WO2009144390A1 - Method for checking the integrity of geological storage of co<sb>2</sb> - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for stopping or greatly slowing down the CO2 migration process in case of loss of storage integrity, in particular by fracturing or microcracking of the rock cover. For this, we put in place a reducing agent for CO2 mobility in storage leaks.
- the present invention relates to a method for controlling the integrity of a geological storage containing CO2, in which the following steps are carried out:
- a solution of CO2 mobility reducing agent is injected in the vicinity of a fragile or weakened zone of the blanket where a CO2 leak has occurred, or may take place.
- the mobility reducing agent may be a foaming agent selected for foaming the leaking CO2 through said blanket.
- the foaming agent may be a surfactant or a mixture of surfactants, in aqueous solution.
- the injection point of the mobility reducing agent may be in the vicinity of the roof of the tank. Sensors can detect the embrittlement of the cracking cover to trigger the injection of a determined volume of CO2 mobility reducing agent.
- FIG. 1 schematically shows a fractured reservoir according to FIG.
- FIG. 2 shows the implementation of the present invention in this same reservoir.
- FIG. 1 schematically shows an aquifer reservoir 1 whose top 2 is located at a depth Z of the surface 3, in which CO2 has been stored on a height H.
- the overpressure exerted by the CO2 on the roof of the storage tank 100 m thick H is then close to 6 bar in said hydrostatic conditions.
- the situation considered corresponds to the situation where an unforeseen and / or accidental event (overpressure in CO2 storage, tectonic movement, or other cause) leads to a fracturing of the cover.
- This fracturing occurs at the highest point of the reservoir, where the curvature of the terrain (in the case of a classical anticlinal structure) and the pressure is usually the highest.
- the CO2 velocity as formulated above, is compared to that employed using the present invention.
- the storage bubble control devices having revealed the loss of integrity of the cover, in particular by fracturing, the procedure which is the subject of the present invention consists in injecting a volume ("stopper") of aqueous solution comprising a surfactant. specific to the top of the storage tank.
- a volume (“stopper") of aqueous solution comprising a surfactant. specific to the top of the storage tank.
- FIG 2 there is shown a conduit 5 installed in a well 6 drilled from the surface. All means known to those skilled in the art of drilling and production can be used for the establishment of this conduit.
- the particularity of this surfactant is that it is chosen to generate a foam in the presence of CO2. This foaming character results in a very strong increase in the apparent viscosity of the fluid.
- the state of the art shows that the viscosity of the foam thus obtained can reach a value of the order of 100 to 1000 times that of the initial fluid lacking foaming agent.
- Such an increase in viscosity has been observed during experiments of flows performed in porous media of high permeability (greater than 1 Darcy), to which the cracks can be assimilated.
- This operation of placing a surfactant in the area where a leak is presumed to the roof is designed and sized to obtain a near-stop of the leak. To do this :
- a surfactant is selected to generate a foam in contact with gas.
- all the families of surfactants whether they are anionic, nonionic or amphoteric, make it possible to obtain a foam with a low concentration of additive in solution, in particular of the order of 0.001 to 0.5%;
- the surfactant is chosen as a function of its good stability under the conditions of the reservoir;
- the surfactant can be injected in its initial commercial form, or more or less concentrated;
- thermodynamic properties specific to CO2 Take into account such thermodynamic properties specific to CO2, consider the case shown schematically in Figure 2, where the foam properties are only acquired at the point M located at the vertical distance L g of the roof of the tank
- the pressure gradient linked to the flow is no longer uniform along the path AB but increases considerably on the segment MB in which the fluid flowing in the crack has a foam behavior.
- the density ⁇ g of the foam is assumed not to differ from that of the original CO2. Otherwise :
- CO2 in the form of foam
- M are then increased in the same ratio viscosities of the foam and the original fluid.
- CO2 in the form of foam
- the procedure according to the invention of setting up a foaming agent at the top of the tank allows to slow down about two or even three orders of magnitude the speeds and migration times of CO2 in the hydraulic path created from the top of the tank.
- the present invention thus provides operators with considerably increased time to analyze the situation and take the necessary measures.
Abstract
The present invention relates to a method for checking the integrity of geological storage containing CO2, wherein the following stages are carried out: CO2 is injected into a geological formation (1) closed by a caprock (4) that prevents the CO2 from resurfacing; and a reducing agent solution is injected, reducing CO2 mobility in the vicinity (A) of a vulnerable or endangered area of the covering where CO2 has escaped or may escape.
