RAPPORT D’ETUDE
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ANNEXE F POTENTIELS DE DANGERS LIES AU STOCKAGE GEOLOGIQUE – ETANCHEITE DE LA COUVERTURE Auteur Daniel Broseta Université de Pau POTENTIELS DE DANGERS LIES AU STOCKAGE GEOLOGIQUE – ETANCHEITE DE LA COUVERTURE Auteur Daniel Broseta Université de Pau Résumé L’annexe F présente les possibilités de fuite du CO par la couverture. 2L’étanchéité de la roche de couverture, sous laquelle s’accumule par effet de gravité une colonne de CO , peut être rompue : 2• par perçage capillaire du CO surcomprimé 2• par fracturation, hydraulique ou thermique • par réactivation de failles Cependant dans le cadre du programme METSTOR, on considère que la sélection des sites assurera une qualité de la couverture suffisante pour rendre ces fuites négligeables. Identification des possibilités de fuite du CO par la couverture 2Dans une opération de stockage géologique, l’étanchéité de la roche de couverture, sous laquelle s’accumule par effet de gravité une colonne de CO , 2peut être rompue : i) par perçage capillaire du CO surcomprimé par rapport à l’eau imbibant la 2couverture (cf. figure ci-après); la surcompression est due à la poussée d’Archimède, égale au perçage à la pression capillaire d’entrée du CO 2dans la couverture P , atteinte pour une hauteur H de colonne de gaz ce(CO ) telle que 2 H P − P = P = Δ ρgdX (1), CO2 w ce ∫0 avec Δ ρ = ρ − ρ la différence ...
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Langue
Français
ANNEXE F
POTENTIELS DE DANGERS LIES AU STOCKAGE GEOLOGIQUE –
ETANCHEITE DE LA COUVERTURE
Auteur
Daniel Broseta Université de Pau
POTENTIELS DE DANGERS LIES AU STOCKAGE GEOLOGIQUE –
ETANCHEITE DE LA COUVERTURE Auteur Daniel Broseta Université de Pau
Résumé
L’annexe F présente les possibilités de fuite du CO
2
par la couverture.
L’étanchéité de la roche de couverture, sous laquelle s’accumule par effet de
gravité une colonne de CO
2
, peut être rompue :
•
par perçage capillaire
du CO
2
surcomprimé
•
par fracturation
, hydraulique ou thermique
•
par réactivation de failles
Cependant dans le cadre du programme METSTOR, on considère que la
sélection des sites assurera une qualité de la couverture suffisante pour rendre
ces fuites négligeables.
Identification des possibilités de fuite du CO
2
par la couverture
Dans une opération de stockage géologique, l’étanchéité de la roche de
couverture, sous laquelle s’accumule par effet de gravité une colonne de CO
2
,
peut être rompue :
i)
par perçage capillaire
du CO
2
surcomprimé par rapport à l’eau imbibant la
couverture (cf. figure ci-après); la surcompression est due à la poussée
d’Archimède, égale au perçage à la pression capillaire d’entrée du CO
2
dans la couverture
P
ce
, atteinte pour une hauteur
H
de colonne de gaz
(CO
2
) telle que
(1),
∫
Δ
=
=
−
H
ce
w
gdX
P
P
P
0
CO2
ρ
avec
2
CO
w
ρ
ρ
ρ
−
=
Δ
la différence entre la densité (masse volumique) de la
phase aqueuse et celle de la phase riche en CO
2
. La pression capillaire
d’entrée étant égale à
R
/
)
cos(
2
/w
CO
2
θ
γ
(loi de Laplace), où
R
est une taille
effective de pores de la couverture, on voit que les propriétés interfaciales –
tension interfaciale
γ
CO2/w
entre l’eau et le CO
2
et angle de contact
θ
caractérisant la mouillabilité de la couverture (aux conditions de stockage) –
jouent un rôle important dans ce processus de fuite. Ces propriétés ont fait
l’objet de travaux récents (réfs. 1 et 2), qui montrent que l’étanchéité
capillaire est moins assurée dans le cas du CO
2
que dans le cas
d’hydrocarbures. La tension
γ
CO2/w
est en effet inférieure (d’un facteur 2
environ) à la tension
γ
CH4/w
et la mouillabilité à l’eau est moindre en
présence de CO
2
dense qu’en présence d’hydrocarbures.
