Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 65 (2010), No. 3, pp. 485-502

Integrative Modeling of Caprock Integrity in the Context of CO₂ Storage: Evolution of Transport and Geochemical Properties and Impact on Performance and Safety Assessment

Modélisation intégrée de l’intégrité des roches de couverture dans le contexte du stockage du CO₂ : évolution des propriétés de transport et impact sur les performances et la sûreté du stockage

¹ CEA, DEN, DTN, Cadarache, 13108 Saint-Paul-lez-Durance - France
² BRGM, Service Eau, 45060 Orléans Cedex 2 - France
³ Institut de Géosciences, École des Mines de Paris, ARMINES, Fontainebleau - France
⁴ Institut français du pétrole, IFP, Direction Ingénierie de Réservoir, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison - France
e-mail: olivier.bildstein@cea.fr - c.kervevan@brgm.fr - vincent.lagneau@mines-paristech.fr - philippe.delaplace@ifp.fr - anthony.credoz@cea.fr - p.audigane@brgm.fr - erwan.perfetti@ifp.fr - n.jacquemet@brgm.fr - michel.jullien@cea.fr

Abstract

The objective of the “Géocarbone-Intégrité” project (2005-2008) was to develop a methodology to assess the integrity of the caprock involved in the geological storage of CO₂. A specific work package of the project (WP5) was dedicated to the integration of (1) the phenomenology describing the evolution of the storage system with a focus on the mechanisms occurring in the caprock and at the interface with the caprock, and (2) the data obtained from the investigation of petrographical, geomechanical, and geochemical properties, before and after reaction with CO₂-rich solutions, performed in the other work packages (WP1 to WP4). This knowledge was introduced in numerical models and specific safety scenarios were defined in order to assess the performance of the CO₂ storage system.

The results of the modeling show that the injection of CO₂ can potentially have a significant effect on the caprock by changing the porosity due to the dissolution and precipitation of minerals, but that the impact is limited to a zone from several decimeters to several meters of the caprock close to the interface with the reservoir depending on whether the supercritical carbon dioxide (SC-CO₂) plume enters into the caprock and if fractures are present at this location.

The methodology used in this project can be applied to a pilot site for the injection of CO₂ in the Paris Basin. A key aspect of the safety of such a facility will be to look at the coupling of geochemical alteration and the evolution of geomechanical properties in the short and medium terms (several hundreds of years). The challenge for the future will be to structure and apply the safety assessment methodology with an operational finality, in order to support the robustness of the transition step to CGS projects at the industrial scale.

Résumé

Le Volet 5 du projet « Géocarbone-Intégrité » visait à intégrer l’ensemble des mécanismes étudiés dans les quatre premiers volets du projet pour une évaluation de performance des couvertures et une étude de sûreté afin de s’assurer de leur préservation et de leur intégrité sur le long terme (de l’ordre du millénaire). L’objectif est, d’une part, d’aboutir à la construction d’un modèle phénoménologique multi-échelle global, puis à un modèle numérique décrivant le confinement du CO₂ par les couvertures, et, d’autre part, de déterminer les performances du confinement en identifiant les processus clés et les paramètres les plus influents.

Une première partie du programme a consisté en une intégration spatiale de l’ensemble des données phénoménologiques et structurales disponibles à la suite des travaux réalisés dans les différents volets (WP1 à WP4) et à la définition des scénarios types d’évolution du site de stockage (niveaux réservoirs et encaissants). Ce travail a permis de définir les cas tests à prendre en compte et de réaliser les calculs de performance par rapport aux scénarios d’injection et par rapport aux hétérogénéités majeures identifiées dans les niveaux de confinement (notamment les fractures).

Les résultats montrent que l’injection de CO₂ peut avoir un effet significatif, en altérant la porosité par dissolution et précipitation de minéraux, mais que l’impact est limité dans l’espace, de quelques décimètres à quelques mètres de l’interface réservoir-couverture, selon que la bulle de CO₂ supercritique pénètre ou non dans la couverture et selon la présence ou l’absence de fractures.

La prise en compte des résultats issus de l’analyse de sensibilité et l’analyse des incertitudes permettra de conduire des calculs de sûreté plus précis. Appliqués au futur site d’injection, ces calculs permettront d’évaluer la pérennité des propriétés de confinement des couvertures et de valider la qualité de confinement du site de stockage de CO₂. Il conviendra notamment d’évaluer l’impact du couplage entre les phénomènes géochimiques et géomécaniques sur le court et moyen terme (de l’ordre de la centaine d’années). Le défi pour l’avenir est de structurer et d’appliquer la méthodologie de l’analyse de sûreté, en mettant en avant la finalité opérationnelle, de manière à assurer la robustesse de la transition vers les projets de CGS à l’échelle industrielle.