SPSKS
Obsah 1. 2.
Úvod ................................................................................................................................... 4 Vlastnosti geohydrodynamických systémů ........................................................................ 4 2.1 Fyzikální vlastnosti hornin .......................................................................................... 4 2.1.1 Pórovitost ............................................................................................................. 5 2.1.2 Propustnost (pemeabilita)................................................................................... 16 2.2 Fyzikální vlastnosti tekutin........................................................................................ 31 2.2.1 Viskozita (vazkost) tekutin................................................................................. 32 2.2.2 Povrchové napětí kapaliny ................................................................................. 38 2.3 Systémy tvořené kolektorskými horninami a tekutinami, které je vyplňují.............. 55 3. Klasifikace geohydrodynamických systémů .................................................................... 57 4. Zdroje vrstevní energie..................................................................................................... 60 4.1 Základní pojmy.......................................................................................................... 60 4.2 Samostatné zdroje vrstevní energie ........................................................................... 62 4.3 Odpory bránící pohybu tekutiny vrstvou................................................................... 68 5. Teorie filtrace tekutin ....................................................................................................... 75 5.1 Shrnutí základních poznatků ..................................................................................... 75 6. Otvírka ložisek ropy a zemního plynu ............................................................................. 83 6.1 Vyhledávání a průzkum ložisek ................................................................................ 83 6.1.1 Vyhledávací a geofyzikální průzkum................................................................. 83 6.1.2 Podrobný průzkum – hlubinné vrty.................................................................... 87 6.2 Těžební otvírka ložisek.............................................................................................. 88 7. Těžba ropy........................................................................................................................ 90 7.1 Metody těžby ropy..................................................................................................... 90 7.2 Těžební sondy a jejich vystrojení .............................................................................. 91 7.3 Primární metody těžby............................................................................................... 93 7.3.1 Těžba kontrolovaným tokem - samotoková těžba.............................................. 94 7.3.2 Mechanizovaná těžba ....................................................................................... 102 7.4 Sekundární metody těžby ........................................................................................ 120 7.5 Terciérní metody těžby............................................................................................ 121 8. Těžba zemního plynu ..................................................................................................... 124 8.1 Základní charakteristika a komplikace při těžbě zemního plynu ............................ 124 8.2 Vystrojení plynové těžební sondy ........................................................................... 127 8.3 Těžba plynokondenzátních ložisek.......................................................................... 127 9. Účinky těžby ropy a zemního plynu na životní prostředí .............................................. 130 9.1 Možné vlivy vrtných pracovišť na okolní životní prostředí .................................... 130 9.1.1 Popis operací, obsahující průzkumné a těžební vrtání a hodnocení jejich vlivu na životní prostředí.............................................................................................................. 130 9.1.2 Plán opatření pro případ havarijního zhoršení jakosti vod............................... 132 9.2 Těžební sondy.......................................................................................................... 133 9.2.1 Technologická část u těžebních sond s aplikací mechanizované těžby ropy ... 134 9.2.2 Technologická část u těžebních sond těžících samotokem .............................. 136 9.2.3 Možné vlivy provozu těžebních sond na okolní životní prostředí ........................ 136 9.2.4 Sběrný systém a úprava ropy a zemního plynu................................................ 136 9.2.5 Technologický proces úpravy vytěžené ropné kapaliny .................................. 137 9.2.6 Možné vlivy provozu pomocných měřicích středisek a sběrných naftových středisek na okolní životní prostředí .............................................................................. 137 9.2.7 Podzemní opravy sond ..................................................................................... 139 9.3 Metody průzkumu kontaminovaných lokalit........................................................... 140 9.3.1 Průzkum nesaturované zóny.................................................................................. 142
SPSKS
2
9.3.2 Průzkum saturované zóny ..................................................................................... 144 9.4 Klasifikace lokalit z hlediska ohrožení životního prostředí .................................... 145 9.4.1 Parametry určující výběr sanačních postupů......................................................... 147 10. Sanace dobývacího prostoru po těžbě ......................................................................... 148 10.1 Likvidace starých těžebních sond ........................................................................ 148 10.1.1 Plán likvidace ................................................................................................... 149 10.1.2 Typový technologický postup pro likvidaci těžební sondy................................. 149 10.2 Metody sanace kontaminovaného prostředí ............................................................... 151 10.2.1 Pojem sanace a rekultivace ................................................................................. 151 10.2.2 Rozdělení sanačních metod ................................................................................. 151 10.2.3 Postup vyhodnocování a sanace starých ekologických zátěží............................. 152 Literatura ................................................................................................................................ 155
SPSKS
3
1.
Úvod
Obsah skript je zpracován tak, aby splňoval stanovený obecný cíl předmětu. Tato skripta navazují na již zpracované kapitoly zaměřené na problematiku vrtných prací spojených s těžební činností. V první části skript jsou podrobně popsány vlastnosti geohydrodynamických systémů a problematika filtrace tekutin, jenž tvoří základ pro druhou část skript zabývající se vlastní těžbou a vlivem těžby ropy a zemního plynu na životní prostředí. 2.
Vlastnosti geohydrodynamických systémů
Soustava vzájemných hydrodynamicky komunikujících kolektorů a různých pohyblivých tekutin, jimiž jsou tyto kolektory nasyceny, se označuje jako geohydrodynamický systém. V systémech pak rozlišujeme: Geologická tělesa (kolektory, izolátory, nepropustné horniny apod.) a jejich fyzikální vlastnosti, zejména měrná hmotnost, měrná tíha, pórovitost celková (absolutní) a otevřená, propustnost (permeabilita), součinitel propustnosti a součinitel absolutní průtočnosti. Tělesa tekutin a jejich fyzikální vlastnosti. Pro obecné označení akumulace tekutiny uvádí J. Jetel (1982) pojem reosom (geofluidon) [z řeckého rein = téci, sóma = těleso]. Podle druhu tekutiny, kterým je reosom tvořen pak lze rozlišit hydrosom (zvodeň), tvořený podzemní vodou; eleosom (řecky elaion = olej), tvořený ropou a pneumosom (řecky pneuma = duch, plyn), tvořený plynem.
SPSKS
Fyzikální vlastnosti tekutin uplatňující se v podzemní hydraulice jsou zejména tyto – měrná tíha, dynamická a kinematická viskozita a její změny s teplotou a tlakem, rozpustnost plynů v kapalinách a povrchové napětí na hranicích nemísitelných tekutin. Integrací geologických těles s tělesy tekutin dochází k vytvoření systémů, označovaných jako geohydrodynamické. Jednotlivé hydraulické vlastnosti těchto systémů označujeme jako hydraulické parametry. Jsou to: různé druhy účinné pórovitosti, součinitel filtrace a průtočnosti, součinitel hydraulické vodivosti (tlakové a hladinové), součinitel pružné jímavosti, součinitel měrné zásobnosti apod. 2.1
Fyzikální vlastnosti hornin
Základní pojmy Soubor vlastností hornin a horninových (geologických) těles, které se rozhodujícím způsobem uplatňují při pohybu a akumulaci tekutin v horninovém prostředí, je označován jako fyzikální (hydraulické) vlastnosti hornin. Základními fyzikálními vlastnostmi horninového prostředí jsou pórovitost/celková (absolutní) a otevřená/ a propustnost. Další hydraulické vlastnosti kolektorů jsou pak funkcí propustnosti, pórovitosti, geometrických charakteristik horninových těles, fyzikálních vlastností tekutin a některých dalších faktorů. Pojmem kolektor je označováno horninové prostředí, v němž dochází při určitém tlakovém gradientu (dosahovaném při přírodních procesech nebo v technické praxi) k proudění tekutin. Schopnost kolektoru propouštět tekutiny je podmíněná existencí navzájem propojených 4
prostor - dutin (nejrůznějšího původu, velikosti a tvaru), souhrnně označovaných jako póry, jejichž průměr je alespoň tak velký, že adhesní síly působící mezi povrchem horninových částic a tekutinou, nezabrání pohybu molekul tekutin tímto pórovým prostranstvím. Jako zvláštní typ kolektoru uváděla ČSN 73 6511 v čl. 334 propustnou vrstvu, definovanou jako: „typ kolektoru tvořený vrstvou horniny“ a v čl. 329 i propustnou horninu jako „horninu, v níž může nastat pohyb vody“. Nepropustné nebo relativná nepropustné horninové prostředí je označováno jako izolátor. Podle zmiňované ČSN byly definovány izolátory jako: „horninové prostředí, jehož propustnost je ve srovnání s bezprostředně sousedícím horninovým prostředím natolik menší, že gravitační voda se jím může pohybovat mnohem nesnadněji za jinak stejných hydraulických podmínek“. Norma vyčleňovala rovněž termín nepropustná hornina; „je to hornina, která nedovoluje pohyb vody“. Zpravidla se za nepropustnou pokládá hornina při filtračním součiniteli menším než 1 . 10-7 m . s-1. 2.1.1 Pórovitost Každé horninové prostředí obsahuje ve svém objemu řůzné druhy dutin (póry, pukliny, kaverny, ...), pro které se nejčastěji používá souhrnný termín póry. Póry definujeme jako prostory různého tvaru, velikosti a původu v půdě nebo mezi zrny hornin, nevyplněné tuhou fází. Pojem pórovitosti bude tedy představovat součet všech tuhou fází nevyplněných prostor v hornině, od velkých dutin a puklin až po ty nejmenší póry Pro potřeby praxe však musíme rozlišovat: a) pórovitost celkovou (absolutní, úplnou) - Pc b) pórovitost otevřenou (komunikující) - Po c) pórovitost účinnou (efektivní) - Pu
SPSKS
Schematické znázornění jednotlivých druhů pórovitosti je uvedeno na obr. č. 2.1
Obr. č. 2.1: Schematické znázornění jednotlivých druhů pórovitosti
5
ad a) Pórovitost celková Pc je poměr celkového objemu pórů ve vzorku horniny, bez ohledu na jejich komunikaci, k objemu celkového vzorku (včetně pórů):
[1] kde:
Vpc = součet objemů všech pórů v hornině Vhc = celkový objem horniny včetně pórů (viz obr. 2.2) Vs = objem horninového skeletu
Vhc
=
Vs
+
Vpc
Obr. č. 2.2: Celkový objem horniny včetně pórů
Celkovou pórovitost lze laboratorně stanovit vážením – z rozdílu měrné a objemové hmotnosti
SPSKS
[%] [2] kde: ρ = měrná hmotnost horniny = poměr hmotnosti horninového skeletu (ms) k objemu horninového skeletu (Vs), tj. bez pórů, trhlin a puklin [kg . m-3]
[3]
Pro běžné určování měrné hmotnosti se používá buď metody pyknometrické nebo volumetrické. Pro získání velmi přesných údajů je používáno metody heliometrické. ρo = objemová hmotnost horniny = poměr hmotnosti horninového vzorku (mo) k objemu horninového vzorku (Vhc); tj. včetně pórů, trhlin a puklin: [kg . m-3]
[4]
Laboratorně se nejčastěji pro stanovení objemové hmotnosti používá tzv. metody trojího vážení – vážení volného vzorku na vzduchu (mo), vzorku s parafinovou vrstvou na vzduchu (m1) a vzorku s parafinovou vrstvou v destilované vodě (m2)
[5] kde: ρv = měrná hmotnost vody při teplotě vážení ρp = měrná hmotnost parafinu při teplotě vážení 6
Dále se rovněž používá metoda tzv. dvojího vážení – na vzduchu a ve rtuti. Použití rtuti je výhodné v tom, že jako inertní látka nevniká do vzorku a nemusíme proto chránit vzorek parafinovým obalem; měření však vyžaduje použití speciálně k tomu zkonstruovaného přístroje. V praxí se rovněž používá pojem objemová hmotnost úložní (ρu), což je poměr hmotnosti neporušeného horninového vzorku v rostlém stavu (mu), tj. včetně pórů, trhlin, puklin a vody v nich obsažené, k objemu celého měřeného vzorku horniny (Vhc):
[6] ad b) Pórovitost otevřená Po je poměr objemu všech navzájem komunikujících pórů (Vpo) v horninovém vzorku k objemu tohoto vzorku včetně pórů (Vhc)
[7] Hodnota otevřené pórovitosti se laboratorně stanovuje na vzorcích horniny vysušených za teploty 105 °C, při které dochází k uvolnění pevně vázané vody z povrchu horninových částic. Pro výpočet koeficientu otevřené pórovitosti je nutno znát alespoň dva z objemů charakterizujících zkoumaný vzorek horniny, tj. skutečný objem horniny (Vhc) a objem navzájem komunikujících pórů (Vpo) nebo čistý objem horniny (Vh). Nejčastěji je k určení skutečného objemu horniny používán rtuťový volumetr a po stanovení (Vpo), resp. (Vh) plynový volumetr. Na rtuťovém volumetru se odečítá objem rtuti vytlačené vložením měřeného vzorku do nádoby o konstantním objemu. Přesnost měření u běžně používaných aparatur je ± 0,1 cm3. Na plynovém volumetru je určován (Vpo), resp. (Vh) podle úbytku objemu plynu v uzavřené nádobě o konstantním objemu po vložení vzorku. Přesnost měření dosahuje hodnota ± 0,15 cm3. Z dalších metod používaných pro stanovení objemu komunikujících pórů lze uvést: - sycení pórů inertní kapalinou, - vytěsňování vzduchu z pórů.
SPSKS
ad c) Pórovitost účinná Pu je hydraulickým parametrem charakterizujícím vlastnosti geohydrodynamických systémů. Blíže viz kapitola 2.3. Póry můžeme dále dělit do dvou skupin a to: 1. podle původu na póry: prvotní (syngenetické) druhotné (epigenetické) 2. podle velikosti na póry: podkapilární (subkapilární) kapilární nadkapilární. ad 1) Dělení podle původu A. Póry prvotní (syngenetické) Tyto póry vznikají současně s horninou a mohou být v podstatě dvojího druhu: - póry mezi zrny, z nichž je hornina tvořena (mezizrnná mezernatost), 7
- pory (štěrbinky, spáry) granulometrického složení
mezi
vrstvičkami
různého
litologického
nebo
B. Póry druhotné (epigenetické) Tyto póry vznikají v hornině dodatečně, v důsledku různých změn. Podle příčiny vzniku je možno tyto póry rozdělit následovně: - dutiny vznikající rozpuštěním (vyluhováním) některých složek tvořících horninu (např. krasové jevy ve vápencích), - dutiny vznikající následkem změn objemu některých složek tvořících horninu při dehydrataci, dolomitizaci apod. Významná je zvláště dolomitizace vápenců, při nichž dochází ke zmenšení původního čistého objemu horniny až o 12 %, - pukliny vznikající v horninách působením endogenních a exogenních sil. Podle tvaru dutin (pórů s. l.) pak lze rozlišovat několik druhů pórovitosti: a) průlinovou
b) puklinovou
c) dutinovou
Jejich schematické znázornění je uvedeno na obr. č. 2.3
SPSKS Obr. č. 2.3: Druhy pórovitosti podle tvaru dutin
a) průlinová
b) puklinová
c) dutinová
Podle velikosti rozlišujeme ČSN 73 6511 pro prostředí a oběh podpovrchových vod póry kapilární a nekapilární. Kapilární póry (průliny) – ve kterých pohyb a hydromechanické účinky vody jsou důsledkem převládajícího působení kapilárních sil. Nekapilární póry (průliny) – ve kterých pohyb a hydromechanické účinky vody jsou důsledkem převládajícího působení gravitace. Pro potřeby těžby ropy a zemního plynu jsou póry děleny podle velikosti (hranice jsou dány konvenčně), do tří skupin, na: A) neprůtočné (podkapilární, resp. subkapilární) s průměry pórů pod 2 . 10-4 mm, nebo šířkou štěrbiny pod 1 . 10-4 mm. Vliv molekulárních sil horniny zde dosahuje až do středu pórů. Mezimolekulární síly mezi kapalinou a povrchem částic jsou zde tak velké, že za přírodních podmínek není pohyb kapalin v tomto prostředí prakticky možný.
8
B) kapilární, s průměry pórů mezi 2 . 10-4 mm do 0,508 mm nebo šířkou štěrbiny od 1 . 10-4 mm do 0,254 mm. K pohybu tekutin je zapotřebí – při jednofázové tekutině zcela vyplňující kapiláru pouze síla překonávající její vnitřní tření, při dvou a vícefázových směsích síla překonávající navíc mezifázové napětí na rozhraní nemísitelných fluid. C) nadkapilární, s průměry pórů nad 0,508 mm nebo šířkou štěrbiny nad 0,254 mm. Tekutina v těchto pórech je schopna pohybu působením gravitační síly a to i v případě, že v pórech vznikne mezifázové napětí na hranici kapaliny a bublinek plynu. Horninový skelet je stlačitelný, a proto hodnota koeficientu pórovitosti závisí na hloubce, tedy na geostatickém tlaku hornin. Na obr. č. 2.4 jsou uvedeny dva možné případy stlačení hornin. U pískovce se jedná o tzv. vratnou (reversní) stlačitelnost, kdy deformace probíhá v mezích pružnosti a u jílovců o stlačitelnost nevratnou, s trvalou (většinou plastickou) deformací. To znamená, že vzorek (jádro) jílovcové horniny odebrané v hloubce např. 1 800 m vykazuje na povrchu stejnou hodnotu koeficientu pórovitosti (4 %) jako v podmínkách in situ. U pískovců dochází po vytažení jádra na povrch k odlehčení a tím ke zvětšení objemu vzorku. Laboratorně stanovená hodnota koeficientu pórovitosti neodpovídá tedy zcela přesně hodnotám, které hornina má v přírodních podmínkách.
SPSKS Obr. č. 2.4: Závislost hodnoty koeficientu pórovitosti na hloubce uložení hornin
Stlačitelnost pórů U sedimentárních hornin způsobuje nárůst jejich mocnosti postupné stlačování spodních vrstev. To má za následek redukci celkového objemu horninové hmoty (Vhc) a tím i zmenšení pórovitosti. Velikost tohoto zmenšení závisí na hloubce uložení a na druhu horniny. V průběhu odtěžování vrstevních tekutin klesá tlak v pórech a vlivem tlaku nadloží jsou póry dále stlačovány. U velkých ložisek může být tato redukce tak významná, že se projeví poklesem půdy na povrchu. Např. na ložisku ropy a zemního plynu v Wilmingtonu v Kaliformii dosáhl pokles uprostřed těžební oblasti hodnoty 8 m. Celková stlačitelnost pórovité horniny (Sc) vyplývá ze stlačitelnosti mateční horniny (Sm) a stlačitelnosti pórů (Sp) viz obr. č. 2.5 Vrstevní tlak působí v pórech horniny proti geostatickému tlaku. Rozdíl mezi geostatickým tlakem (pg) a tlakem v kolektoru (pv) se nazává mezivazební tlak (viz obr. 2.6).
9
Obr. č. 2.5: Schematické znázornění celkové stlačitelsnoti pórovité horniny
Obr. č. 2.6: Tlaky působící v kolektoru
V nádržních vrstvách se mohou vyskytovat všechny uvedené typy i velikosti pórů a mohou měnit své hodnoty jak ve vertikálním, tak v horizontálním směru. Pohyb viskozních kapalin těmito nepravidelnými a mnohotvárnými póry nelze v podstatě matematicky zpracovat. Proto je v podzemní hydraulice k odvození základních zákonů používáno zjednodušujících modelů pórového prostřed – tzv. ideální a fiktivní horniny. Ideální hornina (obr. č. 2.7) je tvořena pórovitým prostředím, ve kterém jsou kanálky tvořeny systémem rovnoběžných trubiček.
SPSKS Obr. č. 2.7: Schéma ideální horniny
Fiktivní hornina (obr. č. 2.8) je tvořena částicemi kulového tvaru o stejných průměrech. Odpovídají-li filtrační odpory skutečnému kolektoru, označuje se jako ekvivalentní. V opačném případě jako neekvivalentní.
Obr. č. 2.8: Uložení zrn ve fiktivní hornině A – tzv. krychlové (volné) B – čtyřstěnové (těsné)
10
Ke stanovení základních poznatků o pórovitosti je využíváno tzv. fiktivní horniny. Vzhledem k její stavbě lze pórovitost snadno stanovit na základě čistě geometrických vztahů. Při výpočtech vycházíme z poznatku, že částice fiktivní horniny mohou zaujímat různé uložení mezi dvěma krajními případy: - tzv. krychlové (volné) uložení zrn, kdy úhel svíraný spojnicemi středů sousedních kuliček ν = 90°; - tzv. čtyřstěnové (těsné) uložení zrn, kdy úhel ν = 60° (obr. č. 2.8). Pro stanovení koeficientu pórovitosti (P) je užíván Slichterův vztah: 9
[9] Dosadíme-li do vztahu 9 mezní hodnoty úhlu ν, obdržíme ν = 60°, ν = 90°,
P = 0,2595, tj. ] 26 % P = 0,4764, tj. ] 47,6 %
z čehož vyplývá, že se hodnota koeficientu pórovitosti fiktivní horniny bude pohybovat v mezích od 26 – 47,6 %. V případě fiktivní horniny budou hodnoty celkové a otevřené pórovitosti stejné. Na obr. č. 2.9 je znázorněn tvar pórových kanálků, jimiž se bude pohybovat vrstevní kapalina při tzv. volném uložení zrn.
SPSKS Obr. č. 2.9: A – element fiktivní horniny při volném uložení zrn; B – tvar pórových kanálků při volném uložení
Se způsobem uložení zrn horniny souvisí i velikost průtočných průřezů kanálků (f) – obr. č. 2.8. V obecném případě, kdy platí podmínka 60° ≤ ν ≤ 90° bude průtočný průřez pórů dán vztahem 10 [10] Pro mezní případy dostáváme: - při nejvolnějším uložení:
f = 4 R2 – πR2 = 0,86 R2
- při nejtěsnějším uložení: 11
Poměr průtočného kanálku (f) k celkové ploše kosočtverce omezeného spojnicemi středů 4 sousedních zrn (F) je označován jako koeficient mezernatosti – neboli mezernatost (n).
[11] Z tohoto vztahu je zřejmé, že mezernatost nezávisí na průměru zrn fiktivní horniny, ale na způsobu uložení, daném úhlem (ν). V mezních případech bude mezernatost nabývat těchto hodnot: ν = 60°, n = 0,0931 = 0,1 ν = 90°, n = 0,2146 = 0,2 Z obr. č. 8 však vyplývá, že veličina (n) stanovená pomocí vztahu (11), charakterizuje průřezy kanálků v nejužším místě. Za účelem stanovení objektivnějších údajů je zaváděna tzv. střední hodnota průtočného průřezu (fstř) a střední hodnota mezernatosti (nstř) vztažená k určitému objemu pórovitého prostředí. Pro odvození základních vztahů byl použit element pórovitého prostředí (obr. č. 10) v délce (L) a příčném průřezu (F).
SPSKS Obr. č. 2.10: Element pórovitého prostředí
Průměrnou velikost plochy průtočných průřezů (fstř) lze stanovit ze vztahu:
[12] a průměrnou mezernatost: [13] Celkový objem kanálků (V) elementu pórovitého prostředí se bude rovnat: V = fstř . L = nstř . F . L
[14]
Definujeme-li tento objem pomocí koeficientu pórovitosti (P) můžeme psát: V=F.L.P
[15]
srovnáme-li dál vztahy (14) a (15), dostaneme: nstř = P fstř = P . F
[16] [17] 12
z toho vyplývá, že průměrná mezernatost je totožná s pórovitostí. Laboratorní zkoušky s fiktivní horninou lze provádět jen na modelech s čtyřstěnným uložením (setřesené vibrací). Krychlový model je prakticky nerealizovatelný. Skutečné nádržní horniny se však od fiktivní horniny dále značně odlišují – především složením, tvarem a charakterem zrn tvořících horninu. Uvedené vztahy tedy v praxi nelze nekriticky používat. Jsou však velmi užitečné tím, že nám slouží k vytvoření základních představ o některých hodnotách charakterizujících propustné vrstvy. Aby uvedené vztahy platily rovněž pro reálnou horninu, museli bychom ji zaměnit fiktivní horninou s filtračními odpory odpovídajícími skutečnému kolektoru, tzv. ekvivalentním kolektorem. Průměr zrn tohoto ekvivalentního kolektoru, který má stejné filtrační vlastnosti jako zkoumaná reálná hornina, se nazývá tzv. účinným průměrem (de). Stanovení této veličiny je – v případě klastických hornin – možné pomocí granulometrické analýzy. Granulometrická analýza spočívá v rozdělení horniny na několik částí (frakcí), z nichž každá obsahuje zrna o rozměrech daných určitými mezerami (obr. č. 2.11).
SPSKS Obr. č. 2.11: Příklady semilogaritmických granulometrických křivek získaných pomocí suché granulometrické analýzy
Granulometrickou analýzu lze provádět pomocí dvou metod: a) tzv. síťová analýza (suchá granulometrická analýza), kdy je vzorek horniny proséván přes sadu sít s různou okatostí. Užívá se obvykle sady 6 – 7 sít, která dávají 7 – 8 frakcí; b) sedimentometrická analýza (mokrá granulometrická analýza), která se používá při výzkumu hornin s velmi jemnou zrnitostí (pod 0,06 mm). Tato metoda vychází ze Stokesova vztahu pro rychlost pádu částic v kapalině. ad a) Postup při suché granulometrické analýze je následující. Zvážený vzorek zkoumané nezpevněné horniny se suší při teplotě 105 – 110 °C až do dosažení stabilní váhy. Dále je umístěn do kolony sít a prosévá se asi 10 minut. Jednotlivé frakce vzorku, roztříděné pomocí sít se zváží s přesností 0,01 g. procentová hodnota frakce je dána 13
vztahem:
(%)
[18]
kde: Gf = váha frakce; G = celková váha vzorku. Ze získaných výsledků se nejčastěji sestrojuje kumulativní granulometrická křivna (viz obr. 11), sestrojená v semilogaritmickém grafu. Z kumulativní křivky se určují následující granulometrické charakteristiky: d5, d20,...d40,... atd. – percentil, tj. průměry odpovídají 5 %, 20 %, ...40 % atd. četnosti; d25, d75, ... – kvartil, tj. průměry odpovídající 25 % a 75 % četnosti; d50 – medián, tj. průměr odpovídající 50 % četnosti; de – účinný (efektivní) průměr zrn. Jedná se o účinný průměr zrn fiktivní ekvivalentní horniny, který má stejné filtrační vlastnosti jako zkoumaná reálná hornina. Je definován jako průměr zrn frakce, jíž je v hornině méně než 10 %. Lze ho však použít jen pro značně stejnorodé horniny (s nízkou hodnotou stejnorodosti – do ks ≤ 5). Meze použitelnosti jsou dle Hazena dány takto: 0,1 mm ≤ d10 ≤ 3 mm, zde platí – de = d10 Koeficient stejnorodosti je používán ke srovnání stupně stejnorodosti hornin a stanovuje se rovněž z kumulativní granulometrické křivky:
SPSKS [19]
Koeficient stejnorodosti je využíván rovněž pro dělení nezpevněných hornin. Jako příklad uvádíme dělení dle L. Bendela: ks < 5 .............................rovnoměrně zrnité 5 < ks < 15 .............................nerovnoměrně zrnité ks < 15 ............................. velmi nerovnoměrně zrnité Pro sedimenty, u nichž je podstatný obsah zrn o průměru menším než 0,1 mm zavádí K. Terzaghi tuto úpravu pro stanovení de: [20] Hodnotu (de) lze stanovit i jinými způsoby – např. objemovým způsobem (podle Ščelkačeva a Lapuka) nebo povrchovým způsobem (podle Gazieva a Korganova). Tyto metody jsou však velmi pracné a časové náročné. Na základě granulometrických analýz jsou nezpevněné sedimenty zařazovány do tzv. zrnitostních tříd (bývalá ČSN 72 1001), viz tabulka č. 2.1.
14
Tabulka č. 2.1 Velikost zrn (mm) < 0,002 0,002 – 0,063 0,063 – 0,25 0,25 – 1,0 1,0 – 1,0 2,0 -8,0 8,0 – 32,0 32,0 – 128,0 128,0 – 256,0 < 256
Označení (název) horniny jíl prach jemný písek střední hrubý drobný štěrk střední hrubý kameny balvany
Označení zrnitosti jílová (pelitická) prachová (aleuritická) jemně psamitická středně psamitická hrubě psamitická drobně psefitická středně psefitická hrubě psefitická balvanitá balvanitá
Dále je možno z granulometrické křivky stanovit tzv. koeficient vytřídění:
[21] Čím je hodnota kv menší, tím je vzorek vytříděnější. Dobře vytříděné sedimenty mají hodnotu kv = 1,5, špatně vytříděné kv > 3.
SPSKS
Průběh granulometrické křivky nám rovněž podává orientační informaci o pórovitosti zkoumané horniny. Největší pórovitost mívají horniny, které mají jeden výrazně přšvládající průměr zrn. Granulometrická křivka má u těchto hornin velmi strmý průběh (obr. 2.11, křivka A). V případě, že průměry zrn jsou různé, hornina obsahuje více frakcí, je její pórovitost většinou malá. Granulometrická křivka má u těchto hornin pozvolný průběh (obr. 2.11, křivka B). Pórovitost však není pouze funkcí procentuelního obsahu zrn daného průměru, ale závisí rovněž na: - tvaru horninových zrn (přechází od kulovitého až po šupinkovitý), - kompaktnosti dané horniny: - horniny velmi hutné (vysoký geostatický tlak ve velkých hloubkách) - horniny velmi kypré (malý geostatický tlak v nevelkých hloubkách) - přítomnosti jílovitých, vápnitých křemitých a jiných látek v hornině, které vyplňují póry. Ve skutečnosti to znamená, že tutéž pórovitost mohou mít i horniny různého granulometrického složení. Znalost pórovitosti horninových vzorků je jedním z předpokladů pro stanovení tzv. tortuozity neboli faktoru zakřivení, který je používán pro stanovení skutečné průměrné rychlosti proudění. Tento faktor nám udává vztah elementu horninového vzorku délky (L) k délce kapilární dutiny (l) v tělese horniny. Kapilární dutina je velmi složitě utvářený průchod a faktor zakřivení je někdy nahrazován popisnějším výrazem – faktorem okliky („detour factor“). 15
Pro stanovení tortuozity lze použít Archieův vztah: kde:
T = P2u . F2
[22]
Pu = koeficient účinné pórovitosti R = faktor rezistivity vzorku (vztah mezi rezistivitou vzorku horniny nasyceného slanou vodou a slanou vodou samostatnou).
Případně vztah vycházející z teorie kapilárního modelu, kdy je průtok tekutiny porézním prostředím popisován jako proudění kapilár o různých poloměrech, odpovídajících efektivním poloměrům pórů. Lineární tok tekutiny takovýmto svazkem kapilár můžeme popsat vztahem:
[23] kde:
rk = poloměr kapilár S = koeficient nasycení Pu = koeficient účinné pórovitosti T = tortuozita
Pro řešení této rovnice je nutná znalost závislosti (rk) na (S). Pro její stanovení vycházíme ze závislosti (pc) na (S), tzv. křivka kapilárních tlaků a ve vztahu mezi kapilárním tlakem (pc) a poloměrem kruhové kapiláry (r):
SPSKS [24]
kde:
δ = povrchové napětí kapaliny ν = úhel smáčení kapaliny pc = kapilární tlak, nutný k vniknutí nesmáčivé kapaliny do kapiláry o poloměru (r).
Uvedená rovnice vyjadřuje vztah mezi pórovou strukturou horniny a její křivkou kapilárních tlaků. Křivka kapilární tlak – nasycení určuje množství a velikost pórů naplněných nesmáčivou fází. Pro fiktivní kolektor, složený ze zrn kulového tvaru stejného průměru je tortuozita rovna 2,0. Pro skutečné horniny a písky se udává v rozmezí 1,5 až 2,5 (J. Jetel, 1974). 2.1.2 Propustnost (pemeabilita) Propustnost je schopnost pórovitého prostředí propouštět svými póry tekutiny. Číselně se vyjadřuje součinitelem propustnosti (kp). Je podmíněna dvěma faktory – přítomností pórů kapilární a nadkapilární velikosti a spojitosti těchto pórů mezi sebou. Hodnota koeficientu propustnosti je závislá na rozměrech, tvaru a počtu pórových kanálků ve sledovaném průřezu horniny. Při zjišťování propustnosti horniny vycházíme ze vztahů odvozených Darcym (1856). Své pokusy prováděl Darcy pro tlakový přímkově rovnoběžný filtrační tok při svislém proudění ve směru tížnice (tj. s uplatněním gravitační síly). Uvažujeme-li pouze s horizontálně působícím tlakem postačí k odvození přístroj, jehož schéma je uvedeno na obr. č. 2.12.
16
Obr. č. 2.12: Schéma přístroje pro stanovení koeficientu filtrace
Horizontálně umístěná trubice je vyplněná pískem, kterým vlivem rozdílů tlaků dochází k filtraci vody ve směru šipky. Výšky vodního sloupce na počátku filtrační dráhy (h1) a na konci filtrační dráhy (h2) jsou po dobu pokusu konstantní. Z měření získáváme tuto funkční závislost:
SPSKS [24]
kde:
V = objem proteklé kapaliny t = čas průtoku kapaliny S = plocha příčného průřezu trubicí kf = koeficient filtrace L = délka filtrační dráhy Q = průtok h1 – h2 = ∆ = ztráta výšky na filtrační dráze
V této rovnici Darcy označil: [26] kde:
vf = fiktivní rychlost filtrace (je vztažená k celé ploše příčného průřezu trubicí) I = hydraulický sklon
po dosažení vf = kf . I
[27]
Tato rovnice představuje základní formu zápisu lineárního zákona filtrace (Darcyho zákona).
17
Koeficient úměrnosti v rovnicích (??) a (??) byl nazván koeficientem filtrace (kf) viz ČSN 73 6511. Je mírou propustnosti pórovitého prostředí pro vodu o dané kinematické viskozitě. Číselně je roven filtrační rychlosti při jednotkovém piezometrickém gradientu [tj. objemovému průtoku vody o dané kinematické viskozitě jednotkovou průtočnou plochou, při jednotkovém piezometrickém (hydraulickém) sklonu (∆ h/L = 1)]. Má rozměr rychlosti a vyjadřuje se v m . s-1. Jak vyplývá z Darcyho zákona, je koeficient filtrace komplexním parametrem, který charakterizuje jak propustnost pórovitého prostředí, jímž se tekutina pohybuje, tak i vlastnosti tekutiny samé. Koeficient charakterizující (za určitých podmínek) pouze propustnost pórovitého prostředí se nazývá koeficientem propustnosti (kp) a je mírou absolutní propustnosti pórovitého prostředí. Je dán vztahem:
[28] kde:
µ = dynamická viskozita tekutiny Q = objemový průtok tekutiny S = průřez kolektorem, kolmý na směr proudění d(p+γ.z)/dL = tlakový gradient působící kolmo k ploše průřezu kolektorem p = hydrostatický tlak z = polohová výška γ = měrná tíha tekutiny L = délka dráhy filtrace měřená kolmo k ploše průřezu kolektorem.
SPSKS
Koeficient propustnosti (kp) je pro stabilní a inertní prostředí s dostatečně velkými póry považován za geometrickou konstantu prostředí, nezávislou na povaze propouštěné tekutinyf. Stanovení koeficientu filtrace, resp. propustnosti můžeme provádět pomocí následujících metod: a) výpočtem pomocí empirických vztahů; b) měřením na horninových vzorcích v laboratorních přístrojích; c) zpracováním údajů získaných při hydrodynamickém výzkumu kolektorských vrstev; d) vyhodnocením geofyzikálních měření. ad a) Určení koeficientu propustnosti pomocí empirických vzorců Empirické vzorce zahrnují vliv geometrických vlastností filtračního prostředí a vliv teploty. Nejčastěji bývá vztah koeficientu propustnosti k ostatním vnitřním geometrickým charakteristikám hornin vyjádřen ve formě: kp = de2 – f1 (Po) . f2 (E)
[29]
kde: de = efektivní průměr zrna f1, f2 = funkce vyjadřující závislost propustnosti na otevřené pórovitosti (Po) a na struktuře a tvaru pórů (E). Jejich součin (bezrozměrná veličina) je označován jako Slichterovo číslo: SL(Po, E) = f1(Po) . f2(E)
18
[30]
Pro f1 (Po) se nejčastěji uvádí vztah: f1(Po) = Po3/(1- Po)2
[31]
hodnota f2 (E) je uváděna v rozpětí od 1/100 do 1/220. Z konkrétních vztahů navržených a používaných různými autory uvedeme alespoň následující: Vzorec: A. Hazenův J. Kozenyho
kp = C . de2/0,70 + 0,03 t/
[32]
[33] E. A. Zamarinův
kde:
[34] de = účinný průměr zrna, t = teplota, C = empirický součinitel závislý na stupni stejnorodosti a částečně na pórovitosti horniny, Pdyn = účinná dynamická pórovitost, π = teplotní součinitel, C´= součinitel závislý na pórovitosti, všichni součinitelé jsou tabelováni.
SPSKS
Výše uvedené vztahy lze používat jen pro určitá rozmezí (de) a stupně stejnorodosti. Hodnoty koeficientu propustnosti stanovené pomocí empirických vztahů mohou být použity pouze jako hodnoty orientační.
ad b) Laboratorní metody stanovení koeficientu propustnosti Koeficient propustnosti s koeficientem filtrace (kf) je zjednodušeně psáno ve vztahu:
[35] kde:
µ = dynamická viskozita kapaliny (N . s . m2) γ = měrná tíha horniny (N . m-3)
Dosazením vztahu (35) do rovnice do rovnice (25) dostaneme:
[36] 19
a z ní: [37] Tento vztah se používá pro výpočet propustnosti vzorku v případě, že se propustnost stanoví pomocí ideální (nestlačitelné) kapaliny, za přímkově rovnoběžného filtračního toku.
Pro plyn, který je stlačitelný používáme vztah: [38] kde:
Po = atmosférický tlak
Vyhodnocování měření propustnosti pro plyn však silně závisí na použitém tlakovém gradientu. Tuto skutečnost vysvětlil Klinkenberg skluzem molekul plynu na rozhraní plyn – pevná látka. Pro vyhodnocování propustnosti pak platí vztah:
[39] kde:
k´p = naměřená propustnost kp = skutečná propustnost b = konstanta p = střední tlak plynu při měření
SPSKS
Vliv efektu skluzu se zvyšuje se snižující se propustností horniny (narůstá hodnota konstanty b). Správnou hodnotu koeficientu propustnosti lze vyhodnotit grafickým řešením rovnice (38). Aplikovat tuto metodu vyhodnocení je však možné pouze v případě proudění řídicího se lineárním zákonem filtrace. Kontrolu lze provést grafickým vynesením závislosti: log Q = c(p12 – p22). V případě platnosti lineárního zákona filtrace je tato závislost přímková. Měření propustnosti se provádí tak, že vzorkem horniny známých geometrických rozměrů se nechá proudit kapalina nebo plyn, určí se rozdíl tlaků před vstupem a po výstupu, objem prošlé kapaliny nebo plynu v čase a pomocí vztahu (37) nebo (38) se vypočítá propustnost vzorku pro dané fluidum. Nejvhodnější je provádět měření inertním plynem v oblasti platnosti lineárního zákona filtrace se započítáváním Klinkenbergova efektu skluzu. Pro vlastní měření propustnosti horninových vzorků se často používá tlakový plynový permeafmetr, pracující s inertním plynem – dusíkem. Na vstupní straně vzorku se tlak postupně zvyšuje, na výstupní straně vzorku se tlak nemění a odpovídá tlaku barometrickému. Průtok plynu (Q) se určuje bublinkovým průtokoměrem (kalibrovanou byretou), přesnost měření se pohybuje v rozmezí 0,1 – 4,5 % podle velikosti průtoku. Permeametry lze rozdělit podle tlaků se kterými pracují na vysokotlaké, středotlaké, nízkotlaké a podtlakové. Z podtlakových permeametrů je často používán typ I.F.P., jehož schéma je na obr. č. 2.13.
20
A – vzorek B – stojan C – držák D – skleněná trubice s proměnlivým průřezem E – nádoba se stálou úrovní hladiny vody F – manometr
Obr. č. 2.13: Schéma podtlakového permeametru typu I.F.P.
Pro rychlé orientační stanovení propustnosti je v ropařské praxi používán nízkotlaký olejový permeametr (obr. č. 2.14). Pracuje při konstantním tlakovém spádu, který je dán velikostí zatížení jež vyvozuje tlakové hlavice. V případě nízkotlakého permeametru je ∆p = 0,1 MPa. Jako filtrační médium je používán motorový olej.
