Quantification of upward brine displacement from saline aquifers and mechanical effects in geological CO2 storage

Abstract

Carbon Capture and Storage (CCS) is considered as a promising measure to reduce anthropogenic greenhouse gas emissions into the atmosphere. Scientific assessments suggest that deep porous rock formations saturated with brine (saline aquifers) provide the largest storage potential due to their abundance in the Earth’s sedimentary basins. However, geological underground storage of CO2 (carbon dioxide) may also cause serious negative environmental and infrastructural impacts. The far-reaching pressure build-up affects regional fluid flow and may compromise mechanical rock integrity by changes in the recent stress field. Structural failure of reservoir, caprock or adjacent fault zones, accompanied by CO2 leakage or large-scale displacement of brines are among potential risks associated with CO2 injection into deeper saline formations. If brine reaches shallower aquifer complexes by upward migration through conductive pathways such as improperly sealed abandoned wells, permeable faults or erosive discontinuities in the overlying rocks, freshwater resources can be endangered by salinization. The present thesis aims at evaluating the hydraulic and mechanical impacts of industrial-scale CO2 injection and the resulting pressure increase for a potential saline onshore storage formation in the Middle Buntsandstein sequence of the Northeast German Basin. Here, the main emphasis is to assess the degree and bandwidth of potential shallow aquifer salinization by upward brine migration through permeable regional fault zones at the Beeskow-Birkholz storage site. Thereby, it is important to determine, which geological conditions promote upward brine displacement in geological CO2 storage, and whether the pressure build-up affects the mechanical integrity of fault zones and/or caprocks. Four geological 3D models with an extent between 1,765 km2 and 10,000 km2 and different layer structures serve as the basis for this research and are implemented in multi-phase flow and coupled hydro-mechanical simulations. The methodology applied for model set up and data integration varied, depended on the respective focus of investigation. For flow simulations, regional fault zones are described in the models either by real grid elements or by virtual elements that allow for a discrete fault representation without introducing specific grid refinements in the near-fault area. In the mechanical simulations, a plasto-elastic constitutive model for fault zones is applied, using embedded weak planes of corresponding dip angle and dip direction at the respective fault element locations. Multi-phase flow simulation results show that the magnitude of pressure build-up in the storage formation and pressure development over time determine the intensity and duration of brine flow into overlying aquifers. Salinity in the shallower aquifer increases only locally close to the fault zones, whereby the degree in salinization mainly depends on the lateral boundary conditions, the effective damage zone volume of fault zones, the presence of overlying reservoirs and the initial salinity distribution defined for the simulation scenario. The permeability of fault zones, however, has a comparatively minor impact on shallow aquifer salinization. Short hydraulically conductive fault segments lead to the highest local salinity increase, whereas laterally open boundaries and overlying reservoirs connected to the fault zones significantly diminish the risk of shallow aquifer salinization. Knowledge on the initial salinity distribution in the fault is essential for salinization assessments, since the displaced brine originates from the upper part of the faults only, and not from greater depths. Structural failure of fault zones as a consequence of injection-induced pressure build-up and effective stress changes can increase the risk of upward brine migration. To assess the fault slip and dilation tendencies at the respective site, one-way coupled hydro-mechanical simulations were applied in subsequent analysis. A one-way coupling procedure considers the time-dependent pore pressure development obtained from the dynamic flow simulations as input to hydro-mechanical simulations. The hydro- mechanical simulator then calculates potential rock mass failure resulting from stress changes without providing feedback to the flow simulator. In a first approach, the pressure distribution obtained from the flow simulations, was fitted by polynomial functions and integrated into the hydro-mechanical simulator for selected time steps. Simulation results demonstrate that only very few fault elements in the model are affected by shear and tensile rock failure, so that the development of a consistent slip plane along the faults, and thus fault reactivation is consequently expected not to occur at the Beeskow-Birkholz site under the given assumptions. For coupling evaluation, the applied one-way procedure was carried out for an equivalent saline onshore storage site in the Norwegian-Danish Basin close to the city of Vedsted, including a numerical modelling benchmark against the results produced by another well-established modelling group. The application of identical models for this process coupling allows an element-wise implementation of the time- dependant pore pressure distribution from the dynamic flow into the hydro- mechanical simulator. Simulation results show that mechanical impacts are mainly determined by fault conductivity and caprock permeability, which are influencing the spatial pore pressure distribution. A higher permeability of the caprock above the storage formation consequently induces higher vertical uplifts at the ground surface. In the present thesis, it is shown that the presence of hydraulically conductive faults must not necessarily lead to shallow aquifer salinization, since various factors have been proven to influence the occurrence and degree of salinization under the tested constraints at the respective storage site. The magnitude of pressure increase in the reservoir is the driving factor in upward brine migration through fault zones: larger pressures induce stronger brine displacement, and consequently result in higher salinities in shallow aquifers. The magnitude of pressure build-up in turn, depends on the chosen lateral boundary conditions, the presence of overlying reservoirs and the effective damage zone volume of faults. At Beeskow-Birkholz, shallow aquifer salinization did not occur over large areas and the faults were not affected by structural failure. However, if brine reaches groundwater bodies, the local maximum salinity increase above the salt-freshwater boundary can reach a concentration larger than the limit prescribed by the German Drinking Water Directive. In summary, numerical models can be well applied to obtain site-specific insights into the fluid flow dynamics in geological CO2 storage. At the same time, the simulations help to identify the geological conditions with the greatest impact on upward brine migration and provide an initial assessment of the anticipated risks including their extent and significance.

