Published December 2, 2020 | Version v1
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Physico-chemical processes and impacts of CO2 leaks on near-surface hydrosystems during geological storage: Experimental in-situ and laboratory approaches

Description

CO2 is known to be one of the main greenhouse gases that actively contributes to global warming. In order to limit the impacts that its increases in the atmosphere cause, different methods are proposed such as carbon capture and geological storage. One of the main qualities of a storage site is that it has a minimum probability of leakage. Therefore, it is essential to develop monitoring tools and protocols in order to assess their importance and plan corrective actions. The main objective of this thesis is to study the physicochemical processes and the impacts of a CO2 leak on near-surface hydrosystems (vadose zone (VZ) and aquifer) in the context of an Oligocene carbonate reservoir system, located in the Aquitaine basin. This study followed two main approaches: i) an experimental approach on the pilot site of Saint- Emilion (Gironde, France) where a CO2 injection took place directly into the aquifer through a borehole; ii) a core-scale laboratory approach to study the interactions of the CO2-H2O-CaCO3 system. This work also brings a new experimental approach by coupling geochemical and geophysical methods on the two scales of investigation. The baseline, carried out through the VZ the year before the CO2 injection experiment, provided an understanding of the natural evolution of this gas during a hydrogeological cycle. Water transfers by diffusivity as well as aquifer recharge were also studied using geoelectric measurements in the field and laboratory. The transfer time turns out to be dependent on the physical properties of the medium (porosity, effective permeability and water saturation). In addition, over a year, the natural concentrations of major elements of VZ remain constant and the hydrosystem is in equilibrium with respect to calcite. Following the leakage caused by CO2 in the aquifer and according to our results, certain physiochemical parameters (such as electrical conductivity, pH and concentrations of Ca2+, HCO3- and CO2 (aq)) turned out to be good sufficiently sensitive and reactive indicators that can be used on a geological CO2 storage site in order to monitor any physicochemical disturbance. Numerical simulations made it possible to better understand the reaction and transport processes taking place at the scale of the pilot site. Hydrodynamic dispersion turns out to be the main parameter controlling the transport of major elements by mechanical dispersion and molecular diffusion through the saturated zone. Core-scale experiments have observed and quantified the influence of CO2 effects on the electrical behavior of carbonate rock. The results obtained allow a better understanding of flow processes and in-situ parameters (capillary pressure, porosity, etc.) controlling the propagation of a gas plume through a carbonate aquifer. The factors influencing the geochemical response of groundwater to a CO2 leak are also studied. Thus, a better definition of the relationship between CO2 concentrations, electrical conductivity and pH is provided, making it possible to pass from the core scale to the pilot scale and vice versa. All the results presented in this thesis work highlight the importance of characterizing the petrophysical heterogeneity of the carbonate reservoir. It is also essential to establish a baseline of the saturated zone and across the VZ, allowing natural variations in CO2 to be distinguished from those induced by a leak. Combining field observations and laboratory demonstrations increases the chances of detecting a potential CO2 leak at a geological storage site. (author)

Abstract (French)

Le CO2 est connu comme etant l'un des principaux gaz a effet de serre qui participe activement au rechauffement du systeme climatique. Afin de limiter les impacts que ses augmentations dans l'atmosphere provoquent, differentes methodes sont proposees telle que la capture et le stockage geologique du carbone. L'une des principales qualites d'un site ou le stockage est realise est de presenter une probabilite de fuite minimale. Il est donc essentiel de developper des outils et protocoles de surveillance afin d'evaluer leur importance et de prevoir des actions correctives. Ce travail de these a pour objectif principal d'etudier les processus physicochimiques et les impacts d'une fuite de CO2 sur les hydrosystemes proches surface (zone vadose (ZV) et nappe) dans un contexte d'un systeme carbonate reservoir d'age Oligocene superieur, situe au sein du bassin aquitain. Cette etude a suivi deux approches principales: i) une approche experimentale sur le site pilote de Saint-Emilion (Gironde, France) ou une injection de CO2 a eu lieu directement dans l'aquifere a partir d'un puits de forage; ii) une approche en laboratoire a l'echelle de la carotte afin d'etudier les interactions du systeme CO2-H2O-CaCO3. Ce travail apporte egalement une demarche experimentale nouvelle en couplant des methodes geochimiques et geophysiques sur les deux echelles d'investigation. La ligne de base, realisee a travers la ZV l'annee precedant l'experience d'injection de CO2, a permis de comprendre l'evolution naturelle de ce gaz au cours d'un cycle hydrogeologique. Les transferts d'eau par diffusivite ainsi que la recharge de l'aquifere ont egalement ete etudies grace a des mesures geoelectriques sur le terrain et en laboratoire. Le temps de transfert s'avere etre dependant des proprietes physiques du milieu (porosite, permeabilite effective et saturation en eau). De plus, sur une annee, les concentrations naturelles en elements majeurs de la ZV restent constantes et l'hydrosysteme est a l'equilibre vis-a-vis de la calcite. Suite a la fuite provoquee de CO2 dans la nappe et au regard de nos resultats, certains parametres physicochimiques (tels que la conductivite electrique, le pH, et les concentrations en Ca2+, HCO3- et CO2 (aq)) se sont averes etre de bons indicateurs, suffisamment sensibles et reactifs, pouvant etre utilises sur un site de stockage geologique de CO2 afin de suivre toutes perturbations physicochimiques. Les simulations numeriques ont permis de mieux apprehender les processus de reaction et de transport se deroulant a l'echelle du site pilote. La dispersion hydrodynamique s'avere etre le parametre principal controlant le transport des elements majeurs par dispersion mecanique et diffusion moleculaire a travers la zone saturee. Les experiences a l'echelle de la carotte ont permis d'observer et de quantifier l'influence des effets du CO2 sur le comportement electrique de la roche carbonatee. Les resultats obtenus permettent une meilleure comprehension des processus d'ecoulement et des parametres in-situ (pression capillaire, porosite, etc.) controlant la propagation d'un panache de gaz a travers un aquifere carbonate. Les facteurs influencant la reponse geochimique des eaux souterraines face a une fuite de CO2 sont egalement etudies. Ainsi, une meilleure definition de la relation entre les concentrations en CO2, la conductivite electrique et le pH est apportee, permettant de passer de l'echelle de la carotte a l'echelle du site pilote et vice versa. L'ensemble des resultats presente dans ce travail de these met en avant l'importance de la caracterisation de l'heterogeneite petrophysique du reservoir carbonate. Il est egalement essentiel d'etablir une ligne de base de la zone saturee et a travers la ZV, permettant de distinguer les variations naturelles en CO2 de celles induites par une fuite. Le couplage des observations sur le terrain et des demonstrations en laboratoire permet d'augmenter les chances de detection d'une fuite potentielle de CO2 sur un site de stockage geologique. (auteur)

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Original title (French)
Processus physico-chimiques et impacts des fuites de CO2 sur les hydrosystemes proches surface lors d'un stockage geologique: Approches experimentales in-situ et en laboratoire

Publishing Information

Imprint Pagination
340 p.
Report number
FRNC-TH--13540

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Notes
311 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses