Γεωθερμικές γεωτρήσεις: Σχεδιασμός, εκτέλεση και αντιμετώπιση προβλημάτων

Transcript

1 Γεωθερμικές γεωτρήσεις: Σχεδιασμός, εκτέλεση και αντιμετώπιση προβλημάτων Γρ. Βρέλλης, Απ. Αρβανίτης και Αικ. Μπίμπου - Μπακούλα Ινστιτούτο Γεωλογικών και Μεταλλευτικών Ερευνών (Ι.Γ.Μ.Ε.), Διεύθυνση Γεωθερμίας και Θερμομεταλλικών Υδάτων, Ολυμπιακό Χωριό, Αχαρναί, Αττική, Ελλάδα ΠΕΡΙΛΗΨΗ Οι γεωτρήσεις αποτελούν τον κύριο και καθοριστικό παράγοντα για την ολοκλήρωση της γεωθερμικής έρευνας αλλά κυρίως για την εκμετάλλευση ρευστών και, συνεπώς, για την αξιοποίηση του γεωθερμικού δυναμικού. Ανάλογα με το ερευνητικό στάδιο, τους στόχους και τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους, οι γεωθερμικές γεωτρήσεις διακρίνονται σε 5 κατηγορίες: (α) ερευνητικές δειγματοληπτικές, (β) ερευνητικές μεγάλης διαμέτρου, (γ) πιεζομετρικές, (δ) παραγωγικές και (ε) επανεισαγωγής. Λόγω της διάτρησης γεωλογικών σχηματισμών με θερμοκρασίες υψηλότερες από τις αναμενόμενες καθώς και της εκμετάλλευσης ρευστών υψηλών θερμοκρασιών, που συνήθως περιέχουν διαβρωτικά άλατα και αέρια, προκύπτει η ανάγκη για: (α) σύνταξη αναλυτικού γεωλογικού προγράμματος με όσο το δυνατόν λεπτομερέστερη περιγραφή των διαφόρων σχηματισμών και των αναμενόμενων αερίων (τοξικών - διαβρωτικών) και πιέσεων, (β) χρησιμοποίηση ειδικού εξοπλισμού, ανθεκτικού στις συνθήκες αυτές, (γ) κατάλληλο σχεδιασμό προκειμένου να αποφευχθούν πιθανές αστοχίες και την εκπόνηση ενός ορθολογικού τεχνικού προγράμματος σωληνώσεων. Ο σχεδιασμός των γεωθερμικών γεωτρήσεων είναι απαραίτητο να ανατίθεται σε ειδικευμένους επιστήμονες/μελετητές (γεωλόγους και μηχανικούς), οι οποίοι θα διαθέτουν εμπειρία στις νέες τεχνολογίες και εξελίξεις, στην αντιμετώπιση των προβλημάτων και στις ιδιότητες των υλικών, τα οποία διατίθενται στην αγορά των γεωτρήσεων και που πρέπει κατά περίπτωση να χρησιμοποιηθούν. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ - O ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΓΕΩΤΡΗΣΕΩΝ ΣΤΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ Οι γεωθερμικές γεωτρήσεις παίζουν καθοριστικό ρόλο στα διάφορα στάδια της γεωθερμικής έρευνας, από τον εντοπισμό και την περιχάραξη του γεωθερμικού πεδίου μέχρι τον καθορισμό του γεωθερμικού μοντέλου (δημιουργίας και εκμετάλλευσης) και την αποτίμηση του ενεργειακού δυναμικού. Κατά την αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας οι γεωτρήσεις αποτελούν το θεμέλιο της επένδυσης και τον κυριότερο ίσως συντελεστή επιτυχίας, συμβάλλοντας στην απρόσκοπτη λειτουργία του και την οικονομική απόδοση της εκμετάλλευσης. 2. ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΓΕΩΤΡΗΣΕΩΝ Διακρίνονται πέντε (5) κύριες κατηγορίες γεωθερμικών γεωτρήσεων ανάλογα με το ερευνητικό στάδιο κατά το οποίο εκτελούνται, τους στόχους τους και τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους. Οι κατηγορίες αυτές είναι οι ακόλουθες: (α) ερευνητικές δειγματοληπτικές γεωτρήσεις (β) πιεζομετρικές γεωτρήσεις (γ) ερευνητικές γεωτρήσεις μεγάλης διαμέτρου (δ) παραγωγικές γεωτρήσεις (ε) γεωτρήσεις επανεισαγωγής

2 2.1 Ερευνητικές Γεωθερμικές Γεωτρήσεις Μικρής Διαμέτρου (Δειγματοληπτικές) Οι ερευνητικές γεωτρήσεις μικρής διαμέτρου εκτελούνται στο αρχικό ερευνητικό στάδιο και ονομάζονται και δειγματοληπτικές ή και γεωτρήσεις θερμοβαθμίδας. Η τελική διάμετρος των γεωτρήσεων αυτών, που κατασκευάσθηκαν από το Ι.Γ.Μ.Ε., είναι 3-4 και η σωλήνωσή τους 1½ - 2. Κύριος στόχος τους είναι ο εντοπισμός και η περιχάραξη ενός γεωθερμικού πεδίου. Με τις γεωτρήσεις αυτές εξυπηρετούνται οι ακόλουθοι σκοποί: (α) Η μελέτη της στρωματογραφίας της περιοχής και η περιγραφή των λιθολογικών σχηματισμών - πετρωμάτων που διατρύονται. (β) Ο καθορισμός της ποιότητας και του βάθους στεγανών και υδροπερατών σχηματισμών και του γεωθερμικού ταμιευτήρα. (γ) Η εκτίμηση του πρωτογενούς ή / και του δευτερογενούς πορώδους. (δ) Θερμομετρήσεις από την επιφάνεια μέχρι τον πυθμένα των γεωτρήσεων για τον υπολογισμό της γεωθερμικής βαθμίδας και της θερμοκρασίας στο γεωθερμικό ταμιευτήρα. (ε) Η μέτρηση της επίδρασης των εξωτερικών συνθηκών κατά την υγρή και ξηρή περίοδο στις υπεδαφικές θερμοκρασίες. (στ) Η δειγματοληψία υπόγειων νερών για χημικές αναλύσεις σε περίπτωση αρτεσιανής ροής. (ζ) Η εκτέλεση διαγραφιών (loggings) για μετρήσεις διαφόρων φυσικών χαρακτηριστικών (φυσικό δυναμικό, ακτινοβολία γ, ταχύτητα μετάδοσης του ήχου, πυκνότητα, πορώδες, αγωγιμότητα, ηλεκτρικές αντιστάσεις). (η) Η εκτέλεση δοκιμών εισπίεσης για τον εντοπισμό ταμιευτήρων και την εκτίμηση της υδροχωρητικότητάς τους. (θ) Ο προσδιορισμός της συμπεριφοράς του εξοπλισμού στη διάτρηση (διατρησιμότητα, σταθερότητα σχηματισμών κλπ) για τον καλύτερο σχεδιασμό των γεωτρήσεων μεγάλης διαμέτρου. Σχήμα 1: Φωτογραφίες ερευνητικών γεωθερμικών γεωτρήσεων μικρής διαμέτρου που κατασκευάσθηκαν από το Ι.Γ.Μ.Ε. Αριστερά: Η γεώτρηση TH-3, που κατασκευάσθηκε μαζί με άλλες ερευνητικές γεωτρήσεις την περίοδο , στο γεωθερμικό πεδίο Θερμών Νιγρίτας (Φυτίκας και Ανδρίτσος, 2004). Δεξιά: Η γεώτρηση ΓΛ-1, βάθους 502 m, η οποία ανορύχθηκε το 2003 στο γεωθερμικό πεδίο χαμηλής ενθαλπίας Συκιών Άρτας (Βρέλλης κ.ά., 2007). Και οι δύο αυτές ερευνητικές γεωτρήσεις παρουσιάζουν αρτεσιανισμό.

3 2.2 Πιεζομετρικές Γεωτρήσεις Οι πιεζομετρικές γεωτρήσεις είναι γεωτρήσεις μικρής διαμέτρου με τεχνικά χαρακτηριστικά παρόμοια με αυτά των ερευνητικών - δειγματοληπτικών. Η τελική διάμετρός τους είναι 4-5 και η σωλήνωσή τους 2, με φίλτρα στα βάθη όπου συναντάται ο γεωθερμικός ταμιευτήρας. Εφόσον υπάρχουν ψυχρότεροι υδροφορείς χωρίς γεωθερμικό ενδιαφέρον, αυτοί θα πρέπει να απομονώνονται για να μην επηρεάζουν τα αποτελέσματα των μετρήσεων ή παρατηρήσεων. Οι πιεζομετρικές γεωτρήσεις είναι διάσπαρτες σε όλη την έκταση του γεωθερμικού πεδίου και αποσκοπούν στη μέτρηση της στάθμης - πίεσης του γεωθερμικού ταμιευτήρα. Με βάση τις μετρήσεις στάθμης - πίεσης προσδιορίζονται η υδραυλική κλίση του ταμιευτήρα, οι άξονες ροής στο υπέδαφος, η ζώνη τροφοδοσίας και το δυναμικό παραγωγής του ταμιευτήρα. Οι πιεζομετρικές γεωτρήσεις αξιοποιούνται κατά τη διάρκεια της εκμετάλλευσης (μετά την ολοκλήρωση της έρευνας) για την παρακολούθηση της εξέλιξης των υδροδυναμικών παραμέτρων και της θερμοκρασίας του γεωθερμικού ταμιευτήρα. 2.3 Ερευνητικές Γεωθερμικές Γεωτρήσεις Μεγάλης Διαμέτρου Οι ερευνητικές γεωτρήσεις μεγάλης διαμέτρου κατασκευάζονται στο τελικό στάδιο της συστηματικής έρευνας και στην τελική αξιολόγηση ενός γεωθερμικού πεδίου. Πρόκειται για γεωτρήσεις που, λόγω της μεγάλης διαμέτρου, επιτρέπουν τη χρησιμοποίηση αντλιών για την εκτέλεση δοκιμαστικών αντλήσεων. Η θέση τους επιλέγεται σε μικρή απόσταση, συνήθως m, από τις προϋπάρχουσες ερευνητικές γεωτρήσεις μικρής διαμέτρου, ώστε οι τελευταίες να λειτουργήσουν ως πιεζόμετρα παρατήρησης για την παρακολούθηση της μεταβολής της στάθμης τους κατά τη διάρκεια των δοκιμαστικών αντλήσεων και για την εκτίμηση της ακτίνας επιρροής. Συνεπώς, ο κύριος στόχος τους είναι η μελέτη των παραμέτρων και των ιδιοτήτων ενός γεωθερμικού πεδίου. Σχήμα 2: Φωτογραφίες από γεωθερμικές γεωτρήσεις μεγάλης διαμέτρου, που κατασκευάσθηκαν από το Ι.Γ.Μ.Ε., στα γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας της Χίου (Ξενάκης κ.ά., 2007). Αριστερά: Κατασκευή ερευνητικής γεωθερμικής γεώτρησης μεγάλης διαμέτρου στο πεδίο Θυμιανών Χίου. Δεξιά: Δοκιμαστική άντληση σε ερευνητική γεωθερμική γεώτρηση μεγάλης διαμέτρου στο πεδίο Νενήτων Χίου. Με τις ερευνητικές γεωτρήσεις μεγάλης διαμέτρου εξυπηρετούνται οι ακόλουθοι σκοποί: (α) Η εκτέλεση δοκιμαστικών αντλήσεων με μετρήσεις της παροχής και της θερμοκρασίας του αντλούμενου γεωθερμικού ρευστού, της εξέλιξης της πίεσης (πτώση και επαναφορά της στάθμης) με παράλληλες δειγματοληψίες γεωθερμικών ρευστών σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές. (β) Η μελέτη των χαρακτηριστικών του ταμιευτήρα και της ροής των ρευστών. (γ) Η εκτίμηση της εκμεταλλεύσιμης παροχής του πεδίου ανά γεώτρηση και συνολικά. (δ) Ο υπολογισμός των υδροδυναμικών παραμέτρων του πεδίου.

