TÉCNICAS DE MONITORAMENTO PARA ARMAZENAMENTO GEOLÓGICO DE CO 2

Transcrição

1 TÉCNICAS DE MONITORAMENTO PARA ARMAZENAMENTO GEOLÓGICO DE CO 2 II Curso Básico "Compreendendo a Captura e o Armazenamento de Carbono" Clarissa Lovato Melo CEPAC/PUCRS Lia Weigert Bressan CEPAC/PUCRS Porto Alegre, 15 de agosto de 2012

2 AGENDA 1. Objetivos do MMV 2. Etapas do MMV em um projeto de CCS 3. Seleção de Técnicas de Monitoramento 4. Plano de Monitoramento 5. Técnicas de monitoramento usadas em diferentes sistemas geológicos: Monitoramento atmosférico; Monitoramento próximo a superfície; Monitoramento da subsuperfície 6. Aplicação das técnicas de monitoramento em um projeto de CCS (Weyburn-CA) 7. Laboratório de campo de monitoramento (ZERT-EUA) 8. Laboratório de campo para MMV na Fazenda da Ressacada (Florianópolis-SC) 9. Mini Ressacada 10. Projeto Traçadores

3 OBJETIVOS DO MMV GERAIS: Tornar a prática do armazenamento geológico segura, efetiva e permanente em todos os tipos de formação. OUTROS: Otimizar o reservatório: maximizar a quantidade e minimizar o volume de CO 2 a ser armazenado Minimizar o custo operacional Detectar e minimizar o risco de eventuais vazamentos; Maximizar a eficiência operacional do processo de injeção Melhorar a compreensão dos processos de armazenamento; Avaliar as interações entre o CO 2 com as formações e com outros fluidos; Estimar os impactos de SMS em caso de vazamento para a atmosfera; Avaliar e monitorar trabalhos de remediação em caso de vazamentos; Fornecer um embasamento técnico para auxiliar em disputas legais resultantes de qualquer impacto decorrente da tecnologia

4 ETAPAS DO MMV EM UM PROJETO DE CCS 1) LEVANTAMENTO DE BASE: caracterização inicial, levantamento de riscos. Ponto de comparação. 2) OPERACIONAL: monitoramento da distribuição do CO 2 no reservatório, potencial de migração, ocorrência de vazamentos, etc. 3) FECHAMENTO DO SITE: após cessar a injeção, quando é feito o abandono e fechamento dos poços. 4) PÓS-FECHAMENTO: monitoramento periódico definido por organismos reguladores

5 SELEÇÃO DE TÉCNICAS DE MONITORAMENTO Características do Reservatório de Armazenamento Localização (onshore/offshore) Profundidade Tipo (aqüífero, reservatório de óleo/gás, camada de carvão) Quantidade de CO 2 injetado

6 SELEÇÃO DE TÉCNICAS DE MONITORAMENTO Alvos de Monitoramento (detecção x quantificação) Integridade de poços Imageamento da pluma Integridade do selo Migração do CO 2 para outras camadas Quantificação do CO 2 armazenado (finalidade regulatória e fiscal) Vazamentos para a superfície

7 Integridade de Poços Injeção do CO 2 difusão difusão Lençol freático Pluma de CO 2 Poço de produção pré- existente CO 2 dissolvido na água subterrânea Fase separada de CO 2 Aquífero Corrosão do casing CO 2 em ambiente de baixa permeabilidade difusão Pluma de CO 2 Reservatório de armazenamento Adaptado de IEA GHG Monitoring Selection Tool CO 2 ÓLEO/GÁS

8 Imageamento da Pluma Injeção do CO 2 difusão difusão Lençol freático Pluma de CO 2 Poço de produção pré- existente CO 2 dissolvido na água subterrânea Fase separada de CO 2 Aquífero Corrosão do casing CO 2 em ambiente de baixa permeabilidade difusão Pluma de CO 2 Reservatório de armazenamento Imageamento da pluma por sísmica 4D Adaptado de IEA GHG Monitoring Selection Tool

