New analytical model for underground storage of natural gas with carbon dioxide as cushion gas and for sequestration of carbon dioxide
Doğal gazın yastık gaz olarak karbondioksit kullanılarak yeraltında depolanması ve karbondioksitin tutulması için yeni analitik model
- Tez No: 842085
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER İNANÇ TÜREYEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği, Petroleum and Natural Gas Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Doğal gaz, ısınma, sanayi ve ulaşımda kullanılan stratejik öneme sahip, değerli bir yakıttır. Doğal gaz, hidrokarbon parafinlerinin en küçük üyesidir. Bazı ihtiyaç fazlası doğal gaz üretimine sahip ülkeler ihraç ederken, bazı ülkeler doğal gaz konusunda dışa bağımlıdırlar. Türkiye, doğal gaz konusunda ithalata ihtiyaç duyan bir ülkedir. Bu sebeple, ithal edilen doğal gazın bir kısmı kullanılırken, kullanılmayan kısmı ihtiyaç halinde kullanılmak üzere depolanır. Doğal gaz depolama yöntemlerinden biri, doğal gazı yer altında depolamaktır. Tükenmiş doğal gaz ve petrol rezervuarları ve tuz domları yer altı doğal gaz depolama amacıyla kullanılabilir. Mevsimsel olarak değişen gaz talebi, gaz fiyatlarındaki dalgalanmalar ve stratejik nedenlerle doğal gazın depolanması ülkeler için oldukça önemlidir. Depolanan gaz genellikle metan olmakla birlikte rezervuar ile yüzey arasındaki basınç farkından dolayı depolanan doğal gazın tamamı üretilememektedir. Depolanan doğal gazın bir kısmı rezervuarda yastık gazı olarak bırakılmaktadır. Bu da ekonomik kayba yol açar. Gelişmiş bir gaz geri kazanım yöntemi olarak, yastık gazı olarak metan yerine karbondioksitin kullanılması önemli ekonomik, çevresel ve operasyonel faydalar sağlar. Bu çalışmada, karbon dioksitin yastık gazı olarak kullanılmasının etkileri araştırılmıştır. Karbon dioksit ve metanın yoğunluk, sıkıştırılabilirlik ve sıkıştırılabilirlik faktörü gibi fiziksel özellikleri incelenmiştir. İlk olarak sıkıştırılabilirlik faktörleri kıyaslanmıştır. Dranchuk ve Abou-Kassem korelasyonu ve Peng Robinson durum denklemi kullanılarak basınç ve sıcaklık ile nasıl davrandıkları analiz edilmiştir. Metanın sıkıştırılabilirlik faktörü basınç yükseldikçe 160 bara kadar düşme, daha sonra hafifçe yükselme eğilimi göstermektedir. Sıcaklık arttıkça ise metanın sıkıştırılabilirlik değeri artar. 305.15 - 345.15 Kelvin ve 0 - 200 bar aralığında metanın sıkıştırılabilirlik faktörü 0.8 ile 1 arasında değerlere sahiptir. Karbon dioksitin sıkıştırılabilirlik faktörü incelendiğinde, karbon dioksitin kritik basıncına yakın yerlerde sıkıştırılabilirlik faktörünün ani bir şekilde düştüğü gözlemlenmiştir. 