Accelerating CSEM technology for efficient and quantitative CO2 monitoring

Det Akutte Behovet for CO2-Overvåking og EM4CO2-Løsningen CO2-fangst og -lagring (CCS) er et viktig tiltak for å redusere klimagassutslipp. Den norske kontinentalsokkelen har store lagringsvolumer i saline akviferer, noe som gir en unik industriell mulighet. Kostnadsreduksjon i lagring og overvåking er avgjørende, og pålitelig teknologi er kritisk for offentlig aksept, særlig ved storskala lagring og mulig CO2-import. Uten optimalisering kan overvåkingskostnader bli svært høye. Dette var bakgrunnen for EM4CO2-prosjektet (2018–2024), et CLIMIT-KPN-initiativ finansiert av Norges forskningsråd og NCCS’ industripartnere. Målet var å utvikle et kostnadseffektivt, kvantitativt overvåkingskonsept for underjordisk CO2-lagring basert på timelapse CSEM, med fokus på Smeaheia og bredere anvendelse globalt. CSEM: Et Kostnadseffektivt Komplement til Seismikk Seismikk vil trolig forbli ryggraden i overvåking, men CSEM gir et rimelig og verdifullt supplement ved å måle elektrisk resistivitet, viktig for CO2-metning og trykkendringer. Selv om CSEM har lavere oppløsning, kan potensialet økes gjennom bedre oppløsning, kostnadseffektiv datainnsamling, tidsforløpsmetoder og integrasjon med seismikk. Optimal survey planlegging og avbildning er essensielt. Tre sentrale arbeidspakker: 1. Kartlegging og timelapse-inversjon: Fokus på sensitivitet og kostnadseffektivitet. Det ble utviklet et nytt timelapse CSEM-inversjonsverktøy og analysert effekter av datainnsamlingsfeil, anisotropi og deteksjonsgrenser for CO2-plumer. 2. Infrastruktureffekter: Stålkonstruksjoner som brønnforinger og rørledninger forstyrrer CSEM-data. Prosjektet viste at mottakere innen 1 km fra rørledning påvirkes, og kilder opptil 500 m unna gir sterke forstyrrelser. Løsningen var avanserte prosesseringsteknikker og inversjonsstrategier, hvor modellering av infrastruktureffekter ga best resultat. Et nytt konsept, «brønnforing som antenne», ble testet: simuleringer viste at EM-signaler fra CO2-plumer kan forplante seg til havbunnen via brønnforinger, noe som åpner for bruk av eksisterende infrastruktur. 3. Integrasjon med andre data: CSEM-resultater ble kombinert med seismikk og gravimetri via Bayesiansk bergfysikk-inversjon. Resistivitetsdata viste seg essensielle for presise CO2-metningsestimater, spesielt ved ukjent væskeblanding. Tester på Smeaheia og data fra Sleipner bekreftet at kombinasjonen av P-bølgehastighet og resistivitet gir nøyaktige estimater. Poretrykk kan også estimeres med skjærbølgehastighet. Metoden kan utvides til depleterte felt og hydrogenlagring. Innvirkning og fremtid: EM4CO2 resulterte i tre publiserte artikler (tre under arbeid), 11 konferansebidrag, 22 presentasjoner og flere postere. Innsikten om flerfysikk-integrasjon og infrastruktureffekter brukes nå i prosjekter som COSMOS KSP-S og LINCCS, og bidrar til utvikling av kostnadseffektive overvåkingsløsninger for CO2-lagring.

Actual Outcomes: The EM4CO2 project (2018–2024) successfully demonstrated that Controlled Source Electromagnetics (CSEM) can serve as a cost-effective complement to seismic monitoring in CO2 storage operations. Key achievements include: • Development of advanced timelapse CSEM inversion tools that improve sensitivity to CO2 plume evolution and reduce uncertainty in monitoring. • Quantification of infrastructure effects (e.g., pipelines, well casings) on EM signals, leading to improved processing and inversion strategies. This knowledge is critical for offshore CCS sites where steel infrastructure is unavoidable. • Introduction of the “well casing as antenna” concept, showing that existing wells can be repurposed to enhance EM signal propagation, potentially reducing the need for additional hardware and lowering costs. • Integration of CSEM with seismic and gravity data using Bayesian rock physics inversion, proving that resistivity data is essential for accurate CO2 saturation estimates. This integrated approach was validated with real data from Sleipner and synthetic tests for Smeaheia. The project produced three peer-reviewed publications (three more in progress), 11 conference papers, and 22 oral presentations, ensuring strong knowledge dissemination. These results are already influencing ongoing projects such as COSMOS KSP-S and LINCCS, which aim to scale up CCS deployment in the North Sea. ________________________________________ Potential Impacts: • Cost Reduction in CCS Monitoring: By complementing seismic surveys with CSEM, operators can achieve reliable monitoring at significantly lower costs, making CCS more economically viable. • Enhanced Public and Regulatory Confidence: Reliable, quantitative monitoring reduces perceived risks of leakage and strengthens the case for large-scale CO2 storage and cross-border CO2 transport. • Acceleration of CCS Deployment: Lower monitoring costs and improved risk management can accelerate CCS adoption, supporting Norway’s and Europe’s climate targets. • Global Applicability: The methodologies developed are transferable to other offshore storage sites worldwide, positioning Norway as a leader in CCS technology. • Future Extensions: The integrated multiphysics approach can be adapted for monitoring depleted hydrocarbon fields, hydrogen storage, and potentially geothermal energy systems, broadening its impact beyond CCS. • Industrial Innovation: The “well casing as antenna” concept opens new opportunities for reusing existing infrastructure, reducing environmental footprint and capital expenditure. ________________________________________ Long-Term Vision: By reducing uncertainty and cost in CO2 storage monitoring, EM4CO2 contributes to the scalability and sustainability of CCS as a cornerstone of global decarbonization strategies. Its innovations in multiphysics integration and infrastructure utilization will shape future offshore monitoring frameworks and regulatory standards.

An accurate and efficient monitoring strategy is essential for safe CO2 storage in compliance with laws and regulations. The reliability of monitoring technology is also crucial for the public acceptance of CCS, especially in case of large-scale storage and import of CO2 from other European countries. The cost of a comprehensive monitoring program covering the different phases of a storage project could, however, quickly become prohibitively high, if not carefully optimized. While expensive seismic survey will most likely be the backbone of any geophysical monitoring program, Controlled Source Electro-Magnetics (CSEM) can be a cost-efficient and valuable complement. By providing an additional, yet essential, earth parameter (resistivity, anisotropy), CSEM contributes to significantly better constrained estimates of the pressure and saturation changes caused by CO2 injection, and mitigates uncertainties in seismic data interpretation. The improved capability of quantitative characterization will reduce risks and support the development of better tailored, sparser (in time and space) geophysical surveys and will consequently help to reduce costs. The resolution of EM is inherently lower than that of seismic and therefore resolution capabilities, time-lapse approaches, and optimum ways of combining seismic and EM data should be carefully investigated. These are the main themes for the project to contribute to, and we will focus on 1) optimal survey layout and time-lapse data inversion; 2) effect of infrastructure on CSEM data and efficient way of simulation; 3) integration of CSEM with other geophysical data. The project consortium consists of Sintef (leading), Norwegian Geotechnical Institute (NGI), University of Oslo (UiO), EMGS, and Southampton University. A PhD candidate will be hired at UiO and will be involved most of the project activities.