Hidrojeoloji.Net

ÖZET

Bütün sondajlarda olduÄŸu gibi jeotermal sondajlarda da ana prensipler petrol ve gaz sondajlarında uygulanan prensiplerle temelde aynıdır. Ancak jeotermal alanlar volkanik ve/veya tektonik sahalarda bulunduÄŸundan jeotermal formasyonlar gerek yüksek alterasyon ve kırılmalar gerekse volkanik yığılmalar gibi sebeplerle petrol ve gaz sahalarından oldukça farklıdırlar. Yersel ısı gradyanı genelde oldukça yüksektir. Bu formasyonlar yüksek sıcaklığa ve içerdikleri yoÄŸuÅŸmayan gaz miktarına baÄŸlı olarak bazen pozitif, fakat genellikle de negatif hidrostatik basınç gradyanına ve yüksek korozyon ortamına sahiptirler. Ayrıca üretim kriterleri de petrol üretiminden tamamen farklıdır. Bu sebeplerle jeotermal sondajlarda uygulanan bazı farklı pratik sondaj uygulamaları, muhafaza borusu dizaynı, çimentolama ve kuyubaşı sistemleri geliÅŸtirilmiÅŸtir. Bu çalışmada kısaca bu ana farklılıklardan bahsedilmeye çalışılmaktadır.

 

1. GiriÅŸ

BilindiÄŸi gibi bugün yaygın olarak kullanılan döner masalı sondaj teknikleri 140 yıl gibi bir süre içinde, petrol sahaları esas alınarak geliÅŸtirilmiÅŸtir. Jeotermal sondajların ise 40 yıl civarında bir tarihi vardır ve bütün prensipleri petrol için geliÅŸtirilen sondaj tekniÄŸinin bir devamı ÅŸeklindedir. Bu sebeple jeotermal kuyu sondajlarının da temelleri ve prensipleri petrol ve gaz sondajları ile aynıdır, ancak aÅŸağıda da belirtildiÄŸi gibi herÅŸey aynı deÄŸildir ve bu geçen zaman içersinde edinilen tecrübelerle jeotermal sondajlar için bazı farklı uygulamalar geliÅŸtirilmiÅŸtir. Petrol ve gaz sahaları hemen hemen tümüyle sedimanter alanlarda bulunurlar ve sondaj esnasında delinen formasyonlar sıkışmış (compact) olup genelde pozitif hidrostatik basınç gradyanına sahiptirler. Bu sayede sirkülasyon sıvısı ve çimento kayıpları problemleri minimum seviyededir. Aynı zamanda yersel ısı gradyanı normal seviyededir, ayrıca gaz ve diÄŸer kimyasal maddelerin korozif etkilerinin jeotermalde olduÄŸu gibi ısı ile artması problemi yoktur. Jeotermal sahalar ise volkanik ve/veya tektonik alanlarda bulunurlar. Delinmesi gereken formasyonlar yüksek sıcaklık nedeniyle her derinlikte ve her dereceden alterasyona uÄŸramışlardır. Tektonik hareketler nedeniyle her dereceden ve oldukça düzensiz kırılmalara ve çatlak sistemlerine sahiptirler. Volkanik sahaların yüzey kesimlerinde genellikle araları yumuÅŸak madde dolgulu sert volkanik kaya bloklarından oluÅŸan gevÅŸek yüzey tabakaları mevcuttur. Netice olarak jeotermal formasyonlar çok deÄŸiÅŸik sertliklere sahip, aşırı çatlaklı, kırılgan, yerine göre hareketli, kolay çöken, sondaj sıvısı ile temasta kolay deforme olabilen litolojiler olup sondajı daha zor, daha özel planlama ve daha fazla dikkat isterler. Öyle ki aynı jeotermal saha içerisinde bulunan yanyana kuyularda bile oldukça farklı litolojiler gözlemek mümkündür. Kosta Rika’da Miravalles Jeotermal Sahası’nda güçleri 12-16 MWe olan 5 kuyunun tam ortasında bulunan ve bu kuyulara 280-320 m mesafede bulunan PGM-47 kuyusu deÄŸiÅŸik litolojiye ve, daha derine delindiÄŸi halde, sıfır üretim kapasitesine sahip

bulunmuÅŸtur. Türkiye’deki jeotermal sahalar genelde tektonik alanlarda yayılmış olup fazla çatlaklı (yüksek ikincil geçirgenlikli) ancak içerdikleri yüksek miktardaki yoÄŸunlaÅŸmayan gazlar nedeniyle pozitif hidrostatik gradyana sahiptirler. Bu durum hem sondaj esnasında delinen üst

seviyelerde hem de üretim seviyelerinde kendiliÄŸinden geliÅŸe yani artezyene (blow-out) meyillidir ve ağır çamur kullanılarak kontrol edilirler. Halbuki dünyanın diÄŸer bölgelerindeki jeotermal sahalar genellikle volkanik alanlardadır ve negatif basınç gradyanına sahip olup hem daha çok sirkülasyon kaybı ve çimentolama problemleri vardır hem de üretim ancak ikincil yöntemlerle baÅŸlatılabilmektedir.

 

2. Sondaj Uygulamaları

Günümüzde açılan yeraltı suyu gözlem kuyularının çoÄŸunun amacı, düzenli depolama veya katı atık depolama faaliyetleri, yeraltı depolama tankları, madenler ve yeraltı suyu kirliliÄŸi bilinen veya kuÅŸku duyulan bölgeler gibi yerlerdeki yeraltı suyu kalitesini tanımlamaktadır.(C.W. Fetter- Uygulamalı Hidrojeoloji)

Yüzey Seviyeleri:

Yukarıda sözü edilen sebeplerden dolayı jeotermal sondajlarda çok hızlı delmekten ziyade emniyetli delmek birincil önemdedir. Sondajın genellikle 50-100 m derinliÄŸe kadar olan geniÅŸ çaplı yüzey kısımları sert bloklar ve gevÅŸek, altere dolgular nedeniyle, petroldekinin aksine, düÅŸük debili fakat yüksek viskositeli sirkülasyon sıvılarıyla delinmelidir. Genellikle 24”-26” çaplı bu seviyelerde 1000 l/s nin altında debide ve 55-60 s/qt viskositeli bentonit çamurunun en iyi neticeyi verdiÄŸi tespit edilmiÅŸtir. Bilhassa sığ seviyelerde, matkaba yeterli ağırlık verilemediÄŸinden ve sert bloklardan dolayı delme hızı yavaÅŸtır. Yüksek debi kullanılırsa yumuÅŸak kısımların aşınması sebebiyle kuyu çapının bazan 2 metreyi geçtiÄŸi hatta sondaj kulesi için bile tehlike yarattığı durumlar gözlenmiÅŸtir. Bu seviyelerde gözlenen diÄŸer bir sorun da çok parçalanmış ve serbest olan kaya parçalarının sondajın titreÅŸimi nedeniyle kayması ve ya defalarca tekrarlanan delme iÅŸlemlerine ya da takım sıkışmalarına sebep olmasıdır. Ayrıca bu seviyelerde sirkülasyon kaçağı da sık rastlanan olaylardandır. EÄŸer karşılaşılan tek sorun az miktarda kaçak ise, sorun çamura sirkülasyon kaçağı önleyici maddeler (LCM) eklenerek kontrol edilebilir. Ancak bahsedilen bütün bu sorunların en iyi çözümü çimento tapası uygulayarak hem kaçakların önlenmesi hem de hareketli blokların sabitleÅŸtirilmesidir. Bir dezavantaj ise, soÄŸuk olan bu sığ seviyelerde çimentonun yavaÅŸ donması nedeniyle zaman kaybı fazla olabilir ancak hızlandırıcı maddeler kullanılarak çimento bekleme süresini 3-4 saata indirmek mümkündür.

 

B. Orta Seviyeler:

Daha derinlerde ve rezervuara kadar olan orta kısımlarda üç ana probleme dikkat edilmelidir. Bunlardan ilki, çatlaklar ve negatif basınç gradyanı dolayısıyla oluÅŸan sirkülasyon kaçaklarıdır. Sirkülasyon kaçağı olmayan jeotermal sondaj hemen hemen yoktur. Bunun için desander, desilter ve benzeri çamur temizleyiciler iyi kullanılmalı ve çamur ağırlığı mümkün olan minimumda tutulmalıdır (1.04-1.06 gr/cc). Buna raÄŸmen gözlenen kaçaklar bazen sirkülasyon kaybı önleyici maddeler kullanılarak önlenebilir ancak bu durumda bu seviyeler daha sonra muhafaza borusu çimentolaması sırasında daha büyük sorunlar yaratabilirler. Bu yüzden bütün kaçak seviyelerinin çimento tapaları ile tamir edilmesi artık bir kural haline gelmiÅŸtir. Böylece hem sondaj için hem muhafaza borusu çimentolaması için daha saÄŸlam bir kuyu duvarı oluÅŸturulmakta hem de çatlaklar kapatılarak daha sonra muhafaza borusu etrafında korozif sıvıların dolaşım imkanı azaltılmaktadır. Ancak çimento tapası uygulamanın da özellikleri vardır. Bazen çatlak çok büyüktür ve tapanın birkaç kez tekrarlanması, hatta çimentoya kaçak önleyici maddeler eklenmesi gerekir. Bazen de çatlaklar çok incedir ve çamur kaçtığı halde daha viskoz olan çimento çatlaÄŸa girmeyip sondajla tekrar delinmekte ve görevini yapamamaktadır. Böyle durumlarda çimentoya uygun miktarda inceltici eklenmesi gerekir. Bu sebeplerle Kosta Rika Miravalles sahasında PGM-17 kuyusunda 1300 m derinliÄŸe kadar 34 defa çimento tapası yapılması gerekmiÅŸtir. Ä°kinci konu ise killi seviyelerin çokluÄŸudur. Sıcaklık ve alterasyon derecesine baÄŸlı olarak çeÅŸitli derecelerde kil oranı içeren seviyeler vardır. Bunlar içersinde Na oranı yüksek Montmorillonite killeri sondaj sıvısının içerdiÄŸi su ile temasa geçerse ÅŸiÅŸmekte, akmakta ve devamlı sorunlar yaratmaktadırlar. Litolojik olarak bu seviyeler iyi kontrol edilmeli ve çamura filtrasyon düÅŸürücü maddeler eklenerek suyun bu killerle teması azaltılmalıdır. EÄŸer

buna raÄŸmen serbest su teması saÄŸlanmış ve killi seviyeler deformasyona baÅŸlamış ise çökmeler, kuyu deliÄŸinin tamamen kapanması, takım sıkışmaları ve hatta kuyunun tamamen elden çıkarılması gibi sorunlar doÄŸabilir. Bu durumda vakit geçirilmeden çamura yeterli miktarda kireç gibi Ca içeren maddeler eklenerek kuyu duvarına yakın Na killerinin Ca killerine dönüÅŸümü saÄŸlanmalıdır. Vaktinde yapılan bu iÅŸlem bir çok kil problemini çözmektedir. Üçüncü konu ise kuyu eÄŸimindeki deÄŸiÅŸmelerdir. Kuyu eÄŸimi genelde her 100 m de bir Tatco benzeri aletlerle ölçülmeli ve 100 m de 1 dereceden fazla sapmaya izin verilmemelidir. EÄŸer sapma eÄŸilimi fazla ise pendulum dizisi gibi yöntemlerle düzeltilmeli ancak bu düzeltmeler de çok sert olmamalı, yine 100 m de 1 dereceden fazla olmamalıdır. Aksi halde “dog-leg” denen keskin dönüÅŸler daha sonra bilhassa yumuÅŸak formasyonlarda “key seat” denen tij kesmelerine sebep olurlar. Bunlar ise genellikle zor takım sıkışmalarının ana sebepleridir. Bu seviyelerde, çok sert olan bazı formasyonlar dışında, AIDC kodu 5.1.7 veya 5.3.7 gibi orta sert matkaplar kullanmak delme hızını oldukça artırmaktadır. Matkaba verilen ağırlık formasyona göre çok farklı olup genellikle 6-20 ton arasında deÄŸiÅŸir. Sirkülasyon debisi ise delme hızına ve viskoziteye baÄŸlı olarak 2000-2500 l/s dir. Sondaj sıvısı genelde 35-45 s/qt viskoziteli bentonit çamurudur ancak yüksek ısıya dayanma saÄŸlayan, filtrasyon düÅŸürücü ve inceltici gibi kimyasal maddeler yaygın olarak kullanılır.

 

Rezervuar Seviyeleri:

Rezervuar seviyelerinde de hemen hemen bütün sondaj kriterleri ve parametreleri yukarda bahsedilen esaslar dahilindedir. Ancak sondajın esas gayesi, yani kuyunun üretim kapasitesi ile bu seviyenin delinme ÅŸekli arasında hassas bir iliÅŸki bulunmaktadır. Jeotermal rezervuarlarda üretim ikincil geçirgenlik sayesinde yani çatlak sistemlerinden yapılmaktadır. Bu seviyelerin, çatlaklar ve negatif basınç nedeniyle daima sirkülasyon kaçağı altında delinmeleri gerekir ve kaçak ne kadar büyükse kuyu kapasitesi de o kadar büyüktür. EÄŸer sondaj esnasında delinen formasyon kırıntıları yeterince temizlenemez ve çatlaklara girerse çatlakları kapatır ve o oranda da üretim kapasitesini azaltırlar. Halbuki kaçak halinde bu kırıntıların yüzeye getirilmesi yani temizlenmesi mümkün deÄŸildir. Aynı zamanda eÄŸer bentonit çamuru kullanılırsa yüksek sıcaklık ihtiva eden çatlaklara giren bu bentonit piÅŸmekte ve çatlakları daha da kapatmaktadır. Jeotermal sondajların baÅŸlangıç devrelerinde bu sorun çok olmuÅŸtur. Sonraları, piÅŸen bentonitin etkisini ortadan kaldırmak ve ısınan suyun hidrostatik basıncının azalmasından faydalanarak sirkülasyon dönüÅŸünü saÄŸlamak ve kırıntıları temizlemek gayesiyle bu rezervuar seviyeleri yalnızca temiz su ile delinmeye baÄŸlanmış ve bir hayli iyileÅŸtirme saÄŸlanmıştır. Ancak teknolojinin geliÅŸmesi ve havalı sondaj uygulamalarının yaygınlaÅŸması ile artık bu seviyeler hava+su ve/veya hava+çamur karışımlarının deÄŸiÅŸik oranlarda kullanılması ile delinmeye baÅŸlanmıştır. Bu sayede karışım akışkanın yoÄŸunluÄŸu, dolayısı ile hidrostatik basınç azaltılmakta ve yüzeye devamlı sirkülasyon dönüÅŸü saÄŸlanmaktadır. Hatta bu havalı karışımlara deterjan tipi maddeler eklenip köpük yaratılarak yoÄŸunluÄŸun daha da azaltılması saÄŸlanabilmektedir. Sadece hava kullanılarak “mist” sıvısı ile delmek te mümkündür ancak bu durumda yüksek ısı nedeniyle genellikle kuyu üretime geçmekte ve kontrolu zorlaÅŸmaktadır. Su veya çamurun hem ağırlık kontrolu hem de soÄŸutma etkisi bu açıdan önemlidir. Bu sirkülasyon dönüÅŸü sayesinde hem kırıntıların ve piÅŸen killerin rezervuar çatlaklarına girip kapatma etkileri önlenmekte hem de rezervuara giren diÄŸer sıvıların soÄŸutucu etkileri azaltılmaktadır. Kosta Rika Miravalles Jeotermal sahasında rezervuar seviyeleri havalı su ile delinen kuyuların daha önce aynı sahada çamur ve su ile delinen aynı üretim çapına sahip kuyulardan %35-40 daha fazla üretim kapasitesine sahip oldukları tespit edilmiÅŸtir. Netice olarak, rezervuar çatlaklarına formasyon kırıntılarının, piÅŸip katılaÅŸan kil ve diÄŸer katı maddelerin giriÅŸlerini önlemek için bu seviyelerin hava karışımları ile delinmesi artık kaçınılmaz bir prensip olarak kabul edilmektedir.

 

3. Muhafaza Borusu Tasarımı

Petrol ve gaz sondajlarında muhafaza borusu tasarımı yapılırken esas alınan faktörler muhafaza borularının çökme mukavemeti (collapse), patlama mukavemeti (burst), çekme mukavemeti (tension) ve sıkışma mukavemeti (compression) dir. Bu mukavemetlere gereksinim duyuran tabii kuvvetler derinlikle deÄŸiÅŸmekte ve ihtiyaç duyulan malzeme de API Standardlarına göre üretilen muhafaza borusu tipleri arasından seçilmektedir. Petrol sondajlarındaki mukavemet seçiminde kullanılan bütün bu esaslar jeotermal sondaj kuyuları için de geçerlidir ancak jeotermal kuyuların muhafaza borusu dizaynları yapılırken dikkate alınması gereken önemli ek faktörler vardır. Bunların baÅŸlıcaları üretim çapı ile sıcaklık ve korozyonun etkileridir.

