Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3919
Main Title: Borehole seismic monitoring of CO2 storage within a saline aquifer at Ketzin, Germany
Translated Title: Überwachung von CO2-Speicherung in einem salinen Aquifer bei Ketzin, Deutschland, mittels bohrlochseismischer Methoden
Author(s): Götz, Julia
Referee(s): Krawczyk, Charlotte
Arts, Rob
Lüth, Stefan
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Überwachung von CO2-Speicherung in einem salinen Aquifer bei Ketzin, Deutschland, mittels bohrlochseismischer Methoden. CO2-Speicherung ist Teil des Prozesses "CO2-Abscheidung, Transport und Speicherung" (englisch CCS - Carbon Dioxide Capture and Storage). Als Treibhausgas trägt CO2 zur globalen Erwärmung bei, weshalb es notwendig ist, den Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu verlangsamen. CCS wird erforscht, da fossile Energieträger weltweit am häufigsten genutzt werden (86 %) und 75% der derzeitigen, anthropogenen CO2-Emissionen ausmachen (IPCC (2005)). Die Speicherung in tiefen, salzwasserführenden Aquiferen ist für Europa die vielversprechendste Speichermöglichkeit. Saline Aquifere sind weit verbreitet und ihre Speicherkapazität liegt über der von leergeförderten Öl oder Gasfeldern (Juhlin et al. (2007)). Methoden, die für die Untersuchung von Öl und Gasreservoirs, natürlichen Speicherstätten sowie zur Überwachung flüssiger Abfälle entwickelt wurden, können auch zur Charakterisierung und Überwachung geologischer CO2-Speicher eingesetzt werden (IPCC (2005)). Obwohl diese Methoden viele der Hilfsmittel bereitstellen, um das Verhalten eines CO2-Speichers zu beschreiben, muss noch gezeigt werden, dass sie auch auf die langen Zeiträume einer CO2-Speicherung anwendbar sind (IPCC (2005)). In der Nähe der Stadt Ketzin (35km westlich von Berlin), betreibt das Deutsche GeoForschungsZentrum (GFZ), das erste Europäische Feldlabor zur Speicherung von CO2 in salinen Aquiferen. In diesem Pilotprojekt wird das wissenschaftliche und technische Verständnis der geologischen Speicherung von CO2 weiterentwickelt (Förster et al. (2006)). Innerhalb der letzten 5 Jahre, zwischen Juni 2008 und April 2013, wurden 65 kt superkritisches, lebensmittelreines CO2 verpresst. Im Rahmen verschiedenster, geophysikalischer Überwachungsmethoden, konzentrieren sich die Untersuchungen in der vorliegenden Dissertation auf Crosshole Seismik, zero-offset und offset VSP Messungen. Während Referenzmessungen (Nullmessungen) Aussagen über die Strukturen und Eigenschaften des Standortes zulassen, ist die Aufgabe der Wiederholungsmessung die Beobachtung der Ausbreitung von CO2 im Reservoir. Das Reservoir in Ketzin wird, basierend auf geologischen Informationen und untersuchten Bohrkernen, als dünn und heterogen beschrieben (Yang (2012)). Die Mächtigkeit des Reservoirs ist in der Regel geringer als 20 m, was unterhalb der Auflösung von oberflächenseismischen Methoden liegt (Yang (2012)). Da bohrlochseismische Methoden eine höhere Auflösung als oberflächenseismische Methoden haben, werden diese in Ketzin getestet. Es sollen zwei Fragen beantwortet werden: Ist es mit diesen Methoden möglich (1) das CO2 im Reservoir zu kartieren, (2) geometrische und petrophysikalische Parameter abzuleiten, die die Ausbreitung von CO2 in wassergesättigten Reservoirsandsteinen beschreiben? Die Crosshole Seismik wurde ausgelegt, um die Ausbreitung des CO2 in kleinem Maßstab während der Verpressung zu beobachten. Wird salzhaltiges Wasser in einem gesättigten Sandsteinreservoir durch CO2 verdrängt, kann dessen seismische Geschwindigkeit verringert werden. Diese Geschwindigkeitsänderung, kann dazu genutzt werden, dasCO2 in Sandsteinaquiferen mittels Laufzeittomographie zu überwachen (Zhang et al. (2012)). Aus gemessenen Daten wurde ein Geschwindigkeitsmodell errechnet. Dieses Modell dient als Grundlage für die Laufzeittomographie synthetischer Daten, basierend auf der selben Geometrie wie die gemessenen Daten. Für zwei verschiedene Ausbreitungsszenarios wurde die Form der CO2-Fahne und eine Abschätzung der Geschwindigkeitserniedrigung errechnet. Mit den zero-offset und offset VSP Messungen wird ein hochaufgelöstes Abbild des Untergrundes im näheren Umfeld der Bohrung erzeugt. Wird das Salzwasser in gesättigten Sandsteinreservoiren durch CO2 verdrängt, führt das zu einer Verstärkung des Impedanzkontrastes zwischen dem gasgefüllten Reservoir und der Deckschicht. Dies führt wiederum zu einer stärkeren Reflektion an der Oberkante des Reservoirs. Diese verstärkte Reflektion kann genutzt werden, um die Ausbreitung von CO2 im Reservoir abzubilden. Der Schwerpunkt der zero-offset VSP liegt in der Aufzeichnung der Reflektivität bei senkrechtem Einfall unmittelbar an der Bohrung, mit der offset VSP können flächige Abbilder des Reservoirs am Speicherstandort erzeugt werden. Ein "corridor stack" der zero-offset VSP aus der unmittelbaren Umgebung der Bohrung wird mit 3D-oberflächenseismischen Daten verglichen. Aus der CO2 bedingten Verstärkung der Amplituden in der Wiederholungsmessung, wird die Mächtigkeit der CO2-Fahne in einer Modellstudie ("wedge model") abgeleitet, die Verringerung der P-Wellen Geschwindigkeit wird durch eine Inversionsrechnung bestimmt ("band limited impedance inversion"). Die offset VSP Messungen werden mittels Kirchhoff und Fresnel Migration abgebildet. Die Verwendung unterschiedlicher Migrationsalgorithmen kann dazu beitragen, bei der Interpretation seismischer Abbildungen, methodische von CO2 bedingten Effekten zu unterscheiden. Es kann gezeigt werden, dass bohrlochseismische Methoden die Ausbreitung von CO2 im Reservoir abbilden können und einen Beitrag zur Quantifizierung geometrischer und petrophysikalischer Parameter der CO2-Fahne leisten. Im Rahmen der Überwachung einer CO2 Speicherung, sollten bohrlochseismische Methoden neben einer Oberflächenseismik zum Einsatz kommen, falls detailliertere Informationen über die Struktur in der näheren Umgebung einer Bohrung benötigt werden. Bohrlochseismische Überwachung kann zusätzlich zur Beobachtung von Schichten über dem Reservoir, der Detektion von Leckagepfaden oder zur Überprüfung der Bohrlochintegrität eingesetzt werden.