9 Integridade do selo Injeção do CO 2 difusão difusão Lençol freático Pluma de CO 2 Poço de produção pré- existente CO 2 dissolvido na água subterrânea Fase separada de CO 2 Aquífero Corrosão do casing CO 2 em ambiente de baixa permeabilidade difusão Pluma de CO 2 Reservatório de armazenamento CO 2 Adaptado de IEA GHG Monitoring Selection Tool ÓLEO/GÁS

10 Migração do CO 2 para outras camadas Injeção do CO 2 difusão difusão Lençol freático Pluma de CO 2 Poço de produção pré- existente CO 2 dissolvido na água subterrânea Fase separada de CO 2 Aquífero Corrosão do casing Pluma de CO 2 CO 2 em ambiente de baixa permeabilidade difusão Reservatório de armazenamento CO 2 Adaptado de IEA GHG Monitoring Selection Tool ÓLEO/GÁS

11 Quantificação do CO 2 armazenado Injeção do CO 2 difusão difusão Lençol freático Pluma de CO 2 Poço de produção pré- existente CO 2 dissolvido na água subterrânea Fase separada de CO 2 Aquífero Corrosão do casing CO 2 em ambiente de baixa permeabilidade difusão Pluma de CO 2 Reservatório de armazenamento Adaptado de IEA GHG Monitoring Selection Tool CO 2 ÓLEO/GÁS

12 Vazamentos para a superfície Injeção do CO 2 difusão difusão Lençol freático Pluma de CO 2 Poço de produção pré- existente CO 2 dissolvido na água subterrânea Fase separada de CO 2 Aquífero Corrosão do casing CO 2 em ambiente de baixa permeabilidade difusão Pluma de CO 2 Reservatório de armazenamento Adaptado de IEA GHG Monitoring Selection Tool CO 2 ÓLEO/GÁS

13 SELEÇÃO DE TÉCNICAS DE MONITORAMENTO Outros Alvos do Monitoramento Eficiência do Armazenamento e Processos da Interação do Meio Geológico com o CO 2 Calibração de Modelos Sismicidade e Movimentos de Terra Segurança Pública

14 PLANO DE MONITORAMENTO Deve ser adaptado para as condições e os riscos específicos do site de armazenamento. Vantagens: Foca em grandes riscos Melhora relação custo-benefício Estratégias de monitoramento baseadas no risco Identificação e avaliação de técnicas de MMV: IEAGHG - Design Interativo de Programas de Monitoramento para Armazenamento Geológico de CO 2 Abordagem de Boston Square

15 Seleção de Ferramentas de Monitoramento IEAGHG Fonte: IEA GHG Programme

16

17 Abordagem de Boston Square (Análise do custo-benefício) Avaliação de Tecnologias de Monitoramento no Projeto In Salah Krechba-Algéria Antes (esquerda) e depois (direita) da avaliação. A linha vermelha representa as ferramentas com uma boa relação custo-benefício.

18 TÉCNICAS DE MONITORAMENTO USADAS EM DIFERENTES SISTEMAS GEOLÓGICOS

19 MONITORAMENTO ATMOSFÉRICO 1. DETECTORES DE CO 2 : sensores para monitoramento contínuo ou intermitente de CO 2 no ar que utilizam espectroscopia de infravermelho. Sistemas de alarmes automatizados para segurança do trabalhador no site. Benefícios: Relativamente baratos e portáteis. Representado por tecnologias maduras e novas. Desvantagens: Medidas pontuais. Dificuldade de fornecer medidas contínuas em grandes áreas. Fonte: NETL (2009)

20 MONITORAMENTO ATMOSFÉRICO 2. TORRES DE EDDY COVARIANCE: medem fluxos de CO 2 na atmosfera através das concentrações em uma determinada altura a partir da superfície. Vento Benefícios: Tecnologia madura, dados precisos em operações contínuas. Desvantagens: Equipamento muito especializado, necessita processamento de dados robusto. Variabilidade temporal e espacial no fluxo de CO 2 pode mascarar o sinal do vazamento. Fonte: NETL (2009)

21 MONITORAMENTO ATMOSFÉRICO 3. SISTEMAS A LASER E LIDAR: dispositivos que usam um laser para emitir um feixe com comprimento de onda que o CO 2 absorve. Quantum Cascade Laser Lidar Doppler Benefícios: Técnica altamente precisa com amplo alcance espacial. Desvantagens: Necessita condições de tempo favoráveis. Interferência da vegetação. Sinal/ruído. Fonte: NETL (2009)

