Instalación Quest CCS: Monitorización y observaciones del sistema microsísmico
15ª Conferencia Internacional sobre Tecnologías de Control de Gases de Efecto Invernadero, GHGT-15 15-18 de marzo de 2021 Abu Dhabi, EAU
Instalación Quest CCS: Sistema microsísmico de vigilancia y observación
Stephen Harveya*, Simon O'Briena, Sara Minisinib, Steve Oatesb, Mohammed Braimc
aShell Canada Limited, 400-4th Avenue SW, Calgary. AB. T2P 2H5, Canada
bShell Global Solutions International B.V, Grasweg 31, Amsterdam. 1031 HW, Países Bajos
cESG Solutions, 20 Hyperion Court, Kingston. ON. K7K 7K2, Canadá
Resumen
En agosto de 2015, comenzó la inyección de CO2 en la instalación de captura y almacenamiento de carbono (CAC) de Quest, situada cerca de Fort Saskatchewan, Alberta (Canadá). Quest es una instalación de CAC totalmente integrada con un objetivo de captura de algo más de un millón de toneladas métricas de CO2 al año. El CO2 se inyecta en un acuífero salino profundo, la Arenisca Cámbrica Basal (BCS), a una profundidad de unos dos kilómetros bajo tierra.Para demostrar la contención y la conformidad del CO2 inyectado, se ha puesto en marcha un plan de Medición, Seguimiento y Verificación (MMV). Aunque Quest se encuentra en un emplazamiento tectónico extremadamente tranquilo, la sismicidad inducida se ha reconocido como un riesgo potencial para todos los emplazamientos de inyección a gran escala. En consecuencia, la vigilancia microsísmica es un componente clave del plan MMV de Quest para garantizar la evaluación continua de ese riesgo y avisar con antelación de cualquier cambio.El objetivo de esta presentación es detallar por qué controlamos la actividad microsísmica y cómo lo hacemos de forma eficiente utilizando un control técnico proactivo (PTM) y una vigilancia basada en excepciones (EBS), informar sobre seis años de observaciones de control microsísmico durante los periodos previos y posteriores al inicio de la inyección y describir el análisis empírico que ha permitido a la instalación de CAC de Quest reducir el riesgo de microsismicidad como amenaza activa para la contención.Los datos microsísmicos se registran continuamente en el emplazamiento de almacenamiento de CAC de Quest utilizando un conjunto comercial de geófonos de fondo de pozo instalado en un pozo de control profundo (DMW). Los datos se procesan para producir archivos de activación utilizando un algoritmo común para la detección y activación de eventos, basado en la relación entre las amplitudes de la media a corto plazo y la media a largo plazo (STA/LTA). Los sucesos desencadenados se analizan, clasifican y notifican diariamente. En función de las características de cada evento, se definen categorías para los distintos tipos de disparo. Operativamente, el estado del conjunto microsísmico se evalúa continuamente por la presencia de eventos de disparo. Un evento de disparo se define como localizable cuando muestra claras llegadas de campo de ondas primarias (P) y secundarias (S). Los eventos localizables se procesan y localizan utilizando un modelo de velocidad anisotrópica. Las velocidades de ondas p se obtuvieron a partir de un estudio de perfiles sísmicos verticales, y las velocidades de ondas s se obtuvieron a partir de registros sónicos de pozos.El registro de datos microsísmicos previo a la inyección de CO2 comenzó en noviembre de 2014. La mayoría de los archivos de disparo generados estaban relacionados con disparos en superficie, automáticos y de ruido. Estos eventos se utilizaron para evaluar la salud del sistema. No se detectaron eventos localizables durante la fase de monitorización previa a la inyección.
El primer evento localizable se registró 10 meses después del inicio de la inyección de CO2, en julio de 2016, con una magnitud de -1,3. Desde enero de 2017, se ha localizado actividad microsísmica sostenida de bajo nivel y pequeña magnitud dentro del área de revisión microsísmica (AOR) de Quest dentro del basamento precámbrico. El AOR, tal como se define en el plan MMV de Quest de 2017, se extiende 10 km radialmente hacia el exterior desde cada pozo de inyección activo (IW). A 31 de diciembre de 2020, se han detectado 486 eventos localizables, con una magnitud media de -0,7, una magnitud máxima de 0,8 y una tasa de ocurrencia típica de 1-2 eventos por semana. Utilizando la metodología actual, todos los fenómenos localizables se han localizado en el subsuelo precámbrico, por debajo de la zona de inyección. Ninguna de estas actividades microsísmicas ha representado un riesgo para la contención.
Palabras clave: Captura y almacenamiento de carbono; Seguimiento, medición y verificación; Microsismicidad; Sismicidad inducida.
1. Introducción
La Instalación de Captura y Almacenamiento de Carbono (CAC) de Quest es una instalación de CAC a escala comercial totalmente integrada situada en el Complejo Industrial de Scotford, cerca de Fort Saskatchewan, Alberta, Canadá (Fig. 1). La instalación Quest es una empresa conjunta operada por Shell entre Canadian Natural Upgrading Limited (una filial de Canadian Natural Resources Limited), Chevron Canada Oil Sands Partnership (una filial de Chevron Canada Limited) y 1745844 Alberta Ltd. (una filial de Shell Canada Limited). (filial de Shell Canada Limited). La instalación captura, transporta, inyecta y almacena de forma segura aproximadamente un millón de toneladas métricas de CO2 al año, con la intención de funcionar con estos índices de inyección durante 25 años [1].
Como parte del plan de almacenamiento de Quest, existe un plan de Seguimiento, Medición y Verificación (MMV) para garantizar el almacenamiento seguro del CO2. El plan se basa en los riesgos y está diseñado para garantizar la contención y la conformidad del CO2 a lo largo de todas las fases de la operación y el abandono. Se han implantado tecnologías para vigilar todos los ámbitos de la instalación de almacenamiento, como la atmósfera, la biosfera, la hidrosfera, la geosfera y los pozos [2].