Die Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff (engl. Carbon Capture and Storage, CCS) wird als eine vielversprechende Maßnahme angesehen, die anthropogen verursachten Treibhausgasemissionen in die Atmosphäre zu reduzieren. Wissenschaftliche Schätzungen gehen davon aus, dass poröse und mit Salzwasser gesättigte Gesteinsformationen (saline Aquifere), aufgrund ihrer weiten Verbreitung in den Sedimentbecken der Erde, das größte Speicherpotential bieten. Die Nutzung des Untergrunds für die Speicherung von CO2 (Kohlenstoffdioxid) kann jedoch schwerwiegende umweltschädliche und infrastrukturelle Auswirkungen haben. Durch die im Allgemeinen sehr weitreichende Druckerhöhung wird die regionale Grundwasserströmung beeinflusst und die mechanische Gesteinsintegrität durch Änderungen im rezenten Spannungsfeld gefährdet. Strukturelles Versagen von Reservoir, abdeckender Barriereschicht, oder nah gelegenen Störungszonen sowie CO2-Leckage oder großräumige Verdrängung von hoch salinaren Wässern (Sole) werden als potentielle Risiken der CO2-Speicherung in tiefen salinen Aquiferen angesehen. Erreicht die Sole über hydraulisch durchlässige Migrationspfade, wie möglicherweise unzureichend verschlossene Altbohrungen, permeable Störungen oder erosive Diskontinuitäten im Deckgebirge, flachere Grundwasserleiterkomplexe, können Süßwasserreserven durch Versalzung erheblich beeinträchtigt werden. In der vorliegenden Dissertation soll daher für eine potentielle saline Speicherformation im Mittleren Buntsandstein des Nordostdeutschen Beckens untersucht werden, welche hydraulischen und mechanischen Auswirkungen eine industriemaßstäbliche CO2-Speicherung und die damit einhergehende Porendruckerhöhung zur Folge haben kann. Der Schwerpunkt liegt hierbei darauf, den Grad und die Bandbreite einer möglichen Versalzung von überliegenden Aquiferen durch Solemigration über permeable regionale Störungszonen für den Standort Beeskow-Birkholz abzuschätzen. Des Weiteren soll untersucht werden, welche geologischen Gegebenheiten eine aufwärtsgerichtete Solemigration über Störungen begünstigen und wie sich die Druckerhöhung im Speicherhorizont auf die geomechanische Integrität von Störungszonen und/oder Abdecker auswirkt. Vier geologische 3D Modelle, mit einer Ausdehnung zwischen 1.765 km2 und 10.000 km2 und einem unterschiedlichen Schichtaufbau, bilden die Basis für Mehrphasenfluss- und gekoppelte hydromechanische Simulationen. Modellaufbau und Datenintegration erfolgten in Abhängigkeit des jeweiligen Untersuchungsschwerpunktes unter Anwendung verschiedener Methoden. In den Flusssimulationen werden die regionalen Störungszonen in den Modellen entweder über reale Gitterelemente oder über virtuelle Elemente repräsentiert, die eine diskrete Darstellung der Störungen erlauben, ohne das Gitter im Störungsnahbereich zu verfeinern. Für die mechanischen Simulationen werden die Störungszonen in die elastisch- plastischen Modelle als Versagensflächen integriert, die entsprechend der Störungen orientiert sind. Die Ergebnisse aus den Mehrphasenflusssimulationen zeigen, dass die Intensität und Dauer von Solefluss in überliegende Aquifere bestimmt wird, durch die Stärke des Druckaufbaus in der Speicherformation und der Druckentwicklung über die Zeit. Die Salinität im flachen Aquifer steigt nur lokal im Nahbereich der Störungen, wobei der Grad der Versalzung im Wesentlichen von den definierten seitlichen Modellrandbedingungen, dem durchflusswirksamen Störungsvolumen, dem Vorhandensein von überliegenden Reservoiren sowie der initialen Salinitätsverteilung abhängt. Die Permeabilität der Störungen hingegen, hat einen vergleichsweise geringen Einfluss auf die Salinität flacherer Aquifere. Kurze hydraulisch durchlässige Störungssegmente bewirken den stärksten lokalen Salinitätsanstieg, wohingegen seitlich offene Modellränder und überliegende Reservoire, die ebenfalls mit den Störungszonen verbunden sind, das Risiko einer Versalzung im flachen Aquifer erheblich mindern. Die initiale