Proposition de thèse bourse CIFRE GDF SUEZ – Université Joseph

Proposition de thèse bourse CIFRE
GDF SUEZ – Université Joseph Fourier (LGCA)
(English version below)
Titre de la thèse
Etude expérimentale de la minéralisation et des cinétiques de néoformations dans
un grès quartzitique peu perméable, saturé en saumure hypersaline, sous l’action
d’un balayage au CO2. Impact sur les performances des puits injecteurs dans le
cadre de la séquestration géologique du CO2.
Objet
Minéralisation dans des réservoirs quartzitiques Cambrien en présence de CO2 à forte
concentration, d’eau de formation hypersaline, à température et pression élevées.
Impact sur l’injectivité des puits.
Financement
Bourse de thèse CIFRE, GDF SUEZ – Université Joseph Fourier (~2000 euros brut/mois,
pendant 3 ans)
Encadrement
Laboratoire : Laboratoire de Géodynamique des Chaînes Alpines, Université Joseph
Fourier, Grenoble
Responsables : François Renard (Professeur, Université J. Fourier) et German MontesHernandez (Chargé de Recherche au CNRS, Habilitation à Diriger des Recherches)
Correspondants GDF-SUEZ : Eric Portier, Laurent Jeannin, Alain Laval
Modalité de candidature
Envoyer une lettre de motivation et un CV à [email protected] et
[email protected] avant le 30 avril 2010.
Sujet
GDF SUEZ et son partenaire Sonatrach, sont associés dans un développement gazier en
Algérie dont la teneur moyenne en CO2 du gaz qui sera produit est d’environ 7%
molaire, bien au dessus des spécifications des gaz de vente. Le traitement du gaz va
ainsi libérer du CO2, autour de 6.7 millions de tonnes sur toute la durée de vie du
projet, et des quantités journalières maximales de l’ordre de 1200 t/jour.
L’association GDF SUEZ – Sonatrach s’est engagée à faire tout son possible pour
trouver une solution de stockage durable et limiter au maximum l’évent de CO2 à
l’atmosphère. La solution privilégiée à ce jour consiste en la ré-injection dans le soussol du CO2 dans un grès aquifère, à des profondeurs de 2000-2400m, sur le flanc d’un
champ gazier en exploitation.
Ce grès, d’âge Cambrien, d’origine fluviatile, déposé ou remanié en environnement
tidal s.l., est principalement composé de grains détritiques de quartz, de quelques Kfeldspaths, et localement de niveaux plus riches en illites, smectites ou argiles
interstatifiés. Le milieu poreux est caractérisé par la présence de pyrites, d’illites en
remplissage, de carbonates purs ou ferro-magnésiens. Le taux de cimentation par la
silice est faible à moyen, variant de 5 à 20%, laissant une porosité résiduelle, de
l’ordre de 6 à 10% pour une perméabilité à l’air comprise entre 1 et 10mD en
conditions de laboratoire.
L’un des principaux enjeux techniques de ce projet de séquestration réside dans
l’injectivité des puits et de son maintien au cours du temps. En effet l’injection d’un
composé réactif dans le milieu poreux, tel que le CO2 pratiquement anhydre, est de
nature à en modifier les propriétés du réservoir. Des réactions de minéralisation ou de
dissolution sont probables, et ceci d’autant plus que la température et la pression du
stockage sont importantes (100 à 110°C, 300 à 400 bars), et propices à ce type de
réaction, et que l’eau de formation présente est hypsersaline (180g/l), riche en
cations bivalents tels que Ba++, Ca++, Mg++, Sr++, Fe++.
Plusieurs types de minéralisations / réactions fluide-roche sont envisagés à ce stade
des connaissances :
 Colmatage de la porosité par dépôt par précipitation du sel initialement dissous
dans l’eau de formation suite au balayage du milieu poreux par le CO2 anhydre
(Noiriel et al. Chemical Geology, 2010). L’impact sur la perméabilité est
particulièrement important pour les milieux poreux dont les seuils de pores
sont petits, ce qui est le cas du grès Cambrien considéré. La cinétique du
séchage du milieu dépend des cycles d’injection du CO2 et des phénomènes
capillaires. Des processus d’endommagement du milieu poreux peuvent aussi se
produire par micro-fracturation.
 La très forte minéralité de l’eau de formation peut entraîner la néo-formation
de minéraux. En dissolution dans l’eau, le CO2 va générer des ions H+ et HCO3acidifiant le milieu poreux. Ces derniers ions peuvent se complexer avec les
cations bivalents présents dans le milieu pour former des carbonates, de la
sidérite, des carbonates ferro-magnésiens, de strontium, ou de baryum ou
d’autres minéraux encore. Toutefois, les températures et pressions
importantes, couplées à l’acidification du milieu par le CO2 peuvent au
contraire induire la dissolution des carbonates et feldspaths, voire de la silice,
présents dans la matrice rocheuse.
 Assèchement du milieu provoquant soit la déstabilisation des argiles du milieu
poreux, telles que les illites ou smectites et provoquant leur mobilité, soit la
néoformation de nouveaux types d’argiles. La dynamique des écoulement
permettent alors leur transport et peuvent provoquer l’obstruction des seuils
de pores et détruire ainsi la perméabilité.
L’objectif de cette étude, qui prendrait la forme d’une thèse de doctorat à nature
expérimentale, est donc de l’étude des réactions de minéralisation et des cinétiques
de néoformations, et leurs impacts sur les propriétés réservoir du milieu poreux. Le
candidat réalisera des essais sur des échantillons de carottes, aux conditions réservoir
et de mesurer en continu l’évolution des propriétés réservoir, et de la composition des
fluides. L’expérience sera construite au début de la thèse, en se basant sur l’expertise
d’expériences précédentes réalisées à Grenoble. Plus précisément, il s’agira de
concevoir/construire/assembler une cellule de réaction «flow-through reactor»
capable d’opérer à la pression de confinement souhaitée (300 bars) et à flux continu
des fluides à travers une carotte centimétrique. Ces expérimentations permettraient
de simuler l’injection du CO2 (en conditions supercritiques) dans un milieu poreux
(roche quartzitique) initialement saturé en saumure (synthétique). Un suivi
physicochimique temporel du fluide de sortie serait ainsi possible (pH, concentration
des éléments majeurs et traces…). Le suivi de la composition chimique serait assuré
soit par analyses au cours du temps (ICP-AES) soit par mesure in-situ par spectroscopie
Raman. La visualisation du milieu poreux avant et après altération pourra se faire par
microtomographie aux rayons X en 3D.
Une caractérisation texturale, minéralogique et mécanique des carottes avant et
après réaction sera primordiale dans cette étude expérimentale. L’utilisation des
codes géochimiques et/ou de transport réactif tel que PHREEQC, KIRMAT et/ou HYTEC
serait aussi envisagée afin de mieux comprendre la spéciation chimique et les
mécanismes de réactions. Les données expérimentales acquises pourraient permettre
aussi des simulations numériques du transport réactif dans le long terme.
Objectif industriel : cinétique des minéralisations, maintien des performances des
puits à court, moyen et long termes.
Le (la) candidat(e) aura une formation en géosciences et/ou sciences des
matériaux et la volonté de développer une expérience de laboratoire originale.
PhD thesis GDF SUEZ - University Joseph Fourier
Thesis title
Experimental study of mineralization and nucleation-growth kinetics in lowpermeable sandstone saturated with a brine solution and co-injected with
supercritical CO2. Impact on the performance of injection wellbore for geological
sequestration of CO2
Object
Nucleation-growth of minerals in Cambrian quartzitic reservoirs in presence of high
concentration of CO2, analogue brine solution and under high pressure-temperature
conditions. Impact on the performance of injection wellbores.
Financial support
CIFRE fellowship, GDF SUEZ – University Joseph Fourier (gross income ~2000 euros
/month, 3 years, including generous health benefit)
Host laboratory
LGCA, University Joseph Fourier, Grenoble
Advisors: François Renard (Prof. University J. Fourier) and German Montes Hernandez
(CNRS scientist-HDR)
GDF-SUEZ researchers: Eric Portier, Laurent Jeannin and Alain Laval
Job application
Send a motivation letter and a CV to [email protected] and
[email protected] before April, 30th 2010
Background
GDF-SUEZ and Sonatrach are associated in the gas development/exploitation in a gas
field localted in Algeria. The average content of CO2 in the produced gas is about 7
molar %, above commercial specifications. The treatment of this gas means the CO2
production of about 6.7 Mega-ton during project life. In other words, a production of
1200 ton/day. The GDF SUEZ – Sonatrach consortium needs to find permanent-storage
solution in order to limit the CO2 emissions into the atmosphere. At the present time,
the CO2 re-injection into a deep sandstone aquifer (2000-2400m), near of gas field
exploitation has been proposed as a potential solution.