Los métodos de vigilancia microsísmica se evaluaron durante la fase del proyecto Quest como un aspecto importante del plan MMV de Quest. Los modelos elaborados durante la fase de proyecto indicaron que una matriz de fondo de pozo era suficiente para vigilar la actividad microsísmica dentro del Complejo de Almacenamiento. Esta tecnología microsísmica ha estado en funcionamiento en Quest desde noviembre de 2014. La utilización satisfactoria de esta tecnología requirió estudios de viabilidad y la recopilación de datos antes de la inyección. Se recopilaron nueve meses de datos antes de la inyección. A 31 de diciembre de 2020, no se ha localizado actividad microsísmica en el complejo de almacenamiento, lo que ha permitido a la instalación eliminar el riesgo de que la microsismicidad constituya una amenaza activa para la contención.
Fig. 1. Quest es una instalación de CAC totalmente integrada que incluye la captura, el transporte, la inyección y el almacenamiento del CO2. Anualmente se capturan un millón de toneladas de CO2. El CO2 se comprime y transporta por un gasoducto especial 65 km al norte del complejo industrial de Scotford. A continuación, el CO2 se inyecta en tres pozos específicos de CAC y se almacena permanentemente a dos kilómetros bajo tierra en el depósito del Complejo de Almacenamiento.
Se ha localizado actividad microsísmica de bajo nivel y pequeña magnitud dentro de la zona microsísmica de revisión (AOR), a gran profundidad bajo el Complejo de Almacenamiento, en el basamento precámbrico. Estos eventos localizables se registraron por primera vez 10 meses después del inicio de la inyección y se convirtieron en un fenómeno regular tras 16 meses de inyección continua, detectándose aproximadamente 120 eventos localizables al año. Estos eventos no han demostrado un riesgo elevado para la contención de CO2 dentro del Complejo de Almacenamiento.
El conjunto de fondo de pozo consta de ocho niveles de geófonos de tres componentes. Los datos analógicos brutos se digitalizan continuamente a 0,25 ms y se almacenan temporalmente en un servidor de memoria cíclica situado en el emplazamiento del pozo. La técnica de relación de amplitud entre la media en tiempo corto y la media en tiempo largo (STA/LTA) se utiliza para escanear continuamente los datos digitalizados para la detección de eventos. Esta técnica es común en la industria y puede incluir varias versiones modificadas que utilizan las energías de amplitud absoluta o la función envolvente de la traza sísmica para calcular la STA/LTA [3, 4, 5]. Cuando se alcanza un umbral predefinido, se corta un archivo del flujo de datos digitalizados y se envía a un tercero para su procesamiento. Cada día, el tercero informa a Quest detallando la actividad de activación del día anterior. Se utiliza un método interno de vigilancia basado en excepciones (EBS) para determinar la respuesta diaria necesaria.
Quest funciona como una instalación integrada para aprovechar los procesos operativos regidos bajo una única dirección. La vigilancia técnica proactiva (PTM) es un proceso del centro y se ha establecido para reducir el coste y el tiempo de las operaciones, el tiempo de inactividad de los equipos y catalogar el conocimiento operativo de los sistemas. La PTM requiere una documentación clara y procedimientos establecidos para mantener cada componente del sistema. Una vez implantado, PTM permite una respuesta eficaz a los métodos diarios de EBS, lo que reduce aún más el coste y el esfuerzo necesarios para la supervisión.
Hasta 2020, la instalación Quest ha inyectado de forma segura más de cinco millones de toneladas de CO2 en tres pozos de inyección (IW). La tecnología microsísmica ha contribuido a demostrar la contención del CO2 durante este período. A medida que continúe la inyección de CO2 para los próximos 20 millones de toneladas, se seguirá evaluando el valor añadido y la utilidad continuada de la monitorización microsísmica en Quest. No se conoce bien el mecanismo que genera la actividad microsísmica de bajo nivel y pequeña magnitud en las profundidades del basamento precámbrico. Aunque la red de fondo de pozo de Quest se diseñó para controlar la actividad microsísmica dentro del Complejo de Almacenamiento, ha sido lo suficientemente sensible como para detectar estos eventos en el basamento. Un análisis más detallado de la actividad en el basamento precámbrico aportará valor a la instalación Quest, a la industria CAC y a la comunidad de sísmica inducida.
Nomenclatura
AOR
BCS
CCS
DMW
sFTP
EBS
ESG
GR
HMU
WI
LTA
MMV
P
PTM
S
STA
UPS
Área de revisión
Arenisca basal del Cámbrico
Captura y almacenamiento de carbono
Pozo de monitorización profunda
Protocolo de transferencia segura de archivos
Vigilancia basada en excepciones
Grupo sísmico de ingeniería
Gutenberg-richter
Inyección de la unidad de fabricación de hidrógeno
Pozo
Media a largo plazo
Monitorización de medición y verificación
Onda primaria
Monitorización técnica proactiva
Onda secundaria
Media a corto plazo
Suministro eléctrico ininterrumpido
2. La instalación Quest CCS
El complejo industrial de Scotford incluye una refinería, una instalación de mejora de petróleo pesado y una planta química. La instalación Quest CCS forma parte de la instalación de mejora de petróleo pesado y captura el CO2 producido durante la producción de hidrógeno en tres unidades de fabricación de hidrógeno (HMU). El CO2 capturado de las HMU representa aproximadamente un tercio de las emisiones de la instalación de mejora. El modelo operativo de Quest consiste en almacenar todo el CO2 que pueda capturar una HMU. La intención de este modelo operativo es garantizar que el transporte y el almacenamiento no sean factores limitantes del rendimiento de la instalación de CAC. El CO2 se captura de las HMU utilizando tecnología de aminas [1, 6]. A continuación, se extrae el CO2 y la amina se recicla de nuevo en el sistema. El CO2 se deshidrata hasta alcanzar una pureza superior al 99% y se comprime a ~10 MPa para transportarlo por tuberías hasta la instalación de almacenamiento, que consta de tres IW en tres pozos específicos, a unos 65 km al norte del complejo industrial de Scotford [2]. El emplazamiento de almacenamiento se considera de categoría mundial debido a su buena inyectividad y a sus excepcionales sellados, combinados con un excelente acceso de control para la verificación de la contención y la elaboración de mapas de conformidad. El complejo de almacenamiento es un paquete arrendado de 350 m de espesor que incluye el yacimiento de arenisca cámbrica basal (BCS), cubierto por el esquisto cámbrico medio y las sales de Lotsberg. Estos sellos tienen un grosor de ~165 m y se extienden por toda la región (Fig. 2). Por encima del Complejo de Almacenamiento, la sobrecarga consiste en ~1100m de un paquete sedimentario generalmente plano y extenso. Las litologías son típicas de la cuenca sedimentaria del oeste de Canadá e incluyen lutitas, arenas, sales, carbonatos y carbones intercalados [7]. El principal mecanismo de captura del CO2 almacenado es estratigráfico, debido a la geología generalmente plana. La distribución del CO2 dentro del yacimiento se modela para que se desplace radial y uniformemente dentro de las secciones perforadas. La expectativa teórica es que el CO2 favorecerá las vetas de alta permeabilidad durante la inyección, y la flotabilidad favorecerá la ligera dirección de buzamiento hacia el noreste.
