Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Fakulta technologie ochrany prostředí Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší
Sledování kvality vyskladněného zemního plynu na podzemním zásobníku Semestrální projekt
Jan Demjanovič
Praha, květen 2008
Vedoucí semestrálního projektu : Ing. Ondřej Prokeš, Ph.D.
Obsah 1. Úvod………………………………………………………………………………... 1 2. Podzemní zásobníky………………………………………………………………... 1 2.1 Základní pojmy ……………………………………………………………….. 1 2.2 Uskladňování v porézních strukturách …...…………………………………... 3 2.3 Geologická stavba podzemních zásobníku …………………………………… 3 2.4 Vlastnosti hornin ……………………………………………………………… 4 2.5 Vlastnosti uskladňovací vrstvy ……………………………………………….. 7 2.6 Podzemní zásobníky v porézním a puklinovém prostředí …………………..... 9 3. Podzemní zásobníky v ČR ………………………………………………...……… 11 3.1 PZP Tvrdonice ………………………………………………………………. 11 3.2 PZP Štramberk …………...…………….………………………………......... 13 3.3 PZP Dolní Dunajovice …...…….……………………………………...…….. 13 3.4 PZP Třanovice …………………………………………………………......... 14 3.5 PZP Lobodice ………………………………………………………….......... 15 3.5.1 Technické zázemí PZP Lobodice před konverzí …………………...... 16 4. Vývoj ztrát svítiplynu před konverzí ………………………………………...….... 17 4.1 Přímé ztráty ………………………………………………………………..... 17 4.2 Vázaný plyn ……………………………………………………………….... 17 4.2.1 Adsorpce …………….…………………………………………….... 17 4.2.2 Přechodová zóna ………….………………………………………… 17 4.2.3 Absorpce …………….……………………………………………… 18 4.2.4 Kontrakce …………..……………………………………………….. 18 5. Stav po konverzi ………………………………………………………………….. 21 5.1 Vznik směsného výplachového plynu (SVP) …………….……….................. 22 6. Kvalita vyskladněného plynu….………………………………………………..… 23 7. Závěr a diskuze ……………………………….…………………………………... 26
1
1. Úvod Problematika podzemního skladování plynu má jak ve světě, tak i u nás dlouholetou tradici. Rozvoj využití plynných paliv jako ekologicky nezávadného zdroje energie má v posledním desetiletí značně stoupající tendenci ve všech průmyslově vyspělých státech. Distribuce plynných paliv s nepravidelnou roční odběrovou křivkou se stala jedním z nejzávažnějších problémů, na jehož vyřešení závisí provoz podniků, služeb a domácností. K zajištění dostatečného množství plynu v období sezónních nebo denních špičkových odběrů se jeví jako nejvhodnější metoda jeho podzemního skladování.
2. Podzemní zásobníky Podzemní zásobníky se staly nezbytným mezičlánkem plynárenského systému, který je schopen reagovat na rozdíly mezi objemy primárně těženého a importovaného plynu a sezónními odběrovými potřebami spotřebitelů. Podzemní skladování je i v České republice energetickou nezbytností a stává se jednou z nejdůležitějších a perspektivních disciplín v problematice palivové základny v době sílícího ekologického tlaku na snižování zátěže životního prostředí. V současné době existuje řada typů podzemních zásobníků plynu, jejichž výběr vychází z místních geologických podmínek, odběrových nároků a technicko-ekonomických možností. V České republice existuje v evropském měřítku dlouhodobá tradice podzemního skladování plynu. První zásobník byl budován od roku 1985 v Lobodicích u Kojetína ve zvodnělých vrstvách spodního badenu, jde tedy o zásobník aquiferoveho typu. Do provozu na skladování svítiplynu byl uveden v roce 1965. Po něm následoval zásobník Hrušky vytvořený v částečně vytěžených ropo-plynových obzorech v roce 1973.
2. 1 Základní ložiskové pojmy Zemní plyn je přírodní směs plynných látek složená v rozhodující míře z uhlovodíkových plynů, z nichž dominantní postavení má metan (70 - 98 %). Dále bývají zastoupeny další uhlovodíky metanové řady většinou až po pentan (3 - 15 %). Zemní plyn obsahuje většinou také určité procento neuhlovodíkových plynů. Většinou jde o 2
dusík a oxid uhličitý, někdy bývají také obsaženy kyslík, vodík a helium. Při větším podílu vyšších uhlovodíků dochází při těžbě plynu k vydělování kapalné fáze obecně nazývané kondenzát a nebo gazolin. Ložiska zemního plynu jsou nahromaděna v horninách, které obsahují určitý podíl volných, navzájem propojených pórů. Podíl objemu těchto volných póru k celkovému objemu horniny se nazývá porosita a jde o jeden z velmi důležitých parametrů ložiskové horniny. Ložisková hornina neboli kolektor bývá nejčastěji reprezentována písky nebo pískovci, v menší míře rozpukanými a zkrasovělými karbonátovými horninami (vápence, dolomity) a ojediněle také rozpukanými a navětralými krystalickými horninami (žuly, granodiority apod.). Porosita písku se pohybuje většinou mezi 15 - 35 %, u krystalických hornin od 2 do 5 % a u karbonátu se podle intenzity zkrasovění muže pohybovat ve velmi širokém rozmezí od 2 až po 24 %. Pokud jsou porézní horniny překryty nepropustnými horninami a nebo jinak utěsněny vzniká ložisková past, do které muže dojít k namigrování zemního plynu či ropy a tím ke vzniku ložiska. Podle způsobu vzniku, těsnění a také tvaru pastí rozdělují se tyto do celé řady typu. U nás patří k nejčastějším typům pastí tektonická past, kdy je kolektor v nejvyšších polohách utěsněn zlomem, faciální past, kdy k bočnímu utěsnění dochází v důsledku vyklínení či vyslínení kolektoru a elevační past, kdy je utěsnění ložiska podmíněno vyklenutím kolektorské vrstvy. Pokud je takových pastí více nad sebou a obsahují ložiska přírodních uhlovodíků, používá se pro ně souhrnné označeni naleziště. Ložisková hornina kromě namigrovaných uhlovodíků obsahuje také určité množství vody, která je vlivem smáčivosti, kapilárních sil a povrchového napětí pevně vázána na horninu. Tato voda tedy zaujímá určitý objem v pórech horniny, který nemůže být nasycen uhlovodíky. Podíl objemu póru zaplněných uhlovodíky k celkovému objemu volných póru ložiskové horniny se nazývá nasycení uhlovodíky a jde o další důležitý parametr ložiska. Nasyceni uhlovodíky se ve většině případů pohybuje mezi 60 - 80 %. Velmi důležitým údajem je také propustnost kolektoru, na které jsou přímo závislé produkční vlastnosti ložiska. Jde o kvantitativní vyjádření schopnosti pórovitého prostředí propouštět kapaliny či plyny v důsledku tlakového gradientu. Propustnost závisí na velikosti jednotlivých částic horniny, na jejich tvaru, na jejich uspořádání v hornině, u puklinových kolektorů na šířce a propojení puklin. Propustnost a pórovitost nejsou na sobě závislé, neboť například jílovité horniny mají velmi vysokou pórovitost ale jsou prakticky nerozpustné. Plyn či ropa jsou v ložisku uzavřeny pod určitým tlakem, kterému se říká ložiskový tlak jde o další ze základních parametrů ložiska. Ve většině případů se rovná tlaku 3
hydrostatickému, což je tlak, který by v dané hloubce vyvodil sloupec vody sahající až po zemský povrch. Vyskytují se však také ložiska s tlakem poněkud nižším a často také s tlakem o něco vyšším. Ložiska akumulovaná v sarmatu a ve svrchním bádenu mají převážně tlaky hydrostatické a nebo o cca 3 % nižší. Ve středním bádenu dosahují ložiska v labském obzoru tlaků o 5 – 15 % vyšších, obzory v pestrých žiřkovských vrstvách mívají tlak o 20 – 40 % vyšší. Bazální obzor ve spodním bádenu mívá tlak o 50 % vyšší než tlak hydrostatický. Dalším základním ukazatelem o ložisku je ložisková teplota, která je závislá na hloubce uložení kolektoru.
