Прогноз гидрогеохимических эффектов в глинистых флюидоупорах при подземном хранении водорода с метаном

Теоретические вопросы совместного подземного хранения водорода с метаном изучены слабо, а практические примеры единичны. Поэтому крайне важен анализ взаимовлияния водород-метановых смесей и вмещающей геологической среды. В статье представлен материал, позволяющей обосновать наиболее значимые гидрохимические процессы, влияющие на трансформацию флюидоупоров. Для этой цели привлечены результаты собственных экспериментов, а также опубликованные данные по исследованию влияния гидрохимических условий на диффузионные потери водорода, его взаимодействие с породообразующими минералами, органическим веществом и поровыми водами. Дана количественная оценка снижения влагонасыщенности опытных образцов глинистых пород и, как следствие, потерь массового содержания минеральных и органических веществ.
Установлено, что циклическая смена термобарических воздействий приводит к изменению окислительновосстановительных условий в системе «порода ↔ поровые воды» и сопровождается повышением реакционной способности кальция, магния, серы, железа. Рассчитаны индексы насыщенности поровых вод карбонатными и сульфатными солями кальция в условиях их осаждения, растворения и выноса из раствора. Интерпретация экспериментальных данных позволила обосновать наиболее вероятные преобразования в глинистых породахпокрышках, влияющие на их экранирующие возможности. Рекомендовано при проектировании и эксплуатации объектов хранения водород-метановых смесей учитывать многообразие сопутствующих гидрохимических и микробиологических процессов, влияющих на изменение фильтрационных свойств пород-покрышек.

1. Абрамова О.П. (2007). Возможный механизм образования очаговых зон нефтегазонакопления. В сб.: Нефтегазовая гидрогеология на современном этапе (теоретические проблемы, региональные модели, практические вопросы). Москва: ГЕОС, с. 170–191.

2. Абрамова О.П., Абукова Л.А. (2015). Глинистые толщи осадочных бассейнов – генераторы нафидо- и рудообразующих флюидов. Мат. Всеросс. научно-практ. конф.: Черные сланцы: геология, литология, геохимия,

3. значение для нейтегазового комплекса, перспективы использования как альтернативного углеводородного сырья. Якутск: ИПНГ СО РАН, с. 9–11.

4. Абрамова О.П., Абукова Л.А., Попов С.Н. (2011) Проблемы повышения достоверности компьютерных моделей природного и техногенного солеотложения в геологической среде. Современные проблемы науки и образования, 4, с. 68. https://www.scienceeducation.ru/pdf/2011/4/24.pdf

5. Абукова Л.А., Абрамова О.П., Анисимов Л.А., Сианисян Э.С., Воронцова И.В., Исаева Г.Ю. (2017). Геохимия пластовых вод месторождений углеводородов Северного и Среднего Каспия. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки, 4-1(196-1), с. 93–103.

6. Абукова Л.А., Карцев А.А., Лашкевич В.С., Иванов В.Д. (2003). Механохимия поровых вод глинистых отложений в аспекте генезиса нефти и газа. В сб.: Генезис нефти и газа. Москва: ГЕОС, с. 5–7.

7. Барсук Н.Е., Хайдина М.П., Хан С.А. (2018). «Зеленый» газ в газотранспортной системе Европы. Газовая промышленность, 10, с. 104–109.

8. Басниев К.С. (2011). Водород как один из альтернативных источников энергии будущего. В сб.: Фундаментальные проблемы разработки месторождений нефти и газа. Москва: ГЕОС, с. 9–10.

9. Басниев К.С., Выродова И.В., Бадюк Е.А. (2008). Подземное хранение водорода. Наука и техника в газовой промышленности. СанктПетербург, 3(34), с. 87–94.

10. Булатов Г.Г. (1979). Подземное хранение водорода. Дисс. канд. техн. н. Москва: 234 с.

11. Гаррелс Р.М., Крайст Ч.Л. (1968). Растворы, минералы, равновесия. Москва: Мир, 368 с.

12. Голодковская Г.А., Калиниченко И.В., Филимонов Ю.Л., Хлопцов В.Г. (2008). Изменение деформационных и емкостно-фильтрационных свойств песчано-алевритовых пород при эксплуатации подземных хранилищ газа. Вестник Московского Университета, серия 4: геология, 3, с. 32–40.

13. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Овчаренко Ф.Д. (1989). Вода в дисперсных системах. Москва: Химия, 288 с.

14. Иванова А.Е., Борзенков И.А., Тарасов А.Л., Милехина Е.И., Беляев С.С. (2007) Микробиологические исследования на объектах подземного газового хранилища в процессе закачки газа. Микробиология, 76(4), с. 515–523.

