Đánh giá về an toàn giếng hydro tự nhiên

Đánh giá về an toàn giếng hydro tự nhiên

Tóm tắt

Hydro là nguồn năng lượng sạch đầy hứa hẹn với trữ lượng địa chất phân bố rộng rãi trên toàn cầu, cung cấp lưu lượng hàng năm vượt quá 23 nghìn tỷ gam. Tuy nhiên, các giếng khai thác hydro tự nhiên phải đối mặt với những thách thức về an toàn độc đáo so với các giếng dầu và khí đốt thông thường. Bài báo này đánh giá các mối quan tâm về an toàn giếng như hư hỏng ống/vỏ, xi măng/chất bịt kín bị hỏng và áp suất vành đai quá mức tích tụ. Các vấn đề chính bao gồm giòn hydro, ăn mòn vi sinh, phản ứng xi măng H2 và thoái hóa cao su H2, có thể dẫn đến hỏng hóc cơ học. Bài đánh giá khám phá các giải pháp tiềm năng như lớp phủ kim loại, chất độn cao su và phụ gia xi măng để giảm thiểu những vấn đề này. Bài đánh giá cũng nhấn mạnh nhu cầu nghiên cứu sâu hơn để xác thực các giải pháp này trong điều kiện thực tế. Việc giải quyết những thách thức này là rất quan trọng để khai thác hydro tự nhiên một cách an toàn và hiệu quả.

Giới thiệu

Tăng trưởng dân số nhanh chóng và công nghiệp hóa đã thúc đẩy mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch liên tục tăng và các thách thức về môi trường được công nhận trên toàn cầu. Đến tháng 1 năm 2023, nồng độ CO2 trung bình toàn cầu trong khí quyển đạt 416,8 ppm, đánh dấu mức tăng 135 ppm so với mức trước thời kỳ công nghiệp và là giá trị cao nhất được quan sát thấy trong 400.000 năm qua. Để ứng phó với biến đổi khí hậu, nhiều quốc gia tiêu thụ năng lượng lớn đã nhấn mạnh các chiến lược năng lượng như đa dạng hóa các nguồn năng lượng, phát triển các nguồn năng lượng tái tạo và khai thác các nguồn năng lượng thay thế. Hydro được kỳ vọng là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho nhiên liệu hóa thạch do mật độ năng lượng cao và các đặc tính tái tạo. Bên cạnh các ứng dụng trong nhiên liệu, nông nghiệp và hóa học, hydro có thể đóng vai trò là môi trường đa năng để lưu trữ năng lượng6. Quá trình đốt cháy hydro tạo ra nước không phát thải carbon, mang đến một phương pháp khả thi để khử cacbon trong công nghiệp và giảm CO27,8.

Hình 1a cho thấy nhu cầu hydro toàn cầu tăng lên hơn 94 triệu tấn vào năm 2021. Đáng chú ý, nguồn cung cấp hydro chỉ phụ thuộc vào hydro do con người tạo ra, với hơn 96% có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch (như minh họa trong Hình 1b). Hydro do con người tạo ra được phân loại thành các loại xám, nâu, xanh lam và xanh lục. Chúng được sản xuất từ ​​quá trình cải cách metan bằng hơi nước, các sản phẩm dầu mỏ lỏng hoặc khí hóa than, thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) áp dụng cho hydro xám hoặc nâu, điện phân nước sử dụng năng lượng tái tạo. Cải cách metan bằng hơi nước (SMR) vẫn là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất và hoàn thiện về mặt công nghệ nhất để sản xuất hydro quy mô lớn, đóng góp ~80% nguồn cung cấp hydro toàn cầu. SMR thể hiện hiệu suất chuyển đổi từ 74%–85%, với mỗi kilôgam hydro được sản xuất tạo ra ~8,5 kilôgam khí thải CO2. Chi phí sản xuất hydro thông qua SMR là 2,08 đô la/kg khi không có CCS và tăng lên 2,27 đô la/kg khi CCS được triển khai13. Sản xuất hydro thông qua khí hóa than, với hiệu suất ~58%, phải chịu chi phí khoảng 1,60 đô la/kg, trong khi tạo ra khoảng 20 kg CO2 cho mỗi kg hydro được sản xuất. Tác động đến môi trường và sự cạn kiệt trữ lượng than ngày càng hướng sự chú ý đến các nguồn nguyên liệu tái tạo để sản xuất hydro trong tương lai. Mặc dù hydro được sản xuất thông qua quá trình điện phân có độ tinh khiết cao hơn, vận hành đơn giản và không phát thải, nhưng mức tiêu thụ điện đáng kể của các máy điện phân đã hạn chế khả năng cạnh tranh về mặt chi phí khi so sánh với các công nghệ quy mô lớn khác. Việc tích hợp sản xuất hydro điện phân với các nguồn năng lượng sạch như năng lượng gió và năng lượng mặt trời sẽ chuyển đổi điện dư thừa trong các giai đoạn ngoài giờ cao điểm thành hydro xanh. Nó không chỉ tận dụng nguồn cung cấp năng lượng tái tạo không ổn định mà còn tạo ra hydro không phát thải carbon. Tuy nhiên, do chi phí cơ sở hạ tầng, lưu trữ và vận chuyển, cùng với chi phí điện đáng kể, giá hiện tại của hydro xanh vẫn ở mức khá cao (dao động từ 4,15 đến 10,4 đô la/kg). Dự kiến ​​lượng sử dụng hydro toàn cầu sẽ tăng gấp đôi vào năm 2030 và đạt 180 triệu tấn. Do đó, việc phát triển các nguồn hydro tự nhiên là rất quan trọng để đảm bảo nguồn cung cấp hydro khả thi về mặt kinh tế và thân thiện với môi trường.

Hình 1: Nhu cầu hydro và các nguồn hydro hiện tại.

a Diễn biến nhu cầu hydro, 1990 – 2030. Đến năm 2030, nhu cầu hydro toàn cầu dự kiến ​​sẽ tăng gấp đôi, đạt ~180 triệu tấn9. b Sản xuất hydro từ các nguồn khác nhau. Hiện tại, 48% hydro có nguồn gốc từ khí thiên nhiên, 30% từ dầu, 18% từ than và chỉ 4% từ điện phân10. Hình ảnh được điều chỉnh từ các tài liệu tham khảo 9,10 với sự cho phép của Elsevier.

Hydro tự nhiên là các bể chứa hydro được hình thành và tích tụ tự nhiên. Một nghiên cứu gần đây cho thấy rằng một số ophiolit có thể chứa khí hydro có giá trị, có tiềm năng khai thác. Có thể có một 

trữ lượng hydro tự nhiên đủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu liên tục tăng trong hàng nghìn năm16. So với nhiên liệu hóa thạch, tất cả các phương pháp sản xuất hydro hiện tại vẫn còn quá đắt đỏ. Khai thác hydro từ các mỏ tự nhiên dưới lòng đất có thể là giải pháp thay thế khả thi hơn về mặt kinh tế, với điều kiện là triển khai các công nghệ thu giữ khí thích hợp. Do đó, việc sử dụng hydro tự nhiên một cách chiến lược có thể đẩy nhanh đáng kể quá trình phát triển năng lượng sạch. Việc tích hợp quá trình phát triển hydro tự nhiên với quá trình sản xuất hydro từ các nguồn tái tạo có thể giảm bớt thêm những thách thức gặp phải trong quá trình sản xuất hydro, như được mô tả trong Hình 210, 18, 19.

Hình 2: Sơ đồ khái niệm về việc sử dụng tích hợp hydro tự nhiên và năng lượng tái tạo.

Đến năm 2150, năng lượng hydro được dự đoán sẽ nổi lên như nguồn năng lượng toàn cầu thống trị. Trong suốt quá trình chuyển đổi này, các nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời và thủy điện sẽ đóng vai trò quan trọng; tuy nhiên, tính không liên tục vốn có của chúng đặt ra một thách thức đáng kể. Việc chuyển đổi năng lượng điện sang hydro trong thời kỳ nhu cầu điện thấp có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc lưu trữ năng lượng và đẩy nhanh quá trình phát triển cơ sở hạ tầng năng lượng hydro. Ngoài ra, việc khai thác hydro tự nhiên an toàn và quy mô lớn trong tương lai được dự đoán sẽ bổ sung cho sự thiếu hụt nguồn cung cấp hydro xanh, do đó thúc đẩy đáng kể quá trình chuyển đổi năng lượng hydro. Hình ảnh được điều chỉnh từ các tài liệu tham khảo 10,18,19 với sự cho phép của Elsevier.

Nghiên cứu hiện tại đã chứng minh sự hiện diện của hydro tự nhiên ở nhiều địa điểm khác nhau trên toàn thế giới. Các khám phá đã được thực hiện ở Oman, New Zealand, Nga, Philippines, Nhật Bản, Trung Quốc, cũng như ở vùng núi Alps phía tây của Ý và Pháp. Hydro tự nhiên biểu hiện dưới dạng rò rỉ bề mặt hoặc tích tụ dưới bề mặt rải rác. Điều này thách thức quan điểm cho rằng không có sự tích tụ hydro tự nhiên dưới lòng đất. Do độ khuếch tán cao, trước đây người ta tin rằng không có sự tích tụ hydro tự nhiên dưới lòng đất. Trong các cuộc thăm dò địa chất trước đây như thăm dò dầu khí, sự hiện diện của hydro có thể đã bị bỏ qua do không có thiết bị phát hiện hydro cụ thể. Ngay cả cho đến nay, chỉ một phần nhỏ thiết bị phát hiện khí di động được trang bị khả năng phát hiện hydro. Ngoài ra, các nỗ lực thăm dò dầu khí trước đây chủ yếu tập trung vào các lưu vực trầm tích, vốn có thể không chứa nhiều hydro.

Mặc dù các dự án nghiên cứu trên toàn cầu đang gia tăng, thông tin chi tiết về số lượng, chi phí và địa điểm cụ thể thường được giữ bí mật, do đó hạn chế dữ liệu mà các nhà nghiên cứu có thể tiếp cận. Thông tin công khai cho thấy đã có những tiến bộ đáng kể trong quá trình phát triển mỏ hydro Bourakebougou ở Mali, nơi hydro tự nhiên đã được sử dụng để phát điện trong những năm gần đây26. Thành công này đã thúc đẩy sự quan tâm ngày càng tăng của các quốc gia và học giả khác về tiềm năng của các nguồn hydro tự nhiên. Vào tháng 5 năm 2022, Liên minh Châu Âu đã công bố mục tiêu đạt 20 tỷ kg hydro tự nhiên vào năm 2030. Hoa Kỳ đã khoan giếng hydro đầu tiên của mình vào năm 2019 và vào tháng 9 năm 2022, chính phủ Hoa Kỳ đã cam kết đầu tư khoảng 700 triệu đô la cho hoạt động thăm dò hydro tự nhiên15. Pháp đã thành lập một tổ chức nghiên cứu hydro tự nhiên chuyên dụng để thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực này, trong khi Gold Hydrogen Ltd. của Úc đã xác định được các nguồn tài nguyên hydro tự nhiên có độ tinh khiết cao trên Đảo Kangaroo và Bán đảo Yorke phía nam, với các kế hoạch thăm dò, phát triển và ước tính tài nguyên. Vào năm 2023, Công ty La Française de l'Énergie của Pháp đã suy đoán rằng có thể có một mỏ hydro tự nhiên có nồng độ cao trong khu vực khai thác Lorraine, với tổng trữ lượng ước tính lên tới 46 triệu tấn.

Mặc dù chúng có một số điểm tương đồng với các giếng khí đốt tự nhiên, nhưng vẫn tồn tại những khoảng cách kỹ thuật trong quá trình khoan, hoàn thiện và sản xuất các giếng hydro tự nhiên. Dựa trên kinh nghiệm khai thác khí đốt tự nhiên và các ngành công nghiệp cô lập CO2, việc đảm bảo an toàn giếng trong quá trình khai thác hydro tự nhiên là vô cùng quan trọng trong tất cả các giai đoạn vận hành. Hình 3 minh họa những lo ngại tiềm ẩn về an toàn của các giếng hydro tự nhiên. Mật độ và độ nhớt thấp của hydro có thể khiến nó nhanh chóng chảy lên trên qua các kênh được bịt kín bằng xi măng, làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của xi măng và có khả năng dẫn đến phun trào. Các sản phẩm phụ axit (H2S và CO2) của các phản ứng hóa học và sinh học sẽ gây ra sự ăn mòn trong giếng khoan, có thể dẫn đến các vấn đề về an toàn như hư hỏng ống/vỏ, hỏng xi măng/chất bịt kín và tích tụ áp suất vành khuyên quá mức.

Hình 3: Các khía cạnh về an toàn giếng khai thác hydro tự nhiên. 

Do tính thấm cao và phản ứng hóa học và sinh học đặc hiệu của hydro, một số rủi ro về an toàn liên quan đến các giếng khai thác hydro. Những rủi ro này bao gồm hư hỏng ống/vỏ, hỏng xi măng/chất bịt kín và tích tụ áp suất vành khuyên quá mức. Các cơ chế cơ bản của những rủi ro này bao gồm giòn hydro, ăn mòn vi khuẩn, phản ứng xi măng H2 và thoái hóa cao su H2. Hình ảnh được điều chỉnh từ Tài liệu tham khảo 125 và Tài liệu tham khảo 126 với sự cho phép của Elsevier, từ tài liệu tham khảo 127 với sự cho phép của Sage Publications và từ các tài liệu tham khảo 96,128 theo giấy phép CC BY 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Khai thác hydro tự nhiên là một lĩnh vực mới nổi, với nghiên cứu hiện tại về các cơ chế cơ bản của sự an toàn của giếng vẫn đang ở giai đoạn đầu. Bài đánh giá này phác thảo các đặc điểm của các bể chứa hydro tự nhiên, xác định những thách thức an toàn chính liên quan đến các giếng khai thác hydro và cung cấp bản tóm tắt toàn diện về các cơ chế hư hỏng do hydro gây ra đe dọa đến sự an toàn của giếng. Sau đó, các hướng chính cho nghiên cứu trong tương lai được đề xuất.

Đặc điểm của các bể chứa hydro tự nhiên

Hydro tự nhiên chủ yếu biểu thị hydro phân bố rộng rãi trong các môi trường địa chất như lớp vỏ lục địa, lớp vỏ đại dương và chất lỏng thủy nhiệt núi lửa, có nguồn gốc từ các quá trình sinh học hoặc phi sinh học, do đó chỉ có nguồn gốc địa chất. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã tóm tắt một số nguồn gốc của hydro tự nhiên, bao gồm: (1) sự phân ly phóng xạ tự nhiên của nước ngầm sâu bởi các nguyên tố phóng xạ trong đá có hoạt độ phóng xạ cao; (2) phản ứng giữa nước ngầm nóng và peridotit trong quá trình serpentin hóa, giải phóng hydro tự nhiên; (3) nguồn gốc sâu xa của hydro tự nhiên được tạo ra từ lõi hoặc lớp phủ của Trái đất; và (4) chuyển động đứt gãy trong quá trình phân mảnh đá và sự hình thành gốc tự do liên quan của nó.

Tổng hợp các nguồn gốc và sự phân bố có thể có của hydro toàn cầu (Hình 4), rõ ràng là các nguồn hydro tự nhiên được phân bố rộng rãi trên khắp các mảng kiến ​​tạo chính và lớp vỏ đại dương, chủ yếu có nguồn gốc từ các nguồn nằm sâu35. Nồng độ hydro trong một số bể chứa nhất định có mối tương quan trực tiếp với độ sâu của các tầng. Do mật độ hydro thấp, một số hydro ngầm có khả năng di chuyển từ các bể chứa sâu đến các độ sâu nông hơn thông qua các cơ chế khuếch tán và đối lưu được thúc đẩy bởi độ nổi và độ dốc nồng độ. Các quan sát về rò rỉ hydro tự nhiên có nguồn gốc từ serpentin hóa nằm sâu ở các khu vực như Nga, Úc, Hoa Kỳ và Brazil cho thấy khả năng di chuyển hydro tự nhiên đến các tầng địa chất nông hơn. Hơn nữa, hydro thường được quan sát thấy trong các giếng cực sâu (khoan đến 5 km hoặc sâu hơn). Dấu vết của hydro tự nhiên đã được phát hiện trong các tầng chứa nước ngầm bị nứt nẻ có độ mặn cao và các thành tạo cacbonat38. Điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao của các thành tạo địa chất sâu, cùng với sự hiện diện của môi trường có độ mặn cao và các thành tạo cacbonat có tốc độ khuếch tán hydro cao, đặt ra những thách thức đối với tính an toàn của các giếng khai thác hydro tự nhiên.

 

Hình 4: Phân bố toàn cầu của hydro tự nhiên.

Vị trí và bối cảnh địa chất của hydro lớn hơn 10% theo thể tích đã được đo lường trên toàn thế giới. Bản đồ nền minh họa các vùng địa chất chính của lớp vỏ Trái đất, bao gồm lớp vỏ chắn (màu cam), nền (màu hồng), orogen (màu xanh lá cây), lưu vực (màu xanh lam), tỉnh đá lửa lớn (màu tím) và lớp vỏ mở rộng (màu vàng), cùng nhau tạo thành craton. Trên các thành tạo địa chất này, các vòng tròn màu khác nhau biểu thị sự hiện diện của khí hydro tự do liên quan đến các loại đá riêng biệt, ngoại trừ ba trường hợp liên quan đến khí hòa tan. Các ký hiệu hình tam giác biểu thị khí hydro được phát hiện trong các loại tạp chất khác nhau. Sự phân bố tương đối dày đặc của các phát hiện hydro ở Châu Âu và Châu Á là do sự thiên vị trong việc thu thập dữ liệu hơn là do chỉ ra chính xác triển vọng cục bộ đối với các phân tử hydro. Hình được điều chỉnh từ tài liệu tham khảo. 35 theo giấy phép CC BY 4.0. Bộ Năng lượng và Khai khoáng, Chính phủ Nam Úc, Quan điểm hiện tại về hydro tự nhiên: tóm tắt, có nguồn từ tháng 7 năm 2022, https://www.energymining.sa.gov.au/industry/geological-survey/mesa-journal/previous-feature-articles/current-perspectives-on-natural-hydrogen-a-synopsis.

Tương tự như khai thác khí đốt tự nhiên, khoan vẫn là phương pháp chính để sản xuất hydro tự nhiên. Các bể chứa hydro tự nhiên được giới hạn bởi các lớp không thấm và có thể tiếp cận bằng cách khoan giếng. Hydro có nguồn gốc từ các phản ứng giữa các thành tạo giàu sắt nông và nước ngầm nhiệt, nó cũng có thể được khai thác bằng cách khoan vào các thành tạo giàu sắt từ bề mặt. Ngay cả trong trường hợp không có đủ nước ngầm nhiệt để phản ứng với các thành tạo giàu sắt đối với serpentin hóa, việc tiêm nước nhân tạo vào thành tạo có thể được sử dụng để tạo ra nồng độ hydro thích hợp, sau đó có thể chiết xuất thông qua các giếng khai thác39. Giếng khoan đóng vai trò là đường ống dẫn kết nối các bể chứa với đường ống vận chuyển bề mặt, khiến tính an toàn của chúng trở nên quan trọng đối với việc khai thác hydro tự nhiên một cách an toàn.

Hư hỏng giếng trong quá trình khai thác hydro

Nghiên cứu hiện tại về hydro tự nhiên chủ yếu tập trung vào đặc điểm địa chất. Mặc dù các bài học kinh nghiệm rút ra từ các giếng khí đốt tự nhiên thông thường rất có giá trị, nhưng các chiến lược khoan và hoàn thiện để khai thác hydro có thể gặp phải những thách thức do các đặc tính vật lý độc đáo của hydro. Là phân tử nhỏ nhất trong tự nhiên, H2 có độ khuếch tán và độ thấm cực cao trong cả không khí và vật liệu rắn. Các đặc tính của hydro với các đặc tính của CO2 và CH4 được so sánh trong Bảng 1. Mật độ thấp, độ nhớt thấp, độ khuếch tán cao và các đặc tính phản ứng hóa học/sinh học của nó có thể gây ra những thách thức mới đối với tính an toàn của giếng khoan. Đáng chú ý là dưới ảnh hưởng của áp suất quá tải, khả năng khuếch tán của hydro được tăng cường hơn nữa. Sự an toàn của giếng khai thác hydro tự nhiên bị ảnh hưởng bởi các vấn đề như hư hỏng ống/vỏ, hỏng xi măng/chất trám và tích tụ áp suất vành khuyên quá mức. Điều quan trọng là phải đảm bảo độ tin cậy của các thiết bị hoàn thiện giếng trong giếng, bao gồm thiết bị ngăn phun trào, thiết bị đầu giếng, ống, bộ đóng gói, van, vỏ ngoài của thiết bị và các kết nối ren của chúng. Phần này nêu ra các rủi ro hư hỏng giếng gặp phải trong các giếng khai thác hydro tự nhiên.

Bảng 1 Tính chất của H2, CH4 và CO2124

Hư hỏng ống/vỏ

Sự xuống cấp và khả năng hỏng hóc của vật liệu thép, bao gồm ống và vỏ, do giòn do hydro, là những hạn chế đáng kể trong quá trình khai thác hydro. Hiện tượng này gây ra hạn chế quan trọng đối với hoạt động của các giếng khai thác hydro. Ngoài ra, các vi sinh vật ngầm có thể làm trầm trọng thêm tình trạng ăn mòn và hư hỏng của ống/vỏ trong các giếng khai thác hydro tự nhiên. Một số hydro tự nhiên được tạo ra thông qua các phản ứng serpentin hóa liên quan đến khoáng chất giàu sắt và nước nhiệt dưới bề mặt. Trong những môi trường này, không nên đánh giá thấp sự hiện diện phổ biến của các vi sinh vật. Đáng chú ý, vi khuẩn khử sunfat (SRB) có thể gây ra phản ứng khử sunfat, trong đó hydro được sử dụng để khử sunfat (SO42-) hoặc lưu huỳnh thành hydro sunfua (H2S). H2S tạo ra có thể ăn mòn thép và các kim loại khác, do đó làm giảm tính toàn vẹn của ống/vỏ giếng khoan.

Hỏng xi măng

Xi măng giếng khoan hoạt động như một rào cản cơ học, giảm thiểu nguy cơ khí di chuy                                                                      ển không kiểm soát lên bề mặt hoặc vòng đệm. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã chứng minh rằng trong quá trình vận hành giếng kéo dài, nhiều yếu tố có thể góp phần làm xi măng bị phân hủy, do đó làm giảm tính toàn vẹn và độ bền của xi măng. Cụ thể, các tính chất vật lý của các sản phẩm ngậm nước trong xi măng Portland có thể bị thay đổi khi tiếp xúc với chất lỏng giàu CO2, dẫn đến thay đổi cường độ nén. Các nghiên cứu hiện tại chỉ ra rằng trong môi trường hydro, xi măng ướt có thể tạo ra các bong bóng khí và các tính chất lưu biến, cường độ cơ học và độ ổn định của nó có thể bị ảnh hưởng xấu. Hydro có thể làm thay đổi độ xốp và độ thấm tổng thể của các mẫu hỗn hợp vỏ-xi măng-hình thành. Hình 5 minh họa các đường rò rỉ khí tiềm ẩn dọc theo giếng khoan, nơi mà xi măng bị phân hủy, các vi vòng tại giao diện vỏ-xi măng-thành hệ, các vết nứt bên trong vỏ xi măng và các khuyết tật của vỏ đều có thể góp phần gây rò rỉ hydro.

