IMPIANTO PILOTA GEOTERMICO “CASA DEL CORTO” Allegato 4

IMPIANTO PILOTA GEOTERMICO
“CASA DEL CORTO”
Allegato 4
Modellazione Numerica del Serbatoio
Geotermico di “Casa del Corto”
Preparato per:
Svolta Geotermica Srl
Dicembre 2015
Codice Progetto:
P15_CAE_010
Revisione: 0
STEAM
Sistemi Energetici Ambientali
Via Ponte a Piglieri, 8
I – 56122 Pisa
Telefono
+39 050 9711664
Fax
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Sommario
1.
INTRODUZIONE ............................................................................................................ 3
2.
MODELLO DEL SISTEMA GEOTERMICO ................................................................... 6
2.1
2.2
2.3
3.
SIMULAZIONE NUMERICA ........................................................................................ 12
3.1
3.2
3.3
4.
ESTENSIONE DEL DOMINIO DI CALCOLO ................................................................... 6
MODELLO GEOLOGICO........................................................................................... 7
GRIGLIA DI SIMULAZIONE........................................................................................ 9
DEFINIZIONE DELLO STATO STAZIONARIO DEL MODELLO ........................................ 12
SIMULAZIONE DELLA COLTIVAZIONE DEL SERBATOIO GEOTERMICO .......................... 14
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE ............................................................................. 17
CONCLUSIONI ............................................................................................................ 25
.
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INTRODUZIONE
Il presente documento costituisce rapporto descrittivo della modellazione degli effetti della
coltivazione prevista nel Permesso di Ricerca per risorse geotermiche finalizzato alla
sperimentazione di impianti pilota denominato “CASA DEL CORTO”, la cui estensione è riportata
nella Figura 1a. Esso occupa un’area di circa 5,03 km2, all’interno della provincia di Siena, di cui
circa 0,15 km2 nel Comune di San Casciano dei Bagni mentre la rimanente porzione di territorio
ricade nel Comune di Piancastagnaio.
La prevista attività di coltivazione geotermica sarà effettuata con tre pozzi di produzione, perforati
dalla stessa postazione opportunamente deviati, e con tre pozzi di reiniezione, anche essi
perforati da una stessa postazione ed opportunamente deviati.
La modellistica numerica dei sistemi geotermici è ormai una tecnica matura, applicata in tutto il
mondo, ed è una prassi consolidata per la pianificazione e lo sviluppo della gestione dei campi
geotermici. La modellistica numerica di sistemi geotermici (sistemi intrinsecamente complessi)
rappresenta quindi uno strumento molto potente ed impiegato ormai comunemente per:
1. la caratterizzazione della risorsa nell'ottica di una valutazione del potenziale geotermico;
2. elaborazione di diverse modalità di coltivazione della risorsa geotermica nell'ottica di ottimizzare
le tecniche di gestione della risorsa;
3. elaborazione delle corrette strategie di reiniezione dei fluidi.
La realizzazione di una simulazione numerica consta di varie fasi di lavoro, delle quali le prime
rappresentano forse il momento più delicato e consistono nella raccolta dei dati utili alla
descrizione del sistema e all'elaborazione del modello concettuale dell'area oggetto di studio, cioè
in una schematizzazione numerica della realtà naturale che comprenda sia gli aspetti termo-fisici
sia quelli chimici.
Dopo aver creato il modello numerico, sulla base dei dati del modello concettuale di riferimento, è
necessario stabilire le condizioni al contorno, definite con l'assegnazione di valori ai parametri
caratteristici ai bordi del volume di controllo rappresentante il campo geotermico di riferimento, e
l'eventuale assegnazione dei flussi di calore o di massa (in entrata ed in uscita) attraverso le
superfici esterne del volume di controllo.
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N
Perimetro Istanza di Ricerca
Confini Comunali
Figura 1a - Ubicazione dell’area in esame. Perimetro Istanza di Permesso di Ricerca denominata “Casa del
Corto”.
Le condizioni iniziali descrivono lo stato indisturbato in cui si trova il sistema in termini di
temperatura e pressione.
