Time-lapse crosswell seismic tomography for monitoring injected in an onshore aquifer, Nagaoka, Japan

Japan's first pilot-scale $CO_2$ sequestration experiment has been conducted in Nagaoka, where 10400 t of $CO_2$ have been injected in an onshore aquifer at a depth of about 1100 m. Among various measurements conducted at the site for monitoring the injected $CO_2$, we conducted time-lapse crosswell seismic tomography between two observation wells to determine the distribution of $CO_2$ in the aquifer by the change of P-wave velocities. This paper reports the results of the crosswell seismic tomography conducted at the site. The crosswell seismic tomography measurements were carried out three times; once before the injection as a baseline survey, and twice during the injection as monitoring surveys. The velocity tomograms resulting from the monitoring surveys were compared to the baseline survey tomogram, and velocity difference tomograms were generated. The velocity difference tomograms showed that velocity had decreased in a part of the aquifer around the injection well, where the injected $CO_2$ was supposed to be distributed. We also found that the area in which velocity had decreased was expanding in the formation up-dip direction, as increasing amounts of $CO_2$ were injected. The maximum velocity reductions observed were 3.0% after 3200 t of $CO_2$ had been injected, and 3.5% after injection of 6200 t of $CO_2$. Although seismic tomography could map the area of velocity decrease due to $CO_2$ injection, we observed some contradictions with the results of time-lapse sonic logging, and with the geological condition of the cap rock. To investigate these contradictions, we conducted numerical experiments simulating the test site. As a result, we found that part of the velocity distribution displayed in the tomograms was affected by artefacts or ghosts caused by the source-receiver geometry for the crosswell tomography in this particular site. The maximum velocity decrease obtained by tomography (3.5%) was much smaller than that observed by sonic logging (more than 20%). The numerical experiment results showed that only 5.5% velocity reduction might be observed, although the model was given a 20% velocity reduction zone. Judging from this result, the actual velocity reduction can be more than 3.5%, the value we obtained from the field data reconstruction. Further studies are needed to obtain more accurate velocity values that are comparable to those obtained by sonic logging.

일본 Nagaoka의 육상 대수층에 주입된 의 관찰을 위한 시간차 시추공간 탄성파 토모그래피

일본의 첫 번째 파일럿 규모의 $CO_2$격리실험이 Nagaoka 에서 약 1,100m 깊이의 육상 대수층에 10,400 톤의 $CO_2$를 주입하면서 행해졌다. 주입된 $CO_2$ 의 모니터링을 위해서 그 지역에서 행해진 다양한 측정들 중, P 파 속도의 변화를 이용하여 2 개의 관측정 사이에서 대수층 내의 $CO_2$ 분포를 알기 위해 시간차 시추공간 탄성파 토모그래피가 실시되었다. 이 논문은 탄성파 토모그래피에 대한 예비적인 결과들이다. 시추공간 탄성파 토모그래피 측정이 3 회에 걸쳐 실시되었는데, 한 번은 기준 조사로서 주입 전에, 나머지 두 번은 모니터링 조사를 위해 주입 중에 이루어졌다. 모니터링 조사로부터의 속도 분포도를 기준 조사 속도 분포도와 비교하여 속도 차 분포도가 만들어졌다. 속도 차 분포도는 주입된 $CO_2$가 퍼져있다고 예상되는 주입정 주변 대수층 부분에서 소도 감소 지역을 보여준다. 비록 탄성파 토모그래피가 $CO_2$주입에 따른 속도 감소 지역을 제공할 수 있었지만 속도 차 분포도에서 다소 이상한 속도 분포 지역이 관측되었다. 그러한 현상의 발생을 조사하기 위해서 조사 지역을 모사하는 수치모형 실험을 수행하였다. 그 결과 우리는 속도 차 분포도에서 발생한 이상한 속도 분포는 인위적인 오차이거나 이 지역에서 행해진 시추공간 탐사의 송수신기 배열에 의한 고스트라고 확신할 수 있었다. 토모그래피에 의해서 얻어진 최대 속도 감소 비율은 음파검층에 의해 관측된 것보다 아주 작았다. 비록 탄성파 토모그래피에 대한 수치모형 실험에 의해서도 불일치가 확인되었으나 음파검층에 의해 획득한 속도 값에 비교될 수 있는 좀 더 정확한 속도 값을 얻기 위해 앞으로 더 많은 연구가 필요하다.