SPSKS
V hydrogeologii jsou nejběžnější tyto permeametry: − permeametr (trubice) Kamenského (označovaný rovněž jako trubice Simonova, nebo trubice SPECGEO). Používá se pro sledování propustnosti písků. V průběhu zkoušky se pracuje s proměnlivým hydrostatickým tlakem; − permeametr Thiemův-Kamenského (na stejném principu pracují přístroje D. Kapeckého, A. Myslivce, Z. Wiluna a další). Používají se pro sledování propustnosti u písčitých a písčitojílovitých kolektorů; − permeametr kompresně-filtrační (na stejném principu pracují přístroje N. N. Maslova, D. M. Znamenského, J. M. Abeleho, V. I. Chaustova a další). Permeametr slouží pro stanovení kf zemin, hlinitých a jílovitých písků, u kterých kf ve zančné míře závisí na typu pórovitosti, granulometrickém složení, struktuře a na zhutnění horniny. Stanovení se provádí při různém zatížení vzorku a při měnícím se hydrostatickém tlaku. •
Laboratorním měření propustnosti vysušené horniny inertním plynem (tj. v případě jednofázové filtrace) určíme hodnotu absolutní propustnosti horniny. Hodnoty zjištěné na jednotlivých vzorcích však nemusí být reprezentativní pro celou mocnost a plošnou rozlohu kolektoru. Darcyho zákon předpokládá pro stejnorodé izotropní filtrační prostředí určitého mechanického složení pro všechny hydraulické sklony konstantní hodnotu koeficientu propustnosti (kp). Ve skutečnosti se hodnota (kp) mění s velikostí hydraulického sklonu (I). Jsou uváděny čtyři hlavní rozsahy závislosti mezi koeficientem propustnosti a hydraulickým sklonem: − při vyšších sklonech – např. v bezprostředním okolí sondy, klesá hodnota (kp) při růstu hodnoty (I), 21
− v intervalu sklonů od 2 do 12 % je hodnota koeficientu propustnosti přibližně konstantní, − při nižších sklonech, v intervalu od 0,3 do 2 %, dochází k silnému kolísání hodnoty (kp),¨ − při sklonech menších než 0,3 % hodnota (kp) opět klesá s růstem hydraulického sklonu (I). Je to oblast normálních přírodních sklonů volné hladiny podzemní vody.
SPSKS
Obr. č. 2.14: Schéma nízkotlakého permeametru 1. tlakový píst, 2. olejový válec, 3., 6., 8., těsnění, 4. filtrační komora, 5. vzorek zalitý v dentakrylu, 7. vnitřní těsnicí matka, 9. spodní uzávěrová matka, 10. stupnice, 11. odvzdušňovací ventil, 12. výtokový otvor 22
Vypočtené hodnoty koeficientu propustnosti (kp) odpovídají tedy vždy jen určitému hydraulického sklonu, resp. tlakovému gradientu (I). ad c), d) Stanovení koeficientu propustnosti, resp. filtrace pomocí hydrodynamických a geofyzikálních metod bude popsáno dále v příslušných kapitolách. Velká pozornost byla věnována hledání možné závislosti mezi hodnotami pórovitosti a propustnosti. Výsledky jsou zřejmé z obrázků č. 2.15 a 2.16 a z jejich popisu. Na obr. č. 2.15 jsou uvedeny hodnoty pórovitosti a propustnosti 500 vzorků pískovců bradford (svrchní devon) z ložiska Bradford v severozápadní Pensylvánii. Měření bylo prováděno na horninových jádrech délky 0,3 m, která byla získána z 29 vrtů soustředěných na poměrně nevelké ploše. Předpokládá se, že uvedený pískovec má stejnorodé složení. Z grafu je zřejmé, že přes růst hodnoty propustnosti v závislosti na růstu hodnoty pórovitosti neexistuje mezi nimi jednoznačná závislost, neboť rozptyl naměřených bodů je velmi široký. Tedy libovolné hodnotě propustnosti odpovídají značně rozdílné hodnoty pórovitosti (např. propustnosti rovné 1µm2 odpovídají hodnoty pórovitosti v rozmezí od 6,5 do 15 %). Na obr. č. 2.16 je uvedena závislost mezi pórovitostí a propustností sledovaná u dvou kolektorů: na pískovci ložiska Wicox (eocén) v oblasti Mersi v Texasu (vlevo), a na jemnězrnitém pískovci ložiska Nacatoch (svrchní křída) v oblasti Bellevue v Louisianě (vpravo).
SPSKS
Obr. č. 2.15: Graf vyjadřující závislost mezi hodnotami óorovitosti a propustnosti u svrchně devonských pískovců ložiska Bradford 23
Obr. č. 2.16: Graf vyjadřující závislost mezi hodnotami pórovitosti a propustnosti pro pískovce ložisek Wilcox a Nacatoch
SPSKS
Z obrázků je zřejmá obecná závislost růstu hodnoty propustnosti se vzrůstem hodnoty pórovitosti. Jak vyplývá z výše uvedených rovnic má koeficient propustnosti rozměr plochy, takže se vyjadřuje ve čtverečních metrech (příp. v µm2 = 10-12 m2). V praxi byla dříve používána jednotka „darcy“ (D), pro kterou platí tento převodní vztah (viz J. Jetel, 1982): 1 D = 0,987 . 10-12 m2 Tento přepočet se liší od v literatuře často používaného vztahu 1 D = 1,02 . 10-12 m2, který byl získán záměnou fyzikální atmosféry (atm) na technickou (at). 1 D je však správně definován jako propustnost prostředí, které propouští příčným průřezem 1 cm2 průtok 1 cm3.s-1 tekutiny o měrné tíze 1 p.cm3 a dynamické viskozitě 1 cP účinem tlakového gradientu 1 atm.cm-1. Klasifikace propustnosti se provádí v hydrogeologii podle tabulky č. 2.2. Charakteristické hodnoty propustnosti některých kolektorů v ČR jsou uvedeny v tabulce č. 2.3. Tabulka č. 2.2: Klasifikace propustnosti hornin (podle J. Jetel, 1973) Koeficient propustnosti kp m2 µm2 -9 1.10 1 000 1.10-10 100 1.10-11 10 1.10-12 1 1.10-13 0,1 1.10-14 0,01 1.10-15 0,001
Třída propustnosti I II III IV V VI VII VIII
Označení hornin podle stupně propustnosti velmi silně propustné silně propustné dosti silně propustné mírně propustné dosti slabě propustné slabě propustné velmi slabě propustné nepatrně propustné 24
Koeficient *) filtrace kf m . s-1
Index **) propustnosti Z 7 6 5 4 3 2 1
*)
pro vodu o měrné tíze γ = 1.104 N.m-3 a dynamické viskozitě µ = 1.10-3 Pa.s pro logaritmickou přepočtovou diferenci d° = 0 Pozn.: Dříve používaná jednotka 1 Darcy (D) odpovídá zhruba 1 µm2
**)
Koeficient propustnosti definovaný vztahem (2.37) vystihuje skutečnost jen v případě, kdy kolektor je nasycen pouze jednou tekutinou. Je-li ve vrstvě přítomno více nemísitelných tekutin, vznikají na jejich rozhraní molekulární síly projevující se tzv. mezifázovým napětím. To klade přídavný odpor při průtoku směsi nemísitelných tekutin pórovým prostředím, takže hodnoty koeficientu propustnosti (kp) určované výše uvedenými postupy se snižují. Obecně platí, že propustnost prostředí je pro danou tekutinu tím menší, čím menší je nasycenost pórů touto tekutinou. Pojem koeficient propustnosti je proto zapotřebí specifikovat pro různé sycení pórů tekutinami. Rozeznáváme 3 typy propustnosti: a) celkovou (absolutní) b) efektivní (fázovou) c) poměrnou (relativní) Tabulka č. 2.3: Charakteristické hodnoty propustnosti některých hornin v ČR (podle J. Jetel, 1973) Typ kolektoru
ledovcové morény glaciální štěrky a písky
křída
neogén
kvartér
fluviální štěrky a písky
Lokalita
Třída propustnosti
Vysoké Tatry Opavsko střední Jizera Labe (Chvaletice) Hornomoravský úval Dunaj (Devín) Poprad (Svit – Poprad) Hornád (Košice) Záhorská nížina Dunaj (Kravany) Hornomoravský úval Prostějovsko Dyjskosvratecký úval Brněnsko Sokolovsko
I - III I - IV II III II – III I – II III – IV II - III III - IV III - IV VI - VII III IV – V IV IV - V
Koeficient filtrace [m . s-1] (0,1 – 20) . 10-3 (0,9 – 40) . 10-3 1,3 . 10-3 (3 – 10) . 10-4 (0,1 – 5) . 10-4 (0,1 – 6) . 10-2 (0,7 – 10) . 10-4 (0,1 – 10) . 10-3 (0,8 – 1,7) . 10-4 (0,5 – 3) . 10-4 (0,4 – 3) . 10-7 (1 – 7) . 10-4 (0,1 – 10) . 10-5 (5 – 9) . 10-5 1 . 10-5
lužická oblast lužická oblast lužická oblast královedvorská synklinála Moravskoslezské Beskydy východní Čechy permokarbon v podloží české křídy, hloubka 200 m permokarbon v podloží české křídy, hloubka 1000 m
IV III – IV IV IV – V IV – V V - VI
(1 – 5) . 10-5 1,3 . 10-4 2 . 10-5 5 . 10-6 5 . 10-6 (0,1 – 10) . 10-6
SPSKS
váté písky hlinité a prachovité písky fluviální a eolické hlíny štěrky a písky štěrky a písky jemnozrnné písky prokřemenělé pískovce (paleogen) křemenné pískovce (coniak) křemenné pískovce (střední turon) křemenné pískovce (cenoman) pískovce (cenoman) godulské pískovce do hloubky 35 m písčité spongility (spodní turon) pískovce, arkózy pískovce, arkózy
V
1 . 10-6
VIII
7 . 10-10
a) Celková (absolutní) propustnost (kpc) charakterizuje propustnost kolektoru při nasycení pouze jednou fází neomezeně mísitelných tekutin chemicky inertních vůči prostředí kolektoru. b) Efektivní (fázová) propustnost (kpf) charakterizuje schopnost pórovitého prostředí propouštět svými póry jednu určitou tekutinu za daného stupně nasycení pórovitého prostředí několika tekutinami. Z definice plyne, že kolektor obsahující současně vodu, ropu a plyn bude 25
mít tři hodnoty efektivní propustnosti, které budou záviset jednak na hodnotě celkové propustnosti a jednak na poměrném obsahu (stupni nasycení Sv, Sp, Sg každé z tekutin v pórech. To znamená, že pro různé stupně nasycení bude mít kolektor jinou efektivní propustnost pro vodu (kpv), ropu (kpr) a plyn (kpg). Jednotkou efektivní propustnosti je rovněž m2 . c) Poměrná (relativní) propustnost (kpp) je dána poměrem efektivní propustnosti pórovitého prostředí pro určitou tekutinu k jeho celkové propustnosti. Poměrná propustnost je bezrozměrná. Kolektorské horniny mohou být nasyceny jednou, dvěma, případně třemi tekutinami (viz obr. č. 2.17). Ke sledování závislosti je používána následující systematika.
SPSKS Obr. č. 2.17: Příklad třísložkového – ternárního a dvousložkového – binárního nasycení pórů
1) Samostatné systémy jednotlivých tekutin. V přírodě pouze úplné nasycení kolektoru vodou. 2) Binární (dvojsložkové) systémy: a) systém voda a ropa, b) systém ropa a plyn, c) systém voda a plyn 3) Ternární (trojsložkový) systém d) systém voda, ropa a plyn Uvedené systémy byly podrobeny důkladným laboratorním výzkumům. Ze získaných výsledků pak byly sestaveny typické grafy závislostí, z nichž ty nejdůležitější jsou uvedeny dále. Je však zapotřebí zdůraznit, že každý kolektor a každý heterogenní systém tekutin mají své vlastní závislosti, které nejsou zcela totožné s typovými.
26
é stém
Obr. č. 2.19: Průběh závislosti poměrné propustnosti na stupni nasycení pro systém ropa – plyn v nezpevněných píscích.
a) Systém voda a ropa (obr. č. 2.18) Z typových křivek je zřejmé, že v případě nasycení kolektoru ropou Sr < 15 % bude efektivní propustnost pro ropu kpr = 0. Se zvětšujícím se procentem nasycení ropou bude narůstat rovněž její podíl ve filtrující směsi a při 85 % nasycení ropou dojde k opačné situaci, kdy propustnost pro vodu kpv = 0. Tečkovaná křivka vyjadřuje součtovou hodnotu obou poměrných propustností. Minimum této křivky udává minimální celkovou propustnost kolektoru – v tomto případě to bude při nasycení 48 % vody a 52 % ropy. Z křivky rovněž vyplývá, že součet obou poměrných propustností je vždy menší než celková propustnost. b) Systém ropa a plyn (obr. č. 2.19) Z grafu je zřejmé, že v případě nasycení kolektoru plynem Sp < 10 % je efektivní propustnost pro plyn kpg = 0. Hlavní důvodem tohoto jevu je Jaminův efekt. Rovněž skutečnost, že bublinky plynu zaujímají pozici v horních partiích pórových kanálků, vede ke zmenšení průtočných průřezů a tím ke snížení propustnosti pro ropu. Se zvětšujícím se procentem nasycení kolektoru plynem narůstá jeho podíl v proudící směsi a při nasycení Sp = 58 % bude kpr = 0. Minimální součtovou propustnost bude mít kolektor v daném případě při Sr = 73 % a Sp = 27 %. c) Systém ropa a plyn Typové křivky v grafu závislosti pro nasycení kolektoru vodou a plynem mají podobný průběh jako v systému ropa a plyn a nebudou proto zvlášť popisovány. d) Systém voda, ropa a plyn Rovněž ternární systémy, kde je situace značně složitější byly v laboratořích podrobeny řadě pokusů. Vyjádření vzájemných závislostí je prováděno pomocí značně složitějších vztahů. Pro běžnou potřebu se používá tzv. trojúhelníkových diagramů, ve kterých jsou vyneseny křivky konstantní měrné propustnosti – izopermy. Na obr. č. 2.20, 2.21 a 2.22 jsou uvedeny příklady izoperm pro vodu, plyn a ropu v ternárním systému, kdy kolektor je tvořen nezpevněným pískem. Uvedené izopermy jsou zde již reprezentovány jako vyhlazené křivky. Hodnoty získané měřením vykazují totiž značný rozptyl. Průběhy izoperm ukazují, že hodnoty fázových propustností pro vodu, ropu a plyn jsou funkcí stupně nasycení pórového prostranství každou z těchto složek. Např. z obr. 2.21 je zřejmé, že
SPSKS
27
fázovou propustnost pro plyn kpg = 10 % bude mít kolektor při nasycení: Sv = 40 %, Sr = 20 %, Sg = 40 %, nebo Sv = 20 %, Sr = 40 %, Sg = 40 % apod. Na obr. č. 2.23 jsou znázorněny oblasti nasycení, ve kterých bude docházet k jednofázovému, dvoufázovému a třífázovému toku v kolektoru tvořeném nezpevněným pískem. Z grafu je zřejmé, že možnost třífázového toku je poměrně úzce ohraničená.
