Bu araşdırma, təkmilləşdirilmiş geotermal sistemlərdə, yəni Enhanced Geothermal Systems (EGS) tətbiqlərində ən kritik problemlərdən biri olan inyeksiya mənşəli seysmiklik riskini azaltmaq üçün təklif edilən shear fracture caging üsulunu laboratoriya şəraitində araşdırır. Geotermal enerji yeraltındakı isti süxurlardan enerji istehsal etmək potensialı yüksək olan və hava şəraitindən asılı olmayan bərpa olunan enerji mənbəyidir. Lakin dərin süxurlara maye vurulması, xüsusilə əvvəlcədən mövcud qırılmalar kritik gərginlik vəziyyətindədirsə, sürüşməni tətikləyə və mikrozəlzələlərdən daha böyük seysmik hadisələrədək uzanan risklər yarada bilər.

Y. Madenova və həmkarları tərəfindən hazırlanmış bu araşdırma inyeksiya sürətinin və maye özlülüyünün qırılmanın sabitliyinə, mikroseysmik aktivliyə, mayenin geri qaytarılmasına və qırılmanın məhdudlaşdırılması performansına təsirini sınaqdan keçirir. Araşdırmada gipslə birləşdirilmiş zəif ara səthin qırılma zonası kimi davrandığı laboratoriya shear block qurğusundan istifadə olunub. Mərkəzdə bir inyeksiya quyusu, onun ətrafında isə müəyyən məsafələrdə hasilat/boundary quyuları yerləşir. Bu ətraf quyular açıq saxlanıldıqda vurulan mayeni tutan və təzyiqin yayılmasını məhdudlaşdıran bir “qəfəs”, yəni fracture cage yaradılır.

Təcrübələrdə aşağı özlülüklü yağ 8,81 cP, yüksək özlülüklü yağ isə 404 cP kimi istifadə olunub. Aşağı özlülüklü yağ 3,2 mL/dəq, 16 mL/dəq və 80 mL/dəq inyeksiya sürətlərində sınaqdan keçirilib. Yüksək özlülüklü yağ isə 16 mL/dəq sürətində sınaqdan keçirilib. Təcrübələr həm qəfəssiz, yəni yalnız mərkəzdən inyeksiya aparılan sistemlərdə, həm də radiusu 3 cm olan daxili boundary quyularının açıq olduğu fracture caging sistemlərində aparılıb.

Araşdırmanın ən mühüm nəticəsi budur: Qəfəssiz sistemlərdə yüksək inyeksiya sürəti və yüksək özlülük qırılmanın daha asan qeyri-sabitləşməsinə səbəb olduğu halda, fracture caging tətbiq ediləndə eyni şərtlər idarə olunan axın, yüksək maye geri qaytarılması və qırılmanın tam baş vermədən sabit qalması ilə nəticələnə bilər. Məsələn, qəfəssiz yüksək özlülüklü yağ inyeksiyasında cəmi 21 mL maye 13,4 MPa təzyiqdə qırılmanın tam baş verməsini tətikləyib. Bunun əksinə, caged sistemdə eyni yüksək özlülüklü yağdan 520 mL vurulub; təzyiq əvvəlcə 13,4 MPa səviyyəsinə çatsa da, daha sonra 3,1-4,1 MPa intervalında sabitləşib və qırılmanın tam baş verməsi müşahidə olunmayıb.

Bu nəticə caged sistemlər üçün ənənəvi “mikroseysmiklik artırsa, inyeksiya sürətini azalt” yanaşmasını yenidən nəzərdən keçirməyi tələb edir. Araşdırmaya görə fracture caging uğurla qurulduqda erkən mərhələdə akustik emissiyanın artması həmişə təhlükə əlaməti olmaya bilər. Əksinə, boundary quyularında hasilat başladıqdan sonra mikroseysmikliyin azalması və ya səssizləşməsi qəfəsin yarandığını və sistemin sabitləşdiyini göstərə bilər. Lakin araşdırma laboratoriya miqyasındadır və müəlliflər nəticələrin sahə miqyasına daşına bilməsinin hələ də qeyri-müəyyən olduğunu xüsusi vurğulayırlar.

Ətraflı izah

Araşdırmanın əsas problemi nədir?

Bu araşdırmanın mərkəzində təkmilləşdirilmiş geotermal sistemlərdə maye inyeksiyasının qırılmalara necə təsir etdiyi və bu təsirin necə nəzarət altına alına biləcəyi sualı dayanır. Geotermal enerji yeraltındakı isti süxurlardan fasiləsiz və hava şəraitindən asılı olmadan enerji istehsal etmək potensialına malik olduğuna görə enerji keçidində mühüm mənbə hesab edilir. Günəş və külək kimi mənbələr hava şəraitinə və zamana görə dəyişdiyi halda, geotermal enerji bazis yükü təmin edə bilən daha sabit bərpa olunan enerji forması ola bilər.

Lakin geotermal enerjinin, xüsusən təkmilləşdirilmiş geotermal sistemlər baxımından ciddi texniki maneəsi var: induced seismicity, yəni insan fəaliyyəti nəticəsində tətiklənən seysmiklik. EGS tətbiqlərində isti və çox vaxt kristallik süxurlara maye vurulur. Məqsəd süxurda axın yolları yaratmaq, isti süxurla maye arasındakı istilik mübadiləsini artırmaq və isti mayeni yenidən səthə çıxarmaqdır. Lakin maye təzyiqi əvvəlcədən mövcud zəif qırılma müstəvilərinə təsir göstərə bilər.

