Overburden Analysis and Seal Integrity Study for CO2 Sequestration in the North Sea

Menneskeskapt atmosfærisk karbondioksid (CO2) er en viktig drivhusgass som er ansvarlig for menneskeskapt global oppvarming. Effekten av global oppvarming kan utløse de kritiske tersklene som kalles vippepunkter hvis oppvarmingen øker til lik eller større enn 1,5oC. Å krysse den kritiske terskelen kan være ødeleggende for menneskeheten. Til tross for løftene gitt under Paris-avtalen fra 2015, vil global oppvarming nå rundt 2,8oC ved slutten av århundret med mindre utslippene halveres innen 2030, og netto nullutslipp oppnås innen 2050. Lagring av CO2 under overflaten er en av de levedyktige løsninger som kutter utslipp med lavest mulig kostnad, hvor CO2 fanges fra punktkildene, deretter transporteres og permanent lagres i passende geologiske formasjoner under overflaten. Injeksjon av CO2 i undergrunnen har imidlertid flere feilrisikoer. Derfor er det nødvendig med en detaljert integrert analyse for å bygge tillit for sikker og permanent geologisk CO2-lagring under overflaten. OASIS-forskningsprosjektet fokuserer på karakterisering av CCS-lokaliteter i den nordlige Nordsjøen. Studieområdet (nordlige Nordsjøen) vil være fremtidens CCS-knutepunkt, hvor den norske regjeringen allerede tildeler tre CCS-lisenser (EL001, EL002 & EL004). I tillegg er det boret to injeksjonsbrønner (31/5-A-7 AH & 31/5-C-1H) rettet mot injeksjon på megatonnnivå fra 2024. Wireline loggsuiter fra 64 letebrønner, to long offset 2D seismiske undersøkelser (NSR) og SG8043) og to stedsspesifikke 3D-kuber (GN1101 og GN10M1) fra området ble brukt som inputdatabase. I tillegg til GN1101 (Smeaheia) og GN10M1 (Aurora) 3D seismiske kuber, er et sett med delstabler med vinkler 0-100, 10-200, 20-300, 30-400 og 40-500 også tilgjengelig for begge 3D-undersøkelser . Disse vinkelstablene brukes til å utføre den stokastiske seismiske inversjonsanalysen. I tillegg ble 12 kjerne- og borekaksprøver fra øvre Jurassic Viking Group samlet inn fra Nordsjøen for petrografisk (XRD & SEM) og laboratorieanalyse (nano-innrykk). Det ble gjennomført en omfattende analyse gjennom hele prosjektperioden (2018-2023). En beskrivelse av hovedaktivitetene under OASIS-prosjektet er gitt nedenfor: For å evaluere overgangssonen, som er grensen mellom mekaniske og kjemiske komprimeringer, er temperaturgradienten til hver brønn estimert ved å bruke bunnhullstemperatur (BHT) og total vertikal dybde (TVD). Deretter har paleo og nåværende temperatur på toppen av interesserte intervaller blitt estimert. Regionale temperaturkart for studieområdet ble generert ved å bruke brønndatapunktene for å identifisere sidevariasjonene, hovedsakelig de mekaniske og kjemiske komprimeringssonene. Petrografisk analyse som røntgendiffraksjon (XRD) av kjerne- og borekaksprøver har blitt utført for å identifisere mineralsammensetningene og estimere prosentandelen av hvert mineral som er tilstede. I tillegg vurderes Scanning Electron Microscope (SEM) bilder av de samme prøvene også for å identifisere typen mineraler og ha en kvalitativ forståelse av kornstørrelsen til prøvene. Denne informasjonen brukes deretter til å hjelpe med å definere mineralsammensetningene under XRD-tolkning og også i paleo-avsetningsmiljøstudier og estimering av mineralogibaserte sprøhetsindekser. Resultatene oppnådd fra XRD- og SEM-analyse brukes sammen for å gi en helhetlig forståelse av mineralogien og avsetningsmiljøet til caprockprøvene. Wireline logger er mye brukt i geologiske og geofysiske karakteriseringsundersøkelser, og gir viktig informasjon om undergrunnen. Som en del av den petrofysiske analysen er volumet av skifer (Vsh) for alle brønnene estimert ved hjelp av en kombinasjon av metoder. Gammastråleloggen brukes til å beregne Vsh ved å bruke både "Young & old rock"-metoden foreslått av Larionov (1969), og kombinasjonen av tetthet (RhoB) og nøytronporøsitet (NPHI) logger brukes også. Vsh er viktig for å karakterisere undergrunnen og forstå avsetningsmiljøet. For å forstå den laterale variasjonen av Vsh, ble det også generert et godt basert regionalt kart. Denne aktiviteten innebærer å teste to forskjellige petrofysiske metoder for å estimere totalt organisk karbon (TOC) fra P-sonisk, dyp resistivitet og tetthetslogger. Den første teknikken kalles ?logR-metoden, som bruker P-soniske og dype resistivitetslogger som input (Meyer og Nederlof, 1984; Passey et al., 1990). En annen metode er også en petrofysisk tilnærming som forutsier TOC fra en bulkdensitetslogg (Vernik og Landis, 1996; Carcione, 2000). Resultatene av disse metodene ble brukt for å forstå fordelingen og konsentrasjonen av TOC i undergrunnen. Denne aktiviteten er fokusert på å forstå de geomekaniske egenskapene til bergartene, først og fremst reservoaret, toppfjellet og overdekket, ved å bruke wireline logger. Egenskapene av interesse er Youngs modul (E) og Poissons forhold (?), som er viktige indikatorer på steinstivhet.

