Numeryczne symulacje procesu magazynowania wodoru w częściowo wyeksploatowanym złożu gazowym

• Autorzy: Szott Wiesław , Miłek Krzysztof

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2022.01.05

Warianty tytułu

EN

Numerical simulations of hydrogen storage in a partially depleted gas reservoir

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono charakterystyki potencjalnych struktur możliwych do wykorzystania w celu magazynowania wodoru. Sformułowano kryteria wyboru optymalnej struktury, takie jak: pojemność dostępna dla wodoru, zakres historycznych ciśnień złożowych, ciśnienie szczelinowania, własności transportowe skały, aktywność wody podścielającej, rodzaj płynu złożowego, temperatura złożowa. Stosując te kryteria, wybrano strukturę złoża gazu ziemnego funkcjonującą obecnie jako PMG (podziemny magazyn gazu). Dla znalezienia charakterystyk wybranej struktury jako PMW (podziemnego magazynu wodoru) skonstruowano kompozycyjny model złożowy poprzez konwersję istniejącego modelu typu black oil. W tym celu model złoża uzupełniono o wieloskładnikowy model płynu złożowego opisany równaniem stanu Soave’a–Redlicha–Kwonga oraz o kompozycyjne hydrauliczne modele odwiertów. Kompletny model złoża efektywnie skalibrowano, wykorzystując wieloletnie historyczne dane eksploatacyjne obejmujące wydajności wydobycia ze złoża, zatłaczania i odbioru gazu w ramach PMG oraz ciśnienie zmierzone na spodzie odwiertów eksploatacyjnych. Zweryfikowany model wykorzystano do wielokrotnych symulacji procesu magazynowania wodoru, stosując realistyczne ograniczenia dla zatłaczania i odbioru gazu, tj. czas zatłaczania i odbioru, limity na sumaryczną ilość zatłaczanego wodoru oraz odbieranego gazu, minimalną czystość odbieranego wodoru. Rozpatrzono warianty różniące się szczegółami konwersji PMG na PMW oraz zakładanym maksymalnym stopniem zanieczyszczenia odbieranego wodoru. Podstawowe własności geologiczne wynikały z oryginalnych właściwości struktury i nie podlegały modyfikacjom, natomiast nieznany, ale istotny parametr dyspersji, decydujący o mieszaniu się gazu zatłaczanego z gazem rodzimym, był przedmiotem analizy warianto- wej. Wyniki ilościowe prognoz pracy PMW uzupełniono szczegółową analizą rozkładów nasycenia wodorem na różnych etapach i w różnych cyklach pracy magazynu. W pracy badano wpływ zjawiska dyspersji na wyniki pracy magazynu poprzez implementację zjawiska dyspersji numerycznej, weryfikację poprawności korelacji dyspersji z prędkością migracji oraz identyfikację wielkości dyspersji dla różnych wariantów modelu złoża.

EN

The paper presents the characteristics of potential structures that can be used for hydrogen storage. The criteria for selecting the optimal structure were formulated. They include estimated sequestration capacity, range of historical reservoir pressures, fracturing pressure, transport properties of the rock, activity of the underlying water, type of reservoir fluid, reservoir temperature. After applying these criteria, a natural gas field structure, currently functioning as a UGS (underground gas storage) facility, was selected. In order to find the characteristics of the selected structure as a UHS (underground hydrogen storage), a compositional reservoir model was constructed. For this purpose, a multicomponent model of the formation fluid described by the Soave–Redlich–Kwong equation of state was built and supplemented with compositional hydraulic models of wells. The complete model of the field was effectively calibrated using historical operational data, including the production rate from the gas field, gas injection and withdrawal under the UGS operation and the pressures measured at the bottom of the production wells. The verified model was used for multiple simulations of the hydrogen storage process using realistic constraints for gas injection and withdrawal, i.e., injection and withdrawal times, limits for the total amount of injected hydrogen and withdrawn gas, maximum acceptable contamination of the withdrawn hydrogen. Consequently, simulation scenarios differed in the details of the UGS – UHS conversion and withdrawn gas composition. The basic geological properties resulted from the original structure properties were not subject to modification, while the unknown but significant dispersion parameter determining the mixing of the injected gas with the original gas was subject to changes. The quantitative results of the UHS operation forecasts were supplemented with a detailed analysis of the distribution of hydrogen saturation at various stages and in different operation cycles of the storage schedule. The study investigated the influence of the dispersion phenomenon on the results of storage operation by implementing the phenomenon of numerical dispersion, verifying the correctness of the correlation between dispersion and migration speed, and identifying the dispersion values for various reservoir models. Basic conclusion was derived from the obtained simulation results.

Słowa kluczowe

PL

struktury geologiczne; złoża naftowe; podziemne magazynowanie wodoru; procesy transportu w ośrodku porowatym; dyspersja fizyczna; kompozycyjne modele złożowe

EN

geological structures; petroleum reservoirs; underground hydrogen storage; transport processes in porous media; physical dispersion; reservoir compositional models

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 78, nr 1
• Strony: 41--55
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz.