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In generale, il processo di modellazione numerica è strutturato nelle seguenti fasi:
1. Schematizzazione del dominio di calcolo;
2. Definizione dei parametri di input e delle condizioni al contorno;
3 Definizione dello stato stazionario e calibrazione con i dati di riferimento (taratura del modello);
4. Simulazione degli effetti della coltivazione della risorsa geotermica;
5. Interpretazione dei risultati.
Per la modellazione del serbatoio geotermico sotteso dal permesso di Ricerca Casa del Corto è
stato utilizzato il codice di calcolo TOUGH2 (Pruess, 1991) 1 . Esso rappresenta un simulatore
numerico molto potente, ed è attualmente il più utilizzato per la simulazione di sistemi geotermici,
descrivendo il flusso accoppiato di calore e materia.
Questo codice di calcolo è estremamente efficace per la descrizione delle proprietà dell'acqua e
delle transizioni di fase, tenendo in considerazione la permeabilità relativa delle formazioni
attraversate dal fluido e gli effetti della pressione di capillarità. TOUGH2 simula tutti i fenomeni di
trasporto multicomponente, multifase di fluidi naturali di diversa salinità e in condizioni non
isoterme.
Il TOUGH2 è un codice implementato essenzialmente per lo studio dei sistemi geotermici ed è
utilizzato con successo anche per la valutazione del rischio ambientale e della propagazione degli
inquinanti, nonché per applicazioni di tipo idrogeologico, e rappresenta di fatto lo standard,
impiegato da numerosi operatori geotermici e dai migliori istituti di ricerca, per applicazioni in
questi settori.
Le equazioni che governano gli scambi di massa ed energia tra le celle, nonché le trasformazioni
di fase del fluido, sono fondamentalmente il bilancio di massa ed energia e la legge di Darcy che
regola il trasporto di fluido tra due celle contigue, come funzione della permeabilità, dei parametri
geometrici e della differenza di pressione.
1
Pruess, K., 1991. TOUGH2 – A General Purpose Numerical Simulator for Multiphase Fluid and
Heat Flow. Report LBL 29400, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA.
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MODELLO DEL SISTEMA GEOTERMICO
I dati di input per la simulazione numerica derivano da informazioni geologiche, geofisiche e
geotermiche esistenti in letteratura scientifica e nelle banche dati geotermiche pubbliche
(Inventario Risorsa Geotermica Nazionale, 1987).
2.1
ESTENSIONE DEL DOMINIO DI CALCOLO
Il volume di serbatoio geotermico modellato è sottostante un’area 72 km2 (9 X 8 km), all'interno
della quale è compresa l'area di 5 km2 del Permesso “Casa del Corto”.
Per effettuare la calibrazione dei parametri termo-fluidodinamici del modello sfruttando le
informazioni note, il volume oggetto della simulazione è stato definito in modo da comprendervi
oltre al volume sottostante l’area del Permesso di Ricerca Casa del Corto, anche i vicini pozzi
geotermici Paglia 1 e PC27, considerato quest’ultimo rappresentativo delle caratteristiche del
campo geotermico di Piancastagnaio.
Il volume della porzione di sottosuolo preso in esame è compreso tra il piano campagna e la
quota di -3000 m s.l.m. E' stata perciò anche considerata la superficie topografica estrapolata dal
modello digitale del terreno (DEM) con risoluzione di 100m (Figura 2.1a).
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Figura 2.1a Modello Tridimensionale di Riferimento, con DEM e Discretizzazione in 18.500 Celle.
2.2
MODELLO GEOLOGICO
Partendo dai dati geologici, idrogeologici e geotermici disponibili per l’area in esame, si è
schematizzato il modello geologico come mostrato in Figura 2.2a definendo le informazioni
quantitative necessarie alla caratterizzazione idrogeologica delle formazioni.
Sulla base di queste considerazioni il modello risulta costituito da 3 Layers, coincidenti con le
seguenti unità idrogeologiche principali:
1) Copertura impermeabile (comprendenti le Argille del Complesso Neogenico ed il
Complesso Flyschoide Ligure, in giallo in Figura 2.2a);
2) Serbatoio geotermico costituito dalle Anidriti di Burano (Unità Toscana, in celeste in Figura
2.2a);
3) Complesso del Basamento Metamorfico (in rosso in Figura 2.2a).
