Sabit Enerji Üretim Senaryosu Altında Sıkıştırılmış Sıvı Jeotermal Rezervuarların Performans Davranışı

Abstract

Modelleme rezervuar basıncının ve sıcaklığının zamanla nasıl değiştiğini izlemek ve rezervuarın gelecek performansını değerlendirmek için kullanılan bir yöntemdir. Rezervuar modellemenin en yaygın üç yöntemi vardır. Sıfır boyutlu modelleme olarak da bilinen tank modelleri yöntemi yeni bulunan jeotermal sahalar için elde yeterli veri bulunmaması nedeniyle sıkça kullanılan bir yöntemdir. Bu modellemede rezervuarlar ve akifer ayrı birer homojen tank olarak tanımlanır ve ortalama özellikleri kullanılır. Kütle ve enerji korunum denklemlerinin çözülmesiyle basınç ve sıcaklık davranışları elde edilir. Şimdiyedek literatürde izotermal ve izotermal olmayan jeotermal sahalar için birçok tank modelleri önerilmiştir. Ancak bu modellerin büyük kısmı sabit debili üretim için uygundur. Bu çalışmada izotermal olmayan tek tank modeli geliştirilmiştir. Kütle ve enerji korunum denklemlerinin çözülmesiyle basınç ve sıcaklık davranışları elde edilmiştir. Geliştirilmiş yeni modelle hem sabit debili üretim, hem de sabit enerjili üretim senaryoları için rezervuarda oluşan sıcaklık ve basınç davranışları tahmin edilebilmektedir. Modelde kullanılan tank sistemi bir rezervuar tankı ve beslenme kaynağı şeklindedir. Modelde rezervuar tankının dış sınırından sabit basınçlı bir beslenme kaynağından beslenmesi kabul edilmiştir. Beslenme kaynağı ve rezervuar arasındaki doğal beslenme için Schilthuis kararlı akış su girişi modeli kullanılmıştır. Çalışmanın temel amacı sabit enerjili ve sabit debili üretim senaryoları altında rezervuar performanslarının kıyaslanması ve bazı parametrelerın sabit enerjili üretim zamanı rezervuar performansı üzerindeki etkilerinin tartışılmasıdır. Çalışmada tek tank modelinde sabit enerjili ve sabit debili üretim senaryoları altında rezervuarın basınç ve sıcaklık davranışını incelemek için önce temel durum oluşturulmuş, daha sonra ise beş hipotetik durum önerilmiş ve analiz edilmiştir. Her durumda, tüm rezervuar parametreleri temel durumdakiyle aynı tutulmuş ve rezervuar performans davranışı üzerindeki etkisini görmek için yalnızca bir parametre değiştirilmiştir. Değişen parametreler kaba hacim, kurulu güç kapasitesi, gözeneklilik, tekrar basma oranı ve doğal beslenme endeksidir. Tüm durumlar sabit debili ve sabit enerjili üretim senaryoları altında incelenmiştir. Temel durum için sabit debili ve sabit enerjili üretimde rezervuarın basınç ve sıcaklığının kararlı akışa ulaştığı görülmüştür. Rezervuar basıncının her iki senaryo için farklı değerlerde kararlı akışa ulaştığı görülse de, rezervuar sıcaklığının her iki senaryoda da aynı değerde kararlı akışa ulaştığı gözlemlenmiştir. Aynı zamanda üretimle birlikte rezervuar sıcaklığının azalması sebebiyle sabit enerji üretimi için akış debisinin de zamanla arttığı ve geç zamanda sıcaklığın sabitlenmesiyle akış debisinin de sabitlendiği gözlemlenmiştir. Sabit enerjili üretim senaryosunun basınç davranışı incelendiğinde sabit debili üretimdeki basınç davranışından farklı olarak erken zamanda da sabitlendiği görülmüştür. Bunun sebebi rezervuar sıcaklığının erken zamanda çok az değişmesine karşılık akış debisinin ve dolayısıyla da basıncın stabil davranış sergilemesidir. Birinci durumda kaba hacmin sabit debili ve sabit enerjili üretim senaryoları altında rezervuar basınç ve sıcaklık davranışları üzerindeki etkisi incelenmiştir. Rezervuar sıcaklığı her iki senaryoda da kaba hacimden bağımsız olarak aynı değerde kararlı akışa ulaşmıştır. Kaba hacim büyüdükçe sıcaklık ve basıncın daha geç kararlı akışa ulaştığı görülmüştür. İkinci durumda kurulu güç kapasitesinin sabit debili ve sabit enerjili üretimde rezervuar performans davranışı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Beklendiği gibi kurulu güç kapasitesi büyüdükçe rezervuar sıcaklığının daha erken kararlı akışa ulaştığı gözlemlenmiştir. Aynı zamanda geç zamanda basınç değerinin kurulu güç kapasitesine bağlı olduğu görülmüştür. Üçüncü durumda gözenekliliğin her iki senaryo altında rezervuar basınç ve sıcaklık davranışları üzerindeki etkisi analiz edilmiştir. Gözenekliliğin erken zamanda sıcaklık ve basınç üzerindeki etkisi olsa da, geç zamanda basınç ve sıcaklığın gözeneklilikten bağımsız olduğu görülmüştür. Temel durumda olduğu gibi sabit enerjili üretim senaryosunun basınç davranışı incelendiğinde sabit debili üretimdeki basınç davranışından farklı olarak erken zamanda da sabitlendiği görülmüştür. Bunun sebebi yine rezervuar sıcaklığının erken zamanda çok az değişmesine karşılık akış debisinin ve dolayısıyla da basıncın stabil davranış sergilemesidir. Dördüncü durumda tekrar basma oranının sabit debili ve sabit enerjili üretimde rezervuar performans davranışı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Tekrar basma oranı büyüdükçe rezervuar sıcaklığının kararlı akış değerinin küçüldüğü gözlemlenmiştir. Rezervuar sıcaklığının kararlı akış değerinin beslenme kaynağı sıcaklığı ve tekrar basma sıcaklığıyla belirlendiği görülmüştür. Bu çalışmada beslenme kaynağı sıcaklığı ilkin rezervuar sıcaklığıyla aynı olduğundan ve tekrar basma sıcaklığı ilkin rezervuar sıcaklığından düşük olduğundan dolayı ne kadar az tekrar basma gerçekleştirilirse rezervuar sıcaklığının kararlı akış değerinin o kadar yüksek olduğu görülecektir. Sabit enerjili üretim senaryosunun basınç davranışı incelendiğinde tekrar basma oranının sıfır olduğu durumda basınç davranışının diğer durumlardan farklı olarak sabit debili üretimle aynı performansı gösterdiği görilmüştür. Bunun sebebi yine rezervuar sıcaklığının beslenme sıcaklığı ve tekrar basma sıcaklığıyla belirlenmiş olmasıdır. Tekrar basma gerçekleştirilmediği zaman rezervuar sıcaklığı aynı sıcaklıktakı beslenme kaynağından beslendiği için rezervuar sıcaklığında bir düşüş olmayacaktır. Dolayısıyla akış debisi sabit kalacak ve rezervuar basıncı sabit debili üretimle aynı performansı gösterecektir. Beşinci durumda doğal beslenme endeksinin sabit debili ve sabit enerjili üretimde rezervuar performans davranışı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Rezervuar sıcaklığı geç zamanda her iki senaryoda da doğal beslenme endeksinden etkilenmemiş olsa da, rezervuar basıncının doğal beslenme endeksine bağlı olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, bu çalışmada varsayılan rezervuar parametreleri için sabit debili üretimde olduğu gibi sabit enerjili üretimde de rezervuar basınç ve sıcaklığının geç zamanlarda belli bir değerde sabitlendiği gözlemlenmiştir. Sabit enerjili üretim zamanı debinin sıcaklık ve özgül ısı kapasitesine bağlı olduğu görülmektedir. Kaba hacim erken zamanlarda rezervuar basınç ve sıcaklığını etkilese de geç zamanlarda basınç ve sıcaklık üzerinde hiçbir ekisi yoktur. Sabit enerjili üretimde kurulu güç kapasitesinin geç zamanlarda basınç üzerinde etkisinin olduğu, ama sıcaklık üzerinde etkisinin bulunmadığı gözlemlenmiştir. Rezervuar gözenekliliğinin geç zamanlarda basınç ve sıcaklık üzerinde hiçbir etkisi yoktur. Aynı zamanda basınç ve sıcaklık tekrar basma debisine bağlı olduğu için her farklı tekrar basma debisi için geç zamanda basınç ve sıcaklık farklı değerlerde sabitlenecektir. Geç zamanlarda doğal beslenme endeksinin rezervuar basıncı üzerinde etkisinin olduğu ama sıcaklık üzerinde etkisinin bulunmadığı görülmüştür.

A reservoir model is a utility describing the change in reservoir pressure and temperature as a function of time or cumulative fluid production. Pressure and temperature are the main parameters to consider when modelling the geothermal reservoirs. Primary objectives of geothermal reservoir modeling are to estimate production capacity of the geothermal fields, the rate of reservoir pressure decline and the effects of fluid recharge and injection on field performance. There are mainly three methods of modeling available in the literature, which are decline curve analysis, numerical modeling and lumped parameter modeling. Lumped parameter modeling, also known as zero-dimensional modeling, is a commonly used method when there is less data available at the early life of the field. In this model, reservoirs and aquifers are defined as homogeneous tanks and their average properties are used. Pressure and temperature behaviors are obtained by solving mass and energy conservation equations. In the literature, many lumped parameter (tank) models have been proposed for isothermal and non-isothermal geothermal fields. However, most of these models are valid for constant flow rate production scenario. In this study, a new non-isothermal single tank model was developed. Pressure and temperature behaviors are obtained by solving mass and energy conservation equations. With the new model developed, the temperature and pressure behaviors of the reservoir can be predicted for both scenarios, namely constant flow rate production and constant energy production scenarios. The tank system used in the model to represent the geothermal system is a reservoir tank and a recharge source. In the model, the tank is assumed to be recharged from a constant pressure source from the outer edge of the tank. Natural recharge is considered by applying the Schilthuis steady state water influx model between the recharge source and the reservoir. The main objective of this study is to compare reservoir performances under constant-energy and constant-flow production scenarios and to discuss the effects of certain parameters on reservoir performance behavior under constant energy production scenario. From this study, it is concluded that for the assumed reservoir parameters, pressure and temperature at late time for constant energy production scenario stabilize at some value like in the constant flow rate production scenario. When flow rate production is considered under constant energy production scheme, it is observed that mass flow rate is dependent on temperature and and specific heat capacity of the water. While bulk volume affects pressure and temperature at early and middle times, it has no effect on the steady state pressure and temperature under both scenarios. Under constant energy production scheme, required energy value is observed to affect reservoir steady state pressure, however, it has no effect on the steady state temperature for constant energy production scheme. It is also observed that steady state pressure and temperature are not affected by the rock porosity. Since pressure and temperature at late time depend on the injection rate, they will stabilize at different values for each case of reinjection ratio. While recharge constant has no effect on the steady state temperature, it affects steady state pressure under constant energy production scheme.