Fig. 1. Quest es una instalación de CAC totalmente integrada que incluye la captura, el transporte, la inyección y el almacenamiento del CO2. Anualmente se capturan un millón de toneladas de CO2. El CO2 se comprime y transporta por un gasoducto especial 65 km al norte del complejo industrial de Scotford. A continuación, el CO2 se inyecta en tres pozos específicos de CAC y se almacena permanentemente a dos kilómetros bajo tierra en el depósito del Complejo de Almacenamiento.
El BCS es un yacimiento de 40 m de espesor con las arenas de mayor calidad en los 30 m inferiores perforados para la inyección. El intervalo de inyección de alta calidad tiene una porosidad media de ~17% y una permeabilidad de ~1000mD en todo el complejo de almacenamiento. El yacimiento tiene 540 millones de años y está situado directamente sobre el basamento precámbrico. La presión hidrostática a esta profundidad es de ~21 MPa, con una temperatura de la salmuera in situ de ~60 grados Celsius. Una relación de anisotropía de la permeabilidad (Kv/Kh) de aproximadamente 0,01-0,1 significa que el CO2 fluye preferentemente en sentido horizontal desde el pozo, lo que permite una inyección estable [8].
Para almacenar un millón de toneladas de CO2 al año, la Instalación inyecta aproximadamente 150 toneladas de CO2 por hora. Debido a la alta calidad del yacimiento, basta con una presión delta del yacimiento de ~1-2 MPa para inyectar todo el volumen de CO2 en el yacimiento a una temperatura de ~30 grados Celsius a dos kilómetros de profundidad. Con una presión de fractura >35 MPa, los pozos operan muy por debajo del límite de fractura operativo. Aunque hay tres IW activos, no es raro inyectar utilizando solo dos de los tres pozos. De 2015 a 2018, la inyección se distribuyó uniformemente entre dos de las tres IW. La tercera IW comenzó a inyectar a finales de 2018, y desde entonces los volúmenes de inyección se han distribuido uniformemente entre las tres IW (Fig. 3) [7, 8, 9].
Fig. 1. Quest es una instalación de CAC totalmente integrada que incluye la captura, el transporte, la inyección y el almacenamiento del CO2. Anualmente se capturan un millón de toneladas de CO2. El CO2 se comprime y transporta por un gasoducto especial 65 km al norte del complejo industrial de Scotford. A continuación, el CO2 se inyecta en tres pozos específicos de CAC y se almacena permanentemente a dos kilómetros bajo tierra en el depósito del Complejo de Almacenamiento.
Cada emplazamiento de pozos consta de un IW, un patín de inyección, un pozo de monitorización profunda (DMW), varios pozos de aguas subterráneas, un pequeño edificio del centro de control de motores al que nos referimos como edificio MMV, antenas y torres de comunicación, estación meteorológica e instrumentación de fuentes de luz. Los emplazamientos de los pozos y la tubería cuentan con operadores especializados que trabajan en las ubicaciones remotas, realizando comprobaciones diarias de los sistemas críticos de inyección, seguridad y supervisión. Los operadores de los pozos son los ojos sobre el terreno, pero los datos críticos también son supervisados a distancia por operadores de paneles de control en el Complejo Industrial de Scotford. Todos los operadores trabajan dentro de un marco con envolventes operativas predeterminadas para garantizar el almacenamiento seguro de CO2. Los operadores pueden interrumpir la inyección y cerrar los IW en cualquier momento.
3. Plan Quest MMV
La licencia de explotación de las instalaciones de CAC de Quest exige un plan de MMV para garantizar el almacenamiento seguro y a largo plazo del CO2. En los últimos años, varias autoridades internacionales han publicado principios rectores para los planes de MMV de los proyectos de CAC que subrayan la importancia de las evaluaciones de riesgos específicas del emplazamiento que se adaptan al rendimiento del almacenamiento a lo largo del tiempo [10]. Los datos recopilados y analizados como parte del plan MMV garantizan la contención y la conformidad del CO2 a lo largo de todas las etapas de la operación y el abandono. El plan MMV de Quest es adaptable en función de las actividades y análisis operativos y se actualiza cada tres años. Además, los informes anuales y el intercambio de conocimientos se publican anualmente y se ponen a disposición del público [2, 9]. El plan MMV se desarrolló para vigilar la atmósfera, la biosfera, la hidrosfera, la geosfera y los pozos (Fig. 4). En general, las tecnologías de la atmósfera y la biosfera están basadas en la superficie, las tecnologías de la hidrosfera están dentro de los pozos de agua subterránea y las tecnologías de la geosfera y la integridad de los pozos están desplegadas dentro de los DMW y los IW. El plan de MMV está diseñado para ser exhaustivo y basarse en los riesgos, e incluye muchas tecnologías o actividades diferentes y a menudo redundantes para recopilar datos [11, 12, 13]. Las tecnologías de conformidad recopilan datos para demostrar que los modelos de yacimiento son coherentes, están correctamente calibrados y son pertinentes para las operaciones actuales. Las tecnologías de contención controlan las desviaciones de los umbrales definidos y disponen de activadores relacionados con los cambios en los riesgos de contención del subsuelo. Se utiliza una nomenclatura por niveles para distinguir las tecnologías de contención. Las tecnologías de nivel 1 y 2 supervisan las amenazas activas, mientras que las tecnologías de nivel 3 recopilan datos de contingencia para respaldar posibles respuestas a las actividades de supervisión basadas en el nivel 1 y 2 o el riesgo no técnico.
Todos los pozos se perforaron en 2010 y 2012. Los IW son los únicos tres puntos de penetración en el yacimiento de BCS en el AOR. La falta de penetraciones de pozos heredados cercanos es un ejemplo de la selección de emplazamientos de alta calidad que ha integrado barreras pasivas para mantener un bajo riesgo de contención: la penetración de pozo más cercana en el BCS se encuentra a más de 20 km de distancia. El rendimiento operativo y un análisis de riesgo de bowtie actualizado en el plan MMV 2020 han identificado los IW como el mayor riesgo para la contención a largo plazo. Este análisis ha destacado la monitorización cercana y dentro del pozo como las principales tecnologías de monitorización de la contención [2]. Cinco años de inyección constante y recogida de datos han demostrado que el emplazamiento de almacenamiento de Quest es una ubicación de primera clase para una Instalación de Almacenamiento.
Fig. 4. Plan esquemático del programa de monitorización de Quest. Para la monitorización microsísmica de fondo de pozo, la decisión de sustitución en caso de fallo se tomará en función del perfil de riesgo operativo en el momento del fallo, en consulta con el regulador y el Gobierno de Alberta.
4. Microsísmica como tecnología de contención
La actividad microsísmica dentro del Complejo de Almacenamiento se evaluó como un riesgo bajo para la contención durante la fase del proyecto. En noviembre de 2014 se desplegó un único conjunto microsísmico de fondo de pozo en el DMW 8-19, ya que se encuentra en el centro de tres emplazamientos de pozos. La tecnología microsísmica es actualmente una tecnología de nivel 2 que supervisa la actividad microsísmica dentro del complejo de almacenamiento que puede indicar un riesgo para la contención. El conjunto es un diseño específico del emplazamiento para vigilar este riesgo. El AOR microsísmico definido en el plan MMV de Quest de 2017 se extiende 10 km radialmente hacia fuera desde cada IW activo [2]. La actividad localizada fuera de esta AOR se considera datos regionales y no se registra como evento localizable ni se mantiene como registro a largo plazo. A 31 de diciembre de 2020, no se ha localizado ningún evento dentro del Complejo de Almacenamiento (Fig. 5). La matriz de fondo de pozo ha sido lo suficientemente sensible como para detectar actividad microsísmica en las profundidades del basamento precámbrico. Se ha observado un comportamiento microsísmico similar en el proyecto de demostración de CAC de Decatur, así como en la zona central de EE.UU., donde la sismicidad asociada a pozos de evacuación de agua salina se concentra en el basamento, y se explica que está mediada por conexiones permeables con el intervalo de inyección, liberando tensiones tectónicas [14, 15, 16].
Fig. 5. a) Vista de mapa de todos los eventos localizables detectados dentro del AOR microsísmico de Quest hasta el 31 de diciembre de 2020. b) Vista transversal de los eventos mostrados en 'a)'. Los eventos están coloreados por magnitud con un rango dinámico de -2,0-0,5. Se muestra el conjunto de geófonos de fondo de pozo de ocho niveles y el Complejo de Almacenamiento resaltado en amarillo.
4.1. La matriz de fondo de pozo
El conjunto de fondo de pozo es una instalación semipermanente, lo que significa que el conjunto está suspendido en un pozo abierto y se puede recuperar. Hay ocho niveles de geófonos analógicos de tres componentes a 15 Hz. Cada nivel consta de una cápsula con dos geófonos cableados en serie para cada uno de los componentes X, Y y Z. Las cápsulas están acopladas a la sonda. Las vainas se acoplan a la carcasa DMW mediante acoplamiento magnético. Un cable sujeta el peso del conjunto y se mantiene sujeto mediante una cadena de barras de plomada. El cable se cuelga de la boca del pozo para garantizar un control adecuado de la presión. Un total de 24 hilos de cobre salen de la boca del pozo en un cable revestido a través de un pack-off de alta presión. Un revestimiento integral de poliuretano protege el arreglo de los fluidos de formación salinos Cooking Lake presentes en el pozo, ya que las presiones de formación se controlan como parte del plan MMV (Fig. 6). El diseño del conjunto se denomina Super Cable y es un diseño patentado por una empresa externa, Engineering Seismic Group (ESG). En el momento de la instalación, las condiciones de fondo de pozo en el emplazamiento de almacenamiento eran únicas para el despliegue del Super Cable, ya que nunca antes se había desplegado un Super Cable a profundidades de 1700 m, en un entorno salino con una herramienta de presión/temperatura también instalada. La tercera parte ha estimado que el despliegue del Super Cable debería mantener la integridad durante unos 10 años. Cuando las operaciones entren en el DMW con fines de integridad del pozo, se tirará del conjunto, lo que puede provocar daños. La instalación puede aumentar la vida útil probable del conjunto aplazando la entrada en el DMW el mayor tiempo posible. A partir de 2020, los componentes de fondo de pozo del conjunto han funcionado bien y no han mostrado signos de posibles fallos.
4.2. Componentes de superficie
El cable de revestimiento único sale de la boca del pozo y termina en una caja de conexiones a pocos metros de la boca del pozo. Los convertidores de analógico a digital digitalizan los datos cada 0,25 ms y marcan la hora del registro mediante sistemas de posicionamiento global. La señal se digitaliza lo más cerca posible de la boca del pozo con una bandeja de cable apantallado entre la boca del pozo y la caja de conexiones para proteger aún más la señal analógica de la contaminación acústica de la superficie. Los datos digitalizados se envían a través de un cable Ethernet desde los convertidores hasta un servidor situado en el edificio de MMV en el emplazamiento del pozo. El cable ethernet y el cable de alimentación de la caja de conexiones se alimentan a través de un sistema de conductos subterráneos desde el edificio MMV, lo que reduce los costes de mantenimiento de los cables durante el funcionamiento (Fig. 6).
Fig. 6. Esquema del conjunto microsísmico de fondo de pozo Quest y componentes de apoyo (no a escala). El conjunto es una instalación semipermanente acoplada magnéticamente a la tubería de revestimiento. El pozo incluye un manómetro que controla las presiones de los fluidos salinos de la formación Cooking Lake.