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Per la distribuzione nel sottosuolo di queste unità idrogeologiche e la conseguente realizzazione
del modello tridimensionale sono stati utilizzati i dati geologici, geofisici e dei pozzi indicati nelle
banche dati ed in pubblicazioni nazionali ed internazionali2.
In particolare, la superficie del tetto del serbatoio geotermico è stata ricostruita in ambiente GIS
mediante l’interpolazione dei valori di quota (in m s.l.m.) del Tetto del Serbatoio Geotermico
individuato dai pozzi presenti nel vicino Campo Geotermico di Piancastagnaio e degli altri pozzi
prossimi al Permesso di Ricerca.
I valori di quota da attribuire al letto del Serbatoio geotermico considerato sono stati invece
ricavati dai precedenti, assumendo uno spessore costante delle Anidriti di Burano pari a 400 m,
come suggerito dal modello geologico concettuale precedentemente sviluppato.
Il sottostante Complesso del Basamento Metamorfico è stato considerato fino al livello inferiore
del volume modellato, posto alla quota di -3000 m s.l.m..
Per ciascuna formazione considerata sono stati definiti all’interno del modello i parametri,
impiegati come input del modello geologico mostrati nella seguente Tabella 2.2a.
Parametro
Copertura
Serbatoio
Basamento
Permeablità
(m2)
1x10-18
5x10-14
1x10-18
Densità (kg/m3)
2400
2700
2650
Porosità
0.15
0.02
0.03
Conduc. Term.
2
6
3
(W/m°C)
Tabella 2.2a
Prospetto riepilogativo dei parametri -fisici delle formazioni considerate.
2
Vedi documento (con riferimenti bibliografici) "ISTANZA DI AMPLIAMENTO DEL PERMESSO DI
RICERCA DI FLUIDI GEOTERMICI FINALIZZATO ALLA SPERIMENTAZIONE DELL’ IMPIANTO
PILOTA DENOMINATO “CASA DEL CORTO” - PROGETTO DI RICERCA e PROGRAMMA
LAVORI" - CALYPSO Engineering, 2014. CODICE DOCUMENTO GC0001.RG.RC.0001
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Figura 2.2a Modello Geologico Tridimensionale di Riferimento con la Discretizzazione in 18.500 Celle (in
verde il perimetro del Permesso di Ricerca “Casa del Corto”).
2.3
GRIGLIA DI SIMULAZIONE
Il volume considerato è stato suddiviso in 18.500 celle infittendo la griglia in prossimità della zona
interessata dalla coltivazione geotermica del Progetto Casa del Corto.
La discretizzazione del dominio da modellare è stata effettuata creando una griglia (mesh) a
dimensioni differenziate. In particolare le dimensioni sono state ridotte in corrispondenza e in
prossimità dei pozzi di produzione e reiniezione in progetto, in modo da avere risultati con una
risoluzione spaziale maggiore in tali aree.
Per quanto riguarda il piano X-Y, la griglia di simulazione è stata così articolata (Figura 2.3a):
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- Direzione Ovest-Est (X) 25 celle, la cui spaziatura delle celle, partendo da Ovest è la seguente:
2 celle da 750 m, 3 da 500 m, 4 da 250 m, 10 da 100 m, 2 da 250 m, 2 da 500 m e 2 da 750 m;
- Direzione Sud-Nord (Y) 37 celle, la cui spaziatura delle celle, partendo da Sud è la seguente: 1
cella da 750 m, 2 da 500 m, 1 da 250 m, 25 da 100 m, 2 da 250 m, 2 da 500 m e 4 da 750 m.
Ogni piano consta quindi di 925 celle e sviluppa una superficie complessiva di 72 km2.
Lungo la direzione verticale (Z) sono stati discretizzati complessivamente 20 piani secondo la
distribuzione riportata nella Tabella 2.3a. Lo spessore delle celle individuate da tali piani è
variabile tra una formazione e l’altra ed all’interno delle stesse formazioni, poiché i Layer non
hanno una geometria regolare. Solo all’interno del Serbatoio Geotermico, poiché è stato assunto
uno spessore costante pari a 400 m, le celle presentano uno spessore costante pari ad 80 m.
