Politechnika Wrocławska

Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii

Wykonali: Sprawdzający:

Zatłaczanie odpadów płynnych do warstw porowatych górotworu.

1.WSTĘP

Likwidowanie odpadów ciekłych poprzez ich zatłaczanie do wgłębnych warstw chłonnych górotworu jest niezwykle korzystnym rozwiązaniem dla przemysłu naftowego. Sanocki Zakład Górnictwa Nafty i Gazu otrzymał pierwszą w Polsce koncesję na składowanie odpadów ciekłych w złożu gazu ziemnego Krasne. Konstrukcja odwiertu zapobiega przedostawaniu się odpadów płynnych do wód podziemnych i gleby. Zamysł twórczy, jak i wszystkie projekty związane z realizacją przedsięwzięcia wykonane zostały przez polskich specjalistów branży górnictwa naftowego. Deponowane ścieki to przede wszystkim wysoko zanieczyszczone wody o dużej zawartości chlorków oraz ciecze poreakcyjne powstałe w procesie odsiarczania gazu ziemnego. Wody te są wysoko zmineralizowane oraz zanieczyszczone ropą naftową i jej frakcjami, a także detergentami oraz ciałami stałymi. Zaawansowane są prace nad magazynowaniem w złożu ciekłego dwutlenku węgla, co pozwoli na poważną redukcję emisji tego gazu do atmosfery, a tym samym ograniczy efekt cieplarniany.[7]

Zatłaczanie odpadów płynnych do górotworu poprzez odwierty jest możliwe przy spełnieniu wymogów dotyczących zarówno bezpiecznego prowadzenia prac górniczych, jak i ochrony środowiska. Problem ten ma szczególne znaczenie zwłaszcza przy wykorzystaniu do celów zatłaczaniu odwiertów naftowych zastawionych lub przeznaczonych do likwidacji. Składować można w górotworze odpady powstające w trakcie eksploatacji złóż lub przeróbki rudy, ropy, węgla i gazu ziemnego. Do tego jednak potrzebna jest koncesja oraz zmiany studium uwarunkowań i kierunków zagospodarowania przestrzennego danego terenu , gminy.

2. KRYTERIA DOBORU ODWIERTÓW DO ZATŁACZANIA ODPADÓW CIEKŁYCH

Odwiert przeznaczony do zatłaczania odpadów płynnych do górotworu musi spełniać trzy podstawowe kryteria :

1) kryterium ekologiczne,

2) kryterium geologiczne,

3) kryterium techniczne.

Kryterium ekologiczne

Stosowanie odwiertów chłonnych do bezzbiornikowego składowania odpadów w górotworze powinno się w odbywać warunkach maksymalnej ochrony aktywnej biosfery i wód podziemnych [1, 4]. Lokalizacja odwiertu chłonnego powinna być w takim miejscu, aby zminimalizować jego oddziaływanie na poszczególne elementy środowiska:

- powietrze,

- powierzchnię ziemi,

- wody powierzchniowe i podziemne,

- klimat akustyczny,

- złoża kopalin,

- świat zwierzęcy i roślinny,

- ludzi.

Kryterium ekologiczne zależy w istotnym stopniu od walorów środowiska przyrodniczego w rejonie lokalizacji odwiertu chłonnego i uwzględnia możliwy wpływ bezzbiornikowego składowania odpadów w górotworze na aktywną biosferę.

Kryterium geologiczne

Możliwość bezpiecznego dla środowiska, a zwłaszcza dla wód podziemnych i innych kopalin użytecznych, stosowania odwiertu dla bezzbiornikowego składowania odpadów w górotworze zależy od wielu parametrów determinowanych warunkami geologicznymi. Wymagania stawiane odwiertom chłonnym dotyczą zarówno budowy geologicznej, jak i warunków hydrogeologicznych, w tym zwłaszcza odpowiedniej chłonności górotworu i należytej izolacji warstwy chłonnej. Kryterium geologiczne względnia parametry hydrodynamiczne warstwy chłonnej i zmiany chłonności odwiertu w czasie prowadzenia bezzbiornikowego składowania odpadów.

