ES2587396B2 - Proceso de diseño de una instalación industrial de inyección de CO2 denso desde condiciones de transporte por tubería a condiciones de almacenamiento geológico permanente - Google Patents

Abstract

Se reivindica el proceso de diseño de una instalación industrial de inyección de CO{sub,2} denso en un almacenamiento geológico, consistente en las siguientes etapas:#Caracterización geológica para obtener un modelo geológico de la formación.#Perforación del pozo de investigación para validar el modelo geológico y obtener un rango de presiones iniciales de operación.#Instalación de equipos y montaje de instalaciones auxiliares para poder realizar la caracterización hidráulica y una operación sísmica e hidrogeológicamente segura.#Caracterización hidráulica para obtener las condiciones iniciales de inyección en la formación y los datos de cálculo de la siguiente etapa.#Completación del primer pozo de inyección y dimensionamiento final de la instalación para fijar el número de pozos, sus válvulas de regulación de presión y ajustar el caudal de inyección final mediante el acondicionamiento de la temperatura.

Description

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DESCRIPCION

PROCESO DE DISENO DE UNA INSTALACION INDUSTRIAL DE INYECClbN DE CQ2 DENSO DESDE CONDICIONES DE TRANSPORTE POR TUBERIA A CONDICIONES DE ALMACENAMIENTO GEOLOGICO PERMANENTE

SECTOR DE LA TECNICA

Tecnicas industriales diversas; transportes ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Se han desarrollado numerosos modelos teoricos y algunos estudios experimentales, pero tan solo existen unas pocas instalaciones a escala real capaces de inyectar C02 para su entrampamiento geologico permanente. No se incluyen todas aquellas instalaciones cuyo objetivo es la recuperacion de un hidrocarburo por presentar diferencias operativas fundamentales. Asi pues, existen pocos procedimientos precedentes que describan el proceso necesario para la inyeccion del C02 y su posterior entrampamiento geologico permanente.

Ninguna de las instalaciones existentes inyecta el C02 desde las condiciones de transpose por tuberia y lo entrampa geologicamente en estado denso. A continuation se exponen las caracteristicas basicas de funcionamiento de dichas instalaciones:

• "Planta piloto de Ketzin", situado en la ciudad de Ketzin a 40 km de Berlin, bombea C02 gas a 600 m de profundidad en un yacimiento de gas depletado y se entrampa gracias a una valvula antiretorno en el fondo del pozo.

• Yubari, en Hokkaido, Japon inyecta una corriente mezcla de C02 con N2 en capas no recuperables de carbon para recuperar el metano.

• "Hellisheidi Power Station" en Islandia, disuelve el gas C02 en agua para obtener acido carbonico y lo inyecta en basalto para que reaccione con la roca, dando lugar a Calcita, Dolomita, Magnesita y Siderita.

• Otway en Australia, tras una primera fase de inyeccion de C02 en un yacimiento de hidrocarburos depletado a 2 Km de profundidad, ha iniciado una segunda fase

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de inyeccion de C02 disuelto en agua para almacenarlo en un acuifero salino a 1,4 km.

• The Lacq Pilot en Francia, bombea C02 gas procedente de oxicombustion en un yacimiento depletado a 4,5 km.

Tan solo la planta piloto de almacenamiento geologico de Hontomin, dispone de unas instalaciones que acondicionan el C02 a las condiciones de transpose por tuberfa, calculado segun el procedimiento objeto de la patente, inyecta el C02 en estado denso para su entrampamiento geologico permanente.

El procedimiento expuesto es el que se ha llevado a cabo para la realizacion de la planta piloto de Hontomin y permite su extension a una planta industrial.

EXPLICACION DE LA INVENCION

El problema tecnico a resolver es el proceso de disefio de una instalacion industrial para el entrampamiento de C02 desde una red de transpose industrial hasta un almacenamiento geologico permanente, compuesto por una formacion sello y una formacion almacen.

Description de la invencion

El proceso objeto de la presente patente se compone de las siguientes eta pas:

Etapa 1: Caracterizacion geologica.

Para la realizacion de la caracterizacion geologica se llevaran a cabo las siguientes acciones:

• Una cartografia geologica.

• Las campanas geofisicas asociadas

• La determination de las propiedades geologicas de elementos similares a los esperados en las dos formaciones geologicas, tanto sello como almacen, que se pueden encontrar en superficie.

Con ello se obtiene el modelo geologico estatico de una formacion geologica que debe cumplir los siguientes requisitos:

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• La formation geologica sello debe asegurar la estanqueidad requerida para almacenar el C02 a una profundidad bajo el nivel freatico natural superior a 800 m.

