Ocena szczelności stwardniałych zaczynów cementowych dla wodoru

• Autorzy: Wojnicki Mirosław , Kuśnierczyk Jerzy , Szuflita Sławomir , Warnecki Marcin , Rzepka Marcin

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2023.06.02

Warianty tytułu

EN

Hydrogen tightness evaluation of the hardened cement slurries

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Ograniczenie emisji gazów cieplarnianych i zwiększenie udziału energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii (OZE) w miksie energetycznym stanowią ogromne wyzwanie dla większości światowych gospodarek, w tym Polski. Ze względu na specyfikę produkcji energii z OZE – jej rozwój na dużą skalę nie jest możliwy bez rozwiniętych systemów wielkoskalowego magazynowania i bilansowania energii. Wodór może być wykorzystywany w nieuniknionej transformacji energetycznej jako źródło, nośnik lub magazyn (bufor) energii, stąd też dynamika rozwoju technologii wodorowych stale przybiera na sile. Istotną kwestią dla zapewnienia bezpieczeństwa podziemnego magazynu i ograniczenia ryzyka związanego z ucieczką/stratą magazynowanego wodoru jest uszczelnienie otworów wiertniczych z wykorzystaniem szczelnego zaczynu cementowego, tworzącego dobrej jakości kamień cementowy. W niniejszej pracy podjęto próbę oceny szczelności stwardniałych zaczynów cementowych opracowanych do celów uszczelniania odwiertów w podziemnych magazynach wodoru (PMW) zlokalizowanych w sczerpanych złożach gazu ziemnego. W badaniach rejestrowano natężenie przepływu wodoru, co pozwala na ocenę porównawczą poszczególnych próbek w kierunku najniższych wartości przepływu, odpowiadających najwyższej szczelności. Pomiary wykonywano w różnych warunkach ciśnienia (wysokie ciśnienie porowe, niskie ciśnienie porowe, wysokie ciśnienie różnicowe, niskie ciśnienie różnicowe) i temperatury (60°C, temperatura pokojowa). Ustalenie przepuszczalności stwardniałych zaczynów cementowych jest problematyczne ze względu na specyficzny charakter ośrodka porowatego, który to cechuje się niestabilnością parametrów w czasie i w trakcie suszenia ulega trwałym uszkodzeniom.

EN

Reducing greenhouse gas emissions and increasing the share of electricity from renewable energy sources (RES) in the energy mix is a huge challenge for most global economies, including Poland. Due to the specific nature of RES energy production, its large-scale development is not possible without developed large-scale energy storage and balancing systems. Hydrogen can be used in the inevitable energy transition both as a source, carrier or storage (buffer) of energy, hence the dynamics of hydrogen technology development is steadily gaining momentum. An important issue to ensure the safety of underground storage and to reduce the risk of escape/loss of stored hydrogen is the sealing of boreholes using a hydrogen tight cement. The present study attempts to assess the tightness of hardened cement slurries developed for sealing boreholes in underground hydrogen storage facilities located in depleted natural gas fields. Hydrogen flow rates were measured, allowing a comparative assessment of individual samples towards the lowest flow rates corresponding to the highest tightness. Determining the permeability of hardened cement slurries is problematic due to the specific nature of the porous medium, which is characterised by instability of parameters over time and is permanently damaged during drying.

Słowa kluczowe

PL

wodór; cement wiertniczy; szczelność; podziemny magazyn wodoru; PMW; OZE

EN

hydrogen; drilling cement; tightness; underground hydrogen storage; UHS; RES

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 79, nr 6
• Strony: 385--397
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz.

Twórcy

autor

Wojnicki Mirosław

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Kuśnierczyk Jerzy

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Szuflita Sławomir

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Warnecki Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Rzepka Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• American Petroleum Institute, 1998. Recommended practices for core analysis. Recommended Practice, 40.
• Andrade J.S., Costa U.M., Almeida M.P., Makse H.A, Stanley H.E., 1999. Inertial Effects on Fluid Flow through Disordered Porous Media. Physical Review Letter, 82(26): 5249–52. DOI: 10.1103/PhysRevLett.82.5249.
• Breitschopf B., Zheng L., Plaisir M., 2022. The role of renewable H2 import & storage to scale up the EU deployment of renewable H2. European Commission, Directorate-General for Energy. DOI: 10.2833/727785.
• Elsanoose A., Abobaker E., Khan F., Rahman M.A., Aborig A., Butt S.D., 2022. Estimating of Non-Darcy Flow Coefficient in Artificial Porous Media. Energies, 15(3): 1197. DOI: 10.3390/EN15031197.
• Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking, 2019. Hydrogen roadmap Europe: a sustainable pathway for the European energy transition.DOI: 10.2843/341510.
• Grgic D., Al Sahyouni F., Golfier F., Moumni M., Schoumacker L., 2022. Evolution of Gas Permeability of Rock Salt Under Different Loading Conditions and Implications on the Underground Hydrogen Storage in Salt Caverns. Rock Mechanics and Rock Engineering,55(1): 1–24. DOI: 10.1007/s00603-021-02681-y.
• IEA, 2022. Global Hydrogen Review 2022 – Analysis. <https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2022> (dostęp: 11.10.2022).
• Klinkenberg L.J., 1941. The permeability of porous media to liquids and gases. Drilling and Production Practice, New York, 200–213.API-41-200.
• Kremieniewski M., 2014a. Modyfikacje receptur zaczynów uszczelniających w celu zminimalizowania przepuszczalności powstałych kamieni cementowych. Nafta-Gaz, 70(3): 170–175.
• Kremieniewski M., 2014b. Ocena przepuszczalności kamieni cementowych pod kątem ograniczenia migracji gazu. Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego, 196: 1–155.
• McCarty R.D., Hord J., Roder H., 1981. Selected properties of hydrogen (engineering design data). United States.
• Ministerstwo Klimatu i Środowiska, 2021. Polska strategia wodorowa do roku 2030 z perspektywą do 2040. Ministerstwo Klimatu i Środowiska, 37.
• Miziołek M., Filar B., Kwilosz T., 2022. Magazynowanie wodoru w sczerpanych złożach gazu ziemnego. Nafta-Gaz, 78(3): 219–39. DOI:10.18668/NG.2022.03.06.
• Newman M.S., Yin X., 2013. Lattice Boltzmann Simulation of Non-Darcy Flow in Stochastically Generated 2D Porous Media Geometries. SPE Journal, 18(1): 12–26. DOI: 10.2118/146689-PA.
• Tanikawa W., Shimamoto T., 2006. Klinkenberg effect for gas permeability and its comparison to water permeability for porous sedimentary rocks. Hydrology and Earth System Sciences, 3: 1315–1338. DOI: 10.5194/hessd-3-1315-2006.
• Warpinski N.R., Teufel L.W., 1992. Determination of the Effective Stress Law for Permeability and Deformation in Low-Permeability Rocks. SPE Formation Evaluation, 7(2): 123–131. DOI: 10.2118/20572-PA.
• Zeng Z., Grigg R., 2006. A Criterion for Non-Darcy Flow in Porous Media. Transport in Porous Media, 63(1): 57–69. DOI: 10.1007/S11242-005-2720-3.

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).