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

Diep onder het aardoppervlak worden enorme ondergrondse gesteentevormaties steeds vaker gebruikt als opslagplaatsen voor koolstofdioxide, een broeikasgas dat wordt opgevangen uit industriële rookpluimen. Het doel is om dit gas eeuwenlang gevangen te houden, weg van de atmosfeer, om zo het tempo van de opwarming van de aarde te vertragen. Om dit te doen, pompen ingenieurs het gas naar beneden in oude olie- en gasputten, die vervolgens worden afgesloten met lagen uitgehard cement. Echter, na verloop van tijd kan dit cement barsten of kleine openingen ontwikkelen, vergelijkbaar met een pijp die een haarscheurtje heeft gekregen. Als deze lekken onopgemerkt blijven, kan het opgeslagen gas terug naar de oppervlakte ontsnappen, wat potentieel het grondwater kan vervuilen of de hele inspanning om emissies te verminderen kan ondermermijnen. Omdat koolstofdioxide onzichtbaar en geurloos is, is het extreem moeilijk om deze lekken te vinden voordat ze een probleem vormen, wat de zoektocht naar een manier om deze barsten permanent te dichten tot een cruciale uitdaging maakt voor de toekomst van schone energie.

Onderzoekers aan de Universiteit van Louisiana te Lafayette onderzoeken een nieuwe methode om deze lekken te repareren met behulp van een stof gemaakt van minuscule silica-deeltjes, bekend als nanosilica. In tegenstelling tot traditioneel cement, dat een dikke slurry is vol grote korrels die vaak bij de ingang van een barst blijven steken, is dit nanosilica-mengsel een dunne, waterige vloeistof. De wetenschappers wilden zien of ze deze vloeistof diep in de nauwste breuken in het putcement konden pompen, waar het zou reageren met de omgeving om een solide, flexibele barrière te vormen. Om dit te testen, maakten ze in hun laboratorium kunstmatige barsten in cilinders van uitgehard cement. Vervolgens injecteerden ze het nanosilica-mengsel in deze barsten en lieten ze het rusten, waarbij ze observeerden hoe het zich onder druk gedroeg en of het de stroom van water en koolstofdioxide kon stoppen.

Het team ontdekte dat de grootte van de barst en de hoeveelheid nanosilica de belangrijkste factoren waren voor hoe goed de afsluiting hield. Wanneer zij een hogere concentratie van de silica-deeltjes gebruikten, werd de resulterende afsluiting veel sterker. In hun tests zorgde het verhogen van de concentratie van vijftien procent naar vijfentwintig procent ervoor dat de afsluiting een druk van wel 1.400 pond per vierkante inch kon weerstaan, een aanzienlijke sprong ten opzichte van de 520 pond per vierkante inch die door de lagere concentratie werd vastgehouden. Dit suggereert dat het verpakken van meer van deze minuscule deeltjes in het mengsel een dichter, meer onderling verbonden netwerk creëert dat moeilijker door vloeistoffen kan worden doorbroken. Omgekeerd deed de breedte van de barst er net zo toe. Wanneer de barst zeer smal was, hield de afsluiting stand tegen hoge druk. Maar naarmate de barst breder werd, daalde de druk die de afsluiting kon weerstaan scherp. Dit komt doordat een bredere opening meer ruimte biedt voor de vloeistof om doorheen te stromen zonder geblokkeerd te worden, waardoor een veel groter volume van het materiaal nodig is om de leegte effectief te vullen.

De onderzoekers keken ook naar de locatie van de barst en testten of de afsluiting anders werkte als de barst tussen twee stukken cement zat, tussen cement en een stalen buis, of tussen cement en het omliggende gesteente. Ze ontdekten dat de afsluiting het best presteerde wanneer de barst tussen cement en staal of tussen twee cementoppervlakken zat, waarbij een druk van rond de 800 pond per vierkante inch werd tegengehouden. Echter, wanneer de barst betrokken was bij het poreuze gesteente rond de put, daalde de weerstand tegen druk naar ongeveer 565 pond per vierkante inch. Dit gebeurde omdat het poreuze gesteente fungeerde als een spons, die een deel van de nanosilica-vloeistof opzoog voordat het een volledige afsluiting over de barst kon vormen. Deze bevinding geeft aan dat hoewel het materiaal zeer effectief is, de specifieke geologie van de leklocatie in overweging moet worden genomen om te garanderen dat de reparatie succesvol is.

Een bijzonder veelbelovend aspect van deze ontdekking is dat de nanosilica niet altijd gemengd hoeft te worden met andere chemicaliën om te werken. Het cement zelf bevat calcium, dat van nature uitloogt in het water en de nanosilica activeert om in een gel te veranderen. De wetenschappers ontdekten dat hoe langer de nanosilica in contact bleef met het cement, hoe sterker de afsluiting werd. Na slechts één week kon de gel een bescheiden hoeveelheid druk weerstaan, maar na vijf weken werd het aanzienlijk taaier. Dit betekent dat in een reële scenario het lek simpelweg gedicht kan worden door de nanosilica-water te injecteren, waarbij het bestaande cement de rest van het werk doet over een langere periode, waardoor de noodzaak voor complexe chemische additieven vervalt.

Ten slotte testte het team of deze afsluiting specifiek koolstofdioxide kon tegenhouden, in plaats van alleen water. Ze pompten koolstofdioxidegas in de afgesloten barsten en verhoogden de druk geleidelijk totdat het gas doorbrak. De nanosilica-afsluiting hield het gas tegen bij drukwaarden die veel hoger liggen dan wat doorgaans wordt verwacht in ondergrondse opslagplaatsen. Ondanks dat koolstofdioxide een gas is en gemakkelijker stroomt dan water, bleef de afsluiting intact onder omstandigheden die een standaardreparatie gemakkelijk zouden doorbreken. De resultaten suggereren dat deze nanosilica-gel een duurzame, langdurige barrière kan vormen die in staat is om de hoge druk en de chemische omgeving van diepe ondergrondse opslag te weerstaan. Hoewel er meer werk nodig is om deze laboratoriumresultaten te vertalen naar toepassingen op volledige schaal in het veld, levert de studie sterk bewijs dat deze eenvoudige, op deeltjes gebaseerde aanpak een betrouwbare manier kan bieden om de integriteit van putten die worden gebruikt voor de opslag van koolstofdioxide te handhaven, zodat het gas veilig ondergronds blijft waar het thuishoort.