• La formation geologica almacen debe situarse inmediatamente bajo la formation sello y su permeabilidad, garantizara el almacenamiento del C02 en las condiciones correspondientes a su profundidad en el terreno.

Etapa 2: Perforation del pozo de investigation:

Durante la perforation del pozo de investigation se realizaran las siguientes acciones

y verificaciones:

• Obtencion ordenada de muestras de la columna litologica del sondeo.

• Realization de ensayos de well logging consistentes en medidas de resistividad, de Caliper (diametro del sondeo), densidad, electromagn6tico y rayos gamma..

• Verification del modelo geologico mediante estos ensayos de well logging y la correlation y estudio de las muestras litologicas obtenidas.

• Obtencion ordenada de testigos de muestra de las formaciones sello y almacen.

• Verification de la estanqueidad y de la resistencia geomecanica del sello mediante ensayos petrofisicos consistentes en microscopia, composition quimica y mineralogica, densidad real, porosidad y permeabilidad y geomecanicos de los testigos correspondientes.

• Verification de las propiedades fluidomecanicas de la formation almacen mediante ensayos de laboratorio en condiciones de reservorio de alta temperatura y alta presion (ATAP) de los testigos correspondientes.

• Verification de la presion de apertura de las formaciones geologicas mediante el ensayo de leak off test (LoT). Este ensayo consistente en el registro de la presion de inyeccion para la que se produce el incremento (escalon) del caudal de agua a traves de la formation, se realiza durante la perforation del pozo a diferentes profundidades, fundamentalmente en las formaciones sello y almacen.

• Verification de la formation sello por presentar valores de presion de inyeccion efectiva elevados o inalcanzables.

• Verification de la inyectabilidad en la formation almacen. Este ensayo es una caracterizacion hidraulica previa. Consiste en intentar inyectar agua de formation en el pozo de investigation (sondeo) una vez alcanzada la formation almacen, a una presion de hasta de un 90% de la presion obtenida en el ensayo LoT. La obtencion de una permeabilidad aparente, mediante un modelo radial,

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concordante con los ensayos de laboratorio realizados sobre los testigos validara la capacidad inicial de la formation almacen .

Con ello se obtienen los datos para ajustar el modelo geologico estatico y los valores preliminares de las presiones de operation maxima y minima en fondo de pozo: la minima se determina mediante el ensayo ATAP y la maxima sera el 90% del valor del LoT. El ensayo de leak off test sera realizado durante la fase de perforation de la formation almacen.

Etapa 3: Instalacion de equipos y montaje de instalaciones auxiliares.

Durante esta etapa se realizara la instalacion de los siguientes equipos y el montaje de las siguientes instalaciones auxiliares necesarias para el desarrollo de los ensayos de caracterizacion hidraulica.

• Montaje de la red de control sismico: Se compondra de al menos tres estaciones de mediciones sismicas de registro permanente interconectadas en tiempo real y sincronizadas, situadas en los vertices de un triangulo y colocadas individualmente a una distancia entre 500 y 1000 m del pozo de investigation. Deberan registrar las ondas sismicas a frecuencia de muestreo de al menos 200 Hz. Un ejemplo de esta red se puede ver en la figura 5.

• Montaje de la red de control hidrogeologico: Se compondra de al menos cuatro estaciones que rodearan el pozo de investigation, con capacidad de determinar el nivel piezometrico de los pozos circundantes. Al menos una de las estacion ademas tendra capacidad de medir las caracteristicas quimicas del acuifero mas proximo al pozo de investigation (PH, ORP, LDO) y. Estas estaciones deberan registrar al menos un dato promedio horario. Un ejemplo de esta red se puede ver en la figura 5.

• Instalacion de instrumentation en el fondo del pozo: Se instalaran en el fondo del pozo al menos dos manometros y dos termometros, separados entre si al menos 10 m en profundidad., que registren de forma continua y en remoto, la information del fondo de pozo con una frecuencia de muestreo de al menos un dato por segundo o mayor.

• Instalacion de instrumentation en la cabeza del pozo: Se instalaran en cabeza de pozo al menos un manometro y un termometro que registren de forma continua y en remoto, con una frecuencia de muestreo de al menos un dato por segundo o mayor.

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• Montaje de una instalacion hidraulica: Se dispondra de una instalacion hidraulica capaz de inyectar agua de formacion con la que se pueda alcanzar en el fondo del pozo una presion al menos de un 10% superior a la obtenida en el leak off test. Esta instalacion hidraulica estara dotada de un sistema de control capaz de trabajar a caudal constante, o a presion constante en cabeza o en fondo de pozo, registrando en remoto las senales de caudal y presion con una frecuencia de muestreo de al menos un dato por segundo.