22 MONITORAMENTO PRÓXIMO À SUPERFÍCIE 1. ÁGUA SUBTERRÂNEA: amostragem da água subterrânea e do solo para análises químicas básicas. Benefícios: CO 2 (aq) + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3-2H + +CO 3 2- Análises de íons maiores (Na, Ca, K, Mg, Mn, Cl, Si, HCO 3-, SO 4 2- ), ph, alcalinidade, HCs voláteis, CO 2 Tecnologia madura; Detecção mais fácil do que a atmosférica. Desvantagens: Esforço significativo para resultado nulo, caso não ocorram vazamentos. Detecção de vazamentos relativamente tardia. Fonte: NETL (2009)

23 MONITORAMENTO PRÓXIMO À SUPERFÍCIE 2. GASES DO SOLO/ZONA VADOSA: amostragem de gases na zona vadosa/solo para análises de CO 2. Benefícios: O CO 2 retido nos gases do solo permanece por longos períodos de tempo. Detecção de concentrações elevadas de CO 2 é indicativa de vazamento. Desvantagens: Esforço significativo para nenhum resultado caso não ocorram vazamentos. Detecção de vazamentos relativamente tardia. Fonte: NETL (2009)

24 MONITORAMENTO PRÓXIMO À SUPERFÍCIE 3. CÂMARAS DE FLUXO: quantifica fluxos de CO 2 do solo em uma área pré-determinada. Benefícios: Detecção rápida e efetiva dos fluxos de CO 2 Desvantagens: Medições instantâneas em áreas limitadas. Fonte: NETL (2009)

25 MONITORAMENTO PRÓXIMO À SUPERFÍCIE 4. ECOSSISTEMAS: Métodos ópticos (aéreo, satélite) comparação de imagens para detectar a saúde da vegetação. Benefícios: Método de reconhecimento fácil e efetivo Desvantagens: Detecção somente após a emissão ter ocorrido. Difícil quantificação de taxas de vazamento. Modificações não relacionadas a CCS levam a falsos-positivos. Nem todos ecossistemas são igualmente sensíveis ao CO 2. Outras técnicas: levantamentos botânicos (saúde e diversidade da vegetação), microbianos (contagem de bactérias totais, biomassa total, tipos e níveis de atividade microbiana) Fonte: NETL (2009)

26 MONITORAMENTO PRÓXIMO À SUPERFÍCIE 5. TRAÇADORES GASOSOS: Naturais (Isótopos) Composição isotópica natural: isótopos de C, O e H e gases nobres associados ao CO 2 injetado. Introduzidos incorporação de quantidades traços de compostos exóticos (PFCs, SF 6 ) no CO 2 injetado. Benefícios: Usados para determinar a direção do fluxo e detectar vazamentos precoces. Limites de detecção bem baixos. Desvantagens: Muitos dos traçadores solúveis em CO 2 são GEEs e portanto, tem um perfil de risco. Análises devem ser realizadas fora do site. Fonte: NETL (2009)

27 MONITORAMENTO DA 1. MÉTODOS SÍSMICOS SUBSUPERFÍCIE É utilizada uma fonte sísmica com energia controlada para gerar ondas elásticas que se propagam em subsuperfície até atingir camadas de rocha com diferentes propriedades de impedância acústica. As ondas refletidas são registradas em superfície através de sensores (geofones ou hidrofones). Um equipamento de registro de dados (sismógrafo) capta os sinais recebidos pelos sensores e os armazena em formato digital para posterior processamento e apresentação. Fonte: IEA-GHG R&D Programme

