Magnetotelluric characterisation and monitoring of the Hontomín CO2 storage site, Spain

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Ogaya García, Xènia

2015-A
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Resumen

La presente tesis doctoral se titula ´Magnetotelluric characterisation and monitoring of the Hontomín CO2 storage site, Spain´. Esta tesis fue realizada por Xènia Ogaya García en el departamento de Geodinámica y Geofísica de la Facultad de Geología en la Universidad de Barcelona, dentro del programa de doctorado de Ciencias de la Tierra. La tesis fue defendida en el Aula Magna de la Facultad de Geología de la Universidad de Barcelona el 30 de Septiembre de 2014, obteniendo la calificación de excelente cum laude. Tanto la memoria como la defensa pública de la tesis se realizaron en inglés. El trabajo de investigación presentado fue supervisado por la Dra. Pilar Queralt y el Dr. Juanjo Ledo de la Universidad de Barcelona y por el Dr. Alan G. Jones del Dublin Institute for Advanced Studies (DIAS). Para la realización de la tesis, Xènia Ogaya contó con el apoyo de la Fundación Ciudad de la Energía (CIUDEN), a través de su beca “Ayuda para la realización de tesis doctorales en almacenamiento geológico de CO2” (Resolución de septiembre de 2009) y de la beca de la Universidad de Barcelona “Ajuts de personal investigador predoctoral en formació (APIF)” (Convocatoria 2012-2013).

La captura y almacenamiento geológico de dióxido de carbono (CO2) constituye una de las soluciones tecnológicas propuestas en la actualidad para reducir las emisiones de gas de efecto invernadero a la atmosfera. El objetivo de esta tecnología es capturar y transportar el gas CO2 desde los grandes focos emisores hasta los lugares seleccionados como almacenes geológicos, donde es inyectado. Esta tesis se centra en la Planta de Desarrollo Tecnológico (PDT) de Hontomín (Burgos, España), donde la inyección de CO2 tendrá lugar en un acuífero salino profundo. El proyecto de la PDT, desarrollado por la Fundación Ciudad de la Energía, esta vinculado al proyecto Compostilla OXYCFB300, dentro del Programa Energético Europeo para la Recuperación (European Energy Programme for Recovery, EEPR).

Tras la inyección de CO2, la mayoría de las propiedades físicas de la roca almacén y en especial su resistividad eléctrica varían. El fluido salino conductor contenido en el poro será sustituido por el gas, de carácter más resistivo, reduciendo el volumen de agua disponible para la conducción iónica. Por ello, los métodos electromagnéticos, sensibles a la resistividad eléctrica, son especialmente interesantes para este tipo de proyectos ya que permiten estudiar laevolución del gas inyectado y estimar la saturación de CO2 en el poro. Esta tesis tiene por objetivo la caracterización y seguimiento (monitoreo) de la PDT de Hontomín mediante el método magnetotelúrico. Para ser capaces de detectar y cuantificar correctamente los cambios asociados a la inyección de CO2 es necesario conocer en detalle la estructura en el estado de preinyección. De este modo, el objetivo principal de esta tesis es la obtención de un modelo geoeléctrico tridimensional (3D) de referencia, que permita caracterizar la zona de estudio en la situación de preinyección y sirva de modelo base para los posteriores estudios de observación con métodos electromagnéticos de fuente controlada. Asimismo, esta tesis persigue evaluar la capacidad de monitorear del método magnetotelúrico, desarrollando una nueva metodología que permita mejorar la sensibilidad de las respuestas magnetotelúricas superficiales a cambios de resistividad producidos en el reservorio.

Para alcanzar estos objetivos, la tesis se estructura básicamente en dos partes: la caracterización electromagnética de la PDT de Hontomín, principal objetivo de la tesis, y el estudio de las posibilidades de seguimiento del método magnetotelúrico y su posible aplicación en proyectos de almacenamiento geológico de CO2.

El método empleado en este trabajo de investigación es el método magnetotelúrico. El método magnetotelúrico es el único método electromagnético capaz de aportar información sobre las características del subsuelo a profundidades de varios kilómetros. Este método permite además, dado su carácter tensorial, determinar la direccionalidad y evolución en profundidad de las estructuras geológicas y de los distintos procesos geológicos. Se trata de una técnica electromagnética bien consolidada en trabajos de caracterización tanto a escala regional como a escala local. Sin embargo, en estudios de seguimiento y monitoreo su uso es menos frecuente que el de otras técnicas electromagnéticas debido a su resolución.

La caracterización de la PDT de Hontomín se llevó a cabo en dos etapas. En la primera etapa se adquirió un perfil de 22 registros magnetotelúricos de banda ancha de orientación NS. Este primer estudio demostró la idoneidad del método para caracterizar la zona de estudio y proporcionó un modelo geoeléctrico bidimensional (2D) de la misma. En la segunda etapa se completó la adquisición de los datos con 87 nuevos registros magnetotelúricos de banda ancha lo que permitió la obtención del modelo geoeléctrico 3D de la PDT.

