Il monitoraggio geochimico nel Carbon Geological Storage : esperienze maturate in Italia - CO2Club
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Il monitoraggio geochimico nel Carbon
Geological Storage : esperienze
maturate in Italia
Prof. Salvatore Lombardi
Prof. Sabina Bigi
Laboratorio di Tettonica e Chimica dei Fluidi
CERI – Dipartimento di Scienze della Terra
CO2Club Open Forum
Open Forum sulle tecnologie di separazione, utilizzo e confinamento della CO2
Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma 16 aprile 2019
Argomenti della presentazione
Ø Note introduttive
Ø Presentazione del laboratorio
Ø Il monitoraggio geochimico nello stoccaggio
geologico della CO2 prodotta dall’uomo:
Ø Monitoraggio geochimico in terraferma e a mare
Ø Modalità di migrazione della CO2 in terreni fratturati
Ø Selezione dei siti
Ø CO2 «baseline»
Ø Rilevamento di «micro fughe»
Ø Test di iniezione di CO2, 4He, Ar
Ø Note conclusive
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
Roma
i
Laboratorio di Tettonica e Chimica dei Fluidi
Oltre 35 anni di esperienza nel monitoraggio della migrazione di gas
endogeni in sistemi fratturati (faglie)
Gruppo multidisciplinare di ricerca presso
CERI – Dipartimento di Scienze della Terra
Sapienza, Università di Roma
Geologia – Modellazione
Geologica
Geochimici – Geologi Strutturali –
Mineralogisti- Idrogeologi
Psicologi ed Esperti Ingegneri Minerari
di Comunicazione ed Elettronici
Prof. Sabina Bigi sabina.bigi@uniroma1.it
Prof. Salvatore Lombardi salvatore.lombardi@uniroma1.it
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Presentazione del laboratorio
ATTIVITA’ PROSPEZIONI
•PROSPEZIONE MINERARIA •In terraferma
•GEOTERMIA •Italia centro meridionale
•IDROCARBURI LIQUIDI E/O GASSOSI •Canada (Weyburn oil field)
•Grecia
•NEOTETTONICA
•INDIVIDUAZIONE FAGLIE SEPOLTE •Olanda
•TERREMOTI (ZONAZIONE-PRECURSORI) •Danimarca
•Inghilterra
•STOCCAGGIO GEOLOGICO •Argentina
•SCORIE RADIOATTIVE •Balcani
•CO2 PRODOTTA DALL’UOMO •Kirghistan
•Malta
•MONITORAGGIO AMBIENTALE
•INQUINAMENTO DELLE ACQUE •Cina
•SITI INDUSTRIALI
•CENTRALI ELETTRICHE •In mare
•GIACIMENTI DI IDROCARBURI •Mediterraneo
•Mar Nero
•Contratti CE, MIUR, CNR, Schlumberger, ENEL,
ENEA, Regione Lazio, Regione Umbria,
Ministero dello Sviluppo Economico
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European Projects
1. Helium4 - Field investigation with regard to the impermeability of clay 12. MovECBM - Monitoring and verification of CO2 storage and
formations (n°contract FI 1W/00063-I) - 1989-1991, principal ECBM in Poland (n°Contract FP6-038967) - 2006-2008,
investigator partner
2. The Refinement of Soil Gas Analysis as a Geological Investigative 13. CO2 GeoNet - Network of Excellence of Interlaboratory
technique (n°contract FP2-FI2W0064) – 1991-1995, coordinator Connection for CO2 Geological Storage (n°contract FP6-
3. Analysis of the Geo-Environmental Conditions as Morphological 502816) – 2004-2009, partner
Evolution Factors of the Sand-Clay Series of the Tiberina Valley and the 14. INTAS - Assessment of the feasibility of the CO2 storage in the
Dunarobba Fossil Forest Preservation (n°contract FP2-FI2W0121) – Russian permafrost (n°contract 1000025-9220) - 2006-2009,
1992-1995, coordinator Researcher
4. GSZ - Geochemical seismic zonation - seismic hazard zonation with a 15. CO2Remove – EU Integrated Project on Research into
multi-disciplinary approach using fluid-geochemistry (n°FP4- Monitoring and Verification Technology of CO2 Geological
ENV4960291) - 1996-1998; project leader Storage (n°Contract FP6-518350) - 2006-2012, partner
5. Natural analogue of the thermo-hydrochemical and thermo- 16. EUROFLEET - Towards an Alliance of European Research
hydromechanical response of clay barriers (n°contract FI4W950014) - Fleets
