a computationally feasible approach. The study aims to quantify how various forms of heterogeneity—conduit-scale, segment-scale, and network-scale—interact with dissolution processes, ultimately affecting flow path evolution and the system’s homogenization dynamics. The findings underscore the importance of considering both length and connectivity heterogeneities, which become critical as dissolution progresses and conduit width variability diminishes.
Results
The results indicate that different network types exhibit unique dissolution behaviors influenced by their structural organization and heterogeneity. In the regular pore network, uniform conduit lengths and diameter distribution lead to conduit-scale heterogeneity. Conversely, the disordered pore network incorporates both conduit-scale and segment-scale heterogeneity, with variations in conduit lengths and intersection positions, resulting in more persistent dissolution dynamics. The discrete fracture network (DFN) introduces heterogeneity across all scales, with varying aperture sizes contributing to conduit-scale heterogeneity, while fracture length variability enhances segment-scale heterogeneity. The connectivity of fractures further adds to the overall network heterogeneity.
Simulations of these systems, utilizing dimensionless parameters \(Da_{\text{eff}}\) and \(G\), reveal distinct dissolution regimes: uniform dissolution, channeling, and wormholing. The evolution of networks in the wormholing regime is illustrated in Figure 2, showing that in pore networks, dominant channels emerge rapidly, whereas in DFNs, flow is concentrated along existing high-conductivity paths, with new high-permeability paths developing more subtly. The dissolution dynamics are quantitatively captured by the flow focusing profile, which serves as a consistent metric across both porous and fractured media. By tracking this profile’s evolution in the \( (Da_{\text{eff}}, G) \) space, the study facilitates comparisons of dissolution behaviors across different network types, highlighting both common regimes and geometry-specific characteristics.
Discussion
In this section, the authors explore the dissolution dynamics and transport properties of porous media and fracture networks using various network models. They employ a capillary pore network model and a discrete fracture network (DFN) model to analyze how structural differences affect dissolution regimes. The study contrasts three geometries: a regular pore network with uniform pore sizes, a disordered pore network with random node positioning, and a DFN based on natural carbonate fractures. Each model is subjected to a series of simulations to assess the impact of parameters such as the effective Damköhler number ($Da_{eff}$) and the reaction-diffusion parameter ($G$) on dissolution behavior.
The findings indicate that the dissolution process varies significantly across the different network types. For the regular pore network, the flow focusing profile evolves through distinct regimes—uniform, channeling, and wormholing—where the degree of homogenization is influenced by the parameter $G$. In contrast, the disordered pore network exhibits slower channel advancement and less complete homogenization due to its inherent structural heterogeneity. The DFN demonstrates a high initial flow focusing index, indicating strong channelization, but also reveals that complete homogenization is unattainable due to the complexities of fracture connectivity. Overall, the study highlights the critical role of network geometry and heterogeneity in governing reactive transport processes, emphasizing that real geological systems cannot be accurately modeled using simplified regular networks.
Limitations
The limitations of the model presented in this research are rooted in several simplifying assumptions and approximations. Firstly, the model conceptualizes the porous medium as a network of cylindrical pipes and the fractured medium as a network of rectangular segments, which simplifies the geometry of conduits and their intersections to volumeless nodes. This idealization is typical in pore network and Discrete Fracture Network (DFN) models, facilitating the extension of modeling beyond individual pores while maintaining analytical expressions for flow and transport.
Additionally, the model approximates the effects of dissolution on conduit geometry by uniformly increasing the diameter of conduits based on the total volume of mineral dissolved, which is most accurate when the reactant penetration length, \( l_p = L D_{a, \text{eff}} \), is significantly larger than the average conduit length. The model also assumes that advection dominates over diffusion, justified when the Péclet number based on \( l_p \) exceeds one, thus limiting its applicability to diffusion-dominated scenarios such as compact dissolution. Other assumptions include a separation of time scales between flow and transport relaxation and mineral dissolution, perfect mixing of reactants at intersections, and the use of a single-component linear rate law for chemical kinetics. While these assumptions are common, they may not hold in systems with multiple reactive species or strong buffering, which can alter fluid chemistry significantly.