Kryterium techniczne

Możliwość wykorzystania odwiertów chłonnych do bezzbiornikowego składowania odpadów płynnych w górotworze jest uwarunkowana ich właściwą konstrukcją oraz odpowiednim stanem technicznym. Wskaźnik techniczny określany jest w oparciu o:

- analizę konstrukcji odwiertu ,

- badania stanu technicznego odwiertu,

- rodzaj i stan techniczny infrastruktury napowierzchniowej.

Ze względu na ochronę środowiska naturalnego i równoczesne wyeliminowanie ryzyka jego skażenia przez zatłaczane do górotworu odpady najbardziej korzystne jest wykorzystanie do tego celu nowo odwierconych oraz „negatywnych” odwiertów geologiczno-poszukiwawczych. Możliwe jest także wykorzystanie odwiertów poeksploatacyjnych, przeznaczonych do likwidacji.

3. KONSTRUKCJE ODWIERTÓW

PRZEZNACZONYCH DO SKŁADOWANIA ODPADÓW W GÓROTWORZE

Podstawowym założeniem przy projektowaniu otworów do zatłaczania odpadów płynnych jest skuteczne odizolowanie warstw chłonnych od zalegających wyżej poziomów wód pitnych i użytkowych w celu ich ochrony. Do tego celu służą instalowane w otworze i następnie szczelnie cementowane techniczne kolumny rur okładzinowych. Na rysunku 1 przedstawiono typowy schemat konstrukcji odwiertu do zatłaczania odpadów płynnych.

W zależności od sposobu udostępnienia poziomu warstw chłonnych odwierty przeznaczone

do zatłaczania odpadów można podzielić na trzy typy [5]:

1) odwierty udostępniające warstwy chłonne poprzez perforację rur okładzinowych,

2) odwierty udostępniające warstwy chłonne przez strefę niezarurowaną,

3) odwierty udostępniające warstwy chłonne przez zainstalowany filtr.

Rys. 1. Konstrukcja odwiertu chłonnego z zainstalowaną głowicą eksploatacyjną

Udostępnianie warstw chłonnych przez perforację rur okładzinowych jest najczęściej stosowaną metodą. Może być ona stosowana w różnych warunkach geologicznych i umożliwia precyzyjne wybranie strefy o najkorzystniejszych warunkach filtracyjnych (rys. 2).

Rys. 2. Udostępnianie warstw chłonnych przez perforację rur okładzinowych: 1 - warstwa wodonosną,2 - warstwa nieprzepuszczalna, 3 - warstwa chłonna, 4 - płaszcz cementacyjny, 5 - rurki zatłaczające, 6 - rura okładzinowa, 7 - paker, 8 - perforacja rur okładzinowych

Rys. 3. Udostępnianie warstw chłonnych przez niezarurowany odcinek odwiertu w strefie złożowej:

1 - warstwa wodonośna,2 - warstwa nieprzepuszczalna,3 - warstwa chłonna,4 - płaszcz cementacyjny, 5 - rurki zatłaczające,6 - rura okładzinowa,7 - paker

W przypadku udostępniania warstw chłonnych odwiertem z niezarurowanym dolnym odcinkiem, kolumnę rur technicznych stawia się w ich stropie, a następnie przewierca się warstwy chłonne i pozostawia interwał niezarurowany. Taką konstrukcję odwiertu stosuje się w przypadkach, gdy skały chłonne wykształcone są w postaci skał zwięzłych i dobrze scementowanych (rys. 3).Przy udostępnianiu skał nieskonsolidowanych, wykształconych w postaci np. luźnych piasków lub żwirów, w dolnej części odwiertu instaluje się odpowiednio zaprojektowanyfiltr, a przestrzeń pierścieniową wypełnia się obsypką żwirową (rys. 4).

