HYDROGEN STORAGE IN DEPLETED GAS RESERVOIRS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Final merged PhD Thesis - NSM_compressed.pdf Restricted to Repository staff only until 1 August 2025. Download (14MB)

Arabic Abstract

تبرز خزانات الغاز المستنفدة كخيارات اقتصادية وموثوقة بسبب التوزيع الواسع النطاق، والمرافق المنشأة مسبقًا، وسهولة إعادة استخدامها. وتستفيد هذه الخزانات أيضًا من الغازات المتبقية الموجودة (مثل الميثان وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين)، مما يقلل الحاجة إلى غاز وسادة إضافي للحفاظ على ضغط التخزين أثناء دورات الحقن والسحب. وقد أجرت مشاريع تجريبية، مثل مشروع دياديما في الأرجنتين وتخزين الشمس في النمسا، دراسات تجريبية في الوقت الحقيقي. على سبيل المثال، نجح مشروع التخزين الشمسي تحت الأرض بقيادة RAG Austria في حقن خليط 20% من الهيدروجين و80% من خليط CH4 في خزان Lehen-002 (المكون من الحجر الرملي الليثاريني) بالقرب من مدينة فوكلبروك في النمسا العليا. ومع ذلك، مع الزيادة المتوقعة في إنتاج الهيدروجين في المستقبل، من المتوقع أن يتم زيادة نسبة تركيز الهيدروجين في الخليط بشكل أكبر من خلال استخدام جزء مثالي من الغاز الوسادة الذي سيسهل الحقن الدوري وسحب العمل. غاز. ومن هنا تأتي أهمية الاختيار الدقيق لنوع غاز الوسادة وتركيبته. جريت هذه الدراسة لتحسين تكوين غاز الوسادة في خليط غاز متعدد المكونات ثنائي الطور (أي H2 + وسادة [CH4 + CO2 + N2]) باستخدام خلطات مختلفة لتحديد الجزء الأفضل لتخزين وسحب H2. بعد ذلك، يتم استخدام خليط الغاز الوسادة الأمثل للتحقيق في الظواهر السطحية على نظام خزان مكثفات الغاز متعدد المكونات ثلاثي المراحل. علاوة على ذلك، تُستخدم أجزاء الغاز المُحسّنة للتحقيق في الخسائر الناجمة عن المنتجات الثانوية الجيوكيميائية والميكروبية قبل إجراء تجارب الفيضانات الأساسية لتقدير سعة تخزين وسحب غاز الهيدروجين لغازات الوسادة المُحسّنة. تم إجراء ثلاث تركيبات ثنائية الطور لغاز الوسادة تعتمد على تجارب زاوية التلامس والتوتر السطحي لاختيار الجزء الأمثل. في الصيغ الأولى I، تم تحديد الجزء الأمثل من 30% إلى 40% لغاز الوسادة CH4 مع جزء أقل H2 مماثل من 50% إلى 60%. ويتوافق هذا مع الصيغة II التي تحتوي على 30% إلى 50% من غاز الوسادة N2، مما يشير إلى أن غاز الوسادة N2 يمكن أن يكون بمثابة بديل عملي لغاز الوسادة CH4. في الصيغة الأخيرة III، تم اقتراح جزء من وسادة ثاني أكسيد الكربون بنسبة 50% باعتباره التكوين الأمثل لكل من تخزين الهيدروجين وسحبه. من بين هذه التركيبات الثلاثة التي تم اختبارها في مكمن مكثف ثلاثي الطور، تعتبر تركيبة غاز الوسادة CH4 هي الأفضل يليها N2 ثم ثاني أكسيد الكربون لأنها احتفظت بأعلى عمود غاز عند الضغط ودرجة الحرارة والملوحة التي تم فحصها. فيما يتعلق بالخسائر الناتجة عن الوسادة المثالية ثنائية الطور، أشارت كل من التجارب الجيوكيميائية والميكروبية إلى أنه في ظل وسط تعتيق مائي ثابت، تتفوق تركيبة غاز الوسادة N2 على CH4. على سبيل المثال، لوحظ فقدان H2 بنسبة 3% من H2 المحقون (من 60% إلى 58.2%) للتحقيقات الجيوكيميائية على النقيض من خسارة 0.45% (من 60% إلى 59.730%) لغاز الوسادة N2. وبالمثل، سجل الميثان خسارة قدرها 2.79% فقط (من 60 إلى 58.321%)، بينما أدى استخدام التصميم الأمثل لغاز وسادة N2 إلى خسارة قدرها 1.3% (من 60 إلى 59.218%) أثناء تجربة المنتج الثانوي الميكروبي. فيما يتعلق بإمكانية التخزين والاسترداد من تجارب الفيضانات الأساسية على الحجر الرملي بانديرا جراي، وجد أن حقن غاز ثاني أكسيد الكربون يمثل أعلى نسبة استرداد (34.35٪) يليه N2 (32.40٪) عندما زاد معدل حقن الغاز من 1.2 سم مكعب / دقيقة إلى 10 سم مكعب/دقيقة. ومع ذلك، أظهر غاز الوسادة CH4 أعلى نسبة استخلاص (46.33%) عند معدل حقن أقل (0.2 إلى 0.6 سم مكعب/دقيقة). بناءً على كفاءة الاستخلاص، يوصى بحقن غاز وسادة ثاني أكسيد الكربون وغاز النتروجين قبل الغاز العامل للتخزين والسحب بمعدل حقن أعلى (1.2 إلى 10 سم مكعب/دقيقة) بينما يفضل غاز الميثان المبطن بمعدل حقن أقل (0.2 إلى 0.6 سم مكعب/دقيقة). ومن سلسلة التجارب الشاملة، تظهر الغازات الوسادة CH4 وN2 سلوكًا مشابهًا، ويمكن استخدامها لتخزين وسحب الهيدروجين بمعدل حقن أقل، في حين يفضل ثاني أكسيد الكربون بمعدلات حقن أعلى. واستناداً إلى نتائج هذا العمل، تم تطوير طريقة جديدة لتصميم غاز الوسادة ودراسة إمكانية استخدامها في مكمن مكثفات الحقل الحقيقي من المملكة العربية السعودية. يتم تحديد السيناريو الأمثل الذي يتبع الخليط الثنائي من تركيبات H2 + CH4 لحقن وسحب H2 ليكون ضمن 60-70% مع نسبة 30-40% CH4 المقابلة. ومن ثم، فإن تصميم الغاز الوسادة قابل للتطبيق عند ضغط خزان مختلف (500 إلى 3000 رطل لكل بوصة مربعة)، ودرجة الحرارة (30 إلى 95 درجة مئوية) والملوحة (2 إلى 20% بالوزن من كلوريد الصوديوم).