N
Figura 2.3a Discretizzazione del dominio di calcolo sull’asse X-Y
.
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Formazione geologica
Numero celle verticali
Layer 1 - Copertura
5
Layer 2 - Serbatoio
5
Layer 3 - Basamento
10
Rev. 01
Discretizzazione verticale dei Layers
Complessivamente, lo spessore verticale coperto dalla simulazione copre quindi un intervallo
compreso tra oltre +600 m e -3.000 m sul livello del mare.
Il numero totale di celle risulta così pari a 18.500, a testimonianza della complessità del problema
trattato e del dettaglio spaziale che si è cercato di ottenere con la simulazione.
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3.1
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SIMULAZIONE NUMERICA
DEFINIZIONE DELLO STATO STAZIONARIO DEL MODELLO
La prima parte della modellazione numerica effettuata ha riguardato la ricostruzione dello stato
attuale indisturbato del sistema mediante numerose simulazioni con tempi di evoluzione molto
lunghi (dell'ordine di milioni di anni). I sistemi geotermici evolvono, infatti, su scala temporale
geologica fino al raggiungimento di condizioni di quasi-equilibrio.
La calibrazione del modello è stata effettuata cercando la corrispondenza tra i dati di temperatura
e pressione misurati nei pozzi presenti nel dominio (nel nostro caso i pozzi Paglia 1 e PC 27) e
quelli calcolati e restituiti dal modello.
Come condizione iniziale della situazione termica, per la modellazione numerica dello stato
stazionario, è stata attribuita una temperatura di 180 °C alle celle immediatamente sovrastanti il
tetto del serbatoio geotermico ed una temperatura pari a 300 °C alla base dell'intero volume
modellato (base del Basamento metamorfico -3.000 m).
Per la definizione della pressione iniziale, invece, è stata definita una funzione che calcola il
valore con la profondità a partire da un livello idrostatico pari a + 230 m s.l.m.
E’ stato imposto un tempo di simulazione di 1.000.000 di anni, necessario per il raggiungimento,
da parte del modello numerico, del regime stazionario. Si è quindi proceduto a variare i parametri
termofluodinamici dei differenti Layers considerati (ad esempio la permeabilità delle diverse
formazioni e loro distribuzione spaziale) in modo da raggiungere un buon accordo tra i valori
calcolati e quelli misurati.
Al termine della procedura di calibrazione si è ottenuto un buon accordo tra i valori di temperatura
e pressione simulati e quelli misurati nei pozzi: Paglia 1 e PC 27, come risulta dai seguenti grafici.
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Figura 3.1a
Confronto tra i valori di Temperatura misurati sui pozzi “Paglia 1” e PC27” e quelli
calcolati con le simulazioni.
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Figura 3.1b
Confronto tra i valori di Pressione misurati nel pozzo “Paglia 1” e quelli calcolati
con le simulazioni.
Dai grafici si evince che l’errore tra i valori calcolati ed i valori misurati relativamente alla
temperatura sono compresi tra l’1 % ed il 5 %, mentre per la pressione tale errore è minore
dell’1%.
3.2
SIMULAZIONE DELLA COLTIVAZIONE DEL SERBATOIO GEOTERMICO
Partendo dalla soluzione stazionaria precedentemente ottenuta, sono stati introdotti nel modello i
pozzi di produzione e reiniezione previsti nel progetto pilota (Figura 3.2a e 3.2b), per valutare la
sostenibilità della coltivazione del campo mediante l’impianto geotermoelettrico a reiniezione
totale del fluido.
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Figura 3.2a Modello Geologico Tridimensionale di Riferimento con l’Ubicazione del Polo Produttivo e del
Polo Reiniettivo (in verde il perimetro del Permesso di Ricerca “Casa del Corto”).
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Figura 3.2b Sezione Rappresentativa del Modello Geologico Tridimensionale di Riferimento Passante per le
Postazioni di Produzione e di Reiniezione in Progetto (le parti in rosso delle traiettorie dei pozzi
rappresentati in figura marcano l’attraversamento dello spessore del serbatoio geotermico).
La distanza tra la postazione di produzione e quella di reiniezione è di circa 1.200 m.
Sono quindi stati inseriti 3 pozzi di produzione di cui uno verticale, denominato CC1, e due pozzi
deviati, denominati CC1A e CC1B. Tali pozzi sono stati considerati finestrati (in comunicazione
cioè con il serbatoio) per tutto lo spessore del serbatoio interessato.
Si sono inoltre assunti i seguenti parametri:
•
•
portate produzione di 160 ton/h per ciascun pozzo per un di totale 480 ton/h (45kg/s),
leggermente in eccesso rispetto a quella di 460 t/h prevista dal progetto;
reiniezione totale di 480 t/h distribuita ugualmente nei tre pozzi di reiniezione CC2
(verticale), CC2A, CC2B deviati supposti finestrati per tutto lo spessore del serbatoio
interessato;
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•
3.3
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temperatura di reiniezione del fluido di 80 °C per un’entalpia di 344.880 J/kg.
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE
La modellazione numerica mostra che la temperatura del fluido geotermico nella parte produttiva
del serbatoio rimane sostanzialmente la stessa per un periodo superiore a 50 anni, nonostante la
reiniezione di fluido raffreddato nei pozzi del polo reiniettivo.
A titolo illustrativo la Figura 3.3a mostra il disturbo termico dopo 30 anni dall’inizio della
coltivazione, mentre la Figura 3.3b mostra l’analogo effetto termico dopo 100 anni. Si nota come
la propagazione del disturbo termico, anche dopo 100 anni, non abbia ancora raggiunto la zona
del serbatoio interessata dai pozzi di produzione.
N
Figura 3.3a Distribuzione delle Temperature dopo 30 anni dall’inizio della coltivazione, con produzione e
reiniezione, rappresentata su due sezioni passanti in prossimità dei pozzi di processo (in blu il disturbo
termico indotto dalla reiniezione, 80 °C).
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Figura 3.3b Distribuzione delle Temperature dopo 100 anni dall’inizio della coltivazione, con produzione e
reiniezione, rappresentata su due sezioni passanti in prossimità dei pozzi di processo (in blu il disturbo
termico indotto dalla reiniezione, 80 °C).
In particolare, i pozzi di produzione mostrano una temperatura di emungimento di circa 198 °C
(restituita dal modello in accordo con le temperature misurate nel vicino pozzo Paglia 1), che
rimane costante nel lungo periodo, con una diminuzione trascurabile minore di 1 °C in 50 anni.
In Figura 3.3c è rappresentato l’andamento della temperatura nel pozzo verticale CC1, quello più
prossimo ai pozzi reiniettivi.
Dalla Figura 3.3d si nota come la reiniezione crei una perturbazione termica nell'intorno dei pozzi
reiniettivi dove la temperatura si riduce di circa 100 °C in 5 anni e si stabilizza sugli 80 °C in 10
anni.
.
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Figura 3.3c Andamento nel Tempo della Temperatura in corrispondenza della cella centrale del serbatoio
intercettato dal pozzo Produzione Verticale CC1.
Figura 3.3d Andamento nel Tempo della Temperatura in corrispondenza della cella centrale del serbatoio
intercettato dal pozzo Reiniettivo Verticale CC2.
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La totale movimentazione di fluido genera nelle porzioni di serbatoio interessate modeste
variazioni di pressioni nel tempo.
Infatti, nella zona di reiniezione si riscontrano incrementi di pressione di circa 3 bar a 10 anni e 4,5
bar a 25 anni (Figura 3.3e).
Nella zona di produzione si rileva un’analoga variazione in diminuzione di pressione, pari a circa 4
bar in 5 anni; successivamente la pressione rimane stabilizzata nel tempo (Figura 3.3f).
Figura 3.3e Andamento nel Tempo della variazione di Pressione in corrispondenza delle celle del serbatoio
intercettate dal pozzo Reiniettivo Verticale CC2
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Figura 3.3f Andamento nel Tempo della variazione di Pressione in corrispondenza delle celle del serbatoio
intercettate dal pozzo Produttivo Verticale CC1
Nelle seguenti figure viene mostrato la distribuzione del disturbo di pressione nel serbatoio in
seguito alla produzione e alla reiniezione di fluido geotermico, al tempo 0, dopo 5 anni e 50 anni
dall’inizio della coltivazione. Il volume del serbatoio, essendo inclinato, intercetta il piano -1.500 m
s.l.m. nella parte centrale delle figure.
Le simulazioni mostrano che l’effetto della coltivazione induce variazioni apprezzabili della
pressione nel serbatoio geotermico, in prossimità dei pozzi in progetto, nei primi 5 anni dopo i
quali la pressione rimane pressoché costante.
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Figura 3.3g Distribuzione della Pressione all’Interno del Serbatoio Geotermico intercettato a -1.500 m s.l.m. a coltivazione non iniziata (T = 0).
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Figura 3.3h Distribuzione della Pressione all’Interno del Serbatoio Geotermico intercettato a -1.500 m s.l.m. dopo 5 anni dall’inizio della coltivazione.
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Figura 3.3i Distribuzione della Pressione all’Interno del Serbatoio Geotermico intercettato a -1.500 m s.l.m. dopo 50 anni dall’inizio della coltivazione.
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CONCLUSIONI
Assumendo come base di partenza i dati geologici geotermici e geofisici presenti in letteratura è
stato realizzato un modello numerico del sistema geotermico interessato dal Permesso di Ricerca
“Casa del Corto”.
La calibrazione del modello numerico è stata effettuata confrontando i risultati ottenuti dalle
simulazioni, con i dati di temperatura e pressione dei pozzi profondi Paglia 1 e PC27, fino a
ricostruirne con buona approssimazione lo stato stazionario indisturbato.
Partendo dal modello stazionario sono state eseguite le simulazioni relative alla coltivazione del
serbatoio prevista dal progetto pilota, inserendo i tre pozzi produttivi ed i tre pozzi reiniettivi nelle
posizioni indicate nel progetto.
Le modellazioni effettuate mostrano che dal punto di vista termico, la coltivazione del serbatoio
geotermico, con le modalità previste dal progetto (ubicazione pozzi produttivi e reiniettivi, portate
di ~ 45 kg/s per ciascun pozzo di produzione e di ~ 45 kg/s per ciascun pozzo di reiniezione e
temperatura del fluido di reiniezione pari ad 80 °C) induce una modesta interferenza tra pozzi
produttivi e reiniettivi. Infatti, le variazioni di temperatura nei pozzi produttivi in un tempo di
simulazione di 50 anni risultano sempre inferiori a 1 °C, garantendo la sostenibilità della risorsa
nel corso della vita del progetto.
Tali risultati potranno essere verificati con i parametri idrodinamici sito specifici che saranno
ottenuti mediante le prove di caratterizzazione che verranno eseguite sui pozzi di produzione e di
reiniezione in oggetto.
Anche le variazioni di pressione, indotte nei pozzi produttivi e reiniettivi, risultano modeste e quindi
non in grado di produrre variazioni apprezzabili nello stato tensionale del serbatoio.
Nel caso dei pozzi produttivi si rileva, infatti, una depressurizzazione, indotta dall'emungimento del
fluido, che raggiunge il valore di 4 bar in 5 anni che rimane pressappoco costante per gli ulteriori
50 anni di attività di produzione simulati.
La reiniezione nei pozzi CC2, CC2A e CC2B induce un aumento di pressione nei pozzi di circa 3
bar nei primi 5 anni di reiniezione che tende ad aumentare a 5 bar dopo 50 anni di attività.
La modellazione effettuata in buona approssimazione conferma la sostenibilità temporale, della
produzione e reiniezione del fluido per il tempo di progetto (25 - 30 anni), con circa 160 t/h di
fluido per ogni pozzo ad una temperatura di emungimento che rimane costante a circa 198 °C,
senza risentire del disturbo termico della stessa portata di reiniezione fredda a 80 °C. La
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coltivazione del serbatoio geotermico descritta comporta, in produzione e reiniezione, disturbi di
pressione modesti di soli 4 -5 bar.
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