Blue Ribbon Commission Initial Technical Briefing · Blue Ribbon Commission Initial Technical...

63
Blue Ribbon Commission Initial Technical Briefing April 5, 2013 LSU 1

Transcript of Blue Ribbon Commission Initial Technical Briefing · Blue Ribbon Commission Initial Technical...

Blue Ribbon Commission Initial Technical Briefing

April 5, 2013LSU

1

Why Are We Here?

Emergency Situation with Evacuation Order• Residents been out of 150 homes since August 3, 2012

• 245 days, 35 weeks, 9 months

A World of SolutionsTM 3

Bayou Corne Community

700’

A World of SolutionsTM 4

1. Determine the amount of natural gas that may remain in the Mississippi River Alluvial Aquifer (MRAA) and shallow subsurface underlying the evacuation area to allow community members to safely return to the evacuation area.

2. Determine the current and future structural stability of the western edge of the Napoleonville Salt Dome with consideration of salt cavern operations and public safety.

3. Determine the stability and management of the sinkhole and underlying DRZ to protect public safety.

Major Issues to Address 

A World of SolutionsTM 5

1. Establish appropriate remediation/monitoring benchmarks or conditions to ensure sustained public safety.

2. Define additional data needed to assess current conditions and define remediation/monitoring benchmarks.

Commission Must Address Two Key Factors:

A World of SolutionsTM 6

Observation/Relief Wells– 30 installed, 16 flaring gas – 85‐100 mcf/day– None installed in community to date – Studying feasibility of horizontal wells to vent gas below 

community

Berm  – Initial berm installed along estimated boundary of sinkhole– Work ongoing to make structure permanent

Ongoing pressure monitoring in nearby caverns, seismic monitoring from surface arrays, 450‐ft. subsurface array

Home monitoring – 80 LEL/H2S monitor sets installed on 35 properties– Under‐slab sampling beginning, some methane detected

Ongoing Remediation/Response Activities

A World of SolutionsTM 7

3D seismic—seismic investigative method used to image geologic formations, and gas and oil reservoirs in subsurface

CB&I—formerly Shaw, Shaw purchased by CB&I on Feb. 13, 2013 CERI—Center for Earthquake Research and Information @ Univ. Memphis DRZ—Disturbed Rock Zone, zone of fractured and broken rock adjacent to 

and above Oxy 3 cavern, also called collapse zone Gas—Natural gas migrating through DRZ into MRAA and spreading out over 2 

square miles of MRAA, >95% methane MEQ—Microearthquake, seismic event from rock breaking MIT—Mechanical integrity test MRAA—Mississippi River Alluvial Aquifer, sand and grave aquifer used for 

industrial water supply in vicinity of Napoleonville Salt Dome ORW—Observation/relief well, aka vent well, for flaring gas TBC—Texas Brine Corporation VLP—Very long period seismic event (indicates fluid flow) VSP—Vertical seismic profile

Definitions and Acronyms

Napoleonville Salt Dome Location

NSD Location

A World of SolutionsTM 10

South Louisiana shallow/surface geology relatively young

Primarily Holocene/Pleistocene‐age sediment deposition from shifting courses of Mississippi River

Interbedded sand, silt and clay in shallower formations, trending toward alternating thicker units at depth

Deeper units Miocene and older Production units named from forams (tiny fossils) Numerous faults around flanks of dome

Regional Geology

A World of SolutionsTM 11

Salt domes common across South Louisiana LouAnn Salt—Thick early Jurassic salt layer at approximately 40,000 feet

Salt deposition from marine waters as North and South America separated

Weight/pressure of overlying formations pushes salt upward through fractures and/or discontinuities in overburden toward surface because salt has lower density than overlying formations

South Louisiana Salt Domes

A World of SolutionsTM 12

Salt forms column as it rises – friction commonly creates brittle, porous cap rock and highly pressured, impermeable side boundary creating shale sheath

Salt dome column creates complexity in nearby geologic formations by pushing upward and piercing overlying layers

