The role of Capillary Hysteresis in Enhancing CO₂ Trapping Efficiency and Storage Stability

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background: The intensifying impact of climate change demands innovative approaches to reduce atmospheric CO₂ levels. Carbon Capture and Storage (CCS) offers a viable solution by sequestering CO₂ in geological reservoirs. However, understanding the role of capillary hysteresis in CO₂ trapping is critical for optimizing CCS performance.

Aim: This study aims to investigate the influence of capillary hysteresis on CO₂ trapping efficiency in saline aquifers using detailed simulation models and varying hysteresis values.

Materials and methods: Advanced CMG simulation software was utilized to model CO₂ injection and migration in saline aquifers spanning depths of 1200–1300 meters. The model, initially saturated with brine, applied water-alternating-gas (WAG) injection at hysteresis values of 0.2, 0.3, 0.4, and 0.5 to evaluate their effect on CO₂ trapping efficiency.

Results: The simulations demonstrated a direct positive correlation between hysteresis values and CO₂ trapping efficiency. At a hysteresis value of 0.5, nearly 100% CO₂ trapping was achieved. This increased efficiency was attributed to stronger capillary forces immobilizing CO₂ more effectively and reducing mobility towards caprock, thereby minimizing leakage risks.

Conclusion: The study highlights the key role of capillary hysteresis in enhancing CO₂ sequestration. Higher hysteresis values improve long-term storage stability, emphasizing the need for optimized WAG injection strategies in CCS applications.

About the authors

Reza Khoramian

School of Mining and Geosciences, Nazarbayev University

Email: reza.khoramian@nu.edu.kz
ORCID iD: 0009-0008-7775-3816
Kazakhstan, Astana

Peyman Pourafshary

School of Mining and Geosciences, Nazarbayev University

Author for correspondence.
Email: peyman.pourafshary@nu.edu.kz
ORCID iD: 0000-0003-4600-6670

Professor

Kazakhstan, Astana

Masoud Riazi

School of Mining and Geosciences, Nazarbayev University

Email: masoud.riazi@nu.edu.kz
ORCID iD: 0000-0002-6843-621X

Associate Professor

Kazakhstan, Astana

References

  1. Sarkodie SA, Owusu PA, Leirvik T. Global effect of urban sprawl, industrialization, trade, and economic development on carbon dioxide emissions. Environmental Research Letters. 2020;15(3):034049. doi: 10.1088/1748-9326/ab7640.
  2. Mishra RK, Dubey SC. Solar activity cause and effect of climate variability and their various impacts. British Journal of Multidisciplinary and Advanced Studies. 2023;4(2):21–38. doi: 10.37745/bjmas.2022.0133.
  3. Kelemen P, Benson SM, Pilorgé H, et al. An overview of the status and challenges of CO₂ storage in minerals and geological formations. Frontiers in Climate. 2019;1:482595. doi: 10.3389/fclim.2019.00009.
  4. Ilavya A, Patel K, Bera A. Chapter Two – Underground carbon storage. In: Rahimpour MR, Makarem MA, Meshksar M, editors. Advances and Technology Development in Greenhouse Gases: Emission, Capture and Conversion. Greenhouse Gases Storage and Transportation. Elsevier; 2024. P. 25–44.
  5. Iglauer S. Optimum storage depths for structural CO₂ trapping. International Journal of Greenhouse Gas Control. 2018;77:82–87. doi: 10.1016/j.ijggc.2018.07.009.
  6. Moghadasi R, Goodarzi S, Zhang Y, et al. Pore-scale characterization of residual gas remobilization in CO₂ geological storage. Advances in Water Resources. 2023;179:104499. doi: 10.1016/j.advwatres.2023.104499.
  7. Bashir A, Ali M, Patil S, et al. Comprehensive review of CO₂ geological storage: Exploring principles, mechanisms, and prospects. Earth-Science Reviews. 2024;249:104672. doi: 10.1016/j.earscirev.2023.104672.
  8. Sasowsky ID, White WB, Webb JA. Acid mine drainage in karst terranes: geochemical considerations and field observations. In: Beck BF, editor. Karst Geohazards. London: Routledge; 1995. P. 241–247.
  9. Burnside NM, Naylor M. Review, and implications of relative permeability of CO₂/brine systems and residual trapping of CO₂. International Journal of greenhouse gas control. 2014;23:1–11. doi: 10.1016/j.ijggc.2014.01.013.
  10. Sedaghatinasab R, Kord S, Moghadasi J, Soleymanzadeh A. Relative permeability hysteresis and capillary trapping during CO₂ EOR and sequestration. International Journal of Greenhouse Gas Control. 2021;106:103262. doi: 10.1016/j.ijggc.2021.103262.
  11. Zapata Y, Kristensen MR, Huerta N, et al. CO₂ geological storage: Critical insights on plume dynamics and storage efficiency during long-term injection and post-injection periods. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2020;83:103542. doi: 10.1016/j.jngse.2020.103542.
  12. Edlmann K, Hinchliffe S, Heinemann N, et al. Cyclic CO₂–H₂O injection and residual trapping: implications for CO₂ injection efficiency and storage security. International Journal of Greenhouse Gas Control. 2019;80:1–9. doi: 10.1016/j.ijggc.2018.11.009.
  13. Shaw D, Mostaghimi P, Armstrong RT. The dynamic behavior of coal relative permeability curves. Fuel. 2019;253:293–304. doi: 10.1016/j.fuel.2019.04.107.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1. 2D aquifer model with perforations at a depth of 1220–1235 meters for water injection and 1285–1300 meters for CO₂ injection. An infinite boundary was also established by applying a volume modifier of 1000 to the right boundary

Download (501KB)
Indexing metadata
3. Figure 2. The utilized relative permeability curves for both water and CO₂ in highly water-wet sandstone cores through the primary drainage and imbibition phases, as inferred from the experimental study by Edlmann et al. [12] and mathematically represented using the Brooks-Corey-Moalem model [13]

Download (223KB)
Indexing metadata
4. Figure 3. (a) Total gas saturation profile showing CO₂ injected from the bottom left corner spreading upward and horizontally beneath the caprock. (b) Trapped gas saturation profile showing CO₂ immobilized by returning water in lower layers

Download (419KB)
Indexing metadata
5. Figure 4. (a) Total gas saturation profile after water injection, showing reduced gas saturation at the top; (b) Trapped gas saturation profile, illustrating the hysteresis effect enhancing CO₂ immobilization during the imbibition phase with a hysteresis of 0.3

Download (445KB)
Indexing metadata
6. Figure 5. (a) Total gas saturation profile from the drainage process showing less CO₂ movement to the top layers, with a smaller section exhibiting a gas saturation of around 45%; (b) Trapped gas saturation profile indicating increased CO₂ immobilization due to the hysteresis effect during the drainage process

Download (449KB)
Indexing metadata
7. Figure 6. (a) Total gas saturation profile showing complete trapping of injected CO₂ with no free gas remaining; (b) Hysteresis trapped gas profile illustrating the enhanced capillary trapping due to a hysteresis value of 0.5 during the imbibition process

Download (447KB)
Indexing metadata
8. Figure 7. Capillary trapped gas percentage as a function of dimensionless time for different hysteresis values

Download (338KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Khoramian R., Pourafshary P., Riazi M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».