Development of Methods for Gaseous Phase Geochemical Monitoring on the Surface and in the Intermediate Overburden Strata of Geological CO2 Storage Sites Développement de méthodes de suivi géochimique en phase gazeuse à la surface et dans la couverture intermédiaire des sites de stockage géologique du CO2

Abstract

The developments and results presented in this paper are taken from the work carried out as part of the GeoCarbon-Monitoring project, which was partly funded by the French National Research Agency (ANR). An important part of this project covers methods for gas monitoring on the surface as well as within the cap rock of geological CO2 storage sites. The work undertaken by INERIS was targeted at two specific approaches which are often recommended as essential for the monitoring of future storage sites: early detection (pre-alert), based on the sampling and analysis of gas at the bottom of the dedicated boreholes which are drilled from the surface into the intermediate cap rock strata; the detection and quantification of the gaseous flux of CO2 released from the ground into the atmosphere. These two approaches were developed in the laboratory successively and then applied and tested in-situ, under conditions that are as close as possible to those of the future storage sites. They offer the advantage of ensuring a direct measurement as well as providing real-time information on the presence or, on the contrary, the absence of CO2 leaks. The tests undertaken on a 200 meter deep borehole have shown that the detection of CO2 leaks passing through the intermediate overburden strata was possible thanks to the continuous sampling and analysis of the composition of the gas which accumulated at the bottom of the borehole. In particular, the detection of small releases of gas emanating from the surrounding rock gave rise to a number of good results. These releases may be a precursor to a larger leak. Likewise, it has been possible to take a sample and ensure the transit of gas over long distances, up to 1000 meters from the sampling point. This was done without causing any significant deformation or dilution of the initial gaseous signal, even for low amplitude leaks. These results allow us to envisage the implementation of a relatively simple system for detecting and monitoring gas leaks through intermediate cap rock strata. This system will largely comprise conventional industrial gas sensors which are available off the shelf. The direct measurement of gas flows emanating from the ground is one of the most effective ways to monitor a storage site. The INERIS accumulation chamber method has been improved to measure low and very low CO2 flux rates. It can now be used to measure a wide range of CO2 flux rates, from very low emission levels of 0.05 to 0.2 cm3.min−1.m−2 up to extremely high flux rates of some 3000 cm3.min−1.m−2. The accuracy and operational characteristics of chamber method have been checked and validated by tests performed in a laboratory and on a test rig, as well as through field measurements taken under real conditions at sites that naturally release CO2. These tests have shown that the method has reached full technical maturity and that it can be applied on a practical level to detect and monitor CO2 and methane emissions on the ground’s surface. The two methods which have been tested are now operational and ready for integration into the surveillance strategy applied at future CO2 storage sites. They can be used at every stage of a storage site’s life: site reconnaissance, definition of the initial state, injection, post-injection phase, and residual monitoring after the site has been abandoned. Les développements et les résultats présentés sont issus des travaux réalisés dans le cadre du programme Géocarbone-Monitoring cofinancé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR). Une partie importante de ce programme a porté sur des méthodes de suivi géochimique en phase gazeuse à la surface et dans la couverture intermédiaire des sites de stockage géologique du CO2. Le travail effectué par l’INERIS a été ciblé sur deux approches particulières, souvent préconisées comme incontournables dans la surveillance des futurs sites de stockage : une détection précoce (préalerte), au moyen de prélèvement et analyse de gaz au fond des forages de contrôle débouchant dans la couverture intermédiaire ; la détection et la quantification du flux gazeux de CO2 émanant du sol vers l’atmosphère. Ces deux approches ont été successivement développées en laboratoire et ensuite appliquées et testées in-situ dans les conditions réelles, les plus proches possibles de celles de futurs sites de stockage. Elles présentent l’avantage d’assurer une mesure directe et de fournir les informations en temps réel sur la présence éventuelle ou au contraire sur l’absence de fuites du CO2. Les essais réalisés sur un forage de 200 m de profondeur ont montré que la détection des fuites de CO2 traversant les couches de couverture intermédiaire était possible par un prélèvement et une analyse en continu du gaz s’accumulant au fond de forage. De bons résultats ont été notamment obtenus dans le cas de détection de petites bouffées de gaz arrivant au fond de sondage pouvant constituer le signe précurseur d’une fuite plus importante. De même, un prélèvement et un transit de gaz à longue distance ont pu être réalisés jusqu’à 1000 m depuis le point de prélèvement sans provoquer une déformation et une dilution excessives du signal gazeux initial et ce même pour les fuites de faible ampleur. Ces résultats permettent d’envisager à terme la mise en place d’un système relativement simple de détection et de suivi de fuites à travers les horizons géologiques intermédiaires. Ce dispositif sera composé pour une partie importante de capteurs industriels classiques disponibles dans le commerce. La mesure directe du flux gazeux émanant du sol est l’une des méthodes les plus efficaces de contrôle et de suivi d’un site de stockage. La méthode de chambre à accumulation de l’INERIS a été améliorée pour la mesure de faibles flux de CO2. Elle permet maintenant de réaliser les mesures dans une large gamme de flux de CO2 allant du domaine des émissions très faibles de 0,05 à 0,2 cm3.min−1.m−2 jusqu’à un niveau de flux extrêmement forts de 3000 cm3.min−1.m−2 environ. Ces caractéristiques métrologiques et opérationnelles ont été vérifiées et validées par les essais en laboratoire, sur un banc d’essais, mais aussi par les mesures sur le terrain dans les conditions réelles de sites naturellement émissifs du CO2. Ces essais ont montré une pleine maturité technique de la méthode pour une application pratique à la détection et au suivi des émissions de CO2 et de méthane à la surface du sol. Les deux méthodes expérimentées sont désormais opérationnelles et disponibles pour être intégrées dans la stratégie de surveillance de futurs sites de stockage de CO2. Elles peuvent en effet être utilisées dans toutes les étapes de la vie d’un site de stockage : la reconnaissance du site, l’établissement de l’état initial, l’injection, la phase post-injection et le suivi résiduel après l’abandon.