60 bar ve 305.15 K için sıkıştırılabilirlik faktörü 0.61 iken, basınç 80 bara çıktığında 0.24 değerine kadar düşüş gözlemlenmiştir. Kullanılan iki durum denklemi birbirine yakın değerler verse de, Dranchuk ve Abou-Kassem korelasyonu daha çok doğal gaz için kullanıldığından dolayı Peng Robinson durum denkleminin bu çalışma için daha uygun olacağına karar verilmiştir. Daha sonra, bu iki gazın yoğunlukları kıyaslanmıştır. Yoğunluk hesabı bir Python kütüphanesi olan PYroMat ve Peng Robinson durum denklemi kullanılarak yapılmıştır. Metan için bu iki yöntem neredeyse aynı sonucu verirken, karbon dioksitin kritik değerlerine yakın yerlerde iki yöntemin sonuçlarının farklı olduğu görülmüştür. Metanın yoğunluğunun basınç ile lineer şekilde arttığı, sıcaklık ile azaldığı gözlemlenmiştir. Karbon dioksitin yoğunluğuna bakıldığında, 60 bar değerine kadar neredeyse lineere yakın bir artış görülürken, 60 ve 90 bar arasında dramatik bir şekilde arttığı gözlemlenmiştir. Bu bölge, sıkıştırılabilirlik faktörünün hızlıca düştüğü bölge ile uyumluluk göstermektedir. Son fiziksel özellik olarak, sıkıştırılabilirlik incelenmiştir. Sıkıştırılabilirlik değerlerinin karşılaştırılması için de hem Shomate Denklemi, NASA polinomları, IF-97 endüstriyel buhar formülasyonu ve NIST kimya web kitabının birleşimiyle madde modellerinin değerlendirilmesini sağlayan PYroMat hem de Peng Robinson durum denklemi kullanılmıştır. Metanın sıkıştırılabilirlik değerinin sıcaklık ile neredeyse değişmediği, basınç ile azaldığı gözlemlenmiştir. Karbon dioksit ise, basınç arttıkça ilk önce düşen, sonra aniden yükselen, daha sonra tekrar düşen bir trend sergilemiştir. Sıcaklık yükseldikçe, sıkıştırılabilirlik değerinin artıp azaldığı bölgenin basınca karşılık sıkıştırılabilirlik grafiğinde kısalıp genişlediği ve gittikçe sağa kaydığı görülmüştür. Tank içinde bulunan yoğunlukları farklı iki gazdan daha yoğun olanı dibe çökerken diğeri tankın üst kısmında bulunsa da, iki gaz arasında bulunan alanda bu iki gazın homojen bir solüsyon oluşturduğu kısım bu iki gazın karışım zonu olarak adlandırılır. Karbondioksit ve metan içeren bir rezervuarda geçiş bölgesi olarak bu iki gazın karışımından oluşan bir bölge bulunacağından, farklı yüzdelerde karbondioksit ve metan içeren karışım bölgesinin sıkıştırılabilirlik faktörü Peng Robinson Durum Denklemi kullanılarak hesaplanmıştır. Karbondioksitin 60-120 bar ve 50-70 °C arasındaki sıcaklıklarda sıkıştırılabilirliği metandan daha yüksek olduğundan, hacimce aynı miktarda karbondioksitin yastık gazı olarak kullanılması, basınç optimizasyonu açısından önemli ölçüde fayda sağlayabileceği ve üretilen metan miktarını artırabileceği görülmüştür. Karbon dioksit metandan daha ucuz olduğu için yastık gazı olarak kullanımı doğal gaz depolama rezervuarlarında hem ekonomik hem de çevresel olarak tatmin edici sonuçlar verebilir. Fiziksel özelliklerinin kıyaslanmasıyla, karbondioksitin metan depolama ve üretiminde yastık gazı olarak gelişmiş bir gaz geri kazanım yöntemi olarak kullanılmasının rezervuar yönetimi ve ekonomik açıdan daha verimli olduğu görülmüştür. Bu çalışmada, Tureyen ve diğerleri (2023) tarafından sunulan yeni malzeme dengesi denklemi kullanılarak farklı üretim senaryoları için yastık gazı olarak olarak karbondioksit ve metan içeren gaz rezervuarlarında metan üretimi sırasında basıncın nasıl değiştiği yeni materyal dengesi denklemi kullanılarak gözlemlenmiştir. Bir tank modeli varsayılmış, %100 metan ve %100 karbon dioksit