«Geology, geophysics and development of oil and gas fields»

FEATURES OF THE HYDROCHEMICAL ENVIRONMENT FOR UNDERGROUND STORAGE OF HYDROGEN-METHANE MIXTURES

UDC: 662.691.24
DOI: 10.33285/2413-5011-2021-6(354)-61-70

Authors:

¹ Oil and Gas Research Institute Russian Academy of Sciences (OGRI RAS), Moscow, Russian Federation

Keywords: underground storage, hydrogen, methane, argillaceous caprocks, terrigenous reservoirs, thermobaric loads, Microbiological reactions

Annotation:

Based on the experiments results of external thermobaric loads effect on argillaceous rocks, the manifestations of abiotic and microbiological reactions leading to a violation of the cap rocks and underground reservoirs properties are being analyzed. The performed calculations of the pore water saturation indexes by the poorly soluble calcium minerals showed that during the thermobaric loads changes that are typical for the injection and gas extraction conditions in underground storages the processes of dissolution or precipitation of salts might occur. The activity of microorganisms with the carbonic-cid gas formation, reduced forms of sulfur and iron and other reactions leading to changes in the surrounding geological space might become active. Recommendations were given for taking into account the risks of the hydrochemical and microbiological factors manifestation of the geological environment’s destabilization of underground storages during the exploitation of combined storage facilities for hydrogen and methane.

Bibliography:

1. Panfilov M. Underground storage of hydrogen: natural methane generation and in-situ self-organisation // Gazovaya promyshlennost. - 2010. - Pp. 98-105.
2. Басниев К.С. Водород как один из альтернативных источников энергии будущего // В сб. "Фундаментальные проблемы разработки месторождений нефти и газа". - М.: ГЕОС, 2011. - С. 9-10.
3. Carden P., Paterson L. Physical, chemical and energy aspects of underground hydrogen storage // International J. of Hydrogen Energy. - 1979. - Vol. 4. - Pp. 559-569. - DOI: 10.1016/0360-3199(79)90083-1
4. Influence of added hydrogen on underground gas storage: a review of key issues / V. Reitenbach, L.J. Ganzer, D. Albrecht, B. Hagemann // Environmental Earth Sciences. - 2015. - Vol. 73. - Pp. 6927-6937.
5. Shi Z., Jessen K., Tsotsis T.T. Impacts of the subsurface storage of natural gas and hydrogen mixtures // International J. of Hydrogen Energy. - 2020. - Vol. 45. - Pp. 8757-8773.
6. Абрамова О.П. Возможный механизм образования очаговых зон нефтегазонакопления // В сб. "Нефтегазовая гидрогеология на современном этапе (теоретические проблемы, региональные модели, практические вопросы)". - М.: ГЕОС, 2007. - С. 170-191.
7. Экспериментальное и численное моделирование взаимодействия пластовых и технических вод при разработке месторождения им. Ю. Корчагина / С.В. Делия, Л.А. Абукова, О.П. Абрамова, Л.А. Анисимов, С.Н. Попов, И.В. Воронцова // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", 2012. - № 10. - С. 34-41.
8. Абрамова О.П., Абукова Л.А. Глинистые толщи осадочных бассейнов - генераторы нафидо- и рудообразующих флюидов // В сб.: "Черные сланцы: геология, литология, геохимия, значение для нефтегазового комплекса, перспективы использования как альтернативного углеводородного сырья": Материалы Всерос. науч.-практич. конф. - 2015. - С. 9-11.
9. Абрамова О.П., Василенко П.А. К проблеме определения объектов и методов экологического контроля природной среды в зонах действия хранилищ нефтепродуктов // Актуальные проблемы нефти и газа. - 2018. - Вып. 1(20). - URL: http://oilgasjournal.ru. - DOI: 10.29222/ipng.2078-5712.2018-20.art12
10. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований: Учеб. пособие для вузов. - Л.: Недра, 1990. - 328 с.
11. Осипов В.И., Соколов В.Н., Еремеев В.В. Глинистые покрышки нефтяных и газовых месторождений. - М.: Наука, 2001. - 114 с.
12. Левшунова С.П. Водород и его биогеохимичвская роль в образовании углеводородных газов в осадочных породах земной коры: Автореф. дис. … докт. геол.-минер. наук. - М.:. МГУ, 1994. - 40 с.
13. Lassin A., Dymitrowska M., Azaroual M. 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. - 2011. - Vol. 36. - Рр. 1721-1728.
14. Изменение деформационных и емкостно-фильтрационных свойств песчано-алевритовых пород при эксплуатации подземных хранилищ газа / Г.А. Голодковская, И.В. Калиниченко, Ю.Л. Филимонов, В.Г. Хлопцов // Вестник Московского ун-та. Сер. 4: геология. - 2008. - № 3. - С. 32-40.
15. Киссин И.Г. О влиянии поровых растворов на прочность горных пород в очагах землетрясений // Сб. статей "Влияние поровых вод на физико-механические свойства пород". - 1974. - С. 248-252.
16. Киссин И.Г. Флюиды в земной коре: геофизические и тектонические аспекты. - М.: Наука, 2009. - 328 с.
17. Поровое пространство и органическое вещество коллекторов и покрышек / Т.Т. Клубова, Ю.М. Королев, А.П. Резникова [и др.]. - М.: Наука, 1986. - 95 с.
18. Didier Mathilde. Etude du transfert réactif de l'hydrogène au sein de l'argilite intacte // Sciences de la Terre. - Français: Université de Grenoble, 2012. - NNT: 2012 GRENU018.
19. Федорова Н.Ф., Быстрова И.В., Ермолина А.В. Особенности формирования отложений осадочного чехла юго-западной части Прикаспийской впадины // Геология, география и глобальная энергия. - 2016. - № 3(62). - С. 33-49.
20. Гаррелс Р.М., Крайст Ч.Л. Растворы, минералы, равновесия. - М.: Мир, 1968. - 368 с.
21. Кащавцев В.Е., Мищенко И.Т. Солеобразование при добыче нефти. - М.: Орбита-М, 2004. - 432 с.
22. Абрамова О.П., Абукова Л.А., Попов С.Н. Проблемы повышения достоверности компьютерных моделей природного и техногенного солеотложения в геологической среде // Современные проблемы науки и образования. - 2011. - № 4. - С. 68.
23. Геохимия пластовых вод месторождений углеводородов Северного и Среднего Каспия / Л.А. Абукова, О.П. Абрамова, Л.А. Анисимов, Э.С. Сианисян, И.В. Воронцова, Г.Ю. Исаева // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. Сер.: Естественные науки. - 2017. - № 4-1(196-1). - С. 93-103.
24. Кулешов В.Н. Изотопный состав и происхождение глубинных карбонатов // Тр. АН СССР, Геол. ин-т. - М.: Наука, 1986. - Вып. 405. - 122 с.
25. Machel H.G., Mountjoy E.W. Сhemistry and Environments of Dolomitization - A Reappraisal // Earth Science Reviews. - 1986. - Vol. 23(3). - Pp. 175-222. - DOI: 10.1016/0012-8252(86)90017-6
26. Pichler M.P. Assesment of Hydrogen Rock Interaction During Geological Storage of CH4-H2 Mixtures // Sustainable Earth Sciences: Technologies for Sustainable Use of the Deep Sub-Surface. - 2013. - DOI: 10.3997/2214-4609.20131594
27. Карцев А.А. Гидрогеология нефтяных и газовых месторождений. - М.: Недра, 1972. - 280 с.
