CO2LPIE – Periodische Injektion von CO2 in den einschlusswirksamen Gebirgsbereich

• Unité de recherche: OFEN
• Numéro de projet: SI/502693

Description succincte (Allemand)

CO2LPIE («sprich: coolpie») untersucht den Einfluss von CO2-gesättigten Fluiden auf die Integrität geologischer Barrieren unter realistischen in-situ Bedingungen. Diese realen Bedingungen berücksichtigen explizit die Anisotropie des Gesteins, die Heterogenität sowie isolierte und miteinander verbundene Brüche im Opalinuston (OPA) am Mont Terri. Ein Schlüsselaspekt des vorgeschlagenen Projekts ist sein neuartiges Überwachungskonzept, das Multisensorsysteme umfasst, die eine solide Charakterisierung des Versuchsvolumens, Baseline-Messungen und eine zeitlich und räumlich hochaufgelöste Überwachung während der Injektionsphase ermöglicht. Der gewählte räumliche Maßstab (Meter) des In-situ-Experiments überbrückt und verbindet die großen Maßstäbe natürlicher Analoga mit den kleinen Maßstäben analytischer Laborstudien und schafft damit zusammen mit numerischen Modellierungen die Grundlage für die Übertragung der Laborergebnisse auf die relevanten Maßstäbe der realen geologischen CO2-Sequestrierung.

Description succincte (Anglais)

CO2LPIE ("speak: coolpie") investigates the influence of CO2-saturated fluids on the integrity of geological barriers under realistic in-situ conditions. These real-life conditions explicitly take into account rock anisotropy, heterogeneity and isolated and interconnected fractures in the Opalinus Clay (OPA) at Mont Terri. A key aspect of the proposed project is its novel monitoring concept, which includes multi-sensor systems that enable robust characterization of the test volume, baseline measurements and high-resolution temporal and spatial monitoring during the injection phase. The chosen spatial scale (meters) of the in-situ experiment bridges and combines the large scales of natural analogues with the small scales of analytical laboratory studies and, together with numerical modelling, creates the basis for the transfer of laboratory results to the relevant scales of real geological CO2 sequestration.

Description succincte (Français)

CO2LPIE ("prononcer : coolpie") étudie l'influence des fluides saturés en CO2 sur l'intégrité des barrières géologiques dans des conditions réalistes in-situ. Ces conditions réelles prennent explicitement en compte l'anisotropie de la roche, l'hétérogénéité et les fractures isolées et interconnectées dans les argiles à Opalinus (OPA) du Mont Terri. Un aspect clé du projet proposé est son concept de surveillance inédit, qui comprend des systèmes multi-capteurs permettant une caractérisation solide du volume d'essai, des mesures de référence et une surveillance à haute résolution temporelle et spatiale pendant la phase d'injection. L'échelle spatiale choisie (le mètre) pour l'expérience in situ comble et relie les grandes échelles des analogues naturels aux petites échelles des études analytiques en laboratoire, créant ainsi, avec les modélisations numériques, la base pour la transposition des résultats de laboratoire aux échelles pertinentes de la séquestration géologique réelle du CO2.

Publications / Résultats (Allemand)