English Abstract

Depleted gas reservoirs stand out as an economical and reliable options for hydrogen (H2) storage owing to broad distribution, pre-established facilities, and ease of repurposing. These reservoirs also benefit from existing residual gases (i.e. CH4, CO2, and N2), minimizing the need for additional cushion gas for pressure maintenance during injection and withdrawal cycles. Pilot-scale projects, such as Diadema in Argentina and sun storage in Austria, have undertaken real-time pilot studies. For instance, the sun storage project led by RAG Austria have successfully injected 20% H2 and 80% CH4 mixture into the Lehen-002 reservoir near the city of Vöcklabruck in Upper Austria. However, with the anticipated scaling up of H2 production in the future, it is expected that the proportion of H2 concentration in the mixture will be further augmented by the utilization of an optimal cushion gas fraction that will ease the cyclical injection and withdrawal of the working gas. Hence, the significance of carefully selecting the cushion gas type and composition. This study was conducted to optimize cushion gas composition in a two-phase multicomponent gas mixture (i.e., H2 + cushion [CH4 + CO2 + N2]) system using different blends to select what fraction is best for H2 storage and withdrawal. Thereafter, the optimized cushion gas mixture is used to investigate the surface phenomena on a three-phase multicomponent gas condensate reservoir system. Furthermore, the optimized gas fractions are used to investigate losses due to geochemical, and microbial byproduct before conducting a core flooding experiments to estimate H2 storage and withdrawal capacity. Three cushion gas 2-phase formulations based on contact angle and interfacial tension experiments were conducted to select the optimum fraction. In the first formulations I, an optimum fraction of 30% to 40% for CH4 cushion gas were identified with a correspondingly lower H2 fraction of 50% to 60%. This aligns with the formulation II of 30% to 50% N2 cushion gas, indicating that N2 cushion gas can serve as a viable alternative to CH4 cushion gas. In the last formulation III, a fraction of 50% CO2 cushion was proposed as the optimal configuration for both hydrogen storage and withdrawal. From these three formulations that was tested in 3-phase condensate reservoir, CH4 cushion gas formulation is considered the best followed by N2 and then CO2 since it retained the highest gas column at the investigated pressure, temperature and salinity. In terms of losses from the optimum 2-phase cushion, both geochemical and microbial experiment indicated that under a consistent aqueous aging medium, the N2 cushion gas formulation outperforms CH4. For example, H2 loss of 3% of the injected H2 (from 60% to 58.2%) for geochemical investigation was observed contrasting with a 0.45% loss (from 60% to 59.730%) for N2 cushion gas. Similarly, CH4 recorded a mere 2.79% loss (from 60 to 58.321%), while the use of N2 cushion gas optimal design resulted in a 1.3% loss (from 60 to 59.218%) during microbial by-product experiment. In terms of storage and recovery potential from core flooding experiments on Bandera Grey sandstone, injecting CO2 cushion gas was found to have the highest recovery percentage (34.35%) followed by N2 (32.40%) when the gas injection rate increased from 1.2 cc/min to 10 cc/min. However, CH4 cushion gas exhibited the highest recovery (46.33%) at a lower injection rate (0.2 to 0.6 cc/min). Based on the recovery efficiency, the injection of CO2 ahead of working gas is recommended for storage and withdrawal at a higher injection rate (1.2 to 10 cc/min) whereas CH4 cushion gas is preferred at a lower injection rate (0.2 to 0.6 cc/min). From the overall series of experiments, CH4 and N2 cushion gases exhibit comparable behavior in terms of surface phenomena, and can be used for H2 storage and withdrawal at lower injection rate, whereas CO2 is preferred at higher injection rates. Based on the outcome of this work, a new method of cushion gas design is developed and its potential for use in real field condensate reservoir from the Kingdom of Saudi Arabia was examined. The optimal scenario following the binary mixture of H2 + CH4 formulations for H2 injection and withdrawal is determined to be within 60–70% with a corresponding 30–40% CH4 fraction. Thus, the cushion gas design is applicable at different reservoir pressure (500 to 3000 psi), temperature (30 to 95 oC) and salinity (2 to 20 wt.% NaCl).

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Petroleum Petroleum > Reservoir Engineering and Management Petroleum > Reservoir Characterization Petroleum > Rock and Fluid Properties
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Dr Al-Shehri, Dhafer
Committee Co-Advisor:	Dr Haq, Bashirul
Committee Members:	Prof. Mahmoud, Mohamed and Prof. Patil, Shirish and Prof. Weijermers, Ruud
Depositing User:	NASIRU MUHAMMED (g201907810)
Date Deposited:	05 Aug 2024 06:24
Last Modified:	05 Aug 2024 06:24
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143017