Əgər bir qırılma artıq sürüşməyə yaxın vəziyyətdədirsə, inyeksiya nəticəsində məsamə təzyiqinin artması qırılma üzərindəki effektiv normal gərginliyi azaldır. Bu da qırılmanın sürtünmə müqavimətini aşağı salır və sürüşməni asanlaşdıra bilər. Araşdırma bu mexanizmi geotermal layihələr üçün çox vacib hesab edir; çünki keçmişdə bəzi EGS layihələrində hiss edilən və ya zərərverici zəlzələlər baş verib. Məsələn, Cənubi Koreyanın Pohang layihəsində Mw 5,5, İsveçrənin Basel layihəsində isə Mw 3,2 maqnitudalı seysmik hadisələr qeydə alınıb və bu layihələr dayandırılıb və ya ləğv edilib.

Buna görə araşdırmanın əsas sualı budur: İnyeksiya zamanı qırılmanın nəzarətsiz şəkildə tam baş verməsinin qarşısını almaq, eyni zamanda yüksək axın sərfi və yaxşı maye geri qaytarılması təmin etmək mümkündürmü?

Fracture caging nədir?

Fracture caging mərkəzdəki inyeksiya quyusunun ətrafına hasilat və ya boundary quyularının yerləşdirilməsi ideyasına əsaslanır. Bu ətraf quyular vurulan mayeni tutmağa və təzyiqin yayılmasını müəyyən sahə daxilində məhdudlaşdırmağa çalışır. Beləliklə, inyeksiya təzyiqinin qırılma boyunca nəzarətsiz yayılması əvəzinə, təzyiq və maye axını bir “qəfəs” daxilində saxlanılır.

Gündəlik bir bənzətmə ilə desək, qəfəssiz inyeksiya torpağa su verməyə və suyun hara yayılacağını əsasən həmin mühitin öz keçiricilik strukturuna buraxmağa bənzəyir. Fracture caging isə bu yayılmanın ətrafına drenaj nöqtələri yerləşdirməyə bənzəyir. Maye mərkəzdən verilir, ətrafdakı quyular onu geri götürür və beləliklə təzyiqin məhdudiyyətsiz artaraq uzaqdakı qırılma hissələrini tətikləməsi əvəzinə, idarə olunan bir sahədə saxlanmasına çalışılır.

Araşdırmada bu anlayış xüsusi olaraq shear fracture caging kimi nəzərdən keçirilir. Buradakı “shear” ifadəsi süxurda və ya qırılma müstəvisində sürüşmə istiqamətli deformasiyanı bildirir. Geotermal sahələrdə böyük seysmik hadisələr çox vaxt yeni dartılma çatının yaranması ilə deyil, əvvəlcədən mövcud qırılmaların sürüşməsi ilə əlaqəli olur. Buna görə shear fracture caging birbaşa qırılma sabitliyi baxımından əhəmiyyətlidir.

Ənənəvi seysmik risk idarəetməsi niyə kifayət etməyə bilər?

Dərin inyeksiya əməliyyatlarında seysmik riski idarə etmək üçün geniş istifadə olunan üsullardan biri traffic light protocol , yəni svetofor protokoludur. Belə sistemlərdə seysmik aktivlik müəyyən hədləri keçərsə, inyeksiya sürəti azaldılır, fasilə verilir və ya əməliyyat dayandırılır. Eyni şəkildə soft cyclic stimulation kimi yanaşmalar da inyeksiya təzyiqini və sərfini daha yumşaq şəkildə idarə etməyə çalışır.

Bu üsulların məntiqi aydındır: inyeksiya sürəti azalanda təzyiqin artması yavaşıyır, qırılma daha az yüklənir və seysmik risk azala bilər. Lakin bu yanaşmanın iqtisadi əvəzi var. Geotermal enerji istehsalında daha aşağı sərf daha az maye dövriyyəsi və buna görə də daha az istilik daşınması demək ola bilər. Bu isə layihənin iqtisadi göstəricilərini zəiflədə bilər.

Bu araşdırma fracture caging ilə həmin əlaqənin dəyişə biləcəyini göstərməyə çalışır. Qəfəssiz sistemdə yüksək sərf təhlükəli ola bilər; lakin caged sistemdə yüksək sərf ətraf quyularla daha yaxşı hidravlik əlaqə yaradaraq mayenin geri qaytarılmasını artıra və təzyiqin yayılmasını daha effektiv məhdudlaşdıra bilər. Buna görə araşdırma “yüksək inyeksiya sürəti həmişə daha yüksək seysmik risk deməkdir” fərziyyəsinin caged sistemlərdə keçərli olmaya biləcəyini göstərir.

Qırılmanın sürüşməsini idarə edən əsas mexanizm nədir?

Araşdırma inyeksiya mənşəli qırılma aktivləşməsini məsamə təzyiqi, qırılmadakı gərginlik, qırılmanın möhkəmliyi və maye daşınması arasındakı qarşılıqlı təsirlə izah edir. Maye bir qırılmaya və ya çat şəbəkəsinə vurulduqda məsamə təzyiqi artır. Bu artım qırılma müstəvisinə təsir edən effektiv normal gərginliyi azaldır. Effektiv normal gərginlik azaldıqda qırılmanın sürtünmə müqaviməti də azalır.

Araşdırmada bu mexanizm Mohr-Coulomb qırılma yanaşması ilə əlaqələndirilir. Məqalədə bu hissə düstur şəklində verilməyib; lakin istifadə olunan süxur mexanikası məntiqini aşağıdakı əsas əlaqələrlə anlamaq olar:

\[ \sigma_n' = \sigma_n - p \]

Burada \(\sigma_n'\) effektiv normal gərginliyi, \(\sigma_n\) ümumi normal gərginliyi, \(p\) isə məsamə təzyiqini ifadə edir. Məsamə təzyiqi \(p\) artdıqca effektiv normal gərginlik \(\sigma_n'\) azalır.

