W studniach geotermalnych często osadza się się kamień, co może drastycznie zmniejszyć lub wstrzymać produkcję. Zwykle jest to kamień wapniowy, ale w zbiornikach o dużej zawartości krzemionki rozpuszczonej może on również zawierać krzemionkę, co sprawia, że kamień jest twardszy i trudniejszy do usunięcia. W studniach produkcyjnych o wysokiej entalpii wybuchy i osadzanie się kamienia mogą wystąpić zarówno w studni, jak i w samej formacji skalnej, chociaż skale formacyjne są szczególnie trudne, ponieważ dostęp do nich jest możliwy tylko przy użyciu środków chemicznych, a nie metod mechanicznych. Ilustracja 1 przedstawia strukturę typowej studni geotermalnej wraz z lokalizacją formacji skalnej.
Ilustracja nr 1 Studnia geotermalna, pokazująca strefę produkcji i formację skalną. [1]
Tradycyjne metody chemiczne stosowane do odzyskiwania wody z takich studni opierają się na kwasie solnym (Hcl). Ma to jednak wpływ na to, że wapń, krzemionka i niektóre osady na bazie krzemionki się nie rozpuszczają. Niektóre firmy próbowały używać kwasu szlamowego nakładanego przez rury. Jednakże ze względu na siłę i agresywność kwasów występują znaczne zagrożenia - korozja, zagrożenie dla ludzi i środowiska naturalnego - a efekty są różne. W związku z tym w większości przypadków zrezygnowano z tego podejścia.
Innowacje w Contact Energy
Firma Contact Energy, właściciel najstarszego generatora geotermalnego na świecie, przetrwała odwierty i formowanie się kamienia w wielu swoich zakładach w Nowej Zelandii. W rzeczywistości w przypadku jednego z 8-megawatowych (MW) odwiertów produkcyjnych w zakładzie Wairakei o mocy 200 megawatów i znajdującego się w Taupō nagromadzenie kamienia tak bardzo ograniczyło przepływ pary, że odwiert nie mógł już przyczyniać się do produkcji energii elektrycznej przez elektrownię. Zostawienie tej studni i wywiercenie nowej kosztowałoby do 10 mln $, co nie było do przyjęcia. Czyszczenie studni agresywnymi substancjami chemicznymi, takimi jak kwas fluorowodorowy, było również nieatrakcyjne ze względu na koszty, agresywny charakter tego procesu, krótkotrwałą skuteczność i ryzyko dla operatorów.
Znając problemy związane z tradycyjnymi metodami chemicznymi i kierując się zaangażowaniem w ciągłe doskonalenie, inżynierowie Contact Energy nawiązali współpracę z ekspertami Solenis, aby opracować całkowicie nowe podejście do czyszczenia skali i przywrócenia pełnej wydajności zagrożonych studni produkcyjnych. Firma Solenis zaleciła nową metodę oczyszczania formacji skał, która połączyła zaawansowane koncepcje z zakresu inżynierii zbiorników, geologii i dynamiki pompowania. W roztworze zastosowano niskie stężenia substancji chemicznych, wysokie ciśnienie, wysokie natężenia przepływu i starannie kontrolowany przepływ, aby umożliwić chemikaliom czyszczącym penetrację pęknięć w formacji skalnej i rozpuszczenie osadu kamienia, zwiększając w ten sposób przepływ przez formację (patrz rysunek 2).
Ilustracja nr 2 Przygotowanie studnii produkcyjnej do doprowadzania płynu czyszczącego do studzienki.
Oprócz innowacyjnych technik aplikacji portfolio produktów chemicznych obejmowało unikalne połączenie substancji sekwestrujących, polimerów, kwasów i roztworów zasadowych. Tradycyjne inhibitory pozyskiwane z przemysłu ropy naftowej i gazu są drogie i często wykorzystują wzmacniacze, takie jak antymon, które są trujące i/lub rakotwórcze. Receptura chemiczna opracowana przez zespół Solenis działała wyjątkowo dobrze w warunkach geotermicznych, miała znacznie lepszy profil bezpieczeństwa i była znacznie bardziej ekonomiczna.
Nagradzane wyniki
Podczas prób prowadzonych w innych studniach produkcyjnych, takich jak jedna w Meksyku, nowe podejście firmy Solenis okazało się skuteczne w przywracaniu martwych studni produkcyjnych do 100% maksymalnej historycznej wydajności. Wskazano również, że metoda ta może być techniką stymulacji, rozpuszczającą minerały formujące, a nie tylko kamień. Jednak geologia w Wairakei była znacznie bardziej złożona, ze skomplikowanymi strefami podawania, co utrudniało skuteczne ukierunkowanie chemii. Firma Solenis polegała na analizach przejściowych ciśnienia firmy Contact Energy, aby upewnić się, że odpowiednia substancja chemiczna wniknęła głęboko w formację i dotarła do właściwych stref.
Nawet przy tej złożoności rozwiązanie Solenis osiągnęło doskonałe wyniki, przywracając do 130 procent oczekiwanej wydajności odzyskiwania (patrz rysunek 3), co przełożyło się na wzrost produkcji energii o około 50 000 megawatogodzin w ciągu roku po czyszczeniu, przy średniej wydajności 7 MW. Ponieważ źródło energii geotermalnej ma bardzo niską emisję dwutlenku węgla, ma pozytywny wpływ na emisję dwutlenku węgla. Szacowana emisja z tej 7 MW energii geotermalnej w ciągu jednego roku wynosi 1080 ton ekwiwalentu CO2 (tCO2e, w tym metanu), co jest znacznie mniej niż w przypadku paliw kopalnych. Wytwarzanie 7 MW z węgla spowodowałoby wyprodukowanie około 58 600 tCO2e lub 23 900 tCO2e z gazu z cyklu mieszanego.
Ilustracja nr 3 Po oczyszczeniu wydajność produkcyjna znacznie wzrosła z 2 t/h pary do szczytowej wartości 39 t/h pary.
W oparciu o te wyniki projekt Contact Energy w Wairakei zdobył nagrodę Solenis Sustainability Award 2021 za zmniejszenie emisji dwutlenku węgla. Program nagród za zrównoważony rozwój Solenis ocenia projekty klientów ukończone w ciągu ostatnich 12 miesięcy i wybiera te, które zapewniają wysoką wartość i duży wpływ. Nagrody wyróżniają projekty w pięciu kategoriach zrównoważonego rozwoju, w tym m.in. mniejsze zużycie wody, mniejsze zużycie energii, mniejszy ślad węglowy, mniejsze ilości odpadów i zoptymalizowane wykorzystanie surowców.
Zmiany na lepsze
Sukces w Wairakei, ze szczególną złożoną dynamiką studni, demonstruje siłę współpracy, która napędza innowacje techniczne. Wspólnie firma Solenis i Contact Energy opracowały rozwiązanie o wielu oczywistych korzyściach - zastosowanie bardziej przyjaznych dla środowiska i bezpieczniejszych substancji chemicznych, lepsze zrozumienie reakcji przepływu w studniach, wysoce ukierunkowane techniki stosowania strefy zasilania oraz metoda czyszczenia studni, która jest znacznie tańsza w porównaniu z alternatywnymi technologiami lub wierceniem nowych studni.
W porównaniu z tradycyjnymi metodami ta nowatorska technologia doprowadziła do radykalnej zmiany sposobu zarządzania spadającymi zasobami produkcyjnymi w branży. Zachęcamy każdą elektrownię geotermalną do skontaktowania się z Contact Energy lub Solenis w celu ustalenia, czy takie podejście może mieć zastosowanie do wsparcia zwiększonej wydajności produkcyjnej w ich działalności.
Referencje
[1] Zarrouk, S.J., and McLean, K. “Geothermal Well Test Analysis: Fundamentals, Applications and Advanced Techniques.” Elsevier, First Edition, (2019).