Thermodynamic Analysis of Organic/Inorganic Reactions Involving Sulfur: Implications for the Sequestration of H2s in Carbonate Reservoirs

Étude thermodynamique des réactions organiques/inorganiques du soufre : implications pour la séquestration de H₂S dans des réservoirs carbonatés

¹ Université Henri-Poincaré
² Géologie et gestion des ressources minérales et énergétiques
³ Total, CSTJF

Corresponding author: laurent.richard@g2r.uhp-nancy.fr

Abstract

A thermodynamic analysis has been made of water-gas-rock-hydrocarbon interactions involving sulfur in carbonate reservoirs. Mineral-solution equilibria calculations indicate that formation waters produced from carbonate reservoirs at temperatures between 40°C and 160°C in the Paris Basin, Alberta Basin, and the North Sea are saturated with respect to calcite and dolomite, but undersaturated with respect to anhydrite. The calculations also suggest that increasing the activity of dissolved H₂S (aH₂S_(aq)) in the reservoirs favors the formation of elemental sulfur, which constitutes a potential sequestration reaction for H₂S. It is also shown that high partial pressures of H₂S generated by thermochemical sulfate reduction in carbonate reservoirs may be controlled by metastable equilibrium states between hydrocarbons, organic sulfur compounds, elemental sulfur, and H₂S at partial pressures which are 4 to 6 orders of magnitude higher than in clastic reservoirs where the H₂S partial pressures are controlled by pyrite and iron carbonates. Depending on the H/C ratios of the hydrocarbons and organic sulfur compounds, H₂S may be consumed or produced as a result of petroleum sulfurization reactions in carbonate reservoirs.

Résumé

Les interactions eaux-gaz-roches-hydrocarbures impliquant le soufre dans des réservoirs pétroliers carbonatés sont analysées d'un point de vue thermodynamique. Des calculs d'équilibre minéraux-solutions indiquent que les eaux de formation de réservoirs carbonatés du Bassin parisien, du bassin de l'Alberta et de la mer du Nord sont en équilibre avec la calcite et la dolomite, mais qu'elles ne le sont pas avec l'anhydrite. Une augmentation de l'activité du sulfure d'hydrogène dans la phase aqueuse (aH₂S_(aq)) favorise la formation de soufre élémentaire, laquelle constitue une réaction de séquestration possible pour H₂S. Il est également suggéré que les fortes pressions partielles de H₂S associées à une réduction thermochimique des sulfates dans des réservoirs carbonatés pourraient être contrôlées par des équilibres métastables entre hydrocarbures, composés organiques soufrés, soufre élémentaire et H₂S gazeux. Ces pressions partielles de H₂S sont de 4 à 6 ordres de grandeur plus élevées que celles observées dans les réservoirs clastiques et pour lesquelles un contrôle par des équilibres entre H₂S, pyrite et carbonates ferrifères a été proposé. Selon les rapports H/C des hydrocarbures et des composés organiques soufrés, H₂S peut être soit produit, soit consommé au cours des réactions de sulfurisation des huiles dans les réservoirs carbonatés