Műszaki Földtudományi Közlemények, 85. kötet, 1. szám (215), pp. 213 219. NYOMÁS- ÉS HŐMÉRSÉKLET VÁLTOZÁS SZÉN-DIOXID-BESAJTOLÓ KÚTBAN TIHANYI LÁSZLÓ 1 HORÁNSZKY BEÁTA 2 1 egyetemi tanár Miskolci Egyetem, tihanyil@kfgi.uni-miskolc.hu 2 egyetemi tanársegéd Miskolci Egyetem horanszkyb@kfgi.uni-miskolc.hu Absztrakt. A szerzők egy 455 m mély szén-dioxid-besajtoló kút üzemviszonyait vizsgálták különböző kútfejnyomás és kútfej-hőmérséklet esetén. A vizsgálat célja annak elemzése volt, hogy a földgáznál lényegesen nagyobb sűrűségű közeg áramlása során hogyan változik a súrlódási, a gazosztatikus nyomás, továbbá a kettő eredője a mélység függvényében. A szerzők az olaj- és gázipari technológiai számításoknál széles körben használt HYSYS szoftver segítségével modellt készítettek a besajtolási folyamat hidraulikai viszonyainak vizsgálatára. A besajtolási ütem változtatásával széles üzemi tartományt vizsgáltak. A számítási eredmények jól szemléltetik, hogy a vizsgált közeg esetén a földgáz-kutakban megszokottól jelentősen eltérő nyomásváltozással kell számolni. Kulcsszavak: szén-dioxid-besajtolás, nyomásváltozás a kútban, súrlódási- és gazosztatikus nyomásváltozás a kútban 1. A LACQ-I KÍSÉRLETI PROJEKT BEMUTATÁSA A projekt keretében Franciaország déli területén, a Lacq-i földgázmezőben termelt földgáz egy részét villamosenergia-termelés céljára használták fel, és az égésterméket az erőműtől 29 km távolságra, 45 m mélységben lévő kimerült gáztároló rétegbe sajtolták. A kísérleti projekt 28 és 211 között valósult meg. Ezen időszak alatt 6 ezer t/év besajtolási ütemmel összesen 15 ezer tonna szén-dioxidot tároltak le. A tárolás során a korábban már kiépített infrastruktúrát hasznosították [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. A projekt technológiai rendszerének a sémavázlata az 1. ábrán látható. A besajtoló rendszer kezdőpontja a 3 MW teljesítményű villamos hőerőműnek a kilépési pontja, amelyen a leválasztott nagy szén-dioxid-tartalmú gáz 1,3 bar abszolút nyomáson állt rendelkezésre. A leválasztást követően a távvezeték indító pontjában 1 MW kapacitású, háromfokozatú dugattyús kompresszor a szállítandó gázt 27 bar nyomásra komprimálta. Az egyes fokozatok között és a végfokozatot követően a gáz hőmérsékletét hűtötték. A komprimált gázt egy létező távvezeték szállította az erőműtől 29 km távolságra a Rousse-mezőben lévő besajtoló kúthoz. Az RSE-1 kutat 1967-ben létesítették a Rousse-mező gázkészletének a kitermelése céljából. A Lacq-i szén-dioxid-
214 Tihanyi László Horánszky Beáta besajtolási projekt előkészítése során elvégezték a 4 évesnél idősebb kút felülvizsgálatát, amelynek során 11, 22 és 33 m mélységben nyomás- és hőmérséklet-érzékelőt és távadót, 418, 428 és 438 m mélységben pedig szeizmikus érzékelőket helyeztek el [1, 2, 3, 4, 5]. A besajtoló kútnál a gáz nyomását egy 33 kw-os, egyfokozatú dugattyús kompresszorral 51 bar nyomásra növelték. A gázt a besajtoló kúton keresztül 454 4566 m mélységben elhelyezkedő, letermelt gáztároló rétegbe injektálták [6, 7]. 1. ábra A Lacq-i projekt (Forrás: Aimard [2]) A Rousse-rezervoár kezdeti rétegnyomása 485 bar, réteghőmérséklete 15 o C volt. A rétegnyomás a földgáz kitermelési ciklusának a végére 4 barra csökkent. A szén-dioxid-besajtolás 21. január 8-án kezdődött és 213. július 8-án fejeződött be. A három és fél éves besajtolási ciklus ideje alatt besajtolt szén-dioxid hatására a rétegnyomás 8 barra nőtt. A szállítási és besajtolási ütem 52 ezer m 3 /d (95 t/d), az erőműben leválasztott gáz összetétele (az égőtérbe 98%-os O 2- betáplálás esetén): 92% CO 2, 4% O 2, 3,7% Ar és,3% N 2 volt. 214
Nyomás. és hőmérséklet-változás a szén-dioxid-besajtoló kútban 215 2. A BESAJTOLÓ KÚT MODELLEZÉSE HYSYS SZOFTVERREL 2. ábra A besajtoló kút modellje A 2. ábrán a vizsgált szén-dioxid-besajtoló kútnak a szerzők által készített HYSYS modellje látható. A besajtoló kútnál lévő kompresszor biztosította a besajtoláshoz szükséges kútfej-nyomást, amely a projekt esetében 51 bar abszolút nyomás volt. A hidraulikai vizsgálatok során a szerzők feltételezték, hogy a besajtoló kútban a kőzethőmérséklet 5 o C-os felszíni hőmérséklettől 15 o C-os talpi hőmérsékletig lineárisan változik a mélység függvényében. A 3. ábrán a nyomás és a hőmérséklet változása látható a besajtoló kútban különböző besajtolási ütemek esetén. A besajtoló kút kútfejnyomása minden estben 61 bar, a hőmérséklet pedig 5 o C. A hőmérsékleti görbén látható a kútban feltételezett kőzethőmérséklet-eloszlás is a mélység függvényében. A kőzethőmérséklet feltételezett értéke a kútfejen 5 o C, a kúttalpon pedig 15 o C. Az ábrákból látható, hogy a vizsgált gázáram-tartományban a legnagyobb kúttalpnyomás és - hőmérséklet a legkisebb gázáramnál alakult ki. A gázáram növekedésével a kúttalpnyomás és -hőmérséklet egyaránt csökkent. A legnagyobb gázáram esetén a kúttalpnyomás már alig nagyobb a kútfejnyomásnál.
216 Tihanyi László Horánszky Beáta Hőmérséklet [ o C] 2 4 6 8 1 12 14-5 -1-15 -2-25 -3 5 kg/h 7 kg/h 9 kg/h 11 kg/h 2 4 6 8 1 12 14-5 5 kg/h 7 kg/h -1 9 kg/h 11 kg/h Tk -15-2 -25-3 -35-35 -4-4 -45-45 -5-5 2. ábra A nyomás és a hőmérséklet változása a besajtoló kútban -15-2 -25-3 2 4 6 8 1 12 14-5 -1 Gázáram: 5 m 3 /h P-dPfr P+dPst Px P -15-2 -25-3 2 4 6 8 1 12 14-5 -1 Gázáram: 11 m 3 /h P-dPfr P+dPst Px P -35-35 -4-4 -45-45 -5-5 3. ábra A nyomás változása a besajtoló kútban különböző gázáramok esetén A továbbiakban a besajtoló kútban a súrlódási nyomásveszteség és a gazosztatikus nyomásváltozás alakulását vizsgáltuk. A 4. ábrán a vizsgált 5 m 3 /h-ás legkisebb és a 11 m 3 /h legnagyobb gázárammal kapott eredmények láthatók. A besajtoló kútban lefelé áramló szén-dioxid súrlódási vesztesége a kútfejnyomáshoz képest nyomáscsökkenést, a gázoszlop súlyából adódó gazosztatikus nyomás pedig nyomásnövekedést eredményez. Az ábrán a p jelű görbe a kútfejnyomásnak megfelelő viszonyítási értéket szemlélteti. A számításokból kapott dp fr súrlódási nyomásveszteség csökkenti, a dp st gazosztatikus nyomástöbblet pedig növeli a kútfejnyomás által meghatározott P értéket. A kút adott mélységében az aktuális nyomást a P x = P dp fr + dp st egyenlőség határozza meg. A 4. ábrából látható, hogy a kisebb gázáram esetén a dp fr surlódási veszteség nem jelentős, ugyanakkor a dp st gazosztatikus nyomástöbblet szignifikánsan befolyásolja az aktuális mélységben 216
Nyomás. és hőmérséklet-változás a szén-dioxid-besajtoló kútban 217 kialakuló nyomás nagyságát. A kútban az előző két hatás eredőjeként alakul ki egy adott mélységben a P x aktuális nyomás. A nagyobb gázáram esetén a dp fr surlódási veszteség és a dp st gazosztatikus nyomástöbblet közel azonos nagyságú, emiatt a kútban a nyomás csak kismértékben nő a kútfejnyomáshoz képest. A két ábra ös-- szehasonlításából az is látható, hogy a gázáram növekedésével a súrládási és a gazosztatikus nyomásváltozás abszolút nagysága közelít egymáshoz, ennek következtében a P x eredő nyomás közelíteni fog a kútfejnyomás értékéhez. Az 5. ábrán a korábban vizsgált gázáramokon túl látható annál a gázáramnál a nyomás- és a hőmérséklet-változás a besajtoló kútban, amelynél a kúttalpnyomás azonos nagyságú, mint a kútfejnyomás. Hőmérséklet [ o C] 2 4 6 8 1 12 14-5 -1-15 -2-25 -3 5 kg/h 7 kg/h 9 kg/h 11 kg/h 11 632 kg/h 2 4 6 8 1 12 14-5 5 kg/h 7 kg/h -1 9 kg/h 11 kg/h 11 632 kg/h -15-2 -25-3 -35-35 -4-4 -45-5 -45-5 4. ábra A nyomás és a hőmérséklet változása a besajtoló kútban Az 5. ábrán a nyomás és a hőmérséklet változása látható a besajtoló kútban különböző besajtolási gázáramok esetében. Látható, hogy a gázáram növekedésével a kúttalp-nyomás fokozatosan csökken, ami azt jelenti, hogy a besajtolási ütem növelésének a hatására a kútban az eredő nyomásveszteség csökken. A vizsgált legnagyobb, 11632 kg/h-ás besajtolási ütem esetén a kúttalp-nyomás egyenlő a kútfejnyomással, azaz a besajtoló kútban látszólag nincs nyomásveszteség. Valójában a vizsgált esetek közül a legnagyobb lesz a dp fr súrlódási veszteség, de az azonos nagyságú a dp st gazosztatikus nyomástöbblet kompenzálja a súrlódási veszteséget. A sajátos hidraulikai jelenség a szén-dioxidnak a földgázénál lényegesen nagyobb sűrűsége miatt alakul ki. A számítási eredmények felhívják a figyelmet arra, hogy a szén-dioxidbesajtoló kutak esetében a kútrezsimek kialakításánál nélkülözhetetlen a speciális modellezési eljárás alkalmazása. A besajtoló kútban kialakuló áramlási sebességeket vizsgálva megállapítható, hogy 5 9 kg/h gázáramok esetén az áramlási sebesség a kútfejtől a kúttalpig csökken, 11 kg/h gázáram esetén a kútban közel azonos nagyságú, végül 11 632 kg/h gázáram esetén az áramlási sebesség a kútfejtől a kúttalpig növekszik.
218 Tihanyi László Horánszky Beáta Áramlási sebesség [m/s] 2 4 6 8 1-5 5 kg/h 7 kg/h -1 9 kg/h 11 kg/h 11 632 kg/h -15-2 -25-3 -35-4 -45-5 5. ábra Az áramlási sebesség változása a besajtoló kútban Az eredményekből megállapítható, hogy a besajtoló kút kapacitásának a meghatározásához nélkülözhetetlen a kút üzemviszonyainak a részletes elemzése. Az eredményekből az is látható, hogy a gázáram hűtésével vagy a besajtolási (kútfej) nyomás növelésével az előző kapacitáskorlátot fel lehet oldani. 1. táblázat A szimulációs eredmények összefoglalása Tömegáram qm kg/h 5 7 9 11 11 632 (1) (2) (3) (4) (5) Besajtoló kútfej Besajtoló kúttalp p in bar 61, 61, 61, 61, 61, T in o C 5, 5, 5, 5, 5, v in m/s 3,27 4,58 5,89 7,19 7,61 p out bar 134,5 122,1 13,9 74,8 61, T out o C 12,5 116,1 18,4 93,3 84,9 v out m/s 1,91 2,92 4,38 7,35 9,52 A szimulációs eredményeket az 1. táblázat tartalmazza. Az (1) (5) oszlopokban a 61 bar nyomású és 5 o C-ra hűtött szén-dioxid besajtolására vonatkozó számítási eredmények láthatók. A vizsgált esetekben a besajtolási gázáram legkisebb értéke 5 kg/h, legnagyobb értéke pedig 11 632 kg/h volt. A szimulációs eredmények rávilágítottak a besajtoló kútban kialakuló üzemviszonyok kulcs-szerepére. Az eredmények alapján becsülhető, hogy a távvezeték 218
Nyomás. és hőmérséklet-változás a szén-dioxid-besajtoló kútban 219 indítónyomásának, illetve a besajtoló kútfej nyomásának növelésével növelni lehet a rendszer kapacitását. 3. KÖVETKEZTETÉSEK Az eredményekből az alábbi következtetések vonhatók le: A besajtoló kútra elvégzett számítások alapján megállapítható, hogy a besajtoló kútban az áramló gáz halmazállapota nem változott, fázisátalakulás nem következett be; A besajtoló kút egy adott mélységében a súrlódási veszteség a kútfej nyomáshoz képest nyomáscsökkenést, a gázoszlop súlyából adódó gazosztatikus nyomás pedig nyomásnövekedést eredményez; Az előzőek szerinti hidraulikai jelenség alapvető hatást gyakorol a kút kapacitására, mivel a besajtolási gázáram növelésével a súrlódási nyomásveszteség egyre nagyobb mértékben semlegesíti a gázoszlop súlyából eredő nyomásnövekedést, azaz egyre kisebb kúttalpnyomás alakul ki; Az eredmények alapján megállapítható, hogy a besajtoló kút kapacitását a kútfej-nyomás és a kútfej-hőmérséklet alkalmas megválasztásával lehet a besajtolási feladathoz illeszteni. A kutatómunka a Miskolci Egyetem stratégiai kutatási területén működő Fenntartható Természeti Erőforrás Gazdálkodás Kiválósági Központ keretében valósult meg. IRODALOM [1] AIMARD, N.: The CO 2 pilot at Lacq. 2 nd International Symposium Capture and Geological Storage of CO 2, Paris, 4 October, 27. [2] AIMARD, N.: The Experience of Lacq Industrial CCS Reference Project. Visit to CSLF recognized Lacq CCS Project. Lacq, 17 March, 21. [3] MIERSEMANN, U. LOIZZO, M. LAMY. P.: Evaluating Old Wells for Conversion to CO 2 Injectors: Experience from the Rousse Field. SPE 13956, 21. [4] LOIZZO, M. MIERSEMANN, U. LAMY, P. GARNIER, A.: Advanced Cement Integrity Evaluation of an old Well in the Rousse Field. Energy Procedia, 213, 37, 571 5721. [5] LESCANNE, M: The Site Monitoring of the Lacq Industrial CCS Project. CSLF Storage and Monitoring Projects Workshop. 1 2 March, 211. [6] MONNE, J.: Lacq CCS Integrated Pilot A First CSLF CO 2 Capture Interactive Workshop. Bergen, 14 June, 212. [7] MONNE, J.: The Lacq CCS Pilot, a First SPE 157157 SPE/APPEA International Conference. Australia, 11 13 September, 212.