Description
MÉTHODE DE CONTRÔLE DE L'INTÉGRITÉ D'UN STOCKAGE GÉOLOGIQUE CONTENANT DU CO2 METHOD OF CONTROLLING THE INTEGRITY OF GEOLOGICAL STORAGE CONTAINING CO2
La présente invention concerne le domaine du stockage de CO2 dans le sous-sol, par exemple dans un réservoir géologique dont la structure et la nature des sédiments de couverture assurent naturellement le confinement du fluide stocké dans ce réservoir, en l'occurrence du CO2.The present invention relates to the field of CO2 storage in the subsoil, for example in a geological reservoir whose structure and the nature of the sediment cover naturally ensure the containment of the fluid stored in the reservoir, in this case CO2.
Le maintien, le contrôle et la maîtrise des qualités de confinement du CO2 au cours de la vie du stockage nécessitent :Maintaining, controlling and controlling the CO2 containment qualities during the storage life require:
(a) de prévoir des dispositifs et/ou des méthodes de surveillance quant à la survenue inopinée de toute migration de CO2 hors du réservoir de stockage,(a) to provide for devices and / or methods of monitoring the unexpected occurrence of any migration of CO2 from the storage tank,
(b) de prendre des dispositions afin de garantir les éventuels risques qu'une telle fuite serait susceptible de faire encourir à l'environnement.(b) to take steps to ensure the possible risks that such leakage would be likely to cause to the environment.
La présente invention concerne une méthode destinée à stopper ou ralentir fortement le processus de migration du CO2 en cas de perte d'intégrité du stockage, en particulier par fracturation ou microfissuration de la roche couverture. Pour cela, on met en place un agent réducteur de la mobilité du CO2 dans les fuites du stockage.The present invention relates to a method for stopping or greatly slowing down the CO2 migration process in case of loss of storage integrity, in particular by fracturing or microcracking of the rock cover. For this, we put in place a reducing agent for CO2 mobility in storage leaks.
Ainsi, la présente invention concerne une méthode de contrôle de l'intégrité d'un stockage géologique contenant du CO2, dans laquelle on effectue les étapes suivantes:Thus, the present invention relates to a method for controlling the integrity of a geological storage containing CO2, in which the following steps are carried out:
- on injecte du CO2 dans une formation géologique fermée par une roche couverture empêchant la remontée du CO2 vers la surface,- CO2 is injected into a geological formation closed by a rock cover preventing the rise of CO2 to the surface,
- on injecte une solution d'agent réducteur de la mobilité du CO2 dans le voisinage d'une zone fragile, ou fragilisée, de la couverture où une fuite de CO2 a eu lieu, ou peut avoir lieu.a solution of CO2 mobility reducing agent is injected in the vicinity of a fragile or weakened zone of the blanket where a CO2 leak has occurred, or may take place.
L'agent réducteur de mobilité peut être un agent moussant choisi pour faire mousser le CO2 qui fuit à travers ladite couverture.
L'agent moussant peut être un tensioactif ou un mélange de tensioactifs, en solution aqueuse.The mobility reducing agent may be a foaming agent selected for foaming the leaking CO2 through said blanket. The foaming agent may be a surfactant or a mixture of surfactants, in aqueous solution.
Le point d'injection de l'agent réducteur de mobilité peut être dans le voisinage du toit du réservoir. Des capteurs peuvent détecter la fragilisation de la couverture par fissuration pour déclencher l'injection d'un volume déterminé d'agent réducteur de mobilité du CO2.The injection point of the mobility reducing agent may be in the vicinity of the roof of the tank. Sensors can detect the embrittlement of the cracking cover to trigger the injection of a determined volume of CO2 mobility reducing agent.
On peut injecter ledit agent par un puits débouchant au toit du réservoir, par l'intermédiaire d'un tube descendu dans ledit puits.One can inject said agent through a well opening to the tank roof, through a tube down into said well.
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de l'exemple de réalisation suivant, nullement limitatif, et illustré par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 montre schématiquement un réservoir fracturé selon l'art antérieur, la figure 2 montre la mise en oeuvre de la présente invention dans ce même réservoir.The present invention will be better understood and its advantages will appear more clearly on reading the following embodiment, in no way limiting, and illustrated by the appended figures, of which: FIG. 1 schematically shows a fractured reservoir according to FIG. In the prior art, FIG. 2 shows the implementation of the present invention in this same reservoir.
La figure 1 montre schématiquement un réservoir aquifère 1 dont le sommet 2 est situé à une profondeur Z de la surface 3, dans lequel du CO2 a été stocké sur une hauteur H.FIG. 1 schematically shows an aquifer reservoir 1 whose top 2 is located at a depth Z of the surface 3, in which CO2 has been stored on a height H.