La valeur de la pression de perçage capillaire ou de déplacement (ou
pression maximale de recompression) doit être mesurée en laboratoire sur
un échantillon de couverture, suivant des méthodes appropriées, décrites
par ex. dans la réf. 3 (ces méthodes sont utilisées pour qualifier la
couverture d’un site de stockage saisonnier de gaz). L’échantillon de
couverture, initialement imbibé d’eau, est placé dans les conditions de
pression, de température et de confinement représentatives, et le CO
2
est
mis en contact avec l’une des faces de ce milieu poreux : la pression dans
le CO
2
est augmentée par paliers jusqu’à détecter le perçage, le débit de
CO
2
après le perçage donnant une indication sur la perméabilité effective
du CO
2
dans la roche de couverture.
ii)
par fracturation
, hydraulique ou thermique. La fracturation thermique est
due à la variation (qui en général est une baisse) de la température
occasionnée par l’injection du fluide, plus froid en général que l’encaissant :
cet effet est significatif aux abords du puits d’injection, mais reste à
apprécier loin du point d’injection. La fracturation hydraulique se produit
quand la pression de pore (c’est-à-dire dans le CO
2
injecté) excède un
certain seuil de pression tel que à la fois la contrainte minimale et la limite
élastique à la traction sont dépassées (réf. 4). Ce seuil de pression peut
être apprécié par des mesures en laboratoire sur des échantillons de
couverture, ou directement in si-tu par des leak-off tests (réf. 4).
iii)
par réactivation de failles,
à la suite d’un (micro) séisme et/ou du
changement de l’état de contraintes dû à l’augmentation de la pression de
pore. Il importe de connaître le comportement de la faille lorsqu’elle devient
conductrice au CO
2
(et à l’eau) : les réactions de dissolution et de
reprécipitation vont-elles avoir pour effet global de rendre la faille de plus en
plus conductrice, ou au contraire de la colmater progressivement ? La
réponse à cette question essentielle dépend bien sûr de la minéralogie de
la couverture, et fait l’objet de travaux de recherches.
•
Remarque.
Les fuites occasionnées par les processus (ii) et (iii) ci-dessus
sont plus localisées et massives que les fuites par perçage capillaire
(processus i). Ces dernières sont acceptables si le taux de fuite est minime,
ce qui s’apprécie à partir de mesures de perméabilité effective au gaz
(CO
2
) après perçage. Ainsi, des perméabilités effectives de l’ordre de 10
-4
-
10
-5
milliDarcy, comme cela a été mesuré (réf. 5) sur les échantillons de
couverture du site de Weyburn, donnent des taux de fuite du CO
2
considérés comme inacceptables ; alors que les valeurs de l’ordre de 10
-7
-
10
-9
milliDarcy mesurées sur des échantillons de couverture du bassin de
l’Alberta
(réf. 6) donnent des taux de fuite acceptables. Un autre point
important, qui fait l’objet de recherches actives, est la stabilité au cours du
temps de cette perméabilité effective au CO
2
(cela rejoint le point signalé ci-
dessus à la fin de iii): celle-ci peut augmenter (cas défavorable) ou diminuer
(cas favorable) suite aux processus géochimiques d’altération minérale
(dissolution, précipitation d’espèces minérales).
Figure
. L’étanchéité de la couverture est d’abord un phénomène capillaire. La
zone en pointillés peut elle-même se composer de deux régions, non indiquées
sur la figure : un chapeau de gaz (“gas cap”) sous la couverture et un anneau
d’huile situé juste au-dessus de l’aquifère.
Références :
1. Chiquet, P., Daridon, J. L., Broseta, D. and Thibeau, S., 2007. CO
2
/water
interfacial tensions under pressure and temperature conditions of CO
2
geological storage. Energy Conversion and Management 48(3), 736-744.
2. Chiquet, P., Broseta, D., Thibeau, S., 2007. Wettability alteration of caprock
minerals by carbon dioxide. Geofluids 7, 112-122.
3. Thomas, L.K., Katz, D.L., Tek, M.R., 1968. Threshold pressure phenomena
in porous media, Soc. Pet. Eng. J. 8, 174-184.
4. Gluyas J., Swarbrick R., 2004. Petroleum Geoscience, chapitre 4. Blackwell
Publishing.
5. Li, Z., Dong, M., Li, Z., Huang, S., Qing, H., Nickel, E., 2005. Gas
breakthrough pressure for hydrocarbon reservoir seal rocks: implications for
the security of long-term CO
2
storage in the Weyburn field. Geofluids 5,
326-334.
6.
Bennion, D.B., Bachu, S., 2007. Permeability and relative permeability
measurements at reservoir conditions for CO
2
-water system in ultra-low
permeability confining caprocks. Papier SPE 106995, présenté au
symposium SPE/EAGE Europec à Londres, 11-14 juin 2007.