 

Hình 5: Các đường rò rỉ tiềm ẩn trong giếng khoan.

a giữa vỏ ngoài và xi măng, b giữa nút xi măng và bên trong vỏ, c nút xi măng, d thành vỏ, e các vết nứt xi măng và f giữa xi măng và thành hệ. Hình được điều chỉnh từ tham chiếu với sự cho phép của Springer Nature.

Hỏng chất bịt kín

Các thành phần bịt kín đàn hồi được sử dụng rộng rãi trong thiết bị giếng khoan tiêu chuẩn, bao gồm các thành phần đầu giếng, bộ đóng gói, van an toàn giếng khoan và bộ ngăn phun trào. Các thiết bị này chủ yếu được thiết kế để cô lập chất lỏng bên trong vỏ, ống và vòng. Sự cố của các thành phần bịt kín bằng chất đàn hồi có thể dẫn đến các đường dẫn trực tiếp không kiểm soát được giữa chất lỏng và bề mặt hoặc lớp đất, có khả năng dẫn đến các sự kiện thảm khốc như phun trào. Nghiên cứu cho thấy các khí như CO2, H2S và hydro có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của vật liệu đàn hồi, có khả năng làm giảm tính toàn vẹn của các bộ đệm. Hàm lượng hydro quá mức trong vật liệu cao su bịt kín có thể dẫn đến phồng rộp và nứt vỡ sau đó ở vật liệu bịt kín.

Áp suất vành đai tích tụ quá mức

Hiện tượng tích tụ áp suất vành đai đề cập đến việc thiết lập lại áp suất vành đai trong các giếng khí ở mức trước khi xả khí ngay sau giảm áp suất. Áp suất vòng tạo thêm ứng suất lên vỏ, có khả năng dẫn đến hỏng vỏ và ảnh hưởng đến an toàn giếng. Trong bối cảnh giếng khai thác hydro tự nhiên, hư hỏng ống và hỏng xi măng thường dẫn đến tích tụ áp suất vòng, khiến vỏ khai thác phía trên máy đóng gói dễ bị ăn mòn do hydro. Do đó, tuổi thọ của vỏ khai thác gặp phải những thách thức đáng kể phát sinh từ sự tương tác giữa ăn mòn và tích tụ áp suất vòng.

Cơ chế gây hư hỏng giếng khoan do hydro

Phần này tập trung vào các cơ chế hư hỏng do hydro gây ra tạo ra rủi ro hư hỏng giếng khoan, bao gồm giòn do hydro, ăn mòn vi sinh, phản ứng xi măng H2 và thoái hóa cao su H2. Các phát hiện trong phòng thí nghiệm về khả năng vật liệu dễ bị các cơ chế này được xem xét và các kết quả nghiên cứu tương ứng được phân tích. Những tiến bộ trong công nghệ nhằm giảm thiểu rủi ro an toàn giếng khoan cũng được thảo luận.

 

Giòn do hydro

Các phân tử hydro va chạm và hấp thụ vào bề mặt thép, sau đó khuếch tán vào thép dưới dạng nguyên tử. Nó dẫn đến nhiều hư hỏng do hydro gây ra trong các giếng khoan, bao gồm giòn hydro, nứt do hydro gây ra và phồng rộp thép do hydro.

Do kích thước nhỏ của các nguyên tử hydro, khi chúng khuếch tán vào hoặc hòa tan trong thép và đạt đến nồng độ tới hạn, chúng có thể tích tụ và dẫn đến giảm đáng kể độ dẻo và độ bền kéo. Quá trình này có thể dẫn đến hỏng vật liệu sớm, thường biểu hiện dưới dạng gãy giòn dưới ứng suất. Thông thường, giòn hydro gây ra sự giảm đáng kể độ dẻo dai, độ dẻo và độ bền mỏi của vật liệu, chuyển hành vi gãy của nó từ dẻo sang giòn. Sự thay đổi này có thể gây ra hỏng ống và các kết nối ren.

Một lời giải thích hiệu quả cho các chế độ hỏng kim loại là cơ chế Tách kết dính do hydro gây ra (HID). Lý thuyết Dẻo cục bộ tăng cường hydro (HELP) giải thích sự mất độ bền của kim loại khi có hydro bằng cách cho rằng biến dạng cục bộ gần đầu vết nứt được nhấn mạnh. Sự khuếch tán của hydro làm tăng tính di động của sự dịch chuyển do sức cản của kim loại giảm. Do đó, việc đưa hydro vào sẽ nhanh chóng đẩy nhanh chuyển động trật khớp, dẫn đến biến dạng dẻo bên trong mạng kim loại. Bên cạnh đó, Lý thuyết áp suất hydro, các lỗ hổng tăng cường hydro và biến dạng do ứng suất, và độ dẻo vĩ mô tăng cường hydro cũng cung cấp thông tin chi tiết về cơ chế hư hỏng của hiện tượng giòn do hydro trong kim loại. Việc xác định cơ chế hư hỏng chủ yếu nên được phân tích dựa trên các trường hợp cụ thể.

Hydro đi vào vật liệu có thể khuếch tán hoặc bị giữ lại. Hydro khuếch tán gây ra hư hỏng do hydro gây ra, dẫn đến giảm hiệu suất vật liệu, trong khi hydro bị giữ lại không được dự kiến ​​sẽ góp phần gây biến dạng dẻo trong vật liệu. Các yếu tố ảnh hưởng đến HE chủ yếu bao gồm các điều kiện môi trường, độ nhạy của vật liệu và điều kiện tải. Các yếu tố môi trường bao gồm nồng độ/độ tinh khiết của hydro, áp suất và nhiệt độ. Các yếu tố tải bao gồm ứng suất cơ học hoặc nhiệt được áp dụng, tốc độ biến dạng và tần suất và biên độ của tải. Độ nhạy của vật liệu chịu ảnh hưởng của các yếu tố như độ bền thành phần, ứng suất dư trong vật liệu, cấu trúc vi mô, tình trạng bề mặt của vật liệu, lớp phủ kim loại, xử lý nhiệt vật liệu, lớp phủ kim loại. Hư hỏng kim loại xảy ra ở nồng độ thấp có thể đảo ngược được, trong khi nồng độ cao có thể dẫn đến hư hỏng vĩnh viễn. Sự hiện diện của H2S trong khí hydro làm trầm trọng thêm hư hỏng này. Nhiệt độ ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán của hydro và áp suất cao làm tăng độ nhạy của vật liệu đối với hiện tượng giòn do hydro. Ứng suất tác dụng cao hơn và tốc độ biến dạng thấp hơn cũng có thể làm tăng độ nhạy của thép đối với hiện tượng giòn do hydro.