1996-1998, partner 17. RISCS - Research into Impacts and Safety in CO2 Storage
6. PROGRESS - Project of research into gas generation and migration in (n°contract FP7-240837) – 2010-2013, partner
radioactive waste repository system (n°contract FI4W960024) - 1996- 18. CGS Europe - Pan-European coordination action on CO2
1999, partner Geological Storage (n°contract FP7- 256725) – 2010-2013,
7. APELIK - Assessment and Prognosis of Environmental Changes in Lake partner
Issyk-Kul (Kyrgystan) (n°contract ICA2-CT-2000-10003) – 2000-2004, 19. ECO2 - Sub-seabed CO2 storage: Impact on marine eco-
partner systems (n°contract FP7-265847) – 2011-2015, partner
8. NASCENT - Natural Analogues to the Storage of CO2 in the Geological 20. SiteChar - Characterisation of European CO2 storage
Environment (n°contract FP5-ENK5-CT-2000-00303), 2001-2004, (n°contract FP7- 256705) – 2011-2013, partner
partner 21. R&Dialogue - Research and Civil Society Dialogue towards a
9. WEYBURN - The Weyburn CO2 Monitoring Project (n°contract FP5- low-carbon society (n°contract FP7-288980) – 2012-2015,
ENK5-CT-2000-00304) – 2001-2004, partner partner
10. CRIMEA - Contribution of high density gas seeps in the Black Sea to 22. ENOS - ENabling Onshore CO2 Storage in Europe (just funded)
methane emission in the atmosphere (n°contract EVK2-CT-2002- (2016-2020)
00162) – 2003-2006, partner 23. Respire – Radon real time monitoring and proactive inddor
11. INTAILRISK - Assessment of Environmental Risk of Radioactively remediation (2017-2020)
Contaminated Industrial Tailings (n°contract FP6-509214) - 2004-2007,
partner
* EC projects on Nuclear Waste repository °EC projects on GCS
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Monitoraggio geochimico
• Analisi gas del suolo
– Rn, CO2, H2, H2S (misure effettuate in campagna)
– CO2, He, idrocarburi (C1-C6), O2, N2, COS, SO2
• Flussi di CO2 e CH4
• Gas disciolti in acqua
– CO2, H2, C1-C6, H2S
• Isotopi stabili; isotopi dei gas nobili
• Monitoraggio in continuo in terraferma e a mare
Le indagini geochimiche sono spesso integrate da indagini geofisiche e
strutturali e dallo sviluppo di modelli di migrazione dei gas
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Tecniche di campionamento
Misure di flusso di CO2
Prelievo di campioni
di gas del suolo Monitoraggio CO2 a mare Esecuzione di log verticali
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Metodi di prospezione utilizzati a «Latera Natural Lab»
1980 - 2018
• Soil gas and CO2 flux
• Water chemistry
• Gas injection tests through faults
Ø Structural survey
ERT GPR
Ø Ground Penetrating Radar
Ø Microgravity
Ø Magnetometer
GPR
TDR TDR
Ø Seismic data Soil samples
Ø Electromagnetic survey
Principali collaborazioni
Ø Geo-electrical survey (resistivity survey)
a Latera (CO2GeoNet
Ø Spectral induced polarization partners):
Ø Self Potential Mapping • BGS
• BRGM
Ø Time Domain EM
• OGS
Ø Vertical Electrical Sounding (VES) • TNO
Ø Surface water conductivity survey
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
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Selezione dei siti: modalità di migrazione
dei gas in aree fratturate
fracture zone clay fracture zone
core
CO2 flux
1000 g/m2day
mature fault, at Latera caldera (Italy)
clay-rich, impermeable fault core
highly permeable lateral fracture
100
zones
10 CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
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0 2 4 6 8 10
Selezione dei siti: modalità di migrazione dei gas in aree
fratturate
Schema del
Procedimento: • Convenzione tra Schlumberger a LTCF
§ In due superfici della
faglia, ortogonali tra
loro, sono state
misurate le fratture
presenti e catalogate
secondo le loro
caratteristiche
principali (direzione,
lunghezza, larghezza,
riempimento, etc.)
