Presentacions de la XVII Trobada de professorat de Ciències de la Terra i del Medi Ambient del Batxillerat. Caracterització i seguiment de magatzems de CO2 amb tècniques geofísiques. Pilar Queralt

1. 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. 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
2

3. 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
3

4. 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
4

5. 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. 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. 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
Resolució
Testimonis
Diagrafies
Estudis Locals
Estudis Regionals
Estudis entre pous

8. 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 !!

9. 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. 10
magatzems de CO2
Benson & Cole, 2008

11. 11
magatzems de CO2

12. Torre Agbar – tota plena
de CO2
Alçada: 140m
Planta aprox. 860m2
Volum 120 000m3
12
magatzems de CO2

13. Torre Agbar – tota plena
de CO2
Alçada: 140m
Planta aprox. 860m2
Volum 120 000m3
A 1500m 340m3  que
considerant la mateixa
superfície donaria una alçada
d’uns 40cm !!
13
magatzems de CO2

14. 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

15. 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

16. Alçada: 140m
Planta aprox. 860m2
Volum 120 000m3
A 1500m 340m3  que
reduïda a una alçada d’uns
40cm
16
magatzems de CO2

17. Alçada: 140m
Planta aprox. 860m2
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

18. 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)
18
magatzems de CO2

19. 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)

20. 20
magatzems de CO2
IPCC 2005. Overview of geological storage options (CO2CRC).

21.  Capacitat més gran
 Més repartits globalment
Aqüífers salins profunds
21
magatzems de CO2
IPCC 2005. Overview of geological storage options (CO2CRC).

22. 22
magatzems de CO2
IPCC 2005. Overview of geological storage options (CO2CRC).

23. magatzems de CO2
segons CO2CRC gener 2010

24. 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. 25
IPCC 2005
magatzems de CO2
PRINCIPALS QUESTIONS:
• Capacitat
• Seguretat
bona
caracterització i
seguiment

26. 26
magatzems de CO2
IPCC 2005
PRINCIPALS QUESTIONS:
• Capacitat
• Seguretat
bona
caracterització i
seguiment

27. 27
magatzems de CO2CICLE D’UNA PLANTA
D’ENMAGATZEMATGE
Pérez Estaún, A. CIUDEN

28. Observables
Geofísics
Paràmetres
Geofísics
Observables Paràmetres
Petrofísics
Variacions g Porositat
Variació I,V Permeabilitat
Temps
viatge,
amplituds
Saturació
... Salinitat fluids
... Conductivitat
... ...
... ...
28
magatzems de CO2Observables i propietats
d’interès

29. Observables
Geofísics
Paràmetres
Geofísics
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 CO2Observables i propietats
d’interès

30. Observables
Geofísics
Paràmetres
Geofísics
Paràmetres
Petrofísics
Variacions g Densitat Porositat
Variació I,V Resistivitat Permeabilitat
Temps
viatge,
amplituds
Impedància
acústica Ip,
Is
Saturació
... ... Salinitat fluids
... ... Conductivitat
... ... ...
... ... ...
30
magatzems de CO2Observables i propietats
d’interès

31. Observables
Geofísics
Paràmetres
Geofísics
Observables
Lab
Paràmetres
Petrofísics
Variacions g Densitat Densitat Porositat
Variació I,V Resistivitat Resistivitat Permeabilitat
Temps
viatge,
amplituds
Impedància
acústica Ip,
Is
Impedància
acústica Ip, Is
Saturació
... ... Porositat Salinitat fluids
... ... Permeabilitat Conductivitat
... ... Saturació ...
... ... Salinitat fluids ...
31
magatzems de CO2Observables i propietats
d’interès

32. a)
TOMOGRAFIA ELÈCTRICA (ERT)
a escala de laboratori
magatzems de CO2Mesures de laboratori
Bosch et al. 2016

33. 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. 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
mòdul de
compressibilitat
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
Contrast de propietats

35. 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
mòdul de
compressibilitat
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
Contrast de propietats

36. 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

37. 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. 38
http://old.co2crc.com.au/aboutccs/monitoring
caracterització

39. 39
caracterització
IGME-CIEMAT
Estudis del potencial
d'emmagatzematge de CO2

40. 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..)
caracterització3km x 5km anticlinal
Aqüífer salí profund
(~1500m)

41. • 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. 42
mapa d’anomalies de Bouguer
2 punts/km2
caracterització
ESCALA REGIONAL
GRAVIMÈTRICA
IGME

43. 43
Correlació dels alineaments sobre el mapa d’anomalies de Bouguer i la geología de la zona.
caracterització
ESCALA REGIONAL
GRAVIMÈTRICA
IGME

44. 44
IGME
caracterització
GRAVIMÈTRICA
4km x 4km, un total de 1600 punts, en una malla de 100 m x 100m

45. 45
IGME
Juràssic
mitjà-inferior
300 - 600 m.
Keuper, 500 - 2500 m
U. Anhidrítica
0 - 200 m.

46. 46
caracterització
SÍSMICA

47. 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

48. IJA-CSIC, UB - Geomodels
caracterització

49. 950 ms
TWT
49
caracterització
IJA-CSIC
Aprox. 1400m

50. 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
( EDV/d )
ENS (t), EEW (t)
Sensors magnètics:
bobines /magnetòmetres
HNS (t), HEW (t), HZ (t)
caracterització

51. 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
CAMPANYES MAGNETOTEL·LÚRIQUES (MT)
Ogaya et al. 2014

52. Model 2D de resistivitats
Ogaya et al. 2013
52
caracterització
CAMPANYES MAGNETOTEL·LÚRIQUES (MT)

53. Model 3D de resistivitats
caracterització
CAMPANYES MAGNETOTEL·LÚRIQUES (MT)
Model 3D de resistivitats
Ogaya et al. 2014

54. 54
caracterització
Correlació  Integració  model estructural

55. 55
caracterització
model estructural
sostre del reservori
ubicació pous

56. Control source electromagnetics (CSEM)
Modificat de Streich et al. 2010
seguimentCaracterització  nivell de referència pel

57. MT-2D
MT-3D
CSEM
CSEM nivell de
referència
Queralt et al. 2016

58. Annetts et al. 2012
58
seguimentResum de tècniques geofísiques

59. 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
seguimentExemple de simulacions numèriques
CSEM
Relació d’amplituds

60. seguimentTecnologies de seguiment i la seva aplicació
Globalccsinstitute2014

61. 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. 62
seguiment
Visualització – sísmica canvi d'amplitud de les ones sísmiques per l' injecció de CO2
Sleipner site
reservori
Statoil

63. 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. 64
http://www.co2ketzin.de/en/pilot-site-ketzin/summary.html
seguimentKetzin site
Projecte CCS
pilot
de 2008 a 2012
injectades 60kt
CO2

65. 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)

66. • CO2 SINK (Ketzin, Alemanya)
Schmidt-Hattenberger et al., 2011
2008 2009 2010
66
Seguiment amb ERT - quantificació
seguimentKetzin site

67. 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. 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

69. AGRAIMENTS
GRUP EXES/GEOMODELS: Juanjo Ledo, Alex Marcuello,
Eloi Vilamajó, Xènia Ogaya, David Bosch,
I en record d’Andrés Pérez Estaún+
69
geomodels
Institut de Recerca
Facultat de Ciències de la Terra

70. 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.