Geotermális vízáram és hőtranszport modellezés repedezett kőzetekben a Mezősas-Nyugat metamorf rezervoár példáján

Éva Kun1, Tivadar M. Tóth1, Tamás Földes2, János Viszkok3,1Szeged University, Hungary, 2 Kaposvár University, 3 Central Geo Kft

kuneva@freemail.hu, mtoth@geo.u-szeged.hu, t.foldes@t-online.hu, jviszkok@centralgeo.hu

Tisz

a

Dan

ube

BÜKK

VIENNABASIN

TRANSYLVANIANBASIN

WESTERN CARPATHIANS

H U N G A R Y

MECSEK

SOUTHERN CARPATHIANS

Lake Balaton

EASTERN CARPATHIA

NS

Papuk

Dinarides

Eastern A

lps

Bohemian Massif200 km

PANNONIAN BASIN

APUSENI

A magyarországi Pannon medence Európa egyik legmagasabb geotermális potenciállal rendelkező területe. A Kárpátokkal körülvett neogén süllyedék helyenként 6000 méternél is mélyebb, melyet miocén-pleisztocén üledékek töltöttek fel. A fekü a pre-neogén – általában metamorf – aljzat. A geotermális energia hatékony és fenntartható kinyerése érdekében a földtani, hidrodinamikai, nyomás és hőmérsékleti viszonyok nagyfokú ismertsége szükséges.

Az EGS projektek előkészítéséhez szükséges az egyes potenciális geotermikus mezők rangsorolása. A rangsoroláshoz hasonló szemlélettel végzett vizsgálatok sorozatára, modellezésre és a modellek kiértékelésére van szükség. Az aljzat geotermális energia potenciáljának hasznosításhoz elsősorban a repedésrendszer geometriai és fizikai paramétereit kell meghatároznunk és beépítenünk az áramlás- és hőtranszport modellekbe. A felparaméterezett modell szimulációinak segítségével lehet kialakítani egy optimális művelési tervet, illetve megítélni az EGS projekt gazdaságosságát.

A tanulmányozott terület a Furta-Mezősas dóm metamorf kiemelkedés nyugati szárnyán elhelyezkedő Mezősas-Nyugat rezervoir.

A dóm különböző, közepes és nagyfokú metamorfózison átesett kőzet blokkokból, legfőképp különböző kifejlődésű gneiszekből áll. Szerkezetileg a legmélyebb helyzetben egy ortogneisz blokk találhatók, melyben mafikus és ultramafikus összetételű kőzetzárványok azonosíthatók. Repedezett minták PIA (Petrographic Image Analysis) elemzése arra utal, hogy ezek a betelepülések intenzívebben repedezettek, mint a befogadó kőzet. Az ortogneisz kőzettest felett paragneisz zóna következik egy széles nyírási zóna mentén. Korábbi tanulmányok szerint ez a típusú gneisz alig repedezett. A harmadik kőzetzóna közepes metamorf fokú amfibolitból, amfibol gneiszből áll, mely a legintenzívebben repedezett az összes litológiai előfordulás közül.

A repedés-szimuláció eredményei alapján elmondható, hogy összefüggő repedésrendszer az AG egységben alakul ki, legjobb hidraulikai paraméterekkel pedig az amfibolit rendelkezik, REV oldalhosszúsága pedig 18 méter. Az OG és SG egységben összefüggő repedésrendszer nem alakult ki a szimuláció eredménye alapján. A REV értéke is tükrözi ezt, majdnem háromszor akkora, 71 méteres oldalhosszúságú cella esetén csökkent a paraméterek értékeinek szórása a megadott szintre. Mindhárom egység esetében a z irányú permeabilitás nagyjából kétszerese a horizontális irányokban mérhető permeabilitásoknak. A porozitás az amfibolit esetében 2%-nak, a gneiszek esetében 0,2%-nak adódott.

besajtoló kút (Sas-Ny-1)

A Feflow program rövid bemutatásaA FEFLOW (Finite Element subsurface FLOW system) program két- és háromdimenziós, véges elemű

módszert (FEM – Finite Element Method) alkalmaz azon parciális differenciál egyenletek megoldására, amelyek a szivárgáshidraulikai, a tömegtranszport és hőtranszport folyamatokat írják le. Jelenleg a program 5.4 ill. a 6.0 új kezelőfelülettel rendelkező verziója van forgalomban, a fejlesztések során számos új kiegészítő funkcióval bővült, pl. a file kezelés ill. a megjelenítés funkciók korszerűsítése, de fontos eszköz a multi-layer kút ill. hőcserélők definiálásának lehetősége is. A programmal modellezhető folyamatokat részletesebben a 6. táblázattartalmazza (Diersch, 2005).

Feflow programmal modellezhető folyamatok

Szivárgáshidraulikai modellezés

Tömegtranszport modellezés

Hő-transzport modellezés

Darcy áramlás porózus közegekben

advektív-diszperzív oldott anyag terjedés

advekció és hővezetés (kondukció)

változó telítettségű szivárgás

egy komponensű oldott anyag transzport

szabad, erőltetett és kevert szállítás

(konvekció)

nyílt felületű (freatikus) szivárgás

több komponensű oldott anyag transzport

hasadékos hő-transzport

változó sűrűségű szivárgás

szorpció termohalin szállítás

hasadékos szivárgás kémiai reakciók

sósvíz betörés

kettős vagy többes diffúziós szállítás

(konvekció)

szabad, erőltetett és kevert szállítás

(konvekció)

hasadékos tömegtranszport

A hálókiosztás elkészítéséhez célszerű felhasználni minden olyan elemet, melyet szeretnénk hálóelemként feltüntetni. Ilyenek pl. a földtani kifejlődések poligonjai, vetők, tektonikai vonalak, élővízfolyások töréspontjai. Jelen helyzetben a vető-elemek és a fúrások voltak azok a kitüntetett pontok, melyekre csomópontot definiáltunk.A modellterület 1600 km2, a modell-térfogat 68 184 db háromdimenziós prizmát és 40 239 db csomópontot tartalmaz . A modellfuttatások közben szcenáriónként a vetők, mint 2D-s elemek is beépítésre kerültek a 3 D-s prizmák közé.

A korábbi petrográfiai tanulmányok megerősítették, hogy a különböző litológiai egységek (AG-SG-OG) különböző repedésmintázatot és ezáltal különböző permeabilitási, szivárgási tényező, tározási és porozitási értéket vesznek fel. Mivel a fedő üledékek vízforgalmának egzakt leképzése nem feladatunk, így a beszivárgást és a talajvízforgalmat kötött vízszinttel oldottuk meg az első rétegben és csak a mélyebb szűrőzésű rétegvízkutak hozamát adtuk be.A szivárgási tényező megadásánál a repedéshálózat-szimuláció értékéből indultunk ki, majd az x-y-z irányok egymást közti arányának megtartásával csökkentettük az értékeket a kalibráció során.

rétegek kőzettani háttér szivárgási tényező

1-2. modellréteg durva homok Kxx = Kyy= 2 - 1 * e-4 m/s

Kzz = 0.3 – 0.15 e-4 m/s

3-4 modellréteg finom homok Kxx = Kyy= 0.5 – 0.4 * e-4 m/s

Kzz = 0.075 – 0.06 e-4 m/s

5-8. modellrétegmodell alja

különböző repedezettségűmetamorf kőzetektömör metamorf aljzat

Kxx = Kyy= 0.0044 - 0.00038 * e-4 m/s

Kzz = 0.0841 - 0.0072 * e-4 m/s

Kxx = Kyy= Kzz = 1*e-8 m/s

Horizontálisan 9 felszínnel 8 réteget határoltunk le: 1. - 2. réteg: a felső kvarter és pliocén réteg (felső-pannon) durva törmelékes üledékei, 3. - 4. réteg: a felső-miocén (alsó-pannon) és középső miocén finom üledékes kőzetkifejlődése, 5. - 8. réteg: a metamorf kristályos aljzat különböző repedezettséggel.

Az effektív porozitást az aljzatban 2% és 0,2% közötti értékekkel definiáltuk a repedéshálózati szimuláció eredményeit elfogadva, a fedő rétegekben 10-15%.A termelő és visszasajtoló kútpárt az ún. amfibolit ”zsebben” (AG) helyeztük el, melynek szivárgáshidraulikai paraméterei a legjobbak a 3 kőzettani kifejlődés közül. Az aljzatban elhelyezett termelő/visszasajtoló kútpár hozama 6000 m3/nap, ez a viszonylag magas hozam elnyeletése a szűrőfelület (kútellenállás) és a befogadó közegen múlik. Ennek tesztelése elsősorban gyakorlati feladat, a modellben a nyomásemelkedés mértékén keresztül vizsgáltuk a visszasajtolás volumenének realitását.

Hőtranszport paraméterekA földkéreg felső részén gyakrabban előforduló kőzetek vezetőképessége a 1.5 – 6 W/mK tartományba esik, eltekintve néhány kiugróan jó jól vezető kőzettől, mint a kvarc ill. a kősó. A hővezető képesség a felszíntől lefelé általában nő, mivel a porozitás és a hővezető képesség szoros összefüggésben áll. A pórusokat kitöltő víz ugyanis lényegesen rosszabb vezető, mint a kőzetmátrix, így a nagy víztartalom döntően befolyásolja (csökkenti) a kőzet hővezető képességét. (Dövényi, 1994)A szakirodalmi adatokra támaszkodva definiáltuk a modell hőtranszportjához szükséges paramétereket, melynek összefoglaló táblázatát közöljük.

Áramló folyadék térfogati fajhője 4,2 *10+6 J/m3K

Kőzetmátrix térfogati fajhője 1,8 – 2,28 *10+6 J/m3K

Áramló folyadék hővezető képessége 0,65 J m-1s-1 K-1

Kőzetmátrix hővezető képessége 1,7 - 4 J m-1s-1 K-1

Longitudinális diszperzitás 5 m

Transzverzális diszperzitás 0,5 m

A földi hőáramot a modell alján a 10 400 J/m2/d hőfluxussal adjuk meg, a felszín hűtő hatását pedig 11 oC kötött hőmérsékleti peremfeltétellel adtuk meg, ami megfelel az évi átlagos középhőmérséklettel. A kezdeti hőmérsékleti értékek rétegenként: 11 oC, 50 oC, 80 oC, 100 oC, 130 oC, 150 oC, 160 oC, 180 oC, 200 oC. A visszasajtolt víz hőmérséklete: 20 oC.

termelő kút

besajtoló kút

Szcenárió készítés szakaszában a visszasajtoló kút hűtő hatását vizsgáltuk egy szelvény mentén, 3 különböző szivárgási tényező konfiguráció mellett:

•Anizotróp: Kxx= 0.0044e-4 m/s, Kyy=0.0041se-4 m/s, Kzz=0.00841e-4 m/s

•Izotróp1: Kxx= Kyy= Kzz= 0.00841e-4 m/s

•Izotróp2: Kxx= Kyy= Kzz = 0.0044e-4 m/s

A eredmények tekintetében az 1. és 3. szcenárió eléggé hasonló lett . Az x-tengelyen a °C-ban az adott rétegfelszín hőmérséklete látható. Először a termeltetett réteg, majd az az alatti réteg hőmérséklet-eloszlását mutatjuk be.

1. szcenárió (anizotróp szivárgási tényező) a termeltetett réteg hőmérséklet-eloszlása

2. szcenárió (izotróp szivárgási tényező) a termeltetett réteg hőmérséklet-eloszlása

termelő kút

besajtoló kút

termelő kút

besajtoló kút

termelő kút

besajtoló kút1. szcenárió (anizotróp szivárgási tényező) a termeltetett

réteg alatti réteg hőmérséklet-eloszlása

2. szcenárió (izotróp szivárgási tényező) a termeltetett réteg alatti réteg hőmérséklet-eloszlása

Eredmények, konklúziókA termelő és visszasajtoló kút hatékony együttműködéséhez a köztük lévő távolság nem haladhatta meg az 1 km-t. Az elfogadásra került modellváltozatban a két kút távolsága: 260 m.

A visszasajtoló kút modellezett nyomásemelkedése

A maximális nyomásemelkedés értéke: 30 m.

termelő kútbesajtoló kút

Hőmérsékleti eredmény a termelő és visszasajtoló kutat összekötő szelvényen:

Hőmérsékleti eredmény a teljes modellezett térrészben

Köszönöm a figyelmet