Doszczelnienie matrycy kamieni cementowych otrzymanych z zaczynów cementowych przeznaczonych do podziemnych magazynów wodoru w kawernach solnych

• Autorzy: Kędzierski Miłosz , Rzepka Marcin

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2024.01.01

Warianty tytułu

EN

Sealing the matrix of cement stones derived from cement slurries designed for underground hydrogen storage in salt caverns

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł przedstawia wyniki badań nad doszczelnieniem matrycy kamieni cementowych otrzymanych z zaczynów cementowych przeznaczonych do podziemnych magazynów wodoru w kawernach solnych. W recepturach zaczynów cementowych została zwiększona ilość dodatku mikrocementu oraz podjęto próbę zastosowania wybranych rodzajów nanomateriałów. Receptury cementowe opracowane zostały w INiG – PIB w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających. Badania przeprowadzono dla temperatury 25°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 1200 kg/m3 ze względu na bezpośrednią obecność soli w otworze. Do solanki dodawano kolejno środki: odpieniający, upłynniający i obniżający filtrację oraz nanomateriały. 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 7 dniach oraz po 1 i 6 miesiącach, a także pomiar porowatości stwardniałych zaczynów cementowych po 6 miesiącach deponowania w pełni nasyconej solance. Opracowane zaczyny cementowe charakteryzowały się dobrymi parametrami reologicznymi oraz zerowym odstojem wody. Gęstości zaczynów cementowych wahały się w przedziale od 1910 kg/m3 do 1940 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 1,3% do 3,2% ilości wszystkich porów. Natomiast udział porów o średnicy poniżej 100 nm w całej matrycy stwardniałego zaczynu cementowego wyniósł od 94,3% do 97,5%. Dodatek większej ilości mikrocementu oraz wprowadzenie nanokomponentów do receptur zaczynów cementowych spowodowały wzrost wytrzymałości na ściskanie oraz obniżenie porowatości kamieni cementowych.

EN

The article presents the results of research on the sealing of the matrix of cement stones derived from cement slurries, specifically designed for underground hydrogen storage in salt caverns. This study involved increasing the amount of microcement in cement slurry mixes and experimenting with selected types of nanomaterials. Laboratory tests of cement slurries were conducted at the Oil and Gas Institute – National Research Institute, under controlled conditions of 25°C and 10 MPa. Cement slurries were prepared on the basis of class G oil-well cement. Cement slurries were prepared on fully saturated brine with a density of 1200 kg/m3 reflecting the direct presence of salt in the wellbore. The agents added into the brine included defoamers, liquefying agents, fluid loss control additive and nanocomponents. The other 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 conducted at intervals of 7 days, 1 month and 6 months, along measurement of porosity of hardened cement slurry after 6 months of depositing fully saturated brine. The developed cement slurries exhibited favorable rheological parameters and no free water. The densities of tested slurries ranged from 1910 kg/m3 to 1940 kg/m3 . All hardened cement slurries tested were characterized by a compact microstructure with a low content of macropores. The proportion of pores with a diameter above 10,000 nm ranged from 1.3 to 3.2% of all pores. Whereas, the proportion of pores with a diameter below 100 nm in the entire cement stone matrix ranged from 94.3 to 97.5%. The addition of a larger amount of microcement and nanocomponents to the cement slurry mixes resulted in an increase in compressive strength and a decrease in the porosity of cement stones.

Słowa kluczowe

PL

kawerny solne; zaczyn cementowy; podziemny magazyn wodoru; energia odnawialna; nanokomponenty; mikrocement

EN

salt caverns; cement slurry; underground hydrogen storage; renewable energy; nanocomponents; microcement

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 80, nr 1
• Strony: 3--11
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys.

