This project is co-financed by the European Union and the Republic of Turkey

1. This project is co-financed by the European Union and the Republic of Turkey SON YARIM YÜZYILDA JEOTERMAL SONDAJLARIN GELİŞİMİ Umran Serpen NTU JeotermalDanışmanlık FWC BENEFICIARIES 2009 - LOT 4 Enerji ve Nükleer Güvenlik EuropeAid/127054/C/SER/multi “Doğrudan Jeotermal Enerji Kullanımına İlişkin İller Bankası’nın Kurumsal Kapasitesinin Güçlendirilmesi için Teknik Yardım” Proje EXERGIA S.A. tarafından yürütülmektedir ( Konsorsiyum üyesi )

2. ANA HATLAR • GİRİŞ • JEOTERMAL SONDAJLARIN GENEL SORUNLARI VE ÇÖZÜMLERİ • JEOTERMAL SONDAJLARIN ÜLKEMİZDEKİ SORUNLARI VE ÇÖZÜMLERİ • JEOTERMAL SONDAJLAR İÇİN KULLANILAN DONANIMLAR • JEOTERMAL SONDAJ MALİYETLERİ • TÜRK JEOTERMAL SONDAJ SEKTÖRÜNDE GELECEKTE NELER YAPILMALI

3. GİRİŞ • Jeotermal enerji kullanımı geçen yüzyıl başından itibaren başlamış olup, buna paralel olarak, jeotermal kuyular da delinmiştir. • Bu bağlamda, jeotermal sondaj teknolojisi gündeme gelmiştir. Başlangıçta, genel olarak petrol endüstrisinde kullanılan sondaj tekniklerinden faydalanılmıştır ve ilk sondajlarda delme tekniği ile kullanılan malzemeler petrol endüstrisindekiyle aynıdır. • Jeotermal kuyu delme tekniklerinin gelişimi 1960’lı yılların ortasından itibaren başlamıştır. Başlangıçta, jeotermal kuyu delme tekniklerinin gelişimi, yine petrol sondajlarında karşılaşılan benzer sorunların çözümünden aktarma yoluyla olmuştur.

4. GİRİŞ • Örneğin, sıcaklığın neden olduğu sorunlar, benzer sıcaklıkların bulunduğu derin petrol kuyularında (4000-6000 m), ya da buhar enjeksiyonu yapılan petrol kuyularında uygulanan tekniklerin jeotermale uyarlanması ile çözümlenmeye çalışılmıştır. • Yine benzer olarak, anormal düşük basınçlı ve çok sert formasyonlarda karşılaşılan problemler petrol sondajlarında da sıkça rastlanan türden olduğu için, benzer çözümler üretilmiştir.

5. JEOTERMAL KUYULARDA KULLANILAN SONDAJ MAKİNE KAPASİTELERİ • Kendiliğinden akan jeotermal kuyularda üretilen debiler yüksek olduğundan, jeotermal kuyularda 95/8” çaplı “casingler”, standart üretim koruma borusudurlar. Kalsit çökelmesi durumunda, üretim çapı ve debisi düştüğünden, üretim koruma borusu çapı 133/8” ’e çıkarılarak, çökelme dolayısıyla çap daralması oluşumu yavaşlatılmaktadır. • Kendiliğinden akmayan düşük entalpili jeotermal kuyularda, geçirgenliğin ve bununla ilişkili olarak kuyu içi dinamik seviyelerin uygun olması halinde, yüksek debilerde üretim yapmak için kuyuya pompa indirilmesi durumunda, yine büyük çaplı koruma borularına gereksinim vardır.

6. JEOTERMAL KUYULARDA KULLANILAN SONDAJ MAKİNE KAPASİTELERİ • Daha geniş kuyu çapları dolayısıyla, jeotermal kuyuları kazmak için gerekli sondaj makine kapasitesi, aynı derinliğe petrol kuyusu delme için kullanılandan büyük olacaktır. • Sert kayaçların delinmesi için kullanılacak ağırlık borusu (DC) sayısının fazla olması, sık sık matkap değiştirme için manevra yapma zorunluluğu, zaten çap büyümesi dolayısıyla artmış olan sondaj makinesi kaldırma kapasitesine, ek bir güç gereksinimi getirecektir. • Öte yandan, geniş çaplı delinecek kuyularda kullanılacak pompa kapasitesi de, yüzeye taşınması gereken kırıntı miktarı arttığı için, yükselecektir. • Özet olarak, vinç “drawworks” ve pompa kapasitesi artmış sondaj makinelerinin kullanılması gerekir.

7. JEOTERMAL ORTAMLARDAN DOĞAN SORUNLAR VE ÇÖZÜMLERİ • Mağmatik, Volkanik ve Metamorfik Kayaçları Delen Sondaj Matkaplarında Karşılaşılan Sorunlar • Formasyonun aşındırıcı olması dolayısıyla matkap çapı azalması, • Aynı sebepten aşırı diş ve yatak aşınmaları, • Yüksek sıcaklık dolayısıyla lastik aksamların kısa zamanda bozularak işlevlerini kaybetmesi, • Sıcaklığın 2000C üzerinde olması durumunda, karbon çeliklerinin akma mukavemetlerinde azalma dolayısıyla, matkap ömrünün kısalması.

8. Matkaplar için Çözümler • Matkap çapının aşınma dolayısıyla azalması sorunu matkap konilerinin dış çeperlerinde “insert” ’lerin ve “hard facing” yüzeylerinin kullanılması. • Aşırı diş aşınmaları tungsten-karbit dişli matkapların kullanılmasıyla, aşırı yatak aşınması da sürtünmeli tip yatakların (journal bearing) kullanılması. • Yatakları kendiliğinden yağlanabilen “insert” tip delici veya kesici uçları “tungsten carbide” ’ten yapılmış matkaplar kullanılmaya başlanmıştır. • Ayrıca, 288oC’a kadar stabil kalabilen lastik aksam “elastomer ve yağ yapılmış olup, bunların 300oC üzerinde de stabil kalmalarını sağlamak üzere çalışmalar yürütülmektedir

9. Matkaplar için Çözümler (devam) • PDC ya da “polycristalline diamond compact” matkaplar, son yıllarda jeotermal sahalardaki sert ve aşındırıcı formasyonlar için en uygun çözüm gibi görünmektedir. • Bu matkaplar sürtünme ile çalışan tür olduklarından, dönen yatakları yoktur ve bu özellikleri dolayısıyla, sert ve sıcak jeotermal ortamlarda kullanılmaya uygun görünmektedirler. • Bu matkapların delici uçları TSP olarak adlandırılan ısıl stabilitesi olan polikristallerdir (thermally stable polycristalline). Ancak, sert ve aşındırıcı kayaçlarda 300oC üzerindeki sıcaklıklarda kesici uçlar çabuk aşınmakta ve 700oC üzerinde yapısal bütünlüklerini tamamen kaybetmektedirler.

10. Çamur jetleriyle birlikte bir PDC matkabı.

12. Yüksek Sıcaklıktan Kaynaklanan Sorunlar ve Çözümler • Jeotermal Kuyularda Çamur Sorunu • Yüksek sıcaklıkta (>170oC) jelleşme, • Çözümler • Katı madde miktarı mutlaka %5-6 arasında tutulmalıdır. Bunu sağlamak içinde iyi tasarımlanmış bir katı madde ayırıcı sistemine gereksinim vardır (Desander, desilter, vb.). • Çamur soğutma kulesi jelleşmeyi önler. • Çamura %5-10 diesel eklemek, çamurun yüksek sıcaklıkta stabilitesini arttırır. İnceltici olarak lignosulfonat ve/veya işlenmiş linyit (carbonox vb.) kullanmak jeli azaltma yönünde etki etmektedir. • Sepiolit bazlı çamur 260oC’a kadar stabildir. • Su, hava, köpük, havalandırılmış su ve/veya havalandırılmış çamur kullanılması.

13. Yüksek Sıcaklıktan Kaynaklanan Sorunlar ve Çözümler • Jeotermal Kuyularda Çimentolama • Yüksek sıcaklıkta çimentonun degradasyonu. Orijinal çimento minerallerinin bozularak başka minerallere dönüşmesi. • Çözüm • %35 silika unu katılmasıyla oluşan truskotit, tobermorit ve ksonolit minerallerinin, yüksek sıcaklıkta çimento mukavemetini koruması.

14. Düşük Basınçtan Kaynaklanan Çamur Sorunları ve Çözümleri • Kaçan Çamurların rezervuarda yüksek sıcaklıktan jelleşme sonucu geçirgenlik hasarı ve üretim azalması • Kaçaklar nedeniyle ekonomik kayıp. • Çimento tapayla çatlakların tıkanması • Rezervuar tipi ve kayacına göre hava, köpük, su, havalandırılmış sıvılar kullanılması.

15. Düşük Basınçtan Kaynaklanan Çimento Sorunları ve Çözümleri • Koruma borularının genleşmesini ve yeraltı sularının yüzeye ulaşmasını önlemek amacıyla yüzeye kadar tamamen çimentolanması gerektiğinden, koruma borusu ile formasyon arasında iyi bir bağ oluşturması ve en yüksek sıkıştırma mukavemeti sağlaması için kullanılması gereken normal çimento yoğunluğuyla (15-16 lb/gal), bu işlemi başarıyla tamamlamak olanak dışıdır.

16. Düşük Basınçtan Kaynaklanan Çimento Sorunları ve Çözümleri • Malzeme Çözümü: • %50-%50 perlit-çimento karışımı • HSMS: Katkı maddesi olarak kullanılan minik, yüksek mukavemetli içi boş bilyalardır. Bunlarla 9.5–10 lb/gal ağırlığında çimento yapmak mümkündür. Elde edilen çimentonun geçirgenliği çok düşük, şıkıştırma mukavemeti 1500 psi civarında olup, maliyeti oldukça yüksektir. • Köpük Çimento: Bu tip çimento, bileşime azot gazının karıştırılıp köpük haline getirilmesiyle elde edilmektedir. Bu çimentolarda yoğunluğu 6 lb/gal’a kadar düşürmek mümkün olup, geçirgenliği HSMS’ ye göre daha fazla, fakat maliyeti HSMS çimentoya göre daha az ve perlitli çimentoya göre daha fazladır.

17. Düşük Basınçtan Kaynaklanan Çimento Sorunları ve Çözümleri • Teknolojik Çözüm: • Kademeli çimento: (2 veya 3 kademe). Ön gerilme avantajı. • Tamir çimentosu: • Perforasyonla çimentolama, • Spagetti tübing kullanımı

18. Jeotermal Kuyularda Koruma Borusu Tasarımı • Bu tip kuyularda, normal koruma borusu tasarımı yapıldıktan sonra, aşağıdaki faktörler göz önüne alınarak yeni bir tasarım yapılır: • Sıcaklık • Korozyon • Çökelme Eğilimli Akışkanlar

19. Jeotermal Kuyularda Koruma Borusu Tasarımı • Sıcaklık artışı dolayısıyla oluşan gerilme 370 psi/oC olarak hesaplanır. Bu durumda ortalama sıcaklıktaki 1490C’ lık bir değişme, K-55 cins koruma borusunu akma noktasına (yield point) getirecektir. • Düşük dereceli bir çelik cinsi olan K-55, H2S’in yarattığı hidrojen kırılganlığı denilen korozyona dayanıklı olduğu için, jeotermal sahalarda yaygın olarak kullanılmakta idi. • Fakat, bu cins çeliğin termal gerilmeler açısından kritik durumda olduğu bilinmektedir. Kızıldere’deki R-1 kuyusunda (2400C) 95/8” K-55 cins koruma borusu bu nedenle kırılmıştır.

20. Jeotermal Kuyularda Koruma Borusu Tasarımı • Eğer daha kaliteli çelik cinsine sahip koruma boruları kullanılamıyorsa, çare koruma borusuna ön-gerilme verilerek, borulardaki oluşabilecek muhtemel hasarın önlenmesidir. Kademeli çimentolama, ısınma sırasında koruma borularının en fazla zarar gören üst kesimlerine ön gerilme verilerek, bu sağlanır. • Jeotermal kuyularda koruma borusu tasarımında dikkate alınması gereken bir husus, üretim koruma borusu göçme basıncının (collapse), yüzey koruma borusu içten patlama (burst) basıncından fazla olmasıdır. Böylece, kazaen anülüslerinde su kalan ve üstü çimento ile doldurulan kuyularda üretim koruma borusunun ısınma sürecinde göçmesi önlenebilir.

21. JEOTERMAL SONDAJLAR İÇİN KULLANILAN DONANIMLAR • Soğutma Kulesi • Top Drive • Katı Madde Ayırdediciler(Desander ve Desilter).

22. JEOTERMAL SONDAJ MALİYETLERİ • Kuyu maliyetleri petrol kuyu maliyetlerinden 2-4 kat daha fazladır. Maliyet artışını etkileyen faktörler aşağıda verilmiştir : • Daha büyük çap, • Sert kayaçlar dolayısıyla daha fazla matkap harcaması, • Sıcaklık ve düşük basınç dolayısıyla ek çamur masrafları, • Sıcaklık ve düşük basınç dolayısıyla ek çimentolama masrafları, • Daha güçlü sondaj makinesi için ödenen ek masraf.

23. JEOTERMAL SONDAJLARIN ÜLKEMİZDEKİ SORUNLARI VE ÇÖZÜMLERİ • Delme Sorunları; • Pratiklerden kaynaklanan (yalnış matkap seçimi). • Doğadan kaynaklanan (kuyu genişlemeleri ve aşındırıcı formasyonlar).

24. JEOTERMAL SONDAJLARIN ÜLKEMİZDEKİ SORUNLARI VE ÇÖZÜMLERİ • Çamur-Çimento Sorunları: • Yalnış polimer çamuru kullanımı, • Derin kuyularda çimentolama sorunu

25. TÜRK JEOTERMAL SONDAJ SEKTÖRÜNDE GELECEKTE NELER YAPILMALI • Talebi karşılayacak daha çok makina ve personel temini. • Yönlü ve “multilateral” sondaj • “underbalance” sondaj, • Yukarıdakileri gerçekleştirmek için uygun Makine ve ekipman temini.

26. ÖNERİLER • PDC matkapların kullanılması. • “Top drive” düzeneğinin kullanılması. • Hava ve yönlü sondaj donanımlarıyla birlikte bu işi yapan servis firmalarının istihdam edilmesi. • Yönlü ve multilateral sondaj yanında underbalance sondajın uygulanması. • Çamur-çimento üzerine araştırma.