Qırılmanın sürüşməyə qarşı müqaviməti isə ümumi Mohr-Coulomb məntiqi ilə belə izah edilə bilər:

\[ \tau_f = c + \sigma_n' \tan(\phi) \]

Bu ifadədə \(\tau_f\) qırılmanın sürüşməyə qarşı dözə biləcəyi kəsici gərginliyi, \(c\) koheziyanı, \(\phi\) daxili sürtünmə bucağını, \(\sigma_n'\) isə effektiv normal gərginliyi göstərir. İnyeksiya məsamə təzyiqini artıraraq \(\sigma_n'\) dəyərini aşağı saldıqda, \(\tau_f\) də azalır. Yəni qırılma daha asan sürüşə bilən vəziyyətə gəlir.

Bu nöqtədə araşdırmanın əsas ideyası ortaya çıxır: əgər boundary quyuları təzyiqi tutub paylaya bilsə, məsamə təzyiqinin qırılma boyunca nəzarətsiz yayılmasının və qırılmanın tam baş verməsinə çevrilməsinin qarşısı alına bilər.

İnyeksiya sürəti niyə vacibdir?

İnyeksiya sürəti mayenin qırılma sisteminə nə qədər sürətlə verildiyini müəyyən edir. Qəfəssiz sistemlərdə yüksək inyeksiya sürəti inyeksiya nöqtəsinin yaxınlığında təzyiqin sürətlə yüksəlməsinə səbəb ola bilər. Təzyiq kifayət qədər sürətlə və yüksək səviyyəyə qalxarsa, qırılmanın kritik hissəsi sürüşməyə başlaya və bu sürüşmə qırılmanın tam baş verməsinə çevrilə bilər.

Aşağı inyeksiya sürəti isə təzyiqin daha yavaş yayılmasına imkan verir. Bu, bəzi hallarda qırılmanın qəfil qeyri-sabitləşməsinin qarşısını ala bilər. Lakin aşağı sürətin başqa problemi var: maye daha uzun müddət ərzində ətrafa diffuziya edə, yəni hədəflənən qəfəs zonasından kənara sıza bilər. Bu da mayenin geri qaytarılmasını azaldır və fracture caging performansını zəiflədir.

Araşdırma məhz bu ikili vəziyyəti göstərir. Qəfəssiz sistemlərdə yüksək sürət qırılmanın daha asan tətiklənməsinə səbəb olub. Lakin caged sistemlərdə yüksək sürət boundary quyularla daha yaxşı hidravlik əlaqə yaradaraq daha yüksək hasilat və daha az diffuziv itki təmin edib.

Mayenin özlülüyü niyə vacibdir?

Özlülük mayenin axmağa qarşı daxili müqavimətidir. Aşağı özlülüklü mayelər daha asan axır və daha geniş sahələrə sıza bilər. Yüksək özlülüklü mayelər isə daha çətin axır, daha yavaş diffuziya edir və təzyiqi inyeksiya nöqtəsinə daha yaxın zonada cəmləşdirə bilər.

Bu davranış iki fərqli nəticə yarada bilər. Yüksək özlülük bəzi çat növlərində daha geniş açılış və daha keçirici çatlar yarada bilər. Bu, geotermal axın üçün faydalı ola bilər. Lakin yüksək özlülük eyni zamanda inyeksiya nöqtəsinə yaxın sahədə həddindən artıq təzyiq toplanmasına səbəb ola bilər. Əgər boundary quyularla hidravlik əlaqə yaranmazdan əvvəl bu təzyiq kritik səviyyəyə çatarsa, qırılma qəfil sürüşə bilər.

Araşdırmanın təcrübələri bunu aydın göstərir. Qəfəssiz yüksək özlülüklü yağ inyeksiyasında cəmi 21 mL maye 13,4 MPa təzyiqdə qırılmanın tam baş verməsinə səbəb olub. Eyni sürətdə aşağı özlülüklü yağda isə tam qırılma üçün 161 mL maye tələb olunub. Bu, yüksək özlülüklü mayenin qəfəssiz vəziyyətdə qeyri-sabitliyi çox daha erkən yarada bildiyini göstərir.

Lakin caged sistemdə nəticə dəyişir. Yüksək özlülüklü yağ boundary quyularla əlaqə yarandıqdan sonra qırılmanın tam baş verməsinə səbəb olmayıb; 520 mL maye vurula bilib və sistem sabit qalıb. Buna görə araşdırma yüksək özlülüyün öz-özlüyündə yaxşı və ya pis olmadığını; caging qurulmazdan əvvəl riskli, caging qurulduqdan sonra isə idarə oluna bilən ola biləcəyini göstərir.

Təcrübə qurğusu necə hazırlanıb?

Araşdırmada istifadə olunan təcrübə qurğusu shear block sistemidir. Bu sistemdə iki 6061-T6 alüminium paz aralarında zəif gips/plaster təbəqəsi olmaqla birləşdirilib. Bu nazik gips təbəqəsi məsaməli qırılma dolğusu və ya zəif qırılma müstəvisi kimi davranacaq şəkildə hazırlanıb. Ara səth 45° maili qırılma müstəvisini təmsil edir. Gips təbəqəsinin qalınlığı təxminən 8 mm-dir.

Nümunənin yuxarı pazında ümumilikdə 17 quyu var: bir mərkəzi inyeksiya quyusu və ətrafında müxtəlif radiuslarda 16 hasilat/boundary quyusu. Boundary quyuları radiusları 3 cm, 6 cm, 9 cm və 12 cm olan dörd halqa şəklində yerləşdirilib. Bu araşdırmada qəfəs ölçüsü sabit saxlanılıb və yalnız ən daxildəki radiusu 3 cm olan boundary quyuları açıq buraxılıb. Daha xaricdəki 6, 9 və 12 cm quyular epoksi ilə bağlanıb.

Qəfəssiz təcrübələrdə isə bütün boundary quyuları bağlanıb. Beləliklə, yalnız mərkəzi quyudan inyeksiya aparılıb və mayenin qırılma boyunca sərbəst yayılması və ya qırılmanı tətikləməsi izlənib.

Təcrübələrdə iki növ yağdan istifadə olunub:

• Aşağı özlülüklü yağ: \(8.81 \, \mathrm{cP}\)
• Yüksək özlülüklü yağ: \(404 \, \mathrm{cP}\)

Aşağı özlülüklü yağ üç inyeksiya sürətində sınaqdan keçirilib:

• \(3.2 \, \mathrm{mL/min}\)
• \(16 \, \mathrm{mL/min}\)
• \(80 \, \mathrm{mL/min}\)

Yüksək özlülüklü yağ isə \(16 \, \mathrm{mL/min}\) sürətində sınaqdan keçirilib. İnyeksiyalar dəqiq şpris nasosları ilə sabit sərfdə aparılıb və hədəf həcm 520 mL-ə qədər artırılıb.

Akustik emissiyanın ölçülməsi nə üçün istifadə olunur?

Araşdırmada mikroseysmik aktivliyi izləmək üçün acoustic emission , yəni AE sensorlarından istifadə olunub. Laboratoriya miqyasında süxurda və ya qırılmaya bənzər strukturda kiçik çatlamalar, sürüşmələr və ya enerji buraxılmaları baş verdikdə akustik siqnallar yaranır. Bu siqnalları sahə miqyasında baş verən mikrozəlzələlərin laboratoriya analoqu kimi düşünmək olar.

Təcrübədə ümumilikdə 16 AE sensorundan istifadə olunub. Onlar iki qrupa bölünüb: böyük hadisələri daha yaxşı tutmaq üçün high-magnitude sistemi və kiçik siqnalları daha yaxşı müəyyən etmək üçün high-sensitivity sistemi. High-magnitude sistemindəki sensorlar polad kürə buraxma üsulu ilə kalibrlənib. Beləliklə, AE siqnallarından nisbi enerji və moment maqnitudası təxmin edilə bilib.

Araşdırmada moment maqnitudası üçün verilən əsas düstur belədir:

\[ M_w = \frac{\log_{10}(M_0) - 9.1}{1.5} \]

Bu düsturda \(M_w\) moment maqnitudasını, \(M_0\) isə seysmik momenti ifadə edir. Araşdırmada \(M_0\) dəyərinin buraxılan AE enerjisinə bərabər qəbul edildiyi bildirilib. Müəlliflər burada mühüm xəbərdarlıq edirlər: bu maqnitudalar sahə zəlzələlərinin maqnitudaları ilə birbaşa müqayisə edilməməlidir. Kalibrləmə laboratoriya təcrübələri arasında müqayisə aparmaq üçün istifadə olunub; bu, mütləq zəlzələ maqnitudası iddiası deyil.

Təcrübə proseduru hansı mərhələlərdən ibarətdir?

Təcrübələr altı əsas mərhələdən ibarət olub:

1. Shear loading: Qırılmaya bənzər blok sürüşmə həddinə yaxınlaşdırılır.
2. Critical load holding: Sistem kritik gərginlik şəraitində bir müddət saxlanılır.
3. Fluid injection: Müəyyən edilmiş sürət və özlülükdə maye inyeksiyasına başlanılır.
4. Caging activation: Boundary quyularında hasilat başlayanda fracture cage-in yaranması müşahidə edilir.
5. Post-injection holding: İnyeksiya başa çatdıqdan sonra sistem bir müddət izlənilir.
6. Full fault critical rupture: Əgər maye inyeksiyası qırılmanın tam baş verməsinə səbəb olmayıbsa, təcrübədən sonrakı müayinə üçün qırılma mexaniki yükləmə ilə yaradılır.

Başlanğıcda aparılan mexaniki sürüşmə sınaqları qırılmanın tam baş verməsi üçün təxminən \(121 \pm 35 \, \mathrm{kN}\) kritik yük göstərib. Sonrakı inyeksiya təcrübələrində sistem bu dəyərin təxminən %50-si olan 60 kN yük altında saxlanılıb. Beləliklə, qırılma kritik gərginlik vəziyyətinə yaxın, lakin dərhal öz-özünə qırılmayacaq şəkildə hazırlanıb.

Geri qaytarma səmərəliliyi necə hesablanır?

Araşdırmada recovery efficiency, yəni geri qaytarma səmərəliliyi boundary quyularından alınan ümumi hasilat sərfinin inyeksiya sərfinə nisbəti kimi müəyyən edilib. Bu əlaqəni MathJax ilə belə yazmaq olar:

\[ \eta_{\mathrm{rec}} = \frac{Q_{\mathrm{prod,total}}}{Q_{\mathrm{inj}}} \times 100 \]

Burada \(\eta_{\mathrm{rec}}\) geri qaytarma səmərəliliyini, \(Q_{\mathrm{prod,total}}\) boundary quyularından gələn ümumi hasilat sərfini, \(Q_{\mathrm{inj}}\) isə inyeksiya sərfini göstərir. Bu nisbət yüksəkdirsə, vurulan mayenin böyük hissəsi qəfəs daxilindəki hasilat quyularından geri alınır deməkdir. Aşağıdırsa, mayenin mühüm hissəsinin ətraf süxura diffuziya etdiyi, orada saxlandığı və ya itirildiyi mənasına gəlir.

