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

पृथ्वी की सतह के बहुत नीचे, विशाल भूमिगत चट्टानी संरचनाओं का उपयोग तेजी से कार्बन डाइऑक्साइड को संग्रहीत करने वाले वॉल्ट के रूप में किया जा रहा है, जो औद्योगिक चिमनियों से पकड़ी गई एक ग्रीनहाउस गैस है। इसका लक्ष्य इस गैस को सदियों तक वायुमंडल से दूर कैद रखना है, जिससे ग्लोबल वार्मिंग की गति को धीमा किया जा सके। ऐसा करने के लिए, इंजीनियर इस गैस को पुराने तेल और गैस के कुओं में पंप करते हैं, जिन्हें फिर कठोर सीमेंट की परतों के साथ सील कर दिया जाता है। हालांकि, समय के साथ, यह सीमेंट दरारें पैदा कर सकता है या इसमें सूक्ष्म अंतराल विकसित हो सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे किसी पाइप में बाल के समान बारीक दरार आ जाती है। यदि इन लीकेज (रिसाव) पर ध्यान नहीं दिया गया, तो संग्रहीत गैस वापस सतह की ओर निकल सकती है, जो भूजल को दूषित कर सकती है या उत्सर्जन को कम करने के पूरे प्रयास को कमजोर कर सकती है। चूंकि कार्बन डाइऑक्साइड अदृश्य और गंधहीन होती है, इसलिए इन लीकेज को समस्या बनने से पहले ढूंढना अविश्वसनीय रूप से कठिन है, जिससे इन दरारों को स्थायी रूप से सील करने का तरीका खोजना स्वच्छ ऊर्जा के भविष्य के लिए एक महत्वपूर्ण चुनौती बन जाता है।

लुइसियाना विश्वविद्यालय, लाफेट (University of Louisiana at Lafayette) के शोधकर्ता नैनोसिलिका के रूप में जानी जाने वाली नैनो-आकार के सिलिका कणों से बने पदार्थ का उपयोग करके इन लीकेज को ठीक करने की एक नई विधि की जांच कर रहे हैं। पारंपरिक सीमेंट के विपरीत, जो बड़े दानों से भरा एक गाढ़ा घोल होता है और अक्सर दरार के प्रवेश द्वार पर फंस जाता है, यह नैनोसिलिका मिश्रण एक पतला, पानी जैसा तरल है। वैज्ञानिक यह देखना चाहते थे कि क्या वे इस तरल को कुएं के सीमेंट के संकरे दरारों में गहराई तक पंप कर सकते हैं, जहाँ यह वातावरण के साथ प्रतिक्रिया करके एक ठोस, लचीली बाधा बनाए। इसका परीक्षण करने के लिए, उन्होंने प्रयोगशाला में कठोर सीमेंट के सिलेंडरों में कृत्रिम दरारें बनाईं। इसके बाद, उन्होंने इन दरारों में नैनोसिलिका मिश्रण को इंजेक्ट किया और इसे वहां रहने दिया, यह देखते हुए कि दबाव के तहत यह कैसे व्यवहार करता है और क्या यह पानी और कार्बन डाइऑक्साइड के प्रवाह को रोक सकता है।

टीम ने पाया कि दरार का आकार और उपयोग किए गए नैनोसिलिका की मात्रा सबसे महत्वपूर्ण कारक थे कि सील कितनी अच्छी तरह काम करती है। जब उन्होंने सिलिका कणों की उच्च सांद्रता का उपयोग किया, तो परिणामी सील बहुत मजबूत हो गई। अपने परीक्षणों में, सांद्रता को पंद्रह प्रतिशत से बढ़ाकर पच्चीस प्रतिशत करने से सील 1,400 पाउंड प्रति वर्ग इंच तक के दबाव को झेलने में सक्षम रही, जो कम सांद्रता द्वारा रखे गए 520 पाउंड प्रति वर्ग इंच से एक महत्वपूर्ण उछाल है। यह बताता है कि मिश्रण में इन सूक्ष्म कणों को अधिक सघनता से भरने से एक अधिक सघन, परस्पर जुड़ा हुआ नेटवर्क बनता है जिसे तरल पदार्थों के लिए धकेलना कठिन होता है। इसके विपरीत, दरार की चौड़ाई भी उतनी ही महत्वपूर्ण थी। जब दरार बहुत संकरी थी, तो सील उच्च दबाव के खिलाफ स्थिर रही। लेकिन जैसे-जैसे दरार चौड़ी हुई, सील द्वारा झेला जाने वाला दबाव तेजी से गिर गया। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि एक चौड़ा अंतराल तरल को बिना रुके बहने के लिए अधिक स्थान प्रदान करता है, जिससे खाली स्थान को प्रभावी ढंग से भरने के लिए सामग्री की बहुत अधिक मात्रा की आवश्यकता होती है।

शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि दरार कहाँ स्थित थी, उन्होंने परीक्षण किया कि क्या सील अलग तरह से काम करती है यदि दरार सीमेंट के दो टुकड़ों के बीच हो, सीमेंट और स्टील पाइप के बीच हो, या सीमेंट और आसपास की चट्टान के बीच हो। उन्होंने पाया कि सील का प्रदर्शन सबसे अच्छा रहा जब दरार सीमेंट और स्टील के बीच थी या दो सीमेंट की सतहों के बीच थी, जिसने लगभग 800 पाउंड प्रति वर्ग इंच के दबाव को रोका। हालांकि, जब दरार में कुएं के आसपास की सरंध्र (porous) चट्टान शामिल थी, तो दबाव प्रतिरोध गिरकर लगभग 565 पाउंड प्रति वर्ग इंच हो गया। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि सरंध्र चट्टान ने एक स्पंज की तरह काम किया, जिसने नैनोसिलिका तरल को पूरी तरह से सील बनाने से पहले ही सोख लिया। यह निष्कर्ष इंगित करता है कि हालांकि यह सामग्री अत्यधिक प्रभावी है, लेकिन मरम्मत सफल होने के लिए लीकेज साइट की विशिष्ट भूविज्ञान (geology) पर विचार किया जाना चाहिए।

एक विशेष रूप से आशाजनक पहलू यह है कि नैनोसिलिका को काम करने के लिए हमेशा अन्य रसायनों के साथ मिलाने की आवश्यकता नहीं होती है। सीमेंट में कैल्शियम होता है, जो स्वाभाविक रूप से पानी में रिसता है और नैनोसिलिका को जेल में बदलने के लिए प्रेरित करता है। वैज्ञानिकों ने पाया कि नैनोसिलिका को सीमेंट के संपर्क में जितने लंबे समय तक रखा गया, सील उतनी ही मजबूत होती गई। केवल एक सप्ताह के बाद, जेल एक मामूली दबाव को रोक सकता था, लेकिन पांच सप्ताह के बाद, यह काफी सख्त हो गया। इसका अर्थ है कि वास्तविक दुनिया के परिदृश्य में, लीकेज को केवल नैनोसिलिका पानी इंजेक्ट करके बंद किया जा सकता है, और मौजूदा सीमेंट समय के साथ बाकी का काम करेगा, जिससे जटिल रासायनिक योजकों (additives) की आवश्यकता समाप्त हो जाएगी।

अंत में, टीम ने परीक्षण किया कि क्या यह सील केवल पानी के बजाय विशेष रूप से कार्बन डाइऑक्साइड को रोक सकती है। उन्होंने सीलबंद दरारों में कार्बन डाइऑक्साइड गैस पंप की और धीरे-धीरे दबाव बढ़ाया जब तक कि गैस टूटकर बाहर नहीं निकल गई। नैनोसिलिका सील ने उस दबाव पर गैस को रोके रखा जो आमतौर पर भूमिगत भंडारण स्थलों में अपेक्षित होता है। भले ही कार्बन डाइऑक्साइड एक गैस है और पानी की तुलना में अधिक आसानी से बहती है, फिर भी सील उन स्थितियों में भी बरकरार रही जो एक मानक मरम्मत को विफल कर सकती थीं। परिणाम बताते हैं कि यह नैनोसिलिका जेल एक टिकाऊ, लंबे समय तक चलने वाली बाधा बना सकता है जो गहरे भूमिगत भंडारण के उच्च दबाव और रासायनिक वातावरण का सामना करने में सक्षम है। हालांकि प्रयोगशाला के इन परिणामों को पूर्ण-स्तरीय क्षेत्रीय अनुप्रयोगों में बदलने के लिए और अधिक काम की आवश्यकता है, यह अध्ययन इस बात का पुख्ता प्रमाण देता है कि यह सरल, कण-आधारित दृष्टिकोण कार्बन डाइऑक्साइड के भंडारण के लिए उपयोग किए जाने वाले कुओं की अखंडता को बनाए रखने का एक विश्वसनीय तरीका हो सकता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि गैस सुरक्षित रूप से जमीन के नीचे वहीं रहे जहाँ उसे होना चाहिए।