Tomografia elèctrica a escala de laboratori: investigació del sistema roca-salmorra-CO(2)

Abstract

La captura i emmagatzematge geològic de CO2 es considera una opció viable per a la reducció de les emissions netes d’aquest gas a l’atmosfera terrestre. El procés consisteix a separar el CO2 de la resta de gasos generats durant l’ús de combustibles fòssils, transportar-lo fins a les plantes d’emmagatzematge i injectar-lo en una formació porosa i permeable que el retindrà, en principi, indefinidament. En aquesta tesi es consideren els aqüífers salins profunds com a reservori de CO2 de referència.

La fase d’emmagatzematge requereix que es monitoritzi el subsòl mitjançant tècniques indirectes no destructives, amb l’objectiu de caracteritzar la distribució del CO2 dins el reservori per poder assegurar que la contenció és efectiva i permanent. Entre els mètodes de monitoreig existents, els mètodes elèctrics i electromagnètics són molt convenients, degut a la seva sensibilitat a la conductivitat elèctrica, una propietat física intrínsecament relacionada amb la fracció de volum de fluids conductors presents a la porositat de la roca. Quan s’injecta CO2 al subsòl, la substitució de salmorra (conductora) per gas (resistent) genera un contrast de resistivitat detectable amb mètodes elèctrics i electromagnètics. En funció de la magnitud del canvi, es pot quantificar la saturació de CO2 del reservori.

Aquesta tesi centra la seva investigació en els efectes elèctrics d’alguns dels fenòmens que tenen lloc a micro-escala durant el procés d’injecció i emmagatzematge geològic de CO2. L’objectiu principal consisteix a caracteritzar la distribució de resistivitat elèctrica d’una mostra centimètrica de gres de Fontainebleau en dos experiments principals, mitjançant la tècnica de la tomografia elèctrica aplicada a escala de laboratori.

Els dos experiments principals d’aquesta investigació inclouen, per un cantó, la quantificació de la saturació de CO2 per a diferents graus de saturació i, per l’altre, el monitoreig del sistema en un experiment de dissolució de CO2 a alta pressió (40 bar). A l’experiment I, la mostra representa una petita fracció d’un aqüífer salí profund (saturat d’una salmorra molt salina) en diferents estadis de l’avanç del plomall de CO2. A l’experiment II, la mostra representa una fracció d’un aqüífer somer (amb una salmorra poc salina) en la qual hi ha hagut una invasió de CO2 des d’un aqüífer proper.

Per tal de poder realitzar els experiments plantejats, s’ha dissenyat i muntat un sistema experimental que permet realitzar mesures de tomografia elèctrica a les condicions de pressió requerides, sense haver d’aturar l’experiment.

Els dos experiments principals són una de les contribucions més importants d’aquesta tesi, perquè per primer cop s’ha aplicat tomografia elèctrica a escala centimètrica en experiments que involucren CO2. Els resultats han demostrat que el sistema experimental permet obtenir dades significatives i de bona qualitat. Els models resultants de l’experiment I han permès quantificar la saturació de CO2 a l’interior de la porositat de la roca, mentre que l’experiment II ha permès determinar l’augment de la conductivitat de la salmorra degut a la dissolució i dissociació de CO2 al llarg de vuit dies.

Així, aquesta tesi suposa una contribució rellevant al camp de l’emmagatzematge geològic de CO2 i al de l’aplicació de la tomografia elèctrica a escala de laboratori, presentant una investigació dels fenòmens elèctrics fruit de la interacció entre els components del sistema roca–salmorra–CO2 a escala centimètrica. Les dades experimentals adquirides, a més, constitueixen una base de coneixement per a la calibració dels models obtinguts amb tècniques elèctriques i/o electromagnètiques de gran escala, o per a la realització de processos d’upscaling.

Carbon capture and storage (CCS) is considered a feasible alternative to reduce the net emissions of CO2 to the atmosphere. This thesis is related to the monitoring phase of the process, after CO2 has been injected into the porosity of a reservoir and the evolution of the system and its properties has to be controlled. The main goal of monitoring is to obtain an accurate characterization of the subsurface CO2 accumulation, in order to verify the quantity of injected gas and to detect any possible leakage.

Geophysical monitoring of the reservoir is performed from the surface or along boreholes, and thus it becomes necessary to perform laboratory experiments to investigate the behavior of the reservoir rock in relation to CO2, and to calibrate the results of the field scale methods. Electric and electromagnetic methods are especially well-suited for CCS monitoring due to the sensibility of electric resistivity to CO2 saturation.

This thesis focuses on two main objectives. Firstly, to design and construct an experimental setup which is able to perform electrical tomography measurements on a centimeter-scale rock sample at various P-T conditions. Secondly, to perform two new experiments related to CO2 monitoring.

In the first experiment, we have quantified the CO2 saturation inside a cylindrical (4x8 cm) Fontainebleau rock sample at various CO2 volume fractions, emulating a small fraction of a saline aquifer at different injection stages (the sample was saturated with a highly saline brine). In the second experiment, we have detected and quantified the effects of the dissolution of the CO2 in the brine on the same sample at a pressure of 40 bar during eight days, emulating the invasion of CO2 into a shallow aquifer (the brine used was of low salinity).

Both experiments of this thesis represent a contribution to the CCS field, as they highlight some important aspects which are typically neglected, such as the effect of the surface conductivity and the variation of brine conductivity during the experiment. If both factors are ignored, the CO2 saturation will be underestimated by using only the resistivity index method. We have modified the equation to account for these two influences, thus contributing to a more accurate monitoring.