Bu göstərici geotermal sistemlər üçün çox vacibdir. Çünki geotermal əməliyyatlarda maye yalnız təzyiq yaratmaq üçün deyil, istilik daşımaq üçün dövr etdirilir. Mayenin yüksək dərəcədə geri qaytarılması daha idarə olunan dövriyyə və daha səmərəli istilik istehsalı demək ola bilər.

Qəfəssiz aşağı özlülüklü təcrübələrdə nə baş verdi?

Qəfəssiz təcrübələrdə boundary quyuları bağlıdır. Buna görə maye mərkəzdən verilir və təzyiqin/mayenin yayılması qırılma daxilində nəzarətsiz şəkildə inkişaf edir.

Aşağı özlülüklü yağ \(3.2 \, \mathrm{mL/min}\) sürətində vurulduqda təzyiq 0,6 MPa-dan 1,5 MPa-ya tədricən yüksəlib. 520 mL maye vurulmasına baxmayaraq qırılmanın tam baş verməsi müşahidə olunmayıb. Təcrübədən sonra sistem mexaniki yolla qırılıb. Post-mortem müayinəsində mayenin demək olar ki, bütün qırılma səthinə yayıldığı görülüb. Yüksək təzyiqli daxili zonanın radiusu 14,8 cm, aşağı təzyiqli diffuziv yayılma zonasının radiusu isə 24,4 cm olaraq qiymətləndirilib.

Bu nəticə aşağı sürətdə təzyiqin qəfil kritik səviyyəyə çatmadığını, lakin mayenin geniş sahəyə yayıldığını göstərir. Yəni sistem seysmik baxımdan dərhal qırılmamış ola bilər, amma maye itkisi və geniş yayılma baxımından səmərəsizdir.

Aşağı özlülüklü yağ \(16 \, \mathrm{mL/min}\) sürətində vurulduqda vəziyyət dəyişib. Fracture breakdown təzyiqi 7,1 MPa olaraq ölçülüb; 161 mL yağ və 9,6 MPa təzyiq qırılmanın tam baş verməsini tətikləyib. Maksimum hadisə maqnitudası təxminən \(-6.28 \, M_w\) olaraq hesablanıb. Yüksək təzyiqli zonanın radiusu 10,8 cm, aşağı təzyiqli yayılma zonasının radiusu isə 11,9 cm olaraq qiymətləndirilib.

Aşağı özlülüklü yağ \(80 \, \mathrm{mL/min}\) sürətində vurulduqda isə qırılmanın tam baş verməsi bir dəqiqədən az müddətdə baş verib. İnyeksiya təzyiqi 10,2 MPa-ya çatıb və cəmi 26 mL maye tam qırılma üçün kifayət edib. Bu nəticə qəfəssiz sistemdə yüksək inyeksiya sürətinin qırılma qeyri-sabitliyini ciddi şəkildə artıra biləcəyini göstərir.

Qəfəssiz yüksək özlülüklü təcrübədə nə baş verdi?

Yüksək özlülüklü yağ \(16 \, \mathrm{mL/min}\) sürətində vurulduqda cəmi 21 mL mayedən sonra təzyiq 13,4 MPa-ya çatıb və qırılmanın tam baş verməsi müşahidə olunub. Eyni sürətdə aşağı özlülüklü yağın tam qırılma üçün 161 mL tələb etdiyi nəzərə alınsa, yüksək özlülüklü yağın qəfəssiz sistemdə qeyri-sabitliyi çox daha erkən yaratdığı görünür.

Araşdırma bu fərqi təxminən 7,7 dəfə az maye ilə qırılma kimi ifadə edir. Bundan əlavə, yüksək özlülüklü yağ yalnız sürüşmə tipli qırılma deyil, inyeksiya nöqtəsinə yaxın zonada dartılma tipli hidravlik çatlar da yaradıb. Bu, yüksək özlülüyün təzyiqi lokallaşdırdığını və qarışıq modlu qırılma davranışı yarada bildiyini göstərir.

Bu nəticə geotermal əməliyyatlar üçün çox vacibdir. Yüksək özlülüklü mayelər bəzi şəraitlərdə daha keçirici və daha geniş çatlar yarada bilər; lakin boundary quyularla nəzarət yaradılmazdan əvvəl həddindən artıq təzyiq toplanmasına səbəb olarsa, seysmik riski artıra bilər.

Caged aşağı özlülüklü təcrübələrdə inyeksiya sürəti necə təsir göstərdi?

Caged təcrübələrdə radiusu 3 cm olan dörd boundary quyusu açıq saxlanılıb. Bu quyular mərkəzdən verilən mayeni tutmağa və təzyiq zonasını məhdudlaşdırmağa çalışır.

\(3.2 \, \mathrm{mL/min}\) aşağı özlülüklü caged təcrübəsində fracture breakdown 2,1 MPa-da baş verib, inyeksiya təzyiqi 5,4 MPa-ya qədər yüksəlib. 182 mL maye vurulduqdan sonra bütün boundary quyularında hasilat müşahidə olunub, AE aktivliyi əvvəlcə artıb, sonra isə yavaşıyıb. Hədəf həcm olan 520 mL maye vurulmasına baxmayaraq qırılmanın tam baş verməsi müşahidə olunmayıb.

Lakin bu aşağı sürətli caging çox səmərəli deyil. Geri qaytarma səmərəliliyi \(70 \pm 1\%\) olaraq müəyyən edilib. 520 mL mayenin 278 mL-si, yəni təxminən %53,5-i hasil edilib, təxminən %43,5-i gips daxilində saxlanılıb və təxminən %3 sızma itkisi baş verib. Bu nəticə aşağı sürətdə mayenin boundary quyularla sürətlə əlaqə yaratmaq əvəzinə ətrafa daha çox diffuziya etdiyini göstərir.

