DEPOSITIONAL CONTROLS ON CO2 STORAGE IN CARBONATE RESERVOIRS: FROM SUBSURFACE TO SIMULATION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MScThesis - Sani Yusmananto - G202211220.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 16 July 2025. Download (8MB)

Arabic Abstract

الإطلاق الكبير لغازات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، المرتبط بأنشطة الحقبة الأنثروبوسينية، يُعزى إلى الزيادة السريعة في درجة حرارة الأرض اليوم. وقد بُذلت جهود كبيرة لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون واستخدام المكامن المستنفدة كأماكن تخزين دائمة تحت سطح الأرض لثاني أكسيد الكربون. في الشرق الأوسط، على الرغم من أن المكامن الكربونية المتكدسة من العصر الطباشيري الأوسط قد تكون هدفًا مثاليًا لتخزين ثاني أكسيد الكربون بأمان، فإن فهمنا لكيفية تحكم الطبقات الرسوبية في آليات احتجاز ثاني أكسيد الكربون في المكامن الكربونية غير المتجانسة لا يزال محدودًا. تستخدم هذه الدراسة بيانات مفتوحة من النموذج COSTA (2022) لتوصيف نموذج المكامن الكربونية لعضو خريب العلوي (UKM) من العصر الطباشيري السفلي. تشمل الأهداف الرئيسية دراسة تأثير التباين الترسيبي على تحديد مواقع تخزين ثاني أكسيد الكربون وآليات الاحتجاز في المكامن الكربونية غير المتجانسة، واقتراح معايير جيولوجية أولية لتخزين الكربون بناءً على توزيع الطبقات الرسوبية، ونمذجة تأثيرات حقن ثاني أكسيد الكربون على نطاق الحقل على الديناميكيات تحت السطحية داخل المكامن الكربونية لعضو خريب العلوي، وخاصة في سياق المياه الجوفية المالحة العميقة. تكشف النتائج عن وجود أربع مجموعات مميزة من الطبقات الرسوبية (FA1-FA4) في عضو خريب العلوي (UKM). تظهر المجموعات الرسوبية FA1 وFA2 (الضفة والمنحدر الداخلي)، التي تتواجد بشكل رئيسي في الجزء العلوي من الخزان، خصائص ممتازة، مما يشير إلى إمكانياتها الكبيرة في احتجاز ثاني أكسيد الكربون الهيكلي. تتمتع هذه الطبقات بسمك متوسط يبلغ 60 قدمًا، وتتراوح المسامية والنفاذية بين 20-35% و50-1000 ملي دارسي، على التوالي. أما الطبقات الرسوبية للمنحدر الأوسط (FA3)، التي تتواجد بشكل رئيسي في الجزء الأوسط إلى السفلي من الخزان، فتغطي حوالي 60% من السمك الكلي لعضو خريب العلوي. تمتاز بجودة خزان معتدلة إلى منخفضة، مع إمكانية لآليات الاحتجاز المتبقي/الشعري، بسمك صافي متوسط يبلغ 100 قدم وتتراوح المسامية والنفاذية بين 10-25% و5-50 ملي دارسي، على التوالي. أما الطبقات الرسوبية للمنحدر الخارجي (FA4) فهي الأرق بمتوسط سمك يبلغ 10 أقدام، وتعرض أدنى جودة للخزان، حيث تقل المسامية عن 5% والنفاذية عن 1 ملي دارسي. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر نتائج محاكاة الخزان زيادة في انحلال الكالسيت، وانخفاض في ملف الأس الهيدروجيني للخزان، وزيادة في ضغط الخزان نتيجة حقن ثاني أكسيد الكربون. يكشف النهج القائم على النمذجة بالطبقات عن التباين في نمط التراص العمودي وتفاوت آليات الاحتجاز المحتملة. يكون الاحتجاز المتبقي عمومًا أعلى في طبقات المنحدر الأوسط بينما يكون الاحتجاز الهيكلي أكثر انتشارًا في طبقات المنحدر العلوي والضفة. يمكن أن تسهم هاتان الآليتان في تصميم أفضل لتخزين ثاني أكسيد الكربون عبر المنصة الكربونية. تساهم هذه الدراسة بشكل كبير في فهمنا الكمي لتخزين ثاني أكسيد الكربون في المكامن الكربونية، وبشكل خاص في المكامن الكربونية لعضو خريب العلوي. يمكن أن تُسهم النتائج المكتسبة في استراتيجيات إدارة الخزانات بشكل فعال، مما يحقق تحسينًا في تخزين ثاني أكسيد الكربون مع تقليل المخاطر تحت السطحية والبيئية. من خلال الكشف عن العلاقة بين حقن ثاني أكسيد الكربون والديناميكيات تحت السطحية وآليات الاحتجاز القائمة على الطبقات الرسوبية، توفر هذه الدراسة أساسًا لاتخاذ قرارات مسؤولة وعمليات تخزين ثاني أكسيد الكربون في الشرق الأوسط وما وراءه. تؤكد هذه الدراسة على أهمية النظر في جودة المكامن الكربونية وتباينها في تصميم مشاريع حقن ثاني أكسيد الكربون، مما يساهم في إدارة الكربون بشكل مستدام وتمكين مبادرات أكثر كفاءة للتخفيف من تغير المناخ خاصة في منطقة الشرق الأوسط.

