Confining Properties of Carbonated Dogger Caprocks (Parisian Basin) for CO₂ Storage Purpose

Propriétés de confinement des couvertures du Dogger carbonaté (Bassin de Paris) dans l’optique du stockage de CO₂

¹ Institut français du pétrole, IFP, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
² CEA, LITEN, L2T, 38054 Grenoble - France
³ BRGM, 3 avenue Claude Guillemin, BP 6009, 45060 Orléans Cedex 2 - France
e-mail: patricia.carles@airliquide.com - pierre.bachaud@cea.fr - e.lasseur@brgm.fr - philippe.berne@cea.fr - pierre.bretonnier@ifp.fr

^* Corresponding author - now in Air Liquide

Abstract

The Géocarbone-Intégrité project, funded by ANR (Agence Nationale de la Recherche) from 2006 to 2008, has the overall objective of gaining knowledge and technology to predict storage integrity and safety for long term geological CO₂ sequestration. The aim of this study (Sect. 1 and 2 of the project) is to evaluate the sealing capacities of the carbonated Dogger caprocks located on top of the reservoirs where CO₂ could be injected for storage purposes in the Parisian Basin. A petrographic analysis is done on 3 different cores from geological formations of the “Comblanchien and Dalle Nacrée” tight carbonates facies. At the same time, a petrophysical study of these facies is performed. Porosity, pore size distribution and permeability are determined using special devices adapted to low permeability and tight rocks (< 10 microDarcy). Permeabilities are measured with nitrogen, helium and brine under confining pressure using unsteady-state and steady-state methods. Porosities are low and vary from 2 to 9%, depending on the facies, and single-phase permeabilities vary from 0.3 to 20 microDarcy. Using different techniques of porosity and permeability measurement allows evaluation of the uncertainties. The sealing efficiency of a caprock towards CO₂ is primarily controlled by the threshold capillary pressure at in situ conditions. This threshold pressure is first estimated by mercury injection (HPMI). It is also directly measured on core samples at in situ conditions with Nitrogen (N₂) and Carbon dioxide (CO₂) (to see the effect of CO₂ compared to a neutral gas on the threshold pressure). Two different techniques, described in detail in this article, are used: the dynamic method and the pressure step method. For the CO₂/brine system, measured threshold capillary pressures vary from 0.4 bar to 22 bar, depending on the facies. The P_th values, even for the tighter facies (CH106), are probably too low to exclude penetration of CO₂ into the caprock. This however does not rule out storage of CO₂, as long as it can be proved that the permeability of the caprock is low enough and its thickness large enough to limit the extent of this penetration even though overpressure is maintained for a long period.

Résumé

Le projet Géocarbone-Intégrité, financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) de 2006 à 2008, vise à développer les connaissances et les techniques nécessaires à la prévision de l’efficacité et la sécurité du confinement sur le long terme des stockages géologiques de CO₂. La première tâche a été de caractériser à l’échelle pétrographique, les faciès carbonatés du sommet du Dogger appartenant aux formations des Calcaires du Comblanchien et de la Dalle Nacrée, situées immédiatement au-dessus des niveaux réservoirs retenus comme potentiels sites de stockage. Une étude pétrophysique précise des faciès de couvertures potentielles est réalisée. La porosité, la distribution de taille de pores et la perméabilité sont déterminées en utilisant des méthodes adaptées à des milieux très peu perméables (< 10 microDarcy). Les perméabilités sont mesurées à l’azote, à l’hélium et à la saumure sous pression de confinement avec la méthode stationnaire et la méthode transitoire. Les porosités sont faibles et varient de 2 à 9 % suivant le faciès, et les perméabilités en monophasique varient de 0,3 à 20 microDarcy. Le fait d’utiliser plusieurs techniques de mesure de porosité et perméabilité permet d’évaluer l’incertitude des résultats. La pression capillaire de seuil est estimée par les courbes d’injection de mercure (Purcell). L’estimation à partir des courbes de Purcell est sujette aux incertitudes (choix des tensions interfaciales et du point d’entrée du mercure) et ne remplace donc pas une mesure directe de pression de seuil. La pression de seuil est donc aussi mesurée sur carotte en conditions in situ avec de l’azote (N₂) et du dioxyde de carbone (CO₂), pour voir l’effet du CO₂ sur la pression d’entrée par rapport à un gaz neutre. Deux méthodes sont utilisées, la méthode classique par paliers de pression et la méthode dynamique. La méthode dynamique est basée sur la réduction de débit de saumure en sortie de l’échantillon lorsque le gaz commence à pénétrer à l’entrée de l’échantillon saturé en saumure. Chacune de ces méthodes possède des avantages et des limites d’application mis en exergue dans le cadre de cette étude. Pour le système CO₂/saumure les valeurs de pressions de seuil mesurées vont de 0,4 à 22 bar suivant les faciès. Les valeurs de P_th, même pour le faciès le pluscompact, sont probablement trop faibles pour que l’on puisse exclure une pénétration du CO₂ dans la roche de couverture. Cette constatation n’interdit toutefois pas d’envisager un stockage de CO₂, dans la mesure où on peut montrer que la perméabilité de la couverture est suffisamment faible, et son épaisseur suffisamment grande, pour que cette pénétration reste limitée malgré le maintien de la surpression sur la durée.