\(16 \, \mathrm{mL/min}\) aşağı özlülüklü caged təcrübəsində sistem daha uğurludur. İnyeksiya təzyiqi 11 MPa-ya çatıb; bu dəyər qəfəssiz 16 mL/dəq təcrübəsində tam qırılmaya səbəb olan 9,6 MPa təzyiqdən yüksəkdir. Buna baxmayaraq qırılmanın tam baş verməsi müşahidə olunmayıb. Bu, boundary quyularının təzyiq və axın şəraitini ciddi şəkildə dəyişdirdiyini göstərir.

Bu təcrübədə geri qaytarma səmərəliliyi \(88 \pm 2\%\) olaraq göstərilib. 520 mL mayenin 400 mL-si, yəni təxminən %77-si hasil edilib, 120 mL-si isə gips daxilində saxlanılıb. Yüksək təzyiqli zonanın radiusu 6,6 cm, diffuziv zonanın radiusu 10,3 cm olub. Qəfəssiz eyni sürət halı ilə müqayisədə yüksək təzyiqli zona %39, diffuziv zona isə %13 daha kiçikdir.

\(80 \, \mathrm{mL/min}\) aşağı özlülüklü caged təcrübəsində də qırılmanın tam baş verməsi müşahidə olunmayıb. İnyeksiya təzyiqi 10,7 MPa-ya çatıb və 520 mL maye vurulub. Geri qaytarma səmərəliliyi \(86 \pm 1\%\), ümumi hasil edilən həcm isə yenə təxminən %77 səviyyəsindədir. Bu təcrübədə yüksək təzyiqli zona 7,4 cm, diffuziv zona isə 10,3 cm olaraq qiymətləndirilib.

Bu üç caged təcrübənin ortaq nəticəsi budur: aşağı sürətdə fracture caging daha çox diffuziv itkiyə məruz qalır. Sürəti 16 mL/dəq-ə qaldırmaq geri qaytarmanı ciddi şəkildə yaxşılaşdırır. 16 mL/dəq ilə 80 mL/dəq arasında isə çox böyük fərq yaranmayıb. Yəni müəyyən sürətdən sonra caging performansının doyma nöqtəsinə çatdığı görünür.

Caged yüksək özlülüklü təcrübədə nə baş verdi?

Yüksək özlülüklü yağın caged təcrübəsində \(16 \, \mathrm{mL/min}\) sürətində 520 mL maye qırılmanın tam baş verməsi olmadan vurula bilib. Bu çox mühüm nəticədir; çünki qəfəssiz yüksək özlülüklü təcrübədə cəmi 21 mL maye 13,4 MPa təzyiqdə tam qırılma yaratmışdı.

Caged yüksək özlülüklü halda fracture initiation yenə 13,4 MPa-da baş verib. Lakin bundan sonra inyeksiya təzyiqi azalıb və 3,1-4,1 MPa intervalında sabitləşib. Bu, boundary quyularla hidravlik əlaqə yarandıqdan sonra sistemin təzyiqi boşalda bildiyini göstərir.

Hasilat 27 mL maye vurulduqdan sonra başlayıb. Hasilat xüsusilə yuxarı boundary quyusunda üstünlük təşkil edib və bu quyu 12,3 mL/dəq hasilat sərfinə çatıb. AE aktivliyi başlanğıcda artıb, lakin 168 mL vurulduqdan sonra səssizləşib. Müəlliflər bu səssizliyi bütün boundary quyularında hasilatın başlaması ilə cage establishment, yəni qəfəsin qurulmasının göstəricisi kimi şərh edirlər.

Bu təcrübədə geri qaytarma səmərəliliyi \(89 \pm 1\%\), ümumi hasil edilən həcm isə təxminən %77 olaraq göstərilib. Yüksək təzyiqli zonanın radiusu 5,1 cm, diffuziv zonanın radiusu 6,5 cm-dir. Aşağı özlülüklü 16 mL/dəq caged təcrübəsi ilə müqayisədə yüksək özlülüklü yağ yüksək təzyiqli zonanı %23, diffuziv zonanı isə %37 azaldıb. Lakin eyni zamanda daha çox AE yaradıb və dartılma tipli hidravlik çatlar əmələ gətirib.

Akustik emissiya nəticələri necə şərh edilməlidir?

Araşdırmanın ən diqqətçəkən nəticələrindən biri AE, yəni akustik emissiya aktivliyinin caged sistemlərdə ənənəvi qaydada şərh edilə bilməməsidir. Qəfəssiz sistemlərdə AE artımı adətən qırılmanın qeyri-sabitləşməsinə və tam qırılmaya yaxınlaşmasına işarə edə bilər. Buna görə sahə əməliyyatlarında mikroseysmiklik artdıqda inyeksiya sürətini azaltmaq və ya əməliyyatı dayandırmaq geniş yayılmış refleks ola bilər.

Lakin caged sistemlərdə erkən AE artımı fərqli məna daşıya bilər. Bu araşdırmada boundary quyularında hasilat başladıqda, yəni maye mərkəzdən ətraf quyulara hidravlik əlaqə yaratdıqda, AE aktivliyi əvvəlcə artıb, sonra nəzərəçarpacaq dərəcədə azalıb və ya səssizləşib. Bu nümunə qırılmanın nəzarətsiz baş verdiyini deyil, qəfəsin uğurla formalaşdığını göstərə bilər.

Bu nəticə xüsusilə sahə tətbiqləri baxımından həssasdır. Çünki operator mikroseysmiklik artımını ənənəvi yanaşma ilə təhlükə siqnalı hesab edib inyeksiya sürətini azaltsa, caged sistemin hidravlik əlaqəsini və hasilat performansını zəiflədə bilər. Araşdırma caged sistemlərdə AE aktivliyinin təkbaşına deyil, hasilat quyularından gələn axın, təzyiq reaksiyası və AE-nin zaman ərzində azalma/səssizləşmə nümunəsi ilə birlikdə şərh edilməli olduğunu müdafiə edir.

