Geo-electrical methods for the detection and monitoring of CO2 transfers in the subsurface. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

Utilisation des méthodes électriques pour la détection et le suivi de transferts de CO2 dans la subsurface.

Geo-electrical methods for the detection and monitoring of CO2 transfers in the subsurface.

Résumé

The main objective of this thesis is to study the capacity of electrical resistivity tomography (ERT) and induced polarization (IP) methods to detect and follow carbon dioxide (CO2) transfers in the subsurface. This work contributes to the development of surface monitoring strategies of CO2 storage sites. First, we assessed this issue by performing experimental studies in controlled conditions. We designed and conducted metric scale laboratory experiments consisting of the injection of gaseous CO2 into homogeneous granular media fully saturated with water. Studying the evolution of ERT and IP parameters during these experiments allowed us to distinguish and quantify the effects induced by the introduction of a gaseous phase in the media from those related to dissolution processes. In the case of ERT method, we developed modeling tools that allowed us to study the sensitivity of several electrode configurations and designing new acquisition protocols that show a greater efficiency for the detection of gaseous CO2 plumes. This study highlights the importance of using measurement protocols adapted to the geometrical and spatial extension of the gas plume, in order to maximize the detection capacity of the method. In the case of IP method, laboratory-scale experiments showed that at high frequencies (f > 1 kHz), the capacitive properties of the studied media always showed greater sensitivity to the physicochemical changes induced by the CO2 injection than ohmic conduction properties. This observation underlines the significant interest of IP methods for the detection of CO 2 transfers in the subsurface. Using a theoretical mechanistic model, we managed to reproduce the shape and magnitude of the quadrature conductivity spectra associated with the studied media, and to develop simple empirical relationships linking the IP responses observed at high frequencies with some physicochemical parameters (water saturation level, the electrical conductivity of the saturating water). Then, we extended our studies to more complex environments by performing experiments on a small eld scale. Three separate experiments were performed. We monitored a shallow CO2 injection ( 5,5 m) using the ERT method, temporal induced polarization method (TIP) and spectral induced polarization method (SIP). Again, the geophysical parameters related to the capacitive properties of the medium showed greater variations during the experiments than those related to ohmic conduction properties. However, in some cases, instrumental effects are responsible for significant variations on the measured signals, and must be taken into account when interpreting the results.
L'objectif de cette thèse est d'étudier la capacité des méthodes de tomographie de résistivité électrique (ERT) et de polarisation provoquée (PP) à détecter et suivre des transferts de dioxyde de carbone dans la subsurface. Cette problématique s'inscrit dans le contexte de la surveillance en proche surface des sites de séquestration géologique du CO2. Dans un premier temps, une approche en conditions contrôlées a été adoptée. Des expériences en laboratoire d'échelle métrique, sur des milieux granulaires relativement homogènes, totalement saturés en eau ont été réalisées. En étudiant l'impact d'une injection de CO2 sur les valeurs de résistivité et de paramètres PP associées à ces milieux, nous avons pu discerner et quantifier les effets induits par la présence d'une phase gazeuse dans le milieu de ceux reliés aux phénomènes de dissolution du CO2 et/ou de la matrice poreuse. Dans le cas de la méthode ERT, des travaux de modélisation ont permis d'étudier la sensibilité de différentes configurations d'électrodes et de développer des protocoles d'acquisition adaptés à la détection d'un panache de CO2 gazeux. Cette étude a mis en lumière l'importance de l'utilisation de protocoles de mesure adaptés à la géométrie du panache de gaz. En étudiant l'évolution de la réponse PP lors d'expériences en laboratoire similaires, nous avons observé qu'aux hautes fréquences (f > 1 kHz), les propriétés capacitives du milieu sont systématiquement davantage affectées par l'injection de CO2 que les propriétés de conduction ohmique. Ce constat souligne l'intérêt notable des méthodes PP pour la détection de transferts de CO2 dans les sols. A partir d'un modèle théorique mécanistique, nous avons reproduit la forme et l'ampleur des spectres fréquentiels de conductivité en quadrature associés aux milieux étudiés. Ces travaux ont également permis de développer des relations empiriques simples reliant les réponses PP observées aux hautes fréquences avec les paramètres physico-chimiques caractéristiques du milieu (saturation en eau, conductivité électrique du fluide saturant). Dans un second temps, nous avons étendu la problématique de la thèse à des milieux plus complexes, en réalisant des expériences sur un cas de terrain. Trois expériences distinctes ont été réalisées. Nous avons effectué le suivi temporel d'une injection de CO2 gazeux à faible profondeur ( 5,5 m) par la méthode ERT, la méthode de polarisation provoquée temporelle (PPT), et la méthode de polarisation provoquée spectrale (PPS). A nouveau, les paramètres géophysiques liés aux propriétés capacitives du milieu présentent des variations plus importantes au cours des expériences que les paramètres liés aux propriétés de conduction ohmique. Cependant, dans certains cas, des eets instrumentaux sont également responsables d'importantes variations sur les signaux mesurés, et doivent être pris en compte lors de l'interprétation des résultats.
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Citer

Thomas Kremer. Geo-electrical methods for the detection and monitoring of CO2 transfers in the subsurface.. Géophysique [physics.geo-ph]. Université Paris Sorbonne; Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP), 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02499188⟩
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