Twórcy

autor

Kędzierski Miłosz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Rzepka Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Aftab A., Hassanpouryouzband A., Martin A., Kendrick J., Thaysen E., Heinemann N., Utley J., Wilkinson M., Haszeldine R.S., Edlmann K., 2023. Geochemical Integrity of Wellbore Cements during Geological Hydrogen Storage. Environmental Science & Technology Letters, 10(7): 551–556. DOI: 10.1021/acs.estlett.3c00303.
• Al-Yaseri A., Fatah A., Zeng L., Al-Ramadhan A., Sarmadivaleh M., Xie Q., 2023. On hydrogen-cement reaction: Investigation on well integrity during underground hydrogen storage. International Journal of Hydrogen Energy, 48(91): 35610–35623. DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.05.304.
• 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, 2013. <http://hyunder.eu/wp-content/uploads/2016/01/D3.1_Overviewof-all-known-underground-storage-technologies.pdf> (dostęp:13.11.2023).
• 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.
• Boersheim E.C., Reitenbach V., Albrecht D., Pudlo D., Ganzer L., 2019. Experimental Investigation of Integrity Issues of UGS Containing Hydrogen. SPE Europec featured at 81st EAGE Conference and Exhibition, London, England, UK. SPE-195555-MS. DOI:10.2118/195555-MS.
• Bünger U., Michalski J., Crotogino F., Kruck O., 2016. Largescale underground storage of hydrogen for the grid integration of renewable energy and other applications. Compendium of Hydrogen Energy, 4: 133–163. DOI: 10.1016/B978-1-78242-364--5.00007-5.
• Cracolici F., Iorio V., Parrozza F., Luigina M., Previde M., 2023. Experimental Investigation of Cement Compatibility in Underground Hydrogen Storage in Depleted Reservoir. International Petroleum Technology Conference, Bangkok, Thailand. IPTC-22797-MS. DOI: 10.2523/IPTC-22797-MS.
• Delmastro Ch., Lavagno E., Schranz L., 2016. Energy and underground. Tunnelling and Underground Space Technology, 55:96–102. DOI: 10.1016/j.tust.2016.01.001.
• 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.
• Hussain A., Al-Hadrami H., Emadi H., Altawati F., Thiyagarajan S.R., Marshall W., 2022. Experimental Investigation of Wellbore Integrity of Depleted Oil and Gas Reservoirs for Underground Hydrogen Storage. Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA. DOI: 10.4043/32003-MS.
• Hussain A., Emadi H., Thiyagarajan S., Ispas I., Watson M., Leggett S.E., 2023. Assessing the Viability of Oilwell Cement for Underground Hydrogen Storage. 57th U.S. Rock Mechanics/Geomechanics Symposium, Atlanta, Georgia, USA. DOI: 10.56952/ARMA-2023-0746.
• 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.
• Iorio V., Cracolici F., Parrozza F., Sabatino L.M.F., Massara E.P., Consonni A., Tritto C., De Simoni M., 2022. Cement to Safeguard the Wells Integrity in Underground Hydrogen Storage: an Experimental Investigation. Chemical Engineering Transactions, 96: 307–312. DOI: 10.3303/CET2296052.
• 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.
• Kędzierski M., Rzepka M., 2023. Badania nad opracowaniem zaczynów cementowych do podziemnego magazynowania wodoru w kawernach solnych. Nafta-Gaz, 79(2): 96–105. DOI: 10.18668/NG.2023.02.03.
• 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: 50–62.
• 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. Compendium of Hydrogen Energy, 91–115. DOI: 10.1016/B978-1-78242-362-1.00004-3.
• Sharan P., Kitz K., Wendt D., McTigue J., Zhu G., 2021. Using Concentrating Solar Power to Create a Geological Thermal Energy Reservoir for Seasonal Storage and Flexible Power Plant Operation. ASME. Journal of Energy Resources Technology, 143(1):010906. DOI: 10.1115/1.4047970.
• Simon J., Ferriz A.M., Correas L.C., 2015. HyUnder – Hydrogen Underground Storage at Large Scale: Case Study Spain. Energy Procedia, 73: 136–144. DOI: 10.1016/j.egypro.2015.07.661.
• 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.
• Tarkowski R., 2017. Perspectives of using the geological subsurface for hydrogen storage in Poland. International Journal of Hydrogen Energy, 42(1): 347–355.
• Tomczyk P., 2009. Szanse i bariery rozwoju energetyki wodorowej. Polityka Energetyczna, 12(2/2): 593–607.
• Ugarte E., Tetteh D., Salehi S., 2023. Experimental studies of well integrity in cementing during underground hydrogen storage. International Journal of Hydrogen Energy, 51: 473–488. DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.07.037.
• Zarębska K., Pernak-Miśko K., 2007. Zgazowanie węgla – perspektywa dla gospodarki wodorowej. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 23(3): 243–255.
• Zeng L., Sarmadivaleh M., Saeedi A., Al-Yaseri A., Dowling C., Buick G., Xie Q., 2022. Thermodynamic Modelling on Wellbore Cement Integrity During Underground Hydrogen Storage in Depleted Gas Reservoirs. Society of Petroleum Engineers. SPE Asia Pacific Oil & Gas Conference and Exhibition held in Adelaide, Australia. DOI: 10.2118/210639-MS.
• 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.