CaCO3 çökelmesinin çatlaklı ortamda akış davranışına etkilerinin incelenmesi

Abstract

Petrol, gaz ve jeotermal akışkan üretilen veya enjekte edilen yeraltı formasyonları içinde jeolojik geçmişten kalan ve/veya girişini halen sürdüren doğal sular bulunur. Bu sular içerdikleri iyonlar, çözünmüş gazlar, askıda katı maddeler, bakteriler, hidro-karbonlar, radyoaktif maddeler ve hattâ zehirli maddeler gibi unsurlar yönünden oldukça zengin olabilirler. Böylesine çeşitli içerik ile zengin rezervuar suları yalnızca rezervuar kayacının gözenekler ve/veya çatlaklardan oluşan akış yollarında değil, rezervuardan üretim yapan kuyularda da çeşitli işlemsel (operasyonel) sorunlara yol açabilmekte, yüzeye üretildiklerinde ise yüzey tesislerine, insan sağlığına ve çevreye zararlı olabilmektedirler. Dolayısı ile, bu tür rezervuar sularının farklı sıcaklık ve basınç koşullarında sergiledikleri fiziksel, kimyasal ve termodinamik davranışlarının anlaşılması, bunların olumsuz etkilerini en düşük düzeye indirgemek ve (eğer olası ise) bu etkilerden kurtulmak için, yapılması gerekenler geçmişten beri bu konuda çalışan insanların ilgisini çekmiştir. Üretim sırasında elde edilen veya üretimi artırmak için rezervuara enjekte edilen sulardan oluşan mineral çökelmesi, formasyon (kayaç) gözenekleri ve çatlakları, kuyu içi ve yüzey donanımları, yüzey toplama hatları gibi bu sulara temas eden her ortamda oluşabilmektedir. Mineral çökelmesinin rezervuar kayacının gözenek ve/veya çatlak ağı içinde oluşması durumunda, bu birikimlere bağlı olarak kayacın gözenekliliği ve geçirgenliğinde azalma olabilmekte, sonuçta ise gözenekli ortamdan olan akış debisi ve basınç davranışları olumsuz etkilenebilmektedir. Dolayısı ile rezervuardan yapılan üretim olumsuz yönde değişmektedir. Bu yüzden, formasyon (kayaç) gözenekleri ve çatlakları içinde mineral çökelmesinin süreci ve akış davranışına etkisinin anlaşılması için, olayın mekanizmasını incelemek ve araştırmak bir gerekliliktir. Termodinamik modeller kullanılarak kalsiyum karbonat (CaCO3) çökeliminin eğilimi, yani belirli koşullarda çökelmenin olup olmayacağı veya oluşabilecek maksimum çökelme miktarı belirlenebilmektedir. Bunun yanında, bazı araştırmacılar tarafından "kinetik model" olarak anılan deneysel modellerin çökelme miktarını belirlemede daha iyi sonuçlar verebildiğini bazı çalışmalar göstermektedir. Ne var ki, literatürde özellikle çatlak içi akışta CaCO3 çökelimine ilişkin yeteri kadar deneysel modele dayalı çalışma bulunmamaktadır. Dolayısı ile, bu çalışmada çatlaklı ortamda mineral çökelim miktarını çatlağı içeren malzemenin yapısına bağlı etkileşimlerden arınmış bir şekilde kestirebilmek için, hem termodinamik modeller hem de deneysel modellerden yararlanılmıştır. Öncelikle, kavanoz testleri ile statik koşullarda elde edilen CaCO3 çökelim miktarları, termodinamik modellerde elde edilen sonuçlarla karşılaştırılarak çözeltinin aşırı doymuşluğu belirlenmektedir. Sonra, bu özelikteki çözeltiler farklı pürüzlülüğe, farklı açıklığa ve farklı uzunluğa sahip yapay çatlaklar içinde farklı sıcaklık ve farklı debilerde akıtılarak, çatlak içi CaCO3 mineral birikim miktarları elde edilmektedir. Her deneyde, çökelmiş CaCO3 mineral miktarı çatlak çıkışında alınan çözeltilerin derişim analizi ile belirlenmektedir ve sonuçlar var olan deneysel (kinetik) ve/veya termodinamik korelasyon sonuçları ile karşılaştırılmaktadır. Çatlak içinde süregelen CaCO3 çökelmesi ile birlikte çatlak geçirgenliği, akış rejimi, Reynolds sayısı ve sürtünme faktörü gibi değişkenlerdeki değişimler değerlendirilmektedir. Bunlara ek olarak, daha önce bu konularda yapılmış çalışmalarda dikkate alınmamış olduğu görülen yataya göre "farklı akış doğrultusu" koşulları da yukarıda belirtilen deney sürecine dahil edilerek, aynı deney ve analiz yöntemi ile çatlak içinde oluşan CaCO3 mineral birikim miktarları saptanmaktadır. Bu çalışmada, çatlak içinde akan akışkanın çatlak duvarları ile kimyasal ve/veya iyon alış verişi gibi etkileşimlere girmediği farklı akış koşullarında çatlak içinde CaCO3 çökelimini karşılaştırabilmek üzere, deneylerin tekrarlanabilmesi için 3B (üç boyutlu) dijital baskı yöntemi ile oluşturulmuş yapay çatlak modelleri kullanılmaktadır. 3B baskı yöntemi, çeşitli malzeme ve geometrik ölçeklendirme seçenekleriyle, kayaç veya benzeri herhangi bir çatlaklı yapıya yaklaşım sağlamakta, dolayısıyla yeni modelleme fırsatları sunabilmektedir.