En première approximation, et à des fins d'estimation d'ordres de grandeur, on suppose qu'au sein de l'aquifère et des terrains environnants, il règne une pression voisine de la pression hydrostatique, mais sans que cette hypothèse constitue toutefois une condition restrictive.As a first approximation, and for purposes of order of magnitude estimation, it is assumed that within the aquifer and the surrounding terrain there is a pressure close to the hydrostatic pressure, but this hypothesis restrictive condition.
Alors que la couverture 4 joue normalement son rôle de barrière au fluide contenu dans le réservoir, on suppose qu'un événement ou une évolution imprévue a conduit à une fracturation de la couverture, en particulier localisée au toit du réservoir 2.
En présence de la "bulle" de CO2 de hauteur H, la surpression fluide exercée sous la couverture au sommet du réservoir vaut :While the cover 4 normally acts as a barrier to the fluid contained in the reservoir, it is assumed that an unforeseen event or evolution has led to a fracturing of the cover, in particular located at the roof of the tank 2. In the presence of the CO2 bubble of height H, the fluid overpressure exerted under the cover at the top of the tank is:
(pw- Pg)gH pw et pg étant les masses volumiques moyennes de l'eau et du fluide CO2 (dans les conditions de fond) sur la hauteur H de la bulle stockée.(p w - P g ) gH p w and pg being the average densities of water and CO2 fluid (under background conditions) over the height H of the stored bubble.
Pour l'exemple, on considère le cas pratique d'un stockage à une profondeur modérée, mais néanmoins suffisante pour concerner un aquifère salé (et non d'eau potable) et stocker du CO2 sous une forme fluide suffisamment dense. Le stockage est à 1000m de profondeur, correspondant à une température de l'ordre de 500C (compte tenu du gradient géothermique moyen). Dans les conditions de pressions normales hydrostatiques (P=IOO bar), les masses volumiques du CO2 et de l'eau, pw et pg, sont alors de l'ordre respectivement de 1,00 g/cm3 et 0,43 g/cm3. La valeur de pw considérée ici correspond à une salinité d'environ 10 à 15 g/1 de NaCl, qui n'est susceptible de varier que de quelques pourcents pour la plupart des salinités courantes.For the example, we consider the practical case of storage at a moderate depth, but nevertheless sufficient to concern a saline aquifer (and not drinking water) and store CO2 in a sufficiently dense fluid form. The storage is at 1000m depth, corresponding to a temperature of the order of 50 0 C (given the average geothermal gradient). Under normal hydrostatic pressure conditions (P = 100 bar), the densities of CO2 and water, p w and p g , are then of the order of 1.00 g / cm 3 and 0.43 g respectively. / cm3. The value of p w considered here corresponds to a salinity of approximately 10 to 15 g / l of NaCl, which is likely to vary by only a few percent for most common salinities.
La surpression exercée par le CO2 sur le toit du réservoir de stockage de 100 m d'épaisseur H, est alors voisine de 6 bar dans lesdites conditions hydrostatiques. La situation considérée correspond à celle où un événement imprévu et/ou accidentel (surpression au sein du stockage de CO2, mouvement tectonique, ou autre cause) conduit à une fracturation de la couverture. On prend l'exemple où cette fracturation se produit au point le plus haut du réservoir, là où précisément la courbure des terrains (dans le cas d'une structure anticlinale classique) et la pression, sont habituellement les plus élevées. L'occurrence de cet événement est supposée être portée à la connaissance des opérateurs en charge de la conduite et surveillance du stockage, soit implicitement (si ces derniers en sont à l'origine par une opération accidentelle) soit par l'intermédiaire des dispositifs de surveillance du réservoir (tels que des mesures avec des capteurs permanents, par exemple
de la pression du réservoir) supposés mis en place au voisinage du sommet du stockage.The overpressure exerted by the CO2 on the roof of the storage tank 100 m thick H, is then close to 6 bar in said hydrostatic conditions. The situation considered corresponds to the situation where an unforeseen and / or accidental event (overpressure in CO2 storage, tectonic movement, or other cause) leads to a fracturing of the cover. An example is where this fracturing occurs at the highest point of the reservoir, where the curvature of the terrain (in the case of a classical anticlinal structure) and the pressure is usually the highest. The occurrence of this event is supposed to be brought to the attention of the operators in charge of the conduct and monitoring of the storage, either implicitly (if the latter are at the origin of it by an accidental operation) or by means of monitoring of the tank (such as measurements with permanent sensors, for example tank pressure) assumed to be in place near the top of the storage.
Face à cette situation, l'objet principal de l'invention est d'accorder un temps considérablement accru aux opérateurs à des fins d'analyse de la situation et de mise en oeuvre de remèdes destinés à se protéger des éventuels risques consécutifs à l'endommagement de l'intégrité de la couverture.Faced with this situation, the main object of the invention is to grant considerably increased time to the operators for the purpose of analyzing the situation and implementing remedies intended to protect against possible risks arising from the damage to the integrity of the cover.