2. 2 Uskladňování v porézních strukturách Pro vybudování zásobníku plynu v porézních strukturách je nezbytné, aby byly k dispozici geologické vrstvy s vhodnými vlastnostmi. Především hornina zvoleného skladovacího obzoru musí být porézní a prostupná, nad ní ležící neprostupný kryt a boční ohraničení musí zaručovat, že skladovaný plyn nebude unikat mimo uskladňovací prostory, musí být k dispozici dostatečně velký objem uskladňovací vrstvy, dosažitelný tlak v uskladňovací vrstvě by měl být dostatečně vysoký zejména ve vazbě na tlakové podmínky plynárenské soustavy. Je zřejmé, že některé z uvedených podmínek souvisí se spolehlivostí a bezpečností provozu podzemního zásobníku a další pak s ekonomikou jeho provozu. Pokud v geologickém průřezu existuje několik vrstev vhodných pro vytvoření podzemního zásobníku, provede se výběr na základe porovnání technickoekonomických ukazatelů. Předpokládejme, že geologicko – fyzikální vlastnosti vrstev jsou shodné (forma a rozměr struktury, tloušťka vrstvy, porosita, permeabilita atd.). Čím mělčí bude uložení vrstvy, tím vetší bude muset být objem zbytkového plynu pro dosažení stejného tlaku na ústí sondy a tím větší počet sond pro těžbu. V tomto případě nebude vždy nutné konstruovat kompresní stanice pro vtláčení plynu do vrstvy, ale budou potřebné i pro dodávku spotřebitelům.
2. 3 Geologická stavba podzemních zásobníku Podzemní zásobníky mohou mít porézní nebo puklinový charakter. Běžnější je však členění podzemních zásobníku podle toho, zda se jedná o zásobníky vytvořené ve vytěžených/částečně vytěžených ložiscích zemního plynu resp. ropy a plynu a v zavodněných vrstvách porézního prostředí - tzv. aquiferový typ. Vlastní skladovací 4
prostor vytvoří vytěsněním vody vtláčením uskladňovaného plynu. V prvním případě je geologická past prokázaná bezprostředně předcházející dlouhodobou existencí struktury, ve které byl zemní plyn přirozeně uskladněn. V druhém případě je nutnost existence geologické pasti nejprve ověřit. Pod pojmem geologická (ložisková) past se rozumí takový prostorový útvar v horninovém komplexu, ve kterém se muže nahromadit plyn a trvale se tam "zachytit". Past tvoří sběrná hornina a krycí prvek nepropustné nadloží sestavené do určité geologické struktury. Uhlovodíky zadržené pastí jsou zde spolu s vodou uspořádány zonální gravitací, kdy nad zónou ložiskové vody je v pasti jen plyn, jen kondenzát nebo jen ropa, nejčastěji však ve vzájemné kombinaci (např. ropa - plyn), kdy nejvýše je zóna plynu (plynová čepice), pod ní ropné pásmo a nejníže podestýlající, resp. záokrajová voda.
2. 4 Vlastnosti hornin Kolektory (ložiskové horniny), ve kterých jsou vytvářeny podzemní zásobníky plynu, bývají uloženy převážně do hloubek 2 000 m. Jedná se zpravidla o písky, pískovce, slepence, výjimečně i o puklinové vápence. Z hlediska uskladňování plynu jsou důležité zejména jejich, zrnitost, porosita (pórovitost), permeabilita (propustnost). Zrnitost u hornin se vyjadřuje podílovým zastoupením velikostních frakcí zrn dané horniny a to podle zvolené stupnice zrnitostních rozmezí. Analýza zrnitosti se provádí mikroskopicky, sítovou analýzou nebo sedimentační analýzou (tzn. podle rychlosti usazování pevných částic v tekutině). Zrnitostní složení hornin je důležitým parametrem proto, že bezprostředně ovlivňuje hodnoty porosity a permeability uskladňovací horniny. Je proto jedním ze základních klasifikačních kritérii, zejména sedimenty jsou klasifikovány hlavně podle zrnitostní struktury. Základem jsou čtyři zrnitostní frakce, označované jako (psefit, psamit aleurit, pelit), neboli štěrk, písek, prach, jíl, či podle limitních velikostí zrn nad 2 mm, 2 - 0,063 mm, 0,063 – 0,004 mm a pod 0,004 mm. Podle podílového zastoupení jednotlivých frakcí se hornině dává název i s využitím kombinací základních názvů (např. písčitý štěrk), případně při detailnějším rozlišování se přidávají další adjektiva např. hrubozrnný písek, jemnozrnný pískovec apod. Pórovitost reprezentuje v kvalitativním smyslu objem všech prostor v hornině nevyplněných tuhou fází. Pro kvantitativní vyjádření tohoto "volného prostoru" se zpravidla používá pojmu porosity (resp. koeficientu pórovitosti). Platí-li, že
5
Vc = Vk + Vp kde Vc je celkový objem horniny, Vk je objem pevné fáze v daném objemu horniny, Vp je objem póru v daném objemu horniny, pak je porosita dána vztahem, a = (Vc – Vk)/ Vc Udává se ve zlomcích jednotkového objemu nebo v procentech. Velikost "volného objemu" vyjádřeného porositou závisí na uspořádání jednotlivých částeček horniny. Obvyklé hodnoty porosity pro některé typy hornin se pohybují v rozmezí: - žula 0,5 - 2 % - břidlice kompaktní 0,5 - 2,5 % - jíl 3 - 40 % - písek 10 – 50 % - pískovec 3 – 25 % - slepenec 3 – 15 % - vápenec a dolomit 0,5 – 10 % i více. Zajímavé je srovnání porosity jílu a písku neboť hodnoty jsou prakticky stejné. Hlavním rozdílem je to, že u jílu je převažující část páru navzájem izolována, takže pro tuto nekomunikativnost jednotlivých póru nemohou být tyto horniny využity pro uskladňování plynu. Celková (absolutní) porosita zahrnuje objem všech pórů, tzn. jak pórů uzavřených (izolovaných), tak otevřených, póry otevřené mohou i být částečně izolované a dále mohou být i různých ekvivalentních průměrů (nadkapilární > 0,508 mm, kapilární 0,508 - 0,0002 mm a subkapilární < 0,0002 mm), porosita efektivní (účinná) zahrnuje pak póry, které se účastní na filtračních pochodech v daném hydrodynamickém systému horniny. Z hlediska hodnocení vhodnosti kolektoru pro podzemní uskladňování plynu je zřejmý rozhodující význam efektivní pórovitosti. U nadkapilárních póru se charakter pohybu tekutiny blíží pohybu tekutiny potrubím, u kapilárních póru působí odpor pohybu tekutin kapilární síly. Potřeba energie pro pohyb tekutiny je vetší. U subkapilárních pórů pod 0,0002 mm jsou kapilárním tlakem a mezifázovými silami pevně zadržovány jak kapaliny (voda s rozpuštěným plynem), tak 6
sorbováná část plynu, který se stává prakticky nepohyblivý. Oblast subkapilárních póru je tedy pro procesy filtrace kapalin a částečné i plynu uzavřena. Porosita je zpravidla funkcí hloubky uložení kolektoru, s přibývající hloubkou se zmenšuje. Pórovitost horniny lze určit v laboratoři na jádrech odebraných při provádění vrtu (volumetricky, pyknometricky), z karotážních měření na základě hodnot elektrického odporu horniny a ložiskové vody ji obsahující nebo z hydrodynamických výpočtu. Tyto metody jsou však pouze orientační, protože jsou méně přesné. Propustnost (permeabilita) skladovací horniny charakterizuje schopnost pórovitého prostředí propouštět tekutiny působením tlakového spádu. Zjednodušeně lze říci, že porosita vypovídá o tom kolik plynu lze uskladnit, propustnost informuje o rychlosti jakou lze plyn do/ze zásobníku vtláčet/odebírat. Rozlišuje se několik typů propustnosti v závislosti na různých omezujících podmínkách. V ideálním případě pro homogenní tok, nepůsobí-li hornina a tekutina vzájemně na sebe je propustnost označována jako absolutní propustnost. Jako fázová (efektivní) se označuje propustnost pro určitou tekutinu při společném proudění směsi několika fází (vody a plynu, ropy a vody apod.). Je-li propustnost vztažena k proudění kapaliny o určitých vlastnostech (při jednofázovém proudění ze 100 % nasycení), označuje se jako specifická propustnost. Poměr fázové propustnosti ku specifické