Formations develop local fractures and faults as they dip upward and pinch out around salt dome boundaries

Irregular side boundaries of salt domes can create hydrocarbon traps in producing formations on flanks of dome

Salt Dome Interaction

A World of SolutionsTM 13

Freshwater injected into salt dome formation to dissolve salt and return it to surface – creates brine‐filled cavern over time

Some strictly used to create brine for use by industry for various purposes

Some brine‐mined caverns have been converted to storage of hydrocarbons –impermeability of salt formations considered ideal for hydrocarbon storage

Some caverns solution mined specifically to create hydrocarbon storage space

Solution Mining in Salt Domes

Brine

Fresh water

Diesel pad

A World of SolutionsTM 14

“Salt creep” – Effects of pressure of surrounding formations and plasticity of salt, salt caverns can begin to close, pressure rises when shut in or plugged

“Gassy salt” – Some salt domes release natural gas trapped in formation as salt is dissolved during brining

Casing/wellbore failure – Pipe/well infrastructure fails due to pressure/age, creating loss of mechanical integrity

Cavern collapse – Solution‐mined caverns brined too close to top of salt dome have collapsed to surface due to weight of overlying formations (No known incidence of sidewall collapse previous to Oxy 3 in 2012)

Historic Issues in Solution Mining

A World of SolutionsTM 15

Actively operated over area of about 1 mile (N‐S) by 3 miles (E‐W) – 54 caverns created since 1950s

Mix of brine mining to support petrochemical industry, hydrocarbon storage –

No previous cavern collapse history – One previous hydrocarbon storage cavern casing failure 

leading to release and evacuation in 2003 (Gulf South incident)

3 caverns plugged and abandoned

Napoleonville Salt Dome

A World of SolutionsTM 16

Napoleonville Salt Dome Caverns

A World of SolutionsTM 17

Aquitard

Napoleonville Salt Dome

Consolidated silts and clays

Sand

Mississippi River Alluvial AquiferCap Rock

Sand

Sand

Sand Sand

0’

‐11,000’

‐5,000’

Elevation (ft)

0 6 miles

3:1 Vertical ExaggerationWest East

Sand 2.5 miles

‐2,500’

‐7,500’

Sand unit depths are conceptual only pending 3D seismic data.Gas and crude oil trapped along flanks of dome.

Conceptual Cross‐section Of Napoleonville Salt Dome

Caverns (conceptual)

Oxy 3

A World of SolutionsTM 18

Mississippi River Alluvial Aquifer– Top aquifer—120 ft.– Base between—400‐600 ft.– Water not used as drinking water due to dissolved solids (5,000) and 

chlorides (2,500)

Cap rock above salt dome– Top—475' – Bottom— 700‐1,000' feet'– Anhydrite and gypsum

Miocene soft rock, sands, silts, clays, on western flank of dome

Salt dome – extends from ~ 700‐1,000 feet down to source layer at approx. 40,000 ft.

Site Geology

A World of SolutionsTM 19

Area around salt dome has been explored over time for oil/gas production potential

Little production at depths shallower than base of Oxy 3 (5,600 feet)

Mixed results at depths correlating to Oxy 3 cavern base (6,000 ft. to 8,000 ft.) – many dry holes, producing wells have not generally had strong initial production and have tended to play out relatively quickly

Complex nature of geology near salt dome (updips, localized faults etc.) mean productive depths/formations not homogenous over wider area

Local Hydrocarbon Production

A World of SolutionsTM 20

Oxy Geismar 3 permitted/began brining in 1982 Operated without incident until September 2010 Operator (Texas Brine) prepared to set new casing seat at about 2,400 feet – milled out section of casing

Attempt to perform MIT failed, system would no longer hold pressure

Texas Brine plugged cavern well with cement from 2,500 ft. to surface in June 2011

Oxy 3 Operational Timeline

A World of SolutionsTM 21

Vertical Seismic Profile (VSP) indicated base of cavern closer to edge of salt than previously believed but cavern collapse was not concern at time 

No indication of problems until reports of tremors & gas bubbling in nearby waterways in May/June 2012

Tremors felt by nearby residents, USGS seismic monitors installed in July indicated seismic activity centered on western side of dome

Monitoring indicated several hundred significant seismic events a day in days before sinkhole observed on Aug. 3, 2012– Termed slurry hole because it was full of debris– Evacuation order issued by parish 

Initial Indications of Oxy 3 Cavern Collapse 

A World of SolutionsTM 22

Closest cavern to western boundary of salt dome

Top of salt at 700 ft., cavern roof at 3,400 feet, base of cavern at 5,600 ft.

Failure/collapse of sidewall of brine‐mined salt cavern Oxy Geismar 3

Likely began several months prior to initial indications at surface

Collapse at ~5,600 feet fractured to surface creating Disturbed Rock Zone (DRZ), zone of broken rock

DRZ now pathway for formation water, crude oil, natural gas to flow from deep formations to surface 

MRAA aquifer sands flow down into DRZ, Unknown if salt involved in collapse

What Happened?

A World of SolutionsTM 23

Growth of DRZ (view towards SE)

A World of SolutionsTM 24

1. Collapse of cavern still ongoing as cavern space continues to fill in with sedimentary material

2. Subsurface movement continually changing width/depth of sinkhole as cavern fills and natural gas/crude oil are released from disturbed rock zone

3. Natural gas still flowing to surface/aquifer, occasional “burps” through sinkhole as void spaces shift

4. Natural gas bubbling to surface over ~ 2 square miles

Ongoing Cavern Collapse

A World of SolutionsTM 25

Seismic Monitoring Array

A World of SolutionsTM 26

Example: Active Seismic Period, 1/19/2013

A World of SolutionsTM 27

Seismic Events Histograms Associated With Oxy 3 Collapse

VLP Events—Very Long Period events indicting fluid movement

MEQ Events—MicroEarthQuakesindicating rock breaking

Ongoing data processing and analysis by Dr. Horton, CERI, and Dr. Pettitt, ItascaMarch 2013 data

A World of SolutionsTM 28

MicroEarthQuake (MEQ) Events

March 13, 2013events

A World of SolutionsTM 29

Very Long‐Period (VLP) Events

March 28, 2013events

A World of SolutionsTM 30

3830

3880

3930

3980

4030

4080

9/29 10/29 11/29 12/29 1/29

VERT

ICAL

 DEP

TH (FEET)

OXY 3 CAVERN FILL DEPTH & FILL RATE

248 ft over 124 d2.0 ft/d

(1,450,000 bbls or 302,000 cy)

Cavern filling in over time as rock breaks and fills in 

Filling rate 1‐2 feet per day Western wall of cavern still 

collapsing Major fill event of 100’ from 

1/17/2013 to 1/31/2013—related to seismic activity

Roof of cavern at 3400’, ~450’ to fill and January 29,2013

Next Oxy 3A bottom tag and sonar scheduled for April 9, 2013

Instability will likely continue at least until cavern is full

Cavern In‐filling Rate

A World of SolutionsTM 31

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1/12

1/19

1/26

2/2

2/9

2/16

2/23

3/2

3/9

3/16

3/23

3/30

4/6

4/13Pressure (p

si)

Oxy 3a Cavern Pressure Related To Burps In Sinkhole

Sinkhole Burp Events

Rapid Increase to 1150 psi

Collapsed hole re‐opened, crude oil removed

Hydrocarbon removal

Removal of brine

Hole blocked at 2,600’

A World of SolutionsTM 32

Other Caverns in Vicinity of Oxy 3

Salt dome

Cap rock

Bottom aquifer

Top aquifer

Caverns

Looking north, no vertical exaggeration

Sinkhole

A World of SolutionsTM 33

2013 VSP data delivered March 2013 indicates Oxy 1 is near the edge of salt.

Initial sinkhole analysis of potential Oxy 1 collapse

– Sinkhole most likely diameter estimation (if it happened) is 460 ft

– Sinkhole most likely depth estimation (if it happened) is 80 ft

Oxy 1 has been evaluated by DNR’s four cavern experts—no indication of instability at present.

Most seismic events adjacent to Oxy 3. Best thing to do with Oxy 1 is maintain 

pressure and monitor microseismic activity.

Any future collapse would be preceded by months of seismic activity near Oxy 1.

Oxy 1 Stability

A World of SolutionsTM 34

Sinkhole Size Itasca Model Results for Oxy 1 Collapse

A World of SolutionsTM 35

2. BAYOU CORNE SINKHOLE

Continuously changing

A World of SolutionsTM 36

• Main sinkhole area—12+acres

• Settlement area—25 acres• Volume 1.2 million yd3 –increased from 550,000 yd3in October 2012

• ~700,000 yd3 migrated down DRZ

• Berm around outside of sinkhole to contain contamination

Sinkhole March 2013

W‐E Section

S‐N Sectio

n

A World of SolutionsTM 37

Itasca Modeling of Sinkhole Size

Sinkhole DiameterMost Likely = 734 ftWorst Case = 1400 ft

Sinkhole DepthMost Likely = 144 ftWorst Case = 346 ft

Itasca analysis

A World of SolutionsTM 38

Sinkhole Fall 2012

A World of SolutionsTM 39

Sinkhole January 2013

A World of SolutionsTM 40

Sinkhole with Berm  March 2013

1000'1000'

A World of SolutionsTM 41

Sinkhole Changes Animation

A World of SolutionsTM 42

Sinkhole Cross‐Sections

‐450

‐400

‐350

‐300

‐250

‐200

‐150

‐100

‐50

0

0 100 200 300 400 500

Dep

th (ft)

Distance (ft)

CROSS‐SECTION S‐N

Depth 3/11/2013

Depth 1/11/2013

Depth 12/10/2012

Depth 11/16/2012

Depth 11/1/2012

Depth 10/30/2012

Depth 10/9/2012‐450

‐400

‐350

‐300

‐250

‐200

‐150

‐100

‐50

0

0 100 200 300 400 500

Dep

th (ft)

Distance (ft)

CROSS‐SECTION W‐E

Depth 3/11/2013

Depth 1/11/2013

Depth 12/10/2012

Depth 11/16/2012

Depth 11/1/2012

Depth 10/30/2012

Depth 10/9/2012

A World of SolutionsTM 43

Sinkhole Tides Video

Video courtesy John Boudreaux, Assumption Parish OEP

A World of SolutionsTM 44

0

20

40

60

80

100

120

0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 70,000 80,000

10/4 TDS 11/14 TDS Avg Industrial Well TDS Sea Water

Sinkhole Total Dissolved Solids 

71,700

58,500

Based on concentration trend, TDS at ~350 feet = saturated brine TDS of 250,000 mg/L, bottom of alluvium @ ~450 feet

A World of SolutionsTM 45

3. Natural Gas (~99% methane) Migrating into MRAA

A World of SolutionsTM 46

Natural gas flowing into aquifer thru DRZ and spreading laterally over 2 sq. miles – gas column 2 ft. to 10 ft. thick

Estimated 45 mmcf (million cubic feet) in place, about 12 mmcf vented to date

Gas bubbling at over 50 identified bubble sites Gas bubbling observed in Bayou Corne community after rains

Depth and volume of reservoirs feeding natural gas currently being evaluated

Natural Gas Metrics

A World of SolutionsTM 47

Gas Bubble Locations and ORW Vent Wells

A World of SolutionsTM 48

Quantify Flow Rates of Gas Bubbles with the Bubble‐o‐Meter

Results—5 to 50 cubic feet per hour (100 to > 1,000 ft3/day)Known bubble sites—15 mcfd total over 26 sites

