Hidrojeoloji.Net

Jeotermal Rezervuar Mühendisliği

Dated: Eylül 21st, 2007

1. Giriş

Jeotermal rezervuar mühendisliği birçok yönüyle 1930 lardan sonra gelişmiş olan petrol ve doğal gaz rezervuar mühendisliği ile ilintili olmasına rağmen, bu prensiplerin jeotermal rezervuarlarda kullanılması ancak 1960 lı yılların sonlarında olmuştur (Whiting ve Ramey’in (1969) Wairakei sahası ile Ramey’in (1970) Geysers sahasındaki çalışmaları). Jeotermal rezervuar mühendisliği kuyuların yerlerinin tesbiti çalışmalarıyla başlar ve kuyudaki çeşitli ölçümler ve değerlendirilme leri (well logging, üretim hızları gibi), üretim mekanizmasının saptanması ve rezervuar davranışının performans tahmini çalışmalarını kapsar. Tüm bu çalışmaların esas hedefi, çalışılan rezervuardan en yüksek ısı kurtarımını veren ve ekonomik olan en uygun üretim şartlarının tesbit edilmesidir. Ramey’e göre (1977) rezervuar mühendisinin temel görevi çalışılan kuyu ve/veya

rezervuarın uzun dönemli davranışının tahmin edilmesidir.

Bu çalışmada rezervuar mühendisinin cevaplaması gerekli olan önemli sorular şunlardır:

1. Rezervuarı geliştirmek için en uygun olan plan hangisidir?

2. En uygun geliştirme planı için hangi düzende ve kaç tane kuyu açılmalıdır?

3. Kuyuların üretim hızları ne olacaktır?

4. Ne kadar ısı kurtarılabilecektir?

5. Zamanla sıcaklığın değişimi ne olacaktır?

6. Doğal ısı kurtarımını arttırabilmek için gelişmiş üretim süreçlerini uygulamak gerekecek midir? Tüm bu sorulara cevap bulabilmek için rezervuar mühendisi sürekli ve çok dikkatli bir

çalışmayı, rezervuarın üretime başladığı andan itibaren sürdürmelidir. Rezervuardan üretimin artması ve daha fazla verinin elde edilmesiyle rezervuar mühendisi önceki çalışmalarını güncelleme şansına sahip olmakta ve rezervuarın davranışını daha doğru tahmin edebilmektedir. Ne yazık ki, rezervuarla ilgili tüm veriler neredeyse rezervuarın tümüyle üretildiği son zamanlarında elde edilebilmiş olmaktadır. Rezervuar mühendisinin jeotermal sistemde süregelmekte olan fiziksel süreçleri nicel olarak tanımlaması gereklidir. Bu tanımlama üç ana adıma bölünebilir:

1. İlk olarak çalışılan jeotermal sistemle ilintili olan fiziksel süreçler tanımlanmalı ve bu süreçler rezervuarın kavramsal modelinin (conceptual model) geliştirilmesinde kullanılmalıdır.

2. İkinci olarak, rezervuar kayaç ve akışkanının fiziksel ve kimyasal özellikleri tanımlanmalıdır.

3. Son olarak, elde bulunan tüm veriler kullanılarak rezervuarın matematiksel veya fiziksel bir modeli oluşturulmalıdır. Bu model sistem için tanımlanmış ilk koşullar ile sınır koşullarını da içermelidir. Eldeki bu model yeni üretim verisi geldikçe geliştirilmeli ve rafine edilmelidir. Rezervuarın üretime olan tepkisi model ile çakıştırılmalıdır. Her ne kadar petrol ve doğal gaz rezervuarlarıyla jeotermal rezervuarlar benzerlikler gösterse de jeotermal rezervuar mühendisliğinin kendine has bir disiplin olmasını gerektiren birçok faktör sıralanabilir:

• Çok yüksek rezervuar sıcaklıkları

• Rezervuarı oluşturan kayaçların çoğunlukla volkanik orijinli ve çok çatlaklı olmaları

• Rezervuarda akışkanın akması sırasında katıların kimyasal çökelmesi

• Suyun rezervuarda ve/veya kuyu boyunca kaynaması Bu kısa giriş ve tanıtımdan sonra takip eden bölümlerde jeotermal rezervuar mühendisliğinin temel prensipleri anlatılmaya çalışılacaktır.