28 SÍSMICA DE SUPERFÍCIE 3D- 4D MONITORAMENTO DA SUBSUPERFÍCIE Benefícios: Alta refletividade do CO 2 em fase livre (gasoso ou fluido) Das técnicas disponíveis é a que avalia a a maior área com a mais alta resolução Desvantagens: CO 2 não é detectado quando dissolvido em água: estimativa semi-quantitativa da distribuição do CO 2 Efetividade favorecida em reservatórios rasos e pouco consolidados Fonte: IEA-GHG R&D Programme SLEIPNER MAR DO NORTE a) Linha N-S referente aos levantamentos de 1994, 1999, 2001 e Amplitude acentuada com vermelho/amarelo. b) Mapas de amplitude de reflexão absoluta integradas (1994, 1999 e 2001). Azul: baixa refletividade; vermelho: alta refletividade. Círculo preto:pontos de injeção

29 MONITORAMENTO SÍSMICA DE SUPERFÍCIE MULTICOMPONENTE 4D Além das ondas P (compressionais), registra as ondas S (cisalhantes) Benefícios: Análise de reservatórios fraturados (tensões, fábrica estrutural) e do comportamento do fluido (mudanças na pressão e saturação dos poros). Desvantagens: DA SUBSUPERFÍCIE Resposta sísmica não pode ser usada para quantificação do volume armazenado CAMPO DE VACUUM TEXAS (EUA) Anisotropia de ondas-s (%) do reservatório: a) antes da injeção de CO 2 ; b) após a injeção de CO 2; c) diferença de anisotropia. Fonte: IEA-GHG R&D Programme Mudanças sísmicas atribuídas à saturação de CO 2 e ao aumento da pressão do fluido nos poros

30 MONITORAMENTO DA SUBSUPERFÍCIE SEISMOVIE É um sistema permanente de sísmica 3D no qual os a fonte e os receptores são mantidos fixos no local durante todo o período de monitoramento. Uso de fonte vibracional de baixíssima energia, que não traz qualquer impacto a fauna e flora presentes no local da aquisição, principalmente por ficarem enterradas abaixo da superfície. Fonte: Schinelli, M.; 2009

31 MICROSSÍSMICA (SÍSMICA PASSIVA) MONITORAMENTO DA SUBSUPERFÍCIE Detecta eventos microssísmicos que ocorrem naturalmente ou que são induzidos pelo processo de injeção (geração/reativação de fraturas). Fonte :

32 SÍSMICA INTRAPOÇOS 4D Benefícios: MONITORAMENTO DA SUBSUPERFÍCIE Dados com alta resolução que auxiliam na calibração da sísmica de superfície Migração da pluma de CO 2 entre os poços; detecção de vazamentos Desvantagens: CO 2 dissolvido não é imageado; Necessidade de utilização de poços: construção de poços para o monitoramento (custo) ou utilização de poços de produção envolvendo o cessamento da produção. NAGAOKA JAPÃO Tomografia de velocidade alterada devido à injeção de 3200 ton. de CO 2 Fonte: IEA-GHG R&D Programme

33 PERFIL SÍSMICO VERTICAL VSP Benefícios: MONITORAMENTO DA SUBSUPERFÍCIE Cobertura do entorno do poço com melhor resolução em relação à sísmica de superfície; Dados auxiliam na calibração da sísmica de superfície Desvantagens: Aplicação limitada ao entorno do poço PROJETO PILOTO DE FRIO TEXAS (EUA) Seção de reflexão VSP: realce pronunciado da refletividade no reservatório após injeção de CO 2

34 Gravimetria de Superfície 4D MONITORAMENTO DA SUBSUPERFÍCIE 2. MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS: medem as variações no campo gravimétrico terrestre provocados por mudanças na densidade de rochas. Injeção de CO 2 decréscimo da gravidade/densidade (causado pelo deslocamento de um fluido por outro, ex: água por CO 2 ) Benefícios: Complementa dados da sísmica 4D: estima quantidades de CO 2 dissolvido Desvantagens: Efetividade diminui com a profundidade Gravímetro acoplado em ROV Gravimetria de Poço 4D SLEIPNER- MAR DO NORTE Resposta gravimétrica de 2002 a Diminuição da gravidade na porção central do levantamento. Levantamento de alta resolução próximo ao poço. Fonte: Chadwick et al., 2009