Các nghiên cứu sâu rộng đã điều tra tác động của độ bền vật liệu, cấu trúc vi mô, ứng suất dư, xử lý nhiệt và lớp phủ kim loại đối với độ nhạy của vật liệu đối với hiện tượng giòn do hydro. Xử lý nhiệt có thể làm giảm độ nhạy này ở một mức độ nào đó, vì austenit giữ lại trong thép góp phần làm giảm độ nhạy. Ứng suất dư có thể gây ra sự phân bố ứng suất không đồng đều trong vật liệu, do đó làm tăng khả năng dễ bị giòn do hydro. Lớp phủ kim loại có thể làm giảm độ giòn do hydro bằng cách che chắn một phần kim loại khỏi hydro, mặc dù hiệu quả của chúng phụ thuộc vào tính toàn vẹn của lớp phủ. Mặc dù lớp phủ polyme có độ thấm hydro thấp, nhưng chúng dễ bị hỏng dưới ứng suất cơ học cao. Lớp phủ gốm cũng hấp dẫn tương tự do độ thấm hydro thấp. Một cách tiếp cận thay thế để làm giảm độ nhạy giòn do hydro liên quan đến việc tối ưu hóa cấu trúc vi mô và các thành phần của hợp kim. Tuy nhiên, 

Trong quá trình khai thác hydro tự nhiên dài hạn, điều kiện khí áp suất và nhiệt độ cực cao có thể làm thay đổi độ nhạy giòn do hydro của thép và áp suất dao động do dòng khí không ổn định cũng có thể ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất trong ống/vỏ. Hơn nữa, trong bối cảnh khai thác khí tự nhiên, tính toàn vẹn của lớp phủ ống/vỏ dưới tác động xói mòn khí tốc độ cao kéo dài, cũng như hiệu suất của nhiều phương pháp phủ khác nhau trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thực tế dưới lòng đất, cần được chú ý chặt chẽ.

Hành vi giòn do hydro của thép, đặc biệt là các tính chất cơ học của chúng, đã được nghiên cứu rộng rãi trong thực nghiệm. Nanninga et al.60 và Moro et al.61 đã tiến hành các thử nghiệm kéo tốc độ biến dạng chậm trên thép X100 và X80 trong môi trường hydro nguyên chất. Kết quả cho thấy khi áp suất hydro tăng, diện tích và độ giãn dài khi gãy của vật liệu giảm và hành vi gãy chuyển từ dẻo sang giòn. Trautmann  đã cho thép tiếp xúc với cả khí quyển hydro khô và ẩm trong khoảng thời gian 30 ngày, chứng minh rằng hàm lượng hydro trong thép tăng theo tỷ lệ thuận với áp suất hydro. Kết quả thực nghiệm của Eichinger et al. cho thấy, sau khi nạp hydro ở 25 °C, hàm lượng hydro trong các mẫu thép P110 tăng tuyến tính theo căn bậc hai của áp suất riêng phần hydro được áp dụng. Khi áp suất hydro tăng từ 100 đến 1000 bar, hàm lượng hydro trong thép tăng từ 0,26 wt.-ppm lên 1,0 wt.-ppm. Trong điều kiện 200 °C, hàm lượng hydro trong P110 tăng từ 0,47 wt.-ppm ở 100 bar lên 1,36 wt.-ppm ở 1000 bar63. Nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng vật liệu giòn do hydro. Xu et al.64 đã chứng minh rằng tốc độ khuếch tán hydro tăng đáng kể khi nhiệt độ tăng, với phổ hấp thụ (DS) cho thấy tốc độ hấp thụ hydro cao nhất ở 60 °C và thấp nhất ở 20 °C. Xu et al.64 đã so sánh thêm các hệ số khuếch tán trong nhiều nghiên cứu dưới sự sạc hydro điện hóa, luôn tìm thấy tốc độ khuếch tán tăng ở nhiệt độ cao. Tương tự như vậy, Xing et al.65 đã báo cáo rằng trong phạm vi nhiệt độ từ 275 K đến 315 K, mật độ dòng thấm hydro ở trạng thái ổn định tăng tuyến tính theo nhiệt độ.

Do đó, đặc tính giòn hydro của các loại thép khác nhau có mối tương quan tích cực với áp suất và nhiệt độ. Một số giếng khai thác hydro tự nhiên sâu hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao, thường không được đề cập trong hầu hết các nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính giòn hydro của thép. Bất chấp những nỗ lực đáng kể nhằm giảm độ nhạy giòn hydro, các chiến lược giảm thiểu trong điều kiện giếng khoan vẫn cần được nghiên cứu thêm. Việc phát triển các chiến lược giám sát và giảm thiểu thiệt hại do hydro hiệu quả dựa trên sự giòn quan sát được trong ống/vỏ tại các địa điểm khai thác hydro cũng rất quan trọng.

Nồng độ hydro ảnh hưởng đến khả năng thép dễ bị HE. Nhìn chung, áp suất cao hơn làm tăng khả năng phân hủy nguyên tử hydro trên bề mặt vật liệu và thâm nhập vào vật liệu, do đó thúc đẩy HE66. Áp suất hydro gặp phải khi lắp vỏ trong các giếng khai thác hydro tự nhiên có thể khác với áp suất trong đường ống dẫn khí. Cần nghiên cứu thêm để tìm hiểu độ nhạy của vật liệu trong các điều kiện áp suất hydro tinh khiết khác nhau.

Nứt do hydro (HIC) và phồng rộp hydro (HB) là hiện tượng quan sát thấy ở thép có độ bền trung bình đến thấp, phát sinh từ sự kết tủa các phân tử hydro dạng khí trong các vết nứt. Các vết nứt này thường liên quan đến các đặc điểm cấu trúc vi mô như khuyết tật phẳng và thường hướng song song với bề mặt thép. Khi nồng độ hydro nguyên tử trong vật liệu vượt quá giới hạn hòa tan của nó, các nguyên tử hydro trong mạng lưới kết tụ lại để tạo thành hydro dạng khí67. Các vết nứt lan rộng do sự tích tụ liên tục của hydro dạng khí. Nứt dừng lại khi không có đủ hydro thấm vào vật liệu để duy trì áp suất bên trong vết nứt. Nứt do hydro gây ra thường xuất hiện dưới dạng nứt hoặc phồng rộp tiến triển, sau này gây ra các khuyết tật có thể nhìn thấy trên bề mặt kim loại.

Sự hiện diện của các nguyên tử hydro trong mạng kim loại có thể dẫn đến mất độ dẻo trong kim loại68. Khi HE xảy ra trong kim loại, gãy xương thường đòi hỏi phải tác dụng lực, không có sự kết tủa hydro đồng thời bên trong vật liệu. Sau HE, việc loại bỏ hydro khỏi vật liệu có thể khôi phục độ dẻo của nó, biến nó thành một quá trình có thể đảo ngược và thiệt hại bên trong do HIC gây ra là không thể đảo ngược. Ngược lại, các thông số dẫn đến HE đa dạng hơn. HIC chủ yếu biểu hiện trong các điều kiện nước cụ thể, thường liên quan đến sự hiện diện của điện tích hóa học hoặc H2S. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc kiểm soát kết cấu tinh thể và đặc điểm ranh giới có thể làm giảm hiệu quả khả năng nứt do hydro gây ra. Tuy nhiên, các cơ chế liên quan có thể thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao, đòi hỏi phải nghiên cứu thêm để giải quyết tình trạng nứt do hydro gây ra trong vật liệu trong điều kiện thực tế dưới lòng giếng.

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự ăn mòn của vỏ và ống dưới lòng giếng, chẳng hạn như sự hiện diện của H2S và CO2 trong quá trình hình thành, thành phần vật liệu của ống, sự hiện diện của nước sản xuất trong giếng khí, sự tích tụ chất lỏng ở đáy giếng và việc sử dụng chất ức chế ăn mòn. Nghiên cứu chỉ ra rằng H2S, CO2 và ion clorua (Cl-) cũng có thể góp phần gây ăn mòn giếng khí. Điều quan trọng cần lưu ý là trong quá trình khai thác hydro tự nhiên, các thành phần kim loại như vỏ không chỉ tiếp xúc với các điều kiện ăn mòn mà còn chịu tác động có hại của hydro. Hành vi giòn do hydro trong điều kiện ăn mòn có thể đặt ra những thách thức mới đối với an toàn giếng trong quá trình sản xuất hydro tự nhiên.