2. Jeotermal Sistem Tipleri

Jeotermal enerji en geniş anlamda yerkürenin sahip olduğu doğal ısı olarak tanımlanabilir. Kızgın kuru kaya (Hot Dry Rock – HDR) tipi jeotermal kaynak dışında tüm jeotermal kaynakların oluşması için dört şartın yerine gelmesi gerekmektedir.

1. Bir ısı kaynağı: Bu ısı kaynağının bir magma kütlesi olmasının yanısıra (> 600 °C), düşük sıcaklıklı rezervuar sistemlerinde olduğu gibi yerkürenin normal sıcaklığı da olabilir. Yerküre sıcaklığı ortalama olarak 3 °C/100 m gibi bir jeotermal gradyanla artmaktadır. Bu nedenle yerin günümüz teknolojisiyle erişilebilecek derinliklerinde 70-100 °C gibi sıcaklıklara ulaşmak mümkündür.

2. Isıyı taşıyacak olan bir akışkan: Bu akışkan çoğunlukla yerin derinliklerine sızmış yağmur suları olmaktadır.

3. Geçirgen ve/veya çatlaklı bir rezervuar kayacı.

4. Geçirgen olmayan bir örtü kaya.

Şekil 1 ile ideal bir jeotermal rezervuarın oldukça basit fakat etken bir grafik gösterimi sunulmaktadır.

Jeotermal sistemler dört ana başlık altında sınıflandırılabilirler: buhar ağırlıklı (kuru buhar); sıvı ağırlıklı (sıcak su); jeo-basınçlı sıcak oluşumlar (geopressured) ve HDR. Bu sistemleri kısaca tanıtacak olursak:

Buhar ağırlıklı sistemler: Rezervuar basıncındaki akışkan sıcaklığının suyun buhar basıncı eğrisi sıcaklığından daha yüksek olması durumunda bu tür rezervuarlar oluşurlar. Rezervuardaki basıncı su buharı fazı kontrol etmektedir.Bu sistemler yeryüzünde çok az bulunmalarına rağmen temiz olmaları ve çevre açısından en az risk içermeleri nedeniyle en çok istenen sistemlerdir. Bu tür sistemlerin en iyi bilinenleri İtalya’nın Larderello sahası ile ABD’nin Geysers kuru buhar sahalarıdır. Bu sistemlerde sıvı haldeki su ile buhar birlikte olmalarına rağmen, rezervuar boyunca süreklilik arz eden ve basıncı kontrol eden faz buhar fazı olmaktadır. Buhar sistemleri sıcak su sistemlerine göre çok daha az ısı içermelerine rağmen üretilmeleri aşamasındaki problemlerin azlığı nedeniyle tercih konusudurlar. Buhar rezervlerinin üretim mekanizması tıpkı doğal gaz rezervuarlarında olduğu gibi basıncın düşmesiyle rezervuardaki akışkanın genleşmesidir. Üretilen akışkan miktarının rezervuarın ilk anda sahip olduğu akışkan miktarına oranı genelde oldukça yüksektir (ağırlıkça %85-90 civarında). Öte yandan, enerji kurtarımı oranı tam tersi bir davranış göstermektedir. Rezervuardaki ısı enerjisinin çoğunun kayaçta saklı olması ve izotermal davranış nedeniyle kayaçtan soğurulan ısı enerjisi çok azdır dolayısıyla bu sistemlerden elde edilen doğal ısı kurtarımı çok düşüktür. Daha fazla ısı kurtarımı kayaç sıcaklığının düşürülmesi, dolayısıyla geliştirilmiş kurtarım tekniği uygulaması olan sisteme sıvı geri basımıyla mümkündür.

Şekil 1. İdeal Bir Jeotermal Rezervuarın Şematik Gösterimi (Dickson Ve Fanelli’den, 1995 Uyarlanmıştır).