35 MONITORAMENTO DA SUBSUPERFÍCIE 3. MÉTODOS ELÉTRICOS/ELETROMAGNÉTICOS: medem-se voltagens associadas à passagem de correntes elétricas que fluem na subsuperfície. EM DE FUNDO OCEÂNICO (CSEM Controlled Source Electro Magnetic) Método adequado para aqüíferos: deslocamento de águas salinas (condutivas) por CO 2 (resistivo) EM INTRAPOÇOS Mapeamento da condutividade da seção entre os poços Eficaz quando utilizada cem conjunto com métodos sísmicos TOMOGRAFIA ELÉTRICA INTRAPOÇOS Mapeamento da resistividade de subsuperfície da seção entre os poços Fonte: Chadwick et al., 2009

36 MONITORAMENTO DA SUBSUPERFÍCIE 4. OUTROS MÉTODOS USADOS EM POÇOS: usados para monitorar as condições do poço, do reservatório e da injeção de CO 2. SENSORES DE PRESSÃO E TEMPERATURA: monitoramento da injeção de CO 2, da integridade dos poços, etc. PERFILAGEM DE POÇOS: testar a integridade dos selos, do cimento, identificar possíveis fraturas causadas por pressão, stress ou invasão de fluidos, verificar a saturação de CO 2 ; as mudanças na resistividade

37 APLICAÇÃO DAS TÉCNICAS DE MONITORAMENTO EM UM PROJETO DE CCS

38 IEA GHG WEYBURN-MIDALE CO 2 MONITORING & STORAGE PROJECT Líder: PTRC - Petroleum Technology Research Centre (Regina-CA) Incluído no Projeto de EOR com CO 2 da Encana CO 2 : Capturado: Planta de Combustíveis Sintéticos Cia. Gaseificação Dakota - Dakota do Norte (EUA) Transportado: gasoduto (320 Km) Injetado: campos petrolíferos de Weyburn-Midale (EnCana) INJEÇÃO: Taxas: 2000: Ton/dia 2002: Ton/dia (1300 Ton/dia CO 2 reciclado da produção) Total do Projeto: 20 M Ton CO 2 Fonte:

39 RESERVATÓRIO MIDALE Selo Superior: Evaporito Reservatório: Marly: dolomito (~6m esp.) alta porosidade, baixa permeabilidade Vuggy: calcário (~22m esp.) baixa porosidade, alta permeabilidade Selo Inferior: Representação esquemática da geologia do reservatório Frobisher (Evaporitos, Marly, Vuggy) Profundidade: 1450 m Temperatura: ~63 C Pressão de poros original: ~14 MPa Pressão de poros atual: 12,5-19 MPa Fonte:

40 MONITORAMENTO DE BASE Dados da produção: Amostragem regular das pressões de poço e volumes de gases e fluidos do reservatório, injetados e produzidos. Métodos adicionais: Geoquímica de fluidos de produção Imageamento sísmico do reservatório Atividade microssísmica do reservatório Amostragem e análise de gases na superfície do solo Fonte:

41 GEOQUÍMICA DE FLUIDOS E GASES DA PRODUÇÃO Medição do grau de interação entre os fluidos e rochas do reservatório e o CO 2 injetado. 1) Dissolução do CO 2 injetado no reservatório (CO 2 +H 2 O H + + HCO 3- ) redução ph 2) Fluido ácido reage com carbonatos do reservatório dissolução mineral e aumento na alcalinidade Vuggy (calcita): H + + CaCO 3 Ca 2+ + HCO 3 - Marly (dolomita): 2H + + MgCa(CO 3 ) 2 Mg 2+ + Ca HCO 3-3) Dissolução mineral aumento SDT aumenta ph, δ 13 C HCO3, Mg 2+ e Ca 2+, cond. elétrica Fonte:

42 Ca 2+ em fluidos de produção devido à dissolução mineral

43 Assinatura Isotópica Fonte:

44 Alcalinidade (HCO 3- ) de fluidos de produção. Condutividade elétrica do fluido aumenta devido à dissolução mineral. Fonte:

45 GASES DO SOLO Distribuições do fluxo de CO 2 (esquerda) e CO 2 em gases do solo (direita) em 3 campanhas de amostragem. Verão (2001): altas conc. Outono (2002 e 2003): baixas conc. Fonte:

