IMPACT OF SANDSTONE PERMEABILITY ON HYDROGEN AND METHANE SUBSURFACE STORAGE CAPACITY. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Thesis) Arsalan_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 20 June 2026. Download (2MB)

Arabic Abstract

يتضمن تخزين الهيدروجين والميثان حقن هذين الغازين في أوساط جيولوجية مسامية لاستخلاصهما لاحقًا وإعادة استخدامهما خلال ذروة الطلب. وللتخفيف من آثار تغير المناخ وضمان استقرار إمدادات الطاقة، يُعدّ التحول إلى مصادر الطاقة المتجددة أمرًا ضروريًا. ومن بين مصادر الطاقة المتجددة، يبرز الهيدروجين كأحد أكثر أنواع الوقود الواعدة والصديقة للبيئة والمستدامة. ويُقدّم التخزين تحت السطحي للهيدروجين والميثان حلاً عمليًا، إذ توفر قدرتها الاستيعابية واسعة النطاق الحل الأمثل لمعالجة الإمدادات الموسمية لمصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، والتي تعتمد بطبيعتها على الطقس. ويُساعد هذا النهج على تحقيق التوازن بين العرض والطلب على الطاقة، مما يدعم انتقالًا موثوقًا ومرنًا في مجال الطاقة. مع ذلك، لا يزال التخزين على نطاق واسع يُمثل تحديًا مهماً نظرًا للخصائص الفيزيائية والكيميائية الفريدة للهيدروجين. في هذه الدراسة، ندرس إمكانات تخزين الهيدروجين والميثان في طبقات المياه الجوفية المالحة وخزانات الغاز المُستنفدة في تكوينات الحجر الرملي ، باستخدام ثلاث عينات مختلفة من أنواع الحجر الرملي، هي: بينثيمر، وبيريا، وسكيوتو، بنفاذيات متفاوتة (2704 ميلي متر مكعب، و140 ميلي متر مكعب، و1.7 ميلي متر مكعب، على التوالي) استُخدمت تقنية غمر العينات الرأسي لمحاكاة حقن الغاز وإزاحته تحت السطح في ظروف مشبعة بالمحلول الملحي تحت تأثير الجاذبية. أُجريت التجارب عند أعداد متطابقة وغير متطابقة من الأنبوب الشعيري بتغيير معدلات حقن الغاز. أظهرت النتائج أنه في العينات عالية ومتوسطة النفاذية (بينثيمر وبيريا)، أظهر الهيدروجين والميثان سلوك اختراق وإزاحة متشابهًا عند مطابقة أعداد الشعيرات، مما يُثبت إمكانية استخدام الميثان كغاز وسيط. في المقابل، أظهر حجر سكيوتو الرملي منخفض النفاذية انخفاضًا في كفاءة إزاحة الهيدروجين، ويُعزى ذلك إلى زيادة احتجاز الشعيرات وضعف الإتصال المسامي. تسلط هذه النتائج الضوء على أهمية نفاذية الحجر الرملي ومعدل التدفق في التحكم في نقل الغاز في الوسائط المسامية وتدعم هذه الدراسة امكانية استخدام الميثان كغاز وسيط. الكلمات المفتاحية: تخزين الهيدروجين، الميثان، نفاذية الحجر الرملي، العدد الشعيري، الغمر الصخري

English Abstract

Underground storage of hydrogen and methane involves injecting these gases into geological porous media for later extraction and reuse during peak demand. To mitigate climate change and ensure a stable energy supply, the transition to renewable energy sources is imperative. Among renewable energy sources, hydrogen stands out as one of the most promising, environmentally friendly, and sustainable fuels. Geological subsurface storage of hydrogen and methane offers a viable solution, providing the large-scale capacity needed to address the seasonal nature of renewable energy sources, such as solar and wind, which are inherently weather-dependent. This approach helps balance between energy supply and demand, thereby supporting a reliable and flexible energy transition. However, large-scale storage remains a critical challenge due to hydrogen’s unique physical and chemical properties. In this study, we are investigating the potential of saline aquifers and depleted gas reservoirs in sandstone formations for hydrogen and methane storage, utilizing three sandstone core samples Bentheimer, Berea, and Scioto, with varying permeabilities (2704 md, 140 md, and 1.7 md, respectively). A vertical core flooding setup was employed to simulate subsurface gas injection and displacement under gravity-driven, brine-saturated conditions. Experiments were conducted at matched and un-matched capillary numbers by changing gas injection rates. Results revealed that in high and medium permeability cores (Bentheimer and Berea), hydrogen and methane exhibited similar breakthrough and displacement behaviour when capillary numbers were matched, validating the use of methane as a cushion gas. In contrast, the low permeability Scioto sandstone demonstrated reduced hydrogen displacement efficiency, attributed to enhanced capillary trapping and limited pore connectivity. These findings highlight the importance of reservoir permeability and flow rate in governing gas transport in porous media and support the use of methane as a cushion gas.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Alajmei, Shabeeb
Committee Members:	Al-Yaseri, Ahmed and ulHaq, Bashir
Depositing User:	ARSALAN IQBAL (g202313290)
Date Deposited:	22 Jun 2025 11:21
Last Modified:	22 Jun 2025 11:21
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143564