Läckande naturgaskällor anses vara en potentiell källa till metanutsläpp, och en ny cementblandning av nanomaterial kan ge en effektiv, prisvärd lösning för att täta dessa brunnar, enligt ett team av Penn State-forskare.

"Vi har uppfunnit en mycket flexibel cement som är mer motståndskraftig mot sprickbildning, " sa Arash Dahi Taleghani, docent i petroleumteknik vid Penn State. "Det är viktigt eftersom det finns miljontals föräldralösa och övergivna brunnar runt om i världen, och sprickor i höljena kan tillåta metan att fly ut i miljön."

När naturgasbrunnar borras, cement används för att fästa röret, eller hölje, till den omgivande klippan, skapa en tätning som förhindrar metan från att vandra in i den grunda underytan, där den kan komma in i vattendrag, eller atmosfären, där det är en potent växthusgas, sa forskarna.

Brunnar kan sträcka sig mil under jorden och med tiden kan ändrade temperaturer och tryck försämra cementen, orsakar att sprickor bildas. Forskarna sa att reparationer involverar injicering av cement i mycket smala områden mellan höljet och berget, kräver speciell cement.

"Under konstruktion, du kan bara blanda cement och hälla det, men för att täta dessa brunnar cementerar du ett område som har en tjocklek på mindre än en millimeter, eller en tejpbit, "Dahi Taleghani sa. "Att bättre kunna pumpa cement genom dessa mycket trånga utrymmen som metanmolekyler kan fly från är skönheten med detta arbete."

Genom att lägga till nästan 2-D grafit skapades en cementblandning som bättre fyllde dessa trånga utrymmen och som också var starkare och mer motståndskraftig, fann forskarna. De rapporterade nyligen sina fynd i International Journal of Greenhouse Gas Control . Maryam Tabatabaei, en postdoktor vid John och Willie Leones familjeavdelning för energi- och mineralteknik, bidrog också till denna forskning.

Forskarna utvecklade en flerstegsprocess för att jämnt fördela ark av nanomaterialet till en cementuppslamning. Genom att först behandla grafiten med kemikalier, forskarna kunde ändra dess ytegenskaper så att materialet skulle lösas upp i vatten istället för att stöta bort det.

"Om vi ​​bara häller det här materialet i vattnet och blandar det, dessa små partiklar har en tendens att klibba ihop och bilda ett konglomerat, " Sa Dahi Taleghani. "Om de inte sprids jämnt så är grafiten inte lika stark inuti cementen."

Cementblandningen kan användas i aktiva okonventionella brunnar som de som finns i Marcellus Shale-gasspelet, eller att täta föräldralösa och övergivna gasbrunnar, sa forskarna. Det visar också lovande för användning inom teknik för avskiljning och lagring av koldioxid.

Grafit är billigare än andra nanomaterial som tidigare använts för att stärka cementprestandan. Dessutom, mycket lite av materialet behövs för att stärka cementen, sa forskarna.

"Med tanke på den låga kostnaden för mängden grafitnanoplättar som krävs för detta test, denna teknik kan ge en ekonomisk lösning för industrin för att ta itu med eventuella cementeringsproblem på fältet, " sa Dahi Taleghani.