Seismic monitoring in the framework of the pilot project CLEAN

Abstract

The present study is part of the CLEAN project (CO2 Large-scale EGR in the Altmark Natural-gas field), the scientific programm accompanying the EGR ('enhanced gas recovery') project accomplished by GDF SUEZ E&P; Deutschland GmbH (GDF SUEZ) and Vattenfall Europe in the Altmark, Germany. It examines the CO2-induced changes in the seismic wave field as well as their measurability. In 2D-wavefield simulations it could be shown that P-wave velocities of -1.5% and the relative changes in the S-wave velocity and density are necessary to cause amplitude changes above the threshold of 5%. This value is typical for time lapse marine seismic and was taken as threshold for the MSP/VSP-experiments. Data from the test at the KTB and results with noisy data show that this threshold is realistic. In a second step the pre- post injection difference sections were imaged to the depth section with standard Kirchhoff migration and Fresnel-Volume migration. It was tested, if a localization of the origin of these amplitude changes is possible. These migrations showed that multiples and primary reflections from interfaces below the reservoir that travelled through the CO2-saturated reservoir range also have changed amplitudes. They produce migration artefacts that can not be distinguished from a layered CO2 distribution. In order to achieve information to guarantee an optimized setup for the field experiment, different propagation scenarios and source-receiver offsets were tested and the changes in the seismic wavefield as well as in the migrated section were analyzed. The results show that large offsets of up to 5.5km are necessary to image the whole region of the expected CO2 expansion. Time shifts in the wavefield were detected with coda wave interferometry. With the chosen approach it is possible to detect even small mean velocity changes. However, besides the small expected changes in the velocities the small spatial expansion (especially in vertical directions) is problematic. Furthermore a small sampling rate and receivers directly above the target zone are necessary, at best above and below the zone where the velocity changes occur. This makes the method interesting for the detection of near-well leakages. The tests show that even small amounts of CO2 would be detectable. Furthermore, the size of the CO2-injection induced changes in the physical parameters of the reservoir rocks were estimated. They suggest that the changes of -1.5% P-wave velocity, the results from the wavefield simulations, would need large pressure (∆p≈+10MPa) and/or temperature changes in addition to a complete replacement of the porefluid. These estimations are based on data of core samples from the Peckensen reservoir, a neighbouring block of the region under consideration. These results were compared with the results from reservoir simulations, another subproject of CLEAN. They suggest that changes of the pore pressure and the temperature in this dimension are unrealistic. Finally, an optimized survey plan was carried out for the MSP/VSP experiments in the Altmark. However, as the prospects for a successful direct monitoring of the CO2 in the reservoir are low, a surface seismic with a larger spatial coverage and the focus on the monitoring of possible leakages is advisable.

Die vorliegende Arbeit ist Teil des CLEAN Projekts (CO2 Large-scale EGR in the Altmark Natural-gas field), des wissenschaftlichen Begleitprogramms eines EGR ('enhanced gas recovery') Projekts durchgeführt von GDF SUEZ E&P; Deutschland GmbH (GDF SUEZ) und Vattenfall Europe in der Altmark. Sie untersucht die durch die CO2-Injektion induzierten Änderungen im seismischen Wellenfeld und ihre Messbarkeit. In diesem Rahmen konnte mit Hilfe von 2D- Wellenfeldsimulationen gezeigt werden, dass Änderungen der P-Wellengeschwindigkeit von -1,5% und entsprechende Änderungen der S-Wellengeschwindigkeit und Dichte nötig sind, um Amplitudenänderungen oberhalb des Schwellenwertes von 5% zu verursachen. Tests mit künstlich verrauschten Daten zeigen, dass dieser Schwellenwert realistisch ist. Anschließend wurden die vorher-nachher Differenzsektionen mit Hilfe von Kirchhoff Migration und Fresnel-Volumen Migration in die Tiefensektion abgebildet, um zu untersuchen, ob eine Lokalisierung des Ursprungs dieser Änderungen möglich ist. Die Ergebnisse zeigen, dass Multiple und Primärreflektionen von Grenzschichten unterhalb des Reservoirbereichs ebenfalls geänderte Amplituden haben, wenn sie den CO2-gesättigten Reservoirbereich durchlaufen haben und somit in der Migration zu Artefakten führen, die von einer geschichteten CO2-Verteilung nicht zu unterscheiden ist. Um Informationen für einen optimalen Versuchsaufbau zu erhalten, wurden verschiedene Ausbreitungsszenarien und Quell-Empfänger-Abstände getestet und die Änderungen im Wellenfeld wie auch die migrierten Sektionen ausgewertet. Die Resultate zeigen, dass große Abstände von bis zu 5.5km nötig sind um den Bereich der zu erwartenden CO2-Ausbreitung vollständig abbilden zu können. Laufzeitänderungen im Wellenfeld wurden mit Coda Wave Interferometry gemessen. HBei dem gewählten Ansatz stellt neben den zu erwartenden geringen Änderungen der Geschwindigkeiten auch die geringe Mächtigkeit der CO2-Schicht ein Problem dar. Desweiteren wären Messgeräte direkt oberhalb, im besten Fall sogar oberhalb und unterhalb, des Reservoirs nötig. Die Ergebnisse zeigen, dass schon sehr geringe CO2-Mengen, wie sie bei bohrlochnahen Leckagen auftreten können messbar sind. Desweiteren wurde abgeschätzt wie große Änderungen in den physikalischen Parametern des Reservoirgesteins aufgrund der Injektion des CO2 zu erwarten sind. Die Ergebnisse legen nahe, dass die in den vorherigen Kapiteln ermittelten Werte von -1,5% P-Wellengeschwindigkeit neben der vollständigen Verdrängung des Reservoirgases durch CO2 zusätzlich hohe Druck- (∆p≈+10MPa) und/oder Temperaturänderungen benötigt. Ein Vergleich mit den Resultaten der Reservoirsimulationen zeigt, dass solche Änderungen des Porendrucks und der Reservoirtemperatur unrealistisch sind. Abschließend wurde ein optimierter Versuchsaufbau für die MSP/VSP-Messungen in der Altmark vorgelegt, wobei aufgrund der geringen Erfolgsaussichten einer direkten Beobachtung des CO2 im Reservoir, eine Oberflächenseismik zu bevorzugen ist, die auf die Beobachtung von Leckagen ausgerichtet ist.