Sıvı ağırlıklı sistemler: Bu sistemlerde sıvı faz süreklilik arz eden ve basıncı kontrol eden faz olmaktadır. Bu sistemlerdeki su bir kimyasal çözelti olup içinde sodyum, potasyum, lityum, kalsiyum, klor, bikarbonat, sülfat, borat ve silikat içermektedir. Dünyaca ünlü sıvı ağırlıklı jeotermal sistemler arasında Yeni Zelanda’dan Wairakei, Meksika’dan Cerro Prieto ve ülkemizden Kızıldere’yi saymak mümkündür. Daha önce de belirtildiği gibi bu sistemlerden ısı kurtarımı buhar ağırlıklı sistemlere göre daha yüksek olmaktadır. Bunun temel nedeni rezervuar akışkanının rezervuarda kaynamaya başlaması ve/veya sisteme suyun geri basılmasıdır. Bu sistemlerdeki üretim problemleri ise buhar ağırlıklı sistemlere göre daha zorludur.

Jeo-basınçlı oluşumlar: Bu sistemler hidrostatik basıncın çok üzerinde akışkan içeren kayaçlardan oluşan sistemlerdir. Bu sistemler genellikle geçirimsizliği yüksek olan bir örtü kaya ile kaplı olan zonlarda oluşmaktadır. Geçirimsiz örtü kayanın etkisiyle sistemde sıkışan akışkanın basınç gradyeni artan sedimantasyonla yükselmekte ve çoğunlukla 1 psi/ft (normal hidrostatik gradyen 0.433-0.45 psi/ft aralığındadır) seviyelerine çıkmaktadır. Düşük ısıl geçirgenlik ve yüksek ısıl kapasiteyle bu sistemlerin sıcaklıkları yükselmektedir. Günümüzde bu tür sistemlerin en iyi bilineni ABD’nin Teksas eyaletinden Mississipi kıyılarını içine alan Meksika Körfezi kıyılarıdır.

Kızgın kuru kaya (HDR): Bu sistemler ısı taşıyıcı ortam olan suyu içermeyen sistemlerdir. Bu sistemler için ısı enerjisini ekonomik yolla soğurabilecek bir yöntem bulunabilmesi durumunda bu sistemlerden yüksek miktarlarda enerji elde etmek mümkündür. Bir diğer sınıflandırma ise sistemin keşfi anındaki basınç ve sıcaklık değerlerinin suyun faz diyagramına yerleştirilmesiyle yapılmaktadır. Şekil 2 saf suyun basınç-sıcaklık diyagramını göstermektedir. Bu diyagramdaki kesiksiz kalın çizgi saf suyun kaynama eğrisidir. İçinde tuz ve çözünmüş gaz içeren jeotermal akışkanlar için basınç-sıcaklık diyagramları yeniden düzenlenmelidir. Şekil 2 yi referans alarak basınç-sıcaklık diyagramlarının kullanımını anlatabiliriz. Şekildeki A noktası ilk anda tümüyle buhar fazında olan bir rezervuarı temsil etmektedir. Bu tür rezervuarda basıncın sabit sıcaklıkla (faz değişimi yok) değişmesi nedeniyle kaynama noktası hiçbir zaman kesilmeyecektir. Bu tür sistemlerde rezervuardaki tüm akışkanın üretilmesi halinde bile rezervuar basıncı çok yüksek olacaktır ve daha fazla ısı kurtarımı için rezervuara su basılması önerilmektedir. B noktası ise görüldüğü gibi kaynama eğrisi üzerinde yer almaktadır. Bu durumda sistemde ilk anda su buharı ve sıcak su denge durumunda bulunmaktadır. Üretim sonucu basıncın düşmesiyle rezervuar sıcaklığı kaynama eğrisi üzerinde hareket edecektir. Keşif anında C noktasındaki basınç ve sıcaklık şartlarına sahip bir rezervuar sıcak su rezervuarıdır. Basıncın üretimle sabit sıcaklık şartlarında düşmesiyle sistem bir süre sonra kaynama eğrisi üzerindeki şartlara ulaşacak ve daha sonra eğriyi takip edecektir.

Şekil 2. Suyun Basınç-Sıcaklık Diyagramı.

