First Modelling Results of the EM Response of a CO2 Storage in the Paris Basin Premières modélisations de la réponse EM d’un stockage de CO2 dans le bassin Parisien

We study the feasibility of using electrical/EM methods for monitoring the injection of supercritical CO2 at a depth of 1700 m in a saline aquifer of the Paris Basin (Dogger carbonates). We first establish the theoretical interest of resistivity methods for CO2 monitoring through the basic laws of electrical physics in porous sedimentary rocks, assuming that supercritical CO2 is a perfect insulator. Various combinations of EM sources and sensors are discussed and it is shown that the best type of array consists of a galvanic source (i.e. injection of current via a pair of electrodes A and B) and of a grid of electric (and possibly magnetic) sensors at the ground surface. Given the usual depth and thinness of CO2 storage layers, current injection at depth was investigated in order to increase the current density in the reservoir and thus enhance the CO2 response. Point injection at the reservoir depth in the so-called “Mise À la Masse” (MAM) configuration is generally impossible in deep wells due to the presence of metallic casings. Therefore, the possibility of using a deep metallic casing as a long electrode distributing the current all along a borehole is studied. This kind of source is named “LEMAM” (Long Electrode Mise À la Masse) in order to differentiate it from the conventional MAM. Numerical simulations are presented for the LEMAM array and for the gradient or rectangle array (RECT), for which the current is injected by a pair of point electrodes at the ground surface. The geoelectric model used is based on an area close to the Saint-Martin-de-Bossenay (SMB) oilfield, in the south-east of the Paris Basin. The storage reservoir considered in this study is the 75-m-thick “Oolithe Blanche” formation (Mid Jurassic or Dogger, Bathonian age), located at a depth of about 1700 m below ground surface. In the models presented, the CO2 plume is simplified to a square horizontal slab of 2 km side, 70 m thick, floating at the top of the oolite aquifer. A uniform CO2 saturation of 80% is assumed, yielding a resistivity contrast of 25 with the initial reservoir. Two variants of the model with different reservoir resistivities are compared. The first model is calculated with a realistic reservoir resistivity of 20 ohm.m, reflecting the low salinity of the aquifer in this part of the Basin (≈ g g/L of NaCl). With this model, the time-lapse electric response of the CO2 plume is less than 0.5% of the initial electric field, which is below the estimated “repetition noise”. This poor result can be explained by the fact that the reservoir, in this case, is far from being the most conductive layer of the model. As a consequence, only a minor part of the injected current is used for energizing the CO2 plume: a rough calculation shows that only about 2% of the injected current crosses the reservoir, hence the poor response of the plume. A second model is calculated with an idealistic reservoir resistivity of 1 ohm.m, corresponding to about 50-70 g/L of NaCl in the aquifer (though such salinity is not observed anywhere in the Dogger aquifer of the Paris Basin, it is common in many storage aquifers). With this favourable model, it is estimated that about 30% of the injected current crosses the reservoir and energizes the plume, resulting in a time-lapse electric response as high as 6% of the initial field, which is quite measurable. For comparison, the timelapse electric response obtained with the same model for a surface current injection (RECT array) is only 2% of the initial field. With this same model, the time-lapse magnetic response obtained for the LEMAM injection is about 3% of the initial magnetic field. We conclude that the LEMAM array is very promising for the resistivity monitoring of a CO2 injection in a deep aquifer, provided that the water salinity is high enough for the reservoir to channel a significant fraction of the injected current (say > 10%). Nous etudions la possibilite d’utiliser les methodes electriques/EM pour surveiller l’injection de CO2 supercritique a 1700 m de profondeur dans un aquifere salin du Bassin Parisien (Carbonates du Dogger). Nous demontrons d’abord l’interet theorique des methodes de resistivite pour une telle surveillance a l’aide des lois fondamentales de la petrophysique dans les roches sedimentaires poreuses, en supposant que le CO2 supercritique est un isolant parfait. Diverses combinaisons de sources et de capteurs sont discutees et il est conclu que le dispositif le plus performant consiste en une source de type galvanique (injection de courant dans le sol a l’aide d’unepaire d’electrodes A et B) et d’une grille de capteurs electriques (et peut-etre magnetiques) a la surface du sol. Compte tenu de la profondeur et de la finesse des couches reservoir, l’injection du courant en profondeur est envisagee dans le but d’augmenter la densite de courant circulant dans la couche reservoir. L’injection ponctuelle a la profondeur du reservoir, dans une configuration de type « Mise A la Masse » (MAM), etant generalement impossible a cause de la presence de tubages metalliques dans les forages, nous avons etudie la possibilite d’utiliser ces memes tubages comme des longues electrodes distribuant le courant tout le long du forage. Ce type de source est denomme « LEMAM » (Long Electrode Mise A la Masse), pour le distinguer du MAM conventionnel. Des simulations numeriques sont presentees a la fois pour le dispositif LEMAM et pour le dispositif « rectangle » (RECT), lequel emploie une injection de courant ponctuelle a la surface du sol. Le modele geoelectrique utilise est base sur une zone proche du champ petrolier de Saint-Martin-de-Bossenay (SMB), au sud-est du Bassin Parisien. La couche reservoir consideree dans cette etude est la formation de l’“ Oolithe Blanche ” (Dogger) qui a une epaisseur de 75 m et se situe a une profondeur de 1700 m sous la surface du sol. Dans les modeles presentes, le panache de CO2 est simplifie en une plaque horizontale carree de 2 km de cote et de 70 m d’epaisseur flottant au toit de l’aquifere reservoir. Une saturation uniforme en CO2 egale a 80 % a ete adoptee dans la plaque, ce qui represente un contraste de resistivite de 25 par rapport a l’aquifere initial. Deux variantes du modele avec des resistivites differentes pour l’aquifere sont comparees. Le cas d’une resistivite realiste de 20 ohm.m donne une reponse electrique time-lapse inferieure au bruit de repetition estime. Ce resultat decevant s’explique par le fait que la couche reservoir dans ce cas est loin d’etre la plus conductrice du modele ; par consequent, elle est traversee seulement par une petite partie du courant injecte, d’ou la faible reponse du CO2. Une deuxieme variante avec une resistivite plus favorable que la realite, mais parfaitement realiste pour un aquifere salin (1 ohm.m), donne une reponse electrique timelapse de l’ordre de 6 % du champ initial, ce qui est bien superieur au bruit de repetition estime. Nous concluons donc que la methode LEMAM est prometteuse pour surveiller un stockage de CO2, a condition que l’aquifere reservoir soit suffisamment conducteur par rapport au reste de la serie recoupee par les longues electrodes