15. Калиниченко И.В. (2009) Экспериментальное моделирование изменения деформационных и емкостных свойств пористых коллекторов в связи с эксплуатацией подземных хранилищ газа. Автореф. дис. канд. геол.-мин. н. Москва: МГУ, 171 с.

16. Кащавцев В.Е., Мищенко И.Т. (2004). Солеобразование при добыче нефти. Москва: Орбита-М, 432 с.

17. Клубова Т.Т. (1973). Глинистые минералы и их роль в генезисе, миграции и аккумуляции нефти. Москва: Недра, 255 с

18. Клубова Т.Т., Королев Ю.М., Резникова А.П. и др. (1986). Поровое пространство и органическое вещество коллекторов и покрышек. Москва: Наука, 95 с.

19. Кольчицкая Т.Н., Михайлов H.H. (2000). Поведение глинистых пород при циклических нагрузках. Геология нефти и газа, 2, с. 52–56.

20. Королёв В.А. (1996). Связанная вода в горных породах: новые факты и проблемы. Соросовский образовательный журнал, 9, с. 79–85.

21. Кулешов В.Н. (1986). Изотопный состав и происхождение глубинных карбонатов. Тр. АН СССР, 405, 122 с.

22. Левшунова С.П. (1994). Водород и его биогеохимичвская роль в образовании углеводородных газов в осадочных породах земной коры. Автореф. дис. докт. геол.-мин. н. Москва: МГУ, 40 с.

23. Логвиненко Η. В., Орлова Л. В. (1987). Образование и изменение осадочных пород на континенте и в океане. Ленинград: Недра, 237 с.

24. Микерина Т.Б., Фадеева Н.П. (2013). Цикличность накопления органического вещества в кайнозойских отложениях Азово-Кубанского нефтегазоносного бассейна. Вестник Московского Университета, серия 4: геология, с. 24–34.

25. Назина Т.Н., Иванова А.Е., Голубева О.В., Ибатуллин Р.Р., Беляев С.С., Иванов М.В. (1995). Распространение сульфат- и железоредуцирующих бактерий в пластовых водах Ромашкинского нефтяного месторождения. Микробиология, 64(2), с. 245–251.

26. Назина Т.Н., Павлова Н.К., Фангтиан Ни, Шестакова Н.М., Ивойлов В.С., Циньсян Фенг, Джао Донюн, Прусакова Т.С., Беляев С.С., Иванов М.В. (2008). Регуляция геохимической активности микроорганизмов в нефтяном пласте путем нагнетания водно-воздушной смеси или H2 O2 . Микробиология, 77(3), с. 370–379.

27. Осипов В.И., Соколов В.Н. Еремеев В.В. (2001). Глинистые покрышки нефтянывх и газовых месторождений. Москва: Наука, 114 с.

28. Словарь по нефтегазовой гидрогеологии (2015). Составители: Карцев А.А., Абукова Л.А., Абрамова О.П. Москва: ГЕОС, 304 с.

29. Федорова Н.Ф., Быстрова И.В., Ермолина А.В. (2016). Особенности формирования отложений осадочного чехла юго-западной части Прикаспийской впадины. Геология, география и глобальная энергия, 3(62), с. 33–49. https://doi.org/10.21672/2077-6322.2016.62.3.033-049

30. Basniev, K.S., Omelchenko, R.J., Adzynova, F.A. (2010). Underground hydrogen storage problems in Russia. Proc. 18th World Hydrogen Energy Conference – WHEC.

31. Bernardez L. A., Ramos C. L. S., Almeida P. F. (2013). A kinetic study on bacterial sulfate reduction. Article in Bioprocess and Biosystems Engineering. Bioprocess Biosyst Eng, 36, pp. 1861–1869. https://doi.org/10.1007/s00449-013-0960-0

32. Carden, P., Paterson, L. (1979). Physical, chemical and energy aspects of underground hydrogen storage. International Journal of Hydrogen Energy, 4, pp. 559–569. https://doi.org/10.1016/0360-3199(79)90083-1

33. Didier М. (2012). Etude du transfert réactif de l’hydrogène au sein de l’argilite intacte. Sciences de la Terre. Université de Grenoble. Français. The effects of hydrogen injection in natural gas networks for the Dutch underground storages’ (2017). Final Report. Commissioned by the ministry of Economic Affairs. Leipzig.