Jeotermal rezervuar mühendisliğinde kullanılan bir diğer diyagram ise basınç-entalpi diyagramıdır. Şekil 3, saf suyun basınç-entalpi diyagramını vermektedir. Bu diyagramda saf suyun sıvı ve su buharı fazlarının tek başına oldukları bölgeler yanısıra her iki fazın birlikte oldukları iki-faz bölgesi de tanımlanmaktadır. Bu bölgeyi çevreleyen eğri iki faz eğrisi olmakta ve herhangi bir sıcaklık değerinde doymuş su ile doymuş buhar şartları ile sınırlanmaktadır. Diyagramdaki kesik kesik çizgiler akışkanın yoğunluğunu verirken, kesintisiz çizgiler eş-sıcaklık eğrileridir. Jeotermal akışkanın birçok özelliğini buhar tablolarından elde etmek mümkündür.

Şekil 3. Saf Suyun Basınç-Entalpi Diyagramı.

3. Kuyu içi sıcaklık ölçümleri

İlk olarak bu tür ölçümlerin sadece kuyu içi sıcaklığı yansıttığını ve ölçülen değerlerin kuyuyu çevreleyen kayacın sıcaklığını tümüyle yansıtma zorunluluğu olmadığını saptamamız gerekmektedir. Bilindiği gibi sıcaklık yerin derinliklerine gidildikçe genellikle artış göstermesine rağmen bu artışın çok değişik profiller göstermektedir (Şekil 4).

Sabit sıcaklık gradyanı: Bu tür sıcaklık profili en çok karşılaşılan profildir ve yerkürede ısının kayaçlar boyunca iletimi sonucu oluşmaktadır. (Şekil 4 te Vestman Islands ve Akranes ölçümleri).

Akiferler arası akış: Akiferler arası akışa genellikle kapalı kuyularda rastlanmaktadır ve akış genelde daha sığ bir akiferden daha derin bir akifere olmaktadır. Böylesi bir durumda kuyu içi akış uzun bir aralık boyunca sabit kalmaktadır (Şekil 4 te Kaldarsel, Laugalan LJ- 8 ve Reykjavik G-4 ölçümleri).

Negatif sıcaklık gradyanı: Bu tür bir gradyan kuyu içinde artan derinlikle sıcaklığın azalması anlamına gelmektedir. Negatif gradyana yüksek sıcaklıklı kuyularda olduğu gibi düşük sıcaklıklı kuyularda da rastlamak mümkündür (Şekil 4 te Krisuvik H-6 ölçümü). Bu tür gradyanın nedeni konusunda kesin bir mutabakat olmamasına rağmen en çok rağbet gören açıklama sıcak suyun formasyon içinde dikey olmayan akış yönüdür (Şekil 5).

Sondaj sonrası ısınma sürecindeki sıcaklık profili: Bilindiği gibi sondaj sırasında kuyu ve kuyuyu çevreleyen kayaçlar sondaj sıvısı kullanımı sonucu soğumaktadırlar. Sondajın bitimiyle kuyu içi sıcaklığın sondaj öncesi sıcaklığa ulaşması zaman almaktadır. Kuyu içi sıcaklığın artması dört yolla olabilir:

1. Kuyuyu çevreleyen formasyonlardan ısı iletimi ile,

2. Kuyu içinde bir seviyeden diğer seviyeye doğrudan akış ile,

3. Kuyu içindeki ısı taşınımı ile,

4. Kuyuya dik bir akış ile.

Şekil 4. İzlanda’daki Bazı Derin Kuyuların Sıcaklık Profilleri.

Sondaj sırasında geçirimsiz olan kayaçlar ısı iletimi ile soğurken geçirgen formasyonlar soğuk su ve sondaj sıvısı kabul etme kapasitelerine bağlı olarak ısı taşınımı ile soğumaktadırlar. Geçirgen formasyonlara olan akışkan transferi bu formasyonların genellikle daha soğuk zonlar olarak görünmesine yol açmaktadır. Sondaj sonrası kuyu akışa açılmazsa akiferlerin bulunduğu seviyeler kuyunun diğer seviyelerine göre daha geç ısınmaktadırlar. Öte yandan kuyu akışa açılırsa bunun tam tersi gözükmektedir (Şekil 6 ve Şekil 7). Kuyuya su basımı veya akışkan üretimi sırasındaki sıcaklık ölçümleri üretim seviyelerini ve bu seviyelerin o şartlar halinde akışkan üreten veya akışkan kayıp zonları olup olmadığı konusunda bilgi vermektedir. Şekil 8 de A ve B durumları üç adet geçirgen seviyesi bulunan bir kuyuya su basımı sırasında oluşabilecek sıcaklık profillerini verirken, C kuyudan akış olduğu şartlardaki sıcaklık profilini, D ise kapalı kuyu sıcaklık profilini göstermektedir.