This sandstone (Cambrian age) is mainly constituted of detritic grains of quartz, slight
proportion of K-feldspars and clays (illite, smectite and illite/smectite interstratified).
The porous medium is characterized by the presence of pyrites, illites and carbonates.
The percentage cementation by the silica is from slight (5%) to medium (20%), leading
a residual porosity from 6 to 10% and an air permeability from 1 to 10mD (under
laboratory conditions).
The performance as a function of time of injection wellbore will be crucial for this
project of geological sequestration of CO2. In fact, the CO2 injection into the porous
medium can significantly modify the reservoir properties. For example, nucleationgrowth and/or dissolution of minerals are envisaged and these reactions can be
enhanced by in-situ high temperature (100-110°C) and pressure (300-400 bar).
Moreover, the interacting brine solution (180 g/l) is concentrated in bivalent cations
such as Ba2+, Ca2+, Mg2+, Sr2+ and Fe2+.
At the present time, several physicochemical reactions at fluid-rock interfaces are
envisaged:



Closing process of porosity by salt precipitation from interacting brine solution
(e.g. halite), this possibly produced by an instantaneous hydration of injected
dry-CO2 into the porous medium (Noiriel et al. Chemical Geology, 2010).
Consequently, this could produce a significant effect on permeability, because
the Cambrian-sandstone porous medium is characterized by small pores. Here,
the drying kinetics of medium depends on the injection cycles of CO2 and
capillary phenomena. Note that, a damaging process of porous medium could
be also produced by micro-fracturing.
The high ion concentration in the interacting brine solution could allow the
nucleation-growth of minerals. The CO2 absorption-dissociation produces
hydrogen ions (protons) “acidification process” and carbonate ions (e.g. HCO3).
Oversaturation events with respect to carbonate minerals can be then
produced, this leading the spontaneous nucleation-growth of carbonates from
interacting pore solution. Conversely, the high pressure-temperature conditions
and acidification process by CO2 absorption-dissociation could produce the
dissolution processes of in-situ reservoir minerals such as carbonates, feldspars
and possibly quartz.
Drying at the interacting pore solution/rock interfaces. Here, the clays can be
destabilized in the porous medium, leading their mobility as colloidal matter
and/or formation of new clays. The clays transport as colloidal matter could
also produce a blocking process of small pores; i.e. a change on the
permeability.
This experimental study is focused on the mineralization reactions at the fluid-rock
interfaces, on the kinetics of nucleation-growth processes and their effects on the
properties of porous medium. The candidate will carry out the experiments on
centimetric cylindrical-samples using a flow-through reactor under reservoir
conditions. The carbonate species of interacting fluid will be in-situ monitored by
Raman detection. Other ions composition in the interacting fluid will be ex-situ
measured as a function of time by ICP-MS or ICP-AES detection. The experimental
setup will be built in Grenoble during the starting of PhD thesis, this based on the
current expertise on the development of laboratory experiments. These experiments
will allow to simulate the CO2 injection (under supercritical state) into a saturated
porous medium with brine solution and to simulate the co-injection brine solution –
supercritical CO2. In this thesis study, the visualization of porous medium before and
after alteration process using 3D x-rays µ-tomography is also envisaged.
A textural, mineralogical and mechanic characterization of samples before and after
alteration will be crucial in this experimental study. The numerical simulation by using
geochemical and reactive transport codes such as PHREEQC, KIRMAT and/or HYTEC
will be also envisaged in order to understand the chemical speciation and reaction
mechanisms. The experimental and calculated data obtained in this study will allow
the numerical simulations of reactive transport in the long term under repository
conditions of CO2.
The successful PhD candidate will require a consolidated background in material
sciences, fluid dynamics, physico-chemistry, geosciences or applied physics and the
will to develop innovative laboratory experiments.