Das CL-Experiment untersucht hydraulische, mechanische und chemische (HMC) Auswirkungen der CO2-Injektion in intakten, jedoch heterogenen Opalinuston mit sandiger Fazies unter In-situ-Bedingungen im Felslabor Mont Terri. Ziel ist es, unser allgemeines Verständnis des Verhaltens des Caprock und seiner Integrität mit Schwerpunkt auf CO2 zu verbessern. Der innovative Versuchsaufbau besteht aus vier Beobachtungsbohrungen, die in den Ecken eines 2 x 2 m großen Quadrats bis zu einer Tiefe von 17.5 m gebohrt wurden. Diese vier Bohrungen sind mit einem neu entwickelten modularen Multisensor-Messsystem (MMMS) ausgestattet, das eine hochauflösende zeitliche und räumliche aktive und passive seismische Tomographie, elektrische Widerstandstomographie (ERT), Längsdehnungsmessung, Temperatur- und Porenwasserdruckmessung ermöglicht. Die 14.5 m tiefen zentralen Bohrlöcher für die Injektion und die Entnahme wurden in diesem Versuchsvolumen von 24 m3 in einem Abstand von 1.0 m von Achse zu Achse gebohrt. Beide Bohrlöcher sind mit einem fünffachen hydraulischen Multipackersystem (MPS) ausgestattet. Aufgrund eines Ausfalls des MPS in Bohrung BCL-10 während der Ausgleichsphase im Mai 2025 wurde ein neues identisches System hergestellt und in einem reduzierten Abstand von 0.7 m zur Injektionsbohrung in einer neu gebohrten Bohrung BCL-11 installiert. Durch diese Verringerung des Abstands kann die verlorene Zeit bis zu einem gewissen Grad aufgeholt werden. Die alte Bohrung BCL-10 wurde aufgegeben und mit Harz versiegelt. Beim MPS können zwei verschiedene Tiefen des Injektionsbohrloches für die Injektion von CO2-angereichertem künstlichem Porenwasser genutzt werden. Die Injektion erfolgt über ein Zirkulationssystem, das einen diffusiven Austausch zwischen der Formation und dem Porenwasser im Kreislauf/Intervall ermöglicht. Die CO2- Auflösung erfolgt durch eine Membran. Der in das System injizierte CO2-Fluss wird durch einen zeitlichen Druckabfall in zwei miteinander verbundenen Druckbehältern und einem zusätzlichen Gasdurchflussmesser dazwischen geregelt. Auf der Extraktionsseite sind drei Intervalle mit Wasserkreisläufen verbunden, die über Membransysteme mit Gaskreisläufen und einem speziell angefertigten Gasspektrometer, einem sogenannten MiniRuedi, verbunden sind. Für die anfängliche Charakterisierung des Versuchsvolumens und die Basisüberwachungsphase hat sich die MMMS-Anordnung als sehr wertvoll erwiesen. Die Empfindlichkeit und räumliche Auflösung des seismischen Systems, des ERT- und des FO-Sensorsystems erwiesen sich als geeignet für den Umfang des Experiments und die erwarteten Effekte im System während der zukünftigen Injektion. Ein umfangreiches Laboruntersuchungsprogramm an Gesteinsproben wird momentan durchgeführt und erste Datensätze sind verfügbar. Parallel dazu laufen Modellierungsarbeiten mit besonderem Schwerpunkt auf das Systemverständnis von CO2LPIE. Die CO2-Injektion über ein Zirkulationssystem, das die Bewertung des diffusiven Austauschs zwischen in Porenwasser gelöstem CO2 und Porenwasser/Gestein ermöglicht, wird hier zum ersten Mal im CCS-Kontext eingesetzt. Wir erwarten mit diesem neuen Aufbau wesentlich mehr Erkenntnisse über das System und Daten zum geochemischen Austausch als in früheren In-situ-Experimenten. Die hydraulischen Tests werden in Kürze abgeschlossen sein, und letzte Systemchecks sind im Gange. Das Experiment wird im Oktober 2025 betriebsbereit sein, und die CO2-Injektion kann beginnen. Gemäss dem ersten Zwischenbericht liegen wir im Zeitplan, um das Projekt gemäss der ursprünglichen Antragstellung abzuschliessen. Dies bildet die Grundlage für die Freigabe der restlichen Mittel durch das BFE.

Publications / Résultats (Anglais)

The CL-Experiment investigates, hydraulic, mechanical, and chemical (HMC) effects of CO2-injection into intact, yet heterogeneous Opalinus Clay of sandy facies under in-situ conditions at the Mont Terri rock laboratory. The aim is to enhance our general understanding of caprock behaviour and its integrity with a focus on CO2. The innovative experimental concept consists of four monitoring boreholes drilled to 17.5 m depth in the edges of a 2x2 m square. These four boreholes are equipped with a newly developed Modular Multi-sensor Monitoring System (MMMS) which allows for high resolution temporal and spatial active and passive seismic tomography, electrical resistivity tomography (ERT), longitudinal strain monitoring, T-sensing and pore water pressure monitoring. The 14.5 m deep boreholes for injection and the extraction were drilled into this experimental volume of 24 m3 at a distance of 1 m from centre to centre. Both boreholes are equipped with a five-fold hydraulic multi-packer system (MPS). Due to a failure of the MPS in borehole BCL-10 during the baseline monitoring phase in May 2025, a new identical system was manufactured and installed at reduced distance of 0.7 m from the injection borehole in a new drilled borehole BCL-11. This reduction in distance makes it possible to make up for lost time to a certain extent. The old borehole BCL-10 was abandoned and sealed with resin. At the MPS two different depth levels of the injection borehole can be used for injection of CO2-enriched brine. Injection is achieved over a circulation system allowing for diffusive exchange between the formation and the porewater in the circuit/interval. CO2-dissolution happens through a membrane. The flux of CO2 injected into the system is controlled by temporal pressure decay in two connected pressure vessels and an additional gas flow meter in between. On the extraction side 3 intervals are connected to water circuits with membrane systems connected to gas loops and a custom-made gas spectrometer, a so called MiniRuedi. For the initial characterization of the experimental volume and the base-line monitoring phase the MMMS arrangement proved to be very valuable. The sensitivity and spatial resolution of the seismic system, ERT and FO sensing system proved to be adapted to the scale of the experiment and the expected effects in the system during the future injection. An extensive lab analysis programme on rock core samples is being carried out and yielded some first datasets. Modelling works with a special focus on the system understanding of CO2LPIE are running in parallel. The CO2 injection through a circulation system allowing for the assessment of diffusive exchange between CO2 dissolved in brine and pore water/rock is used here for the first time in the CCS-context. We expect much more system understanding and data of the geochemical exchange with this new setup than in former in-situ experiments. Hydraulic testing will be finalized soon and the last in-situ tests of the cabinets and system performance are underway. The experiment will be operational in October 2025 and the injection of CO2 can be started. According to the first interim report, we are on schedule to complete the project in line with the original application. This provides the basis for the SFOE to release the remaining funds as planned.

