TÉCNICAS DE MONITORAMENTO PARA ARMAZENAMENTO GEOLÓGICO DE CO 2

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1 TÉCNICAS DE MONITORAMENTO PARA ARMAZENAMENTO GEOLÓGICO DE CO 2 I Curso Básico "Compreendendo a Captura e o Armazenamento de Carbono" Porto Alegre, 02 de agosto de 2012 Clarissa Lovato Melo CEPAC-PUCRS

2 OBJETIVOS DO MMV GERAIS: Demonstrar aos órgãos de fiscalização que a prática do armazenamento geológico é segura, que não gera impactos ambientais adversos significativos e que é uma tecnologia efetiva de controle dos GEEs. OUTROS: Melhorar a compreensão dos processos de armazenamento; Avaliar as interações entre o CO 2 com as formações e com outros fluidos; Detectar e minimizar o risco de eventuais vazamentos; 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 Maximizar a eficiência operacional do processo de injeção Otimizar o reservatório: maximizar a quantidade e minimizar o volume de CO 2 a ser armazenado Minimizar o custo operacional

3 ETAPAS DO MMV 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 o cessamento da injeção, quando é feito o abandono e fechamento dos poços. 4) PÓS-FECHAMENTO: monitoramento periódico definido por organismos reguladores

4 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

5 SELEÇÃO DE TÉCNICAS DE MONITORAMENTO Alvos de Monitoramento Imageamento da pluma Integridade do selo Migração do CO 2 para camadas sobrejacentes e/ou subjacentes Quantificação do CO 2 armazenado com finalidade regulatória e fiscal Vazamentos para a superfície Integridade de poços

6 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

7 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

8 Migração do CO 2 através de camadas sobrejacentes 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

9 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

10 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

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 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

13 PROGRAMA DE MONITORAMENTO Deve ser adaptado para condições e riscos específicos do site de armazenamento. Vantagens: 1) Focar em grandes riscos 2) Melhorar relação custo-benefício IEAGHG - Design Interativo de Programas de Monitoramento para Armazenamento Geológico de CO 2 Seleção de Ferramentas de Monitoramento

14 Fonte: IEA GHG Programme

15 MONITORAMENTO ATMOSFÉRICO 1. DETECTORES DE CO 2 : intermitente de CO 2 no ar. sensores para monitoramento contínuo ou Benefícios: Relativamente baratos e portáteis. Representado por tecnologias maduras e novas. Desafios: Detectar vazamentos acima das emissões ambientais de CO 2 (sinal/ruído). Fonte: NETL (2009)

16 MONITORAMENTO ATMOSFÉRICO 2. TORRES DE EDDY COVARIANCE: medem fluxos de CO 2 na atmosfera através das concentrações em uma determinada altura da superfície. Benefícios: Tecnologia madura que pode fornecer dados precisos em operações contínuas. Desafios: Equipamento muito especializado que necessita um processamento de dados robusto. Fonte: NETL (2009)

17 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. Desafios: Necessita condições de tempo favoráveis. Interferência da vegetação. Sinal/ruído. Fonte: NETL (2009)

18 MONITORAMENTO PRÓXIMO À SUPERFÍCIE 1. ÁGUA SUBTERRÂNEA: amostragem da água e solo para análises químicas básicas. 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, hidrocarbonetos voláteis, CO 2 Benefícios: Tecnologia madura; detecção mais fácil do que a atmosférica. Detecção precoce antes de grandes emissões Desafios: Esforço significativo para resultado nulo, caso não ocorram vazamentos. Detecção de vazamentos relativamente tardia. Fonte: NETL (2009)

19 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 (bem acima dos níveis de background) é indicativa de vazamento e migração do reservatório de armazenamento. Desafios: Esforço significativo para nenhum resultado caso não ocorram vazamentos. Detecção de vazamentos relativamente tardia. Fonte: NETL (2009)

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

21 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 Desafios: 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)

22 MONITORAMENTO PRÓXIMO À SUPERFÍCIE 5. TRAÇADORES GASOSOS: Traçadores Naturais (Isótopos) Composição isotópica natural: isótopos de carbono, oxigênio e hidrogênio e gases nobres associados ao CO 2 injetado. Traçadores 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. Desafios: Análises devem ser realizadas fora do site. Muitos dos traçadores solúveis em CO 2 são GEEs e portanto, tem um perfil de risco. Fonte: NETL (2009)

23 APLICAÇÃO DAS TÉCNICAS DE MONITORAMENTO EM UM PROJETO DE CCS

24 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:

25 TEMA 2 PREVISÃO, MONITORAMENTO E VERIFICAÇÃO DOS MOVIMENTOS DO CO 2 Objetivos 1) Testar e aperfeiçoar simulações de fluxo baseadas na geologia do site; 2) Avaliar as reações químicas previstas para ocorrer em longo prazo nos reservatórios de armazenamento de CO 2 ; 3) Observar a dinâmica do reservatório em relação ao fluxo de CO 2 4) Desenvolver e demonstrar metodologias robustas para monitoramento do fluxo de CO 2 5) Determinar a distribuição e segurança do CO 2 dentro do reservatório.