při daném nasycení sledovanou tekutinou je nazýván relativní propustnost. Propustnost hornin je závislá na velikosti sedimentárních částic (štěrk je propustnější než jemnozrnný písek), na jejich tvaru, vytřídění a vzájemném uspořádání (textuře). Pórovitost a propustnost jsou často ve vzájemném vztahu, nejsou však na sobě závislé zákonitě, neboť jemnozrnné sedimenty s vysokou pórovitostí mohou mít malou propustnost, protože tato je snižována jemností póru (uplatní se zde kapilární tlaky, které představují pro daný tlakový spád prakticky nepřekonatelnou bariéru). Propustnost vyjadřujeme koeficientem (součinitelem) propustnosti kp, který vyjadřuje proteklé množství kapaliny nebo plynu o jednotkové viskozitě jednotkovým průřezem horniny při jednotkovém tlakovém spádu. Pro číselné vyhodnocení se nejčastěji používá Darcyho zákon, podle něhož je pro laminární jednosměrné proudění kapalin dán koeficient propustnosti podílem součinu proleklého množství za jednotku času, dynamické viskozity, délky filtračního kanálu a součinu průřezu filtračního kanálu a tlakového rozdílu na jeho koncích, tzn.: kp = (Q * u * L)/ (F * P) Q je proteklé množství plynu vzorkem horniny 7
u je viskozita tekutiny L je délka vzorku horniny F je plocha průřezu vzorku P je tlakový spád na vzorku horniny Propustnost má zásadní význam pro všechny výpočty v rámci podzemní hydrauliky. Rychlost pohybu tekutin v kolektoru je přímo úměrná hodnotě propustnosti, tzn. že výkonové parametry sond plynových ložisek a tím i PZP jsou závislé na hodnotě kp.
2. 5 Vlastnosti uskladňovací vrstvy Mocnost u geologického tělesa se rozumí nejkratší vzdálenost mezi jeho podložím a nadložím. U vrstvy se jedná o nejkratší vzdálenost mezi spodní a svrchní vrstevní plochou. Lze se setkat i s výrazem tloušťka vrstvy. Mocnost nebývá všude stejná vrstvy se někde ztenčují, jinde naduřují. Ubývá-li vrstvě určitým směrem na mocnosti, až se klínovitě vytrácí, mluvíme o vykliňování vrstvy. Některé vrstvy mají malou rozlohu, rychle na obě strany vykliňují a přitom mají relativně značnou mocnost. Taková "krátká" vrstva se nazývá čočka. Ložiskový tlak je pro vybudování PZP jednou z nejvýznamnějších veličin. Jeho význam spočívá především v tom, že je nositelem energie zásobníkového systému, významně ovlivňuje výkonnost sond, spoluurčuje kapacitu PZP, ovlivňuje velikost aktivní náplně i velikost základní náplně PZP (podušky), určuje specifickou uskladňovací charakteristiku PZP, spočívající v cyklických změnách ložiskového tlaku během provozu PZP. U hydrologicky otevřeného systému je dána výše vrstevního tlaku polohou výchozu vrstvy na povrchu. Není-li morfologie povrchu výrazně členitá, bývá v těchto podmínkách blízký tzv. hydrostatickému tlaku. Existují ovšem i případy značně vyšších vrstevních tlaků ve srovnání s tlakem odpovídajícím tlaku hydrostatickému. U hydrologicky otevřených systému to muže být způsobeno značným převýšením výchozu vrstvy (zóny napájení vodou). Takový stav se rovněž vyskytuje u čočkovitých uzavřených ložiskových těles v nadloží izolovaných plastickými horninami. Jsou známy i případy, kdy tlakový gradient muže dosáhnout hodnoty 2,0 i více. Tzn. že v hloubce 2500 m je tlak 50 MPa. Na druhé straně jsou známy ložiskové systémy se zaníženými vrstevními tlaky ve srovnání s gradientem hydrostatického tlaku. Muže to být
8
způsobeno např.
morfologií povrchu ložiska vůči poloze zóny napájení. U PZP
ovlivňuje výši běžného ložiskového tlaku průběh cyklu vtláčení či odběru plynu z uskladňovacího objektu. Průběh vývoje tlaku je dán většinou a zejména během odběrového cyklu výší a rychlostí odběru plynu, která ovšem musí být v souladu s množstvími určovanými a limitovanými hydrodynamickými vlastnostmi sond a uskladňovacích objektů. Ložiskový tlak se určuje po přiměřeně dlouhé době tlakové stabilizace ložiskového objektu. Používají se metody výpočetní, které jsou založeny na přepočtu naměřeného tlaku na ústí sondy, na hloubku uložení ložiskového objektu s uvážením váhy sloupce plynu v sondě za daného složení a teploty plynu. Další jsou metody interpretace křivek nástupu tlaku po přerušení odběru plynu ze sondy na základě extrapolace vývoje tlaku po částečné stabilizaci těžbou narušeného tlakového pole. K realizaci těchto metod je ovšem zapotřebí přímé měření vrstevního tlaku (tlaku na dně) pomocí zapouštěných hlubinných manometru. Hodnota naměřeného tlaku na dně sondy během odběru plynu ze sondy určuje velikost těžební deprese, tj. rozdíl mezi ložiskovým tlakem a tlakem na dně, který determinuje velikost přítoku z vrstvy do sondy. Při vtláčení plynu do uskladňovacího objektu pak velikost represe, jejíž výše pak určuje injekční výkonnost sondy. Zejména velikost těžební deprese musí být soustavně sledována a kontrolována, neboť její překročení by mohlo v některých případech vést k narušení soudržnosti uskladňovací vrstvy nebo zavodnění sondy. Vrstevní teplota je důležitou geologicko-ložiskovou veličenou. S hloubkou teplota stoupá. Je to dáno tepelným tokem horninami ze zemského nitra. Tepelným tokem se utváří teplotní profil charakterizovaný tzv. geotermickým gradientem. Jeho průměrná hodnota je cca 1°C/33 m. Existují ovšem časté odchylky od této průměrné hodnoty v kladném i záporném smyslu. Vrstevní teplota ovlivňuje viskozitu plynu a tím i jeho tok porézním prostředím. Je významným ukazatelem pro určení změn v profilu vrtu, např. zápažnicové proudění plynu či vody, netěsností v pažnicové koloně, místa přítoku plynu do vrtu a jejich relativní intenzity. Tyto změny se dají rozpoznat srovnáním s křivkou normálního průběhu vrstevní teploty ve vrtu. Ovlivňuje i přesnost měření objemového množství plynu při jeho těžbě. Přesnost znalosti teploty v uskladňovací vrstvě má vliv i na přesnost stanovení objemu plynu v této vrstvě zejména ovlivněním hodnoty kompresibiltního faktoru plynu. Je důležitá i při výpočtu potenciální produkce a těžebně vtláčecích parametru sond. Teplota muže ovlivnit i chemicko - technologické procesy, jako např. kvalitu výplachu, který se ve vrtu používá, technologii a výsledek izolace
9
vrtu jeho cementací atd. Muže ovlivňovat korozní procesy a má vliv na vznik a tvorbu hydrátu při provozu sond a nadzemní plynové části PZP. Sycení ložiskové horniny. Póry ložiskové horniny plynového ložiska jsou vyplněny plynem a vodou. Stupeň vyplnění danou fází se nazývá sycení či nasycení ložiskové horniny. Ložisková voda má dvě hlavní kategorie. Vodu volnou a vodu vázanou. Volná je ta, která se volně pohybuje (filtruje) ve vrstvě a to nejčastěji vlivem tlakové deprese, anebo někdy také působením přirozeného regionálního tlakového spádu existujícího ve vrstvě. Existence vázané vody je spojena se subkapilárními páry ložiskové horniny. Charakteristickým znakem ložiskové vody je její měrná hmotnost, která závisí na obsahu rozpuštěných soli (3 - 150 g/l), obsahu rozpuštěného plynu (2 - 3 m3 plynu v 1 m3 vody), případně některých organických látek a mikroorganismu. Kvantitativní znalosti o množství vázané vody jsou důležité při výpočtu akumulace plynu ve vrstvě a to jak pro otvírání plynového ložiska tak i budování PZP. Obsah vody v plynovém ložisku muže kolísat v širokém rozmezí od cca 15 % až do 40 %. Tím, že ložisková hornina je současně sycena dvěma fázemi - vodou a plynem, zmenšuje se její skutečná propustnost ve srovnání s hodnotou její absolutní propustnosti.
