Badania nad opracowaniem zaczynów cementowych do podziemnego magazynowania wodoru w kawernach solnych

• Autorzy: Kędzierski Miłosz , Rzepka Marcin

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2023.02.03

Warianty tytułu

EN

Research on the development of cement slurries for underground hydrogen storage in salt caverns

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł przedstawia wyniki badań nad opracowaniem zaczynów cementowych przeznaczonych do podziemnego magazynowania wodoru w kawernach solnych. Receptury cementowe opracowane zostały w Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających. Badania przeprowadzono dla temperatury 45°C i ciśnienia 10 MPa. W badanych zaczynach cementowych jako spoiwo wiążące zastosowano cement wiertniczy G. Zaczyny cementowe sporządzano na solance o pełnym nasyceniu o gęstości 1,2 g/cm3 ze względu na bezpośrednią obecność soli w otworze. Do solanki dodawano kolejno środki: odpieniający, upłynniający i obniżający filtrację. Pozostałe składniki: mikrocement, gips modelowy oraz cement mieszano ze sobą i wprowadzano następnie do wody zarobowej. W przypadku każdego zaczynu cementowego wykonywano badania parametrów technologicznych, takich jak: właściwości reologiczne, gęstość, rozlewność, odstój wody oraz czas gęstnienia zaczynu. Przeprowadzano również badania wytrzymałości na ściskanie po 2 dniach oraz po 3, 5 i 8 miesiącach, a także pomiar porowatości stwardniałych zaczynów cementowych po 8 miesiącach deponowania we w pełni nasyconej solance. Na opracowanych zaczynach wykonano również badanie szczelności stwardniałego zaczynu cementowego dla wodoru. Opracowane zaczyny cementowe charakteryzowały się dobrymi parametrami reologicznymi oraz zerowym odstojem wody. Gęstości zaczynów cementowych wahały się w przedziale od 1900 kg/m3 do 1910 kg/m3 . Wszystkie zbadane stwardniałe zaczyny cementowe charakteryzowały się zwartą mikrostrukturą o niskiej zawartości makroporów. Udział porów o średnicy powyżej 10 000 nm wyniósł od 1,9% do 2,5% ilości wszystkich porów. Natomiast udział porów o średnicy poniżej 100 nm w całej matrycy stwardniałego zaczynu cementowego wyniósł od 95,9% do 96,9%. Średni strumień objętości przepływu wodoru przez stwardniały zaczyn cementowy miał wartość od 0,686 cm3 /min do 6,85 cm3 /min. Dla ustabilizowanych wartości strumienia objętości przepływu obliczono współczynniki przepuszczalności. Średnie wartości współczynnika przepuszczalności dla stwardniałego zaczynu cementowego wynosiły od 0,0000281 mD do 0,000284 mD, co świadczy o dobrej szczelności uzyskanych stwardniałych zaczynów cementowych.

EN

The article presents the results of research on the development of cement slurries intended for the underground storage of hydrogen in salt caverns. Laboratory tests of cement slurries were carried out at the Oil and Gas Institute – National Research Institute. The tests were carried out at a temperature of 45°C and a pressure range of 10 MPa. Cement slurries were prepared on the basis of class G drilling cement. The cement slurries were prepared on fully saturated brine with a density of 1.2 g/cm3 due to the direct presence of salt in the well. The following agents were added to the brine: defoamers, liquefying agents and fluid loss control. The remaining ingredients –:microcement, model gypsum and cement – were mixed together and then added to the mixing water. The cement slurries were tested for rheological parameters, density, free water, fluidity, filtration and thickening time. Compressive strength tests were carried out after 2 days and 3, 5 and 8 months as well as measurement of porosity of hardened cement slurry after 8 months of depositing fully saturated brine. For 3 compositions, a test of the tightness of the cement stone for hydrogen was also carried out. The developed cement slurries were characterised by good rheological parameters and no free water. The densities of tested slurries ranged from 1900 kg/m3 to 1910 kg/m3 . All tested hardened cement slurries featured a compact microstructure with a low content of macropores. The share of pores with a diameter above 10 000 nm ranged from 1.9 to 2.5% of all pores. On the other hand, pores with a diameter below 100 nm in the entire cement stone matrix ranged from 95.9 to 96.9%. The average hydrogen volumetric flow rate through the cement stone ranged from 0.686 cm3 /min do 6.85 cm3 /min. Permeability coefficients were calculated for stabilised values of flow rate. The average value of the permeability coefficient for cement stone ranged from 0.0000281 mD to 0.000284 mD, which proves that the obtained hardened cement slurries are sufficiently tight.

Słowa kluczowe

PL

kawerny solne; zaczyn cementowy; podziemny magazyn wodoru; energia odnawialna; szczelność stwardniałych kamieni cementowych

EN

salt caverns; cement slurry; underground hydrogen storage; renewable energy; hardened cement slurry tightness

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 79, nr 2
• Strony: 96--105
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz.

