Sealing the matrix of cement stones derived from cement slurries designed for underground hydrogen storage in salt caverns

Abstract

Artykuł przedstawia wyniki badań nad doszczelnieniem matrycy kamieni cementowych otrzymanych z zaczynów cementowych przeznaczonych do podziemnych magazynów wodoru w kawernach solnych. W recepturach zaczynów cementowych została zwiększona ilość dodatku mikrocementu oraz podjęto próbę zastosowania wybranych rodzajów nanomateriałów. Receptury cementowe opracowane zostały w INiG – PIB w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających. Badania przeprowadzono dla temperatury 25°C i ciśnienia 10 MPa. W badanych zaczynach cementowych jako spoiwo wiążące zastosowano cement wiertniczy G. Zaczyny cementowe sporządzano na solance o pełnym nasyceniu o gęstości 1200 kg/m3 ze względu na bezpośrednią obecność soli w otworze. Do solanki dodawano kolejno środki: odpieniający, upłynniający i obniżający filtrację oraz nanomateriały. Pozostałe składniki: mikrocement, gips modelowy oraz cement mieszano ze sobą i wprowadzano następnie do wody zarobowej. W przypadku każdego zaczynu cementowego wykonywano badania parametrów technologicznych takich jak: właściwości reologiczne, gęstość, rozlewność, odstój wody oraz czas gęstnienia zaczynu. Przeprowadzano również badania wytrzymałości na ściskanie po 7 dniach oraz po 1 i 6 miesiącach, a także pomiar porowatości stwardniałych zaczynów cementowych po 6 miesiącach deponowania w pełni nasyconej solance. Opracowane zaczyny cementowe charakteryzowały się dobrymi parametrami reologicznymi oraz zerowym odstojem wody. Gęstości zaczynów cementowych wahały się w przedziale od 1910 kg/m3 do 1940 kg/m3. Wszystkie zbadane stwardniałe zaczyny cementowe charakteryzowały się zwartą mikrostrukturą o niskiej zawartości makroporów. Udział porów o średnicy powyżej 10 000 nm wyniósł od 1,3% do 3,2% ilości wszystkich porów. Natomiast udział porów o średnicy poniżej 100 nm w całej matrycy stwardniałego zaczynu cementowego wyniósł od 94,3% do 97,5%. Dodatek większej ilości mikrocementu oraz wprowadzenie nanokomponentów do receptur zaczynów cementowych spowodowały wzrost wytrzymałości na ściskanie oraz obniżenie porowatości kamieni cementowych.