2. 6 Podzemní zásobníky v porézním a puklinovém prostředí Podle geologického a hydrodynamické povahy podzemních skladovacích objektů lze rozčlenit následující typy podzemních zásobníků na vytvořené: - v porézním a puklinovém prostředí,: - vytěžená ložiska plynu - vytěžená naftová ložiska - aquiferové zásobníky - v neporézním prostředí: - skladování v solných kavernách - skladování v důlních prostorách - skladováni v kavernách vytvořených jadernými výbuchy. Mezi základní parametry PZP patří
vertikální a laterální hermetičnost, resp.
uzavřenost struktury. Jednou z hlavních podmínek výstavby PZP je hermetičnost 10
nadložních vrstev nad skladovacím obzorem.Tato podmínka je o to důležitější u PZP aquiferového typu, u ropo-plynových ložisek je splněna tou skutečnosti, že v dané struktuře se plynová akumulace zachovala řádově milióny nebo desítky miliónu let. Laterální uzavřenost struktury je daná litologicky nebo tektonicky (těsnící zlomy) nebo kontaktem plyn voda.Geologicko-ložisková stavba ovlivňuje základní parametry zásobníku, je to tvar struktury, litologie, resp. homogenita skladovacího horizontu, tektonická stavba ložiska apod. Hloubka uložení. Minimální doporučená hloubka pro PZP se pohybuje kolem 300 m, mělčí zásobníky jsou výjimkou. Podstata je dána zejména mocností těsnících hornin a nutností režimovou, tzn. mít možnost vtláčet do zásobníku s jistou ložiskovou represí, aniž by přitom docházelo k hydraulickému štěpení hornin. Maximální hloubky pro vytváření zásobníků se pohybují většinou do 2000 m a jsou dány ekonomickou náročností. Efektivní mocnost skladovací vrstvy a celkový objem využitelného pórového prostoru. Efektivní mocnost skladovací vrstvy má zásadní vliv spolu s fyzikálními parametry skladovací horniny nejen na celkový objem zásobníku, ale i na výkonnost vtlačně-odběrových sond. Fyzikální parametry hornin. Mezi základní parametry skladovací horniny patří porosita a propustnost. Koeficient efektivní porosity by u zásobníku neměl být menší než 0,16-0,17, u zásobníku aquiferového typu 0,20. Propustnosti u vytěžených ložisek by se měly pohybovat (v závislosti na mocnosti kolektoru) výš než 0,5 .10-13 m2 u aquiferu o řád výše (pozn. výkonnost vrstvy je dána součinem efektivní mocnosti a propustnosti). Aktivita vodního zápolí. Aktivita vodního zápolí je dalším základním parametrem ovlivňujícím zejména režim zásobníku. U zásobníku bez vlivu vodní fáze probíhá tzv. expanzní režim, tj. režim s lineární závislostí ložiskového tlaku korigovaného faktorem kompresibility na objemu plynu v zásobníku. U objektu s aktivním vodním zápolím tato závislost není lineární a aktivita vodního zápolí je do jisté míry omezujícím faktorem pro jednotlivé produkční sondy i zásobník jako celek. Tento fenomén je vhodné maximálně eliminovat optimalizací provozu na základě prostorového matematického modelování. Vliv vodního zápolí se prakticky uplatňuje na každém PZP, liší se jen svým rozsahem a aktivitou. Z režimového hlediska je cyklické proudění plynu a vody
11
způsobené vtláčením a těžbou plynu u aquiferového typu zásobníku mnohem složitější než u zásobníku s expanzním režimem, kde činnost zásobníku bývá většinou omezena proudění plynné fáze. Podíl vodní složky bývá výrazně nižší než u aquiferových PZP. Také poměr mezi aktivní skladovací kapacitou a zbytkovým objemem plynu, nezbytným pro provoz zásobníku tzv. poduškou, nebývá konstantní. Pokud se mění hydrodynamika (objem plynu, tlak, režim provozu) jednotlivých provozních cyklů zásobníku, mění se i poduška spolu s aktivní skladovací kapacitou. Z toho vyplývá i hlavní zásada režimu provozu, zachování symetrie vtlačně-odběrových cyklů v čase a zachování rovnováhy mezi zpětně vnikající vodou při poklesu tlaku během těžby a vytěsňovanou vodou při nárůstu tlaku během vtláčení.
3. Podzemní zásobníky v ČR V České republice jsou v současné době provozovány podzemní zásobníky Lobodice, Tvrdonice, Štramberk, Dolní Dunajovice, Třanovice (Žukov). Dokončený byl i zásobník Uhřice a Dolní Dambořice, které vznikly konverzí plynového a ropného ložiska, ve výhledu pak, Poddvorov východ a Ždanice Kloboučky.
3. 1 PZP Tvrdonice Podzemní zásobník plynu Tvrdonice (dříve Hrušky) je zásobníkem na uskladňování zemního plynu, vybudovaný v původním ropo-plynovém ložisku jako první na území České republiky v letech 1972 – 1974. Zásobník je situován ve vídeňské pánvi, ve východní části karpatské čelní předhlubně v blízkosti města Břeclav. Zjištěná produktivní plocha těžebního pole má délku cca 10 km a šířku 1,5 km. Produktivní ropné a plynové obzory, které jsou dnes již vesměs vytěženy, dosahují do hloubky 2500 m. Vlastní zásobníkové objekty jsou vyvinuty v jeho jižní části, v délce cca 6 km a šířce 0,8 km. Zemní plyn je uskladňován v následujících obzorech: - 8. sarmatský obzor, se samostatnými částmi sever a jih v hloubce 1100 m - 9. bádenský obzor v hloubce 1600 m - 12. – 14. sarmatský obzor v hloubce 1250 m V sarmatských obzorech je používáno přetlaků vůči hydrostatickému tlaku přes 20 %, celková základní náplň je 457 mil. m3 plynu. Nejvýznamnějším uskladňovacím 12
objektem je 12. – 14. sarmatský horizont. Maximální mocnost jeho propustné části dosahuje 30 – 35 m, je tvořena komplexem nesoudržných písků s proměnlivou mocností a četnými jílovými proplástky. Průměrná hodnota porosity se pohybuje kolem 22,5 %, propustnost obzoru, dosahuje v průměru hodnoty 257 mD. Geologická pozice 8. sarmatského obzoru je analogická s 12. -14. sarmatským obzorem. Hydrodynamicky lze zásobníkový 8. sarmat rozdělit na dvě samostatné jednotky, severní a jižní. Tyto části jsou od sebe vzájemně odděleny zónou snížené propustnosti. 8. sarmat je představován třemi vertikálně oddělenými vrstvami písku. Efektivní mocnost jednotlivých vrstev písku se pohybuje řádově v metrech. V jižní části obzoru tvoří všechny písky jeden vzájemně hydrodynamicky propojený celek. Průměrná hodnota porosity je 26,5 %, průměrná propustnost činí 69 mD. 9. bádenský obzor je tvořen komplexem stmelených písků a pískovců, proložených četnými jílovými proplástky. Jeho vývoj je poměrně stálý, efektivní mocnosti se pohybují v rozmezí 15 – 22 m, s průměrem 17,5 m. Průměrná hodnota porosity činí 24,3 %, permeability 206 mD. Všechny obzory pracují ve smíšeném hydrodynamickém režimu s různým podílem vodní složky. Celkový počet vtlačně odběrových sond je 55, pozorovacích 26. V Tab. 1 jsou uvedeny základní parametry PZP Tvrdonice.