Şəkillər və qrafiklər nə göstərir?

Figure 1 təcrübə qurğusunu göstərir. Şəkildə mərkəzi inyeksiya quyusu, ətrafdakı hasilat quyuları, alüminium pazlar, gips qırılma təbəqəsi və AE sensorlarının yerləşməsi görünür. Bu şəkil fracture caging məntiqinin fiziki qarşılığını aydın göstərir: mərkəzdə inyeksiya, ətrafda isə mayeni tutan boundary quyuları.

Figure 2 high-magnitude AE sensorlarının polad kürə buraxma sınağı ilə necə kalibrləndiyini göstərir. Kürə müəyyən hündürlükdən buraxıldıqda bloka ötürülən enerji hesablanır, AE gərginliyi ilə enerji arasında əlaqə qurulur və bu əlaqə moment maqnitudasının hesablanmasına bağlanır.

Figure 3 təcrübə prosedurunu zaman sırası kimi göstərir. Xüsusilə yüksək özlülüklü yağın caged təcrübəsində 16 mL/dəq sürətdə fracture breakdown təzyiqinin 13,4 MPa olduğu, AE aktivliyinin təzyiqlənmə ilə artdığı və boundary quyularında hasilat başladıqdan sonra azaldığı görünür. Eyni təcrübədə 520 mL yağ vurulmasına baxmayaraq qırılmanın tam baş verməsi müşahidə olunmayıb; halbuki qəfəssiz vəziyyətdə cəmi 21 mL yüksək özlülüklü yağ tam qırılma üçün kifayət edib.

Figure 4 qəfəssiz təcrübələrin zaman sıralarını müqayisə edir. Aşağı sürətdə aşağı özlülüklü yağ qırılmanın tam baş verməsinə səbəb olmadığı halda, 16 mL/dəq və 80 mL/dəq sürətlərində tam qırılma baş verib. Yüksək özlülüklü yağ isə 16 mL/dəq sürətdə çox az həcmdə tam qırılmanı tətikləyib.

Figure 5 caged təcrübələrin zaman sıralarını göstərir. Burada ən mühüm nümunə AE aktivliyinin cage formalaşarkən artması və boundary quyularında hasilat başladıqdan sonra azalması və ya səssizləşməsidir. Bu şəkil caged sistemlərin qəfəssiz sistemlərdən fərqli davrandığını vizual şəkildə ortaya qoyur.

Figure 6 təcrübədən sonrakı maye yayılma sahələrini fotoşəkillər üzərindən göstərir. Qırmızı rənglər yağ boyasının qırılma səthində yayılmasını təmsil edir. Daha tünd qırmızı zonalar daha çox və daha yüksək təzyiqli maye axınını, daha açıq qırmızı zonalar isə aşağı təzyiqli diffuziv yayılmanı göstərir. Yüksək özlülüklü yağda inyeksiya ətrafında dartılma çatlarının da yarandığı görünür.

Figure 7 Figure 6-dakı post-mortem görüntülərdən təxmin edilən yüksək və aşağı təzyiqli yayılma radiuslarını sxematik şəkildə verir. Bu şəkil aşağı sürətdə maye yayılmasının daha geniş, yüksək sürətdə və caged şəraitdə isə daha məhdud olduğunu anlamaq üçün vacibdir.

Figure 8 müxtəlif təcrübələrdə hər sensor üzrə maksimum moment maqnitudalarını müqayisə edir. Buradakı dəyərləri sahə maqnitudaları ilə birbaşa müqayisə etmək olmaz; məqsəd təcrübələr arasındakı nisbi enerji buraxılmasını anlamaqdır.

Figure 9 aşağı özlülüklü yağ üçün inyeksiya sürətinin caged və uncaged sistemlərdə təsirini ümumiləşdirir. Qrafiklər 3,2 mL/dəq-dən 16 mL/dəq-ə qalxdıqda hasilatın artdığını və invaziya radiuslarının kiçildiyini; 16-dan 80 mL/dəq-ə qalxdıqda isə əlavə qazancın məhdud qaldığını göstərir. Bu, fracture caging üçün optimal işləmə intervalının ola biləcəyini düşündürür.

Figure 10 qırılmanın tam baş verməsi zamanı AE dalğa formalarını göstərir. Dalğa formaları hansı təcrübədə qırılma zamanı daha çox enerji qaldığını müqayisə etmək üçün istifadə olunub. Qəfəssiz aşağı sürətli inyeksiyadan sonra mexaniki qırılmada daha güclü dalğa formalarının görünməsi inyeksiya zamanı daha az enerji buraxıldığını düşündürür.

Figure 11 aşağı və yüksək özlülüklü yağların 16 mL/dəq sürətdə caged və uncaged performansını müqayisə edir. Qəfəssiz sistemdə yüksək özlülüklü yağ daha az həcmdə qırılma yaratdığı halda, caged sistemdə çox daha çox maye qırılmanın tam baş verməsi olmadan vurula bilib. Bu şəkil araşdırmanın özlülüklə bağlı ən kritik mesajını verir.

Figure 12 caged təcrübələrdə boundary quyularından gələn hasilat sərflərini göstərir. Aşağı sürətdə ümumi hasilat inyeksiya sərfinin təxminən %69-70-nə çatdığı halda, daha yüksək sürətlərdə ümumi hasilat təxminən %88 səviyyəsinə yüksəlib. Yüksək özlülüklü yağda hasilatın xüsusilə yuxarı quyuda üstün olması çat həndəsəsinin və axın istiqamətinin qeyri-müəyyənlik daşıdığını; buna görə ətrafda birdən çox boundary quyusunun olmasının dəyərli olduğunu göstərir.

