On the use of self-potential and spectral induced polarization methods to monitor CO₂ leakages in porous carbonate rocks

Les méthodes géophysiques non intrusives sont requises pour caractériser la zone vadose, les réservoirs d’hydrocarbures, ou les sites de stockages de CO₂. Nous analysons l’impact d’une injection de CO₂ gazeux sur la conductivité électrique et les propriétés électrocinétiques des roches carbonatées partiellement ou totalement saturées grâce aux méthodes de polarisations provoquée et spontanée. Les données sont analysées au regard au regard de mesures effectuées sur une roche chimiquement neutre, vis-à-vis du CO₂, c’est-à-dire , un grès de Fontainebleau. Nous comparons également nos résultats aux données de la littérature. Le coefficient de couplage électrocinétique est un paramètre clé, dont nous allons étudier la dépendance vis-à-vis de la saturation, sujet hautement débattu de nos jours. En utilisant la méthode de polarisation spontanée, nous étudions les relations entre le coefficient de couplage électrocinétique, la pression capillaire ainsi que la perméabilité relative au sein des roches carbonatées. Un système expérimental a été élaboré pour mesurer simultanément la perméabilité relative, l’indice de resistivité et le coefficient de couplage électrocinétique en écoulement diphasique de type eau-gaz, en fonction de la saturation en azote ou en dioxyde de carbone. Les résultats sont comparés à des modèles théoriques basés sur les approches de Brooks et Corey et van Genuchten, dont les exposants nous permettent d’ajuster les données avec les modèles de pression capillaire avec succès. Les échantillons sont saturés avec des saumures de différentes compositions, dont les ions sont mono- ou divalents et pour lesquelles la force ionique est comprise entre 10⁻⁴ et 10⁰ Mol L⁻¹. La valeur absolue du coefficient de couplage électrocinétique augmente lorsque la force ionique de la solution diminue, ce qui a déjà été observé dans les roches gréseuses. Le potentiel zêta a été calculé en utilisant une version modifiée de l’équation d’Helmholtz-Smoluchowski, qui prend en compte les effets liés à la conductivité de surface. Comme pour le coefficient de couplage, la valeur absolue du potentiel zêta chute lorsque la force ionique augmente. Nous nous intéressons également aux effets liés à une injection de CO₂ et à la dissolution de la calcite sur la valeur de ce potentiel zêta. Enfin, nous utilisons la méthode de polarisation provoquée pour déterminer l’influence de conductivité de l’eau porale sur la conductivité électrique complexe, la chargeabilité normalisée ainsi que le temps de relaxation en milieu carbonaté non saturé. Nous montrons que ces paramètres peuvent être considérés comme des paramètres de polarisation de la double couche électrique lorsque la conductivité de l’eau porale est comprise entre 10⁻³ et 10⁰ S m⁻¹.Minimally intrusive geophysical methods are required to characterize both the vadose zone of the Earth, hydrocarbon reservoirs and CO₂ sequestration. We investigate the impact of gaseous CO₂ on both electrical conductivity and electrokinetic properties of limestones under saturated and unsaturated conditions, using the spectral induced polarization and the self-potential methods. These data are contrasted with measurements performed on a Fontainebleau sandstone and data from the literature. That said, the dependence of a key parameter, the streaming coupling coefficient, with the saturation remains highly debated. Using the self-potential method, we explore the relationship between the streaming potential coupling coefficient, the capillary pressure curves and the permeability in carbonate rocks characterized by distinct textures. A new core flooding system is used to measure simultaneously both the relative permeability, the resistivity index and the streaming potential coupling coefficient in steady-state two-phase flow conditions as a function of the saturation with CO₂ or N₂. The results are compared with a recently developed theoretical model, which can accommodate either the Brooks and Corey or the van Genuchten models for the capillary pressure curves. Saturation was achieved with monovalent and divalent brines with ionic strength ranging from 1x10⁻³ Mol L⁻¹ to 1x10⁰ Mol L⁻¹. The magnitude of the coupling coefficient increases with decreasing ionic strength similarly to the trend observed for sandstones. The zeta potential has been calculated at full saturation using a modified version of the Helmholtz-Smoluchowski equation that accounts for surface electrical conductivity. Under atmospheric conditions, the magnitude of the zeta potential is decreasing with the increase of the ionic strength. We also investigate the effects of a CO₂ release and the calcite dissolution on the magnitude of the zeta potential. Finally, we use the spectral induced polarization method to determine the pore water conductivity effects on the complex electrical conductivity, the normalized chargeability and the main relaxation time during drainage in a clay free limestone. We also show evidences that these parameters could be considered as polarization parameters of the electrical double layer in the pore water conductivity range 10⁻³ - 10⁰ S m⁻¹