JEOTERMAL KUYULARDA HAVALI SONDAJ TEKNİĞİNİN KULLANIMI Usage of Air Drilling Technique in Geothermal Wells Adil ÖZDEMİR www.adilozdemir.com, Ankara adilozdemir2000@yahoo.com ÖZ Havalı sondaj, matkap tarafından öğütülen formasyona ait tanelerin, sondaj sıvısı yerine kuyu tabanına gönderilen basınçlı hava ile kuyu boşluğundan dışarıya çıkartıldığı, yani kuyu içi temizleme işleminin hava ile yapıldığı sondaj yöntemidir(yalçın,2000). Havalı sondaj yöntemi, bünyesinde çeşitli tipleri bulundurmakla birlikte en yaygın uygulama alanı bulunan türü kuyudibi tabancası ile yapılan havalı sondajdır. Takımın en alt kısmında yeralan kuyudibi tabancasının darbe ve baskı(yük) altında, düşük hızda döndürülerek ucunda bulunan tabanca matkabının dişleri ile formasyonu parçalaması sonucunda oluşan formasyon kırıntılarının hava aracılığıyla kuyu dışarısına atılması işlemine kuyu dibi tabancası ile havalı sondaj denilmektedir. Bu yöntemde, darbe ile parçalama işlemi egemen olup, ilerleme darbe ve dönme aracılığı ile sağlanmaktadır. Kuyudibi tabancası ile havalı sondaj yöntemi genellikle zor, çok zor ve aşırı zor delinebilen formasyonlarda soğuk veya sıcaksu kuyusu açılması amacıyla kullanılmaktadır (Özdemir,2006.b). Sıcak ve soğuk su sondajlarında, düşük permeabiliteli seviyelerin delinmesi sırasında ince çatlaklar sondaj çamuru ile tıkanabilmektedir. Suyla delinirken bile bu çatlaklar zarar görebilmektedir. Bu seviyelerin havalı sondaj ile geçilmesi üretim performansını artırmaktadır. Diğer yandan her türlü sondajda kaçaklı zonların geçilmesinde çeşitli zorluklarla karşılaşılmaktadır. Genellikle kaçakların kapatılarak dolaşımın sağlanmaya çalışılmakta, bu durum sondaj maliyetini önemli ölçüde artırmaktadır. Çamur dolaşımlı sondaj için tasarlanmış olan kulelere havalı sondaj yapabilme imkanı sağlamak için şu elemanlar ilave edilmelidir; 1. Kompresör 2. Kuyudibi tabancası 3. Tabanca matkabı 4. Enjeksiyon pompası ve tankı Bu bildiride, havalı sondaj tekniğinin özellikleri, bileşenleri ve jeotermal sondaj kuyularında uygulanması konusu üzerinde durulmuş ve konunun tartışmaya açılması amaçlanmıştır. Anahtar Terimler: Jeotermal Enerji, Jeotermal Kuyu, Sondaj, Havalı Sondaj Tekniği ABSTRACT Air drilling is a drilling method where particles which were crushed by the bit, are being took out from annulus instead of being took out by drilling fluids but with the air pressure sent to downhole meaning it is a drilling method where borehole clearing operation is made by air. (Yalçın, 2000)
There are many air drilling methods but air drilling which is made with downhole hammer is the most widely applied one amongst air drilling methods. The air drilling with downhole hammer method is defined as; the downhole hammer which is at he bottom of the string is being rotated at low speed under blow and load; the formation is being crushed by the teeth of the hammer bit and formation fragments are being ejected by means of air pressure. In this method, crushing operation is provided dominantly by crushing with blow and progress is provided via blow and rotation. The method of air drilling with downhole hammer is generally being used for the purpose of opening waterwells or geothermal wells at formations which can be drilled, hardly, very hardly, extremely hardly. (Özdemir, 2006.b) The fractures may be clogged during the drilling