Badania interakcji zachodzących w układzie wodór–skała zbiornikowa–solanka w symulowanych warunkach złożowych

• Autorzy: Wojtowicz Katarzyna , Steliga Teresa , Jakubowicz Piotr

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2023.05.03

Warianty tytułu

EN

Investigations of interactions occurring in the hydrogen–reservoir rock–formation water system In simulated reservoir conditions

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono zagadnienia związane z magazynowaniem wodoru w wyeksploatowanych formacjach geologicznych oraz z możliwością wystąpienia interakcji w układach wodór–skała–woda złożowa. Badania kontaktowe prowadzono z wykorzystaniem: materiału skalnego (rdzeń A) o składzie mineralogicznym – kalcyt 99,6%, kwarc 0,4%; trzech rodzajów gazów o różnych stężeniach wodoru (wodór 100%, mieszanina metanu i wodoru w stosunku 84% obj. do 16% obj. oraz mieszanina metanu i wodoru w stosunku 94% obj. do 6% obj.) oraz wody złożowej opracowanej w laboratorium. Określenia interakcji mogących zachodzić w układzie wodór–skała–woda złożowa dokonano na podstawie przeprowadzonych symulacji możliwości wytrącania lub rozpuszczania się składników w układzie za pomocą programu PHREEQC, analiz chromatograficznych fazy gazowej, analiz pierwiastkowych próbek rdzeni z wykorzystaniem metody fluorescencji rentgenowskiej (XRF), analiz mineralogicznych próbek rdzeni z wykorzystaniem metody dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) oraz analiz fizykochemicznych wody złożowej przed testami i po ich zakończeniu (metoda chromatografii jonowej oraz spektrofotometryczna). Symulacja możliwości wytrącania lub rozpuszczania się osadów w układzie wodór–rdzeń A–woda złożowa wskazała na wysoki potencjał do rozpuszczania się anhydrytu i gipsu w badanej wodzie złożowej pod wpływem wzrostu stężenia wodoru w układzie. Poza tym w układach: wodór(16%)–rdzeń A–woda złożowa oraz wodór(100%)–rdzeń A–woda złożowa po zakończeniu testów kontaktowych stwierdzono obecność siarkowodoru w ilości odpowiednio 1,74 mg/dm3 oraz 5,98 mg/dm3 . Przeprowadzone analizy elementarne oraz mineralogiczne rdzeni nie wykazały istotnych zmian w ich składzie w wyniku kontaktu z wodorem, natomiast analiza fizykochemiczna wody złożowej potwierdziła możliwość oddziaływania wodoru na materiał skalny oraz wodę złożową. Na podstawie przeprowadzonych testów kontaktowych stwierdzono, że wraz ze wzrostem stężenia wodoru w gazie wzrasta prawdopodobieństwo wystąpienia interakcji pomiędzy wodorem, materiałem skalnym i wodą złożową.

EN

The article presents issues related to hydrogen storage in exploited geological formations and the possibility of interactions in hydrogen–reservoir rock–formation water systems. Contact studies were carried out using rock material (core A) with a mineralogical composition of 99.6% calcite, 0.4% quartz, three types of gases with different concentrations of hydrogen (100% hydrogen, a mixture of methane and hydrogen in a percentage ratio of 84% to 16 % and a mixture of methane and hydrogen in a percentage ratio of 94% to 6%) and formation water developed in the laboratory. The determination of interactions that may occur in a hydrogen-reservoir rock-formation water system was based on simulations of the possibility of precipitation or dissolution of analytes in the system using the PHREEQC program, chromatographic analyses of the gas phase, elemental analyses of core samples using the X-ray fluorescence method (XRF), mineralogical analyses of samples cores using the X-ray diffraction (XRD) method and physico-chemical analyses of the formation water before and after the tests (ion chromatography and spectrophotometric methods). Simulation of the possibility of precipitation or dissolution of sediments in the hydrogen-core A-formation water system showed a high potential for dissolution of anhydrite and gypsum in the studied formation water under the influence of increasing hydrogen concentration in the system. In addition, in the hydrogen(16%)–core A–formation water and hydrogen(100%)–core A–formation water systems, the presence of hydrogen sulphide was found after contact tests in the amount of 1.74 mg/dm3 and 5.98 mg/dm3 , respectively. The elemental and mineralogical analyses of the cores showed no significant changes in their composition after contact with hydrogen, while the physical and chemical analysis of the formation water confirmed the possibility of hydrogen affecting the rock material and the formation water. Based on the conducted contact tests, it was found that the higher the concentration of hydrogen in the gas, the greater the likelihood of interactions between hydrogen, rock material and formation water.

Słowa kluczowe

PL

magazynowanie; reaktywność; wodór

EN

hydrogen; storage; reactivity

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 79, nr 5
• Strony: 316--325
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz.

