Nanosilica-Based Sealing of Wellbore Cement Leaks in Geological CO₂ Storage: A Geotechnical and Geochemical Approach

في أعماق ما تحت سطح الأرض، تُستخدم التكوينات الصخرية الضخمة تحت الأرض بشكل متزايد كمستودعات لتخزين ثاني أكسيد الكربون، وهو غاز دفيئة يتم التقاطه من المداخن الصناعية. والهدف هو إبقاء هذا الغاز محبوساً بعيداً عن الغلاف الجوي لقرون، مما يبطئ وتيرة الاحتباس الحراري. وللقيام بذلك، يقوم المهندسون بضخ الغاز في آبار النفط والغاز القديمة، والتي يتم سدها بعد ذلك بطبقات من الأسمنت الصلب. ومع ذلك، يمكن لهذا الأسمنت مع مرور الوقت أن يتشقق أو تظهر فيه فجوات دقيقة، تماماً مثل أنبوب أصيب بشق شعري. وإذا لم يتم اكتشاف هذه التسربات، فقد يتسرب الغاز المخزن مرة أخرى نحو السطح، مما قد يؤدي إلى تلوث المياه الجوفية أو تقويض الجهد بأكمله للحد من الانبعاثات. وبما أن ثاني أكسيد الكربون غير مرئي ولا رائحة له، فإن العثور على هذه التسربات قبل أن تصبح مشكلة أمر صعب للغاية، مما يجعل البحث عن وسيلة لسد هذه الشقوق بشكل دائم تحدياً حاسماً لمستقبل الطاقة النظيفة.

لقد كان الباحثون في جامعة لويزيانا في لافاييت يحققون في طريقة جديدة لإصلاح هذه التسربات باستخدام مادة مكونة من جزيئات السيليكا الصغيرة، المعروفة باسم "النانوسيليكا". وخلافاً للأسمنت التقليدي، الذي عبارة عن ملاط سميك مليء بحبيبات كبيرة غالباً ما تتعثر عند مدخل الشق، فإن خليط النانوسيليكا هذا عبارة عن سائل مائي رقيق. أراد العلماء معرفة ما إذا كان بإمكانهم ضخ هذا السائل في أضيق الشقوق في أسمنت بئر البئر، حيث يتفاعل مع البيئة ليشكل حاجزاً صلباً ومرناً. ولاختبار ذلك، صنعوا شقوقاً اصطناعية في أسطوانات من الأسمنت الصلب في مختبرهم. ثم قاموا بحقن خليط النانوسيليكا في هذه الشقوق وتركوه يستقر، مراقبين سلوكه تحت الضغط وما إذا كان بإمكانه منع تدفق الماء وثاني أكسيد الكربون.

اكتشف الفريق أن حجم الشق وكمية النانوسيليكا المستخدمة هما أهم العوامل في مدى جودة إحكام السد. فعندما استخدموا تركيزاً أعلى من جزيئات السيليكا، أصبح السد الناتج أقوى بكثير. وفي اختباراتهم، سمح زيادة التركيز من خمسة عشر بالمائة إلى خمسة وعشرين بالمائة للسد بأن يتحمل ضغطاً يصل إلى 1,400 رطل لكل بوصة مربعة، وهي قفزة كبيرة من الـ 520 رطلاً لكل بوصة مربعة التي تحملها التركيز الأقل. يشير هذا إلى أن حشد المزيد من هذه الجزيئات الصغيرة في الخليط يخلق شبكة أكثر كثافة وترابطاً يصعب على السوائل اختراقها. وعلى العكس من ذلك، كان عرض الشق مهماً بنفس القدر؛ فعندما كان الشق ضيقاً جداً، صمد السد أمام الضغط العالي. ولكن مع اتساع الشق، انخفض الضغط الذي يمكن أن يتحمله السد بشكل حاد. يحدث هذا لأن الفجوة الأوسع توفر مساحة أكبر للسائل للتدفق من خلالها دون أن يتم حظره، مما يتطلب حجماً أكبر بكثير من المادة لملء الفراغ بفعالية.

كما نظر الباحثون في مكان وجود الشق، واختبروا ما إذا كان السد يعمل بشكل مختلف إذا كان الشق بين قطعتين من الأسمنت، أو بين الأسمنت وأنبوب فولاذي، أو بين الأسمنت والصخور المحيطة. ووجدوا أن السد كان يعمل بشكل أفضل عندما كان الشق بين الأسمنت والفولاذ أو بين سطحين من الأسمنت، حيث صمد أمام ضغوط تبلغ حوالي 800 رطل لكل بوصة مربعة. ومع ذلك، عندما كان الشق يتضمن الصخور المسامية المحيطة بالبئر، انخفضت مقاومة الضغط إلى حوالي 565 رطلاً لكل بوصة مربعة. حدث هذا لأن الصخور المسامية عملت مثل الإسفنج، حيث امتصت بعض سائل النانوسيليكا قبل أن يتمكن من تشكيل سد كامل عبر الشق. ويشير هذا الاكتشاف إلى أنه بينما تعتبر المادة فعالة للغاية، يجب مراعاة الجيولوجيا المحددة لموقع التسرب لضمان نجاح الإصلاح.

وثمة جانب واعد بشكل خاص في هذا الاكتشاف وهو أن النانوسيليكا لا يحتاج دائماً إلى الخلط مع مواد كيميائية أخرى ليعمل. فالأسمنت نفسه يحتوي على الكالسيوم، الذي يتسرب طبيعياً إلى الماء ويحفز النانوسيليكا للتحول إلى هلام (جل). ووجد العلماء أن كلما طالت فترة بقاء النانوسيليكا في تماس مع الأسمنت، أصبح السد أقوى. فبعد أسبوع واحد فقط، استطاع الهلام تحمل قدر معقول من الضغط، ولكن بعد خمسة أسابيع، أصبح أقوى بشكل ملحوظ. وهذا يعني أنه في سيناريو واقعي، يمكن سد التسرب ببساطة عن طريق حقن ماء النانوسيليكا، وسيقوم الأسمنت الموجود بالباقي بمرور الوقت، مما يلغي الحاجة إلى إضافات كيميائية معقدة.

أخيراً، اختبر الفريق ما إذا كان هذا السد يمكنه إيقاف ثاني أكسيد الكربون تحديداً، بدلاً من الماء فقط. لقد ضخوا غاز ثاني أكسيد الكربون في الشقوق المسدودة وزادوا الضغط تدريجياً حتى اخترق الغاز السد. صمد سد النانوسيليكا أمام الغاز عند ضغوط أعلى بكثير مما هو متوقع عادة في مواقع التخزين تحت الأرض. ورغم أن ثاني أكسيد الكربون غاز ويتدفق بسهولة أكبر من الماء، إلا أن السد ظل سليماً في ظروف من شأنها أن تخترق أي إصلاح قياسي. وتشير النتائج إلى أن هلام النانوسيليكا هذا يمكنه تشكيل حاجز متين وطويل الأمد قادر على تحمل الضغوط العالية والبيئة الكيميائية في أعماق التخزين تحت الأرض. وبينما لا يزال هناك المزيد من العمل المطلوب لنقل هذه النتائج المختبرية إلى تطبيقات ميدانية واسعة النطاق، فإن الدراسة تقدم دليلاً قوياً على أن هذا النهج البسيط القائم على الجزيئات يمكن أن يوفر وسيلة موثوقة للحفاظ على سلامة الآبار المستخدمة لتخزين ثاني أكسيد الكربون، مما يضمن بقاء الغاز آمناً تحت الأرض حيث ينتمي.