4. NAPOWIERZCHNIOWE UZBROJENIE ODWIERTÓW CHŁONNYCH

Napowierzchniowe wyposażenie odwiertu służącego do zatłaczania odpadów do górotworu stanowi typowa głowica eksploatacyjna zamontowana na więźbie rurowej. Ponadto w skład napowierzchniowego uzbrojenia wchodzi również system zasuw i zaworów, zapewniający prawidłową i bezpieczną eksploatację instalacji. Maksymalne ciśnienie robocze urządzeń stanowiących uzbrojenie napowierzchniowe powinno być dostosowane do projektowanych

ciśnień zatłaczania. Manometry zainstalowane na głowicy otworu powinny umożliwiać kontrolę ciśnienia zatłaczania odpadów oraz ciśnienia w przestrzeni pierścieniowej.

5. STAN TECHNICZNY ODWIERTÓW CHŁONNYCH

Wykorzystanie odwiertów chłonnych do bezzbiornikowego składowania odpadów płynnych w górotworze jest uwarunkowane zarówno ich właściwą konstrukcją, jak i odpowiednim stanem technicznym.

Warunki te określane są w oparciu o:

- analizę konstrukcji odwiertu chłonnego,

- badania stanu technicznego kolumn rur okładzinowych,

- ocenę stanu technicznego infrastruktury napowierzchniowej.

Rys. 4. Udostępnianie warstw chłonnych przez filtrowany odcinek odwiertu w strefie złożowej:1 - warstwa wodonośna, 2 - warstwa nieprzepuszczalna, 3 - warstwa chłonna, 4 - płaszcz cementowy,5 - rurki zatłaczające, 6 - rura okładzinowa, 7 - paker, 8 - filtr, 9 - osypka

Uwarunkowane jest to m.in. ich:

- dobrym stanem technicznym (są szczelne),

- brakiem konieczności wykonywania prac rekonstrukcyjnych,

- wyposażeniem w odpowiedni osprzęt.

Natomiast wykorzystanie do zatłaczania odwiertów poeksploatacyjnych, z powodu możliwości wystąpienia znacznej korozji rur okładzinowych oraz uszkodzenia płaszcza cementowego, znacznie zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia migracji odpadów do nadległych warstw wodonośnych. W celu wyeliminowania tego ryzyka przed zakwalifikowaniem takich odwiertów do zatłaczania należy wykonać badania geofizyczne stanu technicznego ich konstrukcji. Ponadto, w przypadku podjęcia decyzji o wykorzystaniu takiego odwiertu do zatłaczania odpadów należy wykonać w nim zabiegi stymulacyjne, poprawiające jego sprawność hydrodynamiczną.

7. KOMPLIKACJE I AWARIE TOWARZYSZĄCE ZATŁACZANIU ODPADÓW

Podczas składowania odpadów ciekłych w górotworze (w wyeksploatowanych złożach ropy naftowej i gazu ziemnego, a także w półotwartych strukturach hydrogeologicznych, oddzielonych od aktywnego systemu wód podziemnych nieprzepuszczalną strefą), mogą wystąpić pewne komplikacje, które ze względu na miejsce ich wystąpienia dzielimy na pięć głównych grup [2]:

1) błędnie wytypowana struktura chłonna,

2) nieprawidłowo zaprojektowana i wybudowana stacja do zatłaczania odpadów,

3) nieprawidłowo zaprojektowana konstrukcja otworu chłonnego,

4) kolmatacja ośrodka porowatego w strefie przyodwiertowej,

5) nieprawidłowy dobór odpadów ciekłych ze względu na ich zgodność hydrochemiczną z ośrodkiem porowatym.