El servidor del sitio aloja una unidad de memoria cíclica de datos que almacena temporalmente los datos continuos, sobrescribiendo los más antiguos con los más recientes. Una aplicación del servidor contiene un algoritmo patentado. El algoritmo escanea el flujo de datos continuos en busca de datos que cumplan un criterio de umbral específico. Cuando se cumple, se corta de los datos un archivo de activación de seis segundos, se copia en una segunda unidad de datos y se envía automáticamente desde el emplazamiento al tercero mediante transmisión por microondas y luego por Internet. El tercero puede volver a conectarse a los convertidores y al servidor del pozo, lo que le permite ajustar los parámetros de umbral, supervisar el estado de los componentes de fondo de pozo y de superficie y verificar los archivos de activación de eventos microsísmicos localizables comparándolos con los datos continuos sin procesar. La alimentación eléctrica de los componentes de superficie procede de la red. El edificio MMV, con temperatura controlada, alberga energía de reserva dentro de un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI). El equipo microsísmico de superficie está conectado a este SAI y dispone de su propio SAI inteligente con potencia suficiente para apagar correctamente los sistemas operativos del equipo en caso de pérdida de alimentación. El apagado adecuado del sistema garantiza que el reinicio final se produzca sin problemas. El sistema microsísmico es robusto y cuenta con varios puntos de respaldo de datos. En los seis años de funcionamiento del sistema, el tiempo de inactividad que ha provocado la pérdida de datos ha sido mínimo.
4.3. Disparo y flujo de datos
El método de control STA/LTA genera muchos tipos de archivos, como archivos de ruido, de superficie, regionales, acústicos y de eventos localizables. Además, cada hora se genera un archivo de comprobación del estado de los componentes de fondo de pozo. El sistema transmite entre 40 y 80 archivos de activación al día, y entre 1 y 2 eventos localizables a la semana. Los archivos de activación son procesados diariamente por un tercero y se proporciona una actualización de la actividad del día anterior. Los eventos localizables son los archivos de activación que más interesan a Quest, ya que contienen la información del campo de ondas primario (P) y secundario (S) relacionada con la actividad microsísmica localizada dentro del AOR. El informe diario que Quest recibe del tercero incluye un correo electrónico que documenta la actividad del día y un catálogo acumulativo que da cuenta de todos los archivos de disparo hasta la fecha. Cuando se detectan eventos localizables, se envía información adicional sobre el evento, como el norte, el este, la magnitud y la profundidad, en un catálogo de eventos junto con la forma de onda sin procesar del evento. El flujo de datos desde el tercero a Quest se automatiza una vez que Quest recibe los datos. El tercero carga el archivo en un sitio de protocolo seguro de transferencia de archivos (sFTP), donde un transportista de archivos transfiere los datos a un repositorio de datos de Quest. Internamente, se ejecuta un programa para clasificar los archivos y analizar los catálogos en busca de problemas de formato o incoherencias en los datos. Los catálogos se convierten a varios formatos que son leídos por las aplicaciones para la revisión detallada de las formas de onda, la comparación con otros tipos de datos y el EBS (Fig. 7). EBS hace uso de una interfaz gráfica flexible diseñada dentro del appDesigner de MATLAB. Cuando se abre la herramienta, lee los conjuntos de datos más recientes para su revisión. El EBS microsísmico de Quest realiza un seguimiento diario de tres criterios clave. Comprueba que se han recibido los datos y que no hay errores en ellos, comprueba si se han registrado eventos localizables del día anterior, y comprueba que la profundidad, magnitud y localización de cualquier evento localizable son coherentes con los días anteriores. Estos pasos pueden ser tediosos y llevar mucho tiempo, por lo que esta parte del flujo de datos microsísmicos es una buena candidata para la automatización. Desde su implantación, EBS ha reducido el tiempo medio diario de vigilancia operativa manual de ~30 minutos a ~1 minuto al día. Ahora sólo se necesita tiempo cuando se alcanzan umbrales de excepción y se requieren pasos adicionales para restablecer el flujo de datos, corregir errores o comprender un cambio geofísico en los datos [17].
Fig. 7. Flujo de datos microsísmicos de Quest. Los datos se registran en el emplazamiento del pozo Quest y se transmiten a un tercero para su procesamiento. Se envía un informe diario a Shell mediante un sFTP. Desde el momento en que el tercero carga los archivos, el flujo de datos y el EBS están automatizados.|
4.4. Habilitación de la vigilancia automatizada
Las actividades de vigilancia microsísmica pueden dividirse en operaciones y estudios de datos. Las operaciones incluyen el mantenimiento de los equipos, el mantenimiento del flujo de datos, el procesamiento diario, la gestión de datos, la interpretación y la elaboración periódica de informes. Los estudios de datos evalúan el conjunto de datos a medida que se construye con el tiempo, los riesgos cambiantes, el valor de la información y la estrategia tecnológica a corto y largo plazo. Operar con EBS aumenta la eficiencia y deja más tiempo para los estudios de datos. La mayor parte del esfuerzo necesario para permitir la vigilancia automatizada ha consistido en establecer planes de gobernanza y mantenimiento para la infraestructura del sistema, los equipos, los programas informáticos y los depósitos de datos. Una vez establecidos estos aspectos del sistema, el esfuerzo para integrar los datos, crear umbrales de activación, automatizar la vigilancia y empezar a evaluar los posibles usos del aprendizaje automático es comparativamente mínimo. El flujo de datos se ha categorizado para mostrar cómo están interconectados los componentes del sistema. EBS destaca los puntos de ruptura del sistema cuando se producen y PTM establece el equipo adecuado para mantener y mejorar el sistema. Todos los sistemas de vigilancia en funcionamiento tienen el mismo flujo de datos categorizado, como se muestra en la Fig. 8, que incluye la infraestructura que alberga los sensores, los equipos de superficie y los dispositivos de transmisión, los movedores de archivos, los lagos de datos y las herramientas de análisis y vigilancia. El papel de la gestión del proyecto del sistema microsísmico corresponde al usuario de los datos, ya que comprende el valor de los mismos y puede establecer más fácilmente el marco de la cadena de valor para los equipos de apoyo. Para que el sistema funcione de forma sostenible a largo plazo, el usuario de los datos debe comprender el flujo de datos de principio a fin, desde el sensor hasta la elaboración de informes, y cómo se mantiene el sistema.