Con estos medios el pozo de investigacibn pasa a ser un pozo de inyeccion y ya se puede caracterizar hidraulicamente la formacion geologica almacen de forma compatible con la seguridad sismica e hidrogeologica.

Etapa 4:Caracterizacion hidraulica:

La caracterizacion hidraulica consistira en un conjunto de pruebas cuyo objetivo sera la obtencion de las condiciones iniciales de inyectabilidad. Las pruebas que se realizaran son:

• Pruebas de comportamiento: Las pruebas de comportamiento tienen como objetivo registrar la evolucion de la presion maxima alcanzada en el fondo del pozo despues de la inyeccion durante un tiempo definido a caudal constante. La duracion de la prueba quedara definida por el tiempo que se tarde la primera vez en alcanzar el 90% de la presion maxima de operation. La prueba se iniciara desde una presion conocida y facilmente alcanzable. Se repetira frecuentemente durante toda la vida del almacen para conocer la evolucion de su comportamiento hidraulico

• Pruebas a presion constante en el fondo del pozo: Estas pruebas tienen por objeto determinar los caudales de inyeccion en regimen permanente a diferentes valores de presion en fondo de pozo. Se realizaran con valores crecientes de la consigna de presion, seleccionados entre el intervalo definido por la presion minima y la maxima, de manera que se ensayen al menos cinco valores ademas de los correspondientes a sus extremos. En cada prueba se alcanzara la presion de consigna con un caudal elevado, y seguidamente se continuara la inyeccion de agua de formacion a caudal variable manteniendo constante la presion de fondo durante el resto de la prueba.,Se dara por finalizada la prueba cuando quede registrado de forma efectiva la tendencia del caudal..

• Pruebas a caudal de inyeccion constante: Con estas pruebas se pretende comprobar la no existencia de alteraciones de presion fuera de la tendencia

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esperada en regimen permanente. Se realizaran pruebas de larga duracibn a caudal constante con valores de consigna iguales a los caudales obtenidos al final de las pruebas a presibn constante en fondo.

Pruebas a presion constante en cabeza. Estas pruebas de caracterizacibn sirven para definir los elementos a instalar en la completacion definitiva del pozo de inyeccibn, necesarios para adecuar la presibn de recepcion del C02 en la cabeza del pozo, establecida como minimo en 8 MPa de presion, a la presion de inyeccibn en el fondo del pozo, determinada en las pruebas anteriores en funcion del caudal de inyeccion. Para ello se inyectara agua de formacibn a maximo caudal hasta alcanzar la presibn de consigna en cabeza. Una vez alcanzada la presibn de consigna, se regulars el caudal para mantener dicha presion. Transcurrido un tiempo, sera conocida la tendencia de presibn en fondo y caudal. La diferencia de presibn entre la de recepcion y la de inyeccibn serviran para la definicion de los elementos necesarios de la completacion. En la Figura 3 se reflejan los registros de presibn y caudal que se obtienen en la realizacion de una prueba de este tipo.

Pruebas de recuperacibn de presibn en el fondo del pozo. El objetivo de dicha prueba es evaluar la permeabilidad y transmisividad asociadas a distintas zonas proximas al pozo de inyeccibn, existencia de discontinuidades internas como pueden ser barreras generadas por fallas u otros accidentes tectonicos.La prueba se realiza al finalizar cualquiera de las pruebas anteriores y consiste en detener la inyeccibn y registrar la recuperacibn de la presibn.

Pruebas de respuesta sismica: El objetivo de esta prueba es determinar la la presibn maxima de operacion admisible con una operacibn segura. Para ello se alcanzaran presiones en el fondo de pozo hasta el valor de presibn del leak off test, al objeto de valorar la posible existencia de respuesta sismica de la formacibn geologica .Para cada estacibn sismica de vigilancia, se definira una linea de base en funcibn del ruido identificado en cada una de ellas. Se registrar^ la actividad sismica natural durante al menos seis meses sin actividad hidraulica, perforacibn, o actividades de sismica inducida para caracterizaciones geologicas. El resultado perseguido con la determinacion de esta linea de base sera la identificacion del evento natural, entendiendo que es aquel que se produce con una media de al menos cinco veces al dia. Se define como evento a estudiar aquel evento superior al natural que es registrado por tres estaciones sismicas y se triangula por encima de la formacibn almacen definida en la caracterizacion geolbgica. Si la respuesta sismica esta asociada a cualquiera de

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las pruebas anteriores, se reducira la presion maxima de operacion a un valor inferior en al menos un 1% a la maxima alcanzada en la prueba precedente, siendo en cualquier caso la presion de inyeccion en el fondo de pozo un valor igual o inferior al 90% del LoT.