Tab. 1 Základní parametry PZP Tvrdonice Horizont
Pracovní tlaky
Aktivní náplň
Poduška (mil. 3
Těžební výkon
(MPa)
(mil. m /rok)
m)
(mil m3/den)
7 – 13,9
37
25
0,3
8. sarmat- jih
7 – 13,5
65
78
1
12. - 14. sarmat
7,34 – 14,7
273
267
4
9. báden
7,2 – 15,2
60
87,5
1,2
435
457,5
6,5
8. sarmat–
3
sever
Celkem
13
3. 2 PZP Štramberk Tento podzemní zásobník plynu je vybudován na plynovém ložisku Příbor-jih, které leží v oblasti poměrně hustě zastavěného území mezi obcemi Štramberk, Ženkláva, Rybí a Nového Jičína na ploše 28 km2. Pro uskladňování je využíván karpatský horizont, označovaný jako H-2. Tento kolektor má poměrně velké plošné rozšíření, zaplyněné jsou však pouze jeho strukturně nejvyšší části. Z litologického hlediska je reprezentován poměrně homogenní vrstvou písků a pískovců s příměsí valounového materiálu. Plynostěné nadloží je představováno pelitickými horninami. Kolektor je uložen v hloubce 530 – 640 m, jeho průměrná mocnost se pohybuje v rozmezí 1 – 8 m. Porosita je v průměru 19,1 %. Propustnost lze klasifikovat jako dobrou pohybující se v řádech několika stech mD. Primární zásoby plynu v ložisku činily cca 820 mil. m3 při tlaku 3,95 MPa. Režim ložiska je smíšený s výraznou převahou expanzí složky. V Tab. 2 jsou základní parametry PZP Štramberk. Tab. 2 Základní parametry PZP Štramberk Pracovní tlaky (MPa)
2,2 – 4,4
Max. těžební výkon v počátku těžby (mil m3/den)
6
Těžební výkon po odtěžení 30-ti % aktivních zásob (mil.
5
m3/den) Aktivní náplň (mil. m3/rok)
420
Poduška (mil. m3)
420
Produkční sondy
57
3. 3 PZP Dolní Dunajovice PZP Dolní Dunajovice je podzemní zásobník, vybudovaný v částečně vytěženém ložisku zemního plynu. Nachází se v jižní části karpatské čelní předhlubně, severozápadně od města Mikulov. Jeho výstavba byla dokončena v roce 1989. Tvar ložiska je protáhlý o délce téměř 8 km a šířce 0,7 km v hloubce 1030 – 1120 m. Litologicky je kolektor představován chloriticko – glaukonitickými pískovci jemně až středně, lokálně až hrubě zrnitými, místy s vápnitým tmelem, s proplástkovitým vývojem. Celková mocnost kolektoru kolísá od 5 – 70 m. Porosita kolísá mezi 23 – 27
14
%, propustnost se pohybuje v rozsahu řádově 102 mD. Hydrodynamický režim ložiska je smíšený s výrazným podílem vodní složky. Před zahájením provozu po skončení primární těžby, během které bylo vytěženo cca 51,6 % z 1600 mil. m3 původních zásob zemního plynu, postoupil kontakt voda plyn o 17 m po vertikále směrem do ložiska. Zásobník má aktivní uskladňovací kapacitu ve výši 700 mil. m3 zemního plynu s počátečním výkonem 7 mil. m3 plynu za den do odtěžení 30 ti % zásob. Rozpětí pracovních tlaků je 7,5 – 12,5 MPa. Provozních sond je 40, pozorovacích 14. Základní parametry PZP Dolní Dunajovice jsou uvedeny v Tab. 3. Tab. 3 Základní parametry PZP Dolní Dunajovice Pracovní tlaky (MPa)
7,5 – 12,5
Max. těžební výkon do 30-ti % aktivních
8,2
zásob (mil. m3) Max. vtlačná kapacita (mil. m3/den)
4,8
Aktivní náplň ( mil. m3/rok)
700
Poduška (mil. m3)
1020
Produkční sondy
40
3. 4 PZP Třanovice Plynové ložisko Třanovice (dříve Žukov) se nalézá na severní Moravě, 4 – 12 km západně od města Český Těšín v prostoru obcí Horní Žukov – Dolní Třanovice Mistřovice. Plynové ložisko je v pravidelné těžbě od roku 1949, v roce 1982 byla těžba ukončena a od té doby jsou dva ze tří hlavních ložiskových celků využívány pro předstihové uskladňování plynu před výstavbou vlastního provozu podzemního zásobníku. Toto uskladňování se děje pouze pomocí tlakového spádu v plynovodu, těžba pak do nižších tlakových řádů. Plyn je přednostně odebírán pro krytí zimní spotřeby v železárnách Třinec. Podloží ložiska tvoří konsolidované karbonské sedimenty, jejichž morfologická stavba vytvořila podmínky pro vznik ložiska. Na severním křídle výrazného karbonského antiklinálního pásma žukovského hřbetu se při spodnobadenske transgresi uložily sedimenty, tvořené na bázi klastickým materiálem (štěrky, písky, pískovce). Mocnost klastik ve vodním zápolí dosahuje více než 100 m, v ložiskové části směrem do stoupání vrstvy mocnost klesá až k vyklínění. Plyn je 15
akumulován v celkem pěti objektech se samostatným vývojem, tři největší jsou označovány jako Západní, Staré a Nové pole. Všechny objekty měly stejný počáteční tlak 3,9 MPa a stejné rozhraní voda – plyn v hloubce 176 m. Litologický vývoj je velmi heterogenní, vlastí horniny žukovského kolektoru jsou tvořeny vápnitými, středně zrnitými až hrubozrnnými drobovými písky. Porosita kolísá kolem 20 ti %, propustnost dosahuje do 200 mD. Zásobník byl oficiálně uveden do provozu 19. 10. 2000. Celkový projektový objem uskladňovaného plynu je 574 mil. m3. Z toho 330 mil. m3 je základní náplň a 244 mil. m3 je aktivní náplň. Maximální těžební výkon při naplněném zásobníku činí 4,15 mil. m3/den.
3. 5 PZP Lobodice Podzemní zásobník plynu v Lobodicích je aquiferovým typem zásobníku, vytvořeným v původně zvodnělé struktuře artézského systému. Je prvním podzemním zásobníkem plynu v České republice. Od roku 1965 do roku 1990 sloužil ke skladování svítiplynu, v roce 1990 začala jeho konverze na zemní plyn. Jako skladovací obzor jsou využívány klastické sedimenty spodního bádenu v hloubce 375 m, částečně i metamorfovaného podložního krystalinika. Nadložní těsnící horizont je představován bádenskými pelity. Mocnost bazálních bádenských klastik kolísá v širokém rozpětí od několika metrů do cca 120 m, mocnost v plynonosné části se pohybuje kolem 10 – 12 m. Propustnost je velmi proměnlivá a pohybuje se od cca 100 mD do několika Darcy. Při skladování svítiplynu měl zásobník bilanční rozdělení objemu plynu ve struktuře 150 mil .m3 základní náplně a 100 mil. m3 aktivní skladovací kapacity. Avšak podle vývoje průměrného ložiskového tlaku v minulosti docházelo k trvalému úbytku objemu plynu ve struktuře. Celkové ztráty objemu za dobu provozu přesáhly 400 mil. m3 svítiplynu. Vzhledem k pozici zásobníku ve zdrojové oblasti pitných vod je významná ochrana životního prostředí, zejména podzemních vod mělkého oběhu. Základní parametry PZP Lobodice jsou uvedeny v Tab. 4.
