Dynamic Fluid Flow and Geomechanical Coupling to Assess the CO2 Storage Integrity in Faulted Structures
Couplage des modélisations hydrodynamique et géomécanique pour évaluer l’intégrité d’un stockage de CO2 dans des structures faillées
IFP Energies nouvelles, 1 & 4 avenue de Bois-Préau, 92852
Rueil-Malmaison – France
e-mail: olivier.vincke@ifpen.fr
* Corresponding author
The SiteChar research on the Southern Adriatic Sea site focused on the investigation of the geomechanical and hydrodynamic behaviour of the storage complex in the case of CO2 injection in a reservoir consisting of fractured carbonate formations. Special attention was paid to the effects that natural faults and fractures might have on CO2 migration, and the effects that injection might have on the stability of faults. This assessment was originally performed via a hydro-geomechanical one-way coupling which relies on an adequate representation of faults in the model, allowing one to simulate fluid flow along the fault plane and inside faults as well as evolution of the stress state due to CO2 injection. The geological model was populated with petrophysical and geomechanical parameters derived either from laboratory measurements performed on samples from a reservoir analogue, or published literature. Since only sparse data were available, various scenarios were simulated to take into account the uncertainties in the fluid flow and geomechanical properties of the model: the different state of faults (i.e., open or closed) and various in situ stress state, commonly named geostatic stresses as the earth’s crust deformation is assumed to be slow regarding the short-term study. Various fluid flow parameters were also considered, although only one set of petrophysical data corresponding to the most realistic ones is considered here. Faults modeled as volumetric elements behave as flow pathways for fluids when they are conductive. The injected CO2 migrates inside and through the Rovesti fault, which is located near the injection well. The fluid flow also induces overpressure in the faults. The overpressure in the Rovesti fault reaches 2.2 MPa while it reaches 4.4 MPa at the bottom hole of the injector. Extending to about 30 km, the pore pressure field reaches the Gondola fault located at 15 km from the injection zone but the overpressure does not exceed 0.1 MPa at such a distance from the injection well. Using this overpressure as loading in the geomechanical model allows one to compute the effective stress variation in the whole geological model. The total effective stress is then computed by adding an estimation of the regional stress. Post-processing is performed to derive the likely damage of the faults according to the Mohr-Coulomb criterion. The results are illustrated on the Rovesti fault, which is located near the injection well and consequently the most likely to be reactivated. On the basis of available data, for all the modeled scenarios (various initial stress regimes, closed or open fault), no fault damage is observed, as the stress state stays below the Mohr-Coulomb criteria.
Résumé
Les travaux de recherche conduits dans le projet SiteChar sur le site situé en mer Adriatique sud se sont concentrés sur le comportement géomécanique des formations carbonates fracturées de ce site dans un contexte d’une injection de CO2. Une attention particulière est portée sur les effets que les failles et fractures naturelles peuvent avoir sur la migration du CO2 et inversement les effets que l’injection de CO2 peut avoir sur la stabilité des failles. Cette étude a été réalisée via un couplage hydro-géomécanique « one-way » reposant sur une représentation appropriée des failles qui permet de simuler les écoulements de fluide le long du plan de faille et à l’intérieur de celle-ci ainsi que l’évolution du champ de contrainte résultant de l’injection de CO2. Le modèle géologique a été habillé avec des propriétés pétrophysiques et géomécaniques issues de mesures de laboratoire réalisées sur des échantillons provenant d’un analogue ou sur base d’informations provenant de la littérature. Au vu du peu de données disponibles, différents scénarios ont été simulés pour appréhender les incertitudes sur les propriétés d’écoulement et les propriétés géomécaniques du modèle. Différents comportements hydrauliques de la faille (ouverte ou fermée) et différents états de contrainte in situ, communément appelée contrainte géostatique puisque la déformation de la croûte terrestre est supposée faible sur l’échelle de temps de l’étude, ont donc été simulés. Différents paramètres d’écoulement ont aussi été considérés même si un seul jeu de données pétrophysiques correspondant aux données les plus réalistes est ici présenté. Les failles modélisées comme des éléments volumiques, lorsqu’elles sont conductrices se comportent comme des chemins d’écoulement pour les fluides. Le CO2 injecté migre ainsi à l’intérieur et à travers la faille Rovesti qui est située proche du puits d’injection. Les écoulements de fluides induisent aussi une surpression dans les failles. La surpression dans la faille Rovesti atteint 2.2 MPa alors qu’elle atteint 4.4 MPa au fond du puits d’injection. S’étendant sur une trentaine de kilomètres, le champ de pression de pore atteint la faille Gondola située à 15 km de l’injection mais la surpression ne dépasse pas 0.1 MPa à une telle distance du puits. L’utilisation de cette surpression comme chargement dans le modèle géomécanique permet de calculer la variation de la contrainte effective dans l’ensemble du modèle géologique. La contrainte effective totale est alors calculée en rajoutant une estimation de la contrainte régionale. Un post-traitement est réalisé pour déduire l’endommagement éventuel des failles en utilisant un critère de Mohr-Coulomb. Les résultats sont illustrés sur la faille Rovesti, située près du point d’injection et dont la réactivation est la plus probable. À partir des données disponibles et pour tous les scénarios simulés (différents états de contraintes initiaux, failles ouvertes ou fermées) on n’observe pas d’endommagement des failles, l’état de contrainte, pendant et après l’injection, restant sous le critère de Mohr-Coulomb.
© A. Baroni et al., published by IFP Energies nouvelles, 2015
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