[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用三维X射线成像和层状岩心样品的流动实验，探究了地下岩石孔隙尺度非均质性如何控制氢气（H₂）储存效率。研究发现，H₂在流动过程中优先通过大孔隙和喉道，绕过低渗透性区域，且由于结构非均质性，在润湿过程后的饱和度反而高于排水过程，表现出反直觉的特性——凸显了在储层模型中常被忽略的小尺度岩石变异性的关键作用。

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.

研究动机与目标

• 理解小尺度岩石非均质性如何影响地下多孔介质中H₂的驱替与储存过程。
• 评估不同孔隙和喉道尺寸对循环注气（排水）和采气（润湿）过程中H₂分布的影响。
• 识别在非均质岩石中与均质模型相比出现异常H₂饱和度行为的机制。
• 通过量化微观结构变异的影响，弥合孔隙尺度过程与储层尺度建模之间的差距。

提出的方法

• 采用三维X射线计算机断层扫描（CT）成像技术，可视化具有不同孔隙和喉道尺寸的层状岩样内部孔隙结构。
• 在实验室尺度上开展流动实验，模拟在受控条件下循环H₂注气（排水）和采气（润湿）过程。
• 利用高分辨率成像和图像分析技术，量化不同阶段的H₂分布和饱和度。
• 实验装置复刻了包括明显渗透率差异的层状岩石在内的真实地下条件。
• 分析孔隙尺度流动动力学，识别优先流动路径和流体捕集机制。
• 将实验结果与均质岩石模型的预测结果进行对比，以分离非均质性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在层状多孔岩石中，小尺度孔隙和喉道尺寸的差异如何影响排水过程中的H₂流动路径？
• RQ2 为何在非均质岩石中，润湿后的H₂饱和度高于排水后，与均质系统中的行为相反？
• RQ3 岩石非均质性在多大程度上通过导致低渗透性区域被绕过而降低H₂储存容量？
• RQ4 孔隙尺度的结构特征如何影响循环注气与采气过程中H₂采收效率？

主要发现

• 在排水过程中，H₂优先通过大孔隙和喉道流动，绕过大部分孔隙和喉道尺寸较小的低渗透性层。
• 这种绕流现象降低了H₂的有效储存容量，限制了与低渗透性岩基的接触。
• 润湿后H₂的饱和度超过排水后，这一反直觉结果在均质岩石中未被观察到。
• 观察到的饱和度行为反转归因于非均质孔隙结构，其改变了流体再分布过程中毛细管力和粘性力的相互作用。
• 小尺度非均质性显著影响H₂的驱替与捕集行为，挑战了传统储层尺度模型中的假设。
• 研究结果表明，预测地下氢气储存的模型必须明确考虑孔隙尺度的非均质性。