Üretim Çapı: Petrol kuyularında üretim tubingler içersinden yapılır ve muhafaza borusu çapı ile üretim kapasitesi arasında doÄŸrudan bir ilgi yoktur. Dolayısıyla üretim muhafaza boruları seçilirken standart tubinglerin inebileceÄŸi iç çaplara bakılır. Halbuki jeotermal kuyularda üretim doÄŸrudan muhafaza borusu içinden yapıldığından bu borunun iç çapı ile üretim arasında sıkı baÄŸlantı vardır. Borudan üretilebilecek akışkan miktarı borunun iç kesit alanı ile doÄŸru orantılı olduÄŸundan yüksek üretim kapasiteli sahalarda küçük boru çapı kullanmak saha kapasitesinin iyi kullanılmaması demektir. Belli bir rezervuar basıncında rezervuar sıcaklığına, akışkanın tek veya çift fazlı oluÅŸuna ve içerdiÄŸi gaz miktarına da baÄŸlı olarak boru çapı küçüldükçe boru içi akış hızı yükselmekte ve sürtünme basınç kayıpları da artmaktadır. Bu ise jeotermal kuyularda zaten düÅŸük olan kuyubaşı basınçlarını daha da düÅŸürmektedir. GeniÅŸ çaplı üretim borusunun bir diÄŸer avantajı da jeotermal sahalarda yaygın olan iç kabuklaÅŸmaya daha toleranslı oluÅŸudur. Netice olarak geniÅŸ çaplı üretim boruları tercih edilir ancak ekonomik açıdan bakıldığında sahanın kapasitesi bilinmeden böyle bir tercih yapılması uygun deÄŸildir. Yeni bir sahada yaygın olan muhafaza borusu dizaynı 20” yüzey borusu, 13 3/8” ara boru, 9 5/8” üretim borusu ve 7” liner’dir. EÄŸer sahanın üretim kapasitesinin daha yüksek olduÄŸu tespit edilirse 30” yüzey borusu, 20” ara boru, 13 3/8” üretim borusu ve 10 3/4” liner kullanmak yaygın bir uygulamadır. Mesela Kosta Rika Miravalles sahasında 1985 öncesi açılan 7 kuyu ile 1992 sonrası sahanın uç kesimlerinde açılan 3 kuyu 9 5/8” üretim borusu ile diÄŸer 27 kuyu ise 13 3/8” üretim borusu ile tamamlanmışlardır. Birbirine yakın olan 9 5/8” borulu PGM-3 kuyusu 7 MWe, 13 3/8” borulu PGM-17 kuyusu 16 MWe ve yine 13 3/8” borulu PGM-21 kuyusu da 13 MWe üretim gücüne sahiptirler. GörüldüÄŸü gibi bu çap farkının üretime etkisi % 100 civarında olmuÅŸtur.

Sıcaklık: Jeotermal kuyuları petrol ve gaz kuyularından ayıran ana unsurlardan biri de yüksek sıcaklıktır. Muhafaza borusu tiplerinin API Standardlarına göre verilen çökme, patlama, çekme ve sıkışma mukavemeti deÄŸerleri normal sıcaklıklardaki deÄŸerlerdir. Jeotermal kuyulardaki yüksek sıcaklık bütün bu mukavemetleri olumsuz yönde etkiler. Sıcaklığın muhafaza borusu çelikleri üzerine etkilerini incelemek baÅŸlı başına detaylı bir konudur. Ekte sunulan Åžekil 1-5 sıcaklık etkilerine örnekler vermektedir. Åžekil 1 K-55 ve L-80 tipi muhafaza borularının çekme mukavemetlerinin sıcaklıkla düÅŸüÅŸünü ve düÅŸüÅŸ yüzdesini göstermektedir. Åžekilde görüldüÄŸü gibi sıcaklığın etkisi 150 °C sıcaklığa kadar normal olmakta, 250-300 °C sıcaklık aralığında sabit kalmakta, sonrasına hızla artmaktadır. Yaygın jeotermal sahalarda sıcaklıklar 250-300 °C olduÄŸundan standard API tipi muhafaza boruları bu amaçla rahatça kullanılabilmektedır. Åžekiller 2-5 ise K-55 ve L-80 tipi muhafaza borularının sıcaklık ve kendi ağırlıklarının çekme gücünün birleÅŸik etkisi altında çökme mukavemetindeki azalmaları göstermektedir. Burada ise sıcaklığın çökme mukavemetini belli bir oranda ve devamlı azalttığı görülmektedir ancak yine 200-300 °C civarında sıcaklığın etkisi çok azdır. API muhafaza borusu çeliklerinin ısıl gerilmesi her 1 °F sıcaklık farkı için 207 psi veya her 1 °C sıcaklık farkı için 372 psi olarak kullanılabilir. Jeotermal sondajların baÅŸlangıç yıllarında petrolde yaygın olarak kullanılan K-55 ve J-55 gibi düÅŸük dereceli karbon çelikleri olan boru tipleri kullanılmış ancak yüksek sıcaklıklı sahalarda zamanla bu borularda kopmalar gözlenmiÅŸtir. Yapılan araÅŸtırmalar bu tür yüksek sıcaklıklı sahalarda ısıl gerilmeleri karşılayabilecek en uygun boru tipinin 80 000 psi çekme mukavemeti olan N-80 olduÄŸunu ortaya çıkarmıştır. Ancak N-80 tipi de daha sert olduÄŸundan H2S korozyonuna daha hassastır. Bunun gibi baÅŸlarda kullanılan ve boru gövdesinden daha düÅŸük mukavemeti olan klasik yuvarlak diÅŸli API manÅŸonları da artık jeotermalde devre dışı kalmış ve onun yerine boru

gövdesinden daha mukavemetli olan Buttress diÅŸli manÅŸonlar ve manÅŸonlu veya manÅŸonsuz Hydrill tipi diÅŸli baÄŸlantılar yaygın olarak kullanılır olmuÅŸtur.