Hoạt động của vi sinh vật

Việc xử lý ăn mòn do vi sinh vật rất tốn kém trong ngành dầu khí, chiếm 20–30% tổng chi phí ăn mòn đường ống bên trong. Ăn mòn do vi sinh vật được định nghĩa là một quá trình điện hóa trong đó các vi sinh vật khởi tạo, thúc đẩy và đẩy nhanh các phản ứng ăn mòn thông qua tương tác với kim loại và dung dịch76,77. Người ta tin rằng SRB đóng vai trò quan trọng trong quá trình ăn mòn hợp kim sắt. SRB gây ra sự ăn mòn bằng cách khử cực catốt thông qua một loại enzyme gọi là hydrogenase, enzyme này oxy hóa hydro ở catốt. Trong quá trình này, kim loại hòa tan thành cation, trong khi hydro bị khử ở catốt để duy trì trạng thái cân bằng động trong hệ thống. SRB tiêu thụ hydro catốt, tạo ra sunfua.

Do đó, SRB đẩy nhanh quá trình hòa tan sắt (Fe) ở anot thông qua cơ chế khử cực catốt, tạo điều kiện cho các nguyên tử hydro bổ sung xâm nhập vào kim loại. Quá trình này đạt đến đỉnh điểm trong sự hình thành các sản phẩm phụ ăn mòn như sắt sunfua (FeS) và sắt hydroxit (Fe(OH)2)78,79,80. Mô tả về sự ăn mòn sắt do SRB gây ra được minh họa trong Hình 6 Cả SRB và các sản phẩm phụ trao đổi chất của chúng đều ảnh hưởng đáng kể đến quá trình thẩm thấu hydro vào thép, trong đó thời gian hoạt động của SRB ảnh hưởng rõ rệt đến quá trình thẩm thấu hydro81,82,83. Vi khuẩn sinh metan có thể hoạt động kết hợp với SRB để đẩy nhanh tốc độ ăn mòn84. Các hoạt động vi sinh khác, chẳng hạn như sinh axetat và khử sắt, cũng có thể góp phần vào quá trình ăn mòn thép, do đó làm giảm tính toàn vẹn về mặt cấu trúc của thép85.

Hình 6: Sơ đồ về tác động của SRB đến quá trình thẩm thấu hydro trong thép. Sau 3 giờ ủ SRB, số lượng SRB tương đối thấp, dẫn đến hầu hết các nguyên tử hydro kết hợp để tạo thành hydro, chỉ có một lượng nhỏ thẩm thấu vào thép. b Sau 6 giờ ủ SRB, quần thể SRB tăng lên và quá trình khử sunfat tăng cường phản ứng catốt, tạo ra một số lượng lớn nguyên tử hydro, với nhiều hydro thấm vào thép hơn. c Sau 11 ngày ủ SRB, sự hình thành sunfua trên bề mặt mẫu ức chế sự kết hợp của các nguyên tử hydro, do đó thúc đẩy sự khuếch tán của chúng vào thép. d Sau 16 ngày ủ SRB, quá trình chuyển hóa SRB tạo ra H2S và một lớp màng ăn mòn của FeS và FeS2 hình thành trên bề mặt thép, ức chế một phần quá trình thẩm thấu hydro. Hình ảnh được điều chỉnh từ tài liệu tham khảo 83 với sự cho phép của Elsevier.

Tremosa và cộng sự đã tiến hành mô phỏng số để nghiên cứu các quá trình lưu trữ hydro dưới lòng đất trong môi trường xốp. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng các hoạt động của vi khuẩn, bao gồm tạo ra mêtan, khử sunfat và sinh axetat, góp phần vào quá trình tiêu thụ hydro trong các bể chứa hydro dưới lòng đất. Sự khử sulfat có tác động tối thiểu đến hàm lượng hydro nhưng dẫn đến sản xuất H2S và các vấn đề ăn mòn liên quan. Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kết hợp động học vi khuẩn vào đánh giá các phản ứng oxy hóa khử liên quan đến hydro như một chất cho electron. Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tại không xác định được định lượng tốc độ động học hoạt động của vi khuẩn, làm nổi bật sự cần thiết phải ngoại suy tốc độ phản ứng oxy hóa khử thu được từ phòng thí nghiệm theo các điều kiện gặp phải trong các bể chứa.

Ngoài ra, H2S do hoạt động của vi khuẩn tạo ra có thể gây ra sự ăn mòn kim loại. Trái ngược với khí tự nhiên, hydro hoạt động như một chất cho electron và tạo thành một yếu tố thúc đẩy đáng kể cho hoạt động của vi khuẩn87,88. Trong các bể chứa hydro ngầm, SRB tiêu thụ hydro, tạo ra H2S dưới dạng sản phẩm phụ. H2S, một hợp chất có tính axit, ăn mòn thép và vỏ kim loại, do đó gây ra nứt ứng suất. Haddad và cộng sự đã tiến hành mô phỏng lưu trữ 10% hydro và mêtan trong một tầng chứa nước ngầm bằng cách sử dụng một 

lò phản ứng lại. Kết quả nghiên cứu cho thấy trong vòng chưa đầy 90 ngày mô phỏng quá trình lưu trữ khí đốt tự nhiên trong tầng chứa nước, gần 40% hydro được bơm vào đã được chuyển đổi thành H2S, formate và methane do hoạt động của vi khuẩn và hòa tan trong pha nước. Để hiểu được quy mô và động học của quá trình tiêu thụ hydro của vi sinh vật trong môi trường hang động có độ mặn cao, Dopffel và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về sự phát triển và tiêu thụ hydro của SRB và vi khuẩn sinh methan ưa muối ở nhiều áp suất riêng phần hydro khác nhau. Kết quả chứng minh rằng SRB và vi khuẩn sinh methan có thể tiêu thụ một lượng lớn hydro theo thời gian. Hơn nữa, độ pH của hệ thống tăng đáng kể theo thời gian, đạt giá trị tối đa là 9.

Vi sinh vật và các sản phẩm phụ của chúng trong môi trường giàu hydro có thể ăn mòn đáng kể các giếng khoan. SRB có thể phát triển ở nhiệt độ cao tới 113 °C và trong điều kiện pH vượt quá 10. Điều này cho thấy SRB cũng có thể tồn tại trong các bể chứa hydro tự nhiên sâu có nhiệt độ và áp suất cao, khác biệt đáng kể so với các bể chứa hydro ngầm. Do đó, sự phát triển của vi sinh vật và phản ứng khử catốt trong các giếng khai thác hydro tự nhiên, cũng như tác động của H2S và các sản phẩm phụ khác đối với sự ăn mòn kim loại trong suốt vòng đời khai thác, cần được nghiên cứu thêm. Hiện tại, vẫn chưa có nghiên cứu kết luận về các khía cạnh này.

Dựa trên kinh nghiệm của ngành dầu khí, có những phương pháp ngăn ngừa ăn mòn do vi khuẩn (MIC) trong giếng khoan, bao gồm sử dụng thuốc diệt khuẩn, lớp phủ kháng khuẩn, lựa chọn vật liệu và bảo vệ catốt. Thuốc diệt khuẩn có thể ngăn ngừa và kiểm soát MIC hiệu quả, mặc dù hiệu quả của chúng có thể bị hạn chế bởi các điều kiện vận hành77. Các hợp chất không độc hại như nhựa epoxy, silicon và các lớp phủ flo khác cũng có thể bảo vệ chống lại sự ăn mòn do vi khuẩn. Tuy nhiên, giống như lớp phủ giòn hydro, tính toàn vẹn của các lớp phủ này là rất quan trọng; Các khuyết tật có thể khiến chúng dễ bị ăn mòn hơn93. Khả năng phản ứng của các lớp phủ này với hydro và độ ổn định của chúng trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao là những cân nhắc quan trọng, vì sự phân hủy có thể xảy ra. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp có thể làm giảm đáng kể sự ăn mòn, nhưng nên sử dụng kết hợp với các phương pháp khác như lớp phủ và chất diệt khuẩn. Bảo vệ catốt có thể hiệu quả trong việc ngăn ngừa ăn mòn, mặc dù việc triển khai nó trong các giếng sâu có thể gặp nhiều thách thức. Nhìn chung, sự kết hợp giữa các vật liệu và lớp phủ phù hợp có thể là phương tiện chính để ngăn ngừa ăn mòn trong ống/vỏ ngầm của các giếng khai thác hydro tự nhiên.