Documents annexés

• Interim report_english [PDF] 4'573 kB

Publications / Résultats (Français)

L'expérience CL étudie les effets hydrauliques, mécaniques et chimiques (HMC) de l'injection de CO2 dans des argiles à Opalinus intactes mais hétérogènes à faciès sableux dans des conditions in situ au laboratoire souterrain du Mont Terri. L'objectif est d'améliorer notre compréhension générale du comportement du caprock et de son intégrité, en mettant l'accent sur le CO2. Le dispositif expérimental innovant se compose de quatre forages d'observation réalisés aux angles d'un carré de 2 x 2 m jusqu'à une profondeur de 17.5 m. Ces quatre forages sont équipés d'un système de mesure multicapteur modulaire (MMMS) nouvellement développé qui permet une tomographie sismique active et passive à haute résolution temporelle et spatiale, une tomographie par résistivité électrique (ERT), une mesure de la déformation longitudinale, une mesure de la température et de la pression interstitielle. Les forages de 14.5 m de profondeur destinés à l'injection et au prélèvement ont été forés dans ce volume d'essai de 24 m3 à une distance de 1 m entre les axes. Les deux trous de forage sont équipés d'un système hydraulique multipacker quintuple (MPS). En raison d'une défaillance du MPS dans le forage BCL-10 pendant la phase d'équilibrage en mai 2025, un nouveau système identique a été fabriqué et installé dans un forage nouvellement foré, le BCL-11, à une distance réduite de 0.7 m du forage d'injection. Cette réduction de la distance permet de rattraper dans une certaine mesure le temps perdu. L'ancien forage BCL-10 a été abandonné et scellé avec de la résine. Le MPS permet d'utiliser deux profondeurs différentes du forage d'injection pour l'injection d'eau poreuse artificielle enrichie en CO2. L'injection s'effectue via un système de circulation qui permet un échange diffusif entre la formation et l'eau poreuse dans le circuit/intervalle. La dissolution du CO2 s'effectue à travers une membrane. Le flux de CO2 injecté dans le système est régulé par une chute de pression temporelle dans deux réservoirs sous pression reliés entre eux et un débitmètre de gaz supplémentaire situé entre ceux-ci. Du côté extraction, trois intervalles sont reliés à des circuits d'eau qui sont eux-mêmes reliés à des circuits de gaz via des systèmes à membrane et à un spectromètre à gaz spécialement conçu, appelé MiniRuedi. La configuration MMMS s'est avérée très utile pour la caractérisation initiale du volume d'essai et la phase de surveillance de base. La sensibilité et la résolution spatiale du système sismique, du système de capteurs ERT et FO se sont avérées adaptées à l'ampleur de l'expérience et aux effets attendus dans le système lors de l'injection future. Un programme complet d'analyses en laboratoire sur des échantillons de roches est actuellement en cours et les premières données sont disponibles. Parallèlement, des travaux de modélisation sont en cours, avec un accent particulier sur la compréhension du système CO2LPIE. L'injection de CO2 via un système de circulation permettant d'évaluer les échanges diffusifs entre le CO2 dissous dans l'eau interstitielle et l'eau interstitielle/la roche est utilisée ici pour la première fois dans le contexte du CSC. Cette nouvelle configuration devrait nous permettre d'obtenir beaucoup plus d'informations sur le système et de données sur les échanges géochimiques que les expériences in situ précédentes. Les essais hydrauliques seront bientôt terminés et les derniers contrôles du système sont en cours. L'expérience sera opérationnelle en octobre 2025 et l'injection de CO2 pourra commencer. Selon le premier rapport intermédiaire, nous sommes dans les délais pour mener à bien le projet conformément à la demande initiale. Cela constitue la base pour le déblocage du reste des fonds par l'OFEN.