§ Mediante l’uso di
software specifici è
stato costruito un
modello
tridimensionale della
permeabilità ai gas
della faglia in studio
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaSelezione dei siti: modalità di migrazione dei gas
in aree fratturate
Modello
tridimensionale
della migrazione
della CO2
endogena nella
Caldera di Latera.
I principali
allineamenti di
«migrazione» della
CO2 a Latera sono
orientati in due
direzioni principali:
circa N-S e NE
(secondo due dei
principali sistemi di
faglie).
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaSelezione dei siti: modalità di migrazione dei gas in aree
fratturate
Prospezione dei gas del suolo
a Latera: mappa regionale
della concentrazione di CO2
nei gas del suolo a Latera (> di
2000 misure)
I valori anomali di CO2 risultano
allineati secondo due direzioni
principali N-S e SO-NE, sia a livello
regionale che locale, in accordo:
• con due dei principali sistemi di
faglie
• con le informazioni fornite dal
modello tridimensionale di
migrazione della CO2.
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaMonitoraggio in continuo di acquiferi sub-superficiali
Variazioni temporali delle
concentrazioni di CO2 CO2%
4 URS2-CO2
disciolta negli acquiferi
superficiali presso 3
Nov – Dec 06
Camaiore. 2
Le variazioni temporali di 1 4
3
concentrazione sono 2 M
1
state accompagnate dalla 11/12/06 11/18/06 11/24/06 11/30/06
11/15/06 11/21/06 11/27/06 12/3/06
12/6/06 12/12/06 12/18/06 12/24/06
12/9/06 12/15/06 12/21/06 12/27/06
12/30/06
0
variazione di altri CO2%
URS2 - CO 2 May – Jun 07
parametri fisico-chimici 1.2
misurati presso la 0.8
stazione stessa (livello 0.4
4
3
2 M
piezometrico della falda 0 1
0
acquifera, h, X18, T. 5/5/07
5/8/07
5/11/07 5/17/07
5/14/07
5/23/07
5/20/07
5/29/07
5/26/07 6/1/07
6/4/07
6/7/07
6/10/07
6/13/07
6/16/07
I dati sono stati trasmessi
Variation of CO2 dissolved in water content induced by local earthquakes M< 3
in tempo reale al
laboratorio e al Comune
di Camaiore.
I dati di monitoraggio mostrano variazioni i di concentrazione della CO2 in
funzione di altrettante rapide variazioni di permeabilità e/o pressione del sistema
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaSelezione dei siti: riconoscimento di faglie sepolte potenziali
vie di migrazione dei gas
Faglia di
Candelaro
(Lucera)
Mappa gravimetria della Regione
antistante il Gargano. Le linee
tratteggiate indicano la presenza di
faglie sepolte oltre 1000m di
sedimenti argillosi
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaSelezione dei siti: riconoscimento di faglie sepolte potenziali
vie di migrazione dei gas Concentrazione di Radon 222Rn)
nei gas del suolo secondo un
Bacino di avanfossa – Lucera (Italia meridionale) profilo normale alla faglia del
8
Candelaro
160 F F
150 Lunghezza del profilo 10km
140
6
130
Densità di campionamento 1/50m
CO2 (%, v/v)
120
110
up to 17 %
BG
100
Rn (Bq/L)
4
90 F F
80
60
70
Lucera
Anomaly
50
40
30
2 Luceravillage
village
anomaly
threshold
Moving
20
10
00
BG average
SW 0 4.8 9.6 14.4 19.2 24 28.8 33.6 38.4 43.2 48 km NE
SW 0 48 km NE
A A F4 B B
a.s.l. a.s.l.
