mirantsotaterra

Pilar Queralt

XVII TROBADA DE PROFESSORAT DE CIÈNCIES DE LA TERRA I DEL MEDI AMBIENT

DEL BATXILLERAT 26 de gener 2017

Mirant sota terra: Noves tecnologies ofereixen nous serveis del nostre subsòl

Caracterització i seguiment de magatzems de CO2

amb tècniques geofísiques

Facultat de Ciències de la Terra

1





2





3





4

Captura i emmagatzematge de CO2 (CCS, Carbon Capture Storage)

• Reduir el balanç d’emissions de CO2 a l’atmosfera.

5

Procés: Captura Transport Emmagatzematge

magatzems de CO2

6

PREGUNTES INICIALS: 1. És possible emmagatzemar el CO2? 2. On tenim aquest espai? 3. Què li passa al CO2 quan injecta en el subsòl?

QÜESTIONS CLAUS: • Seguretat • Capacitat

REPTES: Trobar els llocs apropiats Cal una bona EXPLORACIÓ i CARACTERITZACIÓ Controlar la integritat de la roca segell Visualitza la migració i evolució del plomall de CO2 dins del reservori Controlar la quantitat de CO2 per saber si hi han fuites, per seguretat i eficiència. Cal un bon SEGUIMENT per Mesurar, Monitoritzar i Verificar (MMV)

magatzems de CO2

7

Les tècniques geofísiques i les propietats del C02 - Cal un contrast de propietats físiques - Cada mètode, un problema de resolució i penetració, i de soroll

- Mesures en superfície i puntuals, instrumentació permanent en superfície i en pous, que dispara els costos

- Cap cop més exigències: de “detectar” (qualitatiu) a “estimar la quantitat de CO2” (quantitatiu); i a més a més “viabilitat”.

-Què entenem per caracterització geofísica? Exemple -Què entenem per seguiment? Mesures en continu i mesures en time-lapse. Exemples

magatzems de CO2

Grandària/fondària d’interès

Res

olu

ció

Testimonis

Diagrafies

Estudis Locals

Estudis Regionals

Estudis entre pous

A condicions ambientals: T= 25o C i P=1 atm, la densitat del CO2 és molt petita, ocuparà molt espai!!! 1.98 Kg/m3 (0.002 g/cm3) 1tona =1000kg ocupa uns 500 m3 !!

8

Torre Agbar – tota plena de CO2

Alçada: 140m Planta aprox. 860m2

Volum 120 000m3 1 Torre Agbar = 240 tones de CO2

magatzems de CO2

1- ÉS POSSIBLE EMMAGATZEMAR EL CO2?

Una única planta de carbó de 103 MW produeix 6 milions de tones de CO2 per any !! 25 000 Torres Agbar plenes de CO2 !!

Punt Crític del CO2: T= 31,03oC i P= 7,38MPa (73 atm)

9

1- ÉS POSSIBLE EMMAGATZEMAR EL CO2?

magatzems de CO2

A condicions ambientals: T= 25o C i P=1 atm, la densitat del CO2 és molt petita, ocuparà molt espai!!! 1,98 Kg/m3 (0.002 g/cm3) 1tona =1000kg ocupa uns 500 m3 !!

10

magatzems de CO2

Benson & Cole, 2008

11

magatzems de CO2



Volum 120 000m3

12

magatzems de CO2



Volum 120 000m3

A 1500m 340m3 que considerant la mateixa superfície donaria una alçada d’uns 40cm !!

13

magatzems de CO2

14

En les roques magatzem, que són roques poroses i permeables. Encara que el CO2 supercrític ocupi molt poc espai, la situació en el magatzem no és tant favorable.

2- On tenim aquest espai lliure en el subsòl? I quan espai lliure?

magatzems de CO2

Bennaceur et al., 2004

magatzems de CO2

porus ple de CO2

saturació del 40% SCO2=0.4

Volum que involucra= VolumCO2/ (0.4 x 0.5)

porus amb salmorra

porositat del 50% =0.5

matriu


Volum 120 000m3

A 1500m 340m3 que reduïda a una alçada d’uns 40cm

16

magatzems de CO2


Volum 120 000m3

A 1500m 340m3 que reduïda a una alçada d’uns 40cm Ara bé en un material porós 12% i una saturació 50% El volum seria 5500m3, una alçada d’uns 6,3m

17

magatzems de CO2

20 kT CO2 = 11·106 m3 , (z = 0)

20 kT CO2 = 0.5·106 m3

(z = 1500 m, 12% de porositat i

50% de saturació)

135x135x30 m

18

magatzems de CO2

20 kT CO2 = 11·106 m3 , (z = 0)

19

magatzems de CO2

20 kT CO2 = 0.5·106 m3

(z = 1500 m, 12% de porositat i

50% de saturació)

135x135x30 m

20

magatzems de CO2

IPCC 2005. Overview of geological storage options (CO2CRC).