Con ello se obtienen las condiciones de operacion iniciales de un pozo de inyeccion, definido por las curvas P,Q de inyectabilidad y la distribution de la permeabilidad y transmisividad aparente en el reservorio. Ademas se correlacionan la presion en la cabeza y en el fondo del pozo para diversos caudales y se establece un sistema sencillo para determinar la evolution temporal de su comportamiento durante la operacion.

Estas condiciones iniciales de operacion se ajustan posteriormente en funcion de las propiedades fisicas del C02 en las condiciones de inyeccion.

Etapa 5. Completacion del pozo de inyeccion y dimensionamiento final de la instalacion.

Esta etapa incluye las siguientes acciones:

• Completacion del pozo: La presion de transporte y de inyeccion del C02 es de 8 MPa. La presion maxima en el fondo del pozo durante la inyeccion ha quedado limitada por el resultado del ensayo de leak off test y el valor de la presion que pueda generar una respuesta sismica. Si los 8 MPa de reception en la cabeza de pozo, mas la presion de la columna de C02, dada por la profundidad del pozo y la densidad del C02 a la temperatura y presion en el tubing de inyeccion, supera la presion maxima de operacion en el fondo del pozo, es necesario incluir en la completacion del pozo la instalacion en el tubing de una valvula reductora de presion. a. Se dimensionara para que al caudal de inyeccion de C02 determinado anteriormente, la presidn en el fondo del pozo sea inferior a la maxima de operacion; es decir la caida de presion localizada en la valvula reductora de presion debe ser superior o igual a 8 MPa + P coiumna de C02 - P maxima de operacidn en fondo- La valvula se ubicara en el pozo a una profundidad tal que la presion de la columna de C02 compense sobradamente la caida de presion y, tras la misma, la presion sea siempre mayor que la del C02 en la cabeza de pozo.

Dimensionamiento del numero de pozos de la instalacion: El numero de pozos de inyeccion necesarios en una instalacion industrial de

almacenamiento geologico de C02, vendra dado por el entero mayor que la relation entre el caudal nominal y el caudal esperado en el primer pozo de inyeccion una vez colocada la valvula reductora .Por ejemplo, una instalacion para el almacenamiento geologico del C02 producido en una 5 central termica de carbon de 350 MW electricos de capacidad de

generation, se dimensionaria para la inyeccion de al menos 70 kg/s de C02 en las condiciones de transporte referidas anteriormente; es decir, si un pozo de inyeccion en una determinada formation geologica admite un caudal de inyeccion de 10 kg/s, serian necesarios al menos 7 pozos de 10 inyeccion operando simultaneamente.

Ajuste del caudal por acondicionamiento de la temperatura de inyeccion del C02.En un almacenamiento geologico industrial de C02, el ajuste final del caudal masico de inyeccion en cada pozo, resultante de las variaciones de presion en el fondo se logra mediante un ajuste de la 15 temperatura del fluido en la cabeza de cada pozo , ya que la densidad del

fluido depende fundamentalmente de la temperatura . Esta temperatura puede ajustarse entre 10 y 30 grados sin provocar cambios que afecten negativamente a la estabilidad del flujo de inyeccion o a la vida util del pozo.

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Con ello queda definida una instalacion industrial de almacenamiento geologico profundo de C02. La evolucion del comportamiento hidraulico de la instalacion por efecto de cambios de permeabilidad en el complejo sello-almacen, , podra superar la capacidad de ajuste en la instalacion, haciendo necesario a lo largo 25 de la vida de la misma, cerrar o abrir algun pozo adicional. Esta evolucion se contrastara mediante la repetition periodica de la prueba de comportamiento.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

La figura 1 es un esquema de la instalacion tipo. Consta de un pozo perforado y completado hasta la formation geologica almacen (pozo de inyeccion), un sistema de 5 acondicionamiento del agua de formation, instrumentos de medicion (manometros, termometros y caudalimetros) y valvulas de aislamiento y retention, as! como de tres estaciones slsmicas y cuatro estaciones hidrogeologicas radioenlazadas y una base de datos que recoge toda la information, de acuerdo con la siguiente leyenda:

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Bomba

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Valvula de retention

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Valvula de aislamiento.

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Manometro.

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Termometro

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Caudallmetro.

