Field-based simulation of a demonstration site for carbon dioxide sequestration in low-permeability saline aquifers in the Ordos Basin, China

Abstract

Saline formations are considered to be candidates for carbon sequestration due to their great depths, large storage volumes, and widespread occurrence. However, injecting carbon dioxide into low-permeability reservoirs is challenging. An active demonstration project for carbon dioxide sequestration in the Ordos Basin, China, began in 2010. The site is characterized by a deep, multi-layered saline reservoir with permeability mostly below 1.0 × 10⁻¹⁴ m². Field observations so far suggest that only small-to-moderate pressure buildup has taken place due to injection. The Triassic Liujiagou sandstone at the top of the reservoir has surprisingly high injectivity and accepts approximately 80 % of the injected mass at the site. Based on these key observations, a three-dimensional numerical model was developed and applied, to predict the plume dynamics and pressure propagation, and in the assessment of storage safety. The model is assembled with the most recent data and the simulations are calibrated to the latest available observations. The model explains most of the observed phenomena at the site. With the current operation scheme, the CO₂ plume at the uppermost reservoir would reach a lateral distance of 658 m by the end of the project in 2015, and approximately 1,000 m after 100 years since injection. The resulting pressure buildup in the reservoir was below 5 MPa, far below the threshold to cause fracturing of the sealing cap (around 33 MPa).

Résumé

Les formations salines sont considérées comme étant de bons candidats pour la séquestration du carbone, du fait de leurs grandes profondeurs, de leurs importants volumes de stockage, et de leur présence sur de grandes étendues. Cependant, l’injection du CO2 au sein de réservoirs de faible conductivité hydraulique constitue un défi. Un projet de démonstrateur pour la séquestration du CO2 dans le bassin de l’Ordos, en Chine, a débuté en 2010. Le site est caractérisé par un réservoir salin multicouche profond, avec une perméabilité généralement inférieure à 1.0•10-14 m2. Jusqu’à maintenant, les observations de terrain indiquent que seules des pressions faibles à modérées ont été induites par l’injection. Le grès triasique de Liujiagou, situé au toit du réservoir, est caractérisé par une capacité d’injection étonnamment élevée et accepte environ 80 % de la masse injectée sur le site. Un modèle numérique tri-dimensionnel a été développé à partir de ces observations clefs et appliqué, pour prédire les dynamiques du panache et la propagation de la pression, et évaluer la sécurité du stockage. Le modèle est assemblé avec les données les plus récentes et les simulations ont été calées avec les dernières observations disponibles. Le modèle explique l’essentiel des phénomènes observés sur le site. Avec le programme d’opération actuel, le panache de CO2 au toit du réservoir atteindrait latéralement une distance de 658 m à la fin du projet en 2015, et environ 1000 m après 100 ans à partir de l’injection. La pression résultante au sein du réservoir était inférieure à 5 MPa, nettement en-dessous du seuil de fracturation de la formation de scellement du réservoir (environ 33 MPa).

Resumen

Las formaciones salinas son consideradas candidatas para el secuestro de carbono debido a su existencia en grandes profundidades, grandes volúmenes de almacenamiento y presencia generalizada. Sin embargo, la inyección de dióxido de carbono en reservorios de baja permeabilidad es un desafío. Un proyecto de demostración activa, para el secuestro de dióxido de carbono en la cuenca de Ordos, China, se inició en 2010. El sitio se caracteriza por un reservorio salino multicapa profundo con permeabilidad mayormente debajo de 1.0 × 10⁻¹⁴ m². Las observaciones de campo hasta el momento sugieren que sólo el pequeño a moderado aumento de presión ha tenido lugar debido a la inyección. La arenisca triásica en el techo del reservorio tiene sorpresivamente una alta inyectividad y acepta aproximadamente el 80 % de la masa inyectada en el sitio. Sobre la base de estas observaciones claves, se desarrolló y aplicó un modelo numérico, para predecir la dinámica y presión de la pluma de propagación, y para la evaluación de la seguridad del almacenamiento. El modelo se ensambla con los datos más recientes y las simulaciones son calibradas con las últimas observaciones disponibles. El modelo explica la mayoría de los fenómenos observados en el sitio. Con el esquema de operación actual, la pluma de CO₂ en el reservorio superior podría alcanzar una distancia lateral de 658 m para el final del proyecto en 2015, y aproximadamente 1,000 m después de 100 años de inyección. La acumulación de presión resultante en el depósito estaba por debajo 5 MPa, muy por debajo del umbral para provocar la fractura de la capa de cierre (alrededor de 33 MPa).

摘要

咸水层由于其深度大、储存容积大及广泛分布通常被选为碳封存的候选地。然而,把二氧化碳注入到低透水性的储层中是一项挑战。2010年,在中国鄂尔多斯盆地开展了二氧化碳封存示范项目。场地为一个深的、多层的咸水层,渗透性大部分低于1.0 × 10⁻¹⁴ 米²。到目前为止的野外观测结果显示,由于二氧化碳注入,只出现了小到中的压力抬升。储层之上的三叠纪刘家沟砂岩层具有惊人高的吸气量,接受了场地大约80%的注入量。基于这些关键的观测结果,建立和应用了三维数值模型,用来预测压力传播的羽体动态变化及用于储存安全的评价。模型采用最新的数据,针对最新现有的观测结果对模型进行了校准。模型能够解释场地所观测到的大部分现象。根据目前运行计划,储层最上面的二氧化碳羽在2015年项目结束时将侧向到达658米的距离,注入100年后大约到达1,000米的距离。所导致的储层内压力抬升低于5 MPa,远低于引起密封盖层破裂的阈值(33 MPa左右)。

Resumo

Formações salinas são consideradas como candidatas para sequestro de carbono devido a sua grande profundidade, grande volume de armazenamento e ampla ocorrência. Entretanto, injetar dióxido de carbono em reservatórios de baixa permeabilidade é desafiador. Um projeto de demonstração ativa para sequestro de dióxido de carbono na Bacia de Ordos, China, começou em 2010. A área é caracterizada como um reservatório salino profundo, de múltiplas camadas com permeabilidade, na maioria das vezes, abaixo de 1.0 × 10⁻¹⁴ m². Observações de campo sugerem até o momento que apenas um pequeno a moderado aumento de pressão ocorreu devido à injeção. O arenito Triássico Liujiagou, no topo do reservatório, possui uma surpreendente alta injectividade e aceita aproximadamente 80 % da massa injetada na área. Baseado nestas observações, um modelo numérico tridimensional foi desenvolvido e aplicado para prever a dinâmica da pluma, a propagação da pressão e avaliar a segurança do armazenamento. O modelo é elaborado com os dados mais recentes e as simulações são calibradas com as últimas observações disponíveis. O modelo explica a maioria dos fenômenos observados na área. Com o plano atual de operação, a pluma de CO₂ no reservatório superior irá alcançar a distância de 658 m no final do projeto em 2015 e, aproximadamente, 1,000 m após 100 anos de injeção. O aumento de pressão resultante no reservatório foi abaixo de 5 MPa, muito abaixo do limite de fraturamento da camada selante (aproximadamente 33 MPa).