16
Tab. 4 Základní parametry PZP Lobodice Svítiplyn 1970 - 1990
Zemní plyn od roku 1995
Pracovní tlaky (MPa)
3,8 – 5,8
3,8 – 5,6
Denní výkon (mil. m3/den)
1,2
2,7
Aktivní náplň (mil. m3)
100
125
Produkční sondy
16
16
Poduška (mil .m3)
170
158
3. 5. 1 Technické zázemí PZP Lobodice před konverzí Nejdůležitějším zařízením patří: pozorovací sondy, produkční sondy, trafostanice, filtrace plynu, kompresovna, chlazení plynu, odlučování oleje, měřící přístroje, potrubí, ohřev plynu, čištění od karbonylů a sušení plynu. K nejdůležitějším patří filtrace plynu, která se skládá ze 6 keramických filtrů uspořádaných do dvou stupňů. Chlazení plynu zajišťují 4 filtry zařazeny vedle sebe. Plyn je zbavován olejové mlhy v adsorberech, které jsou naplněné aktivním uhlí. Potrubí je vedeno ke každé sondě. Ohřev plynu se probíhá v 1. stupni teplem vycházejícím z čistírny. Čištění plynu od karbonylu probíhá v 8 adsorberech s aktivním uhlí. Sušení plynu je realizováno na 2 kolonách o průměru 1600 mm při tlaku 5,0 MPa. Před konverzí PZP Lobodice ze svítiplynu na zemní plyn bylo nutné postupovat v následujících krocích: -
v dostatečném předstihu zabezpečit možnost odtěžování nenormovaných plynů do plynovodu přepravující zemní plyn
-
po ukončení funkce PZP Lobodice na systému svítiplyn pokračovat s těžbou
-
po stabilizaci tlaku v ložisku zahájit 1. konverzní fázi vtláčením zemního plynu do zásobníku a současným odtěžováním nenormovaného plynu ze zásobníku
17
4. Vývoj ztrát svítiplynu před konverzí 4. 1 Přímé ztráty Jsou to ztráty vzniklé havarijním úniky, běžnými úniky za provozu, dále systém sběru odpadních vod používá jako dopravní médium plyn, který uniká do potrubí odpadních vod při odpouštění kapáků a odlučovačů. Pravidelná údržba technologického zařízení, potrubí a sond je spojena s odpouštěním zbytkového plynu do atmosféry. Tyto posledně jmenované úniky plynu jsou zvětšovány rostoucí četností poruch způsobených korozí. K jistému úniku dochází též podél stvolu některých sond.
4. 2 Vázaný plyn 4. 2. 1 Adsorpce Při adsorpci cca 10 l/t horniny je podíl na ztrátách vázaného plynu 60 %. Roční průměr na svítiplynovém provozu činní 10,1 mil. m3. Adsorpce na hornině by měla být ukončena. Ztráta objemu zemního plynu by neměla nastat, pouze výměnná sorpce na hornině. Jde o vázání složek plynu na osušenou horninu, která je porézní a mikroporézní prostředí projevuje povrchovou aktivitu. Následuje pak molekulární difuse do pórů, ve kterých je vázána voda a prostá adsorpce se kombinuje a absorpcí v této vodě. Podíl celkově vázaného plynu za celé období činní 100 – 130 mil. m3.
4. 2. 2 Přechodová zóna Při vratném pohybu okraje plynové akumulace se vytváří dvoufázový systém (přechodová zóna). Z hlediska fyzikálního se chová jako pěna. Na svítiplynovém provozu činila ztráta cca 31 % vázaného plynu. Při zpětném pohybu kontaktu voda – plyn jsou tzv. čočky nasycené plynem ze všech stran izolovány postupující vodou a zůstanou pak izolovány od plynové akumulace ve vrstvě. Poté dispergují do okolí a jsou tak zbaveny možnosti se aktivně účastnit uskladňovacího procesu. Z provozu aquiferových PZP rovněž vyplývá existence dalšího jevu spočívajícího v tom, že rozhraní mezi obzorem a vodou při vtláčení či odběru plynu ze zásobníku neprobíhá vertikálně, nýbrž projevuje se tendence výrazně dopředního pronikání plynu do nadloží. Plyn takto nerovnoměrně proniklý v kolektoru může být při vratném pohybu zejména 18
při jeho vyšší rychlosti vlivem nadměrně vysoké teploty odizolován od souvislé plynové akumulace a disperguje se do vodní vrstvy. Přechodová zóna dvojfázového sycení uvažuje specifické poměry změn sycení pórů v plynném pásmu, ve kterém dochází k alternujícímu vratnému pohybu na jedné straně plynu, na druhé straně vody, postupující do uskladňovací struktury během vtlačného a odběrového cyklu PZP.
4. 2. 3 Absorpce Kromě absorpce ve vodě v mikrokapilárách zahrnuté do souboru adsorpce, kam tento podíl z fyzikálního principu patří, probíhá hlavně absorpce na kontaktní plyn – uzávěrová voda do vodního zápolí přechodové zóny. Jednotlivé složky svítiplynu se rozpouštějí podle svých koeficientů rozpustnosti a parciálního tlaku v plynné směsi. Z rozhraní fází pak rozpuštěné složky difundují do vodní zóny. Podle intenzity průtoku uzávěrové vody je možné unášení roztoku plynu do vzdálenějšího vodního zázemí. Tento pohyb vody je rozhodující pro setrvalost průběhu difuse přes fázové rozhraní, neboť by vznikal trvalý koncentrační spad, který je hnací silou absorpce. Podíl ztráty za období provozu byl v rozmezí 10 – 25 mil. m3.