Korozyon: Jeotermal kuyularda üretim doÄŸrudan muhafaza borusundan yapıldığından muhafaza boruları korozyonun doÄŸrudan tehdidi altındadır. Üstelik jeotermal akışkanlar bol miktarda H2S ve CO2 gibi asidik ve korozif gazlar ile korozif tuzlar içermektedir. Sadece üretim akışkanı deÄŸil rezervuardan daha üst seviyelerde bulunan akiferlerdeki korozif akışkanlar çok iyi çimentolanmamış muhafaza borularını dıştan da tehdit etmektedir. Bu durum jeotermal kuyularda bilhassa üretim için kullanılan muhafaza borularını içten ve dıştan tehdit etmekte ve bu boruların korozyon direncine göre seçimini çok önemli kılmaktadır. DüÅŸük sıcaklıklarda tuzların, yüksek sıcaklıklarda da H2S ün korozyon etkisi fazla deÄŸildir. Tuzların korozyon etkisi 65-70 °C nin üzerinde artmaktadır. H2S ise bilhassa üst seviyelerinde 65-85 °C sıcaklıkta yoÄŸuÅŸmuÅŸ ve soÄŸumuÅŸ buhar bulunan muhafaza borularının korozyonunu artırmaktadır. H2S ün soÄŸuk yüzey boruları ve ekipmanları üzerinde de korozyon etkisi yüksektir. H2S ün korozyon etkisi düÅŸük dereceli karbon çeliklerinde daha az olup çelik kalitesi arttıkça yani K-55 ten P-110 a doÄŸru artmaktadır. Çalışmalar H2S korozyonunu en aza indirmek için çeliÄŸin “Rockwell” sertlik derecesinin 22 nin altında olması gerektiÄŸini göstermiÅŸtir. N-80 tipi muhafaza boruları jeotermal kuyuların yüksek sıcaklık altındaki mekanik mukavemet gereksinmelerini karşılayabildiÄŸi halde H2S korozyonuna çok hassastır. St. Lucia, Karayipler’de SL-2 kuyusuna asılan 7”, N-80 liner’ın 3 yıl sonra yerinde olmadığı, korozyon yüzünden parçalanarak dipte toplandığı gözlenmiÅŸtir. Bu yüzden N-80 ile aynı mekanik özelliklere sahip ancak daha yumuÅŸak ve H2S korozyonuna dayanıklı olan L-80 tipi muhafaza boruları üretilmiÅŸtir. Bu gün, ekonomik faktörler de hesaba katılınca, düÅŸük sıcaklıklı sığ kuyularda ve derin kuyuların yüzey muhafaza borularında K-55 tipi, yüksek sıcaklıklı kuyuların ara ve üretim muhafaza borularında ise L-80 çelik tipi yaygın olarak kullanılmaktadır.

