A Geochemical Approach for Monitoring a CO₂ Pilot Site: Rousse, France. A Major gases, CO₂-Carbon Isotopes and Noble Gases Combined Approach

Une méthode géochimique pour la surveillance d’un site pilote de stockage de CO₂ : Rousse, France. Approche combinant les gaz majeurs, l’isotopie du carbone du CO₂ et les gaz rares

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Abstract

This paper presents the geochemical characterization of various gas end-members involved in a depleted gas field CO₂ storage pilot (Rousse, France). In this pilot, CO₂ is produced by oxycombustion from natural gas transformed into fuel gas at the Lacq plant, and transported in a pipeline 30 km away to the depleted gas reservoir of Rousse. Gases produced at Rousse before CO₂ injection, the Lacq fuel gas and the CO₂ resulting from the oxy-fuel combustion were sampled, together with gases from a –45 m monitoring well and from soils in the vicinity of the Rousse structure. For all samples, the bulk gas composition, the carbon isotopic compositions and the abundance and isotopic signatures of the noble gases were determined.

The bulk gas compositions of the Rousse natural gas are comparable to the Lacq fuel gas with methane as the main compound with residual C₂-C₅ and CO₂. Soil gases are typical mixtures of air with biogenic CO₂ (up to 9-10%), while the monitoring well gases display typical air compositions with no excess CO₂ The Rousse gas and the Lacq fuel gas have δ¹³C_CH4 values of –41.0‰ and –43.0‰ respectively. The injected CO₂ out of the oxycombustion chamber has a δ¹³C_CO2 of –40.0‰, whereas δ¹³C_CO2 value for soils samples is comprised between –15 and –25‰. The Rousse natural gas and the Lacq fuel gas are both characterized by a high He enrichment, and depletion in Ne, Ar and Kr compared to the air values. The oxyfuel combustion process provides a CO₂ with the He enrichment of the Lacq fuel gas, and a Ne, Ar and Kr composition reflecting that of the oxygen produced at the Air Separation Unit (ASU). Indeed, Ne is depleted relatively to the air, while Kr is enriched up to tenfold, which results from the cryogenic separation of the air noble gases within the ASU. Soil samples noble gas compositions are equivalent to that of the air.

In the light of these results, the compositions of the various end-members involved in this CO₂ storage pilot suggest that noble gas compositions produced by oxyfuel process are sufficiently exotic compared to compositions found in nature (reservoir, aquifer and air) to be directly used as tracers of the injected CO₂, and to detect and quantify leaks at soil and aquifer levels.

Résumé

Ce papier presente la caracterisation geochimique des differents gaz, naturels et anthropogeniques, impliques dans un pilote de stockage de CO₂ en champ de gaz naturel appauvri (Rousse, France). Dans ce pilote, le CO₂ est produit par oxycombustion d’un gaz naturel transforme en gaz domestique a l’usine de Lacq. Ce CO₂ est transporte dans un pipeline de 30 km de longueur jusqu’au reservoir de gaz appauvri de Rousse. Les gaz produits a Rousse avant injection de CO₂, le gaz commercial de Lacq et le CO₂ resultant de l’oxycombustion ont ete echantillonnes, ainsi que les gaz situes dans un puits de surveillance (a une profondeur de 45 m) et les gaz du sol situes au voisinage de Rousse. Pour tous ces echantillons, la composition en gaz majeurs, la signature isotopique du carbone ainsi que l’abondance et signature isotopique des gaz rares ont ete determinees.

Les compositions gazeuses du gaz naturel de Rousse sont comparables a celle du gaz domestique de Lacq avec le methane comme compose principal et la fraction C₂-C₅ et CO₂ comme gaz residuels. Les gaz des sols refletent typiquement des melanges entre l’air (pole pur) et le CO₂ d’origine biogenique (avec des teneurs maximales de l’ordre de 9-10 %), tandis que les gaz presents dans le puits de monitoring refletent typiquement la composition de l’air sans exces de CO₂. Le gaz de Rousse et le gaz domestique du site de Lacq ont une composition isotopique δ¹³C_CH4 egale a –41,0 ‰ et –43,0 ‰ respectivement. Le CO₂ injecte sur Rousse a une composition isotopique δ¹³C_CO2 egale a –40,0 ‰ a la sortie de la chambre d’oxycombustion, tandis que la composition isotopique δ¹³C_CO2 des gaz des sols est comprise entre –15 et –25 ‰. Le gaz naturel de Rousse et le gaz domestique du site de Lacq sont tous les deux enrichis en helium, appauvris en neon, argon et krypton par rapport aux valeurs de l’air (standard naturel). Le procede de combustion produit un CO₂ enrichi en helium, herite du gaz domestique de Lacq, et une composition en neon, argon et krypton refletant celle de l’oxygene produit par l’unite de separation d’air. En effet, le neon est appauvri relativement a l’air, tandis que le krypton est enrichi de 10 fois, resultant de la separation cryogenique des gaz rares au sein de l’unite de separation d’air. Les gaz rares des echantillons de sols ont une composition equivalente a celle de l’air.

A partir de ces resultats, les compositions des poles purs impliques dans le site pilote de stockage de CO₂ montrent que les compositions en gaz rares produits par le procede d’oxycombustion sont suffisamment exotiques en comparaison a celles trouvees dans la nature (reservoir, aquifere et air) et peuvent donc etre directement utilisees comme traceurs du CO₂ injectes, et donc de detecter et quantifier les fuites au niveau du sol et des aquiferes.