COMPORTAMIENTO GEOMECÁNICO DE LOS ALMACENAMIENTOS DE CO 2

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1 E.T.S.I. CAMINOS, CANALES Y PUERTOS Departamento de Ingeniería Civil COMPORTAMIENTO GEOMECÁNICO DE LOS ALMACENAMIENTOS DE CO 2 Juan Alonso Grupo Ingeniería Geoambiental UCLM Zaragoza, Marzo 2010 INTRODUCCIÓN Afección a Fallas. 2. Generación de discontinuidades. 3. Modificación de propiedades hidráulicas. 4. Presión de inyección. 5. Pozos de inyección. *IPCC

2 Introducción Escala Introducción Incremento de presión para forzar el movimiento de fluido Inyección de CO 2 Fase rica en CO 2 Cemento intergranular Partículas sólidas Salmuera σ v

3 1. COMPORTAMIENTO DEL MACIZO 2. COMPORTAMIENTO DE LA MATRIZ 3. PROPIEDADES HIDRÁULICAS 4. PRESIÓN SOSTENIBLE DE INYECCIÓN 5. POZOS DE INYECCIÓN 6. ANÁLISIS DE EMPLAZAMIENTO 7. CONCLUSIONES Comportamiento del macizo τ τ Reactivación de falla Δu σ N Δu σ N σ 1 σ 3 σ τ

4 Comportamiento del macizo Geometría del almacenamiento (Orlic, 2009) Comportamiento del macizo Sismicidad inducida. *R.K. Chadha (NGRI, Hyderabad, India), H.-J. Kümpel (GGA-Institut, Hannover).

5 1. COMPORTAMIENTO DEL MACIZO 2. COMPORTAMIENTO DE LA MATRIZ 3. PROPIEDADES HIDRÁULICAS 4. PRESIÓN SOSTENIBLE DE INYECCIÓN 5. POZOS DE INYECCIÓN 6. ANÁLISIS DE EMPLAZAMIENTO 7. CONCLUSIONES Comportamiento de la matriz rocosa ( Δσ ) + Δρgk = 0 Consolidación, Producción σ = σ + p p = SwPw + 1 ( Snw) Pnw Inyección *Head, 1994

6 Comportamiento de la matriz rocosa Efectos positivos + negativos. Incremento de presión de poros: Incrementa la porosidad. Capacidad de almacenamiento. Incrementa la permeabilidad. Migración más rápida de las fases fluidas. Generación y desarrollo de fracturas. Comportamiento de la matriz Trayectoria de tensiones σ 1 σ 3 σ 3 q= (σ 1 - σ 3 ) B Trayectoria de tensiones σ 1 A p = (σ 1 +2*σ 3 )/3

7 Comportamiento de la matriz Régimen Tectónico (Rutqvist,2008) Comportamiento de la matriz rocosa Elasticidad

8 Comportamiento de la matriz rocosa Respuesta elástica: Define el comportamiento en un rango limitado de tensiones. Comportamiento de la matriz rocosa Comportamiento elastoplástico Evolución de la deformabilidad del esqueleto granular. Influencia del cemento intergranular. Influencia de la succión.

9 Comportamiento de la matriz rocosa *Sheldon et al (2006). Comportamiento de la matriz rocosa *Borja y Aydin. (2004)

10 Comportamiento de la matriz rocosa f g p T p + p + p S M η 1 α exp η (1 α) M M α + 1 α 2 (1 α ) dp p S l = p (0) λ κ p p p ( dε + ξ dε ) + dy S S V S S y q dp M = p M ρ dε M p v dε P f = dλ σ p t p s p m p = ρ p T T M Comportamiento de la matriz rocosa Efecto del cemento inter-granular p' (MPa) Experimental. Lagioia and Nova (1995) 1 Simulation of Lagioia and Nova (1995) 0.95 Simulation of Nova et al. (2003) 0.9 Simulation of Fernandez Merodo et al. (2004) 0.85 This paper Void ratio Axial Strain (% ) Experimental. Lagioia and Nova (1995) Simulation of Lagioia and Nova (1995) Simulation of Nova et al. (2003) Simulation of Fernandez Merodo et al. (2004) This paper. q (MPa) Volumetric Strain (%)

11 Comportamiento de la matriz rocosa Efecto de la succión 0.75 Vertical Stress (MPa) Experimental (s=0) Experimental (s=3 MPa) Collin et al., 2002 (s=0) Collin et al., 2002 (s=3 MPa) This paper (s=0) This paper (s=3 MPa) Void ratio COMPORTAMIENTO DEL MACIZO 2. COMPORTAMIENTO DE LA MATRIZ 3. PROPIEDADES HIDRÁULICAS 4. PRESIÓN SOSTENIBLE DE INYECCIÓN 5. POZOS DE INYECCIÓN 6. ANÁLISIS DE EMPLAZAMIENTO 7. CONCLUSIONES

12 Comportamiento hidráulico Macizo rocoso *Pine et al. (2007) Comportamiento hidráulico Matriz rocosa *Meyer, F. O., et al. (2000).

13 Comportamiento hidráulico Matriz rocosa *Borja y Aydin. (2004) 1. COMPORTAMIENTO DEL MACIZO 2. COMPORTAMIENTO DE LA MATRIZ 3. PROPIEDADES HIDRÁULICAS 4. PRESIÓN SOSTENIBLE DE INYECCIÓN 5. POZOS DE INYECCIÓN 6. ANÁLISIS DE EMPLAZAMIENTO 7. CONCLUSIONES

14 Presión sostenible de inyección Alcance de la influencia. *Gaus, I. (2009) Presión sostenible de inyección La Presión de inyección será función de: Caudal de Inyección. Limitaciones hidráulicas: Permeabilidad y presión de entrada de gas. Limitaciones geomecánicas: Variaciones en el estado tensional. Generación y reapertura de vías de flujo.

15 Presión sostenible de inyección Experiencias piloto: In Salah, Sleipner, Frío Experiencias industriales similares: Almacenamiento estratégico de gas. Enhanced Oil Recovery (EOR). Pero Caudales y tiempo de inyección continua durante décadas. No siempre se pueden disipar los excesos de presión de poro. Presión sostenible de inyección Miller Field. BP.

16 Presión sostenible de inyección Control de la presión de inyección. Condiciones de Confinamiento + baja permeabilidad: Incremento de presión continuo para mantener el caudal de inyección. Estudio de posibles causas en una bajada de presión de inyección: Posible escape de gas. Presión sostenible de inyección Afección a fallas, (Rutqvist,2007)

17 Presión sostenible de inyección Afección a fallas, (Rutqvist,2007) Presión sostenible de inyección Fenómenos de localización de tensiones + Comportamiento dilatante en fluencia: Generación de nuevas vías preferenciales.

18 Presión sostenible de inyección Generación de sistemas de fracturación (UCLM). MODELO UCLM-CO2 OJO! VÍAS DE FLUJO PERMITEN DISOLUCIÓN 1. COMPORTAMIENTO DEL MACIZO 2. COMPORTAMIENTO DE LA MATRIZ 3. PROPIEDADES HIDRÁULICAS 4. PRESIÓN SOSTENIBLE DE INYECCIÓN 5. POZOS DE INYECCIÓN 6. ANÁLISIS DE EMPLAZAMIENTO 7. CONCLUSIONES

19 Integridad de los pozos Deformaciones y Esfuerzos en pozo: Cambios volumétricos asociados al fraguado de cemento. Diferencia de rigidez camisa/roca/cemento Deformaciones verticales. Generación o reapertura de fracturas. *Celia et al. (2005) 1. COMPORTAMIENTO DEL MACIZO 2. COMPORTAMIENTO DE LA MATRIZ 3. PROPIEDADES HIDRÁULICAS 4. PRESIÓN SOSTENIBLE DE INYECCIÓN 5. POZOS DE INYECCIÓN 6. ANÁLISIS DE EMPLAZAMIENTO 7. CONCLUSIONES

20 Paris Basin *Vidal Gilbert et al. (2008) Paris Basin

21 Paris Basin In Salah *Rutqvist et al. (2010).

22 In Salah 1. COMPORTAMIENTO DEL MACIZO 2. COMPORTAMIENTO DE LA MATRIZ 3. PROPIEDADES HIDRÁULICAS 4. PRESIÓN SOSTENIBLE DE INYECCIÓN 5. POZOS DE INYECCIÓN 6. ANÁLISIS DE EMPLAZAMIENTO 7. CONCLUSIONES

23 CONCLUSIONES La interacción que existe entre el CO2 y las formaciones geológicas en el entorno de inyección resulta compleja y debe analizarse de forma precisa en cada emplazamiento potencial. Influencia del CO 2 inyectado. Modelo de comportamiento adecuado. Modelización compleja. Herramientas avanzadas. E.T.S.I. CAMINOS, CANALES Y PUERTOS Departamento de Ingeniería Civil COMPORTAMIENTO GEOMECÁNICO DE LOS ALMACENAMIENTOS DE CO 2 Juan Alonso Grupo Ingeniería Geoambiental UCLM Zaragoza, Marzo 2010