üretimi sırasında rezervuar basıncı değişimi incelenmiştir. %100 metan içeren modelde basınç azalışının neredeyse lineer olduğu görülmüştür. %100 karbon dioksit içeren modelde ise 120 bardan 90 bara kadar lineer bir düşüş gözlenirken, 90 bardan sonra basınç düşüş oranının azaldığı görülmüştür. Bu durum 60 bara kadar devam etmiştir. Daha sonra, yastık gazı olarak metan ve farklı yüzdelerde karbon dioksit kullanarak metan üretimi sırasında basınç değişimi incelenmiştir. %0, %25, %50 ve %75 karbon dioksit içeren modeller karşılaştırılmıştır. Ortalama rezervuar basıncı başlangıçta 120 bar olarak varsayılmış, karbon dioksit yüzdesi arttıkça aynı kümülatif metan üretimi için rezervuar basıncı kaybının daha az olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum, yastık gazı olarak karbon dioksit kullanımının basınç desteği konusunda önemli derecede fayda sağladığını kanıtlamıştır. Aynı senaryo, hacimce %10, %20 ve %30 karbon dioksit barındıran tank modelinde de uygulanmıştır. Metan yerine hacimce %30 oranında karbon dioksit yastık gazı olarak kullanıldığında, aynı kümülatif metan üretimi için rezervuar basıncı yaklaşık 15 bar daha az düşmüştür. Termodinamik açıdan metan ve karbon dioksitin rezervuar özelliklerini nasıl etkilediği ve farklı ilk rezervuar basınçları, metan ve karbondioksit molar yüzdeleri, sıcaklıklar ve üretim senaryoları ile nasıl değiştiği incelenmiştir. Sonuç olarak karbondioksitin yastık gazı olarak 50-70 °C ile 60-120 bar sıcaklık ve basınç aralığında kullanımının metan depolama ve üretim verimini yani çalışma gazı kapasitesini arttırdığı görülmüştür. Metan ve karbondioksitin sıkıştırılabilirlik faktörü davranışı dikkate alındığında aynı hacimsel oranda metan ve karbondioksit içeren karışım bölgesinin metana daha yakın bir sıkıştırılabilirlik faktörü davranışı gösterdiği gözlemlenmiştir. Bu nedenle karışım bölgesi dikkate alınarak yeni bir analitik denklem ortaya konmuştur. Başlangıçta metan içeren bir rezervuara CO2 enjekte edilmiş, daha sonra rezervuardan sadece metan üretilmiş ve analitik modellerden birinin karışım bölgesini dikkate almadığı analitik modellerle enjeksiyon ve üretim aşamasında ortalama rezervuar basıncı değişimi gözlemlenmiştir. Sonuçların doğrulanması için CMG (Bilgisayar Modelleme Grubu) kullanılmıştır. Karışım zonunu içeren analitik modelin, rezervuarda karışım zonunu ihmal eden analitik modele göre daha iyi sonuçlar verdiği görülmektedir. Son olarak, yoğunluk farkından dolayı karbon dioksitin rezervuarın alt kısmında, metanın ise rezervuarın üst kısmında bulunacağı varsayıldığında, metan ile karbon dioksitin geçiş zonunun metan üretimi ile birlikte nasıl değiştiği önem arz etmektedir. Yalnızca metan üretimi hedeflendiğinden, karbon dioksit üretiminin engellenmesi açısından geçiş zonu yüksekliğinin takibi önemlidir. Bu sebeple, silindirik, trapezoidal ve yarım küresel gibi farklı rezervuar şekilleri için %50 karbon dioksit %50 metan içeren rezervuarda metan üretimi ile birlikte karbon dioksit ile metan arasındaki geçiş zonunun yüksekliğinin değişimi incelenmiştir.