Fig. 8. El sistema de vigilancia microsísmica Quest puede dividirse en categorías. Estas categorías serán similares para todos los sistemas de vigilancia en funcionamiento. Las categorías amarillas incluyen el equipo físico y la infraestructura en los emplazamientos de los pozos que requieren una presencia física para su mantenimiento. Las categorías azules pueden gestionarse y mantenerse a distancia. La vigilancia de todo el sistema es supervisada de forma más eficaz por el usuario de los datos, ya que revisa periódicamente los datos y comprende el valor de los mismos.
4.5. Observaciones microsísmicas
No se detectó actividad microsísmica durante el periodo de referencia y los primeros nueve meses de inyección. Durante este tiempo, Quest utilizó eventos regionales para demostrar la sensibilidad del conjunto de fondo de pozo y verificar la ausencia de actividad dentro del AOR microsísmico. En julio de 2016, nueve meses después de la primera inyección, se detectó el primer evento localizable dentro del AOR microsísmico. El segundo evento localizable se detectó cuatro meses después, en octubre de 2016, y el tercer evento localizable se detectó tres meses después, en diciembre de 2016 [18]. Desde diciembre de 2016, el conjunto de fondo de pozo ha detectado constantemente ~120 eventos localizables por año dentro del AOR microsísmico, todos localizados dentro del basamento precámbrico (Fig. 9). Lo más habitual es que se detecten varios eventos localizables durante ~1-2 días seguidos de un periodo de calma durante ~1-2 semanas.
Fig. 9. a) Recuento de sucesos localizables a lo largo del año coloreado por año. b) La línea negra muestra el recuento acumulado de sucesos localizables, mientras que los sucesos coloreados muestran la dispersión de la magnitud de los sucesos con el tiempo.
Los eventos localizables se extienden por toda la AOR microsísmica, dentro del basamento precámbrico. La mayor parte de los eventos se han localizado en varias ubicaciones definidas que denominamos agrupaciones. Muchos de los clusters están formados por eventos localizables que se detectaron en ráfagas de actividad durante varios días, mientras que algunos clusters se formaron a lo largo de un periodo. Dos de los clústeres más prominentes registraron muchos eventos en un corto periodo de tiempo en 2017 y de nuevo en 2019 (Fig. 10). Las ubicaciones de eventos localizables estimadas sugieren que los eventos se extienden desde los inyectores a lo largo del tiempo, lo que podemos ver mejor con gráficos de distancia-magnitud. También observamos una relación empírica entre distancia y magnitud que podría utilizarse para estimar el límite de sensibilidad del conjunto desplegado.
Fig. 10. a)b)c)d) Distribución anual de la magnitud de los eventos localizables de Quest detectados en el basamento precámbrico en función de la distancia al conjunto. e) Todos los eventos localizables detectados en el basamento precámbrico. Cinco agrupaciones clave se destacan con recuadros amarillos, negros, verdes, azules y rojos. El código de colores de estos conglomerados coincide con los conglomerados resaltados en la Fig. 13a.
Al igual que en otras instalaciones de CAC como Decatur e In Salah, Quest no ha observado una correlación directa entre los parámetros de inyección (tasa, presión, volumen) y la respuesta sísmica. En el caso de Quest y Decatur, la presión de inyección es considerablemente inferior a la presión de fractura y no hay fallas regionales interpretadas que conecten capas dentro del complejo de almacenamiento. La aparición de sismicidad y su relación causal con la inyección sigue siendo objeto de debate, pero se espera que los procesos implicados sean complejos y tengan una evolución espaciotemporal que pueda enmascarar la causalidad. Cambios en la presión de poros, pequeñas heterogeneidades geológicas y deformación asísmica son los procesos más discutidos en la literatura y relacionados con la actividad sísmica en el basamento [19, 20, 21, 22]. Las magnitudes calculadas de los eventos a lo largo del tiempo muestran una distribución consistente entre -1.9 y 0.8 con una magnitud media de aproximadamente -0.7 (Fig. 11a). El logaritmo del número de eventos que exceden una magnitud específica frente al valor de la magnitud puede ajustarse a una línea recta parametrizada según la Ley de Gutenberg-Richter (GR) [23]. La intercepción del ajuste indica la tasa de actividad, y la pendiente indica la abundancia relativa de magnitudes de eventos. Cerca del pozo de monitorización se aprecia un exceso de eventos, ya que los eventos más pequeños son detectables a menor distancia y, de acuerdo con la Ley GR, son más abundantes.
El umbral de detección global del conjunto de fondo de pozo puede indicarse mediante el punto en el que los datos empiezan a caer por debajo del ajuste GR, conocido como magnitud de completitud (Mc). El gráfico GR para los datos microsísmicos de Quest se muestra en la Fig. 11b con una magnitud de completitud de aproximadamente -0,5 M y una distribución que parece seguir consistentemente una regresión del valor b. Se puede obtener más valor de estos eventos de basamento comprendiendo el mecanismo que los genera y la relación que tienen con los parámetros de inyección. La creación de un conjunto de datos coherente puede ayudar a la instalación a evaluar adecuadamente el riesgo de sismicidad inducida a largo plazo debido a la inyección y contribuir al conocimiento colectivo dentro de la industria, que puede ser un análogo para futuras instalaciones de CAC en la zona.
Fig. 11. a) Histograma de eventos localizables hasta el 31 de diciembre de 2020. La magnitud media detectada dentro del AOR microsísmico es -0,7. b) Diagrama de Gutenberg-Richter, con ajuste de máxima verosimilitud (a=1,53; b=1,35; Mc= - 0,5).
Quest está realizando actualmente estudios centrados en las estadísticas de los datos recogidos hasta la fecha. Estos estudios pretenden organizar los datos para buscar relaciones indirectas entre los parámetros de inyección y los sucesos localizables. Además de estos estudios, Quest está llevando a cabo un estudio geomecánico para comprender el impacto que tiene la inyección en los regímenes de tensiones locales del yacimiento y del basamento precámbrico subyacente.
4.6. Verificación de eventos
The key containment risks the downhole array monitors for is the indication of fracturing or fault reactivation within the Storage Complex. The risk is inherently very low as injection pressures are well below the fracture pressure and there are no major faults interpreted to interconnect the lithologies of the Storage Complex. The array aperture of <400m is sufficient to monitor for this risk. The lateral continuity of the geology in the microseismic AOR provides good velocity to accurately locate any microseismic event that may be detected within the Complex.