Oprócz wymienionych powyżej mogą wystąpić również awarie podczas normalnej

pracy instalacji do zatłaczania i są one związane z:

- uszkodzeniem zbiorników do magazynowania odpadów,

- uszkodzeniem instalacji do chemicznej obróbki odpadów,

- uszkodzeniem pomp tłocznych,

- uszkodzeniem rurociągu tłocznego,

8.METODY OKREŚLANIA SZCZELNOŚCI WARSTW WOKÓŁ OBASZARÓW SKŁADOWANIA ODPADÓW PŁYNNYCH

Największym problemem przy składowaniu odpadów w górotworze jest zachowanie i ustalenie szczelności dlatego , wykonywane są odpowiednie badania:

- geofizyczne,

- hydrodynamiczne,

- hydrochemiczne w połączeniu z metodami hydrodynamicznymi,

- geochemiczne,

- wiertnicze.

9. METODY GEOFIZYCZNE

Zmiany szczelności górotworu w otoczeniu wgłębnej struktury geologicznej, w które składowane są odpady płynne, mogą być wywołane niejednorodnością w budowie geologicznej oraz zmianami w tym ośrodku na skutek osiadania nadkładu lub zmianami ciśnienia w strukturze. Metody geofizyczne mogą być wykorzystane zarówno do rozpoznania budowy geologicznej górotworu, która może wpływać na szczelność składowiska odpadów, jak i do oceny zmian własności hydraulicznych ośrodka skalnego, które są skutkiem istnienia naprężeń i które mogą spowodować zmiany szczelności w strefie przylegającej do magazynu.

10.METODY HYDRODYNAMICZNE

Metody hydrodynamiczne testowania szczelności nadkładu struktury geologicznej, w której składowane są odpady płynne, stanowią jedną z najbardziej wiarygodnych metod i zwykle dostarczają informacji o zasięgu wynikającym z geometrycznego rozmieszczenia otworów zatłaczających i obserwacyjnych [1, 7].

W zakresie testowania nadkładu struktur, w których składowane są odpady płynne, wyróżnia się dwie klasy testów hydrodynamicznych:

1) test interferencyjny,

2) test pulsacyjno-interferencyjny.

Testy te polegają na pomiarze zmian ciśnienia w otworze obserwacyjnym oddalonym o kilkadziesiąt metrów od otworu zatłaczającego (eksploatacyjnego) generującego sygnał hydrodynamiczny w warstwie wodonośnej.

10.1. METODY HYDROCHEMICZNE

W POŁĄCZENIU Z METODAMI HYDRODYNAMICZNYMI

Metody hydrochemiczne w połączeniu z analizą naporów hydraulicznych (ciśnień

złożowych) w warstwach wodonośnych występujących w nadkładzie struktury, do którejzatłaczane są odpady, mogą być wykorzystane do weryfikacji szczelności poszczególnych poziomów wodonośnych [6].

10.2. Pomiar naporów hydraulicznych

przed rozpoczęciem zatłaczania odpadów płynnych do struktury geologicznej

Jedną z metod oceny szczelności skał nadkładu struktury geologicznej jest określenie warunków hydrochemicznych i hydrodynamicznych panujących w warstwie wodonośnej, do której planuje się zatłaczanie odpadów, oraz w warstwie wodonośnej występującej bezpośrednio nad nią.

Pomiar statycznych naporów hydraulicznych w otworach obserwacyjnych przewiercających obydwie warstwy wodonośne, połączony z analizą chemiczną próbek wody pobranych z każdej warstwy wodonośnej, dostarcza cennych informacji na temat możliwości komunikacji między warstwą wodonośną, w której planuje się wytworzenie podziemnego składowania odpadów, a leżącymi wyżej warstwami wodonośnymi [6].Na rysunku 1 przedstawiono dwie warstwy wodonośne, gdzie hA jest wysokością słupa wody nad poziomem morza w otworze wykonanym w warstwie wodonośnej A, hB oznacza podobną wielkość dla warstwy wodonośnej B, w której rozważane jest składowanie odpadów. Różnica naporów hydraulicznych jest równa (hA - hB), przy czym warstwa wodonośnależąca wyżej ma wyższy napór

hydrauliczny.