Özet (Çeviri)
Natural gas is a strategically important, valuable fuel used in heating, industry and transportation. Natural gas is the smallest member of hydrocarbon paraffins. While some countries produce and export surplus natural gas, some countries are dependent on import of natural gas. Turkey is a country in need of imports for natural gas. For this reason, some of the imported natural gas is used, while the unused portion is stored for use when needed. One of the natural gas storage methods is to store natural gas underground. Depleted natural gas and oil reservoirs and salt domes can be used for underground storage. Storage of natural gas is very important for countries due to seasonally changing gas demand, fluctuations in gas prices and strategic reasons. Although the stored gas is generally methane, not all of the stored natural gas can be produced due to the pressure difference between the reservoir and the surface. Some of the stored natural gas is left in the reservoir as base gas to create pressure support. This leads to economic loss. Using carbon dioxide instead of methane as cushion gas provides significant economic, environmental, and operational benefits. In this study, the effects of using carbon dioxide as cushion gas were investigated. The physical properties of carbon dioxide and methane such as density, compressibility and compressibility factor were investigated. Although the denser of the two gases with different densities in the tank sinks to the bottom and the other one is at the top of the tank, the area between the two gases where these two gases form a homogeneous solution is called the mixing zone of these two gases. Since there will be a region consisting of a mixture of these two gases as a transition zone in a reservoir containing carbon dioxide and methane, the compressibility factor of the mixture region containing different percentages of carbon dioxide and methane was calculated using Peng Robinson Equation of State. Since looking at the physical properties, the compressibility of carbon dioxide at temperatures between 60-120 bar and 50-70 °C is higher than that of methane, it is concluded that using the same amount of carbon dioxide as cushion gas by volume gives significantly beneficial results in terms of pressure optimization and increases the amount of methane produced. Since carbon dioxide is cheaper than methane, its use as cushion gas may give satisfactory results both economically and environmentally in natural gas storage reservoirs. It is seen that the use of carbon dioxide as an enhanced gas recovery method as cushion gas in methane storage and production is more efficient in terms of reservoir management and economy. In this study, how the pressure changes during methane production in gas reservoirs containing carbon dioxide and methane as cushion gas for different production scenarios is observed by the use of the new material balance equation presented by Tureyen et al., (2023). Thermodynamically, how methane and carbon dioxide affect the reservoir properties and how they change with different initial reservoir pressures, molar percentages of methane and carbon dioxide, temperatures, and production scenarios are investigated. As a result, it has been observed that the use of carbon dioxide as cushion gas in the temperature and pressure range of 50-70 °C and 60-120 bar increases the methane storage and production efficiency, which is, the working gas capacity. Considering the compressibility behavior of methane and carbon dioxide, it has been observed that the mixing zone containing the same volumetric ratio of methane and carbon dioxide shows a compressibility factor behavior closer to methane. For this reason, a new analytical equation was introduced by taking the mixing zone into account. CO2 is injected into a reservoir containing methane initially, followingly only methane is produced from the reservoir and average reservoir pressure change is observed during the injection and production stage with analytical models where one of the analytical models does not include the mixing zone into consideration and the other one does. CMG (Computer Modelling Group) is used to verify the results. It is seen that the analytical model which includes a mixing zone gives better results than the analytical model assumes no mixing zone in the reservoir. Finally, assuming that carbon dioxide will be located in the lower part of the reservoir and methane in the upper part of the reservoir due to the density difference, it is important to observe how the transition zone of methane and carbon dioxide changes with methane production. Since only methane production is targeted, it is important to follow the transition zone height in order to prevent carbon dioxide production. For this reason, the change in the height of the transition zone between carbon dioxide and methane with methane production in the reservoir containing 50% carbon dioxide and 50% methane for different reservoir shapes such as cylindrical, trapezoidal and hemispherical was investigated.
Benzer Tezler
- New material balance based analytical models for predicting pressure behaviors of single-phase oil and gas reservoirs with multi-well production history
Çok-kuyulu tek-faz petrol ve doğal gaz rezervuar basınç davranışlarının tahmimi için kütle-korunumu temelli yeni analitik modeller
SABIT BIDAIBAYEV
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPetrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ONUR
- Zemin mühendisliğinde gerilme şekil değiştirme davranışının sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmesi
Stress-strain analysis by finite element method in geotechnical engineering
ELİF YILMAZ
- Güneş enerjisinin yer altında depolanması ve ısı pompası desteği ile konut ısıtma sisteminin bilgisayarda simülasyonu
Simulation of solar assisted ground-coupled heat pump system with undergraund energy storage
RECEP YUMRUTAŞ
Doktora
Türkçe
1998
Makine MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET KUNDUZ
- Investigation of thermal performance of a solar-assisted heat pump drying system with underground thermal energy storage tank and heat recovery unit
Yeraltı enerji depolu ısı geri kazanımlı ve güneş enerjisi destekli ısı pompalı kurutma sisteminin performansının incelenmesi
HATEM HASAN ISMAEEL ISMAEEL
Doktora
İngilizce
2019
EnerjiGaziantep ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. RECEP YUMRUTAŞ
- Yeni Avusturya tünel inşa yönteminde sonlu elemanlar yöntemiyle tünel kaplaması hesabı
Tunnel support design by finite element technique in the new Austrian tunnelling method
KEMAL ERGİN