0 0
-500
1
-1000
-1000 2
metres
metres
-1500
-1500
3
-2000
-2000
4
-2500
-2500
Horizontal scale: 1/200.000
5
-3000
-3000
q=1.80 g/cm
3 MODEL
q=2.00 g/cm3GRAVITY
q=2.15 g/cm3 PROFILE
q=2.25 g/cm3 q= 2.60 g/cm 3
(Di Filippo et al., 1997) and clays and
conglomerates marly clays clayey marls limestones fault
alluvial deposits sands and sands and sands
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaSelezione dei siti: riconoscimento di faglie sepolte potenziali vie
di migrazione dei gas in analoghi naturali
VASTO
Mappa delle isocrone
del top della
piattaforma Apula
VASTO (1987/88)
Contour map delle
concentrazioni di He
(Campionamento regionale)
VASTO
(2004/05)
Contour map delle
concentrazioni di He
(Campionamento regionale)
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaMonitoraggio discontinuo a mare: Mar Nero (Crimea EC project)
Nell’ambito del progetto i ricercatori del LTCF hanno campionato ed analizzato campioni di acqua
in diversi profili (densità di campionamento compresa tra 1/25 e 1/50m) dalla superficie fino a
profonderà superiori ai 2000m). Sono stati analizzati sia i tenori dei gas disciolti che i parametri
chimico-fisici delle acque al fine di individuare fughe di gas (CH4, C2) da giacimenti di metano.
CH4 (nM) CH4 / C2H6
0 4000 8000 12000 16000 0 400 800 1200 1600 2000
conductivity, oxygen
0
400
Depth (m)
800
1200
- CH4 concentration and CH4 / C2H6 profiles show interesting boundaries and relationships with other parameters, as described in the following slides
1600
2000
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaMonitoraggio in continuo in mare (ECO2 EC project)
WP2.2 Stazioni di monitoraggio in continuo di CO2 a Panarea
n. 6 GasPro (stazioni di monitoraggio progettate e
costruite in sede) sono state collocate sul fondo del
mare a Panarea a diversa distanza dalle principali
manifestazioni gassose
Sono state effettuate misure
di T e di concentrazione dei
gas disciolti nelle acque
(CO2, CH4) ogni due ore. I
dati sono stato trasmessi al
laboratorio ogni 12 ore e, via
internet, sono stati messi a
disposizione dei cittadini di
Panarea.
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaMonitoraggio in continuo in mare CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019, Roma
Monitoraggio discontinuo dei gas del suolo Weyburn –
(Weyburn EC project)
12
10
Soil Gas CO2 (%)
8
6
4
2
0
July 2001 Sept 2001 Sept 2002 Oct 2003 Oct 2004 Oct 2005
Sampling Campaign
• Results from 360 point grid - samples collected over 5
years, during different seasons
• Values decrease over time – more near-surface biological
CO2 produced during warmer, wetter summer.
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaMonitoraggio discontinuo dei gas del suolo
Weyburn –(Weyburn EC project)
Nel grafico sono riportati i valori della media ponderata dei dati di CO2 per le singole
campagne di monitoraggio fatte a Weyburn. Il grafico evidenzia la dipendenza di tali
valori dalla stagione in cui è stata effettuata la campagna di monitoraggio. In assenza
di apporti profondi di CO2, tali valori permettono di stabilire i valori di concentrazione
di CO2 dovuti ad attività biologica (baseline). Questi dati ed altri raccolti ad hoc sono
stati utilizzati in una causa tra le compagnie petrolifere operanti a Weyburn e alcuni
agricoltori locali.
