CO2 convective dissolution in a 3-D granular porous medium: an experimental study

Geological storage of CO2 in deep saline aquifers is a promising measure to mitigate global warmingby reducing the concentration of this greenhouse gas in the atmosphere. When CO2 is injected in thegeological formation, it dissolves partially in the interstitial brine, thus rendering it denser than theCO2-devoid brine below, which creates a convective instability. This instability has been intensivelydiscussed by numerical and theoretical approaches at the Darcy scale, but few experimental studies havecharacterized them quantitatively. By using both refractive index matching and planar laser inducedfluorescence, we measure the onset characteristics of the convective dissolution instability in a 3-Dporous medium located below a gas compartment. Within the CO2 partial pressure range studied, ourresults highlight that the dimensional growth rate of the instability remains constant and one to threeorders of magnitude larger than the predicted value. We demonstrate that these experimental results areconsistent with a forcing of convection by porosity fluctuations.Le stockage géologique du CO2 dans les aquifères salins est une mesure prometteuse pour réduire lesémissions de ce gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Lorsque le CO2 est injecté dans de telles for-mations géologiques, il se dissout en partie dans l’eau salée interstitielle, créant ainsi une couche richeen CO2 et située au dessus de l’eau salée sans CO2, qui est plus légère. Cela provoque une instabilitéconvective, qui a surtout été étudiée par des approches numériques et théoriques fondées sur le cou-plage densitaire entre l’équation de transport du CO2 dissous et la loi de Darcy. En utilisant à la fois unajustement d’indice optique et une technique de fluorescence induite par laser, nous avons mesuré ex-périmentalement les caractéristiques de cette instabilité dans un milieu poreux granulaire 3D surmontépar un réservoir de gaz. Dans la gamme de pression partielle de CO2 étudiée, les résultats montrentque le taux de croissance de l’instabilité reste constant et se trouve un à trois ordres de grandeur audessus des prédictions théoriques. Nous démontrons que ces résultats sont compatibles avec un forçagede l’instabilité par des fluctuations de porosité