Важный вопрос в развитии водородной энергетики — выбор объектов для безопасного хранения водорода. Для этого могут использоваться различные горные породы и подземные хранилища. Но чтобы не допустить химического изменения водорода и разрушения скважин, необходимо учитывать множество факторов.
Ученые Пермского Политеха и Института проблем нефти и газа разработали специальную методику для изучения воздействия газа на трансформацию свойств горных пород и химического состава керна. Исследование позволяет качественно определять возможность использования хранилища для водорода.
Статья с результатами опубликована в научном журнале «Записки горного института», 2024 год. Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания ИПНГ РАН.
Для хранения больших объемов водорода рассматривают истощенные газовые месторождения, водоносные горизонты или хранилища, используемые сегодня для содержания метана. Но газ в них может вызвать охрупчивание стальных колонн скважин. Так как под его воздействием происходят физико-химические процессы, которые приводят к растрескиванию, а затем к ухудшению их напряженно-деформированных свойств. Впоследствии это может стать причиной непредвиденных аварийных ситуаций в скважинах.
Также водород может подвергаться химическим изменениям. Под действием бактерий, обитающих в коллекторах, он преобразуется в сероводород — чрезвычайно агрессивный газ, негативно влияющий на структуру скважины. А минералы породы, вступая в реакцию с водородом, способны значительно трансформировать пористость и проницаемость пласта. Из-за этого хранить его рекомендуется преимущественно в терригенных коллекторах без примесей глин и карбонатов.
Однако влияние газа на изменение свойств пород-коллекторов и химического состава пока недостаточно изучено. Поэтому ученые Пермского Политеха и Научно-исследовательского института проблем нефти и газа детально рассмотрели этот важный аспект на примере одного из терригенных отложений нефтегазоносной территории. Для этого разработали специальную программу, которая позволяет детально исследовать образцы керна до и после воздействия водорода.
Для экспериментов политехники использовали 20 образцов керна, взятого из интервалов с наибольшей пористостью и проницаемостью с глубины около 1500 метров. Сначала исследовали коллекторские свойства, плотность, динамические характеристики, напряженно-деформированные свойства и химический состав образцов, а после их взаимодействия с водородом повторяли процедуру на уже измененном керне.
Для взаимодействия с водородом ученые создали специальную конструкцию. Образцы помещались в цилиндр с входным и выходным отверстиями для подачи и отвода газа. Туда располагали три образца: стандартный, длинный и измельченный. Газ подавался из баллона со сжатым водородом, и порода подвергалась его воздействию в течение семи дней.
«Результаты экспериментов показали, что после воздействия водорода пористость и проницаемость снизились на 4,6 и 7,9 процентов соответственно. Газ нарушил прочность межкристаллитных контактов, что привело к ослаблению породы. Но в то же время такое снижение свойств не столь значительно и не должно оказывать существенного влияния на процесс закачки и извлечения газа, учитывая, что водород намного более подвижен, чем природный газ», – объясняет доктор технических наук, заведующий кафедрой нефтегазовых технологий ПНИПУ Сергей Чернышов.
«Изменение химического состава пород до и после воздействия газом было также небольшим. На основании этих результатов мы можем говорить о том, что исследуемый пласт химически устойчив к водороду. Это подтверждается тем, что образцы содержат большое количество (96,64 процента) оксида кремния, который в данном случае не взаимодействует с водородом», – рассказывает доктор технических наук, заведующий лабораторией института проблем нефти и газа РАН Сергей Попов.
Полученные данные на основе методики ученых позволяют выяснить, может ли экспериментально проверенный нефтегазоносный пласт быть использован для хранения водорода. Однако подтверждать такой вывод лучше более длительным временем воздействия водорода на образцы керна.
Проведенное исследование ученых Пермского Политеха и Института проблем нефти и газа доказало перспективность разработанного способа для точного изучения воздействия газа на изменение свойств горных пород и химического состава керна. Подобные исследования позволят эффективно определять перспективность того или иного объекта для хранения водорода. Что, в свою очередь, вносит большой вклад в развитие водородной энергетики России.