4. Çimentolama

Petrol kuyularında muhafaza borularının bazı kısımları çimentolanmadan bırakılabilir çünkü bunlar sadece kuyu cidarını korumakla görevli olup sıcaklık deÄŸiÅŸmelerine maruz kalmazlar ve üretim tubingler içinden yapılır. Aynı zamanda korozif faktörler daha azdır. Jeotermal kuyularda ise muhafaza borularını hem yüzeye kadar tamamen çimentolamak hem de çok kaliteli, dayanıklı ve uniform bir çimento yapmak çok önemlidir. Bu, hem boru dışında saÄŸlam bir destek saÄŸlamak ve borunun ısıl gerilimlere direncini artırmak hem de dış akışkanların boru ile temasını keserek korozyon etkisini azaltmak için gereklidir. Üretim borularının dışında, bilhassa iki boru arasında çimentosuz bir cep kaldığını ve bunun su ile dolu olduÄŸunu farzedelim. Kuyu üretime geçtiÄŸi zaman bu su ısınmakta ve hacim sabit olduÄŸundan her 1 °C sıcaklık artışı için basınç 50 psi artmaktadır. Jeotermal rezervuarlarda yaygın sıcaklık 200 °C üzerindedir. Böyle bir kuyu üretime geçince boru dışındaki su cebi de 200 °C ısınırsa burada 50 x 200 = 10,000 psi basınç artışı meydana gelir. Bu ise mevcut bütün K-55, N-80 ve L-80 muhafaza borularının çökme mukavemetlerinin çok üstündedir ve bu boru çöker. Bir de bu borunun dışında 50 m lik çimentosuz kalmış bir sütun farzedelim. Ä°çersinde su olmasa bile 200 °C lık ısınma ile bu boru parçasının 12.4 cm uzaması gerekir. Ä°ki ucu da sabit olduÄŸundan bu uzama mümkün olamamaktadır ve bu yüzden 200 x 372 = 74,400 psi bir sıkışma gerilimi gücü meydana gelmektedir. EÄŸer boru tipi K-55 ise mukavemeti 55,000 psi olduÄŸundan burkulur ve kopar. EÄŸer boru tipi N-80 veya L-80 ise mukavemeti 80,000 psi olup hemen kopmaz. Ancak kuyunun üretime tekrarlanan açılması ve kapanması ile borunun gerilimi de tekrarlanır ve bu olay korozyonun etkisini de artırarak zamanla borunun yine deforme olmasına sebep olur. Bütün bunlar jeotermal kuyu çimentolamasının ne kadar önemli olduÄŸunu göstermesi bakımından önemlidir. Halbuki yukarda da belirtildiÄŸi gibi jeotermal formasyonlar çok çatlaklı veya zayıftırlar ve sondaj sıvısı kaçağı olmasa bile ağırlıktan dolayı çimento kaçağı genellikle kaçınılmazdır. Böyle olunca ilk çimentolama iÅŸleminde çimento seviyesi yüzeye ulaÅŸmamakta ve muhafaza borusunun üst seviyeleri çimentosuz kalmaktadır. Yukarıda açıklanan problemler sebebiyle bu durumun önlenmesi yani çimentonun yüzeye kadar tamamlanması gerekir. Bunun için petrolde uygulanan basamaklı çimentolama (stage cementing) veya muhafaza borusunu delerek içerden çimento basma tekniÄŸi jeotermalde tavsiye edilmemektedir. Çünkü jeotermalde kuyunun üretimine baÄŸlı olarak muhafaza borularının uzama ve kısalma hareketleri sırasında çimento basılan deliklerin açıldığı ve kuyuya buralardan soÄŸuk su giriÅŸi olduÄŸu gözlenmiÅŸtir. Bu ise hem kuyu verimini azaltmakta hem de korozyonu artırmaktadır. Bu probleme çok güzel bir örnek 1985 yılında açılan Kosta Rika Miravalles sahası PGM-12 kuyusudur. Çimentolama problemi yüzünden 13 3/8” üretim borusu 210 m den perforatörle delinerek 8 delik açılmış ve buradan çimento basılmıştır. Kuyunun ölçülen ilk kapasitesi 12 MWe dir. Birkaç üretim testinden sonra kuyu kapatılmış ve bu deliklerin açılarak kuyuya soÄŸuk su girdiÄŸi gözlenmiÅŸtir. BeÅŸ yıllık bekleme sonunda su hem boru içinde hem de rezervuarda kabuk ve çökelme yaratmış ve kuyunun kapasitesini 3 MWe ye düÅŸürmüÅŸtür. Kuyu sondajla temizlenmiÅŸ ve 400 m ye 10 3/4” boru indirilip çimentolanarak tamir edilmiÅŸ ama üretim kapasitesi artmamıştır. Rezervuarda yapılan bir asitleme ile kapasite ancak 6 MWe ye çıkmıştır. Kuyunun temizliÄŸi, borusu, çimentolaması ve asitleme iÅŸi büyük bir ek maliyet oluÅŸturmuÅŸ buna raÄŸmen ilk kapasitenin ancak yarısına ulaşılabilmiÅŸtir.  Muhafaza borusu çimentolamasında çimento kaçağı sorunlarını azaltmak için kullanılan yollardan biri çimento karışımına perlit, sferilit gibi hafifleticiler ekleyerek çimento sütununun hidrostatik basıncını azaltmaktır. Ancak jeotermal kuyularda bu da hem kaçak önlemeyi garantilememekte hem de çok önemli olan donmuÅŸ çimentonun mukavemetini azaltmakta ve geçirgenliÄŸini artırarak gaz hareketlerine sebep olmaktadır. Bu sebeple hafifleticiler birçok durumda tercih edilmemektedir. Bütün bunların neticesinde jeotermal kuyularda yaygın olarak tatbik edilen iki tip uygulama geliÅŸtirilmiÅŸtir:

1. GeniÅŸ anülüslerde: En yaygın kullanılan 20” OD 94 lb/ft muhafaza boruları iç çapı ile 13 3/8” muhafaza borularının manÅŸon dış çapı arasındaki anülüs açıklığı 4 5/8” civarında olup bunun tek yanı 2 5/16” tir. Böyle geniÅŸ anülüslerde çimento kaçak dolayısıyla yüzeye gelmezse en iyi çimento tamamlama yolu sondaj dilinde spagetti tüpü (spagetti tube) veya makarna tüpü (macaroni tube) denen ince borularla anülüse inip çimentoyu bu borular içinden basarak yüzeye kadar doldurmaktır. Burada çok önemli olan bu boruların çimentonun üst seviyesine tam indirilmesi ve arada boÅŸluk kalmamasıdır. Kaçak durumuna göre bu iÅŸlem deÄŸiÅŸik derinliklerde olmak üzere birkaç sefer tekrarlanabilir. En iyi yol anülüsün iki yanından iki boru ile inip çimentoyu iki borudan birden basmaktır. Ancak bunun mümkün olmadığı ve sadece bir boru kullanıldığı da olmaktadır. Bunun için en yaygın olarak kullanılan boru 1.315” (33.4 mm) dış çapı ve 1.05” (26.6 mm) iç çapı olan 1.72 lb/ft ağırlıklı, integral baÄŸlantılı, K-55 çelik tipli API tubingidir. Bu borunun çekme gücü 21,500 lb olup kendi ağırlığını 3,800 m ye kadar çekebilir. EÄŸer H-40 çelik tipi kullanılırsa bu da 2,775 m ağırlığını çekebilir. Üstelik bu borular çok esnek olup böyle geniÅŸ anülüslere fazla zorluk vermeden indirilebilir. Kosta Rika Miravalles sahasında anülüs çimentolaması gayesiyle bu borular 556 m ye kadar çiftli indirilmiÅŸlerdir. Bu yöntemle Etiyopya Langano sahasında 8, St. Lucia, Karayiplerde 2 ve Kosta Rika Miravalles sahasında da 27 kuyuda çimentolama yapılmış ve hiçbirinde sonradan muhafaza borusu problemi olmamıştır.