English Abstract

The significant release of CO2 gases into the atmosphere, associated with Anthropocene activities, has been attributed to the rapid increase in global today’s temperature. Significant efforts have been attempted to capture CO2 and use depleted reservoirs as permanent subsurface storage for CO2. In the Middle East, while the stacked Mesozoic carbonate reservoirs may act as an ideal target to safely store CO2, our understanding on how depositional facies controls CO2 trapping mechanisms in heterogenous carbonate reservoirs remains limited. This study utilizes subsurface open data from the COSTA Model (2022) to characterize the carbonate reservoir model of the Lower Cretaceous Upper Kharaib Member (UKM). The main objectives include investigating the impact of depositional heterogeneity on identifying CO2 storage sites and trapping mechanisms in heterogeneous carbonate reservoirs, proposing preliminary geological criteria for carbon storage based on facies distribution, and modelling the effects of CO2 injection at a field scale on subsurface dynamics within the Upper Kharaib Carbonate Reservoirs, particularly in a deep saline aquifer context. The results reveal four distinct facies associations (FA1-FA4) in the Upper Kharaib Member (UKM). Facies associations FA1 and FA2 (Shoal and Inner Ramp), predominantly found in the upper part of the reservoir, exhibit excellent reservoir properties, suggesting their significant potential for CO2 structural trapping. These facies have an average thickness of 60 ft, with porosity and permeability ranging from 20-35% and 50-1000 mD, respectively. The Middle Ramp Facies (FA3), mainly present in the middle to lower part of the reservoir, covers about 60% of the UKM's total thickness. It has moderate to low reservoir quality, offering potential for residual/capillary trapping mechanisms, with an average net thickness of 100 ft and porosity-permeability ranging from 10-25% and 5-50 mD, respectively. The Outer Ramp Facies (FA4) has the thinnest average thickness of 10 ft and the poorest reservoir quality, with porosity less than 5% and permeability below 1 mD. Additionally, reservoir simulation results indicate increased calcite dissolution, a lower reservoir pH profile, and higher reservoir pressure due to CO2 injection. The facies-based modeling approach highlights the vertical stacking pattern variation and heterogeneity of potential trapping mechanisms. Residual trapping is generally more significant in the Middle Ramp Facies, while structural trapping is more prevalent in the Upper Ramp and Shoal Facies. These insights can inform a more effective design for CO2 storage across the carbonate platform. This research significantly advances our quantitative understanding of CO2 storage in carbonate reservoirs, specifically in the Upper Kharaib Carbonate Reservoirs. The insights gained can inform effective reservoir management strategies, optimizing CO2 storage while minimizing subsurface and environmental risks. By uncovering the relationship between CO2 injection, subsurface dynamics, and facies-based trapping mechanisms, this study provides a foundation for responsible decision-making and CO2 storage operations in the Middle East and beyond. It underscores the significance of considering carbonate reservoir quality and heterogeneity in designing CO2 injection projects, contributing to sustainable carbon management and enabling more efficient climate change mitigation initiatives especially in the Middle East region

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Earth Sciences
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Committee Advisor:	Koeshidayatullah, Ardiansyah
Committee Members:	Al-Ramadan, Khalid Abdulsamad and de Periere, Matthieu Deville
Depositing User:	SANI YUSMANANTO (g202211220)
Date Deposited:	17 Jul 2024 06:41
Last Modified:	17 Jul 2024 06:41
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143000