Importanza della «CO2
baseline» per:
• Aspetti legali
• Aspetti legislativi
• Economici
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaCO2 baseline nell’ Italia centro meridionale
Oltre 10.000 dati di
L’apporto di CO2 endogena è legato all’assetto
concentrazione CO2 nei geologico strutturale delle aree in studio
gas del suolo sono stati
utilizzati per la costruzione
Normal Probability Plot
dei grafici riportati in figura.
I dati sono stati presi in
«ambienti» geologici
diversi: aree vulcaniche;
avanfossa adriatica; bacini
intermontani (zone
sismiche); bacini neogenici
(margine tirrenico).
Il grafico mostra: una
popolazione (valori di CO2)
comune (CO2 baseline);
popolazioni formate da alti
valori di CO2 che indicano
la presenza di una CO2
endogena.
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaCO2 baseline nell’ Italia centro meridionale
L’analisi delle popolazioni dei valori di CO2 simili nei diversi assetti studiati mette
in evidenza che possiamo considerare come valori di fondo (o baseline)
concentrazioni di CO2 nei suoli fino al 5% (v/v). In alcune aree i valori di
background sono costituiti dai valori dovuti ad attività biologica con apporti (non
elevati) di CO2 endogena.
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaMonitoraggio di “micro fughe” a Kaniov, Polonia
(MOVCBM EC project)
Mappa regionale della CO2 nei
Il monitoraggio geochimico è molto «sensibile»
suoli a Kaniov, Polonia. Il e può dare segnali «precursori» di fughe di CO2
monitoraggio discontinuo è stato dai serbatoi di stoccaggio di CO2
effettuato a un anno dalla
chiusura del pozzo di iniezione di
oltre 1Milione di tonnellate di
CO2.
La campagna di prospezione ha
messo in luce la presenza di %, v/v
micro fughe di gas nelle
vicinanze del pozzo di iniezione
dovute a faglie esistenti e/o a
fratture indotte durante la
perforazione del pozzo.
I dati geochimici sono in accordo
con i risultati ottenuti da indagini
geofisiche condotte dalla
Schlumberger
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaMonitoraggio “ microfughe” intorno al pozzo di iniezione a
Kaniow
CO2 CO2 flux
CH4 He
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaTest di iniezione di CO2 a Siena
(Progress, EC project)
Fasi dell’esperimento:
• individuazione di faglie (profili sismici)
• Perforazione di un pozzo inclinato di
iniezione e due piezometri
• Indagine stratigrafica
• Indagine idrogeologica
• Monitoraggio dei gas del suolo
(baseline)
• Iniezione (alternata) di CO2 ed elio-4
profondità di iniezione circa 25m
• Campionamento temporale di gas del
suolo in oltre 40 stazioni fisse e di
campioni di acqua dai piezometri
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaSelezione dei siti: test di iniezione (Bacino di Siena)
Risultati principali ottenuti:
• Tempi di risalita (breakthrough time) e di «durata» temporale delle
anomalie
• Validazione dei modelli di migrazione in sistemi fratturati
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaSelezione dei siti: test di iniezione (Bacino di Siena)
Test di iniezione
“Tempi di risalita”
di elio e CO2
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaNote conclusive
Ø Il monitoraggio geochimico, discontinuo e/o continuo, è
di fondamentale importanza nei vari stadi dello
stoccaggio geologico della CO2
Ø Selezione dei siti
Ø Individuazione di eventuali «micro fughe» di CO2
(e/o CH4) nei siti di stoccaggio sia nel periodo di
attività (fase di iniezione) che nella fase susseguente
(chiusura – post iniezione)
Ø I dati ottenuti durante il monitoraggio geochimico sono
anche importanti per:
Ø La comunicazione con gli «stakeholders»
Ø Gli aspetti legali e legislativi
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaGrazie per l’attenzione
salvatore.lombardi@uniroma1.it
CO2Club Open Forum - 16 Aprile 2019,
RomaPuoi anche leggere