Capacitat més gran

Més repartits globalment

Aqüífers salins profunds

21

magatzems de CO2


22

magatzems de CO2


magatzems de CO2

segons CO2CRC gener 2010

Confinament estructural La seva ascensió queda aturada en la roca segell Confinament capil·lar Queda retingut en els porus Confinament per solubilitat Es dissol en la salmorra i tendeix a enfonsar-se Confinament mineral Finalment reaccionarà amb la roca i es mineralitzarà

Què li passa al CO2 injectat?

24

magatzems de CO2

El CO2 injectat desplaçarà part de l’aigua continguda a la porositat de les roques del voltant del pou d’injecció i s’acumularà formant el que es coneix com a plomall

(basada en Juanes et al. 2010)

25

IPCC 2005

magatzems de CO2

PRINCIPALS QUESTIONS: • Capacitat • Seguretat

bona caracterització i seguiment

26

magatzems de CO2

IPCC 2005

PRINCIPALS QUESTIONS: • Capacitat • Seguretat

bona caracterització i seguiment

27

magatzems de CO2

CICLE D’UNA PLANTA D’ENMAGATZEMATGE

Pérez Estaún, A. CIUDEN

Observables Geofísics

Paràmetres Geofísics

Observables Paràmetres Petrofísics

Variacions g Porositat

Variació I,V Permeabilitat

Temps viatge,

amplituds

Saturació

... Salinitat fluids

... Conductivitat

... ...

... ...

28

magatzems de CO2

Observables i propietats d’interès



Paràmetres Petrofísics

Variacions g Densitat Porositat

Variació I,V Resistivitat Permeabilitat

Temps viatge,

amplituds

Impedància acústica Ip,

Is

Saturació

... ... Salinitat fluids

... ... Conductivitat

... ... ...

... ... ...

29

magatzems de CO2





Variacions g Densitat Porositat

Variació I,V Resistivitat Permeabilitat

Temps viatge,

amplituds


Is

Saturació

... ... Salinitat fluids

... ... Conductivitat

... ... ...

... ... ...

30

magatzems de CO2




Observables Lab


Variacions g Densitat Densitat Porositat

Variació I,V Resistivitat Resistivitat Permeabilitat

Temps viatge,

amplituds


Is

Impedància acústica Ip, Is

Saturació

... ... Porositat Salinitat fluids

... ... Permeabilitat Conductivitat

... ... Saturació ...

... ... Salinitat fluids ...

31

magatzems de CO2


a)

TOMOGRAFIA ELÈCTRICA (ERT) a escala de laboratori

magatzems de CO2

Mesures de laboratori

Bosch et al. 2016

33

Les tècniques clàssiques geofísiques: gravimetria, mètodes geoelèctrics i mètodes sísmics poden ser apropiats

magatzems de CO2

PROPIETATS FÍSIQUES

(a condicions de reservori)

P=10MPa, T=350C

SALMORRA (~50 g/L)

CO2

Densitat 1032 kg/m3 650 kg/m3

Resistivitat 0,3 Ω.m 5 Ω.m

Velocitat ones P 1585 m/s 332 m/s

mòdul de compressibilitat

2,6 GPa 0,072 GPa

Contrast de propietats

34

PROPIETATS FÍSIQUES (a condicions de

reservori) P=10MPa, T=350C

SALMORRA (~50 g/L)

=0.12 Sw=1

CO2

=0.12 Sco2=0.5

Densitat 1032 kg/m3 2148kg/m3 650 kg/m3 2125kg/m3

Resistivitat 0,3 Ω.m 7.2 Ω.m 5 Ω.m 30 Ω.m

Velocitat ones P 1585 m/s 3750m/s 332 m/s 2440m/s


2,6 GPa 13,8 GPa 0,072 GPa 9,2 GPa

magatzems de CO2

Les tècniques clàssiques geofísiques: gravimetria, mètodes geoelèctrics i mètodes sísmics necessiten les relacions petrofísiques


35

PROPIETATS FÍSIQUES (a condicions de

reservori) P=10MPa, T=350C

SALMORRA (~50 g/L)