1. Generate new knowledge, expertise, and innovations to i) a better understanding of storage capacity, injectivity, and long-term effects of stored CO2, ii) a better understanding of the mechanisms that prevent leakage of CO2, and iii) increased understanding of how pressure builds in a CO2 storage can be handled. 2. The research techniques developed in the project will be widely disseminated. 3. Building competency in the CCS sector by training Postdoc, Ph.D., and MSc students. 4. Knowledge about the geological storage of CO2 significantly impacts climate by mitigating anthropogenic greenhouse gases.

This proposal is directly in response to the thematic area "New knowledge that facilitates large-scale CO2 storage in the North Sea". The overall objectives are also targeted towards addressing some important topics under the themes of i) increasing knowledge about storage capacity, injectivity and the long-term effects of stored CO2, ii) gaining a better understanding of the mechanism that prevent leakage of CO2, and iii) increasing knowledge of how pressure build in a CO2 storage can be handled. The seal rock integrity and the overburden rocks will be analysed for proposed CO2 storage sites Smeaheia (east of the Troll Field) in the North Sea in order to identify critically stressed faults to predict slip on potential active faults as a function of pore pressure change or buildup, evaluate risk for fracturing, and risk of vertical and lateral CO2 migration. The project will be carried out as a collaborative effort between the University of Oslo, Norwegian Geotechnical Institute, Norwegian Computing Center, Colorado School of Mines and Curtin University with Statoil & TOTAL. OASIS will generate site specific seismic data derived 3D geomechanical models focusing on the overburden and seal rocks for the potential CO2 storage reservoirs. All the other necessary information (e.g. available cores, cuttings, wireline logs, laboratory test data, and pressure data from the wells) can be subsequently used to calibrate and iterate the models. In addition to the innovative procedure for the integrated computational 3D geomechanical modeling of the CO2 storage seal and overburden, caprock leakage potential, and the overburden pore pressure and pore fluid distributions from seismic inversion, the project will produce much needed high-quality hydro-mechanical data on overburden and cap rocks from advanced laboratory testing. This makes the project directly applicable and of benefit to existing and future large-scale CO2 storage projects in the Norwegian Continental Shelf (NCS).