Şekil 5. Yatay Akış İle Oluşan Negatif Sıcaklık Gradyeni.

Şekil 6. Sondaj Sonrası Kuyu Akış Halinde İken Alınan Sıcaklık Ölçümleri (İzlanda).

Şekil 7. Sondaj Sonrası Kuyu Kapalı İken Alınan Sıcaklık Ölçümleri (İzlanda).

4. Kuyu tamamlama testi

Kuyu tamamlama testi kuyunun potansiyel üretim zonlarını tanımlamak ve bu zonların etken geçirgenliklerini tahmin edebilmek için yapılmaktadır. Sıvı ağırlıklı rezervuarlarda bu test kuyuya soğuk su basılmasıyla yapılmaktadır.

Akışkan basımı sırasında iki temel ölçüm alınmaktadır.

1. Su kaybı: Kuyu boyunca basılan suyun kaybedildiği veya kuyuya yeni akışkan girişinin olduğu seviyeler sıcaklık ve akış profilleri kullanılarak elde edilmektedir.

2. Geçirgenlik: Basım hızında yapılan değişiklikle kuyu içinde alınan basınç-zaman verisinin analizi ile geçirgenliği elde etmek mümkündür. Bu konu için petrol mühendisliği literatürünün okunması tavsiye edilmektedir (Matthews ve Russell, 1967; Earlhougher, 1977; Lee, 1982).

Şekil 8. a, b ve c Seviyelerinde Akifere Sahip Bir Kuyuda Oluşabilecek Sıcaklık Profillerinin Şematik Gösterimi. (1 nolu Eğri Gerçek Kayaç Sıcaklığını Gösterirken 2 nolu Eğriler Kuyu İçi Sıcaklığı Göstermektedir).

Su kaybı testi: Başarılı bir su kaybı testinde elde edilen sıcaklık profili kuyu içindeki geçirgen seviyeleri tesbit etmek amacıyla kullanılmaktadır. Su kaybı testinde üç farklı sıcaklık profili elde etmek mümkündür (Şekil 9).

A profili: Basılan suyun kuyu boyunda ilerlemesi ile sıcaklıkta az da olsa artış görülmektedir. Bu artışın nedeni basılan suyun kuyu çevresindeki sıcak kayaçların etkisiyle ısı iletimi yoluyla ısınmasıdır. Bu ısınma eğiliminin altında ise sıcaklıkta ani bir artış gözlenmektedir. Bunun nedeni ise bu seviyenin altına basılan sıcak suyun geçmediğidir. Bu tür bir davranış bize en derindeki su kayıp zonunu göstermektedir.

B profili: Bu tür profil basılan suyun kısmen daha sığ bir zonda kaybolmasıyla mümkündür. Sığ seviyedeki bu kaybın ardından azalan akışkan miktarı nedeniyle su ısı iletimiyle daha fazla ısınmakta ve daha yüksek bir sıcaklık gradyanı elde edilmektedir.

C profili: Bu durumda ise sıcaklık profilinde sığ seviyelerde oluşan ani artışın nedeni kuyuya geçirgen bir zondan sıcak bir akışkanın katılmasıdır.

Şekil 9. Soğuk Su Basımı Sırasında (a) Sıcaklık (b) Akış Profilleri. Şekil 10 da Yeni Zelanda’nın

Kawerau sahasının KA17 kuyusunda değişik zamanlarda myapılmış dört adet su basım testinin sonuçları sunulmaktadır. Bu kuyu birden fazla akışkan giriş ve kayıp zonunun bulunduğu bir kuyu olmakla birlikte ilk üç test kuyunun 1000 m derinlikte olduğu zaman aralığında yapılmış, son test ise kuyunun 1400 m ye derinleştirildiği ve 650 m seviyesindeki zonun çimentolanarak kapatılmasından sonra yapılmıştır.