=0.12 Sw=1

CO2

=0.12 Sco2=0.5

Densitat 1032 kg/m3 2148kg/m3 650 kg/m3 2125kg/m3

Resistivitat 0,3 Ω.m 7.2 Ω.m 5 Ω.m 30 Ω.m

Velocitat ones P 1585 m/s 3750m/s 332 m/s 2440m/s


2,6 GPa 13,8 GPa 0,072 GPa 9,2 GPa

magatzems de CO2

Les tècniques clàssiques geofísiques: gravimetria, mètodes geoelèctrics i mètodes sísmics necessiten les relacions petrofísiques


36

Nakatsuka et al. (2010)

Mesures en la planta pilot de Nagaoka (Japó)

magatzems de CO2

n

CO

o

S

2

1

m

wo

on

Relacions petrofísiques:

llei d’Archie

suposant que

Sw=1

Mesures i relacions petrofísiques

REPRESENTEN REPTES I OPORTUNITATS PER A LES TÉCNIQUES GEOFÍSIQUES

37

Què volem dir amb la “caracterització”? Per l’emplaçament d’una planta d'emmagatzematge de CO2 en aqüífers salins profunds cal localitzar formacions geològiques que tinguin les següents propietats

• ZONA GEOLOGICAMENT ESTABLE • Porositat i salinitat adequades (per sobre del 10% i del 10g/l) • Capa superior impermeable • Tenir la grandària (gruix i extensió suficient) per encabir la quantitat de

CO2 plantejada • Estar a fondàries suficients, normalment més de 800m per emmagatzemar

el CO2 en estat supercrític • Ubicació pous d'injecció i observació • NIVELL o model de referència (“baseline”)

caracterització

38

htt

p:/

/old

.co

2cr

c.co

m.a

u/a

bo

utc

cs/m

on

ito

rin

g ca

racteritza

ció

39

caracterització

IGME-CIEMAT

Estudis del potencial d'emmagatzematge de CO2

40

Un exemple: Hontomín • Gravimetria (IGME) • Sísmica (ICTJA-CSIC) • Magnetotel·lúrica

(Geomodels/MT- UB) • Interpretació (Geomodels-UB) • CSEM-LEMAN (UB-BRGM-CGG) (a més a més de diagrafies,

geoquímica, hidrogeologia, etc.. entre altres..)

caracterització

3km x 5km anticlinal Aqüífer salí profund (~1500m)

• Dades gravimètriques i microgravimètriques

• Mesures de densitats • Interpretació a escala

regional • Inversió obtenció

d’un model 3D a escala reservori

41 IGME

caracterització

GRAVIMÈTRICA

42

mapa d’anomalies de Bouguer 2 punts/km2

caracterització

ESCALA REGIONAL GRAVIMÈTRICA

IGME

43

Correlació dels alineaments sobre el mapa d’anomalies de Bouguer i la geología de la zona.

caracterització

ESCALA REGIONAL GRAVIMÈTRICA

IGME

44 IGME

caracterització

GRAVIMÈTRICA

4km x 4km, un total de 1600 punts, en una malla de 100 m x 100m

45 IGME

Juràssic

mitjà-inferior 300 - 600 m.

Keuper, 500 - 2500 m

U. Anhidrítica

0 - 200 m.

46

caracterització

SÍSMICA

Caracterització Sísmica 3D Improvement of static corrections and velocity models Application DMO Migration 2D 3-components Horizontal component processing Tomografia sísmica 3D Applied to static corrections 2D 3-components 3D distribution of the physical properties

CSIC-ICTJA 47

caracterització

5x5km

IJA-CSIC, UB - Geomodels

caracterització

950 ms TWT

49

caracterització

IJA-CSIC

Aprox. 1400m

CAMPANYES MAGNETOTEL·LÚRIQUES (MT)

Bobines

Hx ,Hy, Hz

Data Logger

Electrodes

Dipols ENS, EEW

Bateries

Antena GPS

Data Logger (adquisició, filtratge, amplificació)

Sensors elèctrics: elèctrodes

2 dipols perpendiculars DVNS, DVEW ( EDV/d )

ENS (t), EEW (t)

Sensors magnètics: bobines /magnetòmetres

HNS (t), HEW (t), HZ (t)

caracterització

109 BBMT sites de MT cobrint una extensió

de 3x4 km2

Primavera 2010: 2D adquisició - perfil MTD- Tardor 2010: 3D adquisició

Longitud perfils: 4 km Distancia entre perfils: 500 m Distància entre estacions: 200 m Rang de períodes: 0.001-100 s Duració enregistrament24 hores.

caracterització


Ogaya et al. 2014

Model 2D de resistivitats

Ogaya et al. 2013 52

caracterització



caracterització



Ogaya et al. 2014

54

caracterització

Correlació Integració model estructural

55

caracterització

model estructural

sostre del reservori

ubicació pous

Control source electromagnetics (CSEM)

