Petrophysical Models of the CO2 Plume at Prospective Storage Sites in the Baltic Basin

PhD uuringu eesmärgiks oli koostada petrofüüsikalised mudelid Balti settebasseini perspektiivsetes sügavates pinnaalustes struktuurides võimaliku CO2 geoloogilise ladustamise (CGS) käigus toimuva CO2 voo kohta, et toetada CO2 kinnipüüdmise ja ladustamise (CCS) tehnoloogia kui ühe efektiivsema kliimamuutust leevendava meetme kasutuselevõttu Balti riikides.

CGS-i struktuuriskaala  modelleerimise metodoloogia koosnes neljast etapist: (1) ladustamiskoha valik ja andmete kogumine, (2) ladustamiskoha iseloomustamine, (3) CGS-i mõju kivimite omadustele, (4) CO2 ladustamise numbriline seismiline modelleerimine.

Nelja geoloogilist struktuuri, mis on perspektiivsed CGS-i jaoks Balti regioonis (mandrilised Lõuna Kandava ja Dobele struktuurid ning merelised struktuurid E6 Lätis ja E7 Leedus), iseloomustati, kasutades olemasolevaid ja uusi andmeid, mis saadi viiest puuraugust pärineva 24 reservuaariliivakivimi- ja katendikivimiproovi laboratoorsel analüüsimisel. Uuritud struktuuride Deimena ladestu Kambriumi seeria 3 (varem Kesk-Kambrium) reservuaarikivimid on kaetud Zebre ladestu Alam Ordoviitsiumi katendikivimitega. Kivimite petrofüüsikalisi omadusi, keemilist- ja mineraloogilist koostist ning pinnamorfoloogiat võrreldi varasema andmestikuga. Neljale uuritud struktuurile konstrueeriti geoloogiliste, gamma-karotaaži ja laboratoorsete andmete põhjal reservuaarisektsioonide ning katendikivimi läbilõigete ja Deimena ladestu ülaosa kolmemõõtmelised staatilised mudelid.

Struktuuride CO2 ladustamise mahutavust hinnati erinevatel usaldusväärsuse tasemetel. Keskmine hinnanguline mahutavus, lähtudes optimistlikust tasemest, oli mandrilistel Dobele ja Lõuna Kandava ning merelistel E6 ja E7 struktuuridel, vastavalt 106, 95, 377 ja 34 Mt. E6 struktuur hinnati Balti basseinis CGS-i jaoks kõige perspektiivsemaks, lähtudes selle reservuaarikvaliteedist, lukustuspindalast ja ladustamismahutavusest. Selle hinnanguline optimistlik CO2 ladustamismahutatavus oli 251−602 Mt (keskmine 377 Mt), mis on ligilähedane varem publitseeritud Läti 16 mandrilise struktuuri kogumahutavusele (400 Mt).

Gaasiläbilaskevõimele ja poorsusele tuginedes pakuti välja reservuaarikivimete CGS-i omaduste uus klassifikatsioon Balti settebasseini Deimena ladestu liivakivide jaoks, lähtudes varasematest ning autori poolt määratud parameetritest. Klassifikatsiooni rakendati seejärel nelja uuritud struktuuri reservuaarikivimite kvaliteedi hindamiseks. Reservuaari liivakivide kvaliteet oli kõrgeim (‘kõrge-2’) Dobele struktuuris, samal ajal kui Lõuna Kandava ja E6 struktuuri kvaliteet oli ‘sobiv’ CGS-i jaoks. Madalaim kvaliteet, ‘ettevaatust nõudev’ CGS-i jaoks, oli kõige rohkem kokku surutud E7 struktuuri liivakividel.

Lõuna Kandava, E6 ja E7 struktuuridest pärit 12 liivakiviproovi petrofüüsikalisi, geokeemilisi ja mineraloogilisi parameetreid mõõdeti ning analüüsiti enne ja pärast CO2 sisestamist imiteerivat mõjutuseksperimenti. Uuritud mereliste struktuuride peamiselt puhtast kvartsist liivakivireservuaaride esialgne kvaliteet põhiliselt säilis mõjutuseksperimentide ajal.

Suurimas ja hinnanguliselt kõige perspektiivikamas Läti merelises struktuuris CO2 ladustamise seire teostatavuse analüüsiks kasutati kivimite füüsikalistele uuringutele tuginevat 4D numbrilist seismilist modelleerimist. Erinevate CO2 kontsentratsioonidega homogeenselt küllastatud ja arvutatud CO2 voo mudeli alusel saadud Deimena ladestu liivakivireservuaari sünteetilisi seismogramme ja seismilisi sektsioone võrreldi nelja stsenaariumi raames (ühetaolised ja voomudelid ilma ja koos mõjutusefektiga) baastaseme sektsioonidega, kasutades diferents- ja normaliseeritud ruutkeskmise (NRMS) meetrikat. Kasutatud lähenemise uudsus seisnes laboratoorselt mõõdetud CO2 siduvate kivimite keemiliselt indutseeritud petrofüüsikalise mõjutatuse ühendamises seismilise numbrilise modelleerimisega. Reservuaari petrofüüsikaliste omaduste mõjutamine avaldas tugevat mõju seismiliste sektsioonide peegeldunud signaalidele, kusjuures suurim erinevus esines 1% CO2 küllastusega seismilistes sektsioonides, suurendades ladustatud CO2 määratavust. Erinevus vähenes CO2 sisalduse edasisel suurenemisel. CO2 küllastatus kuni 5% on kvalitatiivselt hinnatav sünteetiliste seismiliste andmete põhjal. CO2 küllastatuse puhul üle 5% pole küllastusastme kvalitatiivne hindamine praktiliselt enam võimalik.