26 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:

27 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:

28 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:

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

30 Assinatura Isotópica Fonte:

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

32 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:

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

34 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:

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

36 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

37 Fonte: Spangler, L.

38 INFRAESTRUTURA Fonte: Spangler, L.

39 LABORATÓRIO DE CAMPO ZERT

40 LABORATÓRIO DE CAMPO ZERT

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

42 CÂMARAS DE ACUMULAÇÃO: fluxo de CO 2 no solo

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

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

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

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

47 LABORATÓRIO MÓVEL

48 ESPECTRÔMETRO ANÁLITICO PORTÁTIL: stress da vegetação

49 PROJETO RESSACADA LABORATÓRIO DE CAMPO E DESENVOLVIMENTO DE TECNOLOGIAS DE MEDIÇÃO, MONITORAMENTO E VERIFICAÇÃO (MMV) DE CO 2 PARA A APLICAÇÃO EM SÍTIOS DE ARMAZENAMENTO GEOLÓGICO. Agosto, 2012

50 OBJETIVOS: Desenvolver, testar e validar ferramentas e metodologias de monitoramento, de natureza experimental e numérica, para detecção e quantificação de CO 2 a partir da injeção e do vazamento controlado de CO 2 no site da Fazenda Ressacada, em Florianópolis-SC. CRONOGRAMA 2010: planejamento 2011: elaboração do projeto, contratação 2012: caracterização do site, teste em poço vertical, projeto e instalação da infraestrutura De 2013 a 2014: fase operacional

51 LOCALIZAÇÃO : Fazenda da Ressacada (Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC) SC onde já existe, desde 1998, experimentos de campo relacionados a transporte de contaminantes e remediação da água subterrânea impactada por vazamentos de óleo e derivados. (Chiaranda, 2006) (modif. de Google Maps). Chiaranda, H.S Volatilização dos Compostos BTEX em ambientes subsuperficiais contaminados com gasolina e etanol: comparações entre concentrações medidas e simuladas. Tese de mestrado. Universidade Federal de Santa Catarina. 95 p.

52 LABORATÓRIO DE CAMPO E DESENVOLVIMENTO DE TECNOLOGIAS DE MEDIÇÃO, MONITORAMENTO E VERIFICAÇÃO (MMV) DE CO 2 PARA A APLICAÇÃO EM SÍTIOS DE ARMAZENAMENTO GEOLÓGICO. Subprojeto 1: Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC Análise e monitoramento Geoquímico, Biomonitoramento de ecossistemas vegetais, naturais e cultivados, submetidos a concentrações controladas de CO 2 Subprojeto 2: Universidade Estadual Paulista - UNESP Caracterização Geoelétrica, Geológica e Hidrogeológica antes e após a liberação de CO 2 e Utilização de Instrumentação Óptica para Medições Diretas e Indiretas após a liberação de CO 2 na Fazenda Ressacada Subprojeto 3: CEPAC- PUC RS Calibração por modelagem numérica e Monitoramento do vazamento controlado de CO 2 através de medições de fluxo, gases do solo, isótopos de carbono e sensoriamento Remoto

53 DIMENSIONAMENTO PRELIMINAR DO EXPERIMENTO: Duto horizontal de 70 m instalado a cerca de 8 m da superfície. Injeção de CO 2 : até 300 Kg/dia Controle de Fluxo: automação, pressões, zonas de vazão de CO 2 independentes LOCALIZAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS E MALHA DE AMOSTRAGEM

54 OBJETIVOS ESPECÍFICOS DO CEPAC MODELAGEM NUMÉRICA:Estimar taxas de injeção de CO 2, e também taxas de vazamento com base em dados disponíveis; representar as condições do meio em presença do CO 2 injetado, confirmar e calibrar o modelo permitindo ajustes aos parâmetros iniciais; testar ferramentas de modelagem disponíveis. CONCENTRAÇÕES DE GASES DO SOLO: Testar e validar técnicas de monitoramento de gases no solo em subsuperfície rasa (zona vadosa). Verificar se as concentrações de CO 2 indicam vazamentos. ISÓTOPOS ESTÁVEIS: Determinar a origem do CO 2 através da razão isotópica C 13 /C 12 em amostras de CO 2 injetado, gases do solo, água subterrânea, ar e plantas.

55 OBJETIVOS ESPECÍFICOS DO CEPAC FLUXO DE CO 2 DA SUPERFÍCIE PARA A ATMOSFERA: Determinar a magnitude e mudanças na estrutura de variabilidade espacial da emissão de CO 2 do solo. SENSORIAMENTO REMOTO: Avaliar estresses da cobertura vegetal impactada por CO 2, a partir de dados coletados remotamente (parâmetros radiométricos).

56 OBJETIVOS ESPECÍFICOS DO CEPAC TRAÇADORES GASOSOS: Testar e desenvolver técnicas de traçadores gasosos para monitorar o movimento da pluma de CO 2 no reservatório e detectar possíveis vazamentos.

57 COLABORADORES DO PROJETO RESSACADA Centro de Pesquisas Leopoldo Américo Miguez de Mello (CENPES - PETROBRAS) Montana State University Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental Laboratório REMAS Departamento de Fitotecnia Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul PUCRS Centro de Excelência em Pesquisa e Inovação em Petróleo, Recursos Minerais e Armazenamento de Carbono - CEPAC Universidade Estadual Paulista UNESP Laboratório de Estudo de Bacias/LEBAC/UNESP-IGCE Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN

58 MINI-RESSACADA

59 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.

60 CONTATO Clarissa Lovato Melo