Rys. 5 warstwy wodonośne z różnymi wysokościami naporów hydraulicznych.

Gdy różnica naporów hydraulicznych (hA - hB) jest duża, oznacza to, że skały nadkładu występujące nad warstwą wodonośną B stanowią nieprzepuszczalną barierę dla migracji zanieczyszczeń. W przypadku braku różnicy naporów hydraulicznych pomiędzy warstwą A i warstwą B (hA - hB = 0) istnieje niebezpieczeństwo, że skały nadkładu nad warstwą wodonośną B są nieszczelne. W takiej sytuacji skały nadkładu mogłyby być szczelne jedynie pod warunkiem, że wody w obydwu warstwach wodonośnych różnią się znacznie składem chemicznym. Oznaczałoby to bowiem, że wody złożowe nie przemieszały się ze sobą, ponieważ warstwy wodonośne oddzielone są od siebie nieprzepuszczalną barierą. Jednakże w tym przypadku szczelność skał nadkładu zalegających nad warstwą B nie jest tak pewna jak wówczas, gdy pomiędzy dwoma warstwami występują duże różnice naporów hydraulicznych i duże różnice składu chemicznego wód złożowych. W tabeli 1 przedstawiono poszczególne przypadki dotyczące porównania wielkości naporów hydraulicznych oraz chemizmu wód złożowych w analizowanych warstwach wodoszczelności oraz interpretację warunków szczelności skał nadkładu.

.

11. METODY GEOCHEMICZNE

Metody geochemiczne, a szczególnie powierzchniowe zdjęcia gazowe, znajdują zastosowanie w prospekcji poszukiwawczej oraz w zagadnieniach ochrony środowiska. Bezpośrednie metody geochemiczne, w postaci zdjęcia gazowego, wykorzystuje się do śledzenia migracji metanu i gazów toksycznych z pokładów węgla do środowiska, do monitoringu podziemnych magazynów gazu oraz do kontroli procesu wiercenia i eksploatacji odwiertów gazowych [1, 7]. Metoda powierzchniowego zdjęcia geochemicznego może być szczególnie przydatna do wykrywania migracji gazów ze struktur geologicznych, w których składowane są odpady gazowe.

11.1. Zakres badań geochemicznych

Metody badań geochemicznych dotyczą głównie oznaczania metanu i gazów toksycznych w powietrzu glebowym. Obejmują one również analizę gruntu i wody na zawartość substancji mineralnych, radioaktywnych i bakteriologicznych oraz analizę fizykochemicznych własności skał [7]. Badania geochemiczne dzieli się na badania powierzchniowe i badania wgłębne. Przedmiotem badań powierzchniowych są [1, 7]: - mieszaniny gazów zawartych w gruncie,

- próbki płytko zalegających skał,

- wody podziemne i powierzchniowe.

Natomiast przedmiotem badań wgłębnych jest materiał skalny uzyskany w trakcie

wiercenia odwiertów.

11.2. Geochemiczne badania powierzchniowe

Zdjęcie geochemiczne jest to powierzchniowe kartowanie geochemiczne, które możemieć bardzo wiele odmian, w zależności od zastosowanej metody badawczej. Wśród zdjęć geochemicznych wyróżnić można m.in. zdjęcia:

- gazowe, bitumiczne, mikrobiologiczne, hydrogeochemiczne.

Najczęściej stosowaną formą wykrywania eskalacji gazu ziemnego jest zdjęcie gazowe, nazywane także metodą atmogeochemiczną lub atmochemiczną.

Powierzchniowe zdjęcia gazowe wykonuje się poprzez pobranie próbek powietrza

glebowego z głębokości 2÷10 m lub pobranie próbek wody, a następnie

określenie w nich zawartości lotnych węglowodorów lub innych gazów toksycznych.