Les deux situations mettant ou non en oeuvre l'invention sont comparées ci-après en termes de vitesse et temps de propagation du CO2 vers l'extérieur du réservoir de stockage.The two situations involving or not implementing the invention are compared below in terms of the speed and the propagation time of the CO2 towards the outside of the storage tank.
Pour simplifier l'analyse du problème, on considère qu'une fissure verticale, d'ouverture hydraulique e, a été initiée au toit du réservoir et se propage au travers de la couverture 4 et des terrains sus-jacents. On néglige la compressibilité du fluide et on suppose que l'écoulement dans la fissure est laminaire. La vitesse d'un fluide de viscosité μg circulant au sein de cette liaison hydraulique s'exprime alors au moyen de loi de Poiseuille :
To simplify the analysis of the problem, it is considered that a vertical crack, of hydraulic opening e, was initiated at the roof of the tank and spreads through the cover 4 and overlying terrain. The compressibility of the fluid is neglected and it is assumed that the flow in the crack is laminar. The velocity of a viscosity fluid μ g circulating within this hydraulic connection is then expressed by means of Poiseuille's law:
AP où — est le gradient de pression moyen régnant au sein du fluide enAP where - is the average pressure gradient prevailing within the fluid in
écoulement sur la longueur de fissure L.flow over crack length L.
1) Cas antérieur:1) Previous case:
On se reporte à la figure schématique 1 illustrant la progression du CO2 dans la couverture et les terrains sus-jacents. On établit une formule qui donne la vitesse et le temps de migration du CO2 dans la fissure. La pression du fluide aqueux saturant les terrains est toujours supposée hydrostatique.Reference is made to Figure 1 illustrating the progression of CO2 in the cover and overlying terrain. A formula is developed that gives the speed and time of CO2 migration in the crack. The pressure of the aqueous fluid saturating the ground is always assumed to be hydrostatic.
On considère des valeurs moyennes (fixées) des propriétés (masses volumiques et viscosités) de l'eau et du CO2 dans l'intervalle de profondeur étudié, la densité du CO2 étant également supposée peu différente de celle qui
existe au sein du réservoir. Cette approximation est justifiée tant que la cote du point B, à une distance L du toit, demeure assez peu éloignée du toit, c'est-à-dire L«Z. Ces hypothèses ne sont introduites que pour simplifier la démonstration de l'intérêt de l'invention. On néglige la pression capillaire au front de progression du CO2 au sein de la fissure. La perte de charge au sein du réservoir liée à la fuite est également négligeable devant la perte de charge au sein du chemin hydraulique (hypothèse justifiée compte tenu du contraste de section d'écoulement entre le réservoir et le chemin hydraulique).We consider average (fixed) values of the properties (densities and viscosities) of water and CO2 in the depth range studied, the density of CO2 being also assumed to be little different from that which exists within the tank. This approximation is justified as long as the point B, at a distance L from the roof, remains fairly close to the roof, that is to say L "Z. These hypotheses are introduced only to simplify the demonstration of the interest of the invention. The capillary pressure is neglected at the front of progression of the CO2 within the crack. The pressure drop within the tank due to the leak is also negligible compared to the pressure drop in the hydraulic path (assumption justified given the contrast of the flow section between the reservoir and the hydraulic path).
