Coupled Large Scale Hydromechanical Modelling for Caprock Failure Risk Assessment of CO2 Storage in Deep Saline Aquifers Analyse hydromécanique à grande échelle pour l’évaluation du risque de fracturation de la couverture de stockage du CO2 dans les aquifères profonds

Abstract

This work presents a numerical strategy of large scale hydromechanical simulations to assess the risk of damage in caprock formations during a CO2 injection process. The proposed methodology is based on the development of a sequential coupling between a multiphase fluid flow (TOUGH2) and a hydromechanical calculation code (Code_Aster) that enables us to perform coupled hydromechanical simulation at a regional scale. The likelihood of different caprock damage mechanisms can then be evaluated based on the results of the coupled simulations. A scenario based approach is proposed to take into account the effect of the uncertainty of model parameters on damage likelihood. The developed methodology is applied for the caprock failure analysis of deep aquifer of the Dogger formation in the context of the Paris basin multilayered geological system as a demonstration example. The simulation is carried out at a regional scale (100 km) considering an industrial mass injection rate of CO2 of 10 Mt/y. The assessment of the stress state after 10 years of injection is conducted through the developed sequential coupling. Two failure mechanisms have been taken into account, namely the tensile fracturing and the shear slip reactivation of pre-existing fractures. To deal with the large uncertainties due to sparse data on the layer formations, a scenariobased strategy is undertaken. It consists in defining a first reference modelling scenario considering the mean values of the hydromechanical properties for each layer. A sensitivity analysis is then carried out and shows the importance of both the initial stress state and the reservoir hydraulic properties on the caprock failure tendency. On this basis, a second scenario denoted “critical” is defined so that the most influential model parameters are taken in their worst configuration. None of these failure criteria is activated for the considered conditions. At a phenomenological level, this study points out three key aspects for risk management. The maximum overpressure is reached rapidly after a couple of years, the lateral extension of the “overpressurized” zone induced by the injection is very large (> 50 km) and the most critical zone is the injection near zone (distance Cet article présente une méthodologie de simulation hydromécanique à grande échelle pour évaluer le risque de fracturation des formations de couverture dans le contexte de stockage géologique du CO2 dans les aquifères profonds. Cette stratégie est basée sur le développement d’un couplage externe entre un code de transport multiphasique (TOUGH2) et un code de calcul hydromécanique (Code_Aster). L’outil développé nous permet de réaliser des simulations hydromécaniques couplées à l’échelle régionale (étendue de 100 km). Différents mécanismes de dégradation mécanique de la couverture peuvent être vérifiés à l’issu de ces simulations. Une stratégie par scénarios est également proposée afin de tenir compte de l’influence des incertitudes des paramètres du modèle sur le risque de fracturation. Le cas de la couverture de l’aquifère profond du Dogger dans le contexte du bassin de Paris est traité comme un exemple d’application. La simulation est réalisée à grande échelle pour une injection de CO2 à un débit industriel (10 Mt/an). L’estimation de l’état des contraintes après 10 ans d’injection est réalisée par le couplage séquentiel TOUGH2/Code_Aster. Deux modes de fracturation sont évalués, à savoir la création de fractures par traction et la réactivation par cisaillement de fractures pré-existantes. Un premier scénario de référence est défini en affectant aux différentes couches leurs propriétés moyennes. Une étude de sensibilité montre l’importance de la définition de l’état initial des contraintes et des propriétés hydrauliques du réservoir sur les modes de ruptures de la couverture. Sur cette base, un deuxième scénario est défini pour lequel les paramètres les plus sensibles sont pris dans leur configuration la plus « défavorable ». Aucun critère de rupture n’est atteint pour les conditions de calcul considérées. Par ailleurs, l’étude réaliséepermet de mettre en avant trois aspects pour la gestion du risque : la pression maximale est atteinte rapidement après quelques années d’injection, l’extension latérale de la zone perturbée en pression est importante (> 50 km) et la zone la plus critique est celle « proche puits » (distance < 100 m) à l’interface entre la couverture et le réservoir.