Z punktu widzenia celu i sposobu prowadzenia obserwacji geochemicznych, zdjęcia

gazowe podzielić można na:

- punktowe, czyli w dowolnym punkcie,

- profilowe, wokół jednego punktu(rys. 2);

- powierzchniowe,(rys. 3).

11.3. Interpretacja wyników pomiarów geochemicznych

Na podstawie danych laboratoryjnych opracowuje się mapę powierzchniowego rozkładu koncentracji węglowodorów w powietrzu glebowym. Mapy rozkładu przestrzennego oznaczonych składników w powietrzu glebowym konstruowane są za pomocą profesjonalnych programów graficznych, z wykorzystaniem standardowych i zaawansowanych pakietów geostatystycznych. Skonstruowana mapa rozkładu koncentracji, np. metanu, pokazuje obszary maksymalnych stężeń gazu (emanacji) i zarazem sugeruje kierunki jego rozprzestrzeniania się (rys. 2). W celu kompleksowego i precyzyjnego zinterpretowania wyników powierzchniowych badań geochemicznych dokonuje się zwykle zestawienia z innymi badaniami (geologicznymi i geofizycznymi), uwzględniając przy tym budowę geologiczną badanego obszaru. Zasięg i natężenie powierzchniowych ekshalacji gazowych zależne są od struktury i spoistości warstw przypowierzchniowych.Bieżące wyniki badań geochemicznych są aktualne i wiarygodne tylko w danym interwale czasowym, w którym są wykonywane badania. Ma na to wpływ szereg czynników powodujących przemieszczanie się gazu w warstwach skalnych. Dlatego też najlepszym rozwiązaniem w badaniach geochemicznych jest stały monitoring geochemiczny lub okresowe

kontrolne badania geochemiczne.

12. METODY WIERTNICZE

Otwory wiertnicze wiercone dla potrzeb podziemnego składowania odpadów (otwory zatłaczające i otwory monitorujące) powinny charakteryzować się doskonałą szczelnością, zarówno w zakresie samych połączeń rur okładzinowych stosowanych w tych otworach, jak i w zakresie stanu zacementowania tych rur w otworze. Proces cementowania rur należy wykonywać w taki sposób, aby cement dokładnie wypełniał przestrzeń miedzy kolumną rur a ścianką otworu. Konieczne jest w tym zakresie wykonywanie badań geofizycznych, np. metodami akustycznymi w celu oceny stanu zacementowania [1].

W trakcie wiercenia otworów należy brać pod uwagę następujące czynniki:

- przewidywany profil stratygraficzno-litologiczny otworu;

- przewidywaną głębokość wiercenia;

- wielkości gradientów ciśnień złożowych oraz ciśnień szczelinowania skał;

- przewidywane wydajności płynów złożowych;

- strefy ewentualnych zaników płuczki.

Istotny wpływ na szczelnosć struktury mają otwory zlikwidowane. W zakresie otworów

zlikwidowanych należy przeprowadzać analizę sposobu ich likwidacji. W przypadku

otworów zlikwidowanych czasowo należy rozważyć możliwość ich ponownego otwarciaoraz przeprowadzenia rekonstrukcji.

8. PODSUMOWANIE

1. Bezzbiornikowe składowanie odpadów w górotworze reguluje ustawa Prawo geologicznei górnicze, która określa zasady i warunki prowadzenia prac geologicznych i górniczych na potrzeby składowania odpadów w górotworze oraz zasady ochrony złóż kopalin, wód podziemnych i innych elementów ochrony środowiska w najbliższym otoczeniu podziemnego składowiska odpadów.

2. Składowanie odpadów ciekłych w górotworze powinno być prowadzone poprzez specjalnie do tego celu przystosowane odwierty tłoczne. Powinny być one wyposażone w kolumnę rur tłocznych, zapiętą w szczelnym pakerze oddzielającym komorę tłoczenia od przestrzeni pierścieniowej zawartej pomiędzy kolumną rur tłocznych a kolumną rur okładzinowych.

---