2. Dar anülüslerde: En yaygın kullanılan 13 3/8” OD, 68 lb/ft muhafaza boruları iç çapı ile 9 5/8” muhafaza borularının manÅŸon dış çapı arasındaki anülüs açıklığı 1.78” civarında olup bunun tek yanı 0.89” tir. Böyle bir anülüse emniyetle indirilebilecek incelikte boru yoktur. Böyle bir 9 5/8” muhafaza borusu çimentolamasında kaçak olurda çimento yüzeye gelmezse en emin yol “Ters sirkülasyon” metodu uygulamaktır. Bu da çimentonun anülüse yüzeyden direk basılmasıdır. Kaçak olan bir anülüste çimentonun üst ucu basınç dengesi dolayısıyae daima kaçak seviyesinin üstündedir. Bu ilk çimento donmaya bırakılırsa çatlak seviyesi kapandığından yüzeyden basılan çimentonun üstte bulunan suyu tamamen ötelemesi ve tüm anülüsü kaplaması mümkün olmaz. Bunun için böyle anülüslerde çimento kaçağı tespit edilir edilmez çimento basma iÅŸlemi durdurulur ve çatlakların açık ve temiz kalması için yüzeyden anülüse su basılır. Temizlikten emin olmak için ilk basılan suyun hacmi anülüs hacminin 1.5- 2.0 katı olmalıdır. Sonra da çatlakların açık kalması için çimento donma süresi olan 6-8 saat süreyle her yarım saatta bir belli bir hacim su basılmaya devam edilir. Bu sürenin sonunda ikincil çimento yüzeyden anülüse basılmaya baÅŸlanır. Çimento basılırken preventer kapalı olarak anülüsteki havanın hareketi kuyu başında anülüse baÄŸlı küçük bir delikten gözlenir. Normal olarak baÅŸlarda çimento ile birlikte anülüse hava emiÅŸi olur ancak çimento anülüste yükselmeye baÅŸlayınca havanın da anülüsten dışarı geldiÄŸi görülür. Hava geliÅŸi olduÄŸu sürece çimento basılmaya devam edilir ve anülüs yüzeye kadar doldurulur. En iyi durum bu iÅŸlemin bir seferde tamamlanmasıdır. Ancak çatlak seviyesinin çok derin olduÄŸu veya formasyonun zayıf olduÄŸu durumlarda çimento tekrar tekrar kaçabilir. Bunun göstergesi geliÅŸ yapan havanın tekrar emiÅŸ durumuna geçmesidir. Böyle tekrarlanan kaçak durumlarında Duraklama Çimentolama (Hesitation Cementing) denen uygulama yapılır. Her seferinde kaçak gözlendiÄŸi anda çimento basma durdurulur, çimentonun donması beklenir ve anülüs doluncaya kadar tekrar çimento basılır. Burada çok önemli bir konu ilk çimentolamadan sonra anülüsün kapatılması ve çimentolama aralıklarında su giriÅŸinin kesinlikle önlenmesidir. Etiyopya’da bu ÅŸekilde 9 adede varan sayılarda anülüse ikincil çimentolama uygulanmıştır. Bu uygulamada kullanılan çimento miktarı genellikle normalden hayli fazladır ama oldukça iyi netice alınmaktadır. Kaçak yapan Etiyopya’da 8, St. Lucia’da 2 ve Kosta Rika’da 3 kuyuda 9 5/8” üretim muhafaza borularının çimentoları bu metotla tamamlanmıştır. Rezervuar sıcaklığı Etiyopya’da 330 °C, St. Lucia’da 300 °C ve Kosta Rika’da 260 °C civarındadır.

 

5. Kuyubaşı Sistemleri

Jeotermal kuyularda kuyubaşı ekipmanları da, muhafaza borularında bahsedildiÄŸi gibi, kuyu kapasitesinin verdiÄŸi ve üretim borusundan gelen tüm akışkanı hiçbir engel göstermeden üretecek ÅŸekilde dizayn edilmelidirler. Bu tür büyük çaplı kuyubaşı ve vanalar petrolde yoktur ve jeotermal kuyuların özelliklerine göre özel yapılırlar. Bir diÄŸer önemli konu da sıcaklık artışı dolayısıyla kuyubaşında muhafaza borusu uzaması ve bu yüzden yer üstünde kuyuya baÄŸlı bulunan ekipmanların yükselip alçalmasıdır. Bunu önlemek için muhafaza borusu baÅŸlığı içteki üretim borusunun bir dışındaki ara boruya monte edilmeli ve kuyubaşı sistemi bunun üzerine kurulmalıdır. Bu sistem bir muhafaza borusu baÅŸlığı, bir uzama spoolu ve bir ana vanadan oluÅŸur. Ä°çteki üretim borusu sıcaklık dolayısayla bu uzama spoolu içinde uzar ve sıcaklıkla kuyubaşı yükselmesi önlenmiÅŸ olur. Bu kuyubaşı sistemi kuyunun çapına uygun bir çapta seçilir. Jeotermal kuyularda yaygın olarak kullanılan basınç kapasitesi ise rezervuar sıcaklığına göre 2,000-3,000 psi civarındadır. Muhafaza borularında olduÄŸu gibi kuyubaşı ekipmanının seçiminde de sıcaklık ve basınç faktörü dikkatle göz önünde tutulmalıdır, çünkü kuyu üretime geçtiÄŸi zaman kuyu başında da sıcaklık oldukça yükselmekte ve kuyubaşı ekipmanının basınç kapasitesini etkilemektedir. Åžekil 6 da kuyubaşı ekipmanının yapıldığı Karbon Çelikleri basınç kapasitelerinin yükselen sıcaklıklardan ÅŸok olmayan etkileniÅŸi verilmektedir. Åžekilde 150 ile 2500 arasında bütün ANSI standart serileri verilmiÅŸtir. Normal verilen basınç kapasiteleri oda sıcaklığı için olup -10 ile 40 °C aralığında geçerlidir. GörüldüÄŸü gibi sıcaklık arttıkça basınç kapasitesi 400 °C (750 °F) kadar belirli oranda düÅŸmekte ondan sonra ise çok ani bir düÅŸüÅŸ olmaktadır. Jeotermal kuyu başı sıcaklığı üretim esnasında en yüksektir ve ekipmanın basınç kapasitesini en çok bu zamanda etkiler ancak bu durumda kuyubaşı basıncı da düÅŸüktür. En önemli durum üretim halinde ve kuyubaşı sıcaklığı yüksek iken kuyunun kısa sürede kapanması ve basıncın da yükselmesidir. Ekipman seçiminde bu ÅŸok durum göz önünde bulundurulmalıdır. Bir diÄŸer önemli konu da verilen basınç kapasitelerinin yeni ekipmanlar için olmasıdır. Zaman içinde erozyon, korozyon ve çıkıp inen sıcaklık ve basınç deÄŸiÅŸimleri nedeniyle bu basınç kapasiteleri oldukça azalmaktadır. Bu yüzden jeotermal kuyularda ihtiyacın bir üst sınıfı malzeme kullanmak genel bir kuraldır. Bu yüzden bir çok sahada ANSI 600 serisi (API 2,000 psi) ekipman yeterli olmasına raÄŸmen ANSI 900 serisi (API 3,000 psi) ekipman kullanılmaktadır.

 

6. SONUÇLAR

• Jeotermal formasyonlar genellikle fazla alterasyona uÄŸramış, çatlaklı ve zayıf formasyonlardır. Yüksek sıcaklığa ve negatif hidrostatik basınca sahiptirler.

• GevÅŸek üst seviyeler düÅŸük debili ve yüksek viskositeli çamurla delinmelidir.

• Bütün kaçak seviyeleri çimento tapası ile kapatılmalıdır.

• ÅžiÅŸen killi seviyeler çamura Ca maddeleri eklenerek tedavi edilmelidir.

• Kuyu eÄŸimleri kontrol edilmeli ve sert açı deÄŸiÅŸmeleri önlenmelidir.

• Rezervuar seviyeleri, sütun ağırlığını azaltıp yüzeye sirkülasyon dönüÅŸünü saÄŸlayarak kırıntıların ve sondaj sıvısının rezervuara etkilerini azaltmak için havalı su veya havalı çamur ile delinmelidir.

• Rezervuar verimini düÅŸürmemek için üretim borusu çapı iyi seçilmelidir.

• Yaygın jeotermal sahaların sıcaklıkları 200-300 °C civarındadır ve standard API muhafaza boruları bu sahalarda sıcaklık açısından rahatça kullanılabilir.

• Yüksek sıcaklıklı sahalarda ısıl gerilimlere karşı en uygun muhafaza borusu çelik tipi N-80 dir. Ancak N-80 H2S korozyonuna hassas olduÄŸundan aynı mekanik özelliklere sahip fakat daha yumuÅŸak ve korozyona çok daha dayanıklı L-80 tipi borular en uygun muhafaza borularıdır. Muhafaza borularında boru gövdesinden daha mukavemetli olan Buttress veya Hydrill tipi baÄŸlantılar kullanılmalıdır.

• Bütün muhafaza borularının tamamen ve kaliteli bir ÅŸekilde çimentolanması esastır. Çimento kaçağı durumunda geniÅŸ anülüslerde spagetti tüpleri kullanılarak; dar anülüslerde ise ters sirkülasyon metodu ile çimentolama tamamlanmalıdır.

• Kuyubaşı ekipmanları kuyu kapasitesinin verdiÄŸi üretimi düÅŸürmeyecek ÅŸekilde seçilmelidir. Kuyubaşı ekipmanı sıcaklık deÄŸiÅŸimi ile kuyubaşı hareketini önleyecek ÅŸekilde dizayn edilmelidir. Artan sıcaklıklar ekipmanın basınç kapasitesini azaltır, zaman da bunu hızlandırır. Kullanılacak malzeme bu durumu emniyetle karşılayacak ÅŸekilde seçilmelidir.

 

 

Åžekil 1. K-55 Ve L-80 Tipi Muhafaza Borularının Çekme Mukavemetlerinin Sıcaklıkla DeÄŸiÅŸimi

 

 

Åžekil 2. K-55 Tipi Muhafaza Borularının (9-5/8", 47 Ppf) Sıcaklık ve Kendi Ağırlıklarının Çekme Gücünün BirleÅŸik Etkisi Altında Çökme Mukavemetindeki Azalmaları.

 

Åžekil 3. K-55 Tipi Muhafaza Borularının (13-3/8", 72 Ppf) Sıcaklık ve Kendi Ağırlıklarının Çekme Gücünün BirleÅŸik Etkisi Altında Çökme Mukavemetindeki Azalmaları.

 

Åžekil 4. L-80 Tipi Muhafaza Borularının (9-5/8", 47 Ppf) Sıcaklık Ve Kendi Ağırlıklarının Çekme Gücünün BirleÅŸik Etkisi Altında Çökme Mukavemetindeki Azalmaları.

 

Åžekil 5. L-80 Tipi Muhafaza Borularının (13-3/8", 72 Ppf) Sıcaklık ve Kendi Ağırlıklarının Çekme Gücünün BirleÅŸik Etkisi Altında Çökme Mukavemetindeki Azalmaları.

 

Åžekil 6. Kuyubaşı Ekipmanı, Yükselen Sıcaklıklarda Basınç Kapasitesi.

 

Kaynakça :

 

Ethem TAN

Petrol Yüksek Mühendisi

Jeotermal Sondaj Danışmanı

Tags: dar anülüsler, geniş anülüsler, jeotermal sondajlar, korozyon, kuyubaşı sistemleri, muhafaza borusu tasarımı, rezervuar seviyeri, sondajda çimentolama, sondajlarda pratik uygulamalar, Üretim çapı

One Response to “Jeotermal Sondajlarda Pratik Uygulama Teknikleri”

Leave a Reply

Name (required)

Mail (will not be published) (required)

Website