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Cabeza del pozo

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PLC de control

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Base de datos de toda la information

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Antena principal de las estaciones slsmicas e hidrogeologicas

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Estaciones slsmicas e hidrogeologicas

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Fondo del pozo

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Manometro superior del fondo del pozo

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Termometro superior del fondo del pozo

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Manometro inferior del fondo del pozo

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Termbmetro inferior del fondo del pozo

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Llneas de medida

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Lineas de datos

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Llneas de control

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La figura 2 es un organigrama del proceso En el que se pueden ver las 5 Etapas de que se compone,

Siendo la primera la de caracterizacion geologica, de la que se obtiene el modelo geologico de una formation almacen cubierta por una formation sello a una 15 profundidad mayor de 800m.

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La segunda es la perforation del pozo en la que se obtendran muestas y testigos y se realizaran ensayos atap y leak off test, permitiendo validar el modelo geologico y calcular unas presiones de operation maxima y minima.

La tercera etapa sera la de instalacion de equipos de control y medida y el montaje de instalaciones auxiliares.

La cuarta etapa permitira, empleando estos equipos e instalaciones y la information del modelo geologico, realizar de forma sismica e hidrologicamente segura, la caracterizacion hidraulica. Con esto obtendremos las condiciones de operation initiates de la formation.

La quinta etapa es la completacion definitiva del primer pozo y el dimensionamiento del numero total de pozos que compondran la instalacion industrial y el ajuste del funcionamiento de toda la instalacion.

La figura 3 es un grafico de evolution del caudal y la presion en la cabeza del pozo de inyeccion en una instalacion de las caracteristicas descritas, sobre una realization practica en la planta de demostracion de Hontomin, Burgos, el dia 7 de Octubre de 2014.De un ensayo de caracterizacion hidraulica a presion constante en cabeza de pozo. En el grafico se pueden distinguir tres partes:

Por inyeccion de un caudal constante se presuriza el pozo hasta las condiciones de trabajo de 8 MPa.

La zona controlada a 8 MPa., que es la zona de trabajo propiamente dicha.

Y la despresurizacion final al detener la inyeccion. La velocidad de esta despresurizacion depende de las condiciones particulares de cada pozo.

La figura 4 es la representation correspondiente al modelo geologico estatico de la formation sello bajo la planta de demostracion de almacenamiento geologico de Hontomin, Burgos.

La figura 5 es la representation de una instalacion industrial compuesta por diez pozos de inyeccion de C02 denso, cuatro estaciones hidrogeologicas de control de calidad y nivel del agua y tres estaciones sismicas.

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   REIVINDICACIONES

   1. Proceso de diseno de una instalacion industrial de inyeccion de C02 denso, desde condiciones de transpose por tuberia a condiciones de almacenamiento geologico permanente caracterizado por seguir las siguientes etapas y acciones:

   Etapa 1 Caracterizacion geologica. Compuesta de las siguientes acciones:

   • Cartografia geologica

   • Campanas geoffsicas asociadas

   • Propiedades geologicas sobre analogos

   Etapa 2 Perforation del pozo de investigation. Compuesta de las siguientes acciones:

   • Obtencion ordenada de muestras

   • Realization de ensayos de well logging

   • Verificacion del modelo geologico

   • Obtencion de testigos

   • Verificacion de la estanqueidad y resistencia del sello

   • Verificacion de las propiedades fluidomecanicas

   • Verificacion de la presion a la que se produce una inyeccion efectiva

   • Verificacion de la formacion sello

   • Verificacion de la inyectabilidad en la formacion almacen

   Etapa 3. Instalacion de equipos y montaje de instalaciones auxiliares. Compuesta de las siguientes acciones

   • Montaje de la red de control sismico

   • Montaje de la red de control hidrogeologico

   • Instalacion de instrumentacion en el fondo del pozo

   • Instalacidn de Instrumentacion en la cabeza del pozo

   • Montaje de una instalacion hidraulica.

   Etapa 4. Caracterizacion hidraulica: Compuesta de las siguientes acciones

   • Pruebas de comportamiento

   • Pruebas a presion constante en fondo.

   • Pruebas a caudal de inyeccion constante

   • Pruebas a presion constante en cabeza.

   • Pruebas de recuperation de la presion en fondo del pozo

   • Pruebas de respuesta sismica

   Etapa 5 Completacion del pozo de inyeccion y dimensionamiento final de la instalacion. Compuesta de las siguientes acciones 5 • Completacion del pozo

   • Determination del numero de pozos de la instalacion

   • Ajuste del caudal por acondicionamiento de la temperatura de inyeccion del C02.

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