En esta tesis se presentan ambos estudios de caracterización. Cada uno de ellos es justificado por un análisis previo de dimensionalidad de los datos y detalla la metodología de inversión empleada para alcanzar resultados válidos y apropiados. Para la inversión 3D de los datos se utilizaron los siguientes supercomputadores: “Stokes” del “Irish Centre for High-End Computing” (ICHEC) y “Malle”t y “Lehmann” del “Dublin Institute for Advanced Studies” (DIAS).

El modelo 2D obtenido previamente es validado por el modelo 3D, el cual se correlaciona satisfactoriamente con datos hidrogeoquímicos, sísmicos, gravimétricos y datos de pozos adquiridos en la zona de estudio. Asimismo, el modelo 3D obtenido predijo correctamente la estructura geoeléctrica de los pozos de inyección y observación perforados en la PDT. Este modelo 3D constituye el modelo geoeléctrico de referencia de la PDT, siendo la principal contribución de esta tesis. El modelo muestra la forma de domo de la estructura objetivo de Hontomín, así como los principales conjuntos de fallas. Ello permite identificar las posibles zonas de fuga y definir las necesidades de control y seguimiento de la PDT.

Posteriormente, con el fin de evaluar las capacidades de seguimiento del método magnetotelúrico se llevaron a cabo distintos estudios sintéticos y exámenes de sensibilidad. Los resultados obtenidos muestran que la sensibilidad del método magnetotelúrico a los cambios de resistividad producidos en el reservorio aumenta con la profundidad a la que se adquieren los datos. Consecuentemente, en esta tesis se propone una nueva metodología basada en la solución analítica del problema magnetotelúrico en una dimensión. Esta nueva metodología, denominada

“layer stripping”, consiste en eliminar el efecto de las capas superficiales no alteradas por la inyección de CO2 y simular así las respuestas obtenidas en profundidad a partir de los datos medidos en superficie. De este modo, es posible mejorar la sensibilidad de los datos adquiridos en superficie y detectar volúmenes menores de CO2.

Aplicar esta metodología requiere conocer en detalle la estructura en la situación de preinyección y disponer de un modelo geoeléctrico de referencia de la zona de estudio.

La metodología propuesta en esta tesis es validada a través de estudios sintéticos y testeado teóricamente usando el modelo geoeléctrico de referencia de Hontomín. Los resultados indican que el uso del “layer stripping” permite detectar volúmenes menores que los detectados sin aplicar dicha metodología, y por tanto muestra su idoneidad en estudios de monitoreo con métodos electromagnéticos.

La tesis supone una importante contribución a los proyectos de caracterización geofísica de almacenes de CO2 en acuíferos salinos profundos. El método magnetotelúrico ha demostrado ser una técnica electromagnética apropiada para caracterizar el área de estudio. Los resultados obtenidos son significativos y ponen de manifiesto la importancia de establecer un modelo geoeléctrico de la situación de preinyección a fin de caracterizar la estructura, concretar las necesidades de seguimiento de la planta y definir el modelo de referencia para los posteriores estudios de observación y seguimiento (monitoreo) de la pluma de CO2.

Esta tesis demuestra que los estudios electromagnéticos son complementarios a estudios de caracterización sísmicos y, dada su sensibilidad a la conductividad eléctrica, se establecen como métodos de resolución superior para determinados aspectos de interés en el almacenamiento de CO2 y su seguimiento a largo plazo.

El trabajo de investigación presentado en esta tesis ha dado lugar a las siguientes publicaciones:

Ogaya, X., Queralt, P., Ledo, J., Marcuello, A., Jones, A.G., 2012. Preliminary results of the 3-D magnetotelluric characterization of the subsurface of the Technology Demonstration Plant of Hontomín (Burgos, Spain) for geological storage of CO2, In:

Zurutuza, J. (Ed.) 7AHPGG: Proceedings. Portuguese-Spanish Assembly of Geodesy and Geophysics, pp. 703-708, ISBN: 978-84-941323-1-5.

Ogaya, X., Ledo, J., Queralt, P., Marcuello, A., Quintà, A., 2013. First geoelectrical image of the subsurface of the Hontomín site (Spain) for CO2 geological storage: A magnetotelluric 2D characterization. International Journal of Greenhouse Gas Control 13, 168-179, doi: 10.1016/j.ijggc.2012.12.023.

Ogaya, X., Queralt, P., Ledo, J., Marcuello, A., Jones, A.G., 2014. Geoelectrical baseline model of the subsurface of the Hontomín site (Spain) for CO2 geological storage in a deep saline aquifer: a 3D magnetotelluric characterisation. International Journal of Greenhouse Gas Control 27,120-138, doi: 10.1016/j.ijggc.2014.04.030.

Ogaya, X., Ledo, J., Queralt, P., Jones, A.G., Marcuello, A., 2015. A layer stripping approach for monitoring resistivity variations using surface magnetotellruic responses. Geophysics, Submitted.


 
Abstract

 


 
Índice

 


 
Conclusiones