SPSKS
Obr. č. 2.20: Graf izoperm pro vodu v ternárním systému: voda+ropa+plyn v nezpevněných píscích
Obr. č. 2.21: Graf izoperm pro plyn v ternárním systému: voda+ropa+plyn v nezpevněných píscích 28
Obr. č. 2.22: Graf izoperm pro ropu v ternárním systému: voda+ropa+plyn v nezpevněných píscích
SPSKS
Obr. č. 2.23: Graf znázorňující oblasti nasycení, ve kterých bude docházet k jednofázovému, dvoufázovému a třífázovému toku v nezpevněných píscích
29
Laboratorní výsledky zkoumání termárních systémů se staly podkladem pro vytvoření základního fyzikálního názoru na vícefázový tok tekutiny pórovitým prostředím. Základním pravidlem při rozboru podmínek filtrace je respektování rozdílu mezi kapalnou fází, která horninové prostředí smáčí a kapalnou fází, která toto prostředí nesmáčí. Při proudění směsi kapaliny s plynem je zřejmé, že smáčivou fází je kapalina. V případě proudění směsi dvou spolu nemísitelných kapalin bývá smáčivou kapalinou obvykle voda a stejně je tomu při proudění trojfázové směsi tekutin. Z uvedených obrázků 18 až 23 je zřejmé, že existuje základní podobnost u všech křivek propustnosti pro smáčivou fázi v různých vícefázových systémech a v různých propustných prostředích. Hlavní znaky této podobnosti jsou: a) rychlý pokles propustnosti pro smáčivou fázi, jakmile obsah smáčivé fáze začne klesat pod 100 % nasycení b) téměř úplná ztráta propustnosti pro smáčivou fázi, jakmile její obsah klesne na 15 – 30 %. Pro fyzikální vysvětlení výše popisovaných jevů byla na základě laboratorních pokusů předložena V. N. Ščelkačevem a B. B. Lapukem tyto hypotéza o mechanismu filtrace ternárního systému. Voda je v kolektorech vždy přítomná a vytváří na zrnech hornin adsorpční až mnohamolekulové vrstvy. Ropa, za přítomnosti plynu a vysokého stupně nasycení kolektoru ropou, spojitě vyplňuje pórové prostory, na jejichž stěnách je přítomna vrstva vody (obr. č. 2.24).
SPSKS Obr. č. 2.24: Schéma pórových kanálků vyplněných nesmáčivou a smáčivou fází
S mírou poklesu roponasycenosti dochází k porušení této spojitosti a ropa se v kolektoru vyskytuje ve formě roztroušených kapek. Při filtraci v daném systému bude tedy po určitou dobu (než dojde k porušení spojitosti toku ropy) probíhat proudění obou fází odděleně, v zaujímaných prostorách, viz obr. č. 2.25. Za přítomnosti plynu se způsob proudění vody měnit nebude. Vzájemně se budou ovlivňovat především ropa a plyn, vystupující v ropě ve formě bublinek. Uplatní se zde zejména síly stykového (mezifázového) napětí. Při proudění filtrace v binárních a ternárních systémech musíme brát zřetel rovněž na vzrůst filtračních odporů (tj. zdánlivé snížení kp) v důsledku Jaminova efektu. Stanovení vlastností kolektorských hornin má pro potřeby praxe velký význam, neboť úzce souvisí s řešením otázek těžby kapalných a plynných uhlovodíků a vody, s uskladňováním 30
plynu v podzemních plynových zásobnících, s odvodňováním a degazací dolů apod.
Obr. č. 2.25: Schéma filtrace binárního systému při vysokém stupni nasycení kolektoru ropou
Absolutní průtočnost Koeficient absolutní průtočnosti (Ta) je definována jako míra schopnosti kolektoru o určité mocnosti propouštět tekutinu účinkem tlakového gradientu. Pro vodorovně uložený kolektor o mocnosti (M), koeficientu propustnosti (kp) a polohové výšce báze kolektoru (zb) je dán vztahem:
SPSKS [40]
V případě homogenního kolektoru je možno použít zjednodušený vztah: Ta = kp . M 2.2
[41]
Fyzikální vlastnosti tekutin
Základní pojmy Při řešení úloh v podzemní hydraulice vycházíme z představy tekutiny jako spojitého stejnorodého (izotropního) prostředí. Izotropií rozumíme stejné vlastnosti všech částeček tekutiny nezávisle na jejich poloze a směru působení sil. Daný předpoklad nám umožňuje zjednodušené řešení úloh z hydrauliky tekutin. Ve skutečnosti je pohyb tekutin složitý a porušuje se při něm izotropie, která se však neustále změnami molekulární struktury obnovuje. Základní fyzikální vlastnosti vody, ropy a plynu jsou uváděny ve všech učebnicích fyziky pro vysoké školy. Podrobnější zpracování z hlediska podzemní hydrauliky je uvedeno např. v J. Pražský, 1971, V. Homola, 1982, A. Grmela, 1982. V následujícím textu se proto zaměříme pouze na dvě z nejdůležitějších vlastností tekutin (uplatňujících se při procesech filtrace), a to na viskozitu a povrchové napětí kapalin.
31
2.2.1 Viskozita (vazkost) tekutin Důležitou vlastností vrstevních tekutin je viskozita. V podzemní hydraulice je činitelem velmi častým, neboť se v té či oné podobě vyskytuje ve většině vztahů. Viskozita se obvykle definuje jako schopnost tekutiny vzdorovat smykovému namáhání. Projevuje se za pohybu skutečných tekutin. Pohybují-li se sousední vrstvy tekutiny různými rychlostmi, vzniká na jejich rozhraní napětí, které brání pohybu. Pomalejší vrstva je zrychlována a naopak. Zmenšení rychlosti je způsobeno tečnou silou, kterou nazýváme vnitřním třením, viskozitou nebo vazkostí. Objasnění viskozity je prováděno pomocí kinetické teorie kapalin. Molekuly, které se pohybují postupnou rychlostí, konají vedle tohoto hlavního pohybu vlastní (sekundární) pohyby velkou rychlostí v různých směrech. Dráhy, které proběhnou molekuly při sekundárních pohybech jsou velmi krátké, ale přesto postačují k tomu, aby pronikly myšlenou dělicí rovinou mezi vrstvami kapaliny. Tímto pohybem dochází k výměně hybnosti molekul v jednotlivých vrstvách kapaliny. Další síly, které se při těchto pohybech uplatňují, jsou síly mezimolekulární, které brzdí popsaný pohyb. U plynů, jejichž tepelný pohyb molekul převládá nad silami mezimolekulárními, vzrůstá se zvýšením teploty rychlost tepelného pohybu molekul a tím vzroste i viskozita plynu. V případě kapalin je tomu obráceně, neboť u nich existují dosti výrazné mezimolekulární síly působící proti tepelnému pohybu molekul. Zvýšením teploty dochází k intenzivnější výměně hybnosti částic v pohybujících se vrstvách kapaliny a tečné napětí se zmenšuje. U kapalin tedy klesá vazkost s rostoucí teplotou. Tečné (smykové) napětí od vazkosti nebo zkráceně vazké napětí je určeno klasickou formulí podle Newtona
SPSKS [42]
kde:
π = síla připadající na jednotku dotykové plochy dvou sousedních vrstev tekutiny (N . m-2) dv/dr = přírůstek rychlosti na jednotku délky v kolmém směru k pohybu µ = koeficient vnitřního tření, neboli absolutní viskozita, neboli dynamická viskozita [N . s . m-2 = kg . m-1 . s-1]
Rozměr dynamické viskozity v technické soustavě µ = [kp . s . m-2] Rozměr dynamické viskozty v CGS soustavě µ = [dyn . s . cm-2 = g . s-1 . cm-1 = 1 P] Tato jednotka se nazývá pois (P). Pro praktické účely byla využívána jednotka menší, a to její setina – centipois (cP), tedy 1 P = 100 cP. Převodní vztah do soustavy SI je roven: 1 P = 0,1 . N . s . m-2 Rozměr dynamické vazkosti obsahuje jednotku síly, a proto byla tato vazkost označená jako dynamická (v dynamice se zabývá příčinami pohybu, tj. silami, který jej způsobují). Převratná hodnota dynamické viskozity je nazývána tekutostí (fluiditou). Bývá označována jako (φ). 32
[43]
Někdy se v praxi můžeme setkat také s pojmem poměrná dynamická viskozita, kterou rozumíme poměr dynamické viskozity určité látky k dynamické viskozitě srovnávací látky (obyčejně vody). Je dána:
[44] Ve výpočtech je rovněž často používán výraz µ/ρ, který je označován jako kinematická viskozita (ν). Podle SI je hlavní jednotkou kinematické viskozity /ν/ = cm2 . s-1 = 1S. Tato jednotka se nazývá stok (S) a v praxi se používala menší jednotka, jeho setina – centistok (cS), tedy S = 100 cS. Převodní vztah do SI soustavy: 1 S = 10-4 m2 . s-1. Kinematická viskozita neobsahuje (i když se týká pohybu tekutin) jednotku síly, a proto byla označena jako kinematická. Kinematika se totiž zabývá pohybem nezávisle od jeho příčin, tedy sil, které jej vyvolávají. Velikost obou viskozit – dynamická a kinematická závisí na druhu tekutiny a mění se s teplotou a tlakem. Pro stanovení závislosti viskozity na teplotě se používají poloempirické rovnice. Např. pro minerální oleje platí: [45] kde:
SPSKS
µ´ = viskozita při teplotě to, µ = viskozita při teplotě t, k = konstanta, pozybující se u olejů v intervalu teplota 21° až 54° v rozmezí 2,5 až 3,3.
Pro přesnější určení změn viskozity na teplotě je nutno použít exponenciální funkce. Nejčastěji používané závislosti mají tvar: µ = µo . e-kT
[46]
kde: µo, k = konstanty závisející na druhu kapaliny. [47] kde: νo, A, B = veličiny závisející na druhu kapaliny. Závislost viskozity na tlaku se vyjadřuje rovněž několika způsoby. Často používaný přibližný mocninový vztah má tvar: [48] µ = µ1 . kb kde: µ1, k = jsou konstanty určené měřením b = p/105 (hodnota /µ1/ se rovná vazkosti při tlaku ovzduší po = 105 N . m-2; pak p = Ø a tlak /p/ se do rovnice dosazuje jako přetlak v N . m-2). Dále je používána exponenciální závislost viskozity na tlaku 33
µ = µ1 . eap
[49]
kde: a = konstanta pro danou kapalinu. Uvedené výrazy používané pro stanovení závislosti viskozity na tlaku se dají při menších tlakových změnách nahradit jednodušším výrazem, a to lineárními: ν = ν1 (1 + c . p) kde:
[50]
ν1 = kinematická viskozita při tlaku ovzduší p = přetlak v Pa c = konstanta pro danou kapalinu (např. pro vodu je c = 10-8 Pa-1).
Tento vztah je použitelný pro všechny druhy kapalin. Změníme jen hodnoty ν1, c. Ze vzorce je patrné, že při malých změnách tlaku je změna viskozity zanedbatelná. Obecné zákonitosti změny viskozity tekutin v závislosti na teplotě a tlaku lze shrnout následovně: − s rostoucí teplotou klesá u vrstevních vod i rop a stoupá u plynů; − s rostoucím tlakem u vrstevních vod klesá a u rop mírně stoupá. V rozmezí 0 – 10 MPa je možno počítat s přírůstkem asi 0,2 % původní viskozity. To souvisí s objemovými změnami vrstevních kapalin a to s jejich koeficientem teplotní rozpínavosti a koeficientem pružné rozpínavosti; − s rostoucím tlakem u plynů stoupá.
SPSKS
Viskozita ropy je dále silně ovlivněna obsahem plynu, jehož přírůstek způsobuje silný pokles viskozity. Podle výsledků pokusů má ropa zbavená plynu (v těžařské praxi označována jako tzv. „mrtvá“ ropa) dva až třikrát větší viskozitu než ropa ve vrstevních podmínkách (tj. nasycená plynem). Viskozimetry Pro stanovení viskozity bylo vyvinuto mnoho přístrojů, pracujících na různých principech. Nejběžnější používané viskozimetry dělíme do těchto skupin: a) výtokové viskozimetry b) průtokové viskozimetry c) rotační viskozimetry d) tělískové viskozimetry ad a) Výtokové viskozimetry Měření těmito přístroji je založeno na vztahu odvozeném Piseuillem, který platí mezi objemem proteklým trubicí kruhového průřezu při daném tlakovém spádu za jednotkovou dobu a viskozitou kapaliny. Běžně používaným přístrojem je ENGLERŮV viskozimetr (obr. č. 2.26). Označíme-li (To) dobu, za kterou vyteče z daného přístroje 200 cm3 vody 20 °C teplé a symbolem (T) dobu, za kterou vyteče stejný objem kapaliny, jejíž viskozitu hledáme, můžeme poměr E = T/To použít jako měřítko hledané viskozity. Viskozita je zde vyjádřena číslem (E) v tzv. Englerových stupních. Pro přepočet viskozity vyjádřené v Englerových stupních na kinematickou viskozitu jsou používány empirické vzorce, např. 51 34
(cm2 . s-1)
[51]
nebo jednodušeji:
[52]
SPSKS
Obr. č. 2.26: Englerův viskozimetr 1 – kapalinová lázeň 2 – měřená kapalina 3 – výtoková trubice 4 – uzávěr 5 – teploměry
V zahraniční literatuře je běžně používáno označení viskozity ve stupních Redwoodových (R) nebo Sayboltových (S). Viskozimetry Redwoodův Sayboltův jsou podobné konstrukce jako Englerův, liší se jen tvarem a velikostí. Pro přepočet těchto stupňů na kinematickou viskozitu jsou používány následující empirické vzorce: (cm2 . s-1)
[53]
(cm2 . s-1)
[54]
ad b) Průtokové viskozimetry. Používají se pro kapaliny s menší viskozitou. Jejich podstatou je trubička velmi malého průměru (kapilára), kterou vlastní tíhou protéká objem 35
kapaliny. Na tomto principu jsou založeny viskozimetry mnoha autorů, např. Ostwaldův kapilární viskozimetr (obr. č. 2.27). Tímto přístrojem stanovíme kinematickou viskozitu (platí pro všechny viskozimetry, u nichž určujeme viskozitu z průtoku kapaliny její vlastní tíhou). Kromě doby průtoku určované kapaliny (T) se změří doba průtoku jedné nebo dvou kapalin (To) jejichž viskozitu (νo) a měrnou hmotnost známe. Hledanou kinematickou viskozitu (ν) stanovíme ze vztahu:
[55]
SPSKS Obr. č. 2.27: Ostwaldův viskozimetr 1 – kapilára 2 – kulová baňka 3 – značky
Obr. č. 2.28: Schéma rotačního viskozimetru 1 – měřená kapalina 2 – vnější rotující válec 3 – vnitřní válec 4 – ocelový drát 5 – stupnice
ad c) Rotační viskozimetry. Přístroje se používají pro stanovení dynamické viskozity na základě měření tření kapaliny mezi pevnou a rotující (obyčejně válcovou) plochou. Schéma přístroje je uvedeno na obr. č. 2.28. Mezera mezi oběma válci je naplněna zkoumanou kapalinou. Vazkostí kapaliny se přenáší otáčivý pohyb vnějšího válce do kapaliny, která působí na vnitřní válec, kterým se snaží otáčet. Vnitřní válec se natočí o jistý úhel, při kterém moment třecí síly od vazkosti kapaliny je v rovnováze s krouticím momentem ocelového drátu. Velikost natočení je úměrná třecí síle, která závisí na dynamické viskozitě kapaliny. Stanoví se z následujícího vztahu:
36
[56] kde:
h = smáčená výška válce kd = konstanta ocelového drátu r1, r2 = poloměry vnitřního a vnějšího válce ω = úhlová rychlost vnějšího válce Uvedená rovnice platí za předpokladu laminárního proudění mezi oběma válci. Přesnost těchto přístrojů je menší než u viskozimetrů výtokových, jsou však vhodné pro velmi viskozní kapaliny, případně pro nenewtonovské kapaliny (kde neplatí Newtonův zákon smykového napětí od vazkosti), např. pro suspenze a koloidy. Měřicích přístrojů, pracujících na tomto principu je mnoho, zejména konstrukčně zaměřených k různým zvláštním účelům. K měření nehomogenních kapalin (suspenzí) je používán Horákův rotační viskozimetr. ad d) Tělískové viskozimetry. Měření těmito přístroji je založeno na měření rychlosti pohybu (pádu) určitého známého tělíska (obyčejně koule), a to jeho vlastní tíží v kapalině, jejíž viskozitu určujeme. Nejjednodušším zařízením je Stokesův viskozimetr, který má tvar vyššího válce (viz obr. č. 2.29). Pro stanovení hodnoty viskozity je v tomto případě používán korigovaný Stokesův vztah:
SPSKS [57]
kde:
r = poloměr kuličky R = poloměr válce γk= měrná tíže kuličky γ = měrná tíže kapaliny L = vzdálenost mezi měřicími body π = doba pádu kuličky mezi měřicí body
Obr. č. 2.29: Stokesův viskozimetr 1 – měřená kapalina 2 – kapalinová lázeň 3 – kuličky 4 – měřicí místa 5 – teploměry
37
Pro přesná laboratorní měření je používán tzv. Höpplerův viskozimetr. Hlavní částí tohoto přístroje je skleněná válcová trubice, na vnitřní straně vybroušená, skloněná v konstantním úhlu 10° vůči svislici. Trubice je obklopena vodní lázní, jejíž teplota se udržuje na stálé hodnotě pomocí termostatu. Měří se opět doba, za níž padající kulička urazí určitou dráhu, která je na trubici vyznačena dvěma vyleptanými kroužky. Přístroj je vybaven sadou kuliček různých průměrů pro různá rozmezí vazkosti. Výpočet viskozity se provádí podle vztahu: µ = kk . (γk – γ) . π [58] kde: kk = konstanta kuličky, která je pro každou zvlášť uvedena v cejchovním osvědčení sady. Ostatní veličiny souhlasí s dřívějšími. Přesnost Höpplerova viskozimetru je 0,5 – 2,0 %. Pro hrubé orientační měření jsou používány tzv. bublinkové viskozimetry. Patří sem především stupňový bublinkový viskozimetr, skládající se z většího počtu (10 až 24) skleněných trubiček, naplněných kapalinami známých viskozit, vzájemně odstupňovaných a označovaných obvykle v Englerových stupních (E). V měřicí trubičce naplněné kapalinou neznámé viskozity sledujeme a srovnáváme rychlost výstupu vzduchové bublinky spolu s ostatními, postupně branými kontrolními trubičkami. K určování viskozity velmi hustých látek při teplotách blízko nad jejich bodem tání, používáme přístrojů nazývaných konsistometry. 2.2.2 Povrchové napětí kapaliny Kapalina na rozhraní se vyznačuje odlišnými vlastnostmi než ostatní objem kapaliny. Rozhraní kapaliny se jeví jako by bylo potaženo velmi tenkou, napjatou vrstvou, která se snaží stáhnout povrch kapaliny tak, aby měl co nejmenší plochu. Kdyby na kapalinu nepůsobily vnější síly, zaujala by kulový tvar, neboť koule má ze všech těles stejného objemu nejmenší povrch. Povrchové napětí je výsledkem nerovnováhy mezimolekulárních sil v příhladinové vrstvě. Na každou molekulu uvažované látky působí přitažlivé síly sousedních molekul. Tyto přitažlivé síly mezi molekulami však velmi rychle klesají s jejich vzájemnou vzdáleností a můžeme si tedy přitažlivou působnost každé molekuly prakticky omezit na určitý kulový prostor, v jehož středu je uvažovaná molekula (viz obr. č. 2.30). Tento kulový prostor je nazýván sférou molekulárního působení a jeho poloměr (rm) – poloměrem molekulárního působení. Rozložíme nyní každou molekulární přitažlivou sílu (v oblasti sféry jedné z molekul) na složku rovnoběžnou s povrchem a složku k povrchu kolmou. Složky vodorovné se vzájemně ruší. Výslednice složek kolmých k povrchu (Rv) se ruší jen potud, pokud je vzdálenost uvažované molekuly od povrchu větší než poloměr molekulárního působení (rm). Je-li však vzdálenost uvažované molekuly od povrchu menší než (rm), nebude výslednice k povrchu kolmých složek přitažlivých sil vyrovnána a bude směřovat do kapaliny. Se zmenšující se vzdáleností od povrchu, výslednice poroste a dosáhne maximální hodnoty pro molekuly, které leží právě na povrchu kapaliny.
SPSKS
38
Obr. č. 2.30: Schéma působení mezimolekulárních sil v příhladinové vrstvě
Povrchová vrstva je tak podrobena určitému tlaku, nazývanému tlak povrchové vrstvy. Povrchové napětí je pak reakcí vyvolanou tlakem povrchové vrstvy. Zatímco tlak povrchové vrstvy se snaží vtlačit částice s povrchu dovnitř kapaliny a změnit tvar tohoto povrchu, povrchové napětí klade této snaze odpor. Tlak povrchové vrstvy má směr normály k povrchu, povrchové napětí má směr tečny k povrchu. Protože působení jednotlivých molekul je omezeno na velmi malou oblast, projevuje se tato nerovnováha mezimolekulárních (kohesních) sil jen u nepatrné vrstvy kapaliny na hladině (tloušťka povrchové vrstvy je přibližně rovná 10-6 mm). Při přemístění molekuly zevnitř kapaliny na její hladinu, je zapotřebí vynaložit určitou práci proti síle (Rv). Molekuly na hladině mají vyšší potenciální energii proti molekulám uvnitř kapaliny. Aby se zvětšil povrch kapaliny, musí být vynaložena určitá práce. Proto se kapalina snaží zaujmout takový objem, který má co nejmenší povrch. Povrchové napětí je poměr povrchové energie k ploše rozhraní δ = Ep/S. Definuje se rovněž jako síla, která působí na jednotku délky povrchu, a to kolmo k této délce, a v rovině povrchu. Vlivem povrchového napětí je v povrchové bláně nahromaděná určitá energie, označovaná jako energie povrchová. Souvislost povrchového napětí s povrchovou energií lze nejlépe znázornit následujícím pokusem. Ponoříme-li drátěný rámeček s posuvnými příčkami (obr. č. 2.31) do mýdlového roztoku, vytvoří se na něm vlivem povrchového napětí tenká kapalinová blána. Síla, kterou je blána roztahována posuvnými příčkami, je dána výrazem F = δ . L, kde (L) je délka namáhaného povrchu a (δ) je povrchové napětí. Zvětšíme-li povrch blány roztažením o délku (dx), musíme přitom vykonat práci rovnou dA = F . dx = δ . L . dx. Totu vykonanou prací se zvětší povrchová energie kapaliny. Na jednotku zvětšené plochy připadá tedy zvýšení energie:
SPSKS (N.m-1)
[59]
Ze vztahu vyplývá, že plošná hustota energie se rovná povrchovému napětí. Plošná hustota energie, tj. povrchová energie plošné jednotky se nazývá kapilární konstanta.
39
Obr. č. 2.31: Schéma k určení vztahu povrchového napětí a povrchové energie
Vznik povrchového napětí je vysvětlován nerovnováhou mezimolekulárních sil za předpokladu, že kapalina s ničím nesousedí. Ve skutečnosti je vždy obklopena jinou látkou, ať již pevnou, kapalnou či plynou, a proto mezimolekulární síly od vlastní kapaliny se budou vyrovnávat s kvalitativně stejnými silami sousedního prostředí. Povrchové napětí určité kapaliny závisí na druhu látek, které tvoří rozhraní. Výsledné povrchové napětí bude dáno vektorovým součtem obou složek. A) povrchové napětí na rozhraní – kapalina – kapalina – tekutina (vzduch)
SPSKS
Uvažujme případ, kdy se na hladině vody bude nacházet kapka ropy. Na jednotlivých rozhraních budou působit tyto síly povrchového napětí (obr. č. 2.32): - vzduch – ropa – δgr - ropa – voda – δrv - vzduch – voda – δgv Ze silového obrazce je zřejmé, že v daném systému mohou nastat tyto situace dané vztahem: ≤ δgr + δrv ≥ δgv [60] Bude-li δgr + δrv > δgv, pak v bodě A bude působit výsledná síla (δ), jejíž smysl je souhlasný s vodorovnými složkami povrchových napětí (δgr) a (δrv). Stejná síla působí na kapku v bodě B, má však opačný smysl. Výslednými silami v bodech A,B, které směřují dovnitř kapky je zabráněno roztékání jejich částic po hladině vody. V případě, kdy δgr + δrv < δgv, působí výsledná síla (δ) v bodech A,B opačně než v předchozím případě a částice kapky se roztečou po hladině vody, kde vytvoří vrstvičku o tloušťce jedné molekuly.
40
SPSKS
Obr. č. 2.32: Povrchové napětí na rozhraní kapalina – kapalina – vzduch a) kapka se smršťuje dokud nenastane rovnováha b) kapka se rozteče po hladině ropy
B) povrchové napětí na rozhraní kapalina – pevná látka (hornina) Pozorujeme-li povrchu kapaliny se mohli bychom u konstatovat různě snížení okraje (obr. č. přitahuje k sobě povrchu silou (Fa) síla. Podobně částice uvnitř kapaliny, povrchu silou (Fk) Výslednice obou na částečky kapaliny k ní staví kolmo (to z podmínky plochy). Tečna zakřivenému povrchu svislou osou úhel (ν), jako okrajový (krajní)
stykové místo stěnou nádoby, různých kapalin veliké zdvižení či 2.33). Tuhé těleso částice kapaliny na zvanou adhesní nacházející se přitahují částice na zvanou kohesní síla. těchto sil (F) působí na povrchu, který se vyplývá ekvipotenciální k takto kapaliny svírá se který označujeme úhel.
41
SPSKS
Obr. č. 2.33: Příklady povrchového napětí na rozhraní kapalina – pevná látka
Podle okrajového úhlu posuzujeme stupeň smáčení, který je kvantitativním měřítkem smáčení. Velikost okrajového úhlu závisí na rozdílu povrchového napětí stěny tuhého tělesa vůči vzduchu (plynu) a vůči kapalině. Tento rozdíl bývá označován jako adhesní konstanta. Stupeň smáčení u hornin je silně závislý na jejich individuálních vlastnostech. Jestliže adhesní síly převládají nad kohesními tj. Fa > Fk, je okrajový úhel (ν) malý (adhesní konstanta je kladná), pak říkáme, že kapalina smáčí povrch tělesa (okraj kapaliny se u stěny nádoby zvedne). Horniny, které kapalina smáčí, označujeme podle druhu kapaliny – např. hydrofilní, ropofilní. Jestliže převládají kohesní síly nad adhesními, tj. Fa > Fk, je okrajový úhel ν > 90° (adhesní konstanta je záporná). Kapalina povrch tělesa nesmáčí, okraj kapaliny u stěny nádoby je snížen. Horniny, které kapalina nesmáčí označujeme podle druhu kapaliny – např. hydrofóbní, ropofóbní. Na obr. č. 2.34 jsou znázorněny příklady smáčení horniny vodou, resp. ropou v závislosti na jejich „fóbních“ vlastnostech.
42
Obr. č. 2.34: Příklady smáčení horniny v závislosti na vlastnostech kapalin. 1 – voda, 2 – ropa, 3 – „neutrální“ hornina, 4 – hydrofóbní hornina, 5 – ropofóbní hornina, 6 – hydrofilní hornina, 7 – ropofilní hornina
Stupeň smáčení hraje velkou úlohu ve filtračních procesech nastávajících při těžbě ropy. Výše uvedené poznatky lze aplikovat následovně: - úhel smáčení ν = 0, hornina bude zcela smočená vodou - úhel smáčení 0° < ν < 90°, hornina bude převážně smočená vodou - úhel smáčení 90° < ν < 180°, hornina bude převážně smočená ropou - úhel smáčení ν = 180, hornina bude zcela smočená ropou
SPSKS
Okrajový úhel, vznikající při nastupování vody na místo, kde dříve byla ropa, se nazývá nástupový úhel. Okrajový úhel, vznikající při nastupování ropy na místo, kde dříve byla voda, se nazývá ústupový úhel. Pro různé podmínky jsou tyto úhly různé. Z prováděných pokusů bylo zjištěno, že samotné okrajové úhly nestačí k dokonalému charakterizování vytěsňovacích vlastností kapaliny. Měření hodnoty okrajového úhlu je nesnadné a výsledky různých pozorování se pro tutéž kapalinu při jinak stejných podmínkách dost rozcházejí. Velký význam zde totiž má i povrchové napětí na rozhraní voda – ropa, viskozita, tlakový spád, tloušťka ulpělé vrstvy kapaliny, chemické složení apod. Stanovení povrchového napětí Ke stanovení povrchového napětí jsou nejčastěji používány tyto metody a zařízení: a) Metoda kapilárního vzestupu (elevace). Schéma zařízení je uvedeno na obr. č. 2.35. Nádobka a kapiláry jsou vyrobeny ze skla. Postup měření povrchového napětí kapaliny (např. vody) je následující. Voda – vzhledem k tomu, že smáčí skleněné stěny, vystoupí v kapiláře do určité výše a na hladině se vytvoří tzv. meniskus. Průběh tlaku v kapiláře je znázorněn na obr. č. 2.35. Nad hladinou kapaliny v nádobce a nad meniskem v kapiláře je stejný atmosférický tlak (pa). Těsně nad rozhraním voda – vzduch v kapiláře dochází k náhlému poklesu atmosférického tlaku o hodnotu (∆p). Dále po vertikále tlak opět roste a to podle přímkové závislosti, jejíž úhel úklonu je dán měrnou tíží kapaliny. V určité vzdálenosti (hr) 43
měřené od hladiny kapaliny v nádobce bude tlak (pr). Tento systém je v rovnováze. Můžeme psát: 2π . r . σ . cos ν = g . ρ . π . r2 . h kde:
[61]
r = poloměr zakřivení povrchu kapaliny (menisku) v kapiláře σ = povrchové napětí ν = okrajový úhel ρ = hmotnost kapaliny h = kapilární elevace
povrchové napětí je pak dáno vztahem: [62] výraz g . ρ . h = ∆p prezentuje hydrostatický tlak. Po dosazení: [63] Jednotka je udávána v (mN . m-1), tedy v milinewtonech na metr. Přehled hodnot povrchových napětí v závislosti na teplotě a tlaku u některých kapalin a plynů je uveden v tab. č. 2.5.
SPSKS Obr. č. 2.35: Stanovení povrchových napětí, metoda kapilárního vzestupu (elevace)
Měřicí zařízení znázorněné na obr. č. 2.35 je velmi jednoduché, avšak měření okrajového úhlu je obtížné. Je vhodné jen pro ty kapaliny, které úplně smáčejí kapiláry, tedy pro teoretický případ, kdy ν = 0, neboli cos ν = 1. Velmi poučný je však znázorněný graf vývoje tlaku. Mezi body 1 – 2 je tlak rovný atmosférickému tlaku (pa), neboť mikroskopicky malé zvýšení tlaku způsobené výškou sloupce vzduchu v intervalu mezi body 1 – 2 nemá žádný praktický význam. V bodě 4 je tlak rovněž roven atmosférickému tlaku (pa), neboť kapalina je zde v rovnovážných podmínkách. V intervalu mezi body 4 – 5 hydrostatický tlak narůstá, zatímco v intervalu 4 – 3 klesá až na hodnotu pa – ∆p. Ve vzdálenosti (h) od hladiny kapaliny v nádobce dochází k náhlému poklesu atmosférického tlaku a hodnotu (∆p) a to v důsledku 44
působení povrchového napětí. Výsledkem je vytvoření charakteristického menisku a „sací“ působení kapiláry. Tabulka č. 2.5: Některé hodnoty povrchového napětí (σ) Na rozhraní kapalina - plyn různé druhy rop/vzduch za norm. podmínek (pro tzv. „mrtvou“ ropu) olivový olej/vzduch za teploty 15 °C nafta/vzduch za teploty 18 °C toluen/vzduch za teploty 15 °C alkohol (etyl)/vzduch za teploty 10 °C destilovaná voda/vlhký vzduch při teplotě: 1 °C 10 °C 20 °C 30 °C rtuť ve vakuu za teploty: 20 °C 40 °C 60 °C 100 °C 200 °C 300 °C 360 °C rtuť/vzduch za norm. podmínek Na rozhraní kapalina - kapalina olivový olej/voda různé druhy rop/dest. voda za norm. podmínek ropa/ložisková voda Na rozhraní kapalina – pevní fáze voda/křemité sklo za teploty 25 °C voda/olovnaté sklo za teploty 25 °C benzol/sklo za teploty 25 °C hexan/sklo za teploty 25 °C
Povrchové napětí (mN . m-1) 28,4 – 33,0 32,2 24,0 28,9 24,6 75,5 74,0 73,5 71,0 471,6 468,2 464,4 456,2 431,2 399,5 376,4 465,0 Mezipovrch. napětí 20,6 21,8 – 33,3 9,8 Adhesní napětí 95,9 75,2 41,3 30,0
SPSKS
b) kapková memtoda Přístroje založené na této metodě jsou velmi jednoduché, označují se jako stalagmometry. Schéma zařízení je uvedeno na obr. 2.36. Princip měření je založen na tom, že kapalina pomalu vytékající ze svislé trubice zůstává lpět na jejím spodním okraji ve tvaru kapky, která se odtrhne teprve v okamžiku, kdy tíže kapky překročí sílu od povrchového napětí, působícího na vnější obvod trubice. Označíme-li vnější poloměr výtokové trubice (r), platí vztah: m . g = 2π . r . σ
45
[64]
Obr. č. 2.36: Stanovení povrchových napětí, kapková metoda (stalagmometry)
Povrchové napětí (σ) je tedy dáno vnějším poloměrem trubice a hmotností kapky (m). Tuto hmotnost však nemůžeme přesně určit, neboť odpadne jen větší část kapky, kdežto část menší (asi jedna třetina její hmotnosti) zůstane lpět dále na trubici. Bylo však zjištěno, že pro většinu kapalin zůstává zhruba táž poměrná část kapky na trubici, takže vážením stejného určitého množství kapek dvou kapalin dostaneme hmotnost (M1) a (M2), které jsou ve stejném poměru jako hmotnost celých kapek před jejich odtržením:
SPSKS M1 : M2 = m1 : m2
[65]
poměrné povrchové napětí pak můžeme stanovit ze vztahu σ1 : σ2 = M1 : M2
[66]
tedy: [67] kde:
σ1 = známé povrchové napětí srovnávací kapaliny σ2 = určované povrchové napětí
Jiný způsob spočívá ve stanovení počtu kapek kapaliny vyteklých ze stalagmometru v čase, kdy hladina v přístroji poklesne v daném intervalu. Povrchové napětí pak stanovíme z příslušných srovnávacích grafů.
c) metoda odtrhovací. Měřicí zařízení vycházející z této metody jsou označována jako tensometry. Nejznámější je přístroj Du Noüy-ho. Hlavní část tohoto zařízení je kruhový prstenec, vyrobený z platino-iridiového drátu, který je pomocí vahadélka zavěšen nad povrchem měřené kapaliny. Vlastní měření povrchového napětí na rozhraní kapalina – vzduch 46
se provádí následovně. Drátěný prstenec je pomořen do kapaliny a měří se síla, která je nutná k jeho odtržení od povrchu (viz obr. č. 2.37).
Obr. č. 2.37: Stanovení povrchových napětí. Metoda odtrhovací (tensometry)
Jsou-li měřena mezipovrchová napětí na rozhraní kapalina – kapalina, je prstenec ponořen na úroveň tohoto rozhraní. Měří se velikost síly, která je nutná k odtržení prstence od „filmu“ vytvořeného mezi dvěma nemísícími se kapalinami. d) výpočetní metoda. Pro výpočet povrchových napětí u směsí kapalných uhlovodíků nevrhl Katz (USA) použití tzv. parachoru. Význam parachoru definoval Sugden následujícím způsobem:
SPSKS [68]
kde:
M = molekulová tíže daného chemického individua γk = měrná tíže kapaliny γp = měrná tíže její páry σ = povrchové napětí na rozhraní kapaliny a její páry
Hodnota parachoru pro některé alifatické uhlovodíky a pro benzen jsou tyto: Kapalina:
CH4 C2H6 C5H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C6H6
Pch:
74
108
150
190
232
271
311
352
Pro stanovení povrchového napětí u směsi uhlovodíků je používán vztah:
47
206
[69] kde:
Pchi = parachor i-té složky xi, yi = molové frakce i-té složky kapaliny a páry γk, Mk = měrná tíže a molekulová tíže kapalné fáze γp, Mp = měrná tíže a molekulová tíže plynné fáze
Uvedená výpočetní metoda není příliš používaná. Stanovení dílčích hodnot používaných ve výpočtech je poměrně složité a málo přesné. Výhodnější je použití např. laboratorního měření pomocí tensometru. Zvláštním případem při měření povrchových napětí je stanovení nástupového, resp. ústupového úhlu smáčení. K tomuto účelu slouží tzv. Kotiachova aparatura (obr. č. 2.38).
SPSKS Obr. č. 2.38: Kotiachova aparatura, stanovení nástupového, resp. ústupového úhlu smáčení
Situace a) představuje schéma měření při stanovení nástupového úhlu (νN), který vzniká při nastupování vody do míst, kde dříve byla ropa. Pískovcová destička je ponořena v ropě. Pomocí svislé skleněné kapiláry zavěšené v určité vzdálenosti od pískovcové destičky přivádíme k destičce vodu. Situace b) vyjadřuje opačný případ – pískovcová destička je ponořena ve vodě a kapilárou je přiváděna ropa. Zde měříme tzv. ústupový úhel (νu). Vztah mezi povrchovým napětím u kapalin a okrajovým úhlem (viz obr. č. 2.39) lze obecně vyjádřit vzorcem: 48
[70] kde:
σ1 = povrchové napětí mezi pevnou fází a tekutinou č. 1 σ12 = povrchové napětí mezi tekutinou č. 1 a tekutinou č. 2 σ3 = povrchové napětí mezi pevnou fází a tekutinou č. 2
Obr. č. 2.39: Vyjádření vztahu mezi povrchovým napětím u kapalin a okrajovým úhlem
Se smáčením pevné látky kapalinou úzce souvisí kapilarita. Kapilarita
SPSKS
Vyskytuje se u trubiček velmi malého průměru – kapilár, nebo v pórovitém prostředí. Jsou-li adhesní síly větší než kohesní, vystoupí kapalina v kapiláře do určité výšky (h), označované jako kapilární elevace. V opačném případě, kdy kohesní síly jsou větší než adhesní, zůstává kapalina v kapiláře o výšku (h) níže než hladina okolní kapaliny. Tato výška je označována jako kapilární deprese (viz obr. č. 2.40).
Obr. č. 2.40: Kapilární elevace Kapilární deprese
Hladina kapaliny v kapiláře není rovinná, má zakřivený tvar, který nazýváme meniskus (vrchlík). V souhlase se dříve uvedeným chováním kapalin se můžeme setkat s meniskem vypouklým (konvexním) a meniskem vydutým (konkávním) viz obr. č. 40. Jen v případě, kdy je kapalina v nádobě velkého vodorovného průřezu, bude vnější povrch kapaliny v místech dosti vzdálených od středu přibližně rovinný. 49
Při zakřivení povrchu kapaliny je změna tlaku při průchodu povrchovým rozhraním jiná, než by odpovídalo rovinnému povrchu. Důvod vyplývá z následující úvahy. Předpokládáme, že molekula (m) se bude nacházet vždy ve stejné vzdálenosti pod povrchem kapaliny. Povrch (viz obr. č. 2.41) bude a)rovinný b) konvexní, c) konkávní.
rovinný
konkávní
konvexní
Obr. č. 2.41: Znázornění povrchu kapaliny
SPSKS
Složka molekulárních sil, kolmá k povrchu, která působí na molekulu, je při povrchu konvexním větší a při povrchu konkávním menší než při povrchu rovinném. Počet jednostranně působících molekul je v prvním případě menší než ve druhém. Laplace odvodil, že při vstupu do kapaliny, jejíž povrch je zakřiven ve tvaru kulové plochy, dojde náhle ke změně tlaku o hodnotu ± 2σ . cos ν/r. Kladné znaménko se vztahuje k povrchu konvexnímu, záporné k povrchu konkávnímu (blíže viz odstavec – metoda kapilárního vzestupu – elevace). Výraz 2σ . cos ν/r je nazýván kapilárním tlakem. Pro kapilární elevaci lze na základě Laplaceovy rovnice odvodit vztah:
[71] Na kapilární elevaci mají vliv teplota a mineralizace kapaliny. Se vzrůstem teploty se snižuje povrchové napětí kapaliny a tím se zmenšuje i výška kapilární elevace. Se zvýšenou koncentrací solí v kapalině se zvyšuje její povrchové napětí, proto se mineralizovaná voda v kapiláře zvedne výše než destilovaná. Při překročení určitého stupně mineralizace se však kapilární elevace opět zmenšuje. Na kapilaritu má však vliv nejen stupeň, ale i druh mineralizace (tj. chemické složení rozpuštěné látky).
Měření kapilárních tlaků
50
- Metoda elevační (membránová). Měřicí zařízení podle Welga a Bruceho je schematicky znázorněno na obr. č. 2.42.
Obr. č. 2.42: Schéma měřicího zařízení podle Welga a Bruceh 1 – dusík 2 – trubička 3 – kapka oleje 4 – zátka 5 – pružina 6 – horninový vzorek 7 – podložka 8 – membrána 9 – měřicí kapalina 10 – kalibrovaná trubička
Hlavní složkou tohoto přístroje je polopropustná membrána vyrobená např. z pórovitého keramického materiálu. Membrána obsahuje systém rovnoměrně rozložených pórů takových průměrů, že zkoumaná kapalina začne systémem filtrovat až při určitém tlakovém spádu. Vlastní měření probíhá následovně: proměřovanou kapalinou nasytíme horninový vzorek (6) a položíme jej na speciální papírovou vložku umístěnou na membráně (8). Zátkou (4) a pružinou (5) se horninový vzorek dotěsní. Trubička (2) slouží pro přívod stlačeného dusíku (1), jehož tlak je měřen manometrem. Pod membránou se nachází měřicí kapalina (např. ložisková voda) [9], která je uzavřená kapkou oleje (3). Proměřovaná kapalina, jež se bude uvolňovat za určitého tlaku ze vzorku horniny, bude procházet membránou a bude vytlačovat kapalinu do kalibrované trubičky (10), která slouží jako manometr. Pro měření můžeme použít různé druhy a kombinace tekutin. Měření jsou však velmi náročná na čas a trvají i několik dní. - Metoda rtuťová. Pro měření kapilárních tlaků touto metodou je používána aparatura sestavená Purcellem, kde měřicí kapalinou je rtuť. Vzhledem k tomu, že rtuť nesmáčí pevnou fázi, jsou zkoušky velmi krátké a hodnoty kapilárních tlaků obdržíme během několika minut. Nevýhodou této metody je, že horninový vzorek již nelze použít pro další měření. Na obr. č. 2.43 jsou uvedeny křivky kapilárních tlaků pro pískovec nasycený vodou, v závislosti na stupni nasycení (S). Obecně lze konstatovat, že velkým kapilárním tlakům (pk), odpovídají malé průměry kapilár (pórů) a opačně.
SPSKS
Obr. č. 2.43: Křivky kapilárních tlaků pro pískovec nasycený vodou, v závislosti na stupni nasycení
- Odstředivá metoda. Zařízení schematicky znázorněné na obr. č. 2.44 je konstrukce Hasslera a Brunera. Princip spočívá v tom, že velké odstředivé zrychlení zvyšuje silové pole v kapalině 51
na úroveň značně vyšší než je gravitační konstanta. V objímce (1) je umístěn horninový vzorek. Odstředivá síla způsobuje výtok kapaliny, jíž je vzorek nasycen, ve směru šipky. Objem vyteklé kapaliny lze odečíst na kalibrovaném okénku (3). Konstantní, ale početně různé hodnoty otáček odstředivky, jsou přeměněny na jednotky síly soustředěné v prostředku těžiště vzorku. Z těchto údajů a z hodnot získaných odečtením v okénku se vykreslí křivky kapilárních tlaků. Tato metoda je po teoretické stránce nejsprávnější. Doba měření se pohybuje v hodinách.
Obr. č. 2.44: Schéma měřicího zařízení konstrukce Hasslera a Brunera
Na obr. č. 2.45 je uvedena paletka sloužící pro odvození křivky kapilárních tlaků při použití odstředivé metody.
SPSKS Obr. č. 2.45: Paletka používaná pro odvození křivky kapilárních tlaků při použití odstředivé metody
Stanovení kapilárních tlaků v horninách nasycených nejen kapalinou, ale rovněž plynem nebo proplyněnou kapalinou je velmi obtížné, neboť tlaky zde úzce souvisí s fázovou propustností kolektoru. Obsahují-li nádržní horniny vázanou vodu, je možno hovořit o přímkové závislosti mezi procentem nasycení kapilár a logaritmem propustnosti. Z obr. č. 2.46 je však zřejmé, že tato závislost se mění podle chemického složení rop (druhy rop jsou označeny číslicemi 1 – 13) a podle procentuálního obsahu vody v kapilárách.
52
Obr. č. 2.46: Vztah mezi procentuálním obsahem vody v pórech propustností hornin na různých ropných ložiscích v USA
SPSKS
- Leverettova funkce. Křivky kapilárních tlaků získané proměřováním horninových vzorků jsou si navzájem dosti podobné. Tento jev podnítil Leveretta ke hledání matematických souvislostí mezi kapilárním tlakem (pkt), mezipovrchovým napětím na rozhraní dvou tekutin (σ1,2) a koeficientem propustnosti (kp). Stanovenou závislost vyjádřil následující funkcí:
[72] Někteří autoři zahrnují do výše uvedené závislosti ještě okrajový úhel (cos ν), vztah pak nabude tvar:
[73] kde:
Sn = procentuální nasycení P = pórovitost
- Brownova dynamická metoda. Zařízení umožňuje přivádět k horninovému vzorku (jádru) dvě různá ložisková média. Blíže viz lit. 12. Hodnoty průběhu kapilárních tlaků slouží rovněž ke zlepšení znalostí o kolektorských horninách. Samotný údaj o pórovitosti – dané sumou všech pórů v nádržní hornině, nestačí k poznání mezizrnných prostor. Na základě kapilárních tlaků můžeme provést rozdělení (distribuci) pórových kanálků podle průměru a získat tak přehled o převažujících velikostech (viz obr. č. 2.47). 53
Obr. č. 2.47: Distribuce pórových kanálků metodou kapilárních tlaků
Kapilarita úzce souvisí se stupněm smáčení hornin a se stupněm nasycení pórových kanálků tekutinou. Schematické znázornění závislosti v případě binárního systému (ropa-voda) je uvedeno na obr. č. 2.48.
SPSKS
Obr. č. 2.48: Schematické znázornění závislosti mezi kapilaritou, stupněm smáčení a stupněm nasycení pórových kanálků v případě binárního systému (ropa-voda) A – nasycení vodou;
B – nasycení ropou;
54
C – poloměr pórových kanálků
2.3
Systémy tvořené kolektorskými horninami a tekutinami, které je vyplňují
Nádržní horniny (kolektory) obsahují ve svém pórovitém prostředí tekutiny, které s ním vytvářejí určitý systém, zvaný geohydrodynamický. Chování vrstevních tekutin v daném systému je podmíněno řadou spolu navzájem souvisejících faktorů. Geohydrodynamickým systémem se budeme zabývat ze dvou hledisek. Jednak z hlediska hydraulických parametrů, se kterými v systému kolektor – tekutina často přicházíme do styku, jednak z hlediska klasifikace systému jako celku. Speciální hydraulické parametry označované jako geometricko-látkové charakteristiky lze rozdělit (podle J. Jetel, 1982) do tří skupin na: a) odporové charaakteristiky, b) kapacitní (evakuačně-akumulační) charakteristiky, c) kapacitně-odporové charakteristiky. O dělení geohydrodynamických systémů bude pojednáno v kapitole 3. Obecné pojmy a závislosti Vrstevní tekutina v kolektoru je vždy vystavená působení souboru sil, z nichž nejvýznamnější jsou síly mezimolekulární a gravitační. S mezimolekulárními silami úzce souvisí spojitost mezi stejnorodými molekulami, ulpívání, resp. smáčení mezi různorodými molekulami, povrchové napětí, kapilarita a nasycenost. Síla gravitační je příčinou hydrostatického tlaku. Ulpíváním molekul na stěnách pórů se tvoří vrstvy nepohyblivé nebo částečně pohyblivé kapaliny, které zmenšují průměry pórových kanálků a zvětšují průtočné odpory. Čím menší jsou částice horniny, tím větší je povrch pórů a tím větší počet molekul kapaliny na něm může ulpět. Na obr. č. 2.49 jsou uvedeny různé formy vody v systému kolektor – kapalina. Voda vázaná na povrchu pórových kanálků v jednomolekulární souvislé vrstvě je označována jako hydroskopická (1).
SPSKS
Obr. č. 2.49: Různé formy vody v systému kolektor - kapalina
Mimo převažující síly adsorbční působí zde jistou měrou i síly elektrostatické, které vyvolávají orientaci molekul vody v nejbližším okolí podle elektrického náboje. Tato voda se v pórech horniny nemůže pohybovat a lze ji odstranit pouze odpařením. Další vrstvou (několikamolekulární) nad hydroskopickou vodou tvoří voda silně vázaná (2). 55
Hlavní soudržnou silou jsou elektrostatické síly mezi opačně nabitými konci dipólů orientovaně seřazených molekul vody. Silně vázaná voda nevytváří v horninách hydrostatický tlak a nemůže se v nich pohybovat, neboť mezimolekulární síly v kapalině jsou mnohem větší než síla gravitační, resp. tlakové gradienty používané při těžbě. Na ni navazuje slabě vázaná voda (3), jejíž vrstva je mnohomolekulární. Hlavní silou vazební jsou zde rovněž elektrostatické síly mezi opačně nabitými konci dipólů molekul vody. Soudržné síly směrem od horniny klesají, neboť orientace dipólů již není tak jednotná a to jednak v důsledku disociace molekul vody, jednak vnikáním iontů disociovaných látek z oblasti volně pohyblivé vody. K pohybu slabě vázané vody může dojít při zvlášť vysokých tlakových gradientech. Silně a slabě vázaná voda se označuje souhrnným názvem jako voda obalová. Tloušťka její vrstvy nepřesahuje 0,5 µm. Ostatní voda v pórech kolektoru je označována jako volná nebo pohyblivá (4) [rovněž i volně pohyblivá]. Podléhá gravitační síle a vytváří hydrostatický tlak. Volná voda je rozdělovaná na vodu kapilární a gravitační. Kapilární voda vyplňuje pórové kanálky horniny a udržuje se kapilárními silami na úrovni vyšší, než vztlak v daném místě. Toto označení má smysl jen při filtraci dvou nebo tří nemísitelných tekutin (např. voda – ropa), na jejichž rozhraní vznikají síly povrchového napětí. Je-li pórové prostranství zcela vyplněno jen jednou tekutou fází, kapilární síly se neprojevují. Jako gravitační voda je označována ta část vody v pórových kanálcích hornin, která je při volném (gravitačním) odtoku nahrazována vzduchem, případně plyny. Jedná se o všechnu volnou vodu (tedy mimo hygroskopické, obalové a tzv. koutové kapilární vody) obsaženou v navzájem komunikujících pórech nadkapilárních rozměrů a jednak o část vody obsažené v pórech kapilárních rozměrů. Kapilární síly zde totiž působí proti odtoku a značně zpomalují pokles volné hladiny. Kapilární voda, která zůstává v pórových kanálcích, vytváří nad volnou hladinou podzemní vody tzv. kapilární třáseň neboli obrubu podepřené kapilární vody.
SPSKS
Ropa ve vztahu ke kolektoru je většinou rozdělována do tří skupin. Obalová ropa vytváří na povrchu částic ropofilních hornin tenké blány (tzv. film). Klasickými těžebními způsoby ji nelze vytěžit. Tento případ je však výjimečný, protože při liofilním a zároveň oleofóbním charakteru většiny horninotvorných minerálů je v přírodních kolektorech ropa oddělena od horniny vodní blankou různě silnou. Kapilární ropa – vyplňuje kapilární kanálky kolektorských hornin. Je těžitelná, vytěsnitelná vodou, stejně jako volná ropa, vyskytující se v pórech nadkapilárních. V přírodních podmínkách u více fázových systémů nacházíme na povrchu zrn kolektorů téměř vždy vodu hygroskopickou a obalovou a dosti často vodu volnou (obr. č. 2.50).
Obr.
56
č. 2.50: Schematické znázornění zastoupení vody a ropy v kolektorech
Další, nemísitelné tekutiny vyplňující pórové kanálky se stýkají jen s některou z uvedených vrstev vody a nikoliv přímo s horninou. Výše uvedené má velký vliv na hodnotu účinné (efektivní) pórovitosti. Rozděluje se podle podmínek, v níž se určovala (viz J. Jetel, 1974). V případě zvodní je rozlišována následující účinná pórovitost: - dynamická účinná pórovitost (Pdyn). Je definována jako objem pórů, které se účastní proudění tekutin pórovitou horninou. - Odkapná (výtoková) účinná pórovitost (Pod). Je definována jako objem gravitační a části kapilární vody, který vyteče ze vzorku horniny plně nasyceného vodou při volném výtoku, vztažený k celkovému objemu pórovitého prostředí (horniny včetně pórů). - Drenážní (odtoková) účinná pórovitost (Pdr). Je definována jako objem gravitační a části kapilární vody, který vyteče z horniny plně nasycené vodou při povlovném klesání volné vodní hladiny, vztažený k celkovému objemu osušeného pórovitého prostředí (horniny včetně pórů). Odpovídá součiniteli vododajnosti (ks) podle ČSN 73 6511. - Průtoková účinná pórovitost (Ppr). Je definována jako poměr množství vody (Q) proteklé pórovitým prostředím za časovou jednotku k průtočné ploše kolektoru (S), měřené kolmo na směr proudění a skutečné střední rychlosti proudění v kolektoru (u), měřené ve směru proudnic. 3.
Klasifikace geohydrodynamických systémů
Pro charakteristiku geohydrodynamických systémů se dnes používá několik klasifikačních soustav a každá z nich má poněkud odlišné uplatnění. Horninové prostředