Magnetotelluric characterisation and monitoring of the Hontomín CO2 storage site, Spain

Abstract

The electromagnetic methods are especially interesting for the characterisation and monitoring of geological storage of CO2 sites. The electrical resistivity is a physical parameter that depends on the mineralogical composition of the rocks, as well as on other characteristics such as porosity, pore connectivity, pore fluid salinity, saturation, temperature and pressure. The CO2 injected in the reservoir produce changes in the resistivity that enables its detection with electromagnetic methods.

However, it is necessary to have a thorough knowledge of the structure at the pre-injection state to detect and quantify the changes produced by the injected CO2. The magnetotelluric method is the only electromagnetic method with a penetration depth ranging from ten of metres to hundreds of kilometres depth. Furthermore, this method allows determining the directionality and evolution of the structures in depth thanks to its tensorial character.

Hence, the objective of this thesis is to characterise using the magnetotelluric method, the Technological Development Plant (TDP) of Hontomín for Geological Storage of CO2 in a deep saline formation and evaluate the capabilities of the magnetotelluric method to monitor the injected gas.

The work presented in this thesis represents an important contribution to the characterisation projects of CO2 storage sites in deep saline formations. The 3D resistivity model obtained defines the reference geoelectrical model for the subsequent electromagnetic monitoring studies. Moreover, the model shows the dome structure of Hontomín and the main fault system. The model allows identifying the potential leakage zones and defines the monitoring needs for the Hontomín TDP. This model also correlates satisfactorily with hydrogeochemical, seismic, gravimetric and well-log data. Additionally, the monitoring capabilities of the magnetotelluric method have been assessed in this work, proposing a new methodology to improve the resolution of the surface magnetotelluric responses to resistivity changes occurred at the reservoir level.

La captura y almacenamiento geológico de dióxido de carbono (CO2) constituye una de las soluciones tecnológicas propuestas en la actualidad para reducir las emisiones de este gas a la atmosfera. El objetivo de esta tecnología es capturar y transportar el gas desde los grandes focos emisores hasta los lugares seleccionados como almacenes geológicos, donde es inyectado. Esta tesis se centra en la Planta de Desarrollo Tecnológico (PDT) de Hontomín (España), donde el almacenamiento geológico se llevará a cabo en un acuífero salino profundo. La PDT se enmarca en el proyecto Compostilla OXYCFB300, dentro del Programa Energético Europeo para la Recuperación (European Energy Programme for Recovery).

La mayoría de las propiedades físicas de la roca almacén, en especial la resistividad eléctrica, variarán tras la inyección de CO2. El fluido salino conductor contenido en el poro será sustituido por el gas, de carácter más resistivo, reduciendo el volumen de agua disponible para la conducción iónica. Por ello, los métodos electromagnéticos, sensibles a la resistividad eléctrica, son especialmente interesantes para este tipo de proyectos ya que permiten estudiar la evolución del gas inyectado y estimar la saturación de CO2 en el poro.

Esta tesis tiene por objetivo la caracterización, control y seguimiento de la PDT de Hontomín mediante el método magnetotelúrico. El objetivo principal es la obtención de un modelo geoeléctrico tridimensional (3D) de referencia, que permita caracterizar la zona en la situación de preinyección y sirva de modelo base para los posteriores estudios de seguimiento con métodos electromagnéticos de fuente controlada. Asimismo, esta tesis persigue evaluar la capacidad de control y seguimiento del método magnetotelúrico. Con este propósito, se ha desarrollado una nueva metodología para mejorar la resolución de las respuestas magnetotelúricas superficiales a cambios de resistividad producidos en el reservorio (metodología denominada layer stripping).

La caracterización de la PDT de Hontomín se ha llevado a cabo en dos etapas. En la primera etapa se adquirió un perfil magnetotelúrico de orientación NS. Este primer estudio demostró la idoneidad del método para caracterizar la zona de estudio y proporcionó un modelo geoeléctrico bidimensional (2D) de la misma. En la segunda etapa se completó la adquisición de los datos, lo que permitió la obtención del modelo geoeléctrico 3D de la PDT. Esta tesis presenta ambos estudios de caracterización. Cada uno de ellos es justificado por un análisis previo de dimensionalidad de los datos y detalla la metodología de inversión empleada para alcanzar resultados válidos y apropiados.

El modelo 2D obtenido previamente ha sido validado por el modelo 3D, el cual se correlaciona satisfactoriamente con datos hidrogeoquímicos, sísmicos, gravimétricos y datos de pozos, entre otros. Este modelo 3D constituye el modelo geoeléctrico de referencia de la PDT, siendo la principal contribución de esta tesis. El modelo muestra la estructura de domo de Hontomín y los principales conjuntos de fallas. Permite así identificar las posibles zonas de fuga y definir las necesidades de control y seguimiento de la PDT.

De este modo, esta tesis supone una importante contribución a los proyectos de caracterización de almacenes de CO2 en acuíferos salinos profundos. El método magnetotelúrico ha demostrado ser una técnica electromagnética apropiada para caracterizar el área de estudio. Los resultados obtenidos son significativos y ponen de manifiesto la importancia de establecer un modelo geoeléctrico de la situación de preinyección a fin de caracterizar la estructura, concretar las necesidades de control de la planta y definir el modelo de referencia para los posteriores estudios de seguimiento. Los estudios electromagnéticos son complementarios a estudios de caracterización sísmicos y dada su sensibilidad a la conductividad eléctrica, se establecen como métodos de resolución superior para determinados aspectos de interés en el almacenamiento de CO2 y su seguimiento a largo plazo.