4. 2. 4 Kontrakce Pokud jde o chemizmus v zásobníku tj. reakce mezi složkami plynu navzájem, plynem a horninou, plynem a složkami roztoku uzávěrové vody s přihlédnutím k vodnímu prostředí a intenzivní absorpci dle Henryho zákona a též k možné katalýze lze konstatovat, že ve struktuře: - klesá pH uzávěrové vody v kontaktní ploše plyn – voda - se ztrácí O2 - vznikají karbonyly kovů - vznikají mastné kyseliny - vzniká CH4 - vznikají další uhlovodíky - vznikají blíže nepopsané hetero – sloučeniny
19
Zejména v posledním období bylo výzkumné úsilí věnováno kvantifikování možností vzniku CH4. Výsledkem metanotvorných reakcí je výrazná kontrakce objemu plynu. Byla přijata teorie a praktickými výsledky kontrolních analýz plynu při těžbě a z různých míst podušky potvrzeno, že mohou proběhnout reakce. CO + 3 H2 →
CH4 + H2O + ∆ H
(1)
CO2 + 4 H2 →
CH4 + 2 H2O + ∆ H
(2)
Ze stechiometrie rovnic je patrné, že při průběhu reakce doprava dochází ke snížení počtu molů v reakční směsi a tudíž objem plynu, ve kterém tyto reakce probíhají se zmenšuje. Pro průběh těchto reakcí jsou příznivé termodynamické předpoklady. Hodnota změny volné energie, exotermní průběh, tlak a teplota v ložisku posouvají reakční rovnováhu doprava. Kinetika reakce může být a je reálný předpoklad, že tomu skutečně je, ovlivněna katalyzujícími látkami. Je pravděpodobný výskyt aktivního metalického niklu jako meziproduktu karbonylotvorných reakcí či jako výsledku jejich místního rozpadu. Dále jsou přítomny sirníky kovů, které též známe jako katalyzátory metanotvorných reakcí. Meziroční nárůst obsahu CH4 cca 3-6 % ukazuje na pomalou kinetiku. Je tu však k dispozici dlouhá doba styku látek v reakčním prostředí. Jestliže stupeň konverze reakcí (1) a (2) je za první rok 15-25 %, pak i při klesající rychlosti, která je odvislá od koncentrace látek do reakce vstupujících je opět reálný předpoklad, aby po 18 létech provozu, reakce dospěly do stavu blízkého rovnovážnému. CO reaguje 2x rychleji než CO2. Reakce probíhá tak dlouho, dokud se nespotřebuje vodík obsažený v plynu. V podmínkách ložiska reakční voda kondenzuje a v rovnovážném
stavu je objem
vzniklého plynu poloviční proti objemu původnímu a obsahu CH4 dosáhne hodnoty kolem 70 %. Ve vztahu závislosti kontrakce na nárůstu metanu je přihlédnuto k poměru mezi reakčními rychlostmi reakcí (1) a (2). Poněkud obtížnější je propočet kontrakce v podušce. Máme jen analýzy metanu okrajových sond
a interpolací mezi těmito sondami a sondami vrcholovými při
ukončení těžby lze, i když s menší přesností, určit kontrakci podušky. Kontrakce celkem za celé období činnosti PZP Lobodice činí 148 mil. m3. Z provedené bilance ztrát plynu při dosavadním provozu PZP Lobodice
bylo
konstatováno, že ztráty plynu byly ovlivněny specifikou lobodické struktury při uskladňování svítiplynu. Při provozu na zemním plynu bude zásobník hermetický, jeho
20
ztráty budou odpovídat poměrům na PZP zemního plynu aquiferového typu. V průběhu konverze je však třeba počítat, vzhledem k zůstatku části svítiplynu v podušce, s pokračováním mechanizmu ztrát na svítiplynu, jejíž intenzita bude klesat, ale mohou dle předpokládaných bilancí dosáhnout hodnoty 27 mil. m3. Na základě porovnání složení plynu v různých obdobích práce zásobníku s termodynamickými modely, které zahrnují reakce: CO + 2 H2 → CH3OH
(3)
CO + 3 H2 → CH4 + H2O
(4)
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
(5)
a difusi plynu před a po reakci bylo zjištěno, že reakcí vodíku s oxidem uhelnatým a uhličitým lze vysvětlit všechny zjištěné diference mezi chemickým složením plynu vtlačeného a těženého. Samotná reakce oxidu uhelnatého tyto změny plně vysvětluje. Mimo uvedených chemických reakcí se na změnách složení skladovaného plynu podílí i difuse (jedná se v prvé řadě o difusi vodíku). Objemové změny plynu, způsobené průběhem uvedených reakcí značně kolísají jednak na jednotlivých sondách, jednak v jednotlivých cyklech práce zásobníku a pohybují se v rozmezí 0 – 25 % stlačeného objemu plynu. Vzhledem k režimu odběru svítiplynu lze konstatovat, že průměrný úbytek objemu v důsledku reakcí metanizace se pohybuje mezi 10 - 20 %. Testováním změn ve složení plynu ve srovnání s hypotetickými modely tak bylo prokázáno, že na PZP Lobodice probíhá proces metanizace. Průběh reakcí byl však diskutován z termodynamického, nikoli z kynetického hlediska. Nelze proto kvantitativně vyjádřit, do jaké míry je průběh reakcí působen mikroorganismy. Mikrobiální aktivita na zásobníku byla prokázána jednak modelově, úspěšnou kultivací sulfát-redukujících mikroorganismů pod svítiplynem, jednak přímou kultivací metanogenních bakterií ze vzorků odebraných na PZP Lobodice. Hypotéza bakteriální metanizace v okrajových částech ložiska i v hlubokém vodním zápolí byla potvrzena i výsledky izotopické analýzy metanu. Poměr abiogenních i biogenních mechanismů metanizace je zřejmě časově závislý. V současné době nedochází na většině sond, na kterých byla prokázána reakce, k tak výrazným teplotním změnám, které byly pozorovány v počátcích provozu zásobníku.
21
To svědčí o zvyšování podílu mikrobiální reakce vzhledem k reakci abiogenní, což vede k nižšímu exotermickému efektu. Sledování lobodické struktury v letech 1987 - 88 ukázalo, že teplota v zásobníku je přímo závislá na vývoji ložiskového tlaku a objemu vtláčeného (nezreagovaného) plynu. Sondy, zastihující propustnější a mocnější části kolektoru, dosahují vyšších ložiskových teplot, které odpovídají vyšším objemům plynu vstupujícím do chemických reakcí. Celkové hodnocení hydrodynamických ztrát v letech 1973 - 1988 ukázalo, že zjištěné změny v bilanci vtlačeného a těženého plynu ve sledovaném období dosahují výše cca
400 mil. m3. Objemové změny lze s největší pravděpodobností objasnit
chemickou změnou plynu vlivem reakcí provázených kontrakcí objemu. Mimo to dochází při skladování k dalším objemovým změnám v důsledku deficitu zejména H2, částečně CO2 a CO jinými mechanismy (difuse, rozpuštění a migrace, reakce plynu s vodou). Kontrakce objemu plynu vlivem reakcí je přímo úměrná tlaku a složení plynu v zásobníku. Teplotní nehomogenita zásobníku v ploše souvisí s reakční kinetikou jednotlivých oblastí. Teplotní vývoj v čase odpovídá změnám tlaku a chemismu ve skladovací vrstvě. V závěru je třeba připomenout, že energetické ztráty na zásobníku jsou pochopitelně mnohem menší než ztráty objemové. Vycházíme-li ze složení průměrného vtláčeného plynu a z jeho 20% ní konverze, poklesne objem plynu o 14 %, jeho spalné teplo však stoupne o 12,9 %. Skutečné energetické ztráty pak činí pouze 2,88 %. Energetické ztráty vztažené za stejných podmínek k výhřevnosti jsou ještě nižší a činí pouze 2,4 %.
5. Stav po konverzi Vlastní konverze byla realizována ve třech vtlačných a odběrových cyklech. Průběh konverze byl limitován maximálním dosaženým tlakem v ložisku, který by neměl překročit hodnotu 5,8 MPa. Konverzní a pokonverzní režim bude regulován tak, aby byl PZP postupně převeden na tlakový vývoj v rozmezí 3,8 – 5,6 MPa a aby přitom střední průměrný tlak v ložisku byl v podstatě rovnovážný s tlakem hydrostatickým v uskladňovacím objektu (cca 4,7 MPa). Projekt konverze počítá s tím, že do podušky bude třeba dotovat cca 35 – 40 mil. m3 zemního plynu.
22
5. 1 Vznik směsného výplachového plynu (SVP) Realizace konverze PZP Lobodice je spojen se vznikem tzv. směsného výplachového plynu (dále jen SVP), který má proměnlivé složení podle stavu přípravy ložiska, způsobu provádění konverze, konkrétního režimu v určité ložiskové situaci a také dle stupně ukončenosti konverze. V podstatě jde o plyn, jehož složení je mezi svítiplynem a zemním plynem. Jeho zdroje jsou následující: I. )
Zbytkový svítiplyn určený k odtěžování, však nelze již využít, protože PZP Lobodice je již od svítiplynového systému odpojen.