Salinitätsverteilung in der Störung ist bei der Beurteilung von Versalzungen ebenfalls von großer Bedeutung, da die verdrängte Sole lediglich aus dem oberen Teil der Störung und nicht aus großen Tiefen stammt. Strukturelles Versagen von Störungszonen, als Folge des injektionsbedingten Druckanstiegs, würde das Risiko einer Solemigration in überliegende Schichten erhöhen. Um die Tendenz einer Störungsreaktivierung am Speicherstandort zu evaluieren, wurde eine Ein-Weg-Kopplung genutzt. In einer Ein-Weg-Kopplung wird die zeitabhängige Porendruckverteilung aus den Mehrphasenflusssimulationen an den hydromechanischen Simulator übergeben. Der hydro-mechanische Simulator berechnet als Folge der Spannungsänderung daraufhin mögliches strukturelles Versagen des Gesteins, ohne dass der Mehrphasenflusssimulator Rückinformation erhält. In einem ersten Ansatz, wird die Druckverteilung aus den vorangegangenen Mehrphasenflusssimulationen über Polynomfunktionen angepasst und für ausgewählte Zeitschritte in den hydromechanischen Simulator integriert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass es im Modellgebiet nur sehr vereinzelt zu Scher- und Zugversagen kommt. Die Ausbildung einer konsistenten Gleitfläche entlang der Störungen und folglich eine Störungsreaktivierung, ist unter den getroffenen Annahmen am Standort Beeskow-Birkholz daher eher unwahrscheinlich. Zur Kopplungsevaluierung wurde die vorgestellte Ein-Weg-Kopplung im letzten Teil der Arbeit auch an einem salinen Aquifer einer zweiten potentiellen CO2-Speicherformation, im Norwegisch-Dänischen Becken, nahe Vedsted, angewandt. Dies schloss eine numerische Benchmark-Studie mit ein, in der die Simulationsergebnisse mit denen einer weiteren Modellierungsgruppe verglichen wurden. Die auf identischen Modellen beruhende Prozesskopplung, ermöglicht eine elementweise Übertragung des berechneten Porendrucks aus dem Mehrphasenflusssimulator an den hydromechanischen Simulator, für ausgewählte Zeitschritte. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass eine mechanische Beeinträchtigung des Gesteins von der hydraulischen Durchlässigkeit der Störungszonen sowie der Durchlässigkeit der Deckschichten über der Speicherformation abhängt, da diese die Porendruckverteilung im Reservoir wesentlich beeinflussen. Eine höhere Durchlässigkeit der Deckschicht hat zur Folge, dass sich vertikale Hebungen an der Erdoberfläche verstärken. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass hydraulisch durchlässige Störungen nicht zwingend zu einer Versalzung oberflächennaher Aquifere führen müssen. Verschiedene Faktoren beeinflussen nachweislich das Auftreten und den Grad einer Versalzung am Untersuchungsstandort. Der Druck in der Speicherformation ist die treibende Kraft der aufwärtsgerichteten Solemigration durch Störungen: in Abhängigkeit der Druckzunahme erhöht sich die Menge der verdrängten Sole in flache Aquifere wodurch der Versalzungsgrad steigt. Die Stärke des Druckaufbaus ist wiederum abhängig von den seitlichen Modellrandbedingungen, dem Vorhandensein von überliegenden Reservoiren und dem durchflusswirksamen Störungsvolumen. Am Standort Beeskow-Birkholz wurde ein Salinitätsanstieg im flachen Aquifer nur im Nahbereich der Störungen beobachtet, strukturelles Versagen an den Störungen trat nicht auf. Simulationsergebnisse zeigen jedoch, dass die Salzkonzentrationen im Grundwasser den Grenzwert der Deutschen Trinkwasserverordnung im Bereich der Störungen lokal übersteigen können. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass durch die Anwendung von numerischen Modellen standortspezifische Vorhersagen zu den Auswirkungen der geologischen CO2-Speicherung getroffen werden können. Des Weiteren helfen sie dabei, die geologischen Bedingungen zu identifizieren, die eine aufwärtsgerichtete Solemigration durch Störungen begünstigen. Ferner können numerische Modelle herangezogen werden, um erste Schätzungen hinsichtlich zu erwartender Risiken, deren Ausmaß und Bedeutung vorzunehmen.