This thesis is about borehole seismic monitoring of CO2 storage within a saline aquifer at Ketzin, Germany. CO2 storage is part of the process "Carbon dioxide Capture and Storage (CCS)". As a greenhouse gas, CO2 contributes to the global warming, therefore efforts are made to slow down the increase of CO2 concentration in the atmosphere. CCS is considered because "fossil fuels are the dominant form of energy utilised in the world (86 %) and account for 75% of current anthropogenic CO2 emissions" (IPCC (2005)). Deep saline aquifer storage is "the most promising and relevant CO2 sequestration option for Europe" (Juhlin et al. (2007)). Saline aquifers are broadly distributed "and their storage capacity exceeds that of depleted oil and gas fields" (Juhlin et al. (2007)). "Techniques developed for the exploration of oil and gas reservoirs, natural gas storage sites and liquid waste disposal sites are suitable for characterising and monitoring geological storage sites for CO2" (IPCC (2005)). Although these methods include many of the tools "needed to predict both short-term and long-term performance of CO2 storage, more experience is needed to establish confidence in their effectiveness in predicting long-term performance when adapted for CO2 storage" (IPCC (2005)). Operated by the German Research Centre for Geosciences (GFZ), the in situ laboratory for saline aquifer CO2 storage near the town Ketzin (35km west of Berlin) is the first European onshore storage pilot facility. It advances "the understanding of the science and practical processes involved in underground storage" (Förster et al. (2006)). Within 5 years of operation, between June 2008 and April 2013, 65 kt of supercritical, food-grade CO2 have been injected. As part of a comprehensive geophysical monitoring program at Ketzin, the research in this thesis focuses on the crosshole seismic, zero-offset and offset VSP measurements. While the baseline surveys provide the structural geometry and characterisation of the site, the repeat surveys aim at the observation of CO2 propagation in the reservoir. Based on geological information and well cores, the reservoir is described as thin and heterogeneous at the research site (Yang (2012)). "The thickness of the reservoir is generally less than 20 m2", what is "below the resolution of conventional surface seismic data" (Yang (2012)). Borehole seismic methods are expected to have a higher resolution than surface seismic and are therefore are tested at the Ketzin site. Two questions should be answered: With these methods, is it possible (1) to map the CO2 in the reservoir layer (2) to derive geometrical and petrophysical parameters describing the migration of CO2 in a water saturated sandstone reservoir? The crosshole seismic measurement was designed to follow the migration of CO2 at small scale during the injection. "As CO2 replaces saline water in saturated reservoir sandstones a seismic velocity reduction may occur. This velocity change can potentially be used to monitor CO2 in sandstone aquifers using seismic tomography" (Zhang et al. (2012)). Based on a velocity model derived from the measured data, travel time tomography is tested on synthetic data having the same geometry as the real data. The shape of the CO2 plume and an estimate of the velocity reduction in the reservoir is derived for different scenarios of CO2 distribution. The main objective of the zero-offset and offset VSP surveys was to generate high-resolution seismic images in the vicinity of the borehole. As CO2 replaces saline water in saturated sandstones, the impedance contrast between the gas filled sandstone and the caprock is increased, what leads to stronger reflections from top of the reservoir. This increased reflectivity can be used to image the spreading of CO2 in the reservoir. While the zero-offset VSP focuses on normal incidence reflectivity near the observation well, offset VSP has the potential to generate a lateral image of the reservoir at the injection site. A near-well corridor stack of the zero-offset VSP is compared to 3D surface seismic data. Based on the CO2 induced amplitude changes of the repeat measurement, the thickness of the CO2 plume is derived by a wedge modelling study and the reduction of P-wave velocity is calculated with band limited impedance inversion. The offset VSP measurements are imaged by Kirchhoff and Fresnel migration. The application of two migration algorithms can help to differentiate between method-related and true time-lapse effects when interpreting the seismic images. It is shown that borehole seismic methods can image the distribution of CO2 in the reservoir and contribute to the quantification of geometrical and petrophysical parameters of the plume. In the framework of monitoring CO2 injection, borehole seismic methods should be used as an add-on to surface seismic, in case more detailed information is needed about the structure in the vicinity of boreholes. In addition, borehole seismic monitoring can be applied to the observation of layers above the reservoir, for the detection of leakage paths or the inspection of well integrity.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-46308
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4216
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3919
Exam Date: 13-Dec-2013
Issue Date: 29-Jan-2014
Date Available: 29-Jan-2014
DDC Class: 550 Geowissenschaften, Geologie
Subject(s): Bohrlochseismische Methoden
CO2-Speicherung
zero-offset and offset VSP
CO2 storage
Crosshole seismic
Monitoring
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