Compte tenu de ces approximations ou hypothèses : - la pression hydrostatique au front de progression du CO2 parvenu à une distance verticale L (point noté B sur les figures 1 et 2) du toit du réservoir (L demeurant petit devant Z) s'écrit :Given these approximations or hypotheses: the hydrostatic pressure at the front of progression of the CO2 reached at a vertical distance L (point noted B in FIGS. 1 and 2) of the roof of the tank (L remaining small in front of Z) is written:
PB = Pwg(Z -L)P B = P w g (Z -L)
- la pression au toit du réservoir (point noté A sur les figures 1 et 2) vaut:the pressure at the roof of the tank (noted point A in FIGS. 1 and 2) is:
PΛ = pwgZ + (ρw-pg)gH Λ P = p w + gZ (ρ w -p g) gH
- et la différence de pression motrice de l'écoulement du CO2 dans la fissure entre A et B, a pour expression :- and the difference in driving pressure of the flow of CO2 in the crack between A and B, has for expression:
^P = PA - PB - PggL = (pw-pg)g(L + H) d'où on déduit l'expression de la vitesse de progression du CO2 dans la fissure :
^ P = P A - P B - P g gL = (p w -p g ) g (L + H) from which we deduce the expression of the rate of progression of CO2 in the crack:
(NB : la vitesse, invariante le long d'un parcours de section et longueur L fixées, varie cependant avec la valeur de L, car le gradient de pression,(NB: the speed, invariant along a path of section and length L fixed, however varies with the value of L, because the pressure gradient,
ΛPΛP
A partir de cette expression, on peut calculer le temps de parcours du CO2, t(L), pour parvenir en B depuis le toit (position A) :
From this expression, we can calculate the CO2 travel time, t (L), to reach B from the roof (position A):
En considérant une fissure d'ouverture hydraulique e=10 μm, de perméabilité intrinsèque égale à 8,4 Darcys, qui s'est propagée depuis le sommet du réservoir vers les terrains sus-jacents, en reprenant les conditions du stockage données plus haut, et en prenant en compte une viscosité du CO2 égale à 0,03 Cp à 100 bar et 500C, on en déduit que le CO2 provenant d'une "bulle" de 100 m de hauteur parcourt 265 m en une journée.Considering a crack of hydraulic opening e = 10 μm, with intrinsic permeability equal to 8.4 Darcys, which propagated from the top of the reservoir towards the overlying ground, by taking again the storage conditions given above, and taking into account a viscosity of CO2 equal to 0.03 Cp at 100 bar and 50 0 C, we deduce that the CO2 from a "bubble" of 100 m height travels 265 m in a day.
On compare la vitesse du CO2, telle que formulée précédemment, à celle mise en jeu en faisant usage de la présente invention.The CO2 velocity, as formulated above, is compared to that employed using the present invention.
2) Cas selon l'invention: (figure 2)2) Case according to the invention: (FIG. 2)
Les dispositifs de contrôle de la "bulle" de stockage ayant révélé la perte d'intégrité de la couverture, notamment par fracturation, la procédure objet de la présente invention consiste à injecter un volume ("bouchon") de solution aqueuse comportant un agent tensioactif spécifique au sommet du réservoir de stockage. Sur la figure 2, on représente un conduit 5 installé dans un puits 6 foré depuis la surface. Tous les moyens connus de l'homme du métier du forage et de la production peuvent être utilisés pour la mise en place de ce conduit. La particularité de cet agent tensioactif réside en ce qu'il est choisi pour générer une mousse en présence de CO2. Ce caractère moussant se traduit par un très fort accroissement de la viscosité apparente du fluide. Au moyen d'agents moussants et de stabilisants de la mousse bien choisis, l'état de l'art montre que la viscosité de la mousse ainsi obtenue peut atteindre une valeur de l'ordre de 100 à 1000 fois celle du fluide initial dépourvu d'agent moussant. Un tel accroissement de viscosité a été constaté lors d'expérimentations d'écoulements pratiquées au sein de milieux poreux de perméabilité élevée (supérieure à 1 Darcy), auxquels les fissures peuvent être assimilés.
Cette opération de mise en place d'un agent tensioactif au niveau de la zone où une fuite est présumée au toit est conçue et dimensionnée de manière à obtenir un quasi-arrêt de la fuite. Pour ce faire :The storage bubble control devices having revealed the loss of integrity of the cover, in particular by fracturing, the procedure which is the subject of the present invention consists in injecting a volume ("stopper") of aqueous solution comprising a surfactant. specific to the top of the storage tank. In Figure 2, there is shown a conduit 5 installed in a well 6 drilled from the surface. All means known to those skilled in the art of drilling and production can be used for the establishment of this conduit. The particularity of this surfactant is that it is chosen to generate a foam in the presence of CO2. This foaming character results in a very strong increase in the apparent viscosity of the fluid. By means of foaming agents and foam stabilizers well chosen, the state of the art shows that the viscosity of the foam thus obtained can reach a value of the order of 100 to 1000 times that of the initial fluid lacking foaming agent. Such an increase in viscosity has been observed during experiments of flows performed in porous media of high permeability (greater than 1 Darcy), to which the cracks can be assimilated. This operation of placing a surfactant in the area where a leak is presumed to the roof is designed and sized to obtain a near-stop of the leak. To do this :
