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Élaboration d’un flux de travail pour la surveillance sismique de l’injection du CO2 dans des grès peu poreux: de la modélisation sismique à l’inversion stochastique.

Perozzi, Lorenzo (2015). Élaboration d’un flux de travail pour la surveillance sismique de l’injection du CO2 dans des grès peu poreux: de la modélisation sismique à l’inversion stochastique. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 140 p.

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Résumé

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Plusieurs rapports d’organismes internationaux tels que l’Agence internationale de l’énergie (AIE) et le Groupe intergouvernemental d’experts sur l’évolution du climat (GIEC) ont confirmé que le réchauffement climatique est indiscutable et trouve son origine dans l’activité humaine. En même temps, d’ici 2040, l’AIE prévoit une augmentation de la demande énergétique mondiale de 37 %. Bien que le choix des politiques et les évolutions du marché devraient entraîner une baisse de la demande pour les combustibles fossiles, ceci ne suffira pas à enrayer l’augmentation des émissions de dioxyde de carbone, ce qui provoquera une accélération de la hausse de la température mondiale de 3:6 _C à long terme. Le GIEC estime donc que pour limiter cette hausse à 2 _C, objectif adopté au niveau international pour prévenir les répercussions les plus graves du changement climatique, le monde ne devra pas émettre plus de 1000 Gt CO2 à compter de 2014. Selon les deux organismes, environ 14 % des émissions seront réduites grâce à l’emploi de la technologie du captage et stockage du CO2. Bien que cette technologie ne soit pas universellement reconnue parmi les agences de protection de l’environnement et les ONG, elle est la seule méthode à court terme qui permettrait d’avoir un impact significatif sur le bilan carbone et il y a maintenant une urgence pour le déploiement du CSC au-delà de la phase démonstrative. Pour que le stockage géologique du CO2 ait un impact positif sur l’environnement, le CO2 doit être stocké dans le sous-sol aussi longtemps qu’il le faut pour que les émissions anthropologiques chutent à des niveaux acceptables et dans des roches réservoirs permettant d’accueillir des volumes importants de CO2. Ces contraintes nécessitent que le CO2 soit stocké sur une échelle de temps de l’ordre de 101 à 104 ans. Pour atteindre cette exigence, on doit s’assurer que le CO2 reste en place et ne puisse migrer sur de grandes distances ni verticalement ni horizontalement. À partir de ces constats, cette thèse propose une méthodologie de travail pour la surveillance sismique temporelle et l’évaluation de l’incertitude liée à l’injection du CO2 adaptée à un environnement avec des faibles porosités et perméabilités, comme celui des Basses-Terres du St-Laurent (BTSL) au Québec, Canada. Cette méthodologie est menée sur deux fronts: utiliser les mesures de laboratoire et la modélisation sismique de puits comme outils de haute résolution pour évaluer la réponse sismique due à l’injection du CO2 et définir une séquence logique de modélisation stochastique d’un réservoir potentiel pour la séquestration géologique du CO2. Premièrement, les mesures de laboratoire sur deux échantillons provenant des unités réservoir de BTSL ont permis d’évaluer la réponse sismique due à l’injection du CO2 sous différentes conditions de pression et température. Ces mesures ont permis de calibrer le modèle géologique utilisé ensuite dans la modélisation sismique de puits. Cette modélisation a montré que les différences rencontrées aux différents temps sont quantifiables principalement par un délai de 30 ms associé à une diminution des vitesses quand le CO2 supercritique remplace la saumure dans l’espace poreux. Ensuite, la modélisation numérique basée sur un modèle hétérogène réaliste de l’aquifère salin des BSTL indique qu’ à partir des données statiques initiales, l’approche d’inversion stochastique par déformation graduelle permet d’obtenir des estimations fidèles des propriétés physiques ainsi qu’une prédiction fiable de la distribution du CO2 dans le réservoir. .

Abstract

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Several organizations such as the International Energy Agency (IEA) and the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) confirmed that global warming is undeniable and originates from human activity. Following the 4DS IEA scenario, global energy demand is set to grow by 37 % by 2040. While policy choices and market developments bring the share of fossil fuels in primary energy demand down to just under three-quarters by 2040, they are not enough to stem the rise in energy-related CO2 emissions, which grow by one-fifth. This puts the world on a path consistent with a long-term global average temperature increase of 3:6 _C. The IPCC estimates that in order to limit this temperature increase to 2 _C – the internationally agreed goal to avert the most severe and widespread implications of climate change – the world cannot emit more than around 1000 gigatonnes of CO2 from 2014 onwards. According to IEA and IPCC, carbon capture and storage (CCS) technology could reduce CO2 emissions by 20 % of CO2. This decade is critical for moving CCS through and beyond the demonstration phase. This means that urgent action is required, beginning now, from industry and governments to develop technology and the required business models, and to implement incentive frameworks that can help drive CCS deployment in the power sector and industrial applications. If CCS is to have a positive environmental impact then the injected CO2 must be stored in geological reservoirs allowing to accommodate huge volumes of CO2 for as long as it takes for anthropogenic output rates to drop to acceptable levels and for the carbon cycle to have recovered and stabilized in geological reservoirs. This constraint requires CO2 to be stored for timescales of the order of 104 or even 104 years. To meet this requirement we must ensure that it is not possible for injected CO2 to migrate on large distances either vertically or horizontally away from the targeted reservoir. On the basis of these observations, this thesis proposes a workflow for the timelapse seismic monitoring and the uncertainty assessment of the CO2 injection suited to the environment in which porosities and permeabilities are very low such as the St. Lawrence Lowlands (Québec, Canada) context. This two-pronged approach use first laboratory measurements and vertical seismic profiling as high resolution tool in order to assess the seismic response generated by CO2 injections. Then, a logical sequence of stochastic modeling of a potential reservoir for CO2 sequestration is defined. Laboratory measurements on two geological samples from the reservoir units of the St Lawrence Lowlands has allowed to assess the seismic response under various temperature and pressions conditions. The results obtained have helped to calibrate the geological model employed in the seismic modeling step. The results of the seismic modeling showed that the seismic signature of the CO2 is mainly observable by a delay of 30 ms related to a decrease in the wave velocities when supercritical CO2 replace brine in the pore space. Numerical experiments based on a realistic heterogeneous saline aquifer model indicates that, given initial static data, the inversion approach should allow for faithful properties estimation and reliable prediction of the spatial distribution of CO2.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Giroux, Bernard
Co-directeurs de mémoire/thèse: Gloaguen, Erwan; Holliger, Klaus
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: grès; modélisation sismique de puits; modélisation stochastique; méthodes géophysiques; données géophysiques; stockage du CO2; aquifère salin; Basses-Terres du St Laurent
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 29 mars 2016 21:16
Dernière modification: 29 mars 2016 21:16
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/3342

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