Sposób oceny rozkładu temperatury w produkcyjnym otworze geotermalnym przy dopływie mieszaniny solanki i dwutlenku węgla w zakresie warunków nadkrytycznych

• Autorzy: Szpunar Tadeusz , Majkrzak Marcin

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2023.03.05

Warianty tytułu

EN

Temperature distribution in the geothermal well when using the mixture of the brine and supercritical carbon dioxide as the working fluid

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono sposób oceny rozkładu temperatury w produkcyjnym otworze geotermalnym w sytuacji dopływu mieszaniny wody złożowej (solanki) oraz – planowanego jako główny nośnik energii cieplnej – dwutlenku węgla w zakresie nadkrytycznych parametrów ciśnienia i temperatury. We wstępie podkreślono znaczenie ograniczenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery, omówiono krótko charakterystykę przemian fazowych CO2 oraz przedstawiono sposób jego alternatywnego zagospodarowania. Zyskującym w ostatnich latach na popularności sposobem ograniczenia szkodliwego oddziaływania dwutlenku węgla jest jego wykorzystanie jako medium roboczego przy pozyskiwaniu energii geotermalnej, tj. wprowadzenie go do obiegu w układzie otworów (zatłaczającego i produkcyjnego) do wyeksploatowanych złóż węglowodorów (ropy lub gazu). W pracy zobrazowano zasady pracy takich otworów, przedstawiono korzyści wykorzystania w systemach geotermalnych dwutlenku węgla jako płynu roboczego oraz określono warunki niezbędne do efektywnego działania omawianego układu. Jednym z elementów publikacji jest bilans wymiany ciepła pomiędzy płynem przemieszczającym się ze złoża na powierzchnię a górotworem. W ramach rozwiązania problemu zaprezentowano model bilansowy przyjętych i oddanych ilości ciepła przez mieszaninę solanki i dwutlenku węgla w otworze geotermalnym. Przedstawione zostały ponadto procedury określania parametrów CO2 w funkcji ciśnienia i temperatury w odwiercie, w tym lepkość, gęstość i współczynnik przewodzenia ciepła w mieszaninie. Podano również sposób obliczania parametrów koniecznych do określenia współczynnika przejmowania ciepła pomiędzy cyrkulującym płynem a ścianą rury okładzinowej. Na potrzeby obliczeń założono, że temperatura na ścianie odwiertu zmienia się liniowo wraz z głębokością, tzn. zgodnie z tak zwanym gradientem geotermicznym. Podano też zależność umożliwiającą określenie ilości ciepła przekazywanego od górotworu do przepływającej mieszaniny solanki i CO2. Jako element końcowy przedstawiono zależność wielkości temperatury płynu wypływającego z otworu od jego głębokości całkowitej, przyjętego natężenia przepływu i zmiennych proporcji CO2 i solanki w składzie mieszaniny. Wszystkie obliczenia przeprowadzono z uwzględnieniem właściwości CO2 w zakresie parametrów nadkrytycznych ciśnienia i temperatury, wzięto w nich również pod uwagę stopień izolacji cieplnej odwiertu. Przedstawiona została procedura obliczeń, a wyniki przykładu obliczeniowego zestawiono w formie tabelarycznej i graficznej. Na ich podstawie podjęto próbę wskazania, który z rozpatrywanych parametrów wpływa najsilniej na końcową wielkość temperatury wypływającego z odwiertu płynu.

EN

The article presents a method of evaluating temperature distribution in a production geothermal well in case of inflow of a mixture of formation water (brine) and supercritical carbon dioxide, as the main carrier of thermal energy. In introduction the problem of reducing the carbon dioxide emissions to atmosphere and characteristics of CO2 phase transformations are briefly discussed. Provided are alternative methods of utilization of CO2 including its sequestration by injection to the depleted oil and gas reservoirs using the injection and production wells working in tandem. As the main part of the article heat balance is constructed describing heat exchange between fluid flowing up from reservoir and the rock mass. The heat balance is used to find the relation between temperature of brine/CO2 mixture which is out-flowing of the geothermal well. Procedures for determination of CO2 parameters are provided (viscosity, density and thermal conductivity in the mixture) as function of pressure and temperature in the well. The method for calculation of these parameters is presented, which is used to determine heat transfer coefficient between circulating fluid and wall of casing. For the purposes of the calculations, it was assumed that the temperature on the borehole changes linearly with the depth, i.e. in accordance with geothermal gradient. Moreover, the dependence enabling determination of the amount of heat transferred from the rock mass to the flowing mixture of brine and CO2 was given. Carbon dioxide is assumed to be in the supercritical range of temperature and pressure. The results are presented as the relation between temperature of the mixture at various depths of well and for various flow rates and various compositions of the mixture. Due account is given to the impact of the wellbore thermal insulation on temperature and pressure-dependent parameters of carbon dioxide flow in the well. The parameters which govern temperature of brine and CO2 mixture out- flowing of production well are specified. The results are also presented in a graphical and tabular form.

Słowa kluczowe

PL

energia geotermalna; dwutlenek węgla; modelowanie matematyczne

EN

geothermal energy; carbon dioxide; mathematical modelling

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 79, nr 3
• Strony: 190--198
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz.

Twórcy

autor

Szpunar Tadeusz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Majkrzak Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Allam R., Scott M., Forrest B., Fetvedt J., Lu X., Freed D., Brown B., Sasaki T., Itoh M., Manning J., 2017. Demonstration of the Allam Cycle: An Update on the Development Status of a High Efficiency Supercritical Carbon Dioxide Power Process Employing Full Carbon Capture. Energy Procedia, 114: 5948–5966. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.03.1731.
• Aydin H., Merey S., 2021. Potential of geothermal energy production from depleted gas fields: A case study of Dodan Field, Turkey. Renewable Energy, 164: 1076–1088. DOI: 10.1016/j.renene.2020.10.057.
• Barbier E., 2002. Geothermal energy technology and current status: an overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 6(1–2): 3–65.DOI: 10.1016/S1364-0321(02)00002-3.
• Brown D.W., 2000. A hot dry rock geothermal energy concept utilizing supercritical CO2 instead of water. Proceedings, Twenty-Fifth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering Stanford University, Stanford, California, January 24–26, 2000. SGP-TR-165.
• Bushbeck T.A., Bielicki J.M., Randolph J.B., 2017. CO2 Earth Storage: Enhanced geothermal energy and water recovery and energy storage. Energy Procedia, 114: 6870–6879. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.03.1615.
• Cui G., Ren S., Dou B., Ning F., 2021. Geothermal energy exploitation from depleted high-temperature gas reservoirs by recycling CO2: The superiority and existing problems. Geoscience Frontiers, 12(6): 101078. DOI: 10.1016/j.gsf.2020.08.014.
• Esteves A.F., Santos F.M., Pires J.C.M., 2019. Carbon dioxide as geothermal working fluid: An overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 114: 109331. DOI: 10.1016/j.rser.2019.109331.
• Gambill W.R., 1959. How to estimate mixtures viscosities. Chemical Engineering, 66: 151–152.
• Heidarian E., Hatami T., Rahimi M., Moghadasi J., 2011. Viscosity of pure carbon dioxide at supercritical region: Measurements and correlation approach. The Journal of Supercritical Fluids, 56(2): 144–151. DOI: 10.1016/j.supflu.2010.12.006.
• Hobler T., 1971. Ruch ciepła i wymienniki. Wydawnictwo Nauk Technicznych, Warszawa.
• Keller H.H., Coach E.J., Berry P.M., 1973. Temperature distribution in circulating mud columns. Society of Petroleum Engineers Journal,13: 23–30. DOI: 10.2118/3605-PA.
• Maples R.E., 2000. Petroleum Refinery Process Economics. Penn Well. ISBN 9780878147793.
• National Institute of Standards and Technology. <https://webbook.nist.gov/> (dostęp: 10.07.2022).
• Pruess K., 2006. Enhanced geothermal systems using CO2 as working fluid – a novel approach for generating renewable energy with simulation sequestration of carbon. Geothermics, 35(4): 351–367. DOI: 10.1016/j.geothermics.2006.08.002.
• Pruess K., 2008. On production behavior of enhanced geothermal systems with CO2 as working fluid. Energy Converse and Management, 49(6): 1446–1454. DOI: 10.1016/j.enconman.2007.12.029.
• Szarka Z., Bobok E., 2012. Determination of the temperature distribution in circulating drilling fluid. Geoscience and Engineering, 1: 37–47.
• Szpunar T., Budak P., 2013. Uproszczony ilościowy opis procesu wymiany ciepła w otworze wiertniczym pomiędzy cyrkulującą płuczką a górotworem. Nafta-Gaz, 69(11): 814–820.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).