Modificat de Streich et al. 2010

seguiment

Caracterització nivell de referència pel

MT-2D MT-3D

CSEM

CSEM nivell de referència

Queralt et al. 2016

Annetts et al. 2012

58

seguiment

Resum de tècniques geofísiques

El senyal time-lapse que s’observa en el registre dels camps EM a cada receptor es quantifica considerant la variació de l’amplitud del camp elèctric horitzontal :

f=5Hz, p=15Am

Vilamajó et al. 2013

Un plomall de 136x136x26 m situat a z=1353m, I un dipol elèctric horitzontal en fondària sota el plomall, a z= 1380. La simulació inclou el soroll elèctric de Hontomín.

E W

CO2 plume

seguiment

Exemple de simulacions numèriques CSEM

Relació d’amplituds

seguiment

Tecnologies de seguiment i la seva aplicació G

lob

alcc

sin

stit

ute

20

14

Sleipner site

61

seguiment

Des de 1996 i previst operar fins el 2020. Representa el primer projecte CCS a escala industrial

Injecta 1 milió de tones de CO2 per any Statoil

62

seguiment

Visualització – sísmica canvi d'amplitud de les ones sísmiques per l' injecció de CO2

Sleipner site

reservori

Statoil

63

seguiment

Visualització - gravimetria

Sleipner site

Injecció en entre 2002 i 2005 de 2,6 MtCO2 produeix una anomalia d’uns -10µGal amb una incertesa d’uns 5µGal

Comparació de mesures experimental i modelitzacions numèriques. Volums de CO2 ~200 106 m3 a 2km de fondària

5µGal = 0.05 10 -6 m/s2 ( camp gravitatori a 90Mkm de la Terra !!)

Arts et al. 2008

64 http://www.co2ketzin.de/en/pilot-site-ketzin/summary.html

seguiment

Ketzin site

Projecte CCS pilot de 2008 a 2012 injectades 60kt CO2

La instal·lació i el disseny del dispositiu per a la ERT en pous a) Entubats aïllants elèctricament b) Elèctrode d'acer en forma d'anell c) Equip de ERT ZONGE

modificat de Bergmann et al. (2012)

d) Esquema dels pous, litologia i posicions dels elèctrodes (punts negres)

• CO2 SINK (Ketzin, Alemanya)

Schmidt-Hattenberger et al., 2011

2008 2009 2010

66

Seguiment amb ERT - quantificació

seguiment

Ketzin site

67

• SECARB (Cranfield, USA)

Carrigan et al., 2013

seguiment

Seguiment amb ERT - quantificació

Cranfield site

Projecte CCS pilot a gran escala de 2009 a 2015 injectades 1,5Mt/a fins a 3,8Mkt CO2,

68

PREGUNTES INICIALS: 1. És possible emmagatzemar el CO2? 2. On tenim aquest espai? 3. Què li passa al CO2 quan injecta en el subsòl?

QÜESTIONS CLAUS: • Seguretat • Capacitat

REPTES: Trobar els llocs apropiats Cal una bona EXPLORACIÓ i CARACTERITZACIÓ Controlar la integritat de la roca segell Visualitza la migració i evolució del plomall de CO2 dins del reservori Controlar la quantitat de CO2 per saber si hi han fuites, per seguretat i eficiència. Cal un bon SEGUIMENT per Mesurar, Monitoritzar i Verificar (MMV)

Conclusions

AGRAIMENTS

GRUP EXES/GEOMODELS: Juanjo Ledo, Alex Marcuello, Eloi Vilamajó, Xènia Ogaya, David Bosch, I en record d’Andrés Pérez Estaún+

69

geo models Institut de Recerca


Donat el caràcter i la finalitat exclusivament divulgativa i eminentment il·lustrativa

de les explicacions d’aquesta presentació, l’autor s’acull a l’article 32 de la Llei de

propietat intel·lectual vigent respecte de l’ús parcial d’obres alienes com a ara

imatges, gràfics o altre material contingudes en les diferents diapositives.

Dado el carácter y la finalidad exclusivamente divulgativa y eminentemente

ilustrativa de las explicaciones de esta presentación, el autor se acoge al artículo 32

de la Ley de Propiedad Intelectual vigente respecto al uso parcial de obras ajenas

coma como imágenes, gráficos u otro material contenidos en las diferentes

diapositivas.

Given the nature and informative purposes of this presentation and to illustrate the

explanations, the author invokes Article 32 of the Spanish Copyright Act applied in

respect the use of partial works of others such as images, graphics or other material

that can be contained in different slides of this presentation.

mirantsotaterra

Science