- on choisit un tensioactif permettant de générer une mousse au contact de gaz. En pratique, toutes les familles de tensioactifs, qu'ils soient anioniques, non ioniques ou amphotères, permettent d'obtenir une mousse avec une concentration faible d'additif en solution, notamment de l'ordre de 0,001 à 0,5%;- A surfactant is selected to generate a foam in contact with gas. In practice, all the families of surfactants, whether they are anionic, nonionic or amphoteric, make it possible to obtain a foam with a low concentration of additive in solution, in particular of the order of 0.001 to 0.5%;
- le tensioactif est choisi en fonction de sa bonne stabilité dans les conditions du réservoir;the surfactant is chosen as a function of its good stability under the conditions of the reservoir;
- le tensioactif peut être injecté sous sa forme initiale commerciale, ou plus ou moins concentré;the surfactant can be injected in its initial commercial form, or more or less concentrated;
- il peut être également sélectionné pour présenter une faible adsorption sur les roches en présence, afin de limiter les quantités de solution à injecter; - on optimise la masse volumique de la solution de tensioactif injectée de manière à minimiser le phénomène de ségrégation gravitaire du bouchon vers la base du réservoir. Toutefois, compte tenu des contraintes pratiques liées à la nature aqueuse de la solution injectée et à la densité du fluide en place (CO2 de masse volumique, au plus, voisine de 0,6 g/cm3 dans les conditions de réservoir), on tente de se garantir de ce risque de ségrégation en intégrant dans le protocole de l'opération de stockage la possibilité, si nécessaire, d'effectuer des injections périodiques de la solution de tensioactif afin d'assurer la présence d'agent moussant aux points potentiels de fuite.it can also be selected to have a low adsorption on the rocks in the presence, in order to limit the quantities of solution to be injected; the density of the injected surfactant solution is optimized so as to minimize the gravitational segregation phenomenon of the plug towards the base of the reservoir. However, given the practical constraints related to the aqueous nature of the injected solution and the density of the fluid in place (CO2 of density, at most, close to 0.6 g / cm 3 under reservoir conditions), tries to protect itself from this risk of segregation by integrating in the protocol of the storage operation the possibility, if necessary, to carry out periodic injections of the surfactant solution in order to ensure the presence of foaming agent at the potential points leak.
Le caractère moussant de la solution injectée en présence de CO2 est d'autant plus affirmé que le CO2 possède, ou tend vers, les propriétés d'un gaz. Lors d'une migration de CO2 depuis le sommet du réservoir vers la surface, les propriétés de ce dernier, stocké en profondeur à une pression et une température supérieure aux conditions critiques (pression critique=74 bar et température critique=31°C), évolueront effectivement vers celles d'un gaz, ce qui amplifie ainsi le comportement moussant du CO2 en présence des faibles
quantités de solution de tensioactif qu'il entraîne dans le chemin hydraulique de fuite.The foaming nature of the solution injected in the presence of CO2 is all the more asserted that the CO2 has, or tends towards, the properties of a gas. During a migration of CO2 from the top of the reservoir to the surface, the properties of the latter, stored in depth at a pressure and a temperature above the critical conditions (critical pressure = 74 bar and critical temperature = 31 ° C), actually evolve towards those of a gas, which amplifies the foaming behavior of CO2 in the presence of the weak amounts of surfactant solution that it causes in the hydraulic path of leakage.
Tenant compte de telles propriétés thermodynamiques propres au CO2, on considère le cas schématisé par la figure 2, où les propriétés de mousse ne sont acquises qu'au point M situé à la distance verticale Lg du toit du réservoirTaking into account such thermodynamic properties specific to CO2, consider the case shown schematically in Figure 2, where the foam properties are only acquired at the point M located at the vertical distance L g of the roof of the tank
(Lg<L<Z), et non dès le point de fuite au toit du réservoir, cette dernière situation étant optimale du point de vue du ralentissement de la fuite.(L g <L <Z), and not from the leak point at the roof of the tank, the latter situation being optimal from the point of view of the slowing down of the leak.
Suivant cette situation générale, le gradient de pression lié à l'écoulement n'est plus uniforme le long du trajet AB mais augmente considérablement sur le segment MB dans lequel le fluide circulant dans la fissure a un comportement de mousse. En négligeant les effets de compressibilité (vitesse constante sur la longueur L demeurant petite devant Z), et en traitant la mousse comme un fluide unique à viscosité apparente accrue, l'expression des pertes de charge sur les segments AM (de longueur Lg) et MB (de longueur Lm=L-Lg), permet de formuler la nouvelle vitesse umod, de progression du CO2 (sous forme de mousse). En première approximation, la masse volumique μg de la mousse est supposée ne pas différer de celle du CO2 originel.