4 (ε) Η επισήμανση προβλημάτων που μπορεί να προκύψουν κατά την εκμετάλλευση του πεδίου και οι τρόποι αντιμετώπισής τους. (στ) Ο προσδιορισμός του γεωθερμικού μοντέλου του πεδίου. Η ανάπτυξη των ερευνητικών γεωθερμικών γεωτρήσεων μεγάλης διαμέτρου της χαμηλής ενθαλπίας γίνεται με διάφορες μεθόδους, όπως με συγκρότημα εκτόξευσης νερού ή αέρα αυξομειούμενης παροχής και συνεχούς μετατόπισης του εκτοξευτήρα σε όλο το μήκος των φιλτροσωλήνων, με εμβολισμό, με διπλό packer κ.ά. Ο κίνδυνος να ενεργοποιηθεί αυτόματα η παραγωγή των γεωθερμικών γεωτρήσεων, όταν υπάρχουν ορίζοντες υπό πίεση, αντιμετωπίζεται με σύστημα B.O.P., που περιγράφεται στην ενότητα 5.1. Η άντληση των γεωθερμικών ρευστών, όταν δεν υπάρχει έντονος αρτεσιανισμός, γίνεται με ειδικό συγκρότημα, ικανό να αντιμετωπίζει τις σχετικά υψηλές θερμοκρασίες. Οι ερευνητικές γεωτρήσεις μεγάλης διαμέτρου, εφόσον σχεδιαστούν κατάλληλα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια και ως γεωτρήσεις παραγωγής, γι αυτό και αναφέρονται συχνά και ως «γεωτρήσεις έρευνας - παραγωγής». 2.4 Παραγωγικές Γεωτρήσεις Οι παραγωγικές γεωτρήσεις έχουν τεχνικά χαρακτηριστικά ανάλογα με εκείνα των ερευνητικών γεωτρήσεων μεγάλης διαμέτρου. Στην επιλογή της θέσης τους και στο σχεδιασμό τους λαμβάνονται υπόψη τα χαρακτηριστικά του ταμιευτήρα και των γεωθερμικών ρευστών, όπως προέκυψαν από τα ερευνητικά δεδομένα, καθώς και οι απαιτήσεις της παραγωγής. Είναι πιθανό να απαιτηθούν ανώτερης ποιότητας σωλήνες ή φίλτρα και να υπάρξει διαφοροποίηση στις διαμέτρους ή και στα βάθη τοποθέτησής τους, με αντίστοιχη επιβάρυνση του κόστους (Βρέλλης κ.ά., 1989). Τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους περιλαμβάνουν τις διαμέτρους διάτρησης και σωλήνωσης, την τεχνική και το βάθος τσιμέντωσης, την ποιότητα των σωληνώσεων, τον τύπο και τη θέση των φιλτροσωλήνων και το ρυθμό άντλησης. Οι πληροφορίες που συλλέγονται από τις δοκιμαστικές αντλήσεις και τη συμπεριφορά των ερευνητικών γεωτρήσεων αξιοποιούνται στο σχεδιασμό των παραγωγικών γεωτρήσεων. Έτσι αποφασίζονται: (α) η μέθοδος διάτρησης, (β) η γενική επιλογή εξοπλισμού, (γ) η επιλογή της ποιότητας του εξοπλισμού σε σχέση με την αντοχή σε πιέσεις ή τη διάβρωση, (δ) το άνοιγμα των φίλτρων για τον έλεγχο της εισόδου λεπτομερούς υλικού (sand control), (ε) η μέθοδος και ο εξοπλισμός της τσιμέντωσης και (στ) η επιλογή της κατάλληλης κεφαλής της γεώτρησης και του εξοπλισμού κυκλοφορίας των ρευστών. Σχήμα 3: Φωτογραφίες από παραγωγικές γεωθερμικές γεωτρήσεις, που κατασκευάσθηκαν από το Ι.Γ.Μ.Ε. σε πεδία χαμηλής θερμοκρασίας (ενθαλπίας) στη Βόρεια Ελλάδα και την Ήπειρο. Αριστερά: Η παραγωγική γεώτρηση Ν-1Π, βάθους 655 m, στο πεδίο Ερατεινού Χρυσούπολης Ν. Καβάλας (Κολιός κ.ά., 1999). Δεξιά: Η παραγωγική γεώτρηση ΓΣΠ-2, βάθους 375 m, στο πεδίο Συκιών Άρτας, η οποία με άντληση 40 m 3 /h παράγει νερά θερμοκρασίας 44 o C (Βρέλλης κ.ά., 2007).

5 2.5 Γεωτρήσεις Επανεισαγωγής Ο σχεδιασμός και ο τρόπος κατασκευής των γεωτρήσεων επανεισαγωγής δεν διαφέρουν από αυτούς των γεωτρήσεων παραγωγής. Χρησιμοποιούνται για την επανεισαγωγή των γεωθερμικών ρευστών στον ταμιευτήρα μετά τη χρήση τους. Οι γεωτρήσεις επανεισαγωγής βοηθούν: (α) στη διάθεση των γεωθερμικών ρευστών μετά τη χρήση τους, (β) στην αποφυγή φαινομένων καθίζησης, (γ) στη διατήρηση της πίεσης στον ταμιευτήρα, (δ) στην επανατροφοδοσία του γεωθερμικού ταμιευτήρα με ρευστά και (ε) στη διατήρηση της αειφορίας του γεωθερμικού πόρου. Οι γεωτρήσεις αυτές τοποθετούνται σε σημαντική απόσταση από τις παραγωγικές γεωτρήσεις, για να μην τις επηρεάσουν αρνητικά από άποψη θερμοκρασίας. Σχήμα 4: Άποψη του συστήματος επανεισαγωγής των γεωθερμικών ρευστών στο γεωθερμικό πεδίο Ν. Κεσσάνης Ξάνθης (το σύστημα και οι εγκαταστάσεις βρίσκονται σε πλήρη εγκατάλειψη). 2.6 Γεωτρήσεις Βελτιωμένων Γεωθερμικών Συστημάτων (Enhanced Geothermal Systems, E.G.S.) Πρόκειται για γεωτρήσεις εισαγωγής - εισπίεσης νερού και παραγωγής που εκμεταλλεύονται τη θερμότητα των γεωλογικών σχηματισμών με σχεδόν μηδενικό πορώδες και διαπερατότητα, οι οποίοι δεν μπορούν να συγκρατήσουν ποσότητες νερών. Τα πετρώματα είναι θερμά και ταυτόχρονα ξηρά, γι αυτό και η τεχνική αυτή είναι γνωστή και ως Τεχνολογία των Θερμών Ξηρών Πετρωμάτων (Hot Dry Rocks, HDR). Στα πετρώματα αυτά γίνεται τεχνητή διάνοιξη - ενεργοποίηση της περατότητας των παλαιών διακλάσεων. Με την εφαρμογή αυτής της τεχνικής, είναι δυνατόν να γίνεται, διαμέσου κατάλληλων γεωτρήσεων, εισπίεση νερών από την επιφάνεια, τα νερά να κυκλοφορούν μέσω τεχνητά ανοιγμένων διακλάσεων και να έρχονται σε επαφή με τα θερμά πετρώματα και στη συνέχεια, μετά τη θέρμανσή τους, να ανέρχονται στην επιφάνεια από άλλες γεωτρήσεις με την μορφή υπέρθερμων, έτοιμων για εκμετάλλευση, νερών. Αυτά τα ζεύγη γεωτρήσεων στα E.G.S., που δεν έχουν κατασκευασθεί ακόμη στον Ελλαδικό χώρο αλλά συναντώνται σε διάφορες περιοχές τόσο στην Ευρώπη όσο και παγκόσμια, παρουσιάζουν τα εξής χαρακτηριστικά (Φυτίκας και Ανδρίτσος, 2004): (α) Είναι μεγάλου βάθους (3-5 km) και μεγάλης διαμέτρου. (β) Γίνονται σε σκληρά πετρώματα (συνήθως γρανιτικά) και απαιτούνται κατάλληλα κοπτικά άκρα. (γ) Είναι συνήθως κεκλιμένες για να υπάρχει αυξημένη επιφάνεια πετρώματος - οπής και επομένως μεγαλύτερη δυνατότητα κυκλοφορίας ρευστών από τα πετρώματα προς τη γεώτρηση και αντίστροφα. (δ) Η ανόρυξή τους γίνεται με τις τεχνικές των βαθιών γεωτρήσεων υδρογονανθράκων και γεωθερμικών ρευστών. (ε) Παρουσιάζουν αυξημένο κόστος εξαιτίας του βάθους και της σκληρότητας των πετρωμάτων. (στ) Χρειάζονται πρόσθετες εργασίες για τη διάνοιξη και ενεργοποίηση των παλαιών διακλάσεων (που γίνονται με εκρήξεις ή συνηθέστερα με υδραυλική θραύση).

6 (ζ) Απαιτούν ειδικές διαγραφίες και γεωφυσικές μετρήσεις, για τον εντοπισμό των συστημάτων διάρρηξης και πρόβλεψη της υπόγειας κυκλοφορίας των εισπιεζόμενων ρευστών. Σχήμα 5: Βελτιωμένα Γεωθερμικά Συστήματα (Enhanced Geothermal Systems, E.G.S.). Αριστερά: Σχηματική παράσταση εφαρμογής της τεχνικής των E.G.S. με μια γεώτρηση εισπίεσης - τροφοδοσίας και δύο γεωτρήσεις παραγωγής ( Δεξιά: Ανόρυξη της βαθιάς γεώτρησης GPK3, βάθους περίπου m, στο Soultz-sous-Forêts της Ανατολικής Γαλλίας σε γρανίτες, στα πλαίσια υλοποίησης του Ευρωπαϊκού Προγράμματος E.G.S. ( 3. ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΓΕΩΤΡΗΣΕΩΝ ΑΠΟ ΤΙΣ ΚΟΙΝΕΣ ΥΔΡΟ- ΓΕΩΤΡΗΣΕΙΣ ΓΕΝΙΚΗ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΩΝ ΙΔΙΑΙΤΕΡΟΤΗΤΩΝ ΤΩΝ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΓΕΩΤΡΗΣΕΩΝ Στις γεωθερμικές γεωτρήσεις, σε αντίθεση με τις υδρογεωτρήσεις, συναντώνται αυξημένες θερμοκρασίες και πιέσεις, αέρια, απώλειες κυκλοφορίας με ταυτόχρονη παρουσία αερίων, διαβρωτικές συνθήκες και υψηλές συγκεντρώσεις διαλυμένων αλάτων. Οι γεωτρήσεις χαμηλής ενθαλπίας διαφοροποιούνται από τις υδρογεωτρήσεις κυρίως εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας, της χημικής σύστασης των ρευστών και της περιεκτικότητας σε μη συμπυκνώσιμα αέρια. Στις γεωτρήσεις υψηλής ενθαλπίας επικρατούν πολύ διαφορετικές και αρκετά δυσκολότερες συνθήκες και αυτές προσομοιάζουν με τις υδρογεωτρήσεις των υδρογονανθράκων. Συνεπώς, προκειμένου να αντιμετωπισθούν οι ιδιαιτερότητες που παρουσιάζουν οι γεωθερμικές γεωτρήσεις απαιτείται κατάλληλος σχεδιασμός και ειδική τεχνική εκτέλεση (κατασκευή). Βασική προϋπόθεση είναι η κατάρτιση ενός γεωλογικού προγράμματος καθώς και ενός τεχνικού προγράμματος. 3.1 Κατάρτιση Γεωλογικού Προγράμματος Όσο περισσότερες και ακριβέστερες πληροφορίες δίνει το γεωλογικό πρόγραμμα μιας γεώτρησης τόσο πλησιέστερα προς την πραγματικότητα είναι τα στοιχεία του τεχνικού προγράμματος και επιτυχής από τεχνικοοικονομικής πλευράς η εκτέλεσή της. Σε ένα γεωλογικό πρόγραμμα: (α) Ορίζονται οι συντεταγμένες της γεώτρησης και το τελικό βάθος. (β) Αναφέρονται το είδος, η ηλικία, το βάθος, το πάχος και διάφορα χαρακτηριστικά των σχηματισμών που θα διατρηθούν καθώς και ποιές είναι οι ζώνες γεωθερμικού ενδιαφέροντος.

7 (γ) Δίνονται πληροφορίες για πιθανές δυσκολίες κατά τη διάτρηση (π.χ. ζώνες απωλειών κυκλοφορίας, υπερπιέσεων, διογκούμενων αργίλων, παρουσία αερίων). (δ) Παρέχονται πληροφορίες για τους ορίζοντες νερού κοντά στην επιφάνεια και για την προστασία του από ενδεχόμενη ρύπανση. (ε) Προτείνονται τα βάθη των σωληνώσεων. (στ) Ορίζονται οι πυρηνοληψίες, ο τρόπος και τα βάθη δειγματοληψίας, οι διαγραφίες (loggings) και οι πιθανές δοκιμές παραγωγής (άντλησης). 3.2 Κατάρτιση Τεχνικού Προγράμματος Ανάλογα με το πλήθος των πληροφοριών και την ακρίβεια του γεωλογικού προγράμματος καταρτίζεται ένα συνοπτικό προκαταρκτικό ή λεπτομερές τεχνικό πρόγραμμα προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος με το δυνατό μικρότερο κόστος. Εκτός από το κόστος, η εκπόνηση ενός ορθολογικού τεχνικού προγράμματος επιδρά και στην απόδοση των γεωτρήσεων. Σχήμα 6: Τεχνικά προγράμματα γεωθερμικών γεωτρήσεων πεδίων χαμηλής ενθαλπίας. Αριστερά: Τυπικό τεχνικό πρόγραμμα ερευνητικής γεώτρησης μικρής διαμέτρου. Δεξιά: Τυπικό τεχνικό πρόγραμμα ερευνητικής γεώτρησης μεγάλης διαμέτρου (Βρέλλης κ.ά., 2007). Με το τεχνικό πρόγραμμα (Σχ. 6) μιας γεώτρησης καθορίζονται: (α) ο τύπος του γεωτρυπάνου και τα παρελκόμενά του (β) τα κοπτικά άκρα (γ) οι διάμετροι των διαφόρων σταδίων διάτρησης (δ) οι ιδιότητες της λάσπης κυκλοφορίας (ε) οι δειγματοληψίες των σχηματισμών που αναμένεται να διατρηθούν (στ) ο σχεδιασμός της διατρητικής στήλης (ζ) ο τύπος, η διάμετρος και το βάθος τοποθέτησης των σωληνώσεων

8 (η) η τσιμέντωση και η ανάπτυξη (θ) η πίεση και η παροχή των αντλιών (υδραυλικό πρόγραμμα) (ι) οι τεχνικές που θα ακολουθηθούν κατά την εκτέλεση της γεώτρησης για την αντιμετώπιση κάποιων ειδικών προβλημάτων, τα οποία αναφέρονται σε επόμενη ενότητα (ια) οι διάφορες μετρήσεις και οι δοκιμές άντλησης. Η επιλογή της σωστής τεχνικής διάτρησης σε μια γεωθερμική γεώτρηση εξαρτάται από τους γεωλογικούς σχηματισμούς, το βάθος και τα χαρακτηριστικά του ταμιευτήρα και έχει ως αποτέλεσμα την άρτια εκτέλεση και τη μείωση του κόστους, κυρίως σε βαθιές γεωτρήσεις. 3.3 Τύποι Γεωτρυπάνων Η επιλογή του κατάλληλου τύπου γεωτρυπάνου είναι θεμελιώδης για το άριστο τεχνικο-οικονομικό αποτέλεσμα της όλης γεωτρητικής δραστηριότητας. Διακρίνονται δύο κύριοι τύποι γεωτρυπάνων (Σχ. 7): (α) τα δειγματοληπτικά γεωτρύπανα και (β) τα γεωτρύπανα μικρού ή μεγάλου βάθους και μεγάλης διαμέτρου. Σχήμα 7: Τύποι γεωτρυπάνων. Αριστερά: Δειγματοληπτικό γεωτρύπανο του Ι.Γ.Μ.Ε. κατά την ανόρυξη ερευνητικής γεώτρησης μικρής διαμέτρου στο γεωθερμικό πεδίο Συκιών Άρτας (Βρέλλης κ.ά., 2007). Δεξιά: Σχηματική απεικόνιση γεωτρυπάνου μεγάλου βάθους και μεγάλης διαμέτρου. Τα δειγματοληπτικά γεωτρύπανα χρησιμοποιούνται στη γεωθερμική έρευνα λόγω της δυνατότητας πυρηνοληψίας και του σχετικά μικρού κόστους διάτρησης. Τα γεωτρύπανα μεγάλης διαμέτρου μπορούν να διακριθούν σε δύο κύριους τύπους: (α) γεωτρύπανα περιστρεφόμενης τράπεζας και (β) γεωτρύπανα περιστρεφόμενης κεφαλής. Όλες οι γεωτρήσεις βάθους >1.000 m για πετρέλαιο, αέρια και γεωθερμικά ρευστά εκτελούνται από γεωτρύπανα περιστρεφόμενης τράπεζας. Τα γεωτρύπανα περιστρεφόμενης κεφαλής χρησιμοποιούνται ευρέως πλέον στην ανόρυξη υδρογεωτρήσεων καθώς και στην εκτέλεση γεωθερμικών ή άλλων γεωτρήσεων για βάθη μέχρι m. Ο κατάλληλος γεωτρητικός εξοπλισμός επιλέγεται ανάλογα με το βάθος και την ιδιαιτερότητα της κάθε γεώτρησης και συνεπώς (Βρέλλης κ.ά., 1989): (α) Για βάθη μέχρι 500 m είναι δυνατή η χρήση συνήθους υδρογεωτρυπάνου. (β) Για βάθη m είναι δυνατή η χρήση ενός βαρέως τύπου υδρογεωτρυπάνου με κατάλληλες προδιαγραφές ή ενός μικρού βάθους (ελαφρού τύπου) γεωτρυπάνου πετρελαίου.

9 (γ) Για βάθη >1.000 m χρησιμοποιούνται γεωτρύπανα πετρελαίων διαφόρων τύπων ανάλογα με το τελικό βάθος και το γεωτρητικό πρόγραμμα. Σχήμα 8: Φωτογραφίες από γεωτρύπανο περιστρεφόμενης κεφαλής του Ι.Γ.Μ.Ε. κατά την ανόρυξη παραγωγικής γεωθερμικής γεώτρησης, βάθους 785 m, στην περιοχή της Αριδαίας Ν. Πέλλας (Κολιός κ.ά., 2003). 4. ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΓΕΩΤΡΗΣΕΩΝ ΥΨΗΛΗΣ ΚΑΙ ΧΑΜΗΛΗΣ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ Μεταξύ των γεωθερμικών γεωτρήσεων υψηλής και χαμηλής ενθαλπίας εντοπίζονται, σε γενικές γραμμές, οι ακόλουθες διαφορές: (α) Η θερμοκρασία των γεωθερμικών ρευστών στα πεδία υψηλής ενθαλπίας είναι T>100 ο C, ενώ στα πεδία χαμηλής ενθαλπίας είναι T<100 ο C. Οι υψηλές θερμοκρασίες αλλά και η διαβρωτικότητα των ρευστών απαιτούν ειδικές προσαρμογές κατά την κατασκευή των γεωτρήσεων. Χρησιμοποιούνται ειδική λάσπη (πολφός) διάτρησης και κατάλληλη διατρητική στήλη και σωλήνωση, ενώ η τσιμέντωση γίνεται με ειδικό τσιμέντο και ειδικές τεχνικές. Χρειάζεται επίσης κατάλληλος πύργος του γεωτρυπάνου, ειδική βάση, πηλαντλία και προσαρμοσμένη κυκλοφορία για τη συνεχή ψύξη του πολφού. Η κεφαλή της γεώτρησης έχει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και απαιτήσεις (κεντρική βαλβίδα, δευτερεύουσες υδραυλικές βαλβίδες, ειδικές φλάντζες). Επίσης, είναι απαραίτητες η τοποθέτηση αντιεκρηκτικού συστήματος ασφάλειας B.O.P. στην κεφαλή της γεώτρησης και η κατάλληλη τσιμέντωση του σωλήνα. (β) Γενικά, το βάθος των γεωτρήσεων στα πεδία υψηλής ενθαλπίας είναι μεγάλο, ενώ στα πεδία χαμηλής ενθαλπίας είναι μικρό. (γ) Στις γεωθερμικές γεωτρήσεις των πεδίων υψηλής ενθαλπίας η διαστολή - συστολή των σωληνώσεων και η καταπόνηση του εξοπλισμού είναι μεγάλες. Συνεπώς, η αντοχή τους σε πιέσεις μειώνεται σημαντικά. Αντίθετα, στις γεωθερμικές γεωτρήσεις των πεδίων χαμηλής ενθαλπίας η διαστολή - συστολή των σωληνώσεων και η καταπόνηση του εξοπλισμού είναι μικρές. Για το λόγο αυτό είναι μικρή και η μείωση της αντοχής τους σε πιέσεις. (δ) Στις γεωθερμικές γεωτρήσεις μπορεί να υπάρξουν αστοχίες στη τσιμέντωση των σωληνώσεων, ιδιαίτερα όταν αυτές εκτελούνται από μη ειδικούς, που δεν διαθέτουν την απαραίτητη τεχνογνωσία. Οι αστοχίες αυτές οφείλονται σε θύλακες λάσπης και σε κακή πρόσφυση του τσιμέντου. Στις γεωτρήσεις ρευστών υψηλής ενθαλπίας η υπερπίεση των θυλάκων μπορεί να οδηγήσει και σε θραύση των σωλήνων. Αντίθετα, στις γεωτρήσεις των πεδίων χαμηλής ενθαλπίας η διαφοροποίηση της πίεσης των θυλάκων είναι αμελητέα. Επιπλέον, η κακή πρόσφυση τσιμέντου στις γεωτρήσεις υψηλής ενθαλπίας έχει ως αποτέλεσμα μεγάλες διαφυγές γεωθερμικών ρευστών. Στις γεωτρήσεις χαμηλής ενθαλπίας μπορεί να υπάρχουν διαφυγές ρευστών, είναι όμως σαφώς μικρότερες και αφορούν κυρίως τις διαφυγές κάποιων αερίων.

10 Σχήμα 9: Φωτογραφίες από γεωτρήσεις σε πεδία υψηλής και χαμηλής ενθαλπίας. Αριστερά: Ερευνητική γεωθερμική γεώτρηση, που κατασκευάσθηκε από τη Δ.Ε.Η. στο γεωθερμικό πεδίο υψηλής ενθαλπίας της Νήσου Μήλου. Δεξιά: Η ερευνητική γεωθερμική γεώτρηση μεγάλης διαμέτρου ΑΚΡ-1, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως παραγωγική, βάθους 275 m, στο πεδίο χαμηλής ενθαλπίας Ακροποτάμου Ν. Καβάλας. Η γεώτρηση αυτή, η οποία κατασκευάσθηκε από το Ι.Γ.Μ.Ε. το 2003, παράγει με αρτεσιανισμό 150 m 3 /h νερού θερμοκρασίας 83 o C με σημαντικές ποσότητες CO 2 (Κολιός κ.ά., 2006). 5. ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΓΕΩΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΟΥΣ Κατά την κατασκευή των γεωθερμικών γεωτρήσεων μπορεί να παρουσιαστούν κάποια ιδιαίτερα προβλήματα, τα οποία χρήζουν ιδιαίτερης αντιμετώπισης. Τα προβλήματα αυτά είναι: (α) οι αυξημένες και υψηλές πιέσεις (β) οι αυξημένες και υψηλές θερμοκρασίες των ρευστών (γ) η παρουσία αερίων (CO 2, H 2 S κ.ά.) (δ) οι απώλειες κυκλοφορίας (ε) διάφορες αποθέσεις αλάτων από τα γεωθερμικά ρευστά (στ) διαβρωτικές συνθήκες εξαιτίας της σύστασης των γεωθερμικών ρευστών. 5.1 Αντιμετώπιση Πιέσεων - Θερμοκρασιών - Αερίων Για την αντιμετώπιση των αυξημένων έως υψηλών πιέσεων και θερμοκρασιών των γεωθερμικών ρευστών καθώς και της παρουσίας αερίων, όπως CO 2, H 2 S κ.ά., λαμβάνονται τα ακόλουθα μέτρα: (α) Καθορισμός και παρακολούθηση των χαρακτηριστικών ιδιοτήτων της λάσπης (πολφού) διάτρησης με χρήση και κατάλληλων χημικών πρόσθετων. (β) Τοποθέτηση στην κεφαλή της γεώτρησης κατάλληλου αντιεκρηκτικού μηχανισμού ασφάλειας (Β.Ο.Ρ.) και εξοπλισμού ελέγχου της κυκλοφορίας ρευστών με βάνες. (γ) Διάθεση ανιχνευτών αερίων και άλλων οργάνων ελέγχου (πίεσης, θερμοκρασίας). (δ) Επιλογή εξοπλισμού ανθεκτικού σε διαβρωτικές συνθήκες. (ε) Σωστή επιλογή του βάθους τοποθέτησης των σωληνώσεων. (στ) Επιλογή τεχνικών επιτυχημένης κατά περίπτωση τσιμέντωσης.

11 Σχήμα 10: Φωτογραφίες από γεωθερμικές γεωτρήσεις σε πεδία υψηλής και χαμηλής ενθαλπίας. Αριστερά: Η ερευνητική γεωθερμική γεώτρηση ΜΑ-1, βάθους m, που κατασκευάσθηκε το από τη Δ.Ε.Η. στο γεωθερμικό πεδίο υψηλής ενθαλπίας της Νήσου Μήλου, κοντά στον Αδάμαντα (Φυτίκας και Ανδρίτσος, 2004). Δεξιά: Η παραγωγική γεώτρηση ΥΓ-14Α, βάθους 150 m, στο πεδίο χαμηλής θερμοκρασίας Πολιχνίτου Λέσβου, η οποία κατασκευάσθηκε το 2008 και παράγει νερά θερμοκρασίας 88 o C. Η επιλογή της θέσης της γεώτρησης, ο σχεδιασμός της και η επίβλεψή της έγιναν από το Ι.Γ.Μ.Ε. Η καλή διάτρηση εξασφαλίζεται με τη χρήση κατάλληλου πολφού (με την κατάλληλη σύσταση και τις απαιτούμενες κατά περίπτωση ιδιότητες ειδικού βάρους, ιξώδους κ.ά. και την ταχύτητα κυκλοφορίας του κατά την άνοδο στη γεώτρηση) και συνεχή έλεγχο και διόρθωση των χαρακτηριστικών του. Η ανόρυξη γεωτρήσεων χαμηλής ενθαλπίας, εφόσον συναντώνται θερμοί υδροφορείς χωρίς σοβαρή πίεση ή παροχή, γίνεται κυρίως με κυκλοφορία πολφού από νερό και μπεντονίτη ή απλό νερό. Μόνο νερό ή και αέρας (με αφριστικά) μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε γεωτρήσεις μικρού βάθους, συμπαγών σχηματισμών με ταμιευτήρες όπου το γεωθερμικό ρευστό είναι μόνο ζεστό νερό χωρίς αρτεσιανισμό και αέρια. Στον πολφό μπορεί να χρησιμοποιηθούν ορυκτά υλικά, συνήθως βαρύτης, που βοηθούν στην αύξηση της πυκνότητάς του. Στους υπό πίεση και με σημαντική παροχή σχηματισμούς χρησιμοποιείται ειδικός και αυξημένου ειδικού βάρους πολφός, ουδέποτε όμως πεπιεσμένος αέρας. Σε ειδικές περιπτώσεις, όπως μεγάλα βάθη, τοξικά αέρια και υψηλές θερμοκρασίες (T>90 o C), που χαρακτηρίζουν τις γεωτρήσεις υψηλής ενθαλπίας, χρησιμοποιούνται ειδικά πρόσθετα. Οι πύργοι ψύξης του πολφού στις γεωτρήσεις υψηλής ενθαλπίας είναι απαραίτητοι για να αποτρέπεται η υπερβολική αύξηση της θερμοκρασίας, συμβάλλοντας στην ελάττωσή της κατά o C σε κάθε κύκλο εξόδου - εισόδου. Αντίθετα, η έλλειψη των πύργων αυτών ή άλλων συστημάτων ψύξης οδηγεί σε ανεπιθύμητες καταστάσεις λόγω υπερθέρμανσης του πολφού (T>100 o C).

12 Η θερμοκρασία του πολφού διάτρησης είναι από τις βασικές παραμέτρους που παρακολουθούνται κατά την εκτέλεση των γεωτρητικών εργασιών. Στις γεωθερμικές γεωτρήσεις η εγκατάσταση θερμομέτρων για την επιφανειακή παρακολούθηση των θερμοκρασιών εισόδου - εξόδου του πολφού είναι απαραίτητη. Η συνεχής παρακολούθηση της θερμοκρασίας του επιστρεφόμενου πολφού κυκλοφορίας δίνει σημαντικές πληροφορίες τόσο για τους παραγωγικούς σχηματισμούς όσο και για την ασφάλεια των εργαζομένων. Για παράδειγμα, η απότομη αύξηση της θερμοκρασίας του (έστω και κατά λίγους βαθμούς) σε συνδυασμό με μερική ή ολική απώλειά του κατά την κυκλοφορία, σημαίνει σχεδόν πάντα την είσοδο της διάτρησης σε παραγωγικό γεωθερμικό σχηματισμό (Φυτίκας και Ανδρίτσος, 2004). Σχήμα 11: Φωτογραφίες από εργασίες κατά τη διάρκεια ανόρυξης μιας γεωθερμικής γεώτρησης. Αριστερά: Το σύστημα της λάσπης (πολφού) διάτρησης στη διάρκεια της νύχτας, κατά την ανόρυξη της βαθιάς γεώτρησης GPK3, βάθους περίπου m, στο Soultz-sous-Forêts της Ανατολικής Γαλλίας ( Δεξιά: Το εσωτερικό ενός εργαστηρίου ελέγχου κατά την ανόρυξη μιας γεωθερμικής γεώτρησης. Τα αέρια CO 2 και H 2 S, όταν υπάρχουν στους γεωθερμικούς ταμιευτήρες εισχωρούν στον πολφό της διάτρησης και δημιουργούν προβλήματα διάβρωσης του γεωτρητικού εξοπλισμού. Με τη ρύθμιση του ph κατά περίπτωση, την αύξηση της πυκνότητας του πολφού και την προσθήκη ασβεστίου ή ανθρακικών ή άλλων πρόσθετων χημικών όπως οξειδίων Fe, τα οποία κατακρημνίζουν το CO 2 και δεσμεύουν το διαβρωτικό αέριο H 2 S, αποφεύγεται η απελευθέρωση αερίων. Η ύπαρξη υψηλών θερμοκρασιών, πιέσεων και επικίνδυνων αερίων στους γεωθερμικούς ταμιευτήρες απαιτεί, όπως προαναφέρθηκε, τη συνεχή παρακολούθηση των χαρακτηριστικών του πολφού διάτρησης και ρύθμιση της πυκνότητάς του. Όμως η πιθανότητα να μη καταστεί εφικτός ο έλεγχος έχει ως συνέπεια την εμφάνιση ανεξέλεγκτης συνεχούς ροής γεωθερμικών ρευστών ή και επικίνδυνων αερίων από τη γεώτρηση. Για την αποφυγή τέτοιων καταστάσεων είναι αναγκαία η τοποθέτηση στην κεφαλή της γεώτρησης ενός μηχανισμού ασφάλειας B.O.P. (Blow Out Preventer), ο οποίος μπορεί να διακόψει την απότομη εκροή των ρευστών υπό πίεση από τη γεώτρηση. Τα συστήματα B.O.P. προέρχονται από την τεχνολογία των γεωτρήσεων υδρογονανθράκων και αποτελούνται από συνδυασμό διαφόρων βαλβίδων, ειδικών εμβόλων (rams), αποφρακτήρα και περιστρεφόμενης κεφαλής (Σχ. 12). Ο όλος εξοπλισμός του B.O.P. αποτελείται από το μέρος που κλείνει σε οποιαδήποτε διάμετρο (annular preventer) και από το μέρος με σιαγόνες (pipe rams) που κλείνουν στις διαμέτρους των διατρητικών στελεχών. Ο μηχανισμός λειτουργεί με υδραυλικό και χειροκίνητο τρόπο στεγανοποιώντας τα διάκενα στελεχών διάτρησης και σωληνώσεων, ενώ οι κεντρικές και πλευρικές βαλβίδες (βάνες) διακόπτουν τη ροή των ρευστών. Ο έλεγχος της κυκλοφορίας με ανοιχτό ή κλειστό B.O.P. και ανάλογα με το συγκεκριμένο σκοπό γίνεται μέσα από δύο γραμμές υψηλής αντοχής (chock ή kill lines) συνδεδεμένες με ένα σύστημα από βάνες υψηλής πίεσης, τοποθετημένο σε σημείο εύκολης πρόσβασης, κοντά στο B.O.P. Τα συστήματα B.O.P. χρησιμοποιούνται σε όλα τα γεωθερμικά συστήματα ατμού. Στις γεωτρήσεις υδρογονανθράκων και γεωθερμίας υψηλής ενθαλπίας και χαμηλής ενθαλπίας μεγάλου βάθους (>1.000 m) ο μηχανισμός

13 ασφάλειας είναι τυποποιημένος ως προς τη διάταξη και λειτουργία του και υποστηρίζεται από ειδικευμένο προσωπικό. Υπάρχουν διάφορα μεγέθη ανάλογα με την πίεση λειτουργίας τους και είναι μεγάλου βάρους. Το σύστημα λειτουργίας για λόγους ασφάλειας θα πρέπει να είναι και χειροκίνητο. Απλουστευμένα συστήματα B.O.P. μπορούν να σχεδιαστούν κατά περίπτωση στις γεωτρήσεις χαμηλής ενθαλπίας με αρτεσιανισμό ή θερμοκρασία ρευστών μεγαλύτερη των o C. Η μέτρηση των πιέσεων του ταμιευτήρα και ο έλεγχός τους είναι άμεσης προτεραιότητας για τη σωστή εκτέλεση της γεώτρησης, ιδιαίτερα στα γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας (Μήλου, Νισύρου). Επίσης, σε αρκετά και μάλιστα στα σπουδαιότερα γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας στον Ελλαδικό χώρο (κυρίως σε ιζηματογενείς λεκάνες της Βόρειας Ελλάδας) εμφανίζεται έντονος αρτεσιανισμός των γεωθερμικών ρευστών (νερό και CO 2 ), που οφείλεται στους υπό πίεση ταμιευτήρες. Ο έλεγχος της πίεσης των ρευστών που περιέρχονται στους σχηματισμούς που διατρύονται επιτυγχάνεται με την ανάλογη υδροστατική πίεση της λάσπης. Αν η πίεση του σχηματισμού υπερβεί την ασκούμενη υδροστατική πίεση, τότε μέσα στη γεώτρηση εισέρχεται μια ποσότητα ρευστού του σχηματισμού (influx). Έτσι, η ύπαρξη αυξημένων πιέσεων στον ταμιευτήρα (υπερπίεση) δημιουργεί μια απότομη εισροή (kick) γεωθερμικών ρευστών στη γεώτρηση και το φαινόμενο αυτό αποτελεί προειδοποίηση για έλεγχο των πιέσεων ώστε να μην επακολουθήσει ανεξέλεγκτη κατάσταση και έκρηξη (blow out). Για την αντιμετώπιση του προβλήματος πρέπει να υπάρχει μόνιμα στην κεφαλή της γεώτρησης ο αντιεκρηκτικός μηχανισμός B.O.P., ο οποίος τίθεται άμεσα σε λειτουργία στην περίπτωση αυτή. Μετά τη διακοπή κυκλοφορίας του πολφού με το κλείσιμο του B.O.P. ετοιμάζεται το πρόγραμμα για τον έλεγχο της πίεσης του ταμιευτήρα και της εκτόνωσης της εισροής (kick) των γεωθερμικών ρευστών στη γεώτρηση με τη σταδιακή μεταφορά του ρευστού του σχηματισμού (που έχει εισέλθει) στην επιφάνεια και την απομάκρυνσή του, τη διοχέτευση πολφού κατάλληλης πυκνότητας δια μέσου της διατρητικής στήλης, και την εξισορρόπηση της υδροστατικής πίεσης της στήλης του πολφού με την πίεση του ταμιευτήρα (Βρέλλης, 1990). Σχήμα 12: Αντιεκρηκτικός μηχανισμός ασφάλειας B.O.P. Αριστερά: Σχηματικό διάγραμμα του B.O.P. Αυτό το σχήμα B.O.P. είναι τυπικό για οπή γεώτρησης διαμέτρου >4 in (Πηγή: Δεξιά: Τοποθέτηση μηχανισμού B.O.P. κατά την ανόρυξη της βαθιάς γεώτρησης GPK3, βάθους περίπου m, στο Soultz-sous-Forêts της Ανατολικής Γαλλίας (

14 Εκτός από τις υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες, είναι πιθανή και η ύπαρξη H 2 S σε συγκεντρώσεις επικινδυνότητας. Το γεγονός αυτό καθιστά αναγκαία την τοποθέτηση ενός συστήματος ανίχνευσής του. Έτσι, κατά τη διάρκεια της διάτρησης, ανιχνευτής H 2 S μπορεί να τοποθετηθεί στη σωλήνωση εξόδου του πολφού ή στο διαχωριστή του πολφού. Κατά τη διάτρηση, θα πρέπει να υπάρχει βαλβίδα αντεπιστροφής στο τέλος της διατρητικής στήλης και λίγο πριν από το κοπτικό άκρο, για να αποφευχθεί η διαφυγή γεωθερμικών ρευστών κατά την αλλαγή (μανούβρα) των στελεχών αλλά και για τις ενδεχόμενες αποφράξεις κλπ. Μετά την ολοκλήρωση κατασκευής μιας γεωθερμικής γεώτρησης κρίνεται απαραίτητη η τοποθέτηση βαλβίδων (κεντρικών και πλευρικών), μανόμετρων και θερμομέτρων στην κεφαλή της για τη σωστή λειτουργία και παρακολούθησή της (Σχ. 13). Σχήμα 13: Κεφαλές γεωτρήσεων. Αριστερά: Φωτογραφία της κεφαλής της γεωθερμικής γεώτρησης TH-1 στο πεδίο χαμηλής ενθαλπίας Θερμών Νιγρίτας Ν. Σερρών με βαλβίδες (βάνες), μανόμετρο και θερμόμετρο (Φωτ. Μ. Φυτίκα). Δεξιά: Σχηματική απεικόνιση κεφαλής μιας βαθιάς γεώτρησης, που ονομάζεται Christmas tree and Wellhead Assembly, με ένα σύνολο βαλβίδων (βανών), αξόνων ή ατράκτων (spools) και λοιπών εξαρτημάτων με στόχο τον έλεγχο της ροής του ρευστού μέσα και έξω από τη γεώτρηση και την παρακολούθηση κάποιων βασικών παραμέτρων (πίεσης, θερμοκρασίας, παροχής, σύστασης ρευστών, ανίχνευσης άμμου κ.ά.). Ο εξοπλισμός αυτός χρησιμοποιείται σε γεωτρήσεις παραγωγής και επανεισαγωγής και είναι ιδιαίτερα διαδεδομένος σε γεωτρήσεις υδρογονανθράκων. Τα διατρητικά στελέχη των γεωτρυπάνων, ιδιαίτερα αυτών σε πεδία υψηλής ενθαλπίας, καταπονούνται ιδιαίτερα από τη διάβρωση, τις απότομες αλλαγές των σχηματισμών και τις αυξημένες θερμοκρασίες. Η επιλογή των καταλληλότερων υλικών για τη μόνιμη σωλήνωση (Φωτ. Σχ. 2, αριστερά) εξαρτάται από το χημισμό, τη θερμοκρασία και τη συμπεριφορά των ρευστών (π.χ. τάσεις επικαθίσεων αλάτων ή διαβρώσεων των μεταλλικών επιφανειών, περιεκτικότητα σε αέρια) και τις ασκούμενες πιέσεις. Υπάρχουν διάφορα είδη σωληνώσεων, σε συνδυασμό με το κόστος και την ανθεκτικότητα. Η αναμενόμενη θερμοκρασία και διαβρωτικότητα των ρευστών και η σταθερότητα των τοιχωμάτων είναι παράμετροι που θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη για το σωστό προγραμματισμό των σωληνώσεων και των σχετικών διαμέτρων τους. Οι τεχνικές προδιαγραφές των σωληνώσεων και οι μηχανικές αντοχές τους (στις διάφορες πιέσεις) εξαρτώνται από την ποιότητα του υλικού, το πάχος και τη διάμετρό τους, τη σύνδεση μεταξύ τους και τον τύπο των φίλτρων. Οι μηχανικές αντοχές διακρίνονται σε εφελκυσμό, σύνθλιψη και εσωτερική πίεση, δηλ. ουσιαστικά αναφέρονται στις κατακόρυφες και πλευρικές (εσωτερικές και εξωτερικές) πιέσεις κατά τη διάρκεια της τοποθέτησής τους και μετά. Υπάρχουν σωληνώσεις μεταλλικές (συνήθως από χάλυβα) και μη μεταλλικές (θερμοπλαστικές). Οι μεταλλικές σωληνώσεις έχουν καλές μηχανικές αντοχές αλλά με προβλήματα διάβρωσης, ενώ οι μη μεταλλικές σωληνώσεις παρουσιάζουν μικρές μηχανικές αντοχές (που μειώνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας) αλλά με καλή αντιδιαβρωτική

15 συμπεριφορά. Οι μη μεταλλικές σωληνώσεις χρησιμοποιούνται μόνο σε γεωθερμικές γεωτρήσεις χαμηλής ενθαλπίας και όταν είναι εφικτό. Οι ιδιότητες των σωλήνων ορίζονται από τις προδιαγραφές (standards) API ή σε περίπτωση εκτός προδιαγραφών API από τους κατασκευαστές. Η διάμετρος των τυφλοσωλήνων εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της διφασικής ροής των γεωθερμικών ρευστών και μπορεί να είναι διαφορετική της διαμέτρου των φιλτροσωλήνων. Η κατάλληλη επιλογή και τοποθέτηση των φιλτροσωλήνων αποτελούν βασικές προϋποθέσεις για τη σωστή λειτουργία μιας γεωθερμικής γεώτρησης. Οι παράμετροι που προσδιορίζουν τις φιλτροσωληνώσεις είναι η ποιότητα του υλικού κατασκευής (αντοχή σε πιέσεις και διάβρωση), το ποσοστό ανοικτής επιφάνειας σε σχέση με την ολική, το σχήμα και οι διαστάσεις των σχισμών, η διάμετρος, το μήκος και η θέση τοποθέτησής τους (Βρέλλης, 1990, Φυτίκας και Ανδρίτσος, 2004). Σχήμα 14: Φωτογραφίες από τσιμέντωση γεωθερμικών γεωτρήσεων. Αριστερά: Τσιμέντωση γεωθερμικής γεώτρησης, βάθους περίπου 640 m, στo Canby, Modoc County, στην Καλιφόρνια των Η.Π.Α. το 2000 (Bohm B., 2000). Δεξιά: Τσιμέντωση της σωλήνωσης της γεώτρησης GPK3, βάθους περίπου m, τον Ιούλιο του 2002 στο Soultzsous-Forêts της Ανατολικής Γαλλίας ( Η τεχνική της τσιμέντωσης (Σχ. 14) αποτελεί ένα από τα βασικά σημεία σχεδιασμού και κατασκευής της γεώτρησης, ώστε κατά τη λειτουργία της να είναι ασφαλής και τα γεωθερμικά ρευστά να διατηρούν τα χαρακτηριστικά τους. Η έλλειψη τεχνογνωσίας της τσιμέντωσης δημιουργεί αρκετά προβλήματα. Οι περισσότερες γεωθερμικές γεωτρήσεις (με αρτεσιανισμό) στην Ελλάδα, που εκτελέστηκαν από μη ειδικούς, παρουσιάζουν διαρροές μέχρι και ολική καταστροφή μετά την έναρξη λειτουργίας τους ή μετά από κάποιο χρονικό διάστημα. Η τσιμέντωση θεωρείται υποχρεωτική για όλες τις γεωθερμικές γεωτρήσεις για τους εξής λόγους: (α) για την απομόνωση των ενδεχόμενων ρηχών ψυχρών ή υπόθερμων υδροφορέων και την αποφυγή ανάμιξής τους με τα ρευστά του γεωθερμικού ταμιευτήρα, (β) για την ασφάλεια της γεώτρησης και τη σίγουρη αντιμετώπιση του πολύ πιθανού αρτεσιανισμού, της αυξημένης μερικές φορές πίεσης και της αξιόλογης θερμοκρασίας, (γ) για την αποφυγή διαρροών ανάμεσα στα τοιχώματα και στη σωλήνωση της γεώτρησης με αποτέλεσμα την καταστροφή της και την εμφάνιση ανεξέλεγκτων καταστάσεων, και (δ) για την προστασία των σωληνώσεων από διαβρωτικά ρευστά που υπάρχουν στους διατρηθέντες σχηματισμούς. Η απότομη θερμική διαταραχή των χαλύβδινων σωλήνων, ιδιαίτερα σε πεδία υψηλής ενθαλπίας, κατά την έναρξη της παραγωγικής λειτουργίας της γεώτρησης μπορεί να προκαλέσει σημαντική διαστολή και επομένως αποκόλληση των σωλήνων από τα τοιχώματα της γεώτρησης με αποτέλεσμα τη διείσδυση θερμών και με μεγάλη πίεση ρευστών μεταξύ τοιχωμάτων και σωλήνων και την ανεξέλεγκτη ροή τους προς την επιφάνεια ή την πρόκληση «υδροθερμικής έκρηξης». Ατσιμέντωτο τμήμα σωλήνωσης μπορεί να υποστεί λυγισμό κατά τη θέρμανσή του (Σχ. 15). Εγκλωβισμένες φωλεές νερού στο δακτύλιο μεταξύ οπής γεώτρησης και σωλήνωσης ή μεταξύ σωληνώσεων διογκώνονται κατά την αύξηση της θερμοκρασίας και αναπτύσσουν πιέσεις της τάξης

16 Σχήμα 15: Εξιδανικευμένες συνθήκες που προκαλούν στρέβλωση (λυγισμό) της σωλήνωσης με την επίδραση της θερμοκρασίας (Rechard and Schuler, 1983). των psi/ o F, που μπορούν να καταστρέψουν τις σωληνώσεις (Shryock, 1982, Βρέλλης και Χιώτης, 1994). Οι υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες αλλά και η διαβρωτικότητα ορισμένων ρευστών οδήγησαν στην κατασκευή διαφόρων κατηγοριών τσιμέντων (με ποικίλα πρόσθετα) ανάλογα με τις φυσικοχημικές συνθήκες του περιβάλλοντος της τσιμέντωσης. Οι κατηγορίες τσιμέντου διαφέρουν ως προς την αντοχή στη θλίψη και τον εφελκυσμό μετά την πήξη, που επηρεάζονται από τη θερμοκρασία της γεώτρησης, την πίεση του σχηματισμού και το χημισμό των ρευστών. Το τσιμέντο των γεωθερμικών γεωτρήσεων πρέπει να αντέχει στις μεγάλες θερμοκρασίες αλλά και στη ρύπανση από τον πολφό διάτρησης. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι τσιμέντωσης ανάλογα με το βάθος, τις γεωλογικές συνθήκες, τα γεωθερμικά χαρακτηριστικά του πεδίου και τις τεχνικές και οικονομικές δυνατότητες του συνεργείου εκτέλεσης των εργασιών. Ανάλογα με τη μέθοδο τσιμέντωσης που εφαρμόζεται, υπάρχουν ειδικές παράμετροι που πρέπει να τηρούνται για την επιτυχία της μεθόδου. Οι εργασίες τσιμέντωσης μπορούν να διακριθούν σε δύο κατηγορίες: (α) τις πρωτογενείς τσιμεντώσεις σωλήνων (Σχ. 16) και (β) τις δευτερογενείς ή βοηθητικές τσιμεντώσεις, οι οποίες βελτιώνουν τις πρωτογενείς. Στις δευτερογενείς τσιμεντώσεις συγκαταλέγονται τα πώματα τσιμέντου, τα οποία δημιουργούνται με την εισαγωγή πολφού τσιμέντου στη γεώτρηση σε περιπτώσεις απωλειών κυκλοφορίας, αποκλεισμού ζωνών νερού (για μελλοντική παραγωγή), εγκατάλειψης της γεώτρησης κλπ (Βρέλλης, 1990). Για να θεωρηθεί μια τσιμέντωση επιτυχής απαιτείται να έχει πληρωθεί όλος ο χώρος του διακένου με το τσιμέντο, το δε τσιμέντο να έχει καλή πρόσφυση στα τοιχώματα και της γεώτρησης και της σωλήνωσης. Για να επιτευχθεί αυτό, θα πρέπει, οπωσδήποτε, οι παχείς πλακούντες μπεντονίτη και γενικότερα τρίμματα ή τεμάχια της λάσπης διάτρησης να απομακρυνθούν (καθαρισμός και περιορισμός της ρύπανσης από τον πολφό) (Βρέλλης, 1990, Φυτίκας και Ανδρίτσος, 2004). Για την αποφυγή αυτών των αστοχιών θα πρέπει να λαμβάνεται πρόνοια κατά τη διάτρηση ώστε να αποφεύγονται μεγάλες κοιλότητες, αποκλίσεις από τη διάμετρο της γεώτρησης, απόθεση ακατάλληλου φίλτρου-πλακούντα, η δε άντληση του πολφού τσιμέντου να έχει τέτοιο ρυθμό ώστε να διατηρείται η τυρβώδης ροή. Ακόμη, είναι δυνατόν να χρησιμοποιούνται κατάλληλα χημικά υγρά ή νερό για το διαχωρισμό της λάσπης από τον πολφό του τσιμέντου. Επίσης, βασικό στοιχείο μιας καλής τσιμέντωσης είναι το να τοποθετηθεί η σωλήνωση στο κέντρο της γεώτρησης ώστε το τσιμέντο να αποτεθεί γύρω από τη σωλήνωση, σε όλο το χώρο του διακένου (Βρέλλης, 1990).

17 Σχήμα 16: Στάδια πρωτογενούς τσιμέντωσης (primary casing cementing) (Schlumberger, 1984). 5.2 Αντιμετώπιση Απωλειών Κυκλοφορίας, Αποθέσεων Αλάτων και Διαβρώσεων Οι απώλειες κυκλοφορίες και τα προβλήματα επικαθίσεων αλάτων και διαβρώσεων, που παρουσιάζονται στις γεωθερμικές γεωτρήσεις, αντιμετωπίζονται με τους ακόλουθους τρόπους: (α) Χρήση ειδικών πρόσθετων κατά των απωλειών κυκλοφορίας στη λάσπη (πολφό) γεωτρήσεων. (β) Χρήση ειδικών χημικών στη λάσπη γεωτρήσεων για τη δέσμευση αερίων. (γ) Χρήση ειδικών χημικών πρόσθετων στη λάσπη γεωτρήσεων έναντι των επικαθίσεων αλάτων και της διάβρωσης καθώς και στις γεωτρήσεις κατά τη διάρκεια της εκμετάλλευσής τους. (δ) Επιλογή εξοπλισμού ανθεκτικού σε διαβρωτικές συνθήκες. (ε) Επιλογή κατάλληλης πίεσης ροής του γεωθερμικού ρευστού κατά την εκμετάλλευσή του. Οι απώλειες κυκλοφορίας πριν από τους παραγωγικούς υδροφορείς αντιμετωπίζονται με την προσθήκη ειδικού υλικού που παρεμποδίζει τις απώλειες (LCM, lost circulation material, υλικό σε σχήμα νημάτων, κόκκων ή «νιφάδων») όταν αυτές είναι μικρές (μέχρι 20 m 3 /h) και με σταδιακή ή εναλλακτικά συνολική αντιμετώπιση πλήρωσης όταν είναι μεγάλες (σε ανοιχτές ρωγμές και έγκοιλα). Στη σταδιακή αντιμετώπιση η διάτρηση συνεχίζεται με νερό αντί λάσπης για διάστημα m, ακολούθως γίνεται εισπίεση λάσπης υψηλού ιξώδους μαζί με υλικά απόφραξης και παρακολουθείται δοκιμαστικά αν ανεβαίνει η πίεση στην κεφαλή, στη συνέχεια γίνεται τοποθέτηση πώματος τσιμέντου και προσεκτική εισπίεσή του (εφόσον έχει προηγηθεί άνοδος της πίεσης) και τέλος, μετά τη διάτρηση του τσιμέντου, γίνεται δοκιμή αντοχής των σχηματισμών ώστε να εξασφαλισθεί ότι οι σχηματισμοί θα αντέξουν αργότερα την πίεση στήλης τσιμέντου. Εάν δεν

18 διαπιστωθεί ικανοποιητική αντοχή, τότε επαναλαμβάνεται ο προηγούμενος κύκλος εργασιών. Κατ αυτόν τον τρόπο επαναλαμβάνεται σταδιακά η διάτρηση, μετά την αντιμετώπιση των εκάστοτε απωλειών (Βρέλλης και Χιώτης, 1994). Ακολουθεί η σωλήνωση - τσιμέντωση. Σύμφωνα με την τακτική της συνολικής αντιμετώπισης των απωλειών, η διάτρηση συνεχίζεται με νερό για όλο το διάστημα που πρόκειται να σωληνωθεί και ακολουθούν οι προαναφερθείσες εργασίες εισπίεσης λάσπης και πώματος τσιμέντου. Η τακτική της σταδιακής αντιμετώπισης των απωλειών κυκλοφορίας είναι χρονοβόρα και δαπανηρή, παρουσιάζει όμως πλεονεκτήματα: (α) περιορίζεται σε μεγάλο βαθμό ο κίνδυνος φρακαρίσματος της στήλης από καταπτώσεις ασταθών σχηματισμών ή από επιστροφή τριμμάτων, (β) εντοπίζονται οι ζώνες απωλειών και εξακριβώνεται αν υπάρχουν σχηματισμοί χωρίς απώλειες, (γ) η επέμβαση είναι τεχνικά ευκολότερη σε μικρά διαστήματα, (δ) είναι δυνατή η ανάκτηση τριμμάτων εφόσον αποκατασταθεί η κυκλοφορία κατά τη διάτρηση και τέλος, (ε) μειώνεται ο κίνδυνος εκρήξεων από βίαιη εισροή γεωθερμικών ρευστών διότι γίνεται ικανοποιητική ψύξη σε όλο το μήκος της γεώτρησης. Η διατήρηση ανοικτών ζωνών απωλειών είναι κρίσιμη για την ποιότητα της τσιμέντωσης και κατ επέκταση για τη συμπεριφορά των σωληνώσεων στη διάρκεια της παραγωγής. Συνεπώς, η προσεκτική αντιμετώπιση των ζωνών απώλειας κυκλοφορίας θεωρείται απαραίτητη και μάλιστα σταδιακά κατά τη διάρκεια της διάτρησης, ώστε το μήκος της γεώτρησης με απώλειες κυκλοφορίας να μην υπερβαίνει εκάστοτε τα 100 m (Βρέλλης και Χιώτης, 1994). Σχήμα 17: Προβλήματα σωλήνωσης και τσιμέντωσης σε μια γεωθερμική γεώτρηση (Veneruso, A.F. and Chang, H. T., 1980). 1. Εγκάρσια ροή, απόπλυση ή διάλυση τσιμέντου από τη ροή του νερού. 2. Ζώνη απώλειας κυκλοφορίας, φτωχός εκτοπισμός της λάσπης διάτρησης από τσιμέντο. 3. Εσωτερική τρηματική διάβρωση (διάβρωση με βελονισμό), με το σχηματισμό μικροσκοπικών οπών - εσοχών στη μεταλλική επιφάνεια, από θερμή άλμη με όξινα αέρια. 4. Σχηματισμός επικαθίσεων σε θέση όπου μεταβάλλεται η διάμετρος της σωλήνωσης. 5. Σχηματισμός επικαθίσεων σε σημείο εκτόνωσης νερού.

19 Τα αέρια CO 2 και H 2 S, όταν υπάρχουν στους γεωθερμικούς ταμιευτήρες εισχωρούν στον πολφό της διάτρησης και δημιουργούν προβλήματα διάβρωσης του γεωτρητικού εξοπλισμού. Με τη ρύθμιση του ph κατά περίπτωση και την αύξηση της υδροστατικής πίεσης του πολφού στους ταμιευτήρες αποφεύγεται η απελευθέρωση μεγάλων ποσοτήτων αερίων. Η διατήρηση σταθερού ιξώδους είναι επίσης απαιτούμενο και επιτυγχάνεται με κατάλληλες παρεμβάσεις κατά τη διάτρηση (π.χ. με την πρόσθεση ασβεστίου ή ανθρακικών, τα οποία κατακρημνίζουν το CO 2 και απομονώνουν το διαβρωτικό αέριο H 2 S ή με πρόσθεση πολυμερών) (Φυτίκας και Ανδρίτσος, 2004). Η αντιμετώπιση (πρόληψη και έλεγχος) των επικαθίσεων αλάτων σε γεωτρήσεις που βρίσκονται σε λειτουργία είναι εφικτή με χημικά μέσα, όπως πρόσθετα χημικών ουσιών, και ρύθμιση του ph. Οι ανθρακικές επικαθίσεις εμφανίζονται κυρίως σε γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας, ενώ οι πυριτικές και θειούχες σε πεδία υψηλής ενθαλπίας, χωρίς να λείπουν και οι ανθρακικές. Η χρήση χημικών αναστολέων βοηθά κυρίως στην πρόληψη ανθρακικών και θειικών επικαθίσεων. Ένας τρόπος αντιμετώπισης των πυριτικών και θειούχων επικαθίσεων, που μπορεί να προσφέρει θετικά στις σωληνώσεις των γεωτρήσεων, είναι ο έλεγχος της θερμοκρασίας, της πίεσης και του ρυθμού ροής των ρευστών, ώστε το πρόβλημα να μεταφερθεί στην επιφάνεια. Η αντιμετώπιση των επικαθίσεων μέσα στις σωληνώσεις της γεώτρησης πριν από το σημείο εκτόνωσης των γεωθερμικών ρευστών γίνεται με την προσθήκη οξέος για τη μείωση του ph, αλλά με σημαντικό οικονομικό κόστος. Επίσης, μπορεί να γίνει μηχανική αφαίρεση των επικαθίσεων από τις σωληνώσεις. Η αντιμετώπιση των επικαθίσεων αυτών στις εγκαταστάσεις επιφανείας γίνεται σε ειδικές συσκευές (με κρυστάλλωση και καταβύθιση). Σχήμα 18: Αποθέσεις ανθρακικών αλάτων (CaCO 3 ) στο γεωθερμικό πεδίο χαμηλής θερμοκρασίας (ενθαλπίας) Θερμών Νιγρίτας. Η αντιμετώπιση της διάβρωσης των μεταλλικών επιφανειών από τα γεωθερμικά ρευστά γίνεται με τους ακόλουθους τρόπους (Φυτίκας και Ανδρίτσος, 2004): (α) Επιλογή της κατάλληλης ποιότητας του υλικού των μεταλλικών επιφανειών, αλλά και του τρόπου κατασκευής και σύνδεσης μεταξύ τους. (β) Προσθήκη αναστολέων διάβρωσης, οι οποίοι μειώνουν τη διαβρωτική δράση των γεωθερμικών νερών, προστιθέμενοι σε μικρές συγκεντρώσεις σ αυτά. (γ) Επικάλυψη των μεταλλικών επιφανειών με ανθεκτικά στη διάβρωση στρώματα, τα οποία προστατεύουν το μέταλλο από τα διαβρωτικά ρευστά και μειώνουν σημαντικά τη διάβρωση. Γενικά, ο πιο πρακτικός τρόπος αντιμετώπισης του προβλήματος της διάβρωσης είναι η επικάλυψη των μεταλλικών (από χυτοσίδηρο ή κοινό χάλυβα) επιφανειών με στρώματα σκληρυνόμενων ρητινών (π.χ. εποξειδικών) ή άλλων πολυμερικών υλικών.

20 Σχήμα 19: Προβλήματα επικαθίσεων αλάτων στο γεωθερμικό πεδίο υψηλής ενθαλπίας Kizildere της Τουρκίας (Kaya and Kidnap, 2009). Αριστερά: Επικαθίσεις CaCO 3 στη γεώτρηση KD-13, βάθους 760 m, με θερμοκρασία ρευστών στην έξοδο 195,5 o C και σημαντικές ποσότητες CO 2 (Okandan and Polat, 1985, Serpen et al., 1998). Δεξιά: Μηχανικός καθαρισμός παραγωγικής γεώτρησης. 5.3 Ειδικός Εξοπλισμός και Τεχνικές Εκτέλεσης Γεωθερμικών Γεωτρήσεων Υψηλής Ενθαλπίας Οι υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις καθώς και η παρουσία διαβρωτικών ρευστών και συχνών ζωνών απωλειών κυκλοφορίας, που συναντώνται στα γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας, απαιτούν την ύπαρξη και χρήση ειδικού εξοπλισμού και την εφαρμογή κατάλληλων τεχνικών εκτέλεσης συγκεκριμένων εργασιών. Συνεπώς απαιτείται: (α) Η χρήση ειδικής ποιότητας τσιμέντων καθώς και χημικών πρόσθετων στα τσιμέντα και τη λάσπη (πολφό) των γεωτρήσεων. (β) Η χρησιμοποίηση συστημάτων two - stage cementing (Σχ. 20). (γ) Η επιλογή κατάλληλης ποιότητας σωλήνων λαμβάνοντας υπόψη τη μείωση της αντοχής σε πίεση λόγω θερμικών διαστολών - συστολών καθώς και παρουσίας θυλάκων λάσπης ή νερού. (δ) Η χρησιμοποίηση κατάλληλων κεφαλών γεωτρήσεων με expansion joints και spools. Η τσιμέντωση σε όλο το μήκος των σωληνώσεων είναι απαραίτητη (Shryock, 1982). Όμως, είναι εξαιρετικά δύσκολη στις γεωθερμικές γεωτρήσεις υψηλής ενθαλπίας και μπορεί να θεωρηθεί ότι η τέλεια τσιμέντωση είναι πρακτικά σχεδόν αδύνατη (Βρέλλης και Χιώτης, 1994). Η αδυναμία αυτή οφείλεται στα ειδικά προβλήματα που αντιμετωπίζονται, όπως οι ζώνες απώλειας κυκλοφορίας, η ακανόνιστη γεωμετρία της γεώτρησης που επιδεινώνεται περισσότερο σε ζώνες κατάπτωσης ή απώλειας κυκλοφορίας και τέλος, η αύξηση του ιξώδους ή η στερεοποίηση της λάσπης (πολφού) σε υψηλές θερμοκρασίες. Δύο δυνατές βελτιώσεις είναι οι ακόλουθες: (α) η χρησιμοποίηση ελαφρών τσιμεντοπολφών με προσθήκη διογκωμένου περλίτη ή γης διατόμων και (β) η σταδιακή τσιμέντωση (Shryock, 1982). Η σταδιακή τσιμέντωση (Σχ. 20) γίνεται συνήθως σε δύο στάδια και χρησιμοποιούνται ειδικά εξαρτήματα (two stage cementing collars), που εξασφαλίζουν καλή τσιμέντωση στη μεταβατική ζώνη μεταξύ των δύο σταδίων (Βρέλλης και Χιώτης, 1994). Η κακή τσιμέντωση προκαλεί διάφορες αστοχίες των σωληνώσεων. Αυτές οι αστοχίες οφείλονται σε ορισμένες περιπτώσεις και στις μη κατάλληλες προδιαγραφές των σωληνώσεων που χρησιμοποιήθηκαν. Η επιλογή των σωληνώσεων θα πρέπει να γίνεται με βάση τα ακόλουθα κριτήρια (Βρέλλης και Χιώτης, 1994): (α) το διαβρωτικό χαρακτήρα των ρευστών, (β) τις αναμενόμενες συνθήκες περιφερειακής καταπόνησης σε εσωτερική ή εξωτερική πίεση, (γ) τη συνολική αξονική καταπόνηση λόγω ιδίου βάρους, άνωσης, ενδεχόμενης προέντασης και κυρίως λόγω θερμικών τάσεων, (δ) τις αναθεωρημένες (μειωμένες) αντοχές σε εσωτερική και εξωτερική

21 πίεση, όπως διαμορφώνονται από τις επικρατούσες αξονικές τάσεις και υψηλές θερμοκρασίες, και (ε) τα εφεδρικά περιθώρια ασφαλείας που ενδείκνυνται λόγω αδυναμίας καλής τσιμέντωσης. Σε περίπτωση εγκλεισμάτων νερού ή λάσπης εξωτερικά της σωλήνωσης, σημαντικές πιέσεις ασκούνται από τη θερμική διαστολή τους. Η αξονική καταπόνηση ενδιαφέρει αυτή καθ εαυτή αλλά και λόγω της έμμεσης επίδρασής της στην αστοχία από σύνθλιψη ή εσωτερική διάρρηξη. Η αξονική καταπόνηση συνίσταται από την άνωση όταν η σωλήνωση περιβάλλεται από λάσπη, τον εφελκυσμό λόγω του ίδιου βάρους, την ενδεχόμενη προένταση που επιβάλλεται στην κεφαλή της σωλήνωσης και τις θερμικές τάσεις. Οι θερμικές τάσεις, που είναι και οι σημαντικότερες, είναι εφελκυστικές όταν η πακτωμένη σωλήνωση ψύχεται και συμπιεστικές, όταν θερμαίνεται σε σχέση με την ουδέτερη θερμοκρασία. Ουδέτερη θερμοκρασία της σωλήνωσης είναι η θερμοκρασία στην οποία η συνισταμένη αξονική τάση μηδενίζεται λόγω αλληλοεξουδετέρωσης των θερμικών και μηχανικών τάσεων (άνωση, βάρος, προένταση). Η ουδέτερη θερμοκρασία εξαρτάται από τη θερμική κατάσταση και τη μηχανική καταπόνηση κατά τη στερεοποίηση του τσιμέντου σωλήνωσης. Οι εκτιμήσεις της θερμοκρασίας αυτής είναι πολύ κρίσιμες για τον υπολογισμό των θερμικών τάσεων. Η προσέγγιση που προτείνεται από τον Dench (1970) είναι ότι η ουδέτερη θερμοκρασία μπορεί να ληφθεί ίση με το ήμισυ της θερμοκρασίας του πυθμένα της γεώτρησης. Η ουδέτερη θερμοκρασία της σωλήνωσης προσδιορίζεται σε συνάρτηση με το βάθος βάσει μετρήσεων θερμοκρασίας λίγες ώρες μετά τη διακοπή της κυκλοφορίας και μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα πριν ή μετά τη τσιμέντωση (Βρέλλης και Χιώτης, 1994, Chiotis and Vrellis, 1995). Σχήμα 20: Κανονική τσιμέντωση δύο σταδίων (regular two-stage cementing) (Schlumberger, 1984).