Jeotermal kuyularda sirkülasyonla eşzamanlı sıcaklık dağılım modellenmesi

Abstract

Jeotermal kuyularda sıcaklık dağılımının bilinmesi, sondaj operasyonunun tasarımı ve yönetilmesi açısından önem arz etmektedir. Yüksek sıcaklık sondaj sıvısının performansını azaltmakta bu durum ise birçok sondaj problemini beraberinde getirmektedir. Ayrıca, sondaj sıvısındaki ısıl genleşmelerden dolayı yüksek pompa güçlerine ihtiyaç duyulmakta, böylelikle diğer tüm ekipmanlarda istenmeyen arızalar ortaya çıkmaktadır. Bu durum jeotermal kaynak içeren kuyuda kaçınılmaz olmaktadır. Dolayısıyla, oluşabilecek risklere karşı önlem almak ve kuyunun enerji fizibilitesini doğru bir tahminle çıkarabilmek için kuyu derinliği boyunca sıcaklık dağılımının bilinmesi önemlidir. Bu çalışmada, delme anında çamur giriş-çıkış sıcaklıklarından faydalanılarak kuyu dibi sıcaklığını doğru tahmin etmek için ısı transferi prensiplerine dayanan MATLAB programlama dilinde bir yazılım geliştirilmiştir. Kuyu içi sıcaklık dağılımının bulunması için Delphi programlama dilinde bir yazılım geliştirilmiş ve iki yazılım birbirlerini destekleyecek şekilde koordine edilmiştir. Formülasyon ve yazılımların akışı açıklanmıştır. Gerçek bir kuyudan alınan çamur sıcaklık verileri kullanılarak delme işlemi simüle edilmiş ilerlenen derinliklerde ki kuyu dibi sıcaklıkları tahmin edilmiştir. Tahminler ve gerçek değerlerin karşılaştırması ile bir takım ısı transferi yaklaşımlarında bulunulmuştur. Elde edilen sonuçlara göre kuyu içerisinde radyal yönde düzgün bir sıcaklık dağılımı olduğu gözlenmiştir. Kuyu girişinde belli bir derinlikten sonra sıcaklık artışının kararlı bir hal aldığı gözlenmiştir. Ayrıca Peclet (Pe) sayısının ısı transferinde önemli bir rol oynadığı tespit edilmiştir. Akış karmaşıklıklarından dolayı sıcaklık dağılımında bir değişiklik olup olmadığının belirlenebilmesi için ANSYS programı kullanılarak bir akış durumu tasarlanmış ve incelenmiştir. Kuyu uzunluk ölçeğine göre akış karmaşası oluşturan geometrilerin uzunluk ölçeklerinin çok küçük olmasından dolayı akış kaynaklı sıcaklık dağılımının çok fazla değişmediği ve dolayısıyla ısı transferi hesabına dayanan sıcaklık dağılımı hesabı yaklaşımının kabul edilebilir olduğu sonucuna varılmıştır. Çalışma içerisinde ilgili literatürden çok sayıda çalışma incelenmiş ve özetlenmiştir. İlgili tekniğin teorisine değinilmiş ve gelecek çalışmalara yönelik öneri ve düşüncelere yer verilmiştir. Gelecekte çok fazlı Newtonian olmayan akışlar ve farklı toprak sıcaklık değişim senaryoları için daha detaylı sayısal analizler gerçekleştirilebilir.

Knowing temperature distribution in geothermal wells is important for design and management of the drilling operation. High temperatures reduce performance of drilling mud and it brings about many drilling problems. Also, high pumping power values are required due to the thermal expansion of the drilling fluid which leads to undesirable failures on all other equipment. This case is inevitable in geothermal wells. Therefore, it is important to know the temperature distribution along well depth in order to take precautions against possible risks and to estimate the energy feasibility accurately. In this study, a software was developed in MATLAB coding language based on heat transfer principles to accurately estimate the bottomhole temperature of well using the inlet-outlet mud temperatures while drilling. For the determination of the temperature distribution in the well, a software in Delphi coding language was developed and the two software were put in coordination in order to support each other. By using mud temperature data from an actual well, drilling was simulated and drilling temperatures were estimated along the well depth. A number of heat transfer approaches have been found with the comparison of estimates and actual values. It is observed that a uniform temperature distribution exists in radial direction according to the obtained results. It is also observed that temperature increase becomes steady after a certain depth around the top of well. Also it is detected that the Peclet (Pe) number plays an important role in heat transfer. A flow case was designed and investigated by using ANSYS software in order to determine whether a change occurs in the temperature difference according to the flow disturbances. It is concluded that temperature distribution does not change significantly due to the flow disturbances because of the small length scales of the geometries that disturb the flow comparing to the length scale of the well and it is concluded that temperature distribution calculation approach based on the heat transfer principles is acceptable. A number of references from the related literature are examined and summarized in the study. The theory of the related technique is mentioned and ideas and propositions for future studies are provided. More elaborate computational numerical analyses can be conducted for multi-phases non-Newtonian flows and different soil temperature gradient scenarios in the future.