Par ailleurs :According to this general situation, the pressure gradient linked to the flow is no longer uniform along the path AB but increases considerably on the segment MB in which the fluid flowing in the crack has a foam behavior. By neglecting the effects of compressibility (constant speed on the length L remaining small in front of Z), and treating the foam as a single fluid with increased apparent viscosity, the expression of the pressure losses on the segments AM (of length Lg) and MB (of length Lm = L-Lg), makes it possible to formulate the new velocity u mod , of progression of CO2 (in the form of foam). As a first approximation, the density μ g of the foam is assumed not to differ from that of the original CO2. Otherwise :
AP AB = AP AM + AP MB = (pw - Pg)g(L + H) De ces 3 égalités, on déduit l'expression de la vitesse U1n^ :
μg et μm étant respectivement la viscosité moyenne du fluide initial (CO2) et la viscosité moyenne apparente de la mousse de CO2.AP AB = AP AM + AP MB = (p w - P g ) g ( L + H) From these 3 equalities, we deduce the expression of the velocity U 1n ^: μ g and μ m being respectively the average viscosity of the initial fluid (CO2) and the apparent average viscosity of the CO2 foam.
L'expression précédente montre que la vitesse de fuite par la fissure, inchangée par rapport à la situation précédente tant que L<Lg, ralentit considérablement à partir du moment où le CO2 poursuit sa progression sous
forme de mousse (i.e. lorsque L>Lg). Le rapport de vitesse à la distance L, L>Lg, en présence et en l'absence de mousse vaut en effet :The previous expression shows that the leakage rate through the crack, unchanged from the previous situation as long as L <L g , slows down considerably as soon as the CO2 continues its progression under foam shape (ie when L> L g ). The speed ratio at the distance L, L> L g , in the presence and in the absence of foam is indeed:
u(L) μgLg + μmLm u (L) μ g L g + μ m L m
soit encore, en posant μ = — (rapport des viscosités apparente(s) (doncagain, by setting μ = - (apparent viscosity ratio (s) (therefore
de mobilité) du CO2 originel et du CO2 sous forme de mousse), et en normalisant la distance de trajet du CO2 sous forme de mousse ( L γm = - L1m1 •) :mobility) of the original CO2 and CO2 in the form of foam), and by normalizing the path distance of CO2 in the form of foam (L γm = - L 1 m 1 • ):
«mod avec μ. » 1 u (l -Lm) + μ.Ln "Mod with μ. 1 u (l -L m ) + μ.L n
Dans le cas optimal où les propriétés moussantes du mélange (C02+solution tensioactive) sont acquises dès la pénétration du mélange dans la fissure initiée au sommet du réservoir, c'est-à-dire dans le cas où la distanceIn the optimal case where the foaming properties of the mixture (CO 2 + surfactant solution) are acquired as soon as the mixture enters the crack initiated at the top of the tank, that is to say in the case where the distance
Lg est nulle, la vitesse de progression du CO2 est réduite dans le rapport des viscosités du gaz (CO2) et de la mousse, soit :L g is zero, the rate of progression of CO2 is reduced in the ratio of the viscosities of the gas (CO2) and the foam, that is:
W mod u μ. On exprime comme précédemment le temps de parcours du CO2, t(L) : tant que L<Lg, t(L) s'exprime suivant la formule indiquée plus haut ; pour L>Lg : t(L) = tg (Lg) + tm (Lm) avec
etW mod u μ. As before, the transit time of CO2, t (L), is expressed as long as L <L g , t (L) is expressed according to the formula given above; for L> L g : t (L) = tg (L g ) + t m (L m ) with and
UiU + . U, .g - -μ(,L.g + . H ττ~))Lrn( ,LL e g ++ H + + LL n m)]
UiU +. U,. g - -μ (, L, g +, H ττ)) L r n (, L L e g + + H + + L L n m )]
(si Lg=0, L=Lm, on retrouve bien sûr l'expression (1) donnée plus haut, avec la viscosité μg remplacée par la viscosité μm= μ.μg )
On obtient finalement :
(If L g = 0, L = L m , of course we find the expression (1) given above, with the viscosity μ g replaced by the viscosity μ m = μ.μ g ) We finally get:
En reprenant les données d'application utilisées plus haut, et en supposant que les propriétés de mousse sont acquises 100 mètres au-dessus du toit du réservoir (i.e. par chute de pression de l'ordre de 10 bar), et que cette mousse accroît la viscosité apparente du gaz d'un facteur 500, on obtient les temps de trajet suivants :By repeating the application data used above, and assuming that the foam properties are acquired 100 meters above the roof of the tank (ie by pressure drop of the order of 10 bar), and that this foam increases the apparent viscosity of the gas by a factor of 500, the following travel times are obtained:
- le CO2 sous sa forme originelle met 5 à 6 heures pour parvenir à 100 mètres du toit, cote à partir de laquelle le caractère visqueux de la mousse est supposé acquis,- CO2 in its original form takes 5 to 6 hours to reach 100 meters from the roof, from which side the viscous nature of the foam is assumed,
- à partir de cette cote, sa progression est fortement ralentie et 71 jours lui sont alors requis pour parvenir 100 mètres plus haut c'est-à-dire à 800 mètres de profondeur. - après une année, le CO2 ne se situe encore qu'à 630 mètres de profondeur, alors qu'il aurait rejoint la surface en 6 jours en l'absence de mousse (en supposant le chemin hydraulique établi jusqu'en surface et en négligeant les variations de propriétés du CO2 en toute première approximation).- from this coast, its progression is slowed down considerably and 71 days are then required to reach 100 meters higher, that is to say 800 meters deep. - after one year, the CO2 is still only 630 meters deep, whereas it would have reached the surface in 6 days in the absence of foam (assuming the hydraulic path established to the surface and neglecting variations of CO2 properties as a first approximation).