A third-party provides daily data processing following these steps:
The health of the monitoring system is checked to ensure data is collected and transmitted. The signal quality of each sensor is analysed for indication of degrading functionality
Background noise is subtracted from the signal for each channel and a band pass filter is applied. The filtering process is built overtime based on historic data collected by the array and is required to identify clear arrival picks in multiple sensors and to verify the orthogonality between the polarization axes
The azimuth and dip are calculated from the filtered particle motion of the polarization for each triaxial sensor (Fig. 12)
Moment magnitude, energy and source radius are calculated for each event and an error ellipsoid is generated automatically using a Monte-Carlo function
On a quarterly basis the cumulative data are analyzed. The distribution of the location error, time error residual and moment magnitude are verified to identify outliers.
Fig. 12. a) Vista triaxial de las llegadas P de un evento localizable después de la rotación y el filtrado. b) El análisis hodograma muestra la alineación de los puntos de datos en la dirección del movimiento de las partículas, que se evalúa para determinar el acimut del evento localizable. c) Vista de mapa y transversal: Los datos no filtrados o un filtrado inadecuado pueden dar lugar a la elección de un acimut incoherente y aumentar el error de la localización del evento. d) Mapa y vista transversal: Los datos filtrados proporcionan un acimut más preciso.
En determinados casos, el tercero proporciona pasos adicionales de verificación de eventos:
- Cuando se detectan sucesos localizables con alta incertidumbre, se comparan con sucesos con características de forma de onda similares y con la distribución histórica de residuos, error de localización y error de acimut. Comúnmente, los eventos con baja relación señal-ruido tienen una mayor incertidumbre de localización de la fuente, ya que hay un mayor error en la recogida de los tiempos de llegada y en la estimación de la trayectoria del rayo
- Cuando hay artefactos como la ambigüedad de 180 grados y el crecimiento lineal, se evalúa la distribución espacial de la ubicación de la fuente. Se generan elipsoides de error para cartografiar la distribución de probabilidad en 3D y evaluar visualmente la incertidumbre.
Quest ha iniciado recientemente varios estudios para comprender el mecanismo que genera los eventos localizables dentro del basamento precámbrico. La apertura de la red de fondo de pozo y la falta de control de la velocidad en el basamento influyen en la incertidumbre de la localización de estos eventos. Un estudio se ha centrado en la evaluación de la incertidumbre en la localización de eventos mediante la caracterización de eventos relativos entre sí y se describe aquí en detalle. Se siguió un método establecido para calcular elipsoides de error y coeficientes de correlación cruzada como atributos de calidad relativa [24]. Se utilizó un modelo de forma de onda de diferencias finitas para caracterizar los patrones esperados de las llegadas de los sismogramas para distintas profundidades de los eventos y se validaron los tiempos de llegada directos P y S de terceros en las formas de onda. Se realizaron algunos pequeños ajustes detallados en las selecciones de llegadas antes de calcular la localización de los eventos. Se utilizó un algoritmo que utiliza selecciones de llegada directa y direcciones de movimiento de partículas para determinar las estimaciones de localización de cada evento. Los vectores fuente-receptor de los fenómenos distantes se dirigieron hacia arriba para limitar la posible ambigüedad de ±180° en el cálculo de la dirección de llegada. Los pasos de validación mostraron en general una buena concordancia con las localizaciones de sucesos de terceros, lo que da confianza en las localizaciones de sucesos recibidas. Se espera que los sucesos localizables con ubicaciones y mecanismos de origen similares tengan formas de onda similares que estén altamente correlacionadas, con un coeficiente de correlación que disminuye a medida que aumenta la separación entre sucesos. El coeficiente de correlación cruzada calculado entre todos los fenómenos se muestra en la matriz de correlación cruzada de la Fig. 13b. Los principales grupos de eventos visibles en la vista de mapa Fig. 13a pueden identificarse con los bloques de eventos altamente correlacionados en la matriz también resaltados en la Fig. 10e.
Fig. 13. a) Vista del mapa de las primeras 400 localizaciones de sucesos. El tamaño de los puntos de localización es proporcional a la magnitud, mientras que el color es función del momento en que se produjeron. El punto verde indica el DMW, mientras que las tres estrellas rojas indican los IW. El cúmulo resaltado en rojo se registró como un estallido de actividad sísmica en 2017. Los eventos en los cúmulos están altamente correlacionados y corresponden a los cuadrados amarillos a lo largo de la diagonal principal en la matriz de correlación cruzada que se muestra en b. b) Matriz de correlación cruzada calculada para los primeros 400 eventos del catálogo. La correlación cruzada se aproxima a uno, lo que indica una gran similitud en la forma de onda. c) Vista en perspectiva de las localizaciones de los eventos con los elipsoides de error de localización modelados para los grupos identificados. Obsérvese el pozo de monitorización y los geófonos en la distancia, así como los rayos fuente-receptor.
En febrero de 2019 se detectó una ráfaga de ~70 eventos con alta similitud de forma de onda y agrupación apretada. La modelización mostró que la dispersión de este clúster en profundidad y azimut era consistente con las incertidumbres de localización esperadas, indicando que la dispersión se debía a la incertidumbre más que a una estructura geológica subyacente (Fig. 13c). Las agrupaciones de localización de eventos se extienden sobre arcos circulares concéntricos de longitud creciente con el aumento de la distancia desde el conjunto ya que el azimut del evento localizable sólo está limitado por el vector de movimiento de las partículas. Para grandes distancias fuente-array, la apertura angular del array se vuelve pequeña, y la determinación de la profundidad de los eventos depende del ángulo de inclinación del movimiento de las partículas. La incertidumbre de los eventos localizables distantes da a los cúmulos de eventos distantes grandes extensiones en profundidad y azimut. Para la agrupación de febrero de 2019, el rango de distancias de los eventos está bien limitado por la diferencia de tiempo PS, pero las incertidumbres de profundidad y acimut son grandes. La geometría del conjunto de fondo de pozo provoca algunas inestabilidades en el proceso de localización de eventos distantes en profundidad del basamento Precámbrico con grandes elipsoides de incertidumbre de localización.