Twórcy

autor

Wojtowicz Katarzyna

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Steliga Teresa

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Jakubowicz Piotr

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Bo Z., Zeng L., Chen Y., Xie Q., 2021. Geochemical Reactions-Induced Hydrogen Loss during Underground Hydrogen Storage in Sandstone Reservoirs. International Journal of Hydrogen Energy, 46(38): 19998–20009. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.03.116.
• Cicha-Szot R., Leśniak G., 2022. Interakcja wodoru ze skałą zbiornikową. Nafta-Gaz, 78(8): 580–588. DOI: 10.18668/NG.2022.08.02.
• Crundwell F.K., 2017. On the Mechanism of the Dissolution of Quartz and Silica in Aqueous Solutions. ACS Omega, 2: 1116–1127. DOI:10.1021/acsomega.7b00019.
• Flesch S., Pudlo D., Albrecht D., Jacob A., Enzmann F., 2018. Hydrogen Underground Storage – Petrographic and Petrophysical Variations in Reservoir Sandstones from Laboratory Experiments under Simulated Reservoir Conditions. International Journal of Hydrogen Energy, 43: 20822–20835. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.09.112.
• Hassannayebi N., Azizmohammadi S., De Lucia M., Ott H., 2019. Underground hydrogen storage: Application of geochemical modelling in a case study in the Molasse Basin, Upper Austria. Environmental Earth Sciences, 78: 177. DOI: 10.1007/s12665-019-8184-5.
• Hassanpouryouzband A., Adie K., Cowen T., Thaysen E.M., Heinemann N., Butler I.B., Wilkinson M., Edlmann K., 2022. Geological
• Hydrogen Storage: Geochemical Reactivity of Hydrogen with Sandstone Reservoirs. ACS Energy Letters, 7: 2203–2210. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01024.
• Hemme C., van Berk W., 2018. Hydrogeochemical Modeling to Identify Potential Risks of Underground Hydrogen Storage in Depleted Gas Fields. Applied Sciences, 8(11): 2282. DOI: 10.3390/app8112282.
• Holewa J., Rachwalski J., 2009. Kontrola szczelności podziemnych struktur przeznaczonych do magazynowania paliw gazowych metodą znacznikową i powierzchniowego monitoringu gazu glebowego. Nafta-Gaz, 65(5): 410–414.
• Jacquemet N., Chiquet P., Grauls A., 2020. Hydrogen Reactivity with (2) an Aquifer – PHREEQC Geochemical Thermodynamics Calculations. Proceedings of the 1st Geoscience & Engineering in Energy Transition Conference; European Association of Geoscientists & Engineers: Strasbourg, France: 1–5.
• Jakubowicz P., Steliga T., Kluk D., Wojtowicz K., 2021. Określenie możliwości zastosowania symulacji komputerowej do przewidywania kierunku przebiegu reakcji podczas zatłaczania wód złożowych. Nafta-Gaz, 77(4): 244–254. DOI: 10.18668/NG.2021.04.04.
• Kowalska S., 2014. Wyznaczanie zawartości substancji amorficznej w skałach metodą Rietvelda (XRD). Nafta-Gaz, 70(10): 700–706.
• Labus K., Tarkowski R., 2022. Modeling hydrogen – rock – formation water interactions for the Jurassic reservoir and cap rocks from Polish
• Lowlands. International Journal of Hydrogen Energy, 47: 10947–10962. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.01.134.
• Miziołek M., Filar B., Kwilosz T., 2022. Magazynowanie wodoru w sczerpanych złożach gazu ziemnego. Nafta-Gaz, 78(3): 219–239. DOI:10.18668/NG.2022.03.06.
• Muhammed N.S., Haq B., Al Shehri D., Al-Ahmed A., Rahman M.M., Zaman E.A., 2022. A review on underground hydrogen storage: Insight into geological sites, influencing factors and future outlook. Energy Reports, 8: 461–499. DOI: 10.1016/j.egyr.2021.12.002.
• Netherlands Enterprise Agency, 2017. The effects of hydrogen injection in natural gas networks for the Dutch underground storages – Final report. <https://www.rvo.nl/sites/default/files/2017/07/The%20effects%20of%20hydrogen%20injection%20in%20natural%20gas%20networks%20for%20the%20Dutch%20underground%20storages.pdf> (dostęp: 27.08.2022).
• Skupio R., 2014. Wykorzystanie przenośnego spektrometru XRF do pomiarów składu chemicznego skał. Nafta-Gaz, 70(11): 771–777.
• Sobolewski M., 2022. Gospodarka wodorowa. Wydawnictwo Sejmowe dla Biura Analiz Sejmowych, 6(298).
• Such P., 2020. Magazynowanie wodoru w obiektach geologicznych. Nafta-Gaz, 76(11): 794–798. DOI: 10.18668/NG.2020.11.04.
• Tarkowski R., 2017. Wybrane aspekty podziemnego magazynowania wodoru. Przegląd Geologiczny, 65(5): 282–291.
• Tuyen L.T.T., Tam N.T.T., Quang N.H., Nghia N.X., Khang D.D., Khoi P.H., 2001. Study on hydrogen reactivity with surface chemical species of nanocrystalline porous silicon. Materials Science and Engineering: C, 15: 133–135. DOI: 10.1016/S0928-4931(01)00306-X.
• Veshareh M.J., Thaysen E.M., Nick H.M., 2022. Feasibility of Hydrogen Storage in Depleted Hydrocarbon Chalk Reservoirs: Assessment of Biochemical and Chemical Effects. Applied Energy, 323: 119575. DOI: 10.1016/j.apenergy.2022.119575.
• Yekta A.E., Manceau J.-C., Gaboreau S., Pichavant M., Audigane P., 2018a. Determination of hydrogen–water relative permeability and capillary pressure in sandstone: Application to underground hydrogen injection in sedimentary formations. Transport Porous Media, 122:333–356. DOI: 10.1007/s11242-018-1004-7.
• Yekta A.E., Pichavant M., Audigane P., 2018b. Evaluation of geochemical reactivity of hydrogen in sandstone: Application to geological storage. Applied Geochemistry, 95: 182–194. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2018.05.021.
• Yousefi S.H., Juez-Larré J., Shahi M., Groenenber R., 2021. Underground Hydrogen Storage in Depleted Gas Fields for Seasonal and ShortTerm Storage: A Case Study. Proceedings of the 2nd Geoscience & Engineering in Energy Transition Conference; European Association of Geoscientists & Engineers, Online: 1–5.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).