Dans le cas optimal où, en présence de la solution d'agent moussant, le CO2 se comporte comme une mousse dans les conditions de pression et température du réservoir, la fuite du CO2 s'effectue sous forme de mousse dès sa pénétration dans la fissure et alors le rapport de vitesse Mmo est u(L)In the optimum case where, in the presence of the foaming agent solution, the CO2 behaves like a foam under the conditions of pressure and temperature of the tank, the CO2 leak takes place in the form of foam as soon as it penetrates into the crack and then the speed ratio Mmo is u (L)
constant et égal à = =1/500 sur tout son parcours de fuite. Les temps de fuiteconstant and equal to = = 1/500 over its entire flight path. The leak times
M sont alors accrus dans le même rapport des viscosités de la mousse et du fluide originel. Dans cette situation, le CO2 (sous forme de mousse) se retrouve à
790 m de profondeur après une année et met presque 8 années à rejoindre la surface.M are then increased in the same ratio viscosities of the foam and the original fluid. In this situation, CO2 (in the form of foam) is found in 790 meters deep after a year and takes almost 8 years to reach the surface.
Ainsi, lors de la perte d'intégrité, soupçonnée ou avérée, d'un réservoir de stockage par fracturation, la procédure selon l'invention consistant à mettre en place un agent moussant au sommet du réservoir permet de ralentir d'environ deux, voire trois ordres de grandeur les vitesses et temps de migration du CO2 dans le chemin hydraulique créé depuis le sommet du réservoir. La présente invention procure ainsi aux opérateurs un délai considérablement accru pour analyser la situation et prendre les mesures nécessaires.
Thus, during the loss of integrity, suspected or proven, of a storage tank by fracturing, the procedure according to the invention of setting up a foaming agent at the top of the tank allows to slow down about two or even three orders of magnitude the speeds and migration times of CO2 in the hydraulic path created from the top of the tank. The present invention thus provides operators with considerably increased time to analyze the situation and take the necessary measures.
Claims
REVENDICATIONS
1) Méthode de contrôle de l'intégrité d'un stockage géologique contenant du CO2, caractérisée en ce que l'on effectue les étapes suivantes:1) Method for controlling the integrity of a geological storage containing CO2, characterized in that the following steps are carried out:
- on injecte du CO2 dans une formation géologique fermée par une roche couverture empêchant la remontée du CO2 vers la surface,- CO2 is injected into a geological formation closed by a rock cover preventing the rise of CO2 to the surface,
- on injecte une solution d'agent réducteur de la mobilité du CO2 dans le voisinage d'une zone fragile, ou fragilisée, de la couverture où une fuite de CO2 a eu lieu, ou peut avoir lieu.a solution of CO2 mobility reducing agent is injected in the vicinity of a fragile or weakened zone of the blanket where a CO2 leak has occurred, or may take place.
2) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle l'agent de mobilité est un agent moussant choisi pour faire mousser le CO2 qui fuit à travers ladite couverture.2) Method according to claim 1, wherein the mobility agent is a foaming agent chosen to foam the CO2 that leaks through said blanket.
3) Méthode selon la revendication 2, dans laquelle ledit agent moussant est un tensioactif ou un mélange de tensioactifs, en solution aqueuse.3) Method according to claim 2, wherein said foaming agent is a surfactant or a mixture of surfactants, in aqueous solution.
4) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le point d'injection de l'agent réducteur de mobilité est dans le voisinage du toit du réservoir.4) Method according to one of the preceding claims, wherein the injection point of the mobility reducing agent is in the vicinity of the roof of the tank.
5) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle des capteurs détectent la fragilisation de la couverture par fissuration pour déclencher l'injection d'un volume déterminé d'agent réducteur de mobilité du CO2.5) Method according to one of the preceding claims, wherein sensors detect the embrittlement of the cracking cover to trigger the injection of a determined volume of CO2 mobility reducing agent.
6) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle on injecte ledit agent par un puits débouchant au toit du réservoir.
6) Method according to one of the preceding claims, wherein said agent is injected through a well opening to the roof of the tank.
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