La observación de un flujo continuo de eventos en un rango de distancias demuestra claramente que el sistema está en buen estado operativo y debería ser capaz de detectar sismicidad, si es de suficiente magnitud, dentro del Complejo de Almacenamiento cerca del conjunto.
4.7. Funciones y responsabilidades de la vigilancia microsísmica
Se espera que la tecnología microsísmica en Quest requiera tiempo dedicado de un geocientífico durante toda la vida de la monitorización. Los conocimientos necesarios para garantizar el flujo continuo de datos y su interpretación incluyen el conocimiento del proceso de la instalación, la comprensión básica de la instrumentación y los componentes eléctricos, la digitalización de los datos, la digitalización de los sistemas, las aplicaciones, la cadena de valor, los sistemas informáticos, las relaciones con terceros, el EBS, el PTM, la elaboración de informes, la licencia de explotación y la sismología.La experiencia operativa de Quest como instalación integrada de CAC ha determinado que deben establecerse las siguientes funciones para gestionar una tecnología de vigilancia microsísmica rentable y eficaz:
Fase del proyecto (CAPEX)
- El geocientífico evaluará el perfil de riesgo mediante modelización, establecerá la duración de la vigilancia y determinará los datos necesarios para gestionar el riesgo durante la explotación y el abandono.
- Responsable de la ejecución del proyecto para determinar la infraestructura del emplazamiento del pozo, los equipos, la energía, las comunicaciones del emplazamiento del pozo, los servidores del emplazamiento del pozo, el soporte de aplicaciones, las medidas de mantenimiento correctivo y proactivo, y diseñar y ejecutar un sistema que se integre en el proceso de las instalaciones.
- El responsable de TI debe crear un marco para el flujo de datos desde el sensor hasta el repositorio, en estrecha integración con el usuario previsto de los datos, expertos en tecnología y terceros.
Dos primeros años de funcionamiento (OPEX Start-up)
- El geocientífico supervisa los datos y establece los parámetros adecuados del umbral de activación y el análisis de sensibilidad de la matriz
- El responsable de la ejecución del proyecto se encarga de garantizar que el sistema se mantenga a lo largo de todo el proceso, colaborando estrechamente con los operadores, los informáticos, los terceros y el usuario de los datos.
- El responsable informático garantiza la correcta integración de todos los componentes del flujo de datos en los equipos de asistencia.
Operaciones a largo plazo (OPEX)
- Los operadores de los pozos mantienen la tecnología dentro del marco operativo
- Las operaciones informáticas mantienen el flujo de datos dentro del marco operativo
- El geocientífico supervisa la recogida y el análisis continuos de datos y evalúa las necesidades tecnológicas a largo plazo basándose en los primeros años de explotación; trabaja con los operadores de los pozos para establecer EBS.
Aunque la parte responsable puede diferir ligeramente, estas funciones son necesarias en cierta medida para cualquier sistema de seguimiento operativo a largo plazo, tanto si forma parte de una instalación de almacenamiento integrada como si no.
5. Conclusión
La Instalación de CAC de Quest es una instalación a escala comercial totalmente integrada situada en el Complejo Industrial de Scotford. A lo largo de un periodo de 25 años, se capturarán 25 millones de toneladas de CO2, que se almacenarán de forma permanente en el yacimiento de BCS, a dos kilómetros bajo tierra. Desde la primera inyección en agosto de 2015, se han capturado, transportado, inyectado y almacenado de forma segura más de cinco millones de toneladas de CO2 en el yacimiento de BCS. El Complejo de Almacenamiento Quest es un emplazamiento de almacenamiento de categoría mundial, ya que cuenta con una litología lateral extensa, gruesa y plana, unida a un yacimiento de alta calidad. Como parte del plan de almacenamiento seguro en Quest, se ha aplicado un plan MMV para garantizar la gestión de los riesgos de contención y conformidad en todas las fases de la operación y el abandono. El plan MMV permite flexibilidad en la gestión de los riesgos específicos del emplazamiento de forma eficaz y eficiente. El control microsísmico ha verificado la ausencia de actividad en el Complejo de Almacenamiento, lo que permite a la Instalación eliminar el riesgo de microsismicidad como amenaza activa para la contención. Los eventos localizables en el basamento precámbrico se consideran actualmente un riesgo bajo para las operaciones, ya que son de bajo nivel y pequeña magnitud. A 31 de diciembre de 2020, se han detectado y localizado 486 eventos localizables en el basamento precámbrico dentro del AOR microsísmico. Los eventos no muestran una relación directa aparente con los parámetros de inyección, pero puede haber una relación indirecta. Se están realizando análisis estadísticos y estudios de modelización geomecánica del yacimiento y del basamento precámbrico para comprender mejor el mecanismo que genera estos fenómenos. Una tecnología eficaz de vigilancia microsísmica a largo plazo es posible gracias a PTM y EBS. Una gestión sencilla pero diligente del proyecto, tanto durante la fase de proyecto como durante las primeras fases operativas de la instalación, puede permitir una aplicación eficaz tanto de la PTM como de la EBS, lo que en última instancia reduce los costes operativos a largo plazo al tiempo que se crean conjuntos de datos. Quest está diseñado para demostrar la eficacia del almacenamiento de CO2 a largo plazo dentro del Complejo de Almacenamiento. A medida que continúe la inyección de CO2 durante los próximos 20 millones de toneladas, se seguirá evaluando el valor añadido y la utilidad continuada de la monitorización microsísmica en Quest. No se conoce bien el mecanismo que genera la actividad microsísmica de bajo nivel y pequeña magnitud en las profundidades del basamento precámbrico. Aunque la red de fondo de pozo de Quest se diseñó para vigilar la actividad microsísmica dentro del Complejo de Almacenamiento, ha sido lo suficientemente sensible como para detectar estos eventos en el basamento. Un análisis más detallado de la actividad en el basamento precámbrico aportará valor a la instalación Quest, a la industria de CCS y a la comunidad de sísmica inducida.
Agradecimientos
Los autores de este documento desean expresar su agradecimiento al Gobierno de Alberta, al Gobierno de Canadá, al Ministerio de Recursos Naturales de Canadá (NRCan), al personal de Shell en Calgary, Houston, la UE y sobre el terreno, a los contratistas externos y a nuestros socios de la empresa conjunta Canadian Natural Upgrading Ltd, Chevron Canada, y 1745844 Alberta Ltd.
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