Hydrodynamique, Hétérogénéité, et Homogénéisation en modélisation de stockage de CO2 en aquifère salin – H-CUBE

Plusieurs systèmes géologiques sont étudiés. Une méthode d’homogénéisation de remontée gravitaire de CO2 (plus léger que les saumures initialement présentes dans les formations poreuses) est développée pour appréhender la présence d’intercalaire argileux dans un réservoir de stockage sableux. Une nouvelle méthode de mesure des hétérogénéités dans des calcaires permet de représenter en 3D une carotte de large dimension (20cm de diamètre sur 1m de long). Des méthodes de multi-maillage et maillage adaptatifs vont permettre d’optimiser les temps de calculs et la précision des résultats. Enfin, lorsque les simulations générées par méthodes géostatistiques contiennent un nombre important (plusieurs centaines) de réalisations équivalentes une méthode de classification par comportement hydrodynamique est proposée pour réduire le nombre de modèles à simuler et donc le temps de calcul.

Le CEREGE a mis en place une expérience de caractérisation méso-scale d’un échantillon de calcaire prélevé sur carrière de Calissanes et permettant de mesurer par méthode géophysique un échantillon 3D hétérogène de roche. Le LSCE a finalisé une méthode d’homogénéisation de remontée par force gravitaire d’un panache de CO2 dans un milieu sableux contenant des lentilles d’argile imperméable à positionnement périodique. Un post-doctorant nouvellement arrivé étudiera les systèmes à distribution géostatistique des argiles dans le système. Le BRGM et le CEREGE travaillent sur le développement de modélisation géostatistique d’hétérogénéités sédimentaire fluviatile qui serviront aux méthodes de classification (statique et dynamique) de modèles. TERRA-3E développe un code de calcul intégrant une approche maillage dual en schéma IMPES. Le BRGM étudie le maillage adaptatif développé dans le code DUMUX par l’équipe de l’université de Stuttgart.
Lors d’une présentation des travaux de H-CUBE à la CMWR conférence organisée à Stuttgart, une prise de contact avec l’équipe de modélisateur DUMUX a permis l’acquisition d’un nouveau module de maillage adaptatif appliqué sue le modèle de référence SPE10 souvent utilisé en modélisation pétrolière. Un contact avec le professeur Jesus Carrera a aussi établi pour une future présentation des travaux de H-CUBE à l’Université de Barcelone.

Les perspectives du projet sont de proposer un ensemble d’applications de toutes ces méthodes sur un catalogue de 6 modèles jugés représentatifs de systèmes géologiques étudiés pour le stockage de CO2 ; des formations calcaires à des systèmes géologiques fluviatiles en passant par des systèmes plus académiques (modèle de référence pour des benchmarks ou distribution périodiques). Pour l’heure chacun des six modèles a été identifié par au moins un partenaire du projet comme sujet d’application des méthodes proposées.

Présentation du projet à la Computational Method in Water Resources Stuttgart, Allemagne (présentation orale) et à la Fourth EAGE-CO2 Geological Storage Workshop, Stavenger Norvège (présentation orale) co-organisée par Dominique Guérillot de TERRA-3E (également à Qatar Petroleum Research & Technology Centre).

Tel que mentionné par la directive sur le stockage géologique de CO2, la modélisation dynamique fait partie des besoins nécessaires à la caractérisation et à l'évaluation de complexe de stockage potentiel et de l’impact sur les formations environantes, et dans ce contexte des techniques appropriées de modélisation physique et numérique sont nécessaires. En intégrant l'hétérogénéité des formations géologiques à la fois à l’échelle du proche puits (~m) et du bassin (~100 km), le projet H-CUBE a l'intention d'améliorer les estimations (i) des impacts hydrodynamiques liés aux opérations de stockage du CO2 (pressurisation de l’aquifère de stockage et déplacements induits des saumures), (ii) de la migration du panache de CO2 (vitesse de déplacement, quantification des mécanismes de piégeage) et (iii) des capacité de stockage des formations cibles considérées.
Dans ce cadre plusieurs méthodes innovantes seront développées dans ce projet, tels que:
- des techniques d’homogénéisation (physique ou numérique) de l'évolution à grande échelle de processus spécifiques au stockage du CO2 en aquifères salins, à savoir, les propriétés d'écoulement di-phasique (perméabilités relatives, pression capillaire), la dissolution du CO2 dans l'eau salée, et les forces de gravité;
- des techniques de classification de modèles basées sur des critères à la fois statiques (descripteurs topologiques : connectivité, tortuosité…) et dynamiques (réponse hydrodynamique) des réservoirs afin de réduire le nombre de simulations lors d’une approche par réalisations multiples basées sur des distributions équi-probables géostatistiques;
- des techniques de simulation par maillage dual étendu à des modèles compositionnels combinant l'utilisation d'un maillage grossier pour résoudre le champ de pression (l'étape la plus coûteuse en temps), tandis que les équations compositionnelles (et les saturations de chaque phase) sont mises à jour sur le maillage fin; en complément, des techniques innovantes (et adaptées au contexte du stockage géologique) de raffinement ou de grossissement de maillages seront proposées.

Un ensemble complet de données allant de modèles numériques d'affleurements (à l'échelle mètrique) jusqu’au modèle de bassin (échelle de plusieurs dizaine de km) est proposé. Six cas d’études combinant des modèles géologiques 2D et 3D seront utilisées pour évaluer la performance des méthodes. Trois contextes géologiques pertinents seront abordés:
- Aquifère sableux non consolidé à lentilles d’argile stratifiées (analogue: Sleipner plate-forme offshore, en mer du Nord, Norvège);
- Milieux fluviatiles avec ou sans pendage affleurant (analogique: site de Ketzin en Allemagne ; grès du Trias en France);
- Aquifères carbonatés (analogue: site de Weyburn, au Canada ; formation du Dogger dans le bassin de Paris).
Finalement, afin d’améliorer la confiance dans les prédictions apportées par les modèles numériques et de répondre à certains aspects de la directive sur le stockage, un guide de recommandations basé sur les résultats du projet sera fourni sous la forme de critères d’évaluation de la pertinence et de la qualité des simulations des processus hydrodynamiques ciblés par le projet.