Twórcy

autor

Kędzierski Miłosz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Rzepka Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Audigane P., Bader A.G., Gentier S., Beccaletto L., Bellenfant G., 2014. The role of the underground for massive storage of energy: a preliminary glance of the French case. EGU General Assembly, Vienne, Austria.
• Bai M., Song K., Sun Y., He M., Li Y., Sun J., 2014. An overview of hydrogen underground storage technology and prospects in China. Journal of Petroleum Science and Engineering, 124: 132–136. DOI: 10.1016/j.petrol.2014.09.037.
• Basniev K.S., Omelchenko R.J., Adzynova F.A., 2010. Underground hydrogen storage problems in Russia. Schriften des Forschungszentrums Jülich / Energy & Environment, 78(4): 47–49.
• Bünger U., Michalski J., Crotogino F., Kruck O., 2016. Large-scale underground storage of hydrogen for the grid integration of renewable energy and other applications. [W:] Ball M., Basile A., Nejat Veziroğlu T. (eds.). Compendium of Hydrogen Energy. Volume 4: Hydrogen Use, Safety and the Hydrogen Economy: 133–163. DOI: 10.1016/B978-1-78242-364-5.00007-5.
• Carden P., Paterson L., 1979. Physical, chemical and energy aspects of underground hydrogen storage. International Journal of Hydrogen Energy, 4(6): 559–569. DOI: 10.1016/0360-3199(79)90083-1.
• Chen Y., Chen Q. Han X., 2003. Fuel Cell Vehicles Using Hydrogen Source Development Trend of Fuel Cell. The Second of International Youth Hydrogen Forum, Beijing: 202–206.
• Delmastro Ch., Lavagno E., Schranz L., 2016. Energy and underground. Tunnelling and Underground Space Technology, 55: 96–102. DOI:10.1016/j.tust.2015.10.021.
• Hagemann B., Rasoulzadeh M., Panfilov M., Ganzer L., Reitenbach V., 2015. Mathematical modeling of unstable transport in underground hydrogen storage. Environmental Earth Sciences, 73: 6891–6898. DOI: 10.1007/s12665-015-4414-7.
• Hexeberg I., Hagen E.F., 2005. Renewable hydrogen energy systems. 18th World Petroleum Congress, Johannesburg, South Africa.
• Iordache I., Schitea D., Gheorghe A.V., Iordache M., 2014. Hydrogen underground storage in Romania, potential directions of development, stakeholders and general aspects. International Journal of Hydrogen Energy, 39(21): 11071–11081. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.05.067.
• Kędzierski M., Rzepka M., 2022. Wstępne badania nad opracowaniem zaczynów cementowych przeznaczonych do podziemnego magazynowania wodoru w kawernach solnych. Nafta-Gaz, 78(2): 120–127. DOI: 10.18668/NG.2022.02.04.
• Kijeński J., 2005. Dlaczego wodór. Przemysł Chemiczny, 84(11): 799–807.
• Kochański I.M., Korczak K., Dybiński O., Kwas M., Osipowicz K., Patejuk A., Sawsika A., Swoczyna B., 2013. Techniczne i ekonomiczne perspektywy produkcji i magazynowania wodoru w Polsce. Acta Innovations, 8: 51–65.
• Kruck O., Crotogino F., Prelicz R., Rudolph T., 2013. Assessment of the potential, the actors and relevant business cases for large scale and seasonal storage of renewable electricity by hydrogen underground storage in Europe. Overview on all Known Underground Storage Technologies for Hydrogen. <http://hyunder.eu/wp-content/uploads/2016/01/D3.1_Overview-of-all-known-underground-storagetechnologies.pdf> (dostęp: 12.10.2021).
• Li J., 2005. Underground gas storage in the Beijing-Tianjin region balanced the role of natural gas supply and demand. Int. Pet. Econ., 13(6):37–38.
• Lord A.S., Kobos P.H., Borns D.J., 2014. Geologic storage of hydrogen: Scaling up to meet city transportation demands. International Journal of Hydrogen Energy, 39(28): 15570–15582. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.07.121.
• Marzec A., 2007. Energetyka wodorowa – co to oznacza dla roli węgla? Karbo, 2: 109–111.
• Panfilov M., 2016. Underground and pipeline hydrogen storage. [W:] Gupta R.B., Basile A., Nejat Veziroğlu T. (eds.). Compendium of Hydrogen Energy. Volume 2: Hydrogen Storage, Distribution and Infrastructure: 91–115. DOI: 10.1016/B978-1-78242-362-1.00004-3.
• Skjei R.E., King M.J., Stewart D.H., 1980. Energy storage in aquifers. International Society for Rock Mechanics, Presented at ISRM International Symposium, Rockstore 80, Stockholm, Sweden.
• Sobieściak-Jeczeń M., Skonieczny O., 2005. Przyszłość wodoru w polskiej energetyce zawodowej. Nowe Technologie: 17–22.
• Such P., 2020. Magazynowanie wodoru w obiektach geologicznych. Nafta-Gaz, 76(11): 794–798. DOI: 10.18668/NG.2020.11.04 .
• Tomczyk P., 2009. Szanse i bariery rozwoju energetyki wodorowej. Polityka Energetyczna, 12(2/2): 593–607.
• Ullah S.Z., Bukhari S.R.S., 2008. Geothermal reservoirs: arenewable source of energy and an extension of petroleum engineering. CIPC/SPE Gas Technology Symposium 2008 Joint Conference, 16–19 June, Calgary, Alberta, Canada. DOI: 10.2118/114718-MS.
• Zarębska K., Pernak-Miśko K., 2007. Zgazowanie węgla – perspektywa dla gospodarki wodorowej. Gospodarka Surowcami Mineralnymi,23(3): 243–255.
• Zhang F., Zhao P., Niu M., Maddy J., 2016. The survey of key technologies in hydrogen energy storage. International Journal of Hydrogen Energy, 41(33): 14535–14552. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.05.293.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• PN-EN ISO 10426-1:2009 Przemysł naftowy i gazowniczy – Cementy i materiały do cementowania otworów – Część 1: Specyfikacja.
• PN-EN ISO 10426-2:2003 Przemysł naftowy i gazowniczy – Cementy i materiały do cementowania otworów wiertniczych – Część 2: Badania cementów wiertniczych.

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).