Used to calibrate biweekly videos

A World of SolutionsTM 49

Sinkhole “Rain‐drop” Bubbles video

Video courtesy John Boudreaux, Assumption Parish OEP

A World of SolutionsTM 50

Gas Thickness Map

A World of SolutionsTM 51

Clay 

Shale

Gas Migration Conceptual Model

Sand

Sand andgravel

Gravel

Fine sand

DRZ

Sinkhole

Gas

Gas

Gas

Not to scale

Bayou Corne

Conceptual Shallow Gas Model

SWAMP GAS

FORMATION GAS

Barometric pressure changes can  affect pressures day to day

Calculated gas flow rate very low

A World of SolutionsTM 53

Potential Gas Migration Into Homes

Clay Aquitard

Aquifer

Gas

From collapse zone

Slab‐on‐gradeConcern

Crawl spaceConcern

PiersNo Concern

A World of SolutionsTM 54

24 Geoprobe wells at depths of 20‐40 feet

Positive pressures over monitoring area

Bubbling observed in some wells Some wells self purge—lift water 

column when wellhead valve opened

Low pressures  (< ½ psi)are likely result of barometric pressure changes

Formation pressures are about the same across Bayou Corne area when water levels and depths are accounted for

Shallow Geoprobe Wells Monitor Pressure

A World of SolutionsTM 55

Gas Isotope Evaluation

Evaluation by Dr. Jonathan Myers, CB&I

1

10

100

1,000

10,000

100,000

1,000,000

‐90 ‐80 ‐70 ‐60 ‐50 ‐40 ‐30

C1/(

C2+

C3)

δ13C in Methane

Figure 2. Gas Ratios versus Carbon Isotope Ratios in Methane

ORWs

Bubble Sites

Oxy‐3 Cavern

Residential

Industrial Wells

Oxy‐1 Cavern

Biogenic Field

Thermogenic Field

A World of SolutionsTM 56

Source Horizons for Gas

A World of SolutionsTM 57

Vent Wells

Bayou Corne

A World of SolutionsTM 58

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

8,000

9,000

10,000

11,000

12,00010

‐16

11‐15

12‐15

01‐14

02‐13

03‐15

Cumulative Gas Flared (M

CF)

Vent Well Performance

Cumulative Flare Total (mcf)

85.3

16

0

5

10

15

20

25

30

0

50

100

150

200

250

300

10‐30

11‐29

12‐29

01‐28

02‐27

03‐29

Num

ber o

f Rel

ief W

ells

Fla

ring

Total G

as Flared (M

CFD)

Daily Vent Well Total

Total Daily GasFlaredNumber of ReliefWells Flaring

A World of SolutionsTM 59

Next Steps

A World of SolutionsTM 60

1. 2013 3D seismic survey to 7000 feet to image collapse zone and determine potential gas production zones

2. Oxy 3 bottom tag and sonar3. Final geotechnical analysis of core from 1,000‐foot well4. 3D geomechanical modeling of cavern stability and Oxy 3 collapse5. Replacement of deep salt seismic array originally installed in Oxy 1

a) Oxy 1 array had noise issuesb) TBC with MEQGeo and Magnitude (France) looking at various options for monitoring 

salt volume between Oxy 1, 2, and 3 cavernsc) Results of monitoring modeling—mid‐April

6. Aquifer test data from new MRAA monitoring wells7. New sinkhole water quality depth survey8. Extent of gas investigation9. Radius of influence testing of ORW wells10. Basic gas migration model from Dr. Faust (Tetra‐Tech)11. TBC re‐logging ORW wells with PDK logs (issue with PDK not showing low gas 

saturations)12. Shallow Geoprobe monitoring wells near ORW wells

Ongoing Data Collection/Modeling Activities

A World of SolutionsTM 61

Full extent of gas in aquifer being defined Rate and mechanics of gas migration from aquifer to shallow subsurface not yet fully understood

Permeability of aquifer  Locations of seismic events

Known Data Gaps with Ongoing Work in Progress

A World of SolutionsTM 62

Late April/early May 2013 Site visit Define technical scope Define schedule—will be very aggressive

Three‐Day Workshop

A World of SolutionsTM 63

Bayou Corne Cavern Collapse—An Unprecedented Event