of low permeability levels at geothermal and water well drillings. These fractures can be observed even while the formation is being drilled with water. Passing through these levels with air drilling increases production performance. On the other side, various problems are being encountered at passing from loss circulation zones in any kind of drilling methods. Circulation is generally provided by covering the loss but this situation increases drilling costs. These elements must be added to rigs which are designed for mud circulation drilling, to provide the ability to make air drilling. 1. Compressor 2. Down The Hole Hammer 3. Hammer Bit 4. Injection Pump and Tank The features, compenents and of air drilling technique and its application at geothermal drilling wells are examined in this pronouncement and it is aimed to start a discussion about the subject. Keywords: Geothermal Energy, Geothermal Well, Drilling, Air Drilling Technique 1. GİRİŞ Jeotermal sondajlarda, düşük permeabiliteli seviyelerin delinmesi sırasında ince çatlaklar sondaj çamuru ile tıkanabilmektedir. Suyla delinirken bile bu çatlaklar zarar görebilmektedir. Bu seviyelerin havalı sondaj ile geçilmesi üretim performansını artırmaktadır. Diğer yandan her türlü sondajda kaçaklı zonların geçilmesinde çeşitli zorluklarla karşılaşılmaktadır. Genellikle kaçaklar kapatılarak dolaşım sağlanmaya çalışılmakta, bu durum zaman sarfiyatı ve kaçak kontrol malzemeleri kullanılması sebebiyle sondaj maliyetini önemli ölçüde artırmaktadır. Ayrıca, rezervuar seviyelerinin derinlerde bulunduğu jeotermal sahalarda orta sert, sert ve aşırı sert örtü formasyonların hızlı bir şekilde delinmesi amacıyla da havalı sondaj tekniği tercih edilmelidir. Çünkü bu örtü formasyonlar, genellikle yüksek aşındırıcılık özelliğine sahip olup matkap aşınması ve sarfiyatı en üst seviyededir. Havalı sondajda ise dönme işlemi ikincil bir işlev ve çok düşük devirde olduğu için matkap aşınması az ve matkap ömrü uzundur. Dolayısıyla, ekonomiktir. Çatlaklı, mağaralı, boşluklu orta sert, sert ve çok sert formasyonlar çamurlu döner sondaj yöntemi ile delinirken, dolaşım kayıpları(kaçak) olmaktadır. Bu kaçak sebebiyle ilerleme hızları azalır. İlerlemeye dolaşım sağlanmadan devam edilmeye çalışılması durumunda ise matkap kesintileri kuyu dışarısına atılamadığı için takım sıkışma ve bu kesintilerin rezervuar seviyelerini tıkama riskleri ortaya çıkar. Bu dolaşım kaybı sebebiyle,
sondaja çamurlu sistem ile devam etmek olanaksızlaşır. Dolayısıyla, bu tür formasyonların bulunduğu arazilerde havalı sondaj tekniği kullanılarak sondaj yapmak en uygun yöntemdir. Havalı sondaj tekniği ile bu tür arazilerde sondaj yapmak daha kolay olmaktadır. Havalı sondaj tekniği kullanılarak, döner sondaj yöntemi ile delinmesi uzun süren masif, kırıklı ve mağaralı formasyonlarda ilerleme hızlarını artırıp, kuyuyu daha kısa sürede bitirmek olasıdır. Döner çamurlu sondaj yöntemi ile delinmesi 1-2 ay süren bir kuyu, havalı sondaj tekniği ile 2-3 gün gibi bir sürede delinebilmektedir. Havalı sondaj, döner-darbeli sondaj, kuyudibi tabancalı havalı sondaj, dipten darbeli sondaj yöntemi olarak da bilinmektedir. Havalı sondajın çamurlu sondaja oranla bazı avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Bunlar(Tuğran,1999); Avantajları Üretim zonlarına verilen zarar minimumdur Kaçak problemi ortadan kalkmaktadır Üretim zonlarının potansiyeli daha doğru olarak analiz edilebilmektedir Sondaj hızı yüksektir Matkap ömrü uzundur Sert formasyonların delinmesinde daha etkindir Kuyular daha düzgün ve dik açılabilmektedir Çevreye zararı az ve çalışma ortamı temizdir Maliyetleri düşüktür Dezavantajları Rezervuar basınç kontrolu minimum düzeydedir Kuyu duvarlarına uygulanan basınç yok denecek kadar azdır Su girişlerinde hava ile devam etme zorlaşır 2.HAVALI SONDAJ TEKNİĞİ Havalı sondaj yöntemi, bünyesinde çeşitli tipleri bulundurmakla birlikte en yaygın uygulama alanı bulunan türü kuyudibi tabancası ile yapılan sondajdır. Takımın en alt kısmında yeralan kuyudibi tabancasının darbe ve baskı(yük) altında, düşük hızda döndürülerek ucunda bulunan tabanca matkabının dişleri ile formasyonu parçalaması sonucunda oluşan formasyon kırıntılarının hava aracılığıyla kuyu dışarısına atılması işlemine kuyu dibi tabancası ile havalı sondaj denilmektedir(şekil.1 ve 3). Bu yöntemde, darbe ile parçalama işlemi egemen olup, ilerleme darbe ve dönme aracılığı ile sağlanmaktadır (Şekil.1). Kuyudibi tabancası ile havalı sondaj yöntemi genellikle normal, zor, çok zor ve aşırı zor delinebilen (orta sert, sert, çok sert, aşırı sert) formasyonlarda soğuk veya sıcaksu kuyusu açılması amacıyla kullanılmaktadır(özdemir,2006.b).
Şekil.1. Kuyudibi tabancası kullanılarak yapılan havalı sondajın sembolik gösterimi(reedrill,2005) Çamur dolaşımlı sondaj için tasarlanmış olan kulelere havalı sondaj yapabilme imkanı sağlamak için şu elemanlar ilave edilmelidir; 1. Kompresör 2. Kuyudibi tabancası 3. Tabanca matkabı 4. Enjeksiyon pompası ve tankı Havalı sondaj çalışmalarında, havanın kırıntı taşıma gücünü artırmak amacıyla sisteme köpük enjeksiyonu da yapılmaktadır. Şekil.2 de havalı sondajın bileşenleri ve sistem şeması verilmiştir. Şekil.2. Havalı sondaj bileşenleri ve sistem şeması(ingersoll Rand,2005) Şekil.3. Havalı sondaj uygulama modeli(akpınar,1999)
3.HAVALI SİSTEM BİLEŞENLERİ VE ÖZELLİKLERİ 3.1.KUYUDİBİ TABANCASI Yöntemin en önemli elemanı olan kuyudibi tabancası, aslında bir silindir içerisine yerleştirilmiş tek pistonlama düzeneğidir(şekil.4). Pistonun her iki yüzeyine sıra ile basınçlı hava uygulanır. Subap mekanizmaları ile düzenlenen bu hava akımı, pistonun büyük bir hızla yukarı aşağı hareketine neden olur. Takım askıda iken darbe subabı açık kaldığı için, gelen hava doğrudan dışarıya çıkar ve darbe hareketi oluşmaz. Kuyudibi tabancaları 7-24 bar basınç ile çalışmaktadır. Bu basınç değerlerinde, formasyona dakikada 600-1600 darbe ile vurmakta ve formasyonu parçalamaktadır. Değişik çaplı kuyularda kullanılmak üzere farklı çaplarda imal edilmektedir. Şekil.4. Kuyudibi tabancası ve bileşenleri(atlas Copco,2006) 3.2.TABANCA MATKABI Kuyudibi tabancasına bağlanan, ucunda tungsten karbür dişlerin bulunduğu matkaptır. Değişik yüz ve diş tasarımlarına sahiptir(şekil.5). Şekil.5. Kuyudibi tabancası matkaplarının yapısı, değişik yüz ve diş tasarımları(halco,2006) İçbükey(Concave) Matkap
Çok sert ve aşındırıcı formasyonlar dışında her formasyonda kullanılabilir. En popüler matkap yüzü tasarımıdır. Avantajları; iyi ilerleme hızı, iyi kuyu sapma kontrolü, çatlaklı kayalarda dayanıklılık Dezavantajları; çap kesici uçlarında daha fazla aşınma, diğer tasarımlara göre kesici uçları taşlamak daha güçtür. Düz Yüzlü(Flat Face) Matkap Her tür formasyonda kullanılabilir. Özellikle sert ve aşındırıcı formasyonlarda iyidir. Avantajları; güçlü tasarım, sert ve aşındırıcı çelik aşınmasına iyi direnç, iyi ilerleme hızı, taşlaması kolay Dezavantajları; çatlaklı kayalarda kuyu sapması Dışbükey(Convex) Matkap Orta sert formasyonlarda kullanılırlar. Bu tip, diğer tiplere göre daha yeni bir tasarım olup, daha popülerdir. Avantajları; çok iyi ilerleme hızı, iyi kuyu sapması kontrolü, büyük kesintiler alma ve iyi kuyu temizliği, çelik aşınmasına çok iyi direnç gösterir. Dezavantajları; taşlamak zordur, daha sert formasyonlarda çap kesici uçları daha çabuk aşınır. Ortası Çukur(Drop Center) Matkap En iyi verim orta sert formasyonlarda sağlanır. Avantajları; merkezindeki derin oluk sayesinde çok düzgün kuyular açılmasına olanak sağlar, iyi ilerleme hızı Dezavantajları; ortasındaki derin oluk nedeniyle diğer tasarımlar kadar dayanıklı değildir. Tarama Matkabı; Küçük çaplı matkapla açılan kuyuyu genişletmek için kullanılan matkaptır. 3.3.KÖPÜK POMPASI Havalı sondaj yönteminde, kompresör tarafında kuyuya basılan havanın kırıntı taşıma gücünü artırmak amacıyla kuyuya köpük enjeksiyonu yapılmaktadır. Bu köpük kuyuya 3 pistonlu, basıncı kullanılan kompresörün basıncından daha yüksek ve genellikle 90 lt/dk debili bir pompa ile basılmaktadır. Bu pompa sondaj makinası üzerine monte edilmektedir(şekil.6). Şekil.6. Havalı sondaj çalışmasında kullanılan enjeksiyon sisteminin bileşenleri(halco,2006) 3.4.KOMPRESÖR Havalı sondajda, çamur pompasının yerini kompresör almaktadır. Kompresör, kuyu dibi tabancasının çalıştırılması ve kuyu tabanında delme sonrası oluşan kırıntıların kuyu dışarısına atılması için kullanılan ekipmandır(şekil.7). Havalı sondaj çalışmalarında kullanılan kompresörler, genellikle vidalı, iki kademeli, yağ
soğutmalı, 12-25 bar ve 700-2000 CFM değerlerindedir. Kompresör seyyar olabileceği gibi makina üzerine de monte edilebilmektedir. Genellikle seyyardır. Şekil.7. Havalı sondaj çalışmalarında kullanılan bir kompresörün parçaları ve genel çalışma prensibi (Atlas Copco,2006 dan değiştirilerek alınmıştır) Havalı sondaj çalışmasının derinliğini kuyu içerisinde oluşacak su sütunu belirlemektedir. Yani; kuyuda yeraltısuyu arttıkça havalı sondaj güçleşmektedir. Belirli bir derinlikten sonra tek bir kompresör ile sondaj yapmak güçleşir. İki veya daha fazla kompresör kullanılarak havalı sondaj yapmak mümkündür(şekil.8). Bu durumda, maliyet artışları olur. Şekil.8. Havalı sondaj derinliğini sınırlayan parametre ve iki farklı özellikteki kompresörlerün birbirine bağlanarak sistemin derinlik kapasitesinin artırılması(halco,2006) 4. ÖRNEK BİR UYGULAMA; YG-GRADYAN KUYUSU
4.1. ÇALIŞMANIN AMACI Yozgat il merkezi civarında kayaçların sıcaklık gradyan değerlerini ve alanın olası jeotermal potansiyelini ortaya çıkarmaktır(şimşek vd.,2005). Bu amaçla, 550 +/- 100 m derinliğinde YG-2 Gradyan kuyusunun açılması planlanmıştır. Çalışma alanı, Yozgat il merkezi ve yakın dolayında 1/25.000 ölçekli Yozgat İ33 b3 ve b4 paftaları içinde yer almaktadır(şekil.9). Şekil.9. YG-2 Gradyan kuyusu yer bulduru haritası(şimşek vd.,2005) 4.2. SONDAJ TEKNİĞİ 4.2.1. DELİNECEK FORMASYONLAR VE KUYU TASARIMI Şimşek vd.,2005 tarafından yapılan çalışmada, YG-2 gradyan kuyusunun muhtemel sondaj logu hazırlanmıştır (Şekil.10). Şekil.11 de kuyu ve boru tasarımı verilmiştir.
Şekil.10. YG-2 Jeotermal gradyan kuyusu muhtemel sondaj logu(şimşek vd., 2005)
Şekil.11. YG-2 Gradyan kuyusu boru tasarımı(şimşek vd.,2005) 4.2.1. SONDAJ YÖNTEMİ SEÇİMİ Şimşek vd., 2005 tarafından hazırlanan muhtemel sondaj logu baz alınarak çeşitli derinliklerde kullanılan sondaj yöntemleri ve seçilme kriterleri Çizelge.1 de verilmiştir. Çizelge.1. YG-2 gradyan kuyusunda kullanılan sondaj yöntemleri ve ilişkili açıklamalar(özdemir,2006.a) Kuyu Derinliği(m) Kuyu Çapı(İnç) 17 1/2 0-20 Sondaj Yöntemi Düz Hava Açıklama Kuyu çapının geniş olması ve Dolaşımlı Sondaj elde bu çapta tabanca matkabı bulunmaması nedeniyle bu kısmın hava soğutmalı üç konili matkapla delinmesi düşümülmüştür. Rezervuar seviyesinin oldukça derin ve örtü birimlerin oldukça sert olması ve yüzey-orta 20 8 5/8 Kuyudibi Tabancalı seviyelerinde yüksek basınç ve Hava Dolaşımlı Sondaj sıcaklık değerlerinin beklenilmemesi nedeni ile havalı sondaj tekniğinin kullanılmasına, havalı sondaj çalışmasını sınırlayıcı şartlar oluşması durumunda çamurlu rotari yöntemle sondaja devam edilmesine karar verilmiştir. 4.2.2. KULLLANILAN EKİPMANLAR
Çalışmada yerli imalat, 1500 metre kapasiteli Fatih marka kamyona monteli sondaj makinası, Atlas Copco XRVS 466 serisi 25 bar çalışma basınçlı ve 27 m3/dk debili kompresör, 4 ½ çaplı tijler, 17 ½ hava soğutmalı üç konili matkap, Ingersoll Rand DHD 380 serisi 8 kuyudibi tabancası, 8 5/8 kuyudibi tabancası matkabı ve diğer havalı sondaj bileşenleri(köpük pompası, köpük vb.) kullanılmıştır(özdemir,2006.a). 4.2.3. İLERLEME HIZI Sert örtü birimlerinde, 42 saat çalışma sonucunda 467 m ilerleme sağlanmıştır. Çalışma 24 saat aralıksız olarak sürdürülmüştür. İlerleme hızı, 10.6 m/saat tir. İlerleme hızının yoğun kış şartları, sondaj personelinin havalı sondaj çalışmasını ilk defa uygulaması ve sondajın su sütunu altında yapılması nedeniyle düşük olduğu düşünülmektedir. Çünkü, üretici firmanın bu tür sert birimlerde öne sürdüğü ilerleme hızı değerleri(kuyuda su sütunu olmaması durumunda), 21.6 m/saat tir(özdemir,2006.a). 4.2.4. HAVALI SONDAJIN SONLANDIRILMASI Kuyuda 132 metreden itibaren soğuksu girişi olmuştur. Bu seviyelerin kuyu danışmanları tarafından kapatılması uygun görülmemesi sebebiyle havalı sondaja kuyudaki su sütunu altında devam edilmiştir. Bu sütunu altında 467 metreye kadar ilerlenmiş ve bu derinlikten sonra kuyudaki su sütununu kompresörün kaldıramaması nedeniyle havalı sondaja son verilerek çamur dolaşımlı sondaja geçilmiştir. Kuyu çamurlu sondaj yöntemi ile tamamlanmıştır (Özdemir,2006.a). 5. SONUÇ ve ÖNERİLER 1. Havalı sondaj tekniği, çamurlu rotari sisteme oranla, ilerleme hızının yüksek olması sebebiyle ekonomik bir yöntemdir. 2. Havalı sondaj tekniği, özellikle orta sert, sert, çok sert ve aşırı sert formasyonların kısa sürede delinmesi için geliştirilmiştir. 3. Çamurlu sistem makine veya kulelerini, birkaç ekipman ilavesi ile havalı sondaj yapabilir duruma getirebilmek mümkündür. 4. Rezervuar seviyelerin derin, düşük-orta sıcaklıklı, üretimin ikincil yöntemlerle yapıldığı jeotermal sahalarda, sert örtü seviyelerin delinmesi amacıyla kullanılması önemli zamansal ve ekonomik katkılar sağlamaktadır. 5. Havalı sistemle ilerlenirken devamlı sıcaklık ölçülerek rezervuar kayacın 30-40 m üzerine kadar ilerlenmeli ve daha sonra mutlaka rotary çamurlu sisteme geçilmelidir. 6. Yüksek basınçların beklendiği jeotermal kuyularda, havalı sondaj tekniğinin kullanılabilirliği üzerine çalışmaların yapılması gerekmektedir. YARARLANILAN KAYNAKLAR AKPINAR, K., 1999; Su Kuyularının Açılması, İşletilmesi, Çıkan Sorunlar ve Çözümleri. Ankara. 700 s. ATLAS COPCO, 2006; XRVS 466 Taşınabilir Kompresör Kullanım Kılavuzu. 97 s. (Yayımlanmamış) HALCO,2006; A dan Z ye Havalı Sondaj. www.halco.com INGERSOLLRAND,2005; Teknik Broşür, 4 s. www.atlascopco.com ÖZDEMİR, A., 2006.a;YG-2 Jeotermal Gradyan Kuyusu(Merkez/Yozgat) Sondaj Çalışmaları Ön Raporu. 12 s. (Yayımlanmamış)
ÖZDEMİR, A.,2006.b; Su ve Jeotermal Sondaj Çalışmalarında Formasyon Kaynaklı Bazı İlerleme Güçlükleri ve Çözümlerine Yönelik Yaklaşımlar.59. Türkiye Jeoloji Kurultayı. Bildiri Özleri Kitabı, s. 429 REEDRILL, 2005; Teknik Broşürleri. www.reedrill.com TUĞRAN, M., 1999; Havalı Sondaj Yapmamak Tutuculuk Mu? MTA Doğal Kaynaklar ve Ekonomi Bülteni, 1999/1-2. s. 22-23 ŞİMŞEK, Ş., VD., 2005; Yozgat YG-1 Gradyan Sondaj Kuyusunda Yapılan Jeolojik-Hidrojeolojik-Sondaj ve Test Çalışmalarına İlişkin Danışmanlık Raporu. 55 s.(yayımlanmamış) YALÇIN, A., 2000; Sondaj Yöntemleri ve Uygulamaları. Maden Mühendisleri Odası Yayını. 433 s.