Şekil 10. Kawerau KA17 nolu Kuyudaki Su Kaybı Testi (Yeni Zelanda).

Bu kuyuda yapılmış olan su kaybı testlerini analiz etmeden önce Şekil 11 de verilmekte olan su kaybı testi sırasında görülebilecek basınç profillerini tartışmamız gerekmektedir. Bu şekilde A ve B seviyelerinde iki tane yüksek geçirgenlikli zon içeren bir rezervuar vardır. Sıvı ağırlıklı rezervuarlarda basınç gradyanı sıcak suya karşılık gelen hidrostatik basınç gradyanına yakındır. Kuyu içinde ise basınçlar kuyu içindeki suyun şartlarına bağlı olan bir hidrostatik basınç gradyanı ile değişmektedir.

Şekil 11. Su Basımı Sırasında Tipik Basınç Profilleri.

Soğuk su basımı sırasında kuyunun sığ seviyelerinde -A seviyesi- (soğuk suyun yüksek gradyanı nedeniyle) kuyu içi basınç rezervuar basıncından düşük olmakta ve bu seviye geçirgen zondan kuyuya akışkan girişine neden olmaktadır. B seviyesinde ise kuyu içi basınç rezervuar basıncından yüksek olmakta ve bu zon bir su kaybı zonu olarak davranmaktadır. Ancak kuyuya yapılan su basım debisinin artırılmasıyla gradyanda değişim olmamasına rağmen pompa basıncında olan artış nedeniyle A ve B seviyeleri arasında görülen iki basınç gradyan eğrisinin kesim noktası daha sığ seviyelere taşınabilmektedir. Yeterli debi ile su basıldığı takdirde kesim noktası A zonu seviyesinden daha sığ seviyelere taşınabilir ve A seviyesinde bulunan zon bir kayıp zonuna çevrilebilir. Kuyu içindeki akışkanın sıcak olduğu şartlarda ise A seviyesinde kuyu içi basınç rezervuar basıncından yüksek olur ise A seviyesi bir kayıp zonuna dönüşebilir. Bu bilgiler çerçevesinde Şekil 10 da verilen profilleri analiz edecek olursak:

T-2 ve T-13 karşılaştırması: Aynı basım debisi olmasına rağmen farklı zamanlarda yapılan bu ölçümlerdeki farklılık 1967 den 1973 e kadar sahadan yapılan üretimin rezervuar basıncında oluşturduğu lokal basınç düşümleri sonucudur. 1967 de 650 m de bir üretim zonu görülürken 1973 te aynı zon bir kayıp zonuna dönüşmüştür.

T-13 ve T-17 karşılaştırması: Yüksek debide (23 l/s) 650 m de görülen kayıp zonu debinin düşmesiyle aynı zonun kuyuya akışkan verdiği bir üretim zonuna dönüşmüştür.

T-17 ve T-18 karşılaştırması: Bu iki test kuyuda yapılan derinleştirme operasyonunun hemen öncesi ve sonrasında yapılmıştır. Görüldüğü gibi derinleştirme sonrası 1400 m de yeni bir geçirgen zona rastlanmıştır. Kuyuda oluşan yeni basınç düzenlemesi ile T-17 testi sırasında bir kayıp zonu olan seviye T-18 testi ile bir üretim zonuna dönüşmüştür.

Kaynakça :

Prof. Dr. Mahmut Parlaktuna

Orta Doğu Teknik Üniversitesi

Tags: ideal bir jeotermal rezervuarın şematik gösterimi, jeo basıçlı oluşumlar, jeotermal rezervuar mühendisliği, jeotermal sistem tipleri, kaç tane kuyu açılmalı, kızgın kuru kaya, kuyu içi sıcaklık ölçümleri, kuyuların üretim hızları ne olmalı, ne kadar ısı kurtarılabilecek, Rezervuarı geliştirmek için en uygun olan plan hangisi, sıcaklık gradyanı, zamanla sıcaklık değişimi ne olucak

Jeotermal Rezervuar Mühendisliği

Leave a Reply

Kategoriler

Son Yazılar

Etiketler

Kullanıcı İşlemleri

Pages