Convective Heat Transport in Geothermal Systems

Abstract

Most geothermal systems under exploitation for direct use or electrical power production are of the hydrothermal type, where heat is transferred essentially by convection in the reservoir, conduction being secondary. In geothermal systems, buoyancy effects are generally important, but often the fluid and heat flow patterns are largely controlled by geologic features (e.g., faults, continuity of layers) and location of recharge and discharge zones. During exploitation, these flow patterns can drastically change in response to pressure and temperature declines, and changes in recharge/discharge patterns. Convective circulation models of several geothermal systems, before and after the start of fluid production, are described, with emphasis on different characteristics of the systems and the effects of exploitation on their evolution. Convective heat transport in geothermal fields is discussed, taking into consideration (1) major geologic 56 features; (2) temperature-dependent rock and fluid properties; (3) fracture-versus porous-medium characteristics; (4) single-versus two-phase reservoir systems; and (5) the presence of non condensable gases.

A maioria dos sistemas geotermais que estão sendo explorados para uso direto ou para geração de energia elétrica são do tipo hidrotermal, onde o calor é transferido essencialmente por convecção dentro do reservatório térmico, sendo que a condução de calor tem participação secundária. Em sistemas geotermais diferenças de densidade no fluido são, em geral, importantes, mas frequentemente os fluxos de fluido e de calor são em grande parte controlados por feições geológicas (por exemplo, falhas, fraturas, e pela localização das zonas de recarga e descarga. Durante a exploração, o padrão de ambos os fluxos pode mudar drasticamente como consequência da diminuição da pressão e da temperatura, e de variações no padrão de descarga e recarga. Transporte convectivo de calor em campos geotermais é afetado por: (1) feições geológicas principais, (2) propriedades da rocha e do fluido que dependem da temperatura, (3) características de meio fraturado em contraste com características de meio poroso, (4) contraste entre sistemas com reservatório monofásico e bifásico, (5) presença de gases não condensáveis. Modelos de vários sistemas geotérmicos com circulação convectiva, tanto antes quanto durante a sua exploração, são descritos com ênfase nas diferentes características dos sistemas, e nos efeitos da exploração em sua evolução.