Araşdırmanın gündəlik həyat baxımından mənası nədir?

Bu araşdırma ilk baxışda laboratoriya süxur mexanikası təcrübəsi kimi görünə bilər; lakin arxasındakı ideya enerji gələcəyi baxımından vacibdir. Geotermal enerji təmiz və fasiləsiz enerji təmin edə bilən güclü mənbədir. Lakin ictimaiyyətin və investorların ən böyük narahatlıqlarından biri yeraltına maye inyeksiyasının zəlzələ yaratması ehtimalıdır.

Fracture caging ideyası bu riski birbaşa nəzarət altına almağa çalışan mühəndislik yanaşmasıdır. Geotermal sahədə mayeni nəzarətsiz yayılmağa buraxmaq əvəzinə, ətraf quyularla idarə olunan dövriyyə zonası yaratmaq həm seysmik riski azalda, həm də vurulan mayenin daha böyük hissəsinin geri alınmasını təmin edə bilər. Bu isə daha təhlükəsiz, daha səmərəli və daha qəbul edilə bilən geotermal layihələr demək ola bilər.

Lakin bu araşdırma sahə miqyasında qəti həll təqdim etmir. Laboratoriya blokundakı 3 cm-lik qəfəslə real yeraltı qırılmanın kilometr miqyasındakı davranışı eyni deyil. Real sahələrdə süxur heterogenliyi, təbii çat şəbəkəsi, temperatur, kimyəvi qarşılıqlı təsirlər, üçölçülü gərginlik sahəsi və əməliyyat məhdudiyyətləri çox daha mürəkkəbdir. Buna görə araşdırma birbaşa tətbiq olunmuş texnologiya sübutundan daha çox, sahə sınaqları üçün güclü elmi əsas kimi oxunmalıdır.

Keçmiş, bu gün və gələcək baxımından araşdırmanın əhəmiyyəti

Keçmiş baxımından geotermal layihələrdə induced seismicity uzun müddətdir məlum problemdir. Pohang və Basel kimi nümunələr bu riskin yalnız texniki deyil, sosial və iqtisadi nəticələr də yarada biləcəyini göstərib. Layihə texniki olaraq enerji istehsal edə bilsə belə, hiss edilən zəlzələlər və ya ictimai etimadın itirilməsi layihəni dayandıra bilər.

Bu gün baxımından enerji keçidi daha çox fasiləsiz və etibarlı bərpa olunan mənbələr tələb edir. Geotermal enerji bu baxımdan çox dəyərlidir; lakin seysmik risk idarəetməsi həll olunmadan geniş miqyasda böyüməsi çətin ola bilər. Bu araşdırma riski azaltmaq üçün yalnız inyeksiya sürətini azaltmaq əvəzinə, quyuların həndəsi yerləşməsi ilə təzyiqi və axını idarə etməyi təklif etdiyinə görə mühüm baxış təqdim edir.

Gələcək baxımından fracture caging sahə miqyasında təsdiqlənərsə, geotermal əməliyyatların layihələndirmə məntiqini dəyişə bilər. Operatorlar yalnız “nə qədər maye vuraq?” sualını deyil, “təzyiqi hansı sərhədlər daxilində tutaq, hasilat quyularını necə yerləşdirək, AE siqnalını necə şərh edək?” suallarını da birlikdə qiymətləndirə bilər. Bu isə daha proaktiv seysmik risk idarəetməsi deməkdir.

Araşdırmanın güclü tərəfləri hansılardır?

Araşdırmanın güclü tərəflərindən biri fracture caging ideyasını yalnız nəzəri olaraq müzakirə etməməsi, onu nəzarət olunan laboratoriya təcrübələri ilə sınaqdan keçirməsidir. Qəfəssiz və caged sistemlərin eyni sürət və özlülük şərtlərində müqayisəsi üsulun təsirini daha aydın görməyə imkan verir.

İkinci güclü tərəf inyeksiya sürəti və özlülük kimi operatorların nəzarət edə bildiyi parametrlərə fokuslanmasıdır. Bu parametrlər sahə əməliyyatlarında real qərar dəyişənləridir. Buna görə araşdırma yalnız akademik deyil, əməliyyat baxımından da əhəmiyyətlidir.

Üçüncü güclü tərəf təzyiqi, inyeksiya həcmini, hasilat sərfini, geri qaytarma səmərəliliyini, post-mortem maye yayılmasını və AE aktivliyini birlikdə qiymətləndirməsidir. Yəni nəticələr tək bir meyara əsaslanmır. Qırılma baş verdimi, nə qədər maye hasil edildi, təzyiq necə dəyişdi, çat nə qədər yayıldı, mikroseysmiklik necə davrandı kimi çoxsaylı göstəricilər birlikdə nəzərdən keçirilib.

Dördüncü güclü tərəf araşdırma nəticələrinin sahəyə birbaşa ümumiləşdirilə bilməyəcəyini açıq şəkildə qəbul etməsidir. Müəlliflər xüsusilə miqyaslana bilmə məsələsinin hələ açıq olduğunu və sahə təcrübələrinin lazım gəldiyini bildirirlər. Bu, araşdırmanın iddialarını daha ehtiyatlı və elmi edir.

Araşdırmanın məhdudiyyətləri hansılardır?

Birinci və ən mühüm məhdudiyyət bu mətnin ekspert rəyindən keçməmiş preprint olmasıdır. PDF-də araşdırmanın hələ ekspert rəyindən keçmədiyi açıq şəkildə göstərilib. Buna görə nəticələr mühüm olsa da, yekun elmi qəbul edilmiş nəticələr kimi deyil, qiymətləndirilməli ilkin araşdırma nəticələri kimi oxunma