Colmenares, Jose (2026) CO2 Injection Simulation in Thalassinoides-Bearing Rocks: Implications for Geological Carbon Storage. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Jose Colmenares - Thesis - Final.pdf Restricted to Repository staff only until 15 September 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

. تُعيد عملية الاضطراب الحيوي تشكيل شبكات المسام في التتابعات الكربوناتية، إلا أن الجحور التي تُنتجها نادرًا ما تُحلَّل بشكلٍ صريح في النماذج المستخدمة لتقييم تخزين الكربون الجيولوجي. تُحلل هذه الدراسة كيفية تحكم شبكات جحور ثالاسينويدس في هجرة عمود ثاني أكسيد الكربون وتوزيعه، باستخدام عضو العلية العلوي الحامل لغلوسيفونجيتس من تكوين حنيفة الجوراسي العلوي في وسط المملكة العربية السعودية كنموذجٍ مُكشوف. تُقدم هذه الدراسة، على حد علمنا، أول محاكاة لإزاحة ثاني أكسيد الكربون والمحلول الملحي متعدد الأطوار عبر شبكة جحور مُحلَّلة بشكلٍ صريح ومُستمدة من التصوير المقطعي المحوسب، مع اعتبار تباين نفاذية الجحور والمصفوفة المتحكمة هو المتغير الرئيسي بدلًا من كونه خاصية ثابتة مُوسَّعة. استُخدمت بيانات التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية من تكوين حنيفة لالتقاط الشكل ثلاثي الأبعاد وترابط شبكات الجحور. استُخدمت صورة مقطعية تمثيلية كصورة تدريبية في سير عمل إحصائي متعدد النقاط (MPS) لإعادة إنتاج بنية Thalassinoides المميزة من الشبكات الأفقية والأعمدة الرأسية ضمن نموذج جيولوجي خلوي بطول 5 أمتار، والذي تم توسيعه لاحقًا للمحاكاة الديناميكية (CMG-GEM). ولإسناد استجابة عمود الدخان إلى تباين النفاذية فقط، تم تثبيت المسامية (50%) ومعدل الحقن (200 متر مكعب/يوم عبر حاقن قاعدي واحد) وضغط الخزان الأولي المشبع بالمحلول الملحي (10 ميجا باسكال) في جميع عمليات التشغيل. تم تقييم أربعة سيناريوهات على مدار 100 يوم من حقن ثاني أكسيد الكربون: ثلاثة سيناريوهات مثالية بنفاذية موحدة لملء الأنفاق تبلغ 1 و10 و100 ملي دارسي مقابل مصفوفة بنفاذية 0.1 ملي دارسي، تمثل تباينات بين نفاذية الأنفاق والمصفوفة بمقدار رتبة واحدة ورتبتين وثلاث رتب، وسيناريو مُعاير ميدانيًا (S4) حيث تم استخلاص نفاذية ملء الأنفاق والمصفوفة من توزيعات لوغاريتمية طبيعية مُطابقة لقياسات النفاذية الموضعية (متوسط نفاذية ملء الأنفاق 31.57 ملي دارسي؛ متوسط نفاذية المصفوفة 5.77 ملي دارسي). في جميع السيناريوهات، كان تباين نفاذية الأنفاق والمصفوفة هو العامل الرئيسي المتحكم في شكل عمود الدخان، حيث أعاد إنتاج الانتقال من سلوك المسامية المزدوجة إلى سلوك النفاذية المزدوجة، الذي تم تحديده للوسط المحتوي على الأنفاق، في ظل تدفق ثنائي الطور. عند رتبة واحدة من التباين، تقدم عمود الدخان كجبهة منتشرة مع مشاركة كبيرة من المصفوفة. عند المستوى الثالث، توجّه التدفق ضمن إطار الجحور المتصلة، وانخفض متوسط تشبع الغاز في المصفوفة بنسبة 22% مقارنةً بالمستوى الأول، على الرغم من بقاء المصفوفة مشبعة بالغاز في معظم أجزاء النموذج. أما المستوى الثاني فكان حالة انتقالية بين هذين المستويين. ولأن هندسة الجحور ووفرتها ظلت ثابتة في جميع السيناريوهات المثالية، فإن هذه الاختلافات ناتجة عن تباين النفاذية فقط. في السيناريو المُعاير ميدانيًا، تُظهر دراسة الصخور المقطعية الرقيقة وقياس النفاذية الموضعية أن حشوات الحجر الرملي الخشنة المدعومة بالحبوب أكثر نفاذية بخمس مرات تقريبًا من مصفوفة الحجر الجيري الطيني المحيطة بها؛ وقد أنتج هذا التباين المقاس، الذي يقل عن رتبة مقدارية واحدة، عمودًا واسع الانتشار، مما يؤكد أن نسيج حشوات الجحور، وليس وفرة الجحور، هو الذي يتحكم في السلوك الهيدروليكي للطبقة. يؤكد التحليل الكمي أن هذا التباين لا يُنتج تخزينًا تفضيليًا يُذكر: فقد أظهر السيناريو المُعاير ميدانيًا عامل إثراء قدره 1.02، حيث احتفظت شبكة الأنفاق بنسبة 31.9% من ثاني أكسيد الكربون الحر بينما شغلت 31.2% من حجم المسام، مقابل عوامل إثراء بلغت 1.05 و1.13 و1.29 في الحالات المثالية. وبالتالي، يتناسب إثراء الأنفاق تناسبًا ضعيفًا مع التباين، حيث تزداد حصة الأنفاق بنحو أربع نقاط مئوية لكل رتبة مقدارية. تُظهر هذه النتائج أن المسامية والنفاذية المتوسطة لا يُمكنهما التنبؤ بهجرة ثاني أكسيد الكربون في الكربونات المُضطربة بيولوجيًا، وأن تحديد بنية الأنفاق وتباين نفاذية الأنفاق مع المصفوفة بشكل دقيق أمرٌ ضروري لتقديرات موثوقة لسعة التخزين وتصميم الحقن في خزانات الكربونات المُضطربة بيولوجيًا والخزانات الجوفية المالحة.

