[논문 리뷰] Subsurface hydrogen storage controlled by small-scale rock heterogeneities

Zaid Jangda, Hannah Menke외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 08.

Hydrocarbon exploration and reservoir analysisEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 3차원 X선 영상 촬영 및 층상 암석 시료에서의 유동 실험을 통해 지하 암석의 미세공 구조적 이질성이 수소(H₂) 저장 효율성에 미치는 영향을 조사한다. 실험 결과, H₂는 큰 공극과 통로를 통해 선호적으로 유동하며, 투과도가 낮은 영역을 우회하며, 구조적 이질성으로 인해 침윤 과정 후에 배출 과정보다 더 높은 포화도를 보이는 놀라운 현상을 나타낸다—이는 일반적으로 저수지 모델에서 忽시되는 미세 규모의 암석 변동이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 미세 규모의 암석 이질성이 지하 다공성 매체에서 H₂의 치환 및 저장에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 주기적인 주입(배출)과 회수(침윤) 과정에서 공극 및 통로 크기의 변화가 H₂ 분포에 미치는 영향를 평가하기 위해.
• 균질 모델과 비교했을 때 이질적인 암석에서 비정상적인 H₂ 포화도 행동이 발생하는 메커니즘을 규명하기 위해.
• 미세구조적 변동의 영향을 정량화하여 미세공 규모의 과정과 저수지 규모의 모델링 사이의 격차를 메우기 위해.

제안 방법

• 다양한 크기의 공극과 통로를 가진 층상 암석 시료의 내부 공극 구조를 시각화하기 위해 3차원 X선 단층촬영(CT) 영상 촬영을 수행하였다.
• 통제된 조건 하에서 주기적인 H₂ 주입(배출)과 회수(침윤)를 시뮬레이션하기 위해 실험실 규모의 유동 실험을 실시하였다.
• 고해상도 영상 촬영 및 영상 분석 기법을 사용하여 다양한 단계에서 H₂ 분포 및 포화도를 정량화하였다.
• 층상 암석으로 구성된 실질적인 지하 조건을 반영한 실험 설정이 구축되었으며, 투과도에 상당한 대비가 있는 특성을 가짐.
• 선호 유로 및 갇힘 메커니즘을 규명하기 위해 미세공 규모의 유동 역학을 분석하였다.
• 이론적 예측과 비교하기 위해 균질한 암석 모델의 예측 결과와 실험 결과를 대조하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 층상 다공성 암석에서 주입 과정 동안 미세 규모의 공극 및 통로 크기 변화가 H₂ 유로에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 균질 시스템과는 달리 이질적인 암석에서는 침윤 후 H₂ 포화도가 배출 후보다 높은 이유는 무엇인가?
• RQ3 암석의 이질성이 낮은 투과도 영역을 우회함으로써 H₂ 저축 용량을 얼마나 줄이는가?
• RQ4 미세공 규모의 구조적 특징이 주기적 주입 및 회수 과정에서 H₂ 회수 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 배출 과정 중 H₂는 큰 공극과 통로를 통해 선호적으로 유동하며, 작은 공극과 통로를 가진 저투과도 층을 대부분 우회한다.
• 이러한 우회 현상은 낮은 투과도의 암석 매트릭스와의 접촉을 제한함으로써 효과적인 H₂ 저축 용량을 감소시킨다.
• 침윤 이후 H₂ 포화도가 배출 이후보다 높게 나타나는 것은 균질한 암석에서는 관찰되지 않는 놀라운 결과이다.
• 관측된 포화도 행동의 역전 현상은 모세관력과 점성력이 유체 재분포 과정에서 구조적 이질성에 의해 변화하기 때문으로 기인된다.
• 미세 규모의 이질성은 H₂의 치환 및 갇힘에 크게 영향을 미치며, 기존의 저수지 규모 모델에서의 가정을 도전한다.
• 이러한 결과는 지하 수소 저장 예측 모델에서 미세공 규모의 이질성을 명시적으로 고려해야 한다는 것을 입증한다.