Phản ứng xi măng H2

Trong quá trình khai thác hydro tự nhiên, hydro tiếp xúc với xi măng xung quanh giếng khoan. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng hydro tương tác với xi măng, gây ra sự thay đổi về tính chất vật lý của nó. Theo thông số kỹ thuật của API, xi măng công nghiệp phù hợp với các điều kiện giếng khoan, bao gồm độ sâu, áp suất và nhiệt độ, chủ yếu được phân loại thành các loại từ A đến H, trong đó loại G được sử dụng rộng rãi nhất. Các loại xi măng này thường bao gồm vôi (CaO), silica (SiO2), alumina (Al2O3), oxit sắt (Fe2O3) và thạch cao (CaSO4·2H2O). Các nguyên liệu thô trải qua một chuỗi phản ứng hydrat hóa để tạo ra bốn hợp chất chính tạo nên xi măng Portland: tricalcium aluminate (Ca3Al2O6 hoặc C3A), tricalcium silicate (Ca3SiO5 hoặc C3S), tetracalcium aluminoferrite (Ca4Al2Fe2O10 hoặc C4AF) và dicalcium silicate (Ca2SiO4 hoặc C2S).

Hydro không phản ứng trực tiếp với xi măng nhưng cần chuyển đổi thành H+ để tương tác. Do đó, chìa khóa của phản ứng hydro-xi măng nằm ở sự sẵn có của đủ hydro trong môi trường để chuyển đổi thành H+97. Các phương trình (1)-(4) mô tả các phản ứng nhiệt động cơ bản của khoáng chất xi măng với H+. Mô phỏng địa hóa học cho thấy hydro có thể khử sunfat và sắt trong vật liệu xi măng thành sunfua và hợp chất sắt (II), dẫn đến sự kết tủa các khoáng chất bị oxy hóa và sunfua sắt.

Ca3SiO5+6H+=SiO2+3Ca2++3H2O

(1)

CaCO3+H+↔Ca2++HCO3−

(2)

Ca4Al2Fe2O10+2OH+→4Ca2++2Al3++2Fe3++10H2O

(3)

Fe2O3(s)+4H++H2=3H2O+2Fe2+

(4)

Các sinh vật đơn bào như SRB được biết là phát triển mạnh trong môi trường hydro dưới bề mặt, tiêu thụ hydro và tạo ra H2S trong môi trường giàu lưu huỳnh. Xi măng dễ bị phân hủy hóa học do ăn mòn từ H2S98. Phản ứng sulfat có thể dẫn đến sự hình thành ettringite (Ca6(Al(OH)6)2·(SO4)3·26H2O). Sự giãn nở của ettringite trong cấu trúc xi măng gây ra ứng suất bên trong, dẫn đến nứt.

Việc nghiên cứu tương tác giữa hydro và xi măng, cũng như hiểu được mức độ phân hủy xi măng do hydro gây ra, có tầm quan trọng đáng kể. Ugarte và cộng sự101 đã tiến hành các thí nghiệm để nghiên cứu tương tác giữa hydro và xi măng loại H, cho mẫu xi măng tiếp xúc với hydro trong 7, 28, 84 và 168 ngày. Kết quả cho thấy sau một thời gian tiếp xúc với hydro nhất định, cường độ nén của mẫu xi măng tăng lên, trong khi độ xốp và độ thấm giảm. Sau 168 ngày, độ xốp và độ thấm giảm lần lượt 6,1% và 4,2%, trong khi mô đun Young và mô đun cắt tăng lần lượt 4,7% và 5,0% và hệ số Poisson giảm 1,4%. Phân tích thành phần cho thấy sự gia tăng hình thành fenspat kali và fenspat canxi trong xi măng do sự có mặt của hydro, dẫn đến sự thay đổi trong sự phân bố độ xốp của xi măng và do đó tăng cường độ cơ học của nó. Maury và cộng sự đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá những thay đổi về hiệu suất của xi măng loại H sau khi tiếp xúc với hydro trong điều kiện 10 MPa và 49 °C trong 7 và 14 ngày. Kết quả cho thấy sau 14 ngày tiếp xúc, độ thấm của mẫu xi măng tăng 175% và độ xốp tăng 1,9%, trái ngược với phát hiện của Ugarte và cộng sự. Mô đun Young và tỷ lệ Poisson của xi măng giảm lần lượt 2,5% và 0,6%, cho thấy việc tiếp xúc với hydro có thể dẫn đến mất khả năng bịt kín và tính toàn vẹn về mặt cấu trúc của xi măng.

Aftab và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về những thay đổi trong các hạt xi măng sau khi tiếp xúc với hydro trong điều kiện 80 °C và 3000 psi trong 7 và 14 ngày. Kết quả cho thấy các ion clorua hòa tan trong dung dịch muối có thể đẩy nhanh cơ chế phản ứng hydrat hóa, dẫn đến giảm diện tích tiếp xúc giữa các hạt xi măng và nước, do đó làm giảm khả năng xảy ra các phản ứng hóa học trong hệ thống. Tuy nhiên, trong điều kiện thực nghiệm, hydro không gây ra bất kỳ thay đổi địa hóa hoặc cấu trúc nào trong xi măng giếng khoan được thử nghiệm. Do đó, Aftab và cộng sự.96 kết luận rằng tác động của hydro lên tính toàn vẹn của xi măng trong các hang muối và bể chứa xốp có thể không đáng kể. Điều quan trọng là phải thừa nhận rằng Aftab và cộng sự đã nghiền xi măng thành các hạt mịn để khuếch đại phản ứng giữa hydro và xi măng, có khả năng bỏ qua những tác động rộng hơn của hydro lên tính thấm, độ xốp và mô đun đàn hồi tổng thể của các khối xi măng.

Trong một nghiên cứu khác, Al-Yaseri và cộng sự đã tiến hành các thí nghiệm tiêm hydro trên hai lõi xi măng Loại G trong 125 ngày trong điều kiện 1400 psi và 75 °C, đánh giá tác động của hydro lên tính toàn vẹn của xi măng. Kết quả XRD cho thấy hàm lượng alite trong ma trận xi măng tăng nhẹ sau khi tiêm hydro, trong khi sự phát triển của canxit được cho là do quá trình hydrat hóa xi măng. Sau khi tiêm hydro, cả khối lượng và mật độ của xi măng đều tăng, với độ xốp đo bằng CT của hai mẫu giảm lần lượt là 8,86% và 8,43%. Phát hiện của họ cũng chỉ ra sự giảm nhẹ về độ thấm của hồ xi măng trong bầu khí quyển hydro, kèm theo sự gia tăng nhỏ về cả tỷ số Poisson và mô đun Young động.

