Numerical Simulations of Enhanced Gas Recovery at the Załęcze Gas Field in Poland Confirm High CO₂ Storage Capacity and Mechanical Integrity

Des simulations numériques de récupération assistée de gaz sur un gisement de gaz de Załęcze en Pologne confirment les capacités de stockage de CO₂ élevées et l’intégrité mécanique dudit gisement

¹ AGH University of Science & Technology, Aleja Adama Mickiewicza 30, 30-059 Kraków – Poland
² TNO, Earth, Environmental and Life Sciences, Princetonlaan 6, NL-3584 CB Utrecht – The Netherlands
³ GFZ German Research Centre for Geosciences, Telegrafenberg, 14473 Potsdam – Germany
e-mail: kempka@gfz-potsdam.de

^* Corresponding author

Abstract

Natural gas from the Załęcze gas field located in the Fore-Sudetic Monocline of the Southern Permian Basin has been produced since November 1973, and continuous gas production led to a decrease in the initial reservoir pressure from 151 bar to about 22 bar until 2010. We investigated a prospective enhanced gas recovery operation at the Załęcze gas field by coupled numerical hydro-mechanical simulations to account for the CO₂ storage capacity, trapping efficiency and mechanical integrity of the reservoir, caprock and regional faults. Dynamic flow simulations carried out indicate a CO₂ storage capacity of 106.6 Mt with a trapping efficiency of about 43% (45.8 Mt CO₂) established after 500 years of simulation. Two independent strategies on the assessment of mechanical integrity were followed by two different modeling groups resulting in the implementation of field- to regional-scale hydro-mechanical simulation models. The simulation results based on application of different constitutive laws for the lithological units show deviations of 31% to 93% for the calculated maximum vertical displacements at the reservoir top. Nevertheless, results of both simulation strategies indicate that fault reactivation generating potential leakage pathways from the reservoir to shallower units is very unlikely due to the low fault slip tendency (close to zero) in the Zechstein caprocks. Consequently, our simulation results also emphasise that the supra- and subsaliniferous fault systems at the Załęcze gas field are independent and very likely not hydraulically connected. Based on our simulation results derived from two independent modeling strategies with similar simulation results on fault and caprock integrity, we conclude that the investigated enhanced gas recovery scheme is feasible, with a negligibly low risk of relevant fault reactivation or formation fluid leakage through the Zechstein caprocks.

Résumé

Le gaz naturel du gisement de Załęcze, situé dans la structure monoclinale de la région des Sudètes au niveau du Bassin Permien sud, est produit depuis novembre 1973, moyennant quoi la production de gaz continue a donné lieu à une diminution de la pression initiale du réservoir de 151 bar à environ 22 bar en 2010. Nous avons effectué une étude prospective mettant en jeu une opération de récupération de gaz améliorée sur le gisement de gaz de Załęcze par des simulations hydromécaniques numériques couplées et prenant en compte les capacités de stockage de CO₂, l’efficacité de piégeage et l’intégrité mécanique du gisement, des roches couverture et des failles régionales. Les simulations hydrodynamiques réalisées indiquent une capacité de stockage de CO₂ de 106,6 Mt avec une efficacité de piégeage d’environ 43 % (45,8 Mt de CO₂) établie après 500 ans de simulation. Deux stratégies indépendantes pour l’évaluation de l’intégrité mécanique ont été suivies par deux équipes différentes donnant lieu à la mise en œuvre de modèles de simulation hydromécaniques de l’échelle du gisement jusqu’à l’échelle régionale. Les résultats de simulation basés sur l’application de différentes lois constitutives pour les unités lithologiques présentent des écarts de 31 % à 93 % pour les déplacements verticaux maximum calculés au niveau supérieur du réservoir. Toutefois, les deux stratégies de simulation montrent qu’une réactivation des failles susceptible de générer des voies de fuite potentielles du réservoir vers des unités moins profondes, est improbable du fait de la tendance à un faible glissement de faille dans les roches couvertures de Zechstein. Nos résultats de simulation soulignent également que les systèmes de failles supra- et sous-salinifères du gisement gazier de Załęcze sont indépendants et vraisemblablement pas reliés hydrauliquement. Sur la base des simulations associées aux deux stratégies de modélisation indépendantes, et qui présentent des résultats similaires en matière d’intégrité des roches couverture et des failles, nous concluons que le schéma de récupération assistée de gaz étudié est réalisable, avec un risque négligeable de réactivation de la faille ou de fuite du fluide de formation à travers les roches couverture du Zechstein.