Surface and Subsurface Geochemical Monitoring of an EOR-CO₂ Field: Buracica, Brazil

Monitoring géochimique en surface et sub-surface d’un gisement en production par récupération assistée et injection de CO₂ : le champ de Buracica, Brésil

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Abstract

This paper presents a surface and subsurface geochemical survey of the Buracica EOR-CO₂ field onshore Brazil. We adopted a methodology coupling the stable isotopes of carbon with noble gases to investigate the adequacy of geochemical monitoring to track deep fluid leakage at the surface. Three campaigns of CO₂ flux and concentration in soils were performed to understand the CO₂ variability across the field. The distribution of the CO₂ soil contents between 0.8 and 14% is in great part controlled by the properties of the soil, with a first-order topographic dependency. These results, together with a δ¹³C_CO2 between –15 and –23‰, suggest that the bulk of the soil CO₂ flux is biological. The gas injected and produced at numerous wells across the field showed a great spatial and somewhat temporal heterogeneity with respect to molecular, δ¹³C_CO2 and noble gas compositions. This heterogeneity is a consequence of the EOR-induced sweeping of the petroleum fluids by the injected CO₂, producing a heterogeneous mixing controlled by the production scheme and the distribution in reservoir permeability. In light of the δ¹³C_CO2 found in the reservoir, the stable isotopic composition of carbon was insufficient to track CO₂ leaks at the surface. We demonstrate how noble gases may be powerful leak discriminators, even for CO₂ abundances in soils in the bottom range of the biological baseline (~1%). The results presented in this study show the potential of geochemical monitoring techniques, involving stable isotopes and noble gases at the reservoir and soil levels, for tracing CO₂ in CCS projects.

Résumé

Le monitoring géochimique du gisement de Buracica, qui produit des hydrocarbures par récupération assistée et injection de dioxyde de carbone, est présenté dans cet article. Une méthodologie permettant de coupler l’utilisation des isotopes stables du carbone et des isotopes des gaz rares pour étudier la faisabilité de traçage d’une fuite de CO₂ du réservoir à la surface est détaillée. Les campagnes de prélèvement se sont déroulées sur trois périodes en deux ans, permettant de mesurer la variabilité des teneurs en CO₂ dans les sols et dans les réservoirs pétroliers. La distribution du CO₂ en surface varie de 0,8 à 14 % et peut être contrôlée en partie par les propriétés des sols et la topographie. Les résultats isotopiques du δ¹³C_CO2 varient entre –15 et –23 ‰ et suggèrent que le flux de CO₂ soit principalement biogénique. Le gaz injecté, puis produit à Buracica, est hétérogène en composition de par la récupération tertiaire du gisement induisant une infiltration de CO₂ à des niveaux variables et les variations de perméabilité au sein même du réservoir. Les résultats montrent qu’il est, dans ce cas, difficile de tracer le CO₂ du réservoir à la surface en fonction des valeurs isotopiques δ¹³C_CO2. Notre approche démontre le fort potentiel des gaz rares pour discriminer des mélanges, même à des teneurs faibles de CO₂ (~1 %). Les résultats illustrent le potentiel de ces nouvelles techniques de monitoring géochimiques pour suivre le CO₂ dans les projets de séquestration combinant les signatures du carbone stable avec celles des gaz rares.