Caractérisation des Impacts

Potentiels du stockage géologique

du CO2 sur la qualité de la

Ressource en Eau Souterraine

Lions J.1, Jakymiw C.1, Devau N.1, Barsotti V.2, Humez P.3, Grellier S.4

1 BRGM, Orléans, France 2 ISTO-CNRS, Orléans, France

3 Applied Geochemistry group, University of Calgary, Canada 4 VERI, Veolia

Principe du stockage géologique du CO2

Objectif: Réduire les émission de gaz

à effet de serre pour limiter l’action de

l’Homme sur le changement

climatique.

La technologie du Captage et

stockage de CO2 (dit CSC):

• Capter le CO2 industriel

• Le transporter par pipeline ou par

tanker vers des sites de stockage

• Injecter le CO2 dans des

formations géologiques favorables

au piégeage sûr et permanent du

CO2.

• Roche de couverture, absence de

failles majeures, activité

tectonique faible

• Site impropre par nature à d’autres

utilisations (ex: eaux

définitivement non utilisables pour

l’AEP)

Schéma illustrant les

différentes aires d’influence

du stockage

(Birkholzer et al. 2007)

Influence du stockage géologique de CO2 sur

les hydrosystèmes

Nature des fluides injectés dans les aquifères

> Compositions des fluides injectés selon les procédés de capture

Oxy-combustion Post-

Combustion Pré-combustion (IGCC)

Unité CO2/SO2 CO2+SO2 CO2/ H2S CO2+H2S

H2O Vol % 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1

CO2 Vol % 91.6 90.3 99.8 97.8 95.6

Ar Vol % 5.7 5.6 0.0 0.1 0.1

O2 Vol % 1.6 1.6 0.0 - -

SO2 Vol % 0.1 1.5 0.0

NO Vol % 0.2 0.2 0.0 - -

N2 Vol % 0.6 0.6 0.0 0.0 0.0

H2 Vol % 1.7 1.7

H2S Vol % 0.0 2.3

Hydrocarbons ppmv 30 - -

CO ppmv - - 10 1700 1700

CH4 ppmv 350 350

Mercaptans ppmv 220 220

NH3 ppmv Trace Trace - 30 30

(d’après Anhenden et al., 2005)

+ Traces (HCN, COS, HCl, HF, Hg, Particules, Métaux,...)

Impacts du CO2 sur les processus biogéochimiques

> Effets directs

• pH

– dissolution du CO2 (gaz) & effet tampon

• Eh

– Substances annexes (oxydants-réducteurs-matières organiques)

– Variations du niveau piézométrique

• Composition chimique des eaux

– Migration de saumures

• Diversité et activité des communautés microbiennes

> Effets indirects

• Précipitation/dissolution

– Modification de la composition chimique des eaux

• Mécanismes de sorption

– Mobilité des éléments traces

• Métabolismes microbiens

Lions et al., 2014 - IJGGC

Focus: pH

Injection de CO2 Aquifères Acidification

(unité de pH) Références

Expériences

sur site

5 700 ppm

(CO2 dissous)

(30 j)

sablonneux et réd.

~ 2.4-2.9 Trautz et al. 2012

787 kg de CO2

(10 j)

Dépôts sablonneux

(Quaternaire) ~ 0.8-1.8 Peter et al. 2012

6 kg de CO2

(0.5 j)

Fissuré

(marne et grès) ~1.3 Rillard, 2013

300 kg/j de CO2

(30 j) ~ 1 -1.3

Kharaka et al.

2010

Expériences en

laboratoire

CO2

(pCO2 par bullage)

(15 j)

9 éch.

(carbonaté et non carbonaté) ~ 1.5-2.5 Lu et al. 2010

pCO2=1 bar

(300 j)

17 éch.

(sablonneux) ~ 1 to 2

Little et Jackson

2010

pCO2 = 2 bar

(30 j)

1 ech.

(sablonneux non carbonaté) ~ 2.8

Humez et al.

