CO2-injeksjon i Utsiraformasjonen - et studie av CO2/vann-kontakten og temperaturavhengige parametere

Abstract

Since the start-up in 1996 over 15 Mt CO2 have been injected in to the geological formation Utsira at the commercial CO2 storage project Sleipner. The propagation of CO2 in the reservoir has been monitored by time-lapse 3D seismic. History matching reservoir models with observations is important in order to understand how CO2 flows in the reservoir, and thus be able to predict where CO2 will flow in the future, both in Utsira and other storage locations. It has been challenging to obtain a satisfactory match with the observed lateral flow in numerical simulations. There exists uncertainties in the temperature and reservoir geometry, among other things, that can have significant impact on simulation results. In this thesis we have investigated some of the causes of the discrepancies between simulations and observations, and given concrete measures that potentially could give a better match. This we have done by investigating the data set closer and develop a reservoir model. By investigating the data set we calculated and studied the CO2/water contact in relation to the topography. The flow of CO2 in the reservoir is mainly dominated by the buoyancy, but we discovered seemingly unphysical phenomenons which would be hard to reproduce in numerical models. This indicates that the uncertainties in the calculated depth of the top of the reservoir could have great effect on the flow of CO2. Concretely we suggest that the southern depression in layer 8 and 9, which is within the uncertainty of the seismic depth conversion, could be an artifact created by velocity variations in the overburden. Future simulations should therefore take into account such uncertainties in the geometry as it could give a much better match with the observations. The simulation model that we developed is based on the finite element method and is compiled using a commercial software. Two different temperature scenarios for the reservoir were investigated with corresponding density and viscosity values for CO2 and water. The results showed that with higher temperature the lateral spread was significantly faster, while the saturation in the CO2 layer and column was lower. The reason is that the reduced viscosity causes less saturation to be needed before the relative permeability becomes high enough for the CO2 to flow into new areas. In both scenarios the flow was dominated by the gravity. Simulation tools that are going to be used must therefore be able to include gravity effects on the flow. A higher reservoir temperature could give a better match with the observed flow to the north, but must be calibrated with gravity measurements. A combination of changes in the reservoir geometry and petrophysical parameters is probably the best approach in order to get a better match with the propagation of CO2 to the north. We have also emphasized the importance of using a significantly finer mesh, or grid size, than in traditional reservoir simulations. The combination of the importance of the reservoir geometry and the thin layers in which CO2 is located cause small numerical inaccuracies that are caused by a too coarse mesh, or grid size, to have a large impact on the CO2 flow.

Siden oppstarten i 1996 har det blitt injisert over 15 Mt CO2 i den geologiske formasjonen Utsira ved på kommersielle CO2-lagringsprosjektet Sleipner. Utbredelsen av CO2 i reservoaret har blitt monitorert med tidsforløpene 3D-seismikk. Historietilpasning av reservoarmodeller med observasjoner er viktig for å forstå hvordan CO2 strømmer i reservoaret, og derfor kunne predikere hvor CO2 vil strømme i fremtiden, både i Utsira, men også ved andre lagringssteder. Det har vært utfordrende å få et tilfredsstillende samsvar med den observerte laterale strømningen i numeriske simuleringer. Det eksisterer usikkerheter i blant annet temperatur og reservoargeometri som kan ha betydelig innvirkning på simuleringsresultater. Vi har i denne oppgaven undersøkt noen av årsakene til uoverensstemmelsen mellom simuleringer og observasjoner, og gitt konkrete tiltak som potensielt kan gi et bedre samsvar. Det har vi gjort i form av å undersøke datasettet nærmere og utvikle en reservoarmodell. Ved undersøkelsen av datasettet beregnet og studerte vi CO2/vann-kontakten i forhold til topografien. Strømningen av CO2 i reservoaret er hovedsakelig dominert av oppdriften, men vi oppdaget tilsynelatende ufysiske fenomener som vanskelig lar seg reprodusere i numeriske modeller. Det indikerer at usikkerhetene i den utregnede dybden på toppen av reservoaret kan ha stor effekt for strømningen av CO2. Konkret foreslår vi at den sørlige depresjonen i lag 8 og 9, som er innenfor usikkerhetene til den seismiske dybdekonverteringen, kan være en artefakt skapt av hastighetsvariasjoner i overbelastningen. Fremtidige simuleringer bør derfor å ta hensyn til slike usikkerheter i geometrien, da det kan gi et langt bedre samsvar med observasjonene. Simuleringsmodellen vi utviklet er basert på endelig-element-metoden og er utarbeidet med en kommersiell programvare. To ulike temperaturscenarioer for reservoaret ble undersøkt med tilhørende tetthet- og viskositetsverdier for CO2 og vann. Resultatet viste at ved høyere temperatur var den laterale spredningen vesentlig hurtigere, men metningen i CO2-laget og søylen lavere. Det er fordi den reduserte viskositeten gjør at mindre metning kreves før den relative permeabiliteten blir høy nok for at CO2 skal strømme til nye områder. I begge scenarioene var strømningen dominert av gravitasjonen. Simuleringsverktøy som skal brukes må derfor kunne inkludere gravitasjonseffekter på strømningen. En høyere reservoartemperatur kan gi bedre samsvar med observert strømning nordover, men må kalibreres med gravimetrimålinger. En kombinasjon av endringer i reservoargeometrien og petrofysiske parametere er sannsynligvis den beste fremgangsmåten for å få et bedre samsvar med utbredelsen av CO2 nordover. Vi har også trukket fram viktigheten av å benytte et vesentlig finere mesh, eller gridstørrelse, enn ved tradisjonelle reservoarsimuleringer. Kombinasjonen av reservoargeometriens rolle og de tynne lagene CO2 befinner seg i gjør at små numeriske unøyaktigheter som følge av for grovt mesh, eller gridstørrelse, kan ha store konsekvenser på hvor CO2 vil strømme.