Hussain và cộng sự đã nghiên cứu thực nghiệm về tác động của hydro lên các đặc tính của khối xi măng đã bảo dưỡng và bùn xi măng trong điều kiện 1500 psi ở nhiệt độ 120 °F trong 7 ngày. Kết quả chỉ ra rằng trong các hệ thống bùn xi măng, một lượng hydro nhất định bị giữ lại trong xi măng, dẫn đến giảm cường độ xi măng và tăng độ nhớt của bùn xi măng. Hình ảnh chụp CT cho thấy sự hiện diện của các vết nứt do hydro gây ra trong xi măng đã bảo dưỡng, dẫn đến giảm cường độ nén của xi măng tiếp xúc với hydro. Jacquemet và cộng sự đã tiến hành các nghiên cứu mô phỏng về phản ứng địa hóa giữa hydro và xi măng loại G. Kết quả cho thấy các khoáng chất xi măng như ettringite và hematit trải qua quá trình hòa tan khử, dẫn đến hình thành các khoáng chất sunfua sắt và oxit. Các phản ứng hòa tan-kết tủa này không ảnh hưởng đáng kể đến độ xốp của xi măng do số lượng liên quan hạn chế. Ngày càng có nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào tương tác giữa hydro và xi măng. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu giải quyết các điều kiện liên quan đến lưu trữ hydro dưới lòng đất, mà không xem xét đến các tác động liên quan đến độ sâu của các bể chứa hydro tự nhiên. Các thí nghiệm hiện tại đã chứng minh tác động của nhiệt độ, điều kiện áp suất và thời gian phản ứng đối với tương tác hydro-xi măng. Cần mở rộng và tinh chỉnh thêm các cuộc điều tra thử nghiệm để phù hợp với các điều kiện thực tế của các giếng ngầm. Trong quá trình tương tác lâu dài giữa hydro và xi măng, các hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật oxy hóa hydro và các hành vi động học khác cũng ảnh hưởng đến quá trình này. Do đó, mô phỏng phản ứng địa hóa của hydro với xi măng loại G cần tính đến các điều kiện phức tạp hơn.

Các phân tử hydro có thể khuếch tán và di chuyển trong lớp xi măng của giếng khoan, tiềm năng dẫn đến rò rỉ khí. Dudun et al. 31 đã giải phương trình vi phân parabol bậc hai mô tả sự khuếch tán hydro trong xi măng bằng phương pháp số, sử dụng phương pháp hiệu hữu hạn. Kết quả mô phỏng cho thấy trong điều kiện giếng dự kiến, quá trình thâm nhập hydro hoàn toàn qua lớp vỏ xi măng dài 35 cm sẽ mất khoảng 7,5 ngày. Khi hydro thâm nhập vào lớp vỏ xi măng và sau đó đến vành đai, nguy cơ rò rỉ tăng lên. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng tốc độ khuếch tán hydro trong xi măng tăng khi độ xốp và hệ số khuếch tán của xi măng tăng, trong khi tốc độ này giảm khi độ bão hòa nước tăng. Do đó, xi măng có độ xốp thấp hơn có hiệu quả hơn trong việc bịt kín hydro.

Tác động của hydro lên các tính chất của xi măng là đáng kể; tuy nhiên, sự không nhất quán trong các nghiên cứu hiện có liên quan đến các mô hình ảnh hưởng của nó làm nổi bật nhu cầu cần có thêm các nghiên cứu thực nghiệm để làm sáng tỏ hơn những thay đổi về tính chất của xi măng trong điều kiện lưu trữ hydro tự nhiên. Tuy nhiên, các điều kiện thực nghiệm hiện có đối với phản ứng hydro-xi măng chỉ kéo dài tới 168 ngày, ngắn hơn đáng kể so với tuổi thọ hoạt động của các giếng khai thác hydro tự nhiên. Nghiên cứu hiện tại chỉ ra rằng việc tiếp xúc kéo dài có thể dẫn đến những thay đổi về tính chất của xi măng, bao gồm độ thấm, mô đun Young, mô đun cắt và tỷ lệ Poisson101. Đồng thời, trong điều kiện áp suất cao và nhiệt độ cao phổ biến sâu dưới lòng đất, các phản ứng oxy hóa giữa hydro và xi măng có thể tăng cường. Nghiên cứu hiện tại cũng thiếu sự bao gồm nhiều loại xi măng hơn. Các yếu tố như nhiệt độ, độ dẫn nhiệt và độ pH cũng có thể ảnh hưởng đến tương tác hydro-xi măng. Do đó, điều bắt buộc là phải kéo dài thời gian của các thí nghiệm để phù hợp với tuổi thọ hoạt động của các giếng hydro tự nhiên và mở rộng các điều kiện nhiệt độ và áp suất thử nghiệm để mô phỏng môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao sâu dưới lòng đất.

Độ ổn định của lớp bịt kín xi măng rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho các giếng khai thác hydro tự nhiên và chủ yếu phụ thuộc vào các đặc điểm như độ thấm, thời gian cô đặc và cường độ nén không giới hạn. Các chất phụ gia hóa học đại diện cho một chiến lược quan trọng để cải thiện tính toàn vẹn của lớp bịt kín xi măng. Các chất phụ gia này bao gồm chất làm chậm, chất tăng tốc, chất độn, vật liệu mất tuần hoàn, chất phân tán, chất ức chế di chuyển khí, chất giãn nở và các sản phẩm phân hủy hóa học104. Tuy nhiên, vẫn chưa có nghiên cứu nào được báo cáo về việc giảm thiểu tác động của hydro lên xi măng bằng cách sử dụng các chất phụ gia này. Trong các lĩnh vực khác của nghiên cứu an toàn giếng, tác động của chất lỏng chứa CO2 lên tính toàn vẹn của xi măng đã được đánh giá rộng rãi. Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng việc kết hợp các chất phụ gia bổ sung (như các hạt nanoclay, chất thải ô liu, than chì và sợi polypropylene tổng hợp) vào xi măng có thể giảm thiểu tác động của chất lỏng chứa CO244,105,106,107. Đối với tính toàn vẹn của xi măng trong các giếng hydro tự nhiên, các chất phụ gia là một giải pháp đầy hứa hẹn. Nghiên cứu hiện tại về tác động của hydro lên hiệu suất xi măng vừa hạn chế vừa không nhất quán, với các cơ chế cơ bản vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Hiểu sâu hơn về các cơ chế mà hydro phân hủy hồ xi măng có thể đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các chất phụ gia bổ sung hiệu quả hơn.

Phân hủy cao su H2

Các lớp đệm trong giếng đóng vai trò quan trọng trong việc cô lập vỏ, ống và chất lỏng trong vòng đệm, thường bao gồm các vật liệu đàn hồi như cao su hoặc polyme kết hợp với thép. Các lớp đệm tạo thành các rào cản an toàn thiết yếu để duy trì kiểm soát giếng, với hiệu quả bịt kín phụ thuộc phần lớn vào việc sử dụng các vật liệu đàn hồi phi kim loại gần như không nén được về thể tích. Trong các mỏ khai thác dầu khí thông thường, nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự cố đàn hồi có thể xảy ra do biến động áp suất khí, sự phân hủy hóa học, đùn, xói mòn, mài mòn, nén và sự cố xoắn ốc. Hơn nữa, hydro, do các đặc tính độc đáo của nó, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của cả vật liệu đàn hồi và thép, do đó làm giảm tính toàn vẹn của lớp đệm. Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng độ thấm cao của hydro trong vật liệu bịt kín đàn hồi vượt quá độ thấm của khí tự nhiên.

Cao su tự nhiên cho thấy hiệu suất bịt kín tương đối kém hơn so với hydro so với các vật liệu đàn hồi khác, thể hiện tốc độ thẩm thấu cao hơn ~30 lần. Nghiên cứu do Melaina và cộng sự thực hiện về sự thẩm thấu của hydro tại các mối nối cơ học cho thấy tốc độ thẩm thấu của hydro tại các mối nối này gấp ba lần so với khí tự nhiên. Khi hydro xâm nhập vào vật liệu bịt kín phi kim loại, nó có thể dẫn đến hiện tượng trương nở do hấp thụ hydro hoặc hiện tượng phồng rộp do hydro, dẫn đến sự phân hủy vật liệu. Sự trương nở do hấp thụ hydro trong vật liệu bịt kín phi kim loại đề cập đến hiện tượng của sự giãn nở cao su do sự hòa tan hydro bên ngoài vào vật liệu cao su, trong khi sự phồng rộp hydro là do sự hình thành các vết nứt bên trong cao su d