[論文レビュー] Subsurface hydrogen storage controlled by small-scale rock heterogeneities

Zaid Jangda, Hannah Menke+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2023

Hydrocarbon exploration and reservoir analysisEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、3次元X線画像法と積層した岩盤試料を用いた流れ実験を通じて、地下の多孔質岩盤におけるミクロスケールの不均一性が水素（H₂）貯蔵効率にどのように影響するかを調査している。H₂は主に大きな孔および細孔を通って流れ、低透水性領域を避ける傾向にあり、構造的不均一性のため、吸引（imbibition）後の飽和度が排水（drainage）後の飽和度よりも高くなるという直感に反する現象を示す。これは、貯留モデルでしばしば無視される小スケールの岩石変動が果たす重要な役割を示している。

ABSTRACT

Subsurface porous rocks have the potential to store large volumes of hydrogen (H$_2$) required for transitioning towards a H$_2$-based energy future. Understanding the flow and trapping behavior of H$_2$ in subsurface storage systems, which is influenced by pore-scale heterogeneities inherent to subsurface rocks, is crucial to reliably evaluate the storage efficiency of a geological formation. In this work, we performed 3D X-ray imaging and flow experiments to investigate the impact of pore-scale heterogeneity on H$_2$ distribution after its cyclic injection (drainage) and withdrawal (imbibition) from a layered rock sample, characterized by varying pore and throat sizes. Our findings reveal that even subtle variations in rock structure and properties significantly influence H$_2$ displacement and storage efficiency. During drainage, H$_2$ follows a path consisting of large pores and throats, bypassing the majority of the low permeability rock layer consisting of smaller pores and throats. This bypassing substantially reduces the H$_2$ storage capacity. Moreover, due to the varying pore and throat sizes in the layered sample, depending on the experimental flow strategy, we observe a higher H$_2$ saturation after imbibition compared to drainage, which is counterintuitive and opposite to that observed in homogeneous rocks. These findings emphasize that small-scale rock heterogeneity, which is often unaccounted for in reservoir-scale models, can play a vital role in the displacement and trapping of H$_2$ in subsurface porous media.

研究の動機と目的

• 小スケールの岩石不均一性が地下多孔質媒体におけるH₂の置換および貯蔵に与える影響を理解すること。
• 異なる孔および細孔サイズが、サイクル的注入（排水）と吸引（吸引）におけるH₂分布に与える影響を評価すること。
• 均一モデルとは対照的に、不均一な岩盤における異常なH₂飽和度挙動の背後にあるメカニズムを特定すること。
• 微細構造的変動の影響を定量化することで、ミクロスケールのプロセスと貯留スケールのモデリングのギャップを埋めること。

提案手法

• 3次元X線コンputedトモグラフィ（CT）画像法を用いて、孔および細孔サイズが異なる積層岩盤試料の内部孔構造を可視化した。
• 実験室規模の流れ実験を実施し、制御された条件下でサイクル的H₂注入（排水）および吸引（吸引）を模擬した。
• 高解像度画像法と画像解析技術を用いて、異なる段階におけるH₂の分布および飽和度を定量した。
• 実験装置は、明確な透水性対比を示す積層岩盤を含む、現実的な地下環境条​​件を再現した。
• 流れのミクロスケールダイナミクスを分析し、好ましい流れ経路および閉じ込めメカニズムを同定した。
• 均一岩盤モデルの予測と比較することで、不均一性の影響を隔離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小スケールの孔および細孔サイズの変動は、積層多孔質岩盤における排水時のH₂の流れの経路にどのように影響するか？
• RQ2 不均一な岩盤では、吸引後のH₂飽和度が排水後の飽和度を上回るが、これは均一系では観察されない。その理由は何か？
• RQ3 岩盤の不均一性が、低透水性帯の流れを回避することで、H₂貯蔵容量をどの程度低下させるか？
• RQ4 孔スケールの構造的特徴は、サイクル的注入および吸引におけるH₂回収効率にどのように影響するか？

主な発見

• 排水時、H₂は主に大きな孔および細孔を通って流れ、小孔および細孔を有する低透水性層の大部分を避ける。
• この流れの回避は、低透水性岩盤マトリックスとの接触を制限することで、有効なH₂貯蔵容量を低下させる。
• 吸引後、H₂飽和度が排水後の飽和度を上回るという、直感に反する結果が観察されたが、これは均一岩盤では観察されない。
• 観察された飽和度の逆転挙動は、不均一な孔構造が、流体再分配時の毛管力および粘性力のバランスを変化させるためである。
• 小スケールの不均一性はH₂の置換および閉じ込めに顕著な影響を及ぼし、従来の貯留スケールモデルの仮定に疑問を呈する。
• 本研究の結果は、地下水素貯蔵の予測モデルにおいて、ミクロスケールの不均一性を明示的に取り入れる必要があることを示している。