Twórcy

autor

Szott Wiesław

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Miłek Krzysztof

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Amid A., Mignard D., Wilkinson M., 2016. Seasonal storage of hydrogen in a depleted natural gas reservoir. International Journal of Hydrogen Energy, 41(12): 5549–5558. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.02.036.
• Azin R., Nasiri A., Entezari A.J., Montazeri G.H., 2008. Investigation of Underground Gas Storage in a Partially Depleted Gas Reservoir. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/113588-MS.
• Baghooee H., Montel F., Galliero G., Yan W., Shapiro A., 2021. A new approach to thermal segregation in petroleum reservoirs: Algorithm and case studies. Journal of Petroleum Science and Engineering, 201(6): 108367. DOI: 10.1016/j.petrol.2021.108367.
• Bijeljic B., Blunt M.J.A., 2006. Physically-Based Description of Dispersion in Porous Media. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/102869-MS.
• Ciechanowska M., 2020. Strategia w zakresie wodoru na rzecz Europy neutralnej dla klimatu. Nafta-Gaz, 76(12): 951–954. DOI: 10.18668/NG.2020.12.09 .
• Gahleitner G., 2013. Hydrogen from renewable electricity: an international review of power-to-gas pilot plants for stationary applications. Int. J. Hydrogen. Energy, 38(5): 2039–2061. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.12.010.
• Gąska K., Hoszowski A., Gmiński Z., Kurek A., 2012. Monografia podziemnych magazynów gazu w Polsce. Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Przemysłu Naftowego i Gazowniczego, Oddział Warszawa.
• Gołąbek A., Miłek K., Szott W., 2011a. Symulacyjne modelowanie procesu konwersji złoża na PMG i regularnej jego pracy, z udziałem CO2 jako gazu buforowego. Część I – Konstrukcja i weryfikacja modelu, symulacja procesu wytwarzania buforu magazynu. Nafta-Gaz, 67(3): 153–162.
• Gołąbek A., Miłek K., Szott W., 2011b. Symulacyjne modelowanie procesu konwersji złoża na PMG i regularnej jego pracy, z udziałem CO2 jako gazu buforowego. Część II – Symulacyjne prognozy pracy magazynu. Nafta-Gaz, 67(4): 240–248.
• Jaworski J., Kukulska-Zając E., Kułaga P., 2019. Wybrane zagadnienia dotyczące wpływu dodatku wodoru do gazu ziemnego na elementy systemu gazowniczego. Nafta-Gaz, 75(10): 625–632. DOI: 10.18668/NG.2019.10.04.
• Liléo S., Berge E., Undheim O., Klinkert R., Bredesen R.E., 2013. Long-term correction of wind measurements – state-of-the-art, guidelines and future work. Elforsk Report, 13: 18.
• Lysyy M., Fernø M., Ersland G., 2021. Seasonal hydrogen storage in a depleted oil and gas field. International Journal of Hydrogen Energy, 46(4): 25160–25174. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.05.030.
• Miłek K., Szott W., Gołąbek A., 2013. Symulacyjne badanie procesów wypierania metanu rozpuszczonego w wodach złożowych poprzez zatłaczanie gazów kwaśnych w ramach ich sekwestracji. Nafta-Gaz, 69(2): 112–122.
• Peng D.D., Fowler M., Elkamel A., Almansoori A., Walker S.B., 2016. Enabling utility-scale electrical energy storage by a power-to-gas energy hub and underground storage of hydrogen and natural gas. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 35, Part A: 1180–1199. DOI: 10.1016/j.jngse.2016.09.045.
• Piskowska-Wasiak J., 2017. Doświadczenia i perspektywy procesu Power to Gas. Nafta-Gaz, 73(8): 597–604. DOI: 10.18668/NG.2017.08.07.
• Simpson A.P., Lutz A.E., 2007. Exergy analysis of hydrogen production via steam methane reforming. International Journal of Hydrogen Energy, 32: 4811–4820.
• Such P., 2020. Magazynowanie wodoru w obiektach geologicznych. Nafta-Gaz, 76(11): 794–798. DOI: 10.18668/NG.2020.11.04 .
• Szott W., Gołąbek A., 2014. Symulacyjne modelowanie procesów mieszania się gazów w warunkach złożowych. Nafta-Gaz, 70(3): 151–161.
• Szott W., Gołąbek A., w przygotowaniu. Model dyspersji dla przepływu w ośrodku porowatym z segregacją grawitacyjną – metoda wyznaczania dyspersji poprzecznej.
• Tarkowski R., 2017. Wybrane aspekty podziemnego magazynowania wodoru. Przegląd Geologiczny, 65(5): 282–291.
• Taylor G.I., 1953. Dispersion of soluble matter in solvent flowing slowly through a tube. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 219: 186–203. DOI: 10.1098/rspa.1953.0139.
• Zivar D., Kumar S., Foroozesh J., 2020. Underground hydrogen storage: A comprehensive review. International Journal of Hydrogen Energy, 46(45): 23436–23462. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.08.138.