34. Gaboreau S., Gailhanou H., Blanc Ph., Vieillard Ph., Made B. (2020). Clay mineral solubility from aqueous equilibrium: Assessment of the measured thermodynamic properties. Applied Geochemistry, 113, https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2019.104465

35. Hagemann B., Rasoulzadeh M., Panfilov M. et al. (2015). Hydrogenization of underground storage of natural gas. Comput Geosci, 20, pp. 595–606. https://doi.org/10.1007/s10596-015-9515-6

36. Henkel, S., Pudlo, D., Werner, L., Enzmann, F., Reitenbach, V., Albrecht, D., Würdemann, H., Heister, K., Ganzer, L.J., & Gaupp, R. (2014). Mineral Reactions in the Geological Underground Induced by H2 and CO2 Injections. Energy Procedia, 63, pp. 8026–8035. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.11.839

37. Lassin, A., Dymitrowska, M., & Azaroual, M. (2011). Hydrogen solubility in pore water of partially saturated argillites: Application to Callovo-Oxfordian clayrock in the context of a nuclear waste geological disposal. Physics and Chemistry of The Earth, 36, pp. 1721–1728. https://doi.org/10.1016/j.pce.2011.07.092

38. Machel H.G., Mountjoy E.W. (1986). Chemistry and Environments of Dolomitization – A Reappraisal. Earth Science Reviews, 23(3), pp. 175–222. https://doi.org/10.1016/0012-8252(86)90017-6

39. Mcmahon, C.J. (2019). Geological storage of hydrogen: natural analogues, flow cell experiments and mass transport modelling. http://dx.doi.org/10.7488/era/39

40. Ortiz, L., Volckaert, G., & Mallants, D. (2002). Gas generation and migration in Boom Clay, a potential host rock formation for nuclear waste storage. Engineering Geology, 64, pp. 287–296. https://doi.org/10.1016/S0013-7952(01)00107-7

41. Panfilov M., Gravier G., and Fillacier S. (2006). Underground Storage of H2 and H2-CO2- CH4 mixtures. 10th European Conference on the Mathematics of Oil Recovery. Netherlands. https://doi.org/10.1007/s11242-010-9595-7

42. Panfilov M. (2010). Underground storage of hydrogen: in situ selforganisation and methane generation. Transp. Porous Media, 85(3), pp. 841–865. https://doi.org/10.1016/B978-1-78242-362-1.00004-3

43. Panfilov M. (2016). Underground hydrogen storage as an element of energy cycle. Compendium of Hydrogen Energy: Hydrogen Storage, Distribution and Infrastructure, 91. https://doi.org/10.3997/2214-4609.201402474

44. Pichler M. (2013). Assesment of Hydrogen-Rock Interactions during Geological Storage of CH4-H2 Mixtures. Montan Universität Leoben, Leoben. https://doi.org/10.3997/2214-4609.20131594

45. Reitenbach V., Ganzer L.J., Albrecht D., & Hagemann B. (2015). Influence of added hydrogen on underground gas storage: a review of key issues. Environmental Earth Sciences, 73(11), pp. 6927–6937. https://doi.org/10.1007/s12665-015-4176-2

46. Shi, Z., Jessen, K., & Tsotsis, T.T. (2020). Impacts of the subsurface storage of natural gas and hydrogen mixtures. International Journal of Hydrogen Energy, 45, pp. 8757–8773. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.01.044

47. Slobodkin A.I., Jeanthon C., L’Haridon S., Nazina T., Miroshnichenko M., Bonch-Osmolovskaya E. (1999). Dissimilatory reduction of Fe(III) by thermophilic bacteria and archaea in deep subsurface petroleum reservoirs of Western Siberia. Current Microbiol., 39, pp. 99–102. https://doi.org/10.1007/s002849900426

48. Truche L., Jodin-Caumon, M., Lerouge C., Berger G., Mosser-Ruck, R., Giffaut E., & Michau N. (2013). Sulphide mineral reactions in clay-rich rock induced by high hydrogen pressure. Application to disturbed or natural settings up to 250 °C and 30 bar. Chemical Geology, 351, pp. 217–228. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2013.05.025

49. Truche, L., Joubert, G., Dargent, M., Martz, P., Cathelineau, M., Rigaudier, T., & Quirt, D. (2018). Clay minerals trap hydrogen in the Earth’s crust: Evidence from the Cigar Lake uranium deposit, Athabasca. Earth and Planetary Science Letters, 493. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.04.038

50. Yekta A.E., Pichavant M., & Audigane P. (2018). Evaluation of geochemical reactivity of hydrogen in sandstone: Application to geological storage. Applied Geochemistry, 95, pp. 182–194. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2018.05.021