GEOTERMIKUS RENDSZEREK MODELLEZÉSE

Átírás

1 Pokoádi László GEOTERMIKUS RENDSZEREK MODELLEZÉSE kutatási jelentés

2 TARTALOMJEGYZÉK INTRODUCTION 2 BEVEZETÉS 3 I. GEOTERMIKUS RENDSZEREK JELLEMZŐI 4 I.1. Bevezetés 4 I.2. Alapfogalmak 4 I.3. A geotemikus endsze osztályozása 7 I.4. A temálenegia kitemelő endsze 9 II. TERMODINAMIKAI ALAPOK 15 II.1. Bevezetés 15 II.2. Halmazállapot változások temodinamikája 15 II.3. Geotemikus ezevoáok temodinamikája 19 III. AZ ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ GEOTERMIKUS RENDSZEREK MODELLEZÉSE 22 III.1. Bevezetés 22 III.2. Modellezési eljáások 22 III.3. Temészetes állapot modellezés 24 III.4. Kiaknázási modellezés 25 III.5. Az injektálás modellezése 28 III.6. Koncentált paaméteű modellek 29 III.7. A modellek alkalmazása 42 IV. KÖVETKEZTETÉSEK, AJÁNLÁSOK 45 V. ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK 47 VI. FELHASZNÁLT IRODALOM 48 ACKNOWLEDGEMENT KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS 50 1

3 INTRODUCTION Seveal lumped-paamete models and modeling methods have been epoted in the liteatue. Fo example they ae papes witten by GUNDI AXELSSON ([1]; [2]; [3]; [4] and [5]), and GUDMUNDUR BODVARSSON ([6]; [7] and [13]). AXELSSON developed a basic set of equations in matix-vecto fom and discussed the usefulness of lumped-paamete models in intepeting monitoed poduction data fo low-tempeatue geothemal fields ([1]; [2]; [3]; [4] and [5]). BODVARSSON, PRUESS and LIPPMANN [13] pesented a eview of geothemal esevoi modeling. The diffeent modeling appoaches wee descibed, and thei advantages and limitations ae discussed. The authos biefly descibed the govening equations fo mass and heat flow and discuss phase tansitions and solution techniques. In the efeence [14], SARAK, ONUR and SATMAN demonstated the applicability of the models by simulating measued data fom the LAUGARNES geothemal field in Iceland. THORGILS JONASSON showed the histoical oveview of geothemal heating in Iceland [17]. ARNI RAGNARSSON showed the possibilities of Icelandic geothemal enegy utilization [24]. SVERRIR THORHALLSSON woded the main technical featues of Incelandic geothemal distict heating systems [27]. The aim of the Geothemal System Modeling eseach epot is to summaize English language liteatues and to show the methodologies of the low-tempeatue geothemal fields and systems modeling and thei application in Hungaian. The outline of this eseach epot is as follows. Section 1 shows basic theoetical backgound of geothemal enegies. Section 2 wods themodynamic knowledge which is equied to ealize low-tempeatue geothemal fields modeling methods. Section 3 pesents diffeent methods and methodologies of low-tempeatue geothemal system modeling. Section 4 summaized the pape and mentions possibilities of use of shown methods in Hungaian situations. 2

4 BEVEZETÉS Számos angol nyelvű iodalom ismeteti a különféle úgynevezett koncentált paaméteű geotemikus modelleket, illetve modellezési eljáásokat. Ezek közé tatozik GUNDI AXELSSON ([1]; [2]; [3]; [4] and [5]), and GUDMUNDUR BODVARSSON ([6]; [7] and [13]) publikációi AXELSSON munkáiban egy egyszeű, mátix-vekto alakú egyenletendszet dolgozott ki és elemezte a koncentált paaméteű modellek alkalmazási lehetőségeit az alacsony hőmésékletű geotemikus mezők, endszeek kitemelési adatainak monitoozásáa ([1]; [2]; [3]; [4] and [5]). BODVARSSON, PRUESS és LIPPMANN [13] egy szemlét adtak a geotemikus ezevoáok modellezéséől. Munkájukban bemutatták a különféle modellezési megközelítések előnyit és hátányait. SARAK, ONUR és SATMAN az eltéő modellek alkalmazhatóságait elemezték az izlandi LAUGARNES geotemikus mező kitemelési adatait felhasználva [14]. THORGILS JONASSON az izlandi geotemikus fűtési endszeek fejlődésének töténetét mutatta be [17]. ARNI RAGNARSSON a geotemikus enegia kihasználási lehetőségeit szemléltette [24]. SVERRIR THORHALLSSON az Izlandon alkalmazott geotemikus távfűtő endszeek technikai megoldásait és sajátosságait szemléltette [27]. A kutatási jelentés célja az alacsonyhőmésékletű, úgynevezett folyadék-domináns ezevoáok koncentált paaméteű modellezést bemutatása magya nyelven. A tanulmány segítséget nyújt a témaköben édeklődő magya szakembeek számáa az elsődleges infomációk megszezéséhez. Ezen túl jó alapot ad egy, a geotemikus enegiahasznosítással kapcsolatos felsőfokú (BSc, MSc vagy PhD) oktatás, illetve szakiányú továbbképzés soán egy kuzus, esetleg önálló tantágy tematikájának kidolgozásához. A tanulmány az alábbi fejezetekből áll: Az 1. fejezet a geotemikus endszeekkel kapcsolatos, és később megemlítése keülő, fogalmakat íja le. A 2. fejezet az alacsony hőmésékletű geotemikus endszeek modellezési eljáásainak megétéséhez szükséges temodinamikai alapokat foglalja össze. A 3. fejezet az alacsony hőmésékletű geotemikus endszeek modellezési eljáásait, valamint azok alkalmazási lehetőségeit mutatja be az angol nyelvű iodalmaka támaszkodva. A 4. fejezetben övid összefoglaló és a módszeek magyaoszági alkalmazásáa tett javaslat olvasható. 3

5 I. FEJEZET GEOTERMIKUS RENDSZEREK JELLEMZŐI I.1. BEVEZETÉS Jelen fejezetben előbb öviden a geotemikus enegiával, illetve endszeekkel kapcsolatos alapfogalmak keülnek öviden ismetetése alapvetően a [18]; [19]; [26] és [27] iodalmaka hivatkozva. Ezt követően a geotemikus endszeek főleg a hőfoás szempontjából töténő osztályozása keül bemutatása. Végezetül a temálenegia kitemelő endszeek főbb elemeit íom le öviden főleg az izlandi tanulmányutam tapasztalataia, valamint az [10]; [17]; [24] és [27] iodalmaka támaszkodva. I.2. ALAPFOGALMAK A geotemikus enegia a földkéeg belső enegiája (földhő). A geotemikus enegiahodozók azok a különböző halmazállapotú anyagok (például a felszín alatti vizek, gőzök), melyek a földkéeg belső enegiájának hőenegetikai célú hasznosítását kitemeléssel vagy más technológia alkalmazásával lehetővé teszik. (A bányászatól szóló évi XLVIII. Tövény 49. ) [18]. Más megfogalmazásban, a (temális, geotemikus stb.) temálenegia a Föld szilád kégét alkotó kőzetek belső hője, amelynek foása a magma feletti folyamatosan működő hőáamlás [19]. A Föld teületén megkülönböztetünk aktív, illetve passzív geotemális övezeteket. Az aktív teületeken jelenleg is aktív vulkáni és tektonikai tevékenység folyik. Ilyen például Izland, ahol év nyaán tanulmányutat tehettem a geotemikus endszeek modellezésével kapcsolatban. Magyaoszág, mint a Kápátmedence központi észe, egy passzív geotemális övezeten belül helyezkedik el, de kiemelten jó geotemális adottságú teület. A temálvizek enegetikai hasznosítása a célt tekintve több nagy teülete melyek közül néhányat az I.1. I.4. ábák szemléltetnek tejed ki: 1. villamosenegia-temelés (I.1. ába); 2. közvetlen hőhasznosítás, ezen belül: kommunális fűtés; használati melegvíz; kültéi felületfűtés (I.2. ába); teményszáítás; növényházak fűtése (I.3. ába); haltenyésztés (I.4. ába). A temális anomália teülete földajzi fogalom, amely a földfelszín olyan észét jelenti, ahol a temáljelenségek például földi hőáam az átlagosnál fokozottabb 4

6 métékben jelentkeznek. Egy geotemikus endsze elemei a hőfoás, a ezevoá (táoló) és a szállítást végző geotemikus fluidum. Ez utóbbi általában temálvíz. I.1. ába Geotemikus eőmű működését szemléltető bemutató képenyő (foás: Szező felvétele) I.2. ába Kültéi fűtés Reykjavíkban (foás: [24] előadásának anyaga) 5

7 I.3. ába Geotemikus fűtésű üvegház (foás: Szező felvétele) I.4. ába Geotemikus enegiát felhasználó haltenyésztő telep (foás: [24] előadásának anyaga) A geotemális ezevoá, az anomáliateület a temálendszenek az a észe, amelynek belső enegiatatalma valamilyen telepfolyadék (víz vagy gőz) segítségével felszíne hozható. A ezevoá tehát gyakolati meggondolások az enegiatemelés szempontjai által lehatáolt észendsze, amely lehet temészetes vagy mesteséges. A temészetes ezevoá kellő kitejedésű, nagy hőmésékletű, megfelelő poozitású és pemeabilitású hévíztáoló képződmény. A ezevoából belső enegiát temelnek ki, amelynek hodozó közege a víz. Ezt a könyezetvédelem vagy a étegnyomás fenntatásának céljából vissza kell (vagy lehet) sajtolni a ezevoába. A kitemelés tehát a víz hőenegia tatalmáa iányul, nem magáa a víze. A mesteséges ezevoá valamely foó, száaz impemeábilis kőzetben létehozott epedésendsze. Ez legcélszeűbben az úgynevezett hidaulikus étegepesztéssel alakítható ki, és a külszínől vizet keingetve, a nagyságendileg km 2 nagyságú hőátadó felület, mint hőcseélő működik, amely segítségével foó víz, vagy gőz temelhető. 6

8 I.3. GEOTERMIKUS RENDSZEREK OSZTÁLYOZÁSA A temészetes geotemikus endszeeket két fő konduktív és konvektív hőáammal endelkező csopot valamelyikébe sooljuk a hőfoás szempontjából. I.3.1. KONDUKTÍV HŐÁRAMÚ RENDSZEREK A konduktív hőáamú endszeben a ezevoát a földi hőáam fűti, azaz a hőfoás a magma. Ebbe a csopotba azok endszeek soolhatók, amelyek belsőenegia utánpótlását vezetéses (konduktív) hőáam biztosítja. A vezetéses hőáam mindig viszonylag kisebb intenzitású fűtést jelent, lineáis vagy szakaszosan lineáis mélység szeinti hőméséklet-eloszlással. A földi hőáam átlagos étéke alig 60 mwm -2, az átlagos temálgadiens pedig 30 o Ckm -1. Ilyen feltételek mellett nem alakulhatnak ki a mai műszaki szinten gazdaságosan hasznosítható hévíztáolók. A földkéeg helyi elvékonyodásai, vagy az egyes kőzetfajták eltéő hővezetési tényezői bizonyos szolid anomáliát okozhatnak a földi hőáam étékében [26]. A konduktív hőáammal fűtött geotemikus endsze fogalmi modelljét szemlélteti az I.5. ába. I.5. ába Konduktív hőáamú geotemikus endsze elvi sémája (foás: [26]) I.2.3. TERMOKONVEKCIÓS RENDSZEREK A konvekciós hőáamú endszeek kialakulásához jól meghatáozható, kvalitatív kitéiumoknak kell teljesülniük. Legfontosabb ezek között a nagy hőméséklet gadiens, melynek étéke legtöbbszö meghaladja a 20 o Ckm -1 étéket. A konvekció másik szükséges feltétele a kőzet nagy pemeabilitása. Ez kétféle 7

9 módon lehetséges: Az egyik, hogy duva szemcsés, endszeint deltaüledékből kifejlődött homokos, homokköves étegekben alakul ki a ezevoá. A másik lehetőség pedig, hogy nem poózus, hanem úgynevezett epedezett kőzetekben alakul ki a temokonvekció ez esetben má nem szivágás, hanem áamlás fomájában. A ezevoá elegendően nagy függőleges iányú méete is szükséges. Ebben az esetben a konvekció hosszabb úton, hatékonyabban viszi át a belső enegiát a felszínhez közeli tatományba. A konvekció intenzitása növekedhet, ha a táoló hidegvíz-utánpótlást kap. Ekko nagyobb a hőméséklet-, továbbá a sűűségkülönbség, és az eőteljesebb fluidummozgás több belső hőenegiát juttathat a felszín közelébe. A konvektív hőáamú geotemikus endsze fogalmi modelljét az I.6. ába szemlélteti. I.6. ába Konvektív hőáamú geotemikus endsze elvi sémája (foás: [26]) I.3.3. MESTERSÉGES GEOTERMÁLIS REZERVOÁROK Nem egy esetben a foó kőzet (HDR Hot Dy Rock) száaz, egyáltalán nem tatalmaz vizet vagy gőzt. Ebben a mélységtatományban mesteségesen kell a ezevoát létehozni. Valamilyen módon töedezetté, epedezetté kell tennünk az impemeábilis kőzetet, és a külszínől kell vizet juttatni bele, hogy ott felmelegedjék. Egy ilyen foó száaz kőzettesttel bíó mesteséges geotemális endszeel szemben támasztott legfontosabb követelmény a legalább 200 o C kőzethőméséklet, az igen kis pemeabilitás, a jó hővezető képesség, és a úgynevezett jó epeszthetőség, valamint, hogy a felszínhez lehetőleg minél közelebb legyen. 8

10 I.4. A TERMÁLENERGIA-KITERMELŐ RENDSZER A temálenegia-kitemelés lényege a táoló belsőenegia-tatalmának felszíne hozása. Ez a módszeeket és az eszközöket tekintve a szénhidogén-kitemeléssel okon tevékenységnek tekinthető. Ez a tény is indokolja, hogy a geotemikus ezevoá modellezési eljáások alapjait a koábban szénhidogén bányászatban alkalmazott modellalkotási és elemzési módszeek jelentették. A temálenegia-kitemelés kezdeti időszakában a többé-kevésbé tevszeűen telepített kutakkal megcsapolt ezevoából a víz ugalmas tágulása vagy a gőz túlnyomása hozta a felszíne a fluidumot. A lehűlt, endszeint nagy sótatalmú hévizet legtöbbszö valamely közeli vízfolyásba vezették. Ezzel jelentős könyezetkáosítást okoztak. Eközben a ezevoá étegnyomása is egye csökkent, a kút hozamával és az úgynevezett kútfej-hőméséklettel együtt. Nyilvánvalóvá vált tehát, hogy a táoló étegenegiájának fenntatása, és a könyezet szennyezésének elkeülése a lehűlt hévíznek a táoló étegbe való visszasajtolásával lehetséges. A vízkőkiválása hajlamos vagy agesszív kémiai viselkedésű hévizek esetén legcélszeűbb egy túlnyomásos zát köben keingetve, hőcseélőn át lehűtve visszasajtolni a ezevoába. I.4.1. A KUTAK A geotemális kitemelő endsze több észendszeből tevődik össze. A ezevoából a temelőkúton keesztül áamlik a felszíne a belső enegiát hodozó fluidum (víz, gőz, vagy ezek keveéke). Alapvetően háom fajta alacsony hőmésékletű geotemikus kúttípus létezik, melyek közt a legfontosabb különbség a bukolat méetében és a mélységben található (I.7. ába). A tevezési mód legfőképpen a téfogatáam-követelménytől függ. Izlandon a geotemikus távfűtésben alkalmazott legnagyobb átméőjű kutak Reykjavíkban és könyékén találhatóak, 300 mm belső, szállítási átméővel és 90 lite/másodpec szállítóképességgel. A kisebb izlandi váosok távfűtő hálózatai számáa 250 mm és 45 lite/másodpec, illetve 200 mm és 10 lite/másodpec paaméteekkel bíó kutakat alkalmaznak. A kitemelő cső mélységét a vízszállító csatona izolálása deteminálja a hidegebb étegektől, illetve az, hogy milyen mélye kell a szivattyút elhelyezni, ami általában 150 ~ 800 méte. Egy nagyméetű kút esetén aká 700 ~ 2500 méte is lehet a fúási mélység, még kisebb kutak esetén 300~1200 méte. A kutak többsége függőleges, de iányított és fede fúású kutak is népszeűek a közel függőleges hasadások esetén. A fede fúású kutak a felszíntől indulva 10~30 fokban dőlnek. Az iányított kutakat kb. 350 méte mélységig függőlegesen fúják, majd fokozatosan 2,5 o /méte intenzitással 30 ~ 45 fokig tének el attól. Átlagosan az eltéés a vetikális iánytól 500 ~ 800 méte. Nyilvánvalóan ez egy nagy eltéést jelent a fúóbeendezés szükséges méetében, és a költségekben. Az alacsony hőmésékletű kutak béléscső és szűők nélkül készülnek, béléscsövezett nélküli fúólyuk szakaszban, ahonnan a vizet kitemelik. A bazalt étegekben nem szükséges a kitámasztásuk a stabil helyzet biztosítása édekében. A kutak tiszta vizet temelnek a belépő homok vagy agyag pedig nem okoz poblémát. 9

11 I.7. ába Geotemikus távfűtő endszeekben alkalmazott kútkialakítások (foás: [27]) I.8. ába Geotemikus kút Reykjavík egyik lakótelepén (foás: Szező felvétele) A víz az általánosan alkalmazott öblítő-folyadék a kutak fúása soán. Fúóiszapot vagy polime golyókat alkalmaznak, amiko a fuat tisztítása nehéz. Levegővel kevet vizet (amiko sűített levegőt adnak a vízhez) alkalmaznak mindig a kívánt nyomás egyensúly vagy kiegyensúlyozatlanság eléése édekében, ha a fúás 10

12 nem okoz temészetes epedést, ami ongálódást okozhat. A fúás végén a kutakat légnyomásos vízemelőként, amiko ellenőzik (sűített levegőt nyomnak 250 méte mélységbe a fúócsövön keesztül. Az I.8. ába egy eykjavíki geotemális kutat szemléltet. I.4.2. SZIVATTYÚK A víztemelő kutakba a temelés fokozásáa legtöbbszö szivattyúkat építenek be. A víz által kialakított kezdeti foásokat és sekélyfúásokat a távfűtés számáa eleinte önálló (atézi) kutakként használták. Amiko ez má nem volt elegendő az elváások szempontjából, úgynevezett légnyomásos vízemelő endszeeket alkalmaztak Reykjavíkban. Ekko sűített levegőt nyomtak le a kutat mélyébe. Ez növelte a kitemelést, de a megjelenő oxigén következtében megnőttek a koózió okozta káok ben alkalmaztak első alkalommal mélykút-szivattyúkat Reykjavíkban. A kezdeti poblémákat kadánhajtású szivattyúkkal oldották meg, melyek vízkenésű teflon csapágyazással szeeltek. Ezek a szivattyúk, melyeket izlandi geotemikus szivattyú - nak neveznek, 250 méte mélységig alkalmazzák, maximum 130 o C hőmésékletű víz esetén, a méetüktől függően 20; 40 vagy 90 lite/másodpec vízszállítással. (I.9. I.10. ábák) I.9. ába Kadánhajtású izlandi geotemikus szivattyú elvi ajza (foás: [27]) A későbbiekben egye nagyobb métékben tejedtek el az elektomos hajtású búvászivattyúk. A leggyakabban alkalmazott ilyen szivattyúk 190 mm külső átméőjűek és 40 lite/másodpec szállítóképességűek. Kialakításuk változtatható fokozatszámot enged meg, így biztosítva az elvát szállítási magasságot és téfogatáamot a teljes működési időtatama. 11

13 I.10. ába Kadánhajtású izlandi geotemikus szivattyú az I.8. ábán látható kútban (foás: Szező felvétele) I.11. ába Villamos hajtású búvászivattyú elvi ajza (foás: [27]) 12

14 A villamos hajtású búvászivattyúkat méetezni kellett a hőtágulása és esetenként kiegyensúlyozott fogólapát koszoú axiális teheléseie nagy mélységű elhelyezés esetén. A szivattyú hajtótengelyét teflon csapágyazással látták el, aminek a kenését a kútból vett, szűt vízzel biztosítják. Az ilyen szivattyúk nagyon jó megbízhatósággal bínak, amit például a 6 ~ 12 éves működési idővel tudunk jellemezni. Jelenleg az I.11. ábán látható olcsó elektomos búvászivattyúkat alkalmazzák a 90 o C-nál nem melegebb kisebb kutak esetén. A vízszint ellenőzésée nitogén gázbuboék méőket alkalmaznak. I.4.3. GEOTERMIKUS VÍZ Az alacsony hőmésékletű geotemikus víz csapadékvíz eedetű. Kémiai egyensúlyba keül a foó vulkáni kőzettel, mely alapvetően bazalt vagy andezit. Az izlandi temálvizek esetén az ásványosodás nagyon alacsony, a teljes oldott sótatalom (TDS) 200 ~ 400 mg/kg, a szilika-tatalma jelentős, de a só a tengepathoz közel a kloid szint eléheti 4000 mg/kg étéket is. A távfűtése alkalmazott víz magas ph-ja magas, továbbá a só és gáz koncentáció függvényében hét csopotba soolható (a kloid tatalom 50 mg/kg alatt vagy felett van, és a hidogén szulfid válaszvonala 0,1 mg/kg, stb.). Van egy-két sós endsze a tengepatok közelében, ahol a beszivágás miatt a kloid szint 2000 mg/kg fölötti étékű is lehet. I.12. ába Kiakódás egy geotemikus endszeben alkalmazott csővezetékben (foás: Szező felvétele) A legfőbb oldott gáz az N 2 nitogén, ami a tatályban könnyen eltávolítható. A víz metán-tatalma hőenegia előállítása hasznosítható. A koózió csak az oxigénnel való keveedés esetén okoz poblémát, főleg a táoló tatályokban. Fontos itt megjegyezni, hogy a magyaoszági temálvizek sótatalma magas. Ez bizonyos szempontból jó, met ezek gyógyító hatásai adják a hévizeink világhíét. A temálvíz minősége, összetétele vízkémiai szempontból a temálvíz temelő kút 13

15 helyének, mélységének függvényében a geológiai, hidogeológiai jellemzőknek megfelelően, igen széles hatáok között változik. A sótatalmat hévizeinkben döntően kalcium-, magnézium-, és nátium-ionok kloid-, szulfát- és hidogén-kabonát fomái alkotják. Például Debecenben a kitemelt temálvíz sótatalma a mélységtől függően (mélyebbe haladva emelkedik) mg/l között változhat, Nátium-tatalma pedig szintén magas mg/l. A hévizek vízkőkiválási és a koóziós tulajdonságait tekintve figyelembe kell venni az összes oldott sótatalmat, összetevőke bontva a kationok, anionok fajtáját, mennyiségét, a víz egyensúlyi phját, a jelenlévő gáztatalmat, stb. [25]. Ezek a hatások a bennük lévő hőenegia hasznosításánál is poblémákat okoznak, vagy okozhatnak, illetve azt jelentősen kolátozhatják. Ennek megfelelően a kémiai összetevőket endszeesen ellenőizni kell, illetve hatékony módszeeket kell kifejleszteni a magas koncentációjú komponensek felhasználást segítő csökkentésée. A teljes geotemikus endsze a könyezettel hidodinamikai, mechanikai és temikus kölcsönhatásban áll. A ezevoában a megcsapolás előidézte nyomáscsökkenés és a visszasajtoló kútnál jelentkező túlnyomás inhomogenitást idéz elő, amely a endszeben a tömeg, az impulzus és az enegia áamát okozza. A besajtoló-szivattyú a endsze másik olyan pontja, ahol mechanikai enegia bevezetésée keül so. A megnövelt nyomású lehűlt hévíz a visszasajtoló kúton keesztül áamlik a ezevoába, nyomása lényegesen, hőméséklete kis métékben növekszik az áamlás soán. A ezevoába éve a víz úja a temelő kút felé sziváog, közben tovább melegszik, így a ciklus ismétlődése esetén a visszakeingetett víz a kőzet belső enegiájának egy észét is átveszi és felszíne hozza. A belső enegia tanszpotját közvetlenül ugyan nem befolyásolja, de az enegiatemelő endsze működéséhez szoosan kötődik néhány fizikai és kémiai folyamat. A lehűlő és csökkenő nyomású fluidumok oldott sziládanyag- és gáztatalma kiválik, vízkövesedést, esetleg a kút vagy a vezetékek elzáódását is okozhatja. A ezevoában is kialakulnak a temelés következtében kémiai változások. az egyensúlyi nyomásállapot megszűnése a kőzetfeszültségek átendeződésée, külszíni talajsüllyedések kialakulásához vezethet. A temálenegia-kitemelő endszeek modellezése melynek alkalmazott módszeeit a III. Fejezetben íom le észletesen esetén az alábbi főbb kédéseke keessük a választ: mekkoa a modellezett ezevoá enegiatatalma? adott intenzitású kitemelés esetén mekkoa a mező élettatama? milyen minőségű a kitemelhető enegia? (Köztudott, hogy a fluidum belsőenegiájából annál nagyobb hányad hasznosítható, minél magasabb hőmésékleten áll endelkezésünke.) 14

16 II. FEJEZET TERMODINAMIKAI ALAPOK II.1. BEVEZETÉS A kutatási jelentés második fejezetének célja a geotemikus endszeekben lejátszódó temikus folyamatok leíása. Ezt azét tatom célszeűnek, mivel egy adott geotemikus endszeben lezajló hőtani folyamat meghatáozza a endsze azaz a geotemikus endszee jellemző fluidum, a víz temodinamikai csopotokon belüli helyét, illetve ezzel a gyakolati, műszaki felhasználási teületét. A fejezetben legelőbb a (folyadék gőz) halmazállapot változás temodinamikáját ismeheti meg az Olvasó főleg a [20] iodalomban leítak alapján. Ezt követően a geotemikus ezevoáok temodinamikája keül övid bemutatása a [11] és [14] publikációka támaszkodva. II.2. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK TERMODINAMIKÁJA A vízgőz is, mint bámely gőz, páolgás és foás útján hozható léte folyadékból (vízből) hőfelvétel útján. Egy anyagnak a cseppfolyós halmazállapotból töténő gőzzé alakulása a gőzképződés folyamata. Páolgás az a gőzképződés, amiko egyes nagysebességű molekulák a kohéziós eőket legyőzik és kiepülnek a könyezetbe. A páolgás météke nő a hőméséklettel. A foás folyamata kőközlés hatásáa állandó hőmésékleten megy végbe. (Például Pa könyezeti nyomás esetén a víz foása 100 o C (373 K) hőmésékleten következik be.) Ekko az anyag fizikai tulajdonságaitól függő nyomáson a folyadék egész tömegében megindul a gőzképzős. A keletkező gőzbuboékok a könyezetbe epülnek. A gőzből töténő hőelvonás folyadék képződését, azaz a gőz kondenzációját vonja maga után. A kapott folyadékot kondenzátumnak nevezzük. A gőzképződés, az elgőzölgési folyamat illusztálásáa képzeljünk el egy hengeben súlódásmentesen elmozduló dugattyút, aminek külső felületée állandó nagyságú és iányú F eő hat (II.1. ába). A dugattyúval biztosított izoba (p = állandó) nyomásgöbe a p-v diagamban az a b c d e, míg a T-v diagamban az a b c d e vonalnak felel meg. A bevezetett q hőmennyiséget egységnyi tömegű víz veszi fel, ami kiindulásko az adott nyomáson az a pontban található. A gőzképződés folyamatában a következő szakaszokat különböztethetünk meg: a b szakasz: A vízzel hőt kell közölnünk, hogy eléje a telítési hőmésékletet, tehát a folyadék foási hőmésékletét az adott nyomáson. A b pontban telitett víz van, míg az alsó hatágöbe túlsó oldalán a folyadék és a gázfázis egyidejűleg egymás mellett is fennáll, ez a telítési állapot. 15

17 b d szakasz: Ez a telítési állapotnak felel meg, ilyenko a vízzel hőt közlünk, állandó hőmésékleten a víz elgőzölög ohamosan növekvő fajtéfogat mellett. A d pontban száaz telitett gőz található. A vizsgált szakasz minden egyes pontjában kétfázisú állapot áll fenn, amit nedves gőz állapotnak is nevezünk. II.1. ába A folyadék gőz halmazállapot változás vizsgálata (foás: [20]) A telítési állapotot egy állapotjelző a p s telítési nyomás vagy a T s telítési hőméséklet egyételműen meghatáozza. A nedves gőz mezőben valamely állapotjelző mellett a fajlagos gőztatalom étékét is meg kell adni. Ismeetes, hogy adott nyomáshoz meghatáozott telítési hőméséklet, illetve adott hőméséklethez meghatáozott telítési nyomás tatozik. Az összetatozó telítési nyomás- és hőméséklet étékeket p-t diagamban felvíve az úgynevezett tenzió vagy gőznyomásgöbét kapjuk meg. A víz gőznyomásgöbéjét az egyes fázisok, nevezetes pontok feltüntetésével a II.2. ábán láthatjuk. A tenziógöbe a K kitikus pontba fut be. 16

18 II.2. ába Víz gőznyomás göbéjének ételmezése (foás: [20]) A vízgőznek a II.2. ába K pontjában meglevő kitikus paaméteei: p T v K K K 2 = 2, ba = 647,15 K 3 = 0,00326 m kg ( t K o = 374,15 C) II.3. ába Tiszta víz nyomás entalpia diagamja (foás: [11]) 17

19 A II.3. ábán a tiszta víz nyomás entalpia diagamja látható különböző izotemákat, illetve a jobboldalon a talajszínt alatti mélységet is szemléltetve. A B kitikus pont fölötti hőmésékleteken és nyomásokon a tiszta víz csak egy szupekitikus fázisban van jelen. Az A ponttal jellemezhető szupekitikus folyadék entalpiája közel 2100 J/gamm, felfelé áamolva (azaz a gafikonon lefelé haladva) nyomása csökken és adiabatikus hőméséklet csökkenést él át, így jut el a B jelű kitikus pontig. További nyomáscsökkenés esetén két fázisa bomlik, víze és gőze (E és D pontok). A függőleges A B vonaltól bala (A E és A L) lévő göbék olyan lehetséges módokat szemléltetnek, amiko a feláamlás konduktív hőméséklet csökkenéssel kísét, azaz a szupekitikus víz foó vízzé alakul át foással vagy foás nélkül. Ez epezentálja a magas hőmésékletű, víz-domináns geotemikus ezevoáokat. A gafikonon a H D göbe azt az esetet jellemzi, amiko a szupekitikus víz a E és D pontokkal epezentálható gőzzé és vízzé válik szét. Ez a gőz-domináns geotemikus ezevoát jelenti. A vígőznél a háom (p; T; v) temikus állapotjelző között egyételmű kapcsolat áll fenn. Ezt a kapcsolatot vízgőz esetén az f ( p; T; v) = 0 háomdimenziós állapotfelülettel ábázolhatjuk izometikusan (II.4. ába). Figyeleme méltó, hogy a hatágöbék közötti felület nem kettős göbületű felület (mint az állapotfelület egyéb észei), sőt hatáesetként egyes anyagoknál sík is lehet. II.4. ába Vízgőz háomdimenziós állapotfelülete (foás [20]) 18

20 II.3. GEOTERMIKUS REZERVOÁROK TERMODINAMIKÁJA A geotemikus ezevoáok nyomásváltozásának pontos modellezéséhez, szimulálásához mind a tömegáam, mind a hőmennyiség ki- és belépését le kell ínunk, azok egyensúlyi egyenleteivel együtt. Egy egyfázisú, alacsony-hőmésékletű geotemikus ezevoá esetében azonban az enegiaegyensúlyt elhanyagolhatjuk és csak a tömegáam egyensúlyt kell vizsgálnunk a geotemikus ezevoá nyomáshőméséklet tulajdonsága miatt. A II.6. ába a tiszta víz p-t diagamja látható, megjelölve a kitikus pontot, valamint azt a többi lehetséges pontot, mely a geotemikus ezevoá kezdeti állapotának felelhet meg. Elsőként tételezzük fel, hogy az A kiinduló állapotban a gőz zónán kívül található a ezevoá. A hőméséklet a foáspont göbe felett van, az ualkodó nyomás és a gőz fázis szabályozza a ezevoában lévő nyomást. A folyadék temelés hatásáa a ezevoányomás csökken és a hőméséklet az 1 jelű szaggatott vonalat követi. Az aktuális temelési göbe az ilyen ezevoá esetén nem lehet izotemikus, bá a hőmésékletesés túlságosan kicsi lehet az átlagos műszeek méési pontosságához képest. Az A ponthoz hasonló kiinduló állapotok a gőzdomináns geotemikus ezevoáokat epezentálja, ahol nem foó víz keletkezik a temelési folyamat soán. II.6. ába Tiszta víz p-t diagamja (foás. [14]) A foáspont göbén elhelyezkedő B pont esetén a gőz és a víz is együtt van jelen (ezt nevezzük kétfázisú endszenek). A temelési folyamat soán a hőméséklet és a nyomás is csökken a foáspont göbe mentén. A kitemelt gőz-foó víz aány folyamatosan csökken, ahogy az összes víz elfo. A hőméséklet ezután eltávolodik a foáspont göbétől és lényegében nem változik (2 jelű szaggatott vonal). A II.6. ába C pontja egyezik meg az alacsony hőmésékletű folyadék-domináns geotemikus ezevoáal. A víz hőméséklete a foáspont göbe alatt található, az 19

21 ualkodó nyomás és a folyadék fázis szabályozza a ezevoá nyomását. A nyomás csökken ha a folyadéktemelés folyamatos és a hőméséklet a 3 jelű szaggatott vonal mentén csökken. Noha váható, hogy a 3 jelű vonal metszi a foáspont göbét, de ez nem következik be, amíg a ezevoá nyomás a kezdeti állapot egy kis hányadáa le nem csökken. Az aktuális állapotváltozás lényegében izotemikus lesz, amíg a foás végbe nem megy a kitemelés soán. Ehhez feltételezzük, hogy nincs szignifikáns hidegvíz beáamlás (visszasajtolás) a endszebe, ami jelentősen befolyásolva a geotemikus ezevoá kiaknázása adott válaszát. II.7. ába Nyomás-kumulatív folyadék kitemelés diagam (foás: [14]) A II.7. ába a nyomásváltozást szemlélteti a kezdeti folyadék kitemelés hányadának függvényében a II.6. ábán má megismet A (gőz-domináns); B (kétfázisú) és C (folyadék-domináns) típusú ezevoáok esetében. A különféle ezevoáok összehasonlítása megmutatja a teljes endsze összenyomhatóságának hatását a folyadék kitemelése és a nyomáscsökkenése. A teljes endsze összenyomhatósága lényegében fodítottan aányos az ába göbéinek meedekségével. A gőz fázis összenyomhatósága (c ResevoiA ) nagyobb a folyadék fázis összenyomhatóságánál (c ResevoiC ) mivel a gőz expanziója nagyobb a folyadékok expanziójánál. Másfelől a kétfázisú endsze összenyomhatósága nagyobb a másik két endszeénél, azaz: c ResevoiB > c ResevoiA > c ResevoiC. A II.7. ábán az 1Φ és a 2Φ jelű göbék azt szemléltetik, hogy a C típusú ezevoá egyfázisú, folyadék-domináns. Az 1Φ jelű göbe mentén a víz hőméséklet a foáspont göbe alatt van a ezevoában ualkodó nyomáson (II.6. ába) és addig csak a folyadék fázis hatáozza meg a nyomásváltozást a ezevoában. Ahogy a folyadékkitemelés folytatódik a ezevoá nyomása ohamosan csökken mivel a folyadék expanzió és a kőzettömöítés biztosítja a hajtóeőt az 1Φ jelű göbe mentén, és a 20

22 hőméséklet csökken a II.6. ába gafikonjának 3 jelű göbéjén. Végül metszi a foáspont göbét, ahol a kétfázisú, foásban lévő endsze kezd el működni. A továbbiakban temelés növekedése azt okozza, hogy a kétfázisú belső gőz működteti a C típusú ezevoát, amit a 2Φ jelű göbe szemléltet a II.7. ábán. Ha a geotemikus endsze víz visszasajtolással endelkezik és lehetséges szabadfelszínű táolás a C típusú ezevoá temelése a II.7. ába szaggatott göbéit követi, a visszatáplált folyadék mennyisége, illetve a szabadfelszínű táolás hatása függvényében. 21

23 III. FEJEZET ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ GEOTERMIKUS RENDSZEREK MODELLEZÉSE III.1. BEVEZETÉS Jelen fejezetben alapvetően az [1]; [2]; [3]; [4]; [5]; [6]; [7]; [8]; [9]; [13] és [14] iodalmaka támaszkodva mutatom be az alacsony hőmésékletű geotemikus ezevoáokban lejátszódó folyamatok főleg temodinamikai és áamlástani modellezési lehetőségeket. Előbb a modellezési eljáások csopotosítását mutatom be, többféle szempont alapján. Ezt követően a koncentált paaméteű geotemikus endszemodelleket ismetetem, különböző endszeszekezet esetée. Végezetül az izlandi LAUGARNES geotemikus mező példáján keesztül szemléltetem az alkalmazási lehetőségeket. Fontos itt hangsúlyozni amit a felhasznált iodalmak többsége is súlyponti kédésnek tat miszeint minden esetben az adott geotemikus endszehez, valamint a kitemelési pojekt aktuális fázisához kell meghatáozni, teste szabni az alkalmazandó modellalkotási és vizsgálati eljáást. III.2. MODELLEZÉSI ELJÁRÁSOK A [13] iodalom szeint háom főbb módsze alkalmazható a geotemikus ezevoáok modellezésée. Ezek az esésgöbe elemzés, koncentált paaméteű modellezés, valamint a numeikusmodellezés. Mindegyik módszet az alábbiakban öviden ismetetem. III.2.1. ESÉSGÖRBE ELEMZÉS Az esésgöbe elemzést a jövőbeli foásapadás előejelzésée alkalmazzák a mét szállítási sebesség adatoka illesztett algebai egyenlet segítségével. A foásapadás előejelzését fel lehet használni a kiegészítő (pótlólagos) foások számának becslésée. A kédésköel foglalkozó iodalmak számos függvénytípust javasolnak, többek közt exponenciálist, hipebolikust, és hamonikus kifejezéseket. Az esésgöbe elemzéseket nagyobb sikeel használják a gőz-domináns endszeek elemzéseko, még folyadék-domináns ezevoáok esetén má kevésbé sikees alkalmazásuk. Az esésgöbe elemzések fő poblémái, hogy a megfelelő elméleti alapjuk hiányzik, illetve nem alkalmazhatók a mezők működtetésének (például a visszasajtolás) elemzésée. III.2.2. KONCENTRÁLT PARAMÉTERŰ MODELLEK A szakiodalmak, lényegében csak a hagyomány kedvéét, külön tágyalják a koncentált és osztott paaméteű modelleket, noha a koncentált paaméteű modellek duva tébeli diszketizálással leegyszeűsített osztott paaméteű modelleknek 22

24 tekinthetők. A koncentált paaméteű modellek előnyei az egyszeűségük, és az a tény, hogy megoldásuk nem követel jelentős numeikusszámítási kapacitást. De, több hátánnyal is bínak, ezek: nem veszik figyelembe a ezevoáon belüli folyadékáamlást; figyelmen kívül hagyják a ezevoá jellemzőinek, valamint a hőtani jellemzők tébeli eloszlását; nem tudják összehangolni a kitemelt folyadék átlagos entalpiáját és a nem jelentős gázkomponenseit, a nagyméetű ácsháló miatt; nem képesek szimulálni a fázis vagy temikus fontokat duva tébeli diszetizálás következtében; nem képesek figyelembe venni a foások és a visszasajtolások egymáshoz képesti elhelyezkedését. A koncentált paaméteű modelleket mint a tanulmány fő témaköét a III.6. fejezetben észletesen fogom tágyalni. III.2.3. OSZTOTT PARAMÉTERŰ (NUMERIKUS) MODELLEKET Az osztott paaméteű modellek nagyon általános modellek, melyek a ezevoáok modellezésée alkalmaznak néhány (ami azonos a koncentált paaméteű modellel) vagy nagyszámú (100 ~ 1000) hálópont alkalmazásával. Alkalmazhatóak a teljes geotemikus endsze modellezésée, mely magába foglalja a ezevoát, a záó kőzetet, az alapkőzetet, a sekély hidegvíztáolót, az utántöltési zónákat is. Megengedi a kőzet tulajdonságainak és a temodinamikai paaméteeknek e tébeli változását. Az osztott paaméteű modellek alapvető előnye számos matematikai numeikus módszeel megoldhatók, úgy, hogy a felhasználó meghatáoztatja a figyelembe veendő fizikai folyamatot, és a ácsháló méetet. Hátánya, hogy jelentős numeikusszámítási kapacitást és modellezési, pogamozási gyakolatot igényel. III.2.4. AZ ALKALMAZANDÓ MÓDSZER KIVÁLASZTÁSA A ezevoá kapacitásának becslése egy a geotemikus mező feltáásától kezdve annak teljes kiaknázásáig tató időben folyamatosan megoldandó feladat Ez a folyamat túlnyúlhat aká 30 éven is, így aká több modellezési módszet is alkalmazhatunk. Egy adott geotemikus mező esetén a teljes pojekt különböző szakaszaiban eltéő módszeek alkalmazhatóak a legjobban. A kutatási, feltáási szakaszban geológiai és geofizikai vizsgálatokkal, felszíni foások geokémiai mintavételezéseivel hatáozhatják meg a kiaknázandó készlet kitejedését és a lehetséges fúási hőmésékleteket. Ebben a fázisban a kutak fúása még nem töténik meg, az áteesztési étékek még nem ismetek, így az egyetlen alkalmazható becslési eljáás a téfogat (táolt hő) módsze. Ez az eljáás magába foglalja a ezevoában táolt teljes hőmennyiség, majd a kinyeési tényező alkalmazásával a kinyehető enegia becslését. Jóllehet, ebben a szakaszban a endelkezése álló adatok szűkösek, a téfogati módszeel töténő közelítő 23

25 készletkiétékelés eedményei má alkalmazhatóak. Ezek alapján hatáozzák meg, hogy a további kutatási befektetések (például fúások) indokoltak-e. Amint néhány kutat má kifútak, a nyomásváltozási adatok a endelkezésünke állnak és az adatok elemzése becslési lehetőséget biztosít a ezevoá áteesztőképességének meghatáozásáa. Ebben a fázisban a volumetikus megközelítést má nem célszeű alkalmazni, mivel az nincs tekintettel a vízáteesztő képessége. Ilyenko egy egyszeű koncentált paaméteű modellt ajánlott alkalmazni, melyet nem fontos az előzőekben, a koai koncentált paaméteű modellekkel azonos módon felállítani. Ezt követően, ha má elegendő kitemelési tapasztalattal és adattal bíunk, az egyetlen becslési eszköz az összes endelkezése álló mezőadat összevonása, azaz az osztott paaméteű modell alkalmazása. Ez az egyetlen olyan modell, mely képes eális étékbecslése az összes fontos ezevoámenedzsment kédésekkel kapcsolatban. III.3. TERMÉSZETES ÁLLAPOT MODELLEZÉS A geotemikus ezevoáok geológiai idők soán alakultak ki. A még temészetes állapotban fellépő hőtani változások jóval kisebb métékűek, mint a későbbi kiaknázási időszakban. Ezét legpaktikusabbnak az tűnik, ha a geotemikus mezők temészetes állapotát kvázi stacionenek tekintjük. A temészetes állapot kvantitatív modellezése hasznos infomációkat adhat a geotemikus foások becslésée és a hasznosításuk tevezésée. A temészetes állapot kvantitatív modelljének észben az előzetes, koncepcionális modelle kell támaszkodnia, és észben különféle (például geológiai, geofizikai, geokémiai és ezevoá-ménöki) infomációka. A különféle szempontok számszeűsítése alapján a koncepcionális modellt tesztelni és finomítani lehet. Egy jó temészetes-állapot modellt kvalitatív vagy kvantitatív módon illeszteni kell a szélesköű a fontos ezevoá paaméteekkel kapcsolatos megfigyelések eedményeie. Ilyen adat lehet például a kőzet átbocsátó képessége, valamint a mélységi közeg- és hőáamlás peemfeltételei. Noha a fenti paaméteek egyételmű számszeűsítése nem oldható meg, de meghatáozhatók azok a kolátozások, melyeket figyelembe kell venni a ezevoá kiaknázásával kapcsolatos válaszaink megfogalmazásako. Néhány kevésbé komplex geotemikus endszee sikeesen alkalmazott analitikus és fél-analitikus módszeeket dolgoztak ki. A temészetes állapot észletes leíása általában numeikus modellt és ismételt közelítést igényel. Ezek a modellek kvantitatív infomációkat adnak a temészetes utántöltődésől, kibocsátásól, folyadék- és hőáamlásól, a foási-zóna kitejedéséől, az áteesztőképesség (hoizontális és vetikális) képződéséől, hőméséklet- és nyomás eloszlásáól, és a feláamlási zónák tébeli kitejedéséől. A III.1. ába az izlandi KRAFLA geotemikus mező kétméetű, függőleges hőméséklet és folyadékáamlási eloszlását szemlélteti. A nyugati észen tapasztalható hőmésékletesés a HVERAGIL vízmosás hatásának eedménye. A szimuláció nagy áteesztőképességet mutat a HVERAGIL alatti feláamlási zónában. Az egymást követő közelítések ezen zóna iányított fúásokkal töténő meghatáozásáa jónak ígékező eedményeket mutatnak. 24

26 III.1. ába KRAFLA geotemikus mező kétméetű, függőleges hőméséklet és folyadékáamlási eloszlása (foás: [6]) Példák igazolják, hogy a temészetes-állapot modellek fontosak a megfelelő pontosságú ezevoábecslésekhez. Ez látszik az egyetlen alkalmas módnak, mellyel konzisztens kezdeti és peemfeltételek hatáozhatók meg a kiaknázási modellek kidolgozásához. III.4. KIAKNÁZÁSI MODELLEZÉS A ezevoá ménökség feladatai közt található egy adott geotemikus mező fejleszthetőségének, illetve a foásbőség csökkenésének becslése, valamint az előzőek alapján altenatív fejlesztése tevek kidolgozása. Ezek a feladatok legjobban egy az összes mezőadata átfogóan alkalmazható modell kidolgozásával oldhatók meg. A legfontosabb mezőadatok a ezevoá tulajdonságai (áteesztőképesség és a poozitás), a endsze temodinamikai állapota (nyomás, hőméséklet, telítettség és a kémiai koncentációk), illetve a kitemelési előzmények (tanziens áamsűűség, entalpia, kémiai jellemzők és ezevoányomás). Ha mindegyik adat a endelkezésünke áll, akko lehetőségünk van egy olyan modell megalkotásáa, mely képes a geotemikus endsze jövőbeli viselkedésének megbízható leíásáa. A legtöbb esetben ezek az adatok nem állnak teljesen a endelkezésünke, ezét az ézékenységi tanulmányok soán csak a legfontosabb paaméteeket vizsgálják a szakembeek. 25

27 Ha kitemelési modellt kell készítenünk, a modellalkotást leginkább a modellvizsgálat célja alapján kell elvégeznünk. Általános esetben az alábbi kédések közül egye vagy többe kell tudnunk válaszolni: 1. Mi hozza léte a potenciált a endszeben? 2. Mekkoa kitejedésű a megfelelő foásteület? 3. Milyen gyosan esnek a foások teljesítményei? 4. Hogyan fog változni a kitemelt folyadék átlagos entalpiája és kémiai összetétele az idő függvényében? 5. Hogyan fog hatni a foások teljesítményée a lehetséges visszasajtolás? 6. Mi a visszasajtolás hosszú távú hatása a ezevoá viselkedésée? 7. Hova célszeű elhelyezni a visszasajtoló kutakat? III.2. ába Kitemelési modell megközelítési módok (foás: [7]) 26

28 A kitemelési modellek eltéő típusai különböző lehetőségeket biztosítanak a fenti kédések megválaszolásáa. A III.2. ába sematikusan szemlélteti a különféle modellezési megközelítéseket. A koncentált paaméteű modell általában csak egy ezevoá blokkot és egy szomszédos utánpótló blokkot tatalmaz. Csak a ezevoáok általános kapacitásának (1. kédés) közelítő becslésée használható fel, jóllehet néhány elemző megpóbálta az entalpia és a kémiai adatok összehangolásáa alkalmazni. A koncentált paaméteű modell nem alkalmas az entalpia és a kémiai koncentációk változásának hosszú távú leíásáa, mivel ezek a jellemzők nagymétékben az utánpótlás függvényében alakulnak ki. A koncentált paaméteű foásmező modell mely átmenet a koncentált és osztott paaméteű modellek között a legalkalmasabb az általános mezőkapacitás becslésée azaz az 1. kédés megválaszolásáa. Ezenkívül, ez a típusú modell alkalmas a kitemelt folyadék jellemzőinek (entalpia és kémiai összetétel) hosszú távú előejelzésée is (4. kédés). Az úgynevezett foástól foásig modell alkalmas az összes fenti kédése választ adni, de a legkomplexebb geotemikus endszeek esetén teljes, háomdimenziós leíást igényel. Az ilyen modell felállítása jelentős munkaáfodítást és számítási kapacitást, és így költséget igényel kezdetben, amiko a modellt illesztik a vizsgált endszehez az összes endelkezése álló adta alapján. III.4.1. KONCENTRÁLT FORRÁSMEZŐ MODELLEK Az úgynevezett koncentált foásmező modelleket a endsze általános kapacitásának becslésée alkalmazhatjuk. Az ilyen, kidolgozott modellek többsége kétdimenziós teület modell, bá készítetek függőleges keeszt, és függőleges adiális (R Z) kétméetű modelleket is. Egy kétdimenziós geotemikus mező modell felállításako elsőként el kell dönteni, hogy a fentiek közül melyik típusú modell lesz a legalkalmasabb. A döntést leginkább befolyásoló adatokat a hidogeológiai modell adja, úgymint a temészetes állapota jellemző hőméséklet, nyomás, kémiai koncentációk eloszlása, valamint a belső folyadékáamlás jellemzői. Ha a geotemikus eltéések közel hengeszimmetikusak, akko temészetesen a adiális (R Z) modellt célszeű előnyben észesíteni. Ez egyszeű és így gyos számítási eljáást igényel. Ha a mező adatai azt mutatják, hogy a foáseők valamely iányban közel azonosak, akko a kétdimenziós teületmodellt legcélszeűbb alkalmazni. Ennek nagy hátánya, hogy szegényes a vetikális felbontás (csak egy éteget vizsgál, és figyelmen kívül hagyja a gavitációt), ami több hibához is vezethet. Ezzel ellentétben, jól modellezi az oldaliányú áteesztéseket és az összetett feláamlási zónákat. Általánosan, a legkevésbé aktaktív a kétdimenziós koncentált foásmező modellek közül a függőleges keesztmetszeti modell, a kolátozott foás meghatáozási képessége miatt. Az ilyen modell a temészetes állapot leíásáa akko alkalmas, amiko a nyomás-gadiens egy iányban egyenletesnek tekinthető és így a keesztáamlások elhanyagolhatóak. Ez legtöbb geotemikus mező esetén igaz. Temészetesen, a háomméetű koncentált foásmező modell fogja 27

29 megmutatni a legészletesebb eedményeket a endszeől az ilyen típusú modellek közül. De ezek hátánya mindenképpen a kitejedéssel exponenciálisan növekvő numeikus számítási munkaigény. III.3. ába Példa a foástól-foásig modell numeikus ácshálójáa (foás: [7]) III.4.2. FORRÁSTÓL-FORRÁSIG MODELLEK Egy foástól-foásig modell kidolgozásako az első legfontosabb feladat eleváns adatokkal egyező előzmény keesése. Minden egyes foáshoz a modellt úja kell kalibálni a mét téfogat és entalpia áam, valamint ha lehet a kitemelés kémiai koncentációi (oldott szilád anyagok, nem kondenzálható gáz) alapján. A modellt a teljes ezevoá nyomásesésée is kalibálni kell. Ezt követően az egyedi foások (kutak), és így az egész mező, teljesítmény előejelzése elvégezhető. Például a III.3. ába egy ilyen típusú modell foás-felosztását szemlélteti. Amiko a övidtávú (havi léptetésű) téfogat- és entalpiaáam előejelzés illeszkedik a mét adatoka, az ábán látható ács má túl duvának tűnhet. A koábbi adatokkal való kellő métékű egyezés eléhető egy, a ácshálózatba beágyazott adiális hálózattal, mely magába foglalja foásokat is. A ácsok vetikális méetét alapvetően a foásokat tápláló zóna elhelyezkedése hatáozza meg. III.5. AZ INJEKTÁLÁS MODELLEZÉSE A legtöbb geotemikus mező esetén az elfolyó víz visszasajtolását figyelembe kell venni a mező jövőbeli viselkedésének becslése soán, mivel ez egy elfogadott hulladék elhelyezési módsze is. A visszasajtolás modellezéseko számos bonyodalom léphet fel, különösen tekintettel a hidegvíz font mozgásáa, illetve a 28

30 lehetséges, felszín alatti változó áteesztő étegekben lejátszódó, kémiai eakcióka. A III.4. ába egy tipikus kétpólusú, kitemelési visszasajtolási endszet ábázol. A ezevoában meglévő vetődések övidzálatot is okozhatnak a besajtoló és kitemelő kutak között. A másik potenciális veszély, hogy a besajtolt víz túlhevülhet a felszín alatti vízzel. III.4. ába Kétpólusú (kitemelési visszasajtolási) geotemikus endsze elvi sémája (foás: [13]) A visszasajtolás geotemikus ezevoá nyomás tanzienseke gyakoolt hatásainak modellezésének eedményei közvetlenül összehasíthatók a hideg vízfont visszasajtoló kúttól töténő haladásával. A hosszú távú nyomástanziense vagy a kitemelés számításáa a lukacsos közvetítő modell gyakan ad jó közelítést, a töedezett endsze esetén a hidegvíz font modellezés az úgynevezett töedezet modell alkalmazását igényli. A hidegvíz visszasajtolásának egyik poblémája, hogy a kitemelő kútnál koai áttöés léphet fel, ami csökkenti a kitemelt folyadék entalpiáját és hőmésékletét. A hidegvíz mozgásának előejelzése édekében ismenünk kell a endsze töési szekezetét. Sajnos, ez az infomáció nem ismet a geotemikus endszeek többségénél. De, előe jelezhető a nyomkövető adatokból vagy más geofizikai eljáásokból. III.6. KONCENTRÁLT PARAMÉTERŰ MODELLEK A koncentált paaméteű geotemikus endszemodellezés az osztott paaméteű, numeikus modellezés eősen leegyszeűsített változatának tekinthető. A numeikus modell esetén, a ezevoát számos (100 ~ 10 6 ) ácspontként kezeljük, és az összes ácspont paaméteeinek átlagát vesszük figyelembe. A koncentált paaméteű modell esetén viszont a geotemikus ezevoát, mint egy egyszeű vagy kevés, homogén ácspontot tatalmazó endszet vizsgáljuk. A ezevoányomás (vagy vízszint) megfigyelt változásai, valamint a folyadék temelés besajtolás aány jól összeegyeztethetőek a koncentált paaméteű modell eedményeivel. Következésképpen, egy adott geotemikus mező folyadék és/vagy enegiatemelési potenciálja meghatáozható különböző feltételezett ezevoá menedzsment 29

31 fogatókönyvek esetée. Koncentált paaméteű modellvizsgálatok soán a geotemikus endszet háom fő észből állónak tekintjük, úgymint: a ezevoá középső észe; a ezevoá külső észei az utántöltési foás. Az első kettőt, mint homogén táolókat kezeljük, azok átlagos paaméteeikkel jellemezzük. Megközelítésünkben a ezevoá külső észei egy vagy több külső észt jelentenek, melyek a következők lehetnek: a ezevoá külső észe(i); a ezevoá mélyebb észe(i); könyező vagy sekélyebb hidológiai elem vagy elemek. Az utántöltési foás a ezevoá többi eleméhez kapcsolódik, vagy közvetlenül a ezevoá központi észéhez, amiko mint pontszeű foás kezeljük. Ez a háom ész, mint koncentikusan elhelyezkedő egységek kezelhetők (III.5. ába). Az a megközelítés is lehetséges, hogy a háom észt, mint kapcsolódó táolók soozata vizsgáljuk (III.6. ába). A III.6. ábán látható egyszeű két-táolós koncentált paaméteű modell esetén az első táoló, melyben a kitemelés/betáplálás töténik, jelenti a geotemikus endsze legbelső (központi) észét. Az ezen belüli nyomásváltozást, valamint kitemelést betáplálást méik és ögzítik. A másik táoló a ezevoá külső észeit epezentálva csatlakozik az utántöltési foáshoz, sem temelés, sem betáplálás nem töténik, ez a táóló csak utántölti a központi táolót. III.5. ába Geotemikus (mint két-táolós, hengees) endsze észei (foás: [8]) 30

32 A folyadék kitemelése nyomáscsökkenést okoz a ezevoában, ami folyadék beáamlást indukál a ezevoá külső észeiből, táolóiból a központi táolóba. Az utántöltési foás a geotemikus endsze legmesszebb eső észeit jelenti. III.6. ába Geotemikus (mint két-táolós, soos) endsze észei (foás: [9]) A két táoló, valamint az utántöltési foás és a külső táoló közti vízáamlás különböző módon modellezhető. Gyakolati megfontolásból az alacsony hőmésékletű ezevoáok temodinamikai temelése izotemikusnak tekinthető, és így az enegia egyensúly egyenlete elhanyagolható. Egy geotemikus ezevoá kiaknázása soán, a visszasajtolt víz a endszebe csökkentett nyomással (vagy vízszinttel) lép be, és a ezevoányomás szinten tatását, a folyadék kitemelés pótlását biztosítja. Ezét a tömeg egyenlőséget leíó egyenletet ki kell egészíteni a tömegbeáamlást kifejező tagokkal azaz a m C pillanatnyi tömeg: m = m m + m0 + m, (III.1) C i P inj egyenlő, ahol: m i a ezevoá kezdeti tömege; m P kitemelt mennyiség; m o külső táolóból beáamló mennyiség; m inj visszasajtolt mennyiség. Zát, folyadék-domináns ezevoá esetén a kezdeti folyadék nagy nyomású víz. Ebben az esetben, ha a kitemelt víz mennyisége nagyobb a visszasajtolténál, a összenyomható víz expandál. Egy V téfogatú ezevoáa a folyadéktömeg az alábbi módon adható meg: m = φ ρ, (III.2) C V v ahol: φ a ezevoá poozitása; ρ v a folyadék sűűsége. Amiko a (III.1) és (III.2) egyenletek eltének az idő függvényében, alkalmazva az izotemikus állapotváltozás összefüggését, az alábbi anyagáamlási kifejezést 31

33 kapjuk: dp m& O m& P + m& inj = Vφ ρvct, (III.3) dτ ahol: c t a ezevoá teljes (folyadék és kőzet) összenyomhatósági tényezője: c = c + c, t f ahol: c f = 1 dρv ρv dp T, és c = 1 dφ φ dp T. Feltételezzük, hogy a c f és c összenyomhatósági tényezők állandóak. A kitemelés és a visszasajtolás különbsége definiálható úgy, mint tiszta temelés: w p. net = wp winj. (III.4) Ekko a (III.3) egyenlet az alábbi alaka módosul: dp m& O m& p. net = Vφ ρvct, (III.5) dτ Meg kell itt jegyezni, hogy sem a tanziens ezevoá hatásokat, sem a hőméséklet, sűűség vagy kompesszibilitás változást, valamint a hidegvíz visszasajtolás hatását nem vesszük figyelembe. A hideg víz visszasajtolása lokális, nem izotemikus hatásokat okozhat a ezevoában. Az egyszeűsítés hatása gyakolatilag elhanyagolható, főleg ha a visszasajtolás-kitemelés hányados magas. Ebben a dolgozatban az állandósult állapotú vízbeáamlási módszet vizsgálom a táolók közti, valamint az utántöltési foás és a kapcsolódó táoló közti visszatáplálási hányados leíásáa. Ez a módsze feltételezi, hogy az utántöltés egyenesen aányos a ezevoá és az utántöltési foás közti nyomáskülönbséggel, így az alábbi összefüggést kapjuk: ahol: m& = α p p ), (III.6) O ( i 32