Saadud tulemustel ja nende uudsusel on praktiline väärtus Balti mere regioonis CGS-i rakendatavuse demonstreerimisel. Struktuuriskaalas testitud pakutavaid meetodeid ning CO2 sisestamist simuleeriva eksperimendi tulemusi saab rakendada Balti Kambriumi basseinis ja teistes basseinides CO2 ladustamise basseiniskaalas modelleerimisel. 

Abstract

The aim of this PhD research was to compose petrophysical models of the CO2 plume during possible CO2 geological storage (CGS) in prospective deep subsurface structures in the Baltic sedimentary basin. The obtained results will support the implementation of CO2 capture and geological storage (CCS) technology in the Baltic States as one of the effective measures to mitigate climate change.

The applied methodological approach for CGS modelling in the structure scale consisted of four stages: (1) storage site selection and data collection, (2) storage site characterization, (3) estimating the influence of CGS on rock properties, (4) numerical seismic modelling of CO2 storage.

Four geological structures prospective for CGS in the Baltic Region, located onshore (South Kandava and Dobele) and offshore in Latvia (E6) and Lithuania (E7), were characterized using available data and new laboratory measurements of 24 samples of the reservoir and cap rocks from five boreholes. The reservoir sandstones of the Deimena Formation of the Cambrian Series 3 (earlier Middle Cambrian) are sealed in the studied structures by the Lower Ordovician clayey cap rocks of the Zebre Formation. Petrophysical properties, chemical and mineralogical composition and surface morphology of these rocks were interpreted together with the previously available data. Three-dimensional static models of the top of the reservoir sandstone of the Deimena Formation and cross sections of the reservoir and cap rocks for the four studied structures were constructed using geological, gamma-ray logging and laboratory data.

The CO2 storage capacities of the four studied structures were estimated with different levels of reliability. The average capacities estimated by the optimistic approach in the onshore Dobele, South Kandava and offshore E6 and E7 structures were 106, 95, 377 and 34 Mt, respectively. The E6 structure was assessed as the most prospective for CGS in the Baltic Basin according to its reservoir quality, trap area and storage capacity. Its estimated optimistic CO2 storage capacity was in the range 251−602 Mt (average 377 Mt) and was close to the earlier reported total potential of 16 onshore Latvian structures (400 Mt).

A new classification of the reservoir quality of rocks in terms of gas permeability and porosity was proposed for CGS in sandstones of the Deimena Formation based on data reported earlier and measured by the author. This classification was applied to estimate the quality of the reservoir rocks of the four studied structures. The quality of the reservoir sandstones (‘high-2’) was highest in the Dobele structure, and ‘appropriate’ for CGS in the South Kandava and E6 structures. The lowest quality, assessed as ‘cautionary’ for CGS, was recorded in the most compacted sandstones of the E7 structure.

Petrophysical, geochemical and mineralogical parameters of 12 sandstone samples from the South Kandava, E6 and E7 structures were measured and analysed before and after the CO2 injection-like alteration experiment. The initial reservoir quality of the studied pure quartz sandstones from the offshore structures was mainly preserved during the alteration experiment.

To analyse the feasibility of CO2 storage monitoring in the largest E6 structure offshore Latvia, estimated as the most prospective for CGS, the 4D time-lapse numerical seismic modelling based on the rock physics studies was applied. Synthetic seismograms and seismic sections of the sandstone reservoir of the Deimena Formation homogeneously saturated with different concentrations of CO2, computed for a CO2 plume model, were compared with a baseline section within four scenarios (uniform and plume models without and with alteration effect) using ‘Difference’ and NRMS metrics. The novelty of the applied approach was the coupling of the chemically induced petrophysical alteration effect of CO2 hosting rocks measured in the laboratory with timelapse seismic numerical modelling. The alteration of the petrophysical properties of the reservoir had a strong influence on the reflected signals in the seismic sections. The highest difference was recorded in seismic sections with 1% CO2 saturation, increasing the detectability of the stored CO2. The difference decreased with increasing CO2 content. Up to 5% CO2 saturation could be qualitatively estimated from the synthetic seismic data. For CO2 saturation higher than 5%, qualitative estimations of the saturation level are uncertain.

The obtained results and their novelty have a practical value for the demonstration of CGS and its monitoring in the Baltic Sea Region. The proposed methods were tested in the structure scale and the results of the CO2 injection-like experiment could be applied to the basin-scale modelling of the CO2 storage in the Baltic Cambrian Basin and in the other basins.