English Abstract

The notion that bioturbation creates centimeter-scale micro-architectures capable of redirecting, retarding, or channelizing injected CO₂ is established conceptually; however, it has not been directly tested through multiphase CO₂-brine simulations or laboratory experiments. This study tests that notion using multiphase flow simulation through a three-dimensional Thalassinoides burrow network reconstructed from X-ray computed-tomography (CT) data from the Glossifungites-bearing upper Ulayyah Member of the Upper Jurassic Hanifa Formation, central Saudi Arabia, used here as an outcrop analogue. The burrow–matrix permeability contrast is treated as the controlling variable rather than as a static, upscaled property. A CT volume guided multiple-point statistics reproduction of the burrow architecture within a 5 m geocellular model comprising burrow-fill and host-matrix domains. The model was upscaled and simulated in CMG-GEM for 100 days at 200 m³/day through a single basal injector. Porosity (50%) and initial brine-saturated reservoir pressure (10 MPa) were held constant to isolate permeability effects. A field-calibrated scenario (S4) used spot-permeametry-derived lognormal distributions averaging 31.57 mD for burrow fill and 5.77 mD for matrix. Three idealized scenarios (S1 to S3) assigned uniform burrow permeabilities of 1, 10, and 100 mD within a 0.1 mD matrix. Preferential CO₂ occupancy was quantified using an enrichment factor, defined as the proportion of free-phase CO₂ mass contained in the burrows divided by their proportion of pore volume. A value of 1 indicates that burrows contain CO₂ in proportion to their pore volume, values above 1 indicate preferential burrow storage, and values below 1 indicate burrow depletion. In the field-calibrated case, thin-section petrography and spot permeametry show the coarser, grain-supported packstone fills to be roughly five times more permeable than the mud-rich wackestone matrix. This measured contrast, below one order of magnitude, produced a broadly distributed plume in which burrows occupied 31.2% of pore volume and contained 31.9% of CO₂, an enrichment factor of 1.02 indicating negligible preferential storage. This scenario retained 23% more CO₂ than the highest-contrast case. Across the idealized scenarios, increasing permeability contrast transformed the plume from diffuse migration with substantial matrix participation to channelized flow through the connected burrow network, reproducing under two-phase flow the transition from dual-porosity to dual-permeability behavior established for burrowed media. At three orders of contrast, mean matrix gas saturation was 22% lower than in the one-order case, although approximately 83% of the matrix remained invaded. Enrichment factors were 1.05, 1.13, and 1.29, increasing only modestly with contrast. These results support micro-architectural control on multiphase flow but show that burrows govern where CO₂ travels more strongly than where it accumulates. Bioturbation is therefore neither uniformly favorable nor unfavorable for storage; its influence depends on burrow-fill texture and permeability contrast, which should be represented in plume forecasting, monitoring design, and containment-risk assessment.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Earth Sciences Petroleum > Reservoir Modelling and Simulation
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Thesis Advisor:	Korhan Ayranci,
Thesis Committee Members:	Ammar Elhusseiny, Hassan Eltom,
Depositing User:	JOSE COLMENARES
Date Deposited:	16 Sep 2026 08:43
Last Modified:	16 Sep 2026 08:43
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144763