Geotermikus tárolók Dr. Tóth Anikó PhD Kőolaj és Földgáz Intézet
A földkérget alkotó kőzetek nem homogén anyagok, a teret csak ritkán töltik ki hézagmentesen. A magmás kőzetek (pl. gránit, bazalt, andezit vagy riolit) fizikai tulajdonságai általában minden irányban megegyeznek. A kéregmozgások következtében a magmás kőzetekben is vannak törések, repedések. Sőt, a nagy víztartalmú olvadékok habképződésre hajlamosak, a vízgőztartalmú „hab-láva” nagy hézagtérfogatú kőzetté, ignimbiritté válik. A szemcsés szerkezetű üledékes kőzetekben a szemcsék mérete, alakja, elrendeződése sztochasztikusan változik. A durvább szemcsés üledék hézagai egymásba nyílva összefüggő járatrendszert alkotnak. A finom szemcsés agyagok hasonló nagyságú hézagtérfogata szűk, alig áteresztő járatrendszert képez.
A mészkövek könnyen válnak repedezetté, a karsztosodás pedig egészen nagyméretű üregek, barlangrendszerek kialakulására vezet. A kőzetek hézagtérfogatát minden esetben folyadék tölti ki: túlnyomórészt víz, de lehet kőolaj vagy földgáz is. A szemcsés szerkezetű, vagy a finom repedésekkel átszőtt kőzetek hézagait kitöltő folyadék mozgását szivárgásnak nevezzük. A nagyobb repedésekben, vagy üregekben áramlik a víz. A porózus kőzetek hézagtérfogatát csökkenti a higroszkópos, vagy molekuláris erők folytán kötődő hártyavíz. Ennek az igen vékony hártyának a megbontásához a gravitációnál nagyságrenddel nagyobb külső erőre van szükség.
POROZITÁS
A szivárgás kialakulásának tere tehát a hatékony pórustérfogat. Ennek jellemzésére definiált paraméter a porozitás, az anyag üregeinek valamint teljes térfogatának hányadosa.
φa =
Vhézag V
Veff φ eff = V
Néhány üledékes kőzet abszolút porozitásértékének intervalluma Mészkő Agyagpala Homokkő Kavicsos homok Kavics hordalék Finom és közepes homok keveréke Azonos szemcseméretű homok Közepes és durva homok keveréke Iszap Agyag Különböző talajok Tőzeg
0,01…0,10 0,01…0,12 0,10…0,25 0,20…0,35 0,30…0,40 0,30…035 0,30…0,40 0,35…0,40 0,40…0,50 0,45…0,55 0,50…0,60 0,60…0,80
Főként a nagy kiterjedésű, egy-egy vízszintes síkban viszonylag homogén kőzetfizikai tulajdonságokkal jellemezhető, porózus (kb. 20%) homokos, homokköves rétegek képezhetnek jó hévíztárolót. Az üledékes kőzetek önsúlyterhelés következtében létrejött tömörödése a mélységgel exponenciálisan csökkenő porozitáseloszlást eredményez.
φ = φ 0 ⋅ e − A ⋅z
PERMEÁBILITÁS
A szivárgó folyadékmozgás leírására használt másik lényeges kőzetjellemző a kőzet áteresztőképessége, a permeábilitás. A függőleges helyzetű, homokkal töltött, állandó keresztmetszetű csövön a gravitáció hatására víz szivárog keresztül, miközben mérjük az időegység alatt átfolyt Q térfogatáramot és két U-csöves manométerrel a nyomásesést.
D 2 π Δh Q = k⋅ 4 H
Tehát az egységnyi hosszra jutó térfogatáram és nyomásesés kapcsolata lineáris.
Darcy kísérlete
qA az átlagos szivárgási sebesség, μ a folyadék dinamikai viszkozitási tényezője, ρ a sűrűsége, K a permeábilitási tényező, SI-egysége m2.
Az általánosított Darcy-kísérlet
qA =
Q K [p1 − p 2 + ρg(z1 − z 2 )] = 2 D π μH 4
A gyakorlatban ennek 108-szorosát a Darcy-t, vagy annak ezredrészét a miliDarcy-t használják.
Permeábilitás
Kőzet fajta m2
Darcy
mD
Ca-bentonit
10-17
10-5
0,01
Alluviális öntésiszap
10-16
10-4
0,1
Tégla
10-14
10-2
10
Homokos agyag
10-14
10-2
10
Homokos iszap
10-14
10-2
10
Mészkő, dolomit
5·10-14
5·10-2
50
Finom homok
10-13
10-1
100
Alsó liász homokkő
10-12
1
1.000
1.5
1.500
Pelső pannon homokkő 1.5·10-12 Dogger homokkő
5·10-12
5
5.000
Kavicsos homok
10-10
100
100.000
Permeábilitás értékek üledékes kőzetekben
GEOTERMIKUS REZERVOÁROK A geotermikus mező földrajzi fogalom, a földfelszín olyan tartománya, ahol a föld belső melege a nagy földi hőáram és a nagy geotermikus gradiens révén az átlagosnál fokozottabb mértékben nyilvánul meg. A geotermikus tároló -rezervoár- a geotermikus mezőnek az a része, amelynek belső energiatartalma valamilyen telepfolyadék, víz, vagy gőz közvetítésével felszínre hozható. A földkéreg természetes geotermikus hőmérséklete:
T = T0 + γh
T0 a felszíni középhőmérséklet, γ a geotermikus gradiens, az egységnyi mélységre eső hőmérséklet-növekedés [oC/m].
Konduktív hőárammal fűtött geotermikus tároló fogalmi modellje Az át nem eresztő medence-aljzatra rakódtak le a vízszintes, vagy ahhoz közel álló rétegsorok. A vízvezető rétegek a medence-perem, vagy vetők, törésvonalak mentén utánpótlást kapnak a csapadékvízből.
A tároló érintetlen állapotában hidrosztatikus nyomás-eloszlást találunk, amely csak azért tér el a lineáristól, mert a mélységgel növekvő vízhőmérséklet hatására a víz sűrűsége csökken.
A geotermikus tároló lehet természetes, de mesterséges. A természetes geotermikus tároló kellő kiterjedésű, nagy hőmérsékletű, megfelelő porozitású és áteresztőképességű hévíz, vagy gőztároló képződmény. A mesterséges tároló valamilyen forró, száraz kőzetben létrehozott repedésrendszer, ahová a felszínről juttatjuk a vizet.
Magyarországon a geotermikus gradiens értéke átlagosan mintegy másfélszerese a világátlagnak 5oC/100m. Ennek oka: Magyarországon, a Pannon-medencében a földkéreg vékonyabb a világátlagnál (mindössze 24-26 km vastag, vagyis mintegy 10 kmrel vékonyabb a szomszéd területekhez képest). • a forró magma a felszínhez közelebb van, • jó hõszigetelõ üledékek (agyagok, homokok) töltik ki. A geotermikus gradiens a Dél-dunántúlon és az Alföldön nagyobb, mint az országos átlag, a Kisalföldön és a hegyvidéki területeken pedig kisebb annál. A mért hõáramértékek is nagyobbak ≈ 0,0904 mW/m2 az európai kontinens területén ≈ 0,060 mW/m2 az átlagérték.
[m]
[bar]
[oC]
[oC]
0
1,0
100
10,5
1000
96,66
307
60,5
2000
192,00
361
110,5
Mélység menti nyomás
-forráspont
-kőzethőmérséklet
A mélység mentén a víz hidrosztatikai nyomása:
p = p 0 + ρgh
Szembetűnő, hogy az adott mélységben uralkodó nyomáshoz tartozó forráspont-érték sokkal nagyobb, mint az ugyanabban a mélységben adódó kőzethőmérséklet. Ez mutatja, hogy a tárolóban a 100 oC-nál melegebb fluidum is vízfázisban van.
Vulkanikus területen, pl. Új-Zélandon a Wairakei-mező, jóval nagyobb geotermikus gradiens-értékek adódnak. Itt 400 m mélységben már 260 oC a hőmérséklet, ez 0,625 W/moC, a világátlagnak több, mint tízszerese. Itt természetesen gőz-víz keverék alakjában van a víz a tárolóban.
Az ilyen előfordulások igen ritkák. A művelt geotermikus mezők alig több mint 1%-ából termelhető gőz.
A legismertebb, s ma a legnagyobb kiterjedésű konduktív fűtésű geotermikus tároló az Alföld felső-pannon homokos üledéksoraiban található. Ez mintegy 40000 km2 kiterjedésű, átlagos vastagsága kb. 200 m. Magyarország geotermikus energiatermelésének túlnyomó része innen származik. Ez a felsőpannon homokos-homokköves tároló hidrosztatikus állapotában egységes rendszerként viselkedik.
Túlnyomásos tárolók Vastag agyagrétegek között, jó permeabilitású homokrétegek települhetnek, melyek megtartják porozitásukat, víztartalmukat, s a mélyre süllyedve túlnyomásos tárolókat alkotnak. A süllyedő medencék geotermikus gradiense a környezeténél mindig kisebb, a nagy mélység miatt elég nagy a hőmérséklet, a nagy nyomás miatt pedig a telepfolyadék entalpiája is nagyobb. A legismertebb ilyen túlnyomásos hévíztárolók a Mexikói öböl partvidékén Texasban található. 3-5km mélységben 1000bar nagyságrendű túlnyomásokkal. Egy ilyen nagymélységű, túlnyomásos tárolóból tört ki a gőz-víz keverék a fábiánsebestyéni szénhidrogénkutató fúrásból 1985-ben.
History Blowout: Depth: Wellhead Temperature: Pressure: Kill:
Budapest, 16.08.2008
16. 12. 1985 4239m 188,5 oC 360 bar 30. 01. 1986
Unconventional contour of the jet Budapest, 16.08.2008
Az üledékes medence rétegsorai alatt az alaphegység helyenként repedezett, vagy karsztosodott kőzettömegében is találhatunk forróvíz-tárolókat. Ezek az alaphegységi tárolók is hidrosztatikus állapotban vannak.
Az Alföldön Mélykút, Tiszakécske, Sajóhídvég, a Dunántúlon a zalai mélykarszt: Zalakaros, Táska, Buzsák sorolhatók ebbe a kategóriába.
Hőfok (oC) .
Kutak száma (db) .
% .
Hasznosítás (kút db) F
V
M
I
K
T
R
Z
É
S
30-39,9
584
44,8
60
183
73
29
1
9
0
87
40
102
40-49,9
289
22,2
93
23
16
18
2
20
0
43
45
29
50-59,9
137
10,5
46
9
17
10
2
14
4
16
12
8
60-69,9
121
9,4
34
0
17
6
1
25
7
18
3
10
70,79,9
70
5,4
8
0
23
4
6
16
2
8
2
1
80-89,9
50
3,8
4
0
33
3
2
1
0
6
1
0
90-99,9
48
3,7
4
0
31
1
5
0
0
5
0
2
>100
3
0,2
0
0
1
0
1
0
0
1
0
0
Össz
1303
100
249
215
211
71
20
85
13
187
103
153
100
19, 1
16,5
16,2
5,4
1,5
6,5
1
14,1
7,9
11,7
Hasznosítási arány %
F-Fürdő V-Ivóvízellátás M-Mezőgazdasági I-Ipari K-Kommunális; T-Többcélú
(MGE, 2006)
R-Visszasajtoló Z-Zárt (lezárt) É-Észlelőkút S-Selejt Üzemelő (termelő) hévízkutak száma: 850