II. ) Ze skladovací struktury v níž probíhá řada chemických a fyzikálních pochodů je těžen plyn, který již není záměnný se svítiplynem. Jeho význačnými vlastnostmi je : - postupné snižování obsahu vodíku z původních cca 50 % obj. až k úplnému vymizení - postupný nárůst obsahu metanu z původních 22-25 % obj.na max. 70-75 % obj. - postupné vymizení CO z původního obsahu 10-15 % obj. - výrazné snížení CO2 z původních 8-12 % obj. až k obsahu blízkému 0% obj. - nárůst tepelného obsahu vyjádřeného spalným teplem z původních 15-16 MJ/m3 na cca 28 MJ/m3 maximálně. Složení konkrétního těženého plynu je součtem složení plynu z těžených sond charakterizovaných polohou koncentračním poli jednotlivých složek plynu ve struktuře. Těžební fáze zejména 1. respiračního cyklu, a v postupně slábnoucí míře u těžební fáze dalších respiračních cyklů, budou opět zdrojem SVP. Podle konkrétního režimu těžby bude tento plyn vznikat zejména v druhé polovině časového úseku těžby, resp. v závěru těžby. Jde o plyn přibližně s tímto složením (cca 0,5 % obj. H2, 70 % CH4, 0,5 % CO) nebo pravděpodobněji zemní plyn, jehož spalné teplo kleslo pod minimální přípustnou hranici 38,1 MJ/m3 a nebo obsahuje 0,8-5 % obj. H2 nebo obojí. Všechny druhy SVP a také zemní plyn v období pozorovatelných příměsí svítiplynu, či SVP budou obsahovat Ni (CO)4.
23
6. Kvalita vyskladněného plynu Mezi hlavní složky vyskladněného plynu patří zejména CH4, N2, C3 uhlovodíky, CO2, C2H6 a v menší míře C4 a C5 uhlovodíky a také H2. Vodík jak již bylo zmíněno výše se podílel velkou měrou na ztrátě svítiplynu v období před konverzí. V této kapitole se vodíkem zabývat nebudeme, jelikož jeho zastoupení v zemním plynu po celé pětileté sledování bylo nulové. Zajímavé bude sledovat plynné složky, které se po konverzi měnily. Mezi tyto složky patří CH4, C2H6, C3 uhlovodíky, CO2 a N2. Jednotlivé složky jsou znázorněny v jednotlivých grafech během celého období sledování kvality vyskladněného plynu. V grafu č. 1 je znázorněno množství CH4 v období od ledna 2003 do ledna roku 2008. Z grafu je patrné, že nejnižší množství metanu bylo únoru 2006. Graf. č. 1 Množství CH4 od roku 2003 do roku 2008
97,9 97,7 97,5 CH4
97,3 97,1 96,9
26.1.20 08
26.10.20 07
26.7.20 07
26.4.20 07
26.1.20 07
26.10.20 06
26.7.20 06
26.4.20 06
26.1.20 06
26.10.20 05
26.7.20 05
26.4.20 05
26.1.20 05
26.10.20 04
26.7.20 04
26.4.20 04
26.1.20 04
26.10.20 03
26.7.20 03
26.4.20 03
96,7 26.1.20 03
z asto u p e n í s lo ž k y C H 4 v m g /m 3
Množství CH4 během pěti let
data odběrů
V grafu č. 2 je znázorněn vývoj množství C2H6. Maximum dosahovalo množství v odběrové sezóně 2006/2007 kdy bylo rovno téměř 1 mg/m3. Minimum zatím nebylo dosaženo, jelikož při posledním odběru v lednu 2008 činilo 0,241 mg/m3 a dá se předpokládat, že bude dále klesat.
24
26.1.2008
26.10.2007
26.7.2007
26.4.2007
26.1.2007
26.10.2006
26.7.2006
26.4.2006
26.1.2006
26.10.2005
26.7.2005
26.4.2005
26.1.2005
26.10.2004
26.7.2004
26.4.2004
26.1.2004
26.10.2003
26.7.2003
26.4.2003
26.1.2003
z astoupení slož ky C3 v m g/m 3
26.1.2008
26.10.2007
26.7.2007
26.4.2007
26.1.2007
26.10.2006
26.7.2006
26.4.2006
26.1.2006
26.10.2005
26.7.2005
26.4.2005
26.1.2005
26.10.2004
26.7.2004
26.4.2004
26.1.2004
26.10.2003
26.7.2003
26.4.2003
26.1.2003
z asto u p en í slo ž ky C 2 H 6 v m g /m 3
Graf.č. 2 Množství C2H6 od roku 2003 do roku 2008 Množství C2H6 během pěti let
1
0,9
0,8
0,7
0,6 C2H6
0,5
0,4
0,3
0,2
data odběrů
V grafu č. 3 je znázorněn průběh množství C3 uhlovodíků. Minimální hodnoty bylo
dosaženo v lednu 2008 a maximální množství bylo na konci roku 2006.
Graf č. 3 Množství C3 uhlovodíků od roku 2003 do roku 2008
Množství C3 během pěti let
0,35
0,3
0,25
0,2
C3
0,15
0,1
0,05
data odběrů
25
V grafu č. 4 je průběh množství CO2. Minimální hodnota byla dosažena v lednu 2008 a maximální na počátku roku 2006. Graf č. 4 Množství CO2 od roku 2003 do roku 2008
0,7 0,6 0,5 0,4 CO2 0,3 0,2 0,1 26.1.2008
26.10.2007
26.7.2007
26.4.2007
26.1.2007
26.10.2006
26.7.2006
26.4.2006
26.1.2006
26.10.2005
26.7.2005
26.4.2005
26.1.2005
26.10.2004
26.7.2004
26.4.2004
26.1.2004
26.10.2003
26.7.2003
26.4.2003
0 26.1.2003
z astoupeni slož ky CO 2 v m g/m 3
Množství CO2 během pěti let
data odběrů
V grafu č. 5 je znázorněn průběh množství N2. Minimální hodnota byla dosažena na počátku roku 2008 a maximální na počátku roku 2006. Graf č. 5 Množství N2 od roku 2003 do roku 2008
1,4 1,2 1 0,8 N2 0,6 0,4 0,2 26.1.2008
26.10.2007
26.7.2007
26.4.2007
26.1.2007
26.10.2006
26.7.2006
26.4.2006
26.1.2006
26.10.2005
26.7.2005
26.4.2005
26.1.2005
26.10.2004
26.7.2004
26.4.2004
26.1.2004
26.10.2003
26.7.2003
26.4.2003
0 26.1.2003
z astoupení slož ky N 2 v m g/m 3
Množství N2 během pěti let
data odběrů
26
7. Závěr a diskuze V teoretické části jsem se zaměřil na hodnocení vlivu ztrát při skladování svítiplynu v PZP Lobodice. Byly zhodnoceny všechny vlivy ovlivňující ztrátu plynu. Ztráty zemního plynu by neměly již nastat. Z uvedených grafů vyplývá skutečnost že maximální hodnoty jednotlivých složek byly dosahovány převážně v roce 2006. Pro C2H6 a C3 uhlovodíky byly maxima na konci roku (prosinec) 2006, pro složky CO2, resp. N2 bylo dosaženo maximálních hodnot na začátku roku (leden, resp. únor 2006). Jedinou výjimku tvoří CH4 u kterého bylo maximum zaznamenáno hned na počátku sledovaného období a to v březnu roku 2003. Minimální hodnoty byly naměřeny při posledním odběru v lednu 2008. Výjimku tvoří CH4 který měl minimální hodnotu na počátku roku (únor) 2006.
Literatura: 1. Ing. Bedřich Gottwald, RNDr. Jaroslav Káňa, Výzkum procesu konverze POZALO ze svítiplynu na zemní plyn, Brno, 1990 (vybrané kapitoly) 2. Ing. F. Slanina a kolektiv SMP, Studie k možnosti realizace převodu POZALO na zemní plyn, Ostrava, 1984 3. Doc. RNDr. B. Kříbek Csc., prof. RNDr. M. Procházka Drsc., Ing. Z. Brož Csc., Ing. P. Uchytil Csc., Ing. F. Buzek Csc., Návrh procesu konverze, Praha, 1990 (vybrané kapitoly) 4. RNDr. Vladimír Onderka Csc. a kolektiv, Sledování, vyhodnocování a řízení procesu konverze POZALO, Brno, 1995 5. Bohumil Koutský, Uskladňování plynů, Praha, 2007 6. Marta Látalová, Přehledy kvality plynu sledovaného v chemické laboratoři PZP Lovosice, 7. RNDr. Vladimír Onderka Csc., RNDr. Miloš Horáček, Plynárenská příručka (kapitola Podzemní zásobníky plynu), Praha, 1997
27