46 IMAGEAMENTO SÍSMICO MAPAS DE ANISOTROPIA DE ONDAS S Levantamento de Base Monitoramento 2002 Anisotropias negativas: zonas com altas densidades de fraturas Alterações no padrão de fraturas devido ao fluxo de CO 2 e/ou mudanças químicas no reservatório

47 IMAGEAMENTO SÍSMICO MAPAS DE DIFERENÇA DE AMPLITUDE Alterações na amplitude formam tendências lineares que correspondem às posições dos poços horizontais de injeção de CO 2. Fonte:

48 COMPARAÇÃO DE MAPAS DE MONITORAMENTO Sísmica, geoquímica, volume bruto de injeção e espessura da camada Vuggy. Fonte:

49 WEYBURN-MIDALE ALGUMAS CONCLUSÕES Alterações físicas e químicas são claramente demonstradas pela sísmica e por análises geoquímicas: distribuição de CO 2 no reservatório em diferentes níveis de detalhe; A geoquímica identificou que as reações de dissolução ocorrem nos seguintes tempos: CO 2 na água: 6 meses; minerais carbonáticos: cerca de 20 meses; CO 2 armazenado como bicarbonato na água e na fase de óleo O CO 2 foi marcado geoquimicamente através das assinaturas isotópicas associadas com o CO 2 injetado. Fonte:

50 PROJETO DE PESQUISA LABORATÓRIO DE CAMPO DE MONITORAMENTO ZERT (Zero Emissions Research and Technology Center) Bozeman (Montana - EUA)

51 ZERT (ZERO EMISSIONS RESEARCH AND TECHNOLOGY CENTER) Laboratórios do Departamento de Energia dos Estados Unidos: Los Alamos National Laboratory (LANL) Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) National Energy Technology Laboratory (NETL) Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) Universidades: Montana State University (MSU) West Virginia University (WVU) Contato: Lee Spangler

52 Fonte: Spangler, L.

53 LABORATÓRIO DE CAMPO ZERT

54 INFRAESTRUTURA Fonte: Spangler, L.

55 LABORATÓRIO DE CAMPO ZERT

56 LABORATÓRIO DE CAMPO ZERT

57 ESQUEMA DE LOCALIZAÇÃO DAS TÉCNICAS DE DETECÇÃO Fonte: Spangler et al., 2009

58 CÂMARAS DE ACUMULAÇÃO: fluxo de CO 2 no solo

59 TORRES DE EDDY COVARIANCE: fluxo de CO 2 em superfície

60 MEDIÇÕES DE ABSORÇÃO DIFERENCIAL USANDO INSTRUMENTOS A LASER: concentrações CO 2 em superfície e no solo.

61 ÁGUA SUBTERRÂNEA: Composição Química; Headspace Gas; Medições Nível, ph, Alcalinidade, Cond. Elétrica, Oxigênio Dissolvido; Isótopos

62 TRAÇADORES (PFCs) INJETADOS JUNTO COM CO 2 ISÓTOPOS ESTÁVEIS DE CARBONO (SOLO, PLANTAS, ÁGUA E AR) GEOFÍSICA: RESISTIVIDADE ELÉTRICA

63 LABORATÓRIO MÓVEL

64 ESPECTRÔMETRO ANÁLITICO PORTÁTIL: stress da vegetação

65 BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA Benson, S.M. (2005). Carbon Dioxide Capture for Storage in Deep Geologic Formations. Results from the CO 2 Capture Project, Vol. 2: Geologic Storage of Carbon Dioxide with Monitoring and Verification, Elsevier Publishing, UK. 654 pp. DOE, NETL (2009). Monitoring, Verification, and Accounting of CO 2 Stored in Deep Geologic Formations, EUA.132 pp. Disponível em: IEAGHG. CO 2 Monitoring Selection Tool. IEAGHG Weyburn CO 2 Monitoring & Storage Project. Summary Report From the proceedings of the 7 th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies. v. 3, Oldenburg, C.M; Lewicki, J.L.; Hepple R.P. (2003). Near-surface monitoring strategies for geologic carbon dioxide storage verification. Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL Spangler et al. (2009). A controlled field pilot for testing near surface CO 2 detection techniques and transport models. Energy Procedia 1, , 2009.

66 CONTATO Clarissa Lovato Melo Telefone: