Συμβολή στη διαχείριση γεωθερμικών ταμιευτήρων χαμηλής ενθαλπίας με τη χρήση αριθμητικών προσομοιώσεων: εφαρμογή στη λεκάνη του Παρισιού

Abstract

This PhD thesis investigates the contribution of numerical simulations to the sustainable management of low enthalpy geothermal reservoirs, such as the Dogger reservoir (Paris basin), which is systematically exploited since the early ‘80s. The 3-D heat and mass transfer processes were simulated by the SHEMAT code using the finite differences numerical technique. It was established that, in local scale, the multilayered reservoir can be satisfactory simulated by three equivalent productive layers separated by two hydraulically impermeable but thermally active formations (aquitards). In regional or sub-regional scale, the symmetric “sandwich” model was adopted as the most representative equivalent structure, with two identical reservoir layers and one aquitard. The intermediate impermeable formations act as heat storages, resulting in longer thermal breakthrough times. The sensitivity analysis showed that the simulation results are considerably affected by the variation of the total reservoir thickness, even if the net productive thickness remains unchanged. In contrast, any variations in the thickness of the productive and non-productive layers have practically no impact on the fluids temperature, provided that the total reservoir thickness remains unaltered. The temperature is negatively affected by high permeability contrast among the productive layers, as well as by the strong simplification of the reservoir layering. The re-construction of the exploitation history of large and heterogeneous reservoir domains via simulation, resulted in temperatures consisted with the recorded data, thus further securing the reliability of the prediction models, indicating the simulation as a useful and meaningful managing tool. The simulation of future trends, regarding both increased heat demands and different exploitation schemes (shifting from doublet to triplet well array and constructing new wells) showed that the fluid temperature is either stabilized or more slowly depleted, whereas the temperature gradually increases in the abandoned wells sites. According to the estimated changes in the reservoir pressure and heat content, it appears that its exploitation could be sustainably prolonged by at least 50 more years, without risking the longevity of the geothermal source. The methodological approach established in this thesis could be applied in many other geothermal areas, especially in cases where the geothermal fluids are hosted by sedimentary formations

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη συμβολή των αριθμητικών προσομοιώσεων στην ορθολογική διαχείριση ενός υπό εκμετάλλευση γεωθερμικού ταμιευτήρα χαμηλής ενθαλπίας. Ως περιοχή εφαρμογής επιλέχθηκε η λεκάνη του Παρισιού, ο ταμιευτήρας της οποίας αξιοποιείται ενεργειακά από τη δεκαετία του 1980. Η χωροχρονική μεταβολή των παραμέτρων του ταμιευτήρα προσεγγίστηκε με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. Διαπιστώθηκε ότι ο συγκεκριμένος πολυστρωματώδης ταμιευτήρας προσομοιώνεται ικανοποιητικά σε τοπική κλίμακα με τριδιάστατα μοντέλα τριών παραγωγικών και δύο μη παραγωγικών (αδιαπέρατων) αλλά θερμικά ενεργών στρωμάτων. Σε περιοχική ή υπο-περιοχική κλίμακα, πιο αντιπροσωπευτική δομή θεωρείται η “sandwich”, όπου ο ταμιευτήρας αναπαριστάται με δύο συμμετρικά παραγωγικά στρώματα και ένα ενδιάμεσο αδιαπέρατο. Αποδεικνύεται ότι τα αδιαπέρατα στρώματα λειτουργούν ως αποθήκες θερμότητας, προκαλώντας καθυστέρηση στην προέλαση του θερμικού μετώπου. Η ανάλυση ευαισθησίας έδειξε ότι η μεταβολή του συνολικού πάχους του ταμιευτήρα επιδρά σημαντικά στα αποτελέσματα, ακόμη και χωρίς μεταβολή του καθαρού παραγωγικού πάχους. Αντίθετα, με σταθερό συνολικό πάχος, τυχόν επιμέρους μεταβολές έχουν ελάχιστη επίδραση στη θερμοκρασία. Η θερμοκρασία επηρεάζεται αρνητικά από τις μεγάλες αντιθέσεις της διαπερατότητας των παραγωγικών σχηματισμών καθώς και από την απλοποίηση της εσωτερικής γεωμετρίας. Η ανασύνθεση της υφιστάμενης κατάστασης σε ετερογενείς, μεγάλης έκτασης και με πυκνό δίκτυο γεωτρήσεων περιοχές, παρείχε αποτελέσματα με γενικά μικρή απόκλιση από τα διαθέσιμα καταγεγραμμένα στοιχεία, επιτρέποντας έτσι την ασφαλή αξιοποίηση των προσομοιώσεων σεναρίων μελλοντικής εκμετάλλευσης και αναδεικνύοντας τις προσομοιώσεις ως ένα σημαντικό διαχειριστικό εργαλείο. Σύμφωνα με τα μοντέλα πρόβλεψης, η εναλλαγή στη διάταξη και λειτουργία των γεωτρήσεων, η κατασκευή και σωστή χωροθέτηση νέων γεωτρήσεων και η επιλογή κατάλληλων παροχών, σταθεροποιεί τη θερμοκρασία των ρευστών ή επιβραδύνει το ρυθμό μείωσής της, ενώ επιτρέπει τη σταδιακή επαναφορά της στα προ-εκμετάλλευσης επίπεδα στις θέσεις παλαιών γεωτρήσεων. Με βάση τις εκτιμώμενες τάσεις μεταβολής των παραμέτρων του ταμιευτήρα, φαίνεται ότι η εκμετάλλευσή του μπορεί να συνεχιστεί με ευνοϊκούς όρους, τουλάχιστον για τα επόμενα 50 έτη, χωρίς να παρατηρηθεί συνολική υποβάθμιση του θερμικού δυναμικού του, επιβεβαιώνοντας τη δυνατότητα βιώσιμης ανάπτυξης της γεωθερμικής εκμετάλλευσης για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Η μεθοδολογική προσέγγιση και η διαχειριστική ανάλυση που εφαρμόστηκε στην παρούσα διατριβή θα μπορούσε υπό προϋποθέσεις να υιοθετηθεί και σε άλλες περιπτώσεις πολυστρωματωδών και ετερογενών ταμιευτήρων, ιδιαίτερα όσων αναπτύσσονται μέσα σε ιζηματογενείς σχηματισμούς.