2012

Modélisation

pCO2 = 0.2 à 1.4 bar sablonneux libre

(site du ZERT)

~ 1.7

(sans WRI)

~1

(avec WRI)

Zheng et al. 2012

2.36 tonnes de CO2/an

(6.5 kg/j)

sédimentaire, confiné,

carbonaté ~ 1.5 Zheng et al. 2009

103 to 106 tonnes de

CO2/an

(3 103 à 3 106 kg/j)

sédimentaire, confiné, non

carbonaté

~2 Carroll et al.2009

2.36 tonnes de CO2/an

(6.5 kg/j) Sédimentaire, carbonaté ~2

Birkholzer et al.,

2008

Les enjeux pour la qualité des eaux souterraines

> Caractériser les mécanismes géochimiques et

biochimiques qui contrôlent la qualité des eaux

et potentiellement impactés par le CO2

• Rôle et connaissance de la composition microbiologique des

aquifères

• Rôle de la sorption sur la mobilité des éléments traces

> Valider une méthodologie pour la surveillance

des eaux souterraines • Méthodes de monitoring pour les aquifères profonds

• Recommandations pour la mise en place des plans de

surveillance

> 7

Un des objets d’étude

• L’aquifère de l’Albien • Aquifère stratégique pour la

ressource en eau

• Aquifère multi-couche: sables

verts

• Glauconite (phyllosilicate riche

en Fe) avec de fortes

propriétés de surface.

> 8

Albien

Essais expérimentaux sur les sables verts de

l’Albien

> Essais en batch (Humez et al. 2012)

> Isothermes sur la glauconite (Barsotti et al. 2014) • Ni, Zn et As

> Modèle géochimique (PHREEQC) • Dissolution cinétiques des phases majeures

• Processus de surface

> 9

Albian green

sand

Glauconite

Quartz

> Modèle de complexation de surface couplé à un modèle d’échange

d’ion pour simuler la sorption de Ni, Zn et As sur la glauconite

Modélisation des réactions d’adsorption

Echange ionique (Na+, K+, H+, Ca2+, Mg2+, Zn2+, Ni2+)

Complexation de surface (H+, Ni2+, Zn2+)

2𝑋𝑁𝑎 +𝑀2+ ↔ 2𝑋𝑀 + 2𝑁𝑎+ 2S𝑂𝐻 +𝑀2+ ↔ 𝑆𝑂2𝑀 + 2𝐻+ +

> 10

Modèle de transport réactif

> 11

> Modèle 3D

• ToughReact version 2 (Xu, 2010) avec la base de données

thermodynamiques Thermoddem (Blanc et al. 2012)

> Géométrie

• 200 m x 500 m and 60 m de hauteur

• Raffinement du maillage autour du point d’injection

> Simulation (100 ans)

• 3 débits de fuite de CO2

– 0.001 kg/s (27 t)

– 0.01 kg/s (272 t)

– 0.1 kg/s (2720 t)

> Scenario

• Equilibre initial (50 j.)

• Fuite de CO2 (315 j.)

• Atténuation naturelle (99 ans)

Simulation du transport

> Propriétés simplifiées • Aquifère homogène

• Porosité 20%

• Perméabilité 500 mD

• Grès de Sleipner comme analogue pour

les paramètres multiphasiques

• Modèle de Van Genuchten

> Ecoulement régional • Déterminé à partir des observations

– Gradient hydraulique nul

– Gradient hydraulique = 4‰ (2 bar / 500 m)

> 12

Perméabilité relative (van Genuchten)

Sleipner (Utsira sandstone)

λ=1-1/n 0.63

Saturation liquide résiduelle (Slr)

0.05

Saturation liquide (Sls)

1

Saturation irreductible gas (Sgr)

0.2

Pression capillaire (van Genuchten)

λ=1-1/n 0.63

Saturation liquide résiduelle (Slr) 0.05

Po (Pa) 1400

Saturation liquide (Sls)

1

Modèle géochimique

> Minéraux primaires • Minéraux observés inclus dans le

modèle (avec cinétique)

– Qz, Glauconite, Kaol, Fluorapatite, Pyrite

– Surface réactive adaptée

• Surf. Spé Exp. / 1000

> Eau initiale • Equilibrée avec les minéraux

• Eau initiale légèrement sous–saturée

par rapport aux minéraux secondaires

– calcite et sidérite

> 13

Bouligny Orsay Model

pH 6.6 7.5 7.5

pCO2 (bar) 0.023 0.004 0.004

Al (mol/l) 4.78×10-8

9.27×10-8

5.63×10-9

C (mol/l) 2.17×10-3

2.02×10-3

2.03×10-3

Ca (mol/l) 5.0×10-4

7.1×10-4

4.87×10-4

Cl (mol/l) 1.38×10-4

1.38×10-4

1.38×10-4

F (mol/l) 1.05×10-5

1.05×10-5

1.05×10-5

Fe (mol/l) 1.02×10-4

3.04×10-6

1.22×10-5

K (mol/l) 1.13×10-4

2.10×10-4

2.83×10-3

Mg (mol/l) 1.48×10-4

2.51×10-4

2.05×10-4

Na (mol/l) 1.39×10-4

2.44×10-4

1.39×10-4

Si (mol/l) 2.08×10-4

2.20×10-4

1.99×10-4

Minéraux Fraction

Quartz 0,8

Glauconite 0,1

Kaolinite 0,098

Fluorapatite 0,001

Pyrite 0,001

Calcite 0

Sidérite 0

> 14

Saturation en gaz (débit de fuite: 0.01 kg/s)

-> Disparition du gaz

> 15

Carbone inorganique dissous

-> Effet densitaire et diminution du CI

> 16

pH (débit de fuite: 0.01 kg/s)

-> effet tampon limité

> 17

Ni (aq)

Norme

de

potabilité

SiO2 (aq)

Plan de surveillance des eaux souterraines

> Position et profondeur • Distance selon la vitesse des écoulements, les cinétiques de

relargage et de piégeage

• Profondeur selon la stratification du milieu et des effets densitaires

Prédire la distribution du panache dans le temps et dans l’espace

selon les paramètres

> Choix des paramètres et des indicateurs de fuite • Court terme vs. Long terme (selon la cinétique)

• Conservateur vs attenuation naturelle (long terme)

> Ligne de base et valeurs seuils • Amplitude des indicateurs doit être significative vs. ligne de base et

la variabilité naturelle (spatiale et temporelle)

> 19

Acquisition de la ligne de base et surveillance

> 20

Etapes Synthèse

régionale Exploration

Aménageme

nt Exploitation

Après arrêt

de

l’injection

Après le

transfert de

responsabilité

Type de

suivi

Ligne de base

environnement

ale

Élaboration

du plan de

surveillance

Ligne de base

du suivi

opérationnel

Suivi

opérationnel

Suivi

renforcé

Suivi post-

exploitation Suivi long terme

Objectif du

suivi

Définir l’état

« zéro » des

aquifères (avant

toute

intervention

anthropique)

Définir les

risques liés au

stockage et

définir la

surveillance à

mettre en

place

Définir l’état

« zéro » au

niveau des

puits de

surveillance et

d’exploitation

réalisés

Assurer un

suivi pour

garantir le bon

fonctionnemen

t du site

Identifier

une fuite

de CO2 et

suivre les

actions

corrective

s

Suivre le

devenir du

stockage

après

exploitation

Assurer le suivi et

garantir son

intégrité

Durée > 2 ans ~ 5 ans > 2 ans 20-50 ans 20-50 ans 20-50 ans

Grellier et al. 2015, Livrable L5.1.3 - Guide méthodologique pour la mise en œuvre des programmes de monitoring,

Conclusions

> La prise en compte du transport réactif pour la

modélisation des scénarios d’injection de CO2 et la

simulation de la migration du panache permet de prédire • Le comportement du gaz : migration verticale (effet densitaire) et horizontale

(selon l’écoulement régional)

• L’impact sur la réactivité géochimique et sur la composition globale de l’eau

> Différents processus géochimiques observés dans le

temps et l’espace à considérer pour l’élaboration d’un plan

de monitoring géochimique • Fonction de la cinétique et de la vitesse des écoulement

• Attention aux hétérogénéités et à la complexité des systèmes naturels

> Relargage de métaux et atténuation naturelle • Les métaux sont relargués en grande quantité pouvant dépasser la norme selon

le débit de fuite puis les métaux sont rapidement adsorbés.

• L’adsorption (échange ionique et complexes de surface) intervient tout au long du

panache avec une évolution progressive entre les deux processus en fonction du

temps et de la chimie de l’eau.

> 21

Merci pour votre attention