28. Распространение сульфат- и железоредуцирующих бактерий в пластовых водах Ромашкинского нефтяного месторождения / Т.Н. Назина, А.Е. Иванова, О.В. Голубева, Р.Р. Ибатуллин, С.С. Беляев, М.В. Иванов // Микробиология. - 1995. - Т. 64. - № 2. - С. 245-251.
29. Dissimilatory reduction of Fe(III) by thermophilic bacteria and archaea in deep subsurface petroleum reservoirs of Western Siberia / A.I. Slobodkin, C. Jeanthon, S. L'Haridon, T. Nazina, M. Miroshnichenko, E. Bonch-Osmolovskaya // Current Microbiology. - 1999. - Vol. 39. - Pp. 99-102.
30. Микробиологические исследования на объектах подземного газового хранилища в процессе закачки газа / А.Е. Иванова, И.А. Борзенков, А.Л. Тарасов, Е.И. Милехина, С.С. Беляев // Микробиология. - 2007. - Т. 76. - № 4. - С. 515-523.
31. Geochemical Effects of Millimolar Hydrogen Concentrations in Groundwater: An Experimental Study in the Context of Subsurface Hydrogen Storage / M. Berta, F. Dethlefsen, M. Ebert, D. Schäfer, A. Dahmke // Environmental science & technology. - 2018. - Vol. 528. - Pp. 4937-4949.
32. Underground hydrogen storage: application of geochemical modeling in a case study in the Molasse Basin, Upper Austria / N. Hassannayebi, S. Azizmohammadi, M.D. Lucia, H. Ott // Environmental Earth Sciences. - 2019. - Vol. 78. - Pp. 1-14.
33. Павелко Г.Ф. Механохимические реакции элементной серы и сульфидов железа с водородом, кислородом и водой // Журнал неорганической химии. - 2008. - Т. 53. - № 7. - С. 1061-1067.
34. 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 / L. Truche, M. Jodin-Caumon, C. Lerouge, G. Berger, R. Mosser-Ruck, R. Giffaut, N. Michau // Chemical Geology. - 2013. - Vol. 351. - Pp. 217-228.
35. Пространственно-временные закономерности распределения растворенных и взвешенных форм марганца в воде Новосибирского водохранилища / Т.С. Папина, А.Н. Эйрих, Т.Г. Серых, Е.Ю. Дрюпина // Водные ресурсы. - 2017. - Т. 44. - № 2. - С. 201-208.
36. A kinetic study on bacterial sulfate reduction / L.A. Bernardez, L.R. Lima, E.B. Jesus, C.L. Ramos, P.F. Almeida // Bioprocess and Biosystems Engineering. - 2013. - Vol. 36. - Pp. 1861-1869.
37. Клубова Т.Т. Глинистые минералы и их роль в генезисе, миграции и аккумуляции нефти. - М.: Недра, 1973. - 255 с.
38. Panfilov M., Toleukhanov A., Rasoulzadeh M. Self-organization in underground bacterial methanation reactors, hydrogen storages and natural hydrogen reservoirs // In: Proceedings of Réunion Sciences de la Terre. - Pau-France, 27-31 October 2014.
39. Hydrogenization of underground storage of natural gas / B. Hagemann, M. Rasoulzadeh, M. Panfilov, L.J. Ganzer, V. Reitenbach // Computational Geosciences. - 2015. - Vol. 20. - Pp. 595-606. - DOI: 10.1007/s10596-015-9515-6
40. Panfilov M. Underground and pipeline hydrogen storage // In: Compendium of Hydrogen Energy. Ch. 4 / ed. R.B. Gupta. - Elsevier, 2015. - Pp. 92-116.
41. Yekta A.E., Pichavant M., Audigane P. Evaluation of geochemical reactivity of hydrogen in sandstone: Application to geological storage // Applied Geochemistry. - 2018. - Vol. 95. - Pp. 182-194.
42. Hemme C., Berk W. Hydrogeochemical Modeling to Identify Potential Risks of Underground Hydrogen Storage in Depleted Gas Fields // Applied Sciences. - 2018. - Vol. 8. - 2282 p. - DOI: 10.3390/app8112282
43. Hemme C. Storage of Gases in Deep Geological Structures: Spatial and Temporal Hydrogeochemical Processes Evaluated and Predicted by the Development and Application of Numerical Modeling: Doctoral Thesis (Dissertation… Dr. rer. nat.). - 26.02.2019.
44. Mcmahon C.J. Geological storage of hydrogen: natural analogues, flow cell experiments and mass transport modeling. - 2019. - URL: DOI: 10.7488/era/39
45. Коробанова И.Г. Закономерности формирования свойств терригенных отложений. - М.: Наука, 1983. - 112 с.
46. Clay minerals in the Meuse-Haute Marne underground laboratory (France): Possible influence of organic matter on clay mineral evolution / F. Claret, B.A. Sakharov, V.A. Drits, B. Velde, A. Meunier, L. Griffault, B. Lanson // Clays and Clay Minerals. - 2004. - Vol. 52. - Pp. 515-532.
47. Natural organic matter (NOM)-clay association and impact on Callovo-Oxfordian clay stability in high alkaline Solution: Spectromicroscopic evidence / T. Schäfer, F. Claret, F. Bauer, L. Griffault, E. Ferrage, B. Lanson // J. de Physique IV (Proceedings). - 2003. - Vol. 104. - Pp. 413-416. - DOI: 10.1051/jp4:20030111
48. Набухающий минерал глубокопогруженных отложений плиоцена Бакинского архипелага / Н.В. Белов, Н.Д. Зхус, Е.Н. Зубковская [и др.] // Докл. АН СССР. - 1978. - Т. 243. - № 3. - С. 138-142.
49. Анфимов Л.В. Формации и рудоносность нижнего рифея в Бакало-Саткинском горнорудном районе на Южном Урале // ДАН СССР. - 1982. - Т. 265. - № 5. - С. 1227-1230.
50. Парагенезис металлов и нефти в осадочных толщах нефтегазоносных бассейнов / Д.И. Горжевский, А.А. Карцев, Д.И. Павлов [и др.]. - М.: Недра, 1990. - 268 с.
51. Механохимия поровых вод глинистых отложений в аспекте генезиса нефти и газа / Л.А. Абукова, А.А. Карцев., В.С. Лашкевич, В.Д. Иванов // В сб. Генезис нефти и газа. - М.: ГЕОС, 2003. - С. 5-7.
52. Холодов В.Н. Модель элизионной рудообразующей системы и некоторые проблемы гидротермально-осадочного рудообразования // Редкометально-урановое рудообразование в осадочных породах. - М.: Наука, 1995. - С. 10-31.