Co2 storage: flow in damaged geological formations

Abstract

[CASTELLÀ] El almacenamiento de CO2 supercrítico en estratos limitados por formaciones rocosas impermeables (Carbon Capture and Storage, Carbon Sequestration o, simplemente CCS) ha sido propuesto como método para reducir la emisiones a la atmósfera de gases de efecto invernadero. Sin embargo, estas técnicas pueden conducir al daño potencial de la roca como resultado de las sobrepresiones de gas. Consecuentemente, prever su comportamiento es de gran importancia para evitar la migración de fluido, una situación que reduciría la eficiencia del almacenamiento, contaminaría los acuíferos cercanos e incluso podría desencadenar eventos sísmicos debido a la reactivación de fallas. El objeto de esta tesina es estudiar varios aspectos relacionados con el CCS, centrándose en cómo el desarrollo de tales proyectos de inyección puede afectar al medio geológico. En la primera parte, el tema se desarrolla desde una perspectiva más teórica, introduciendo el concepto de CCS y revisando la teoría geotécnica más relevante en relación al flujo multifásico y al comportamiento de fracturas. El trabajo se centra luego en la importancia de la modelación numérica y, en particular, en el uso del código de elementos finitos CODE_BRIGHT para simular este tipo de problemas. En un acercamiento más práctico, un interesante caso real, el proyecto de inyección de In Salah, ha sido seleccionado como ejemplo de cómo la existencia de elementos fracturados puede alterar el comportamiento esperado de un medio geológico. De un modo simplificado, y con el objeto de entender las particularidades de este caso, se han realizado algunas simulaciones bidimensionales. Finalmente, se simula un típico entorno reservoir-caprock, como el que puede encontrarse en esquemas de almacenamiento de CO2, a partir de datos proporcionados por varios papers (Rutqvist, 2008, 2010 & 2013). Las simulaciones se llevan a cabo suponiendo tres escenarios diferentes con geometrías similares y bajo condiciones dañadas y no dañadas de la roca. Se concluye que la existencia de fracturas (aunque inicialmente cerradas) en la roca sello podría desencadenar una migración incontrolable de CO2 supercrítico hacia estratos superiores y podría conducir, además, a movimiento verticales (levantamientos) mucho mayores e incontrolados. Se estudia el caso particular de la existencia de una falla vertical (modelada como una área dañada en lugar de un plano de discontinuidad). En este caso, la zona donde la falla intersecta al estrato de inyección es especialmente crítica. Es allí donde se observa el mayor decremento de tensiones efectivas netas y, por consiguiente, es un potencial punto de rotura que podría propagar la inestabilidad de la falla, permitiendo al CO2 migrar si el incremento de permeabilidad es suficientemente grande. Se observa la formación de un camino preferencial claramente definido, y como el CO2 continúa propagándose a través de la falla hasta alcanzar un estado estacionario ya lejos del estrato de inyección.

The storage of supercritical CO2 in reservoirs capped by impervious rock formations (Carbon Capture and Storage, Carbon Sequestration or, simply, CCS) has recently been proposed as an approach to reducing atmospheric emissions of greenhouse gases. Nevertheless, these techniques could lead to the potential damage of the hosting rock as a result of gas overpressure. Thus, forecasting its behaviour is of utmost importance to avoid fluid migration, a situation that would reduce storage efficiency, pollute nearby aquifers and even trigger seismic events due to fault reactivation. This thesis is aimed at studying several aspects concerning Carbon Sequestration, paying special attention to how the development of such injection projects could affect geological media. The first part of the thesis approaches the topic from a more theoretical perspective, intoducing the concept of CCS and reviewing the most relevant geotechnical theory that rule multiphase flow and fracture behaviour. The work is then focused on the importance of numerical modelling and, in particular, the use of the finite element code CODE_BRIGHT to simulate this type of problems. In a more practical approach, an interesting real case, the In Salah injection project, is selected as an example of how the existence of highly conductive, fractured features can alter the expected behaviour of geological media. In a simplified manner, and in an attemp to understand the particular aspects of this case, some 2-D simulations have been carried out. Finally, a typical reservoir-caprock environment as found in CO2 storage schemes is simulated using data provided by several papers (Rutqvist, 2008, 2010 & 2013). [ANGLÈS] Simulations are carried out assuming three different scenarios for a similar geometry under damaged and undamaged conditions. It is concluded that the existence of fractures (although inititally closed) in the sealing caprock could trigger an uncontrollable migration of supercritical CO2 to upper strata and could also lead to much bigger, and also uncontrolled, vertical displacements (uplifts). The particular case in which a vertical fault (modeled as a damaged area rather than a single discontinuity plane) exists is studied. In this case, the zone where the vertical feature intersects the reservoir is especially critical. It is there where the maximum decrease in effective net stresses is observed and, thus, it is a potential failure point that could also propagate fault inestability by allowing CO2 to keep moving upwards if the increment of permeability is big enough. The formation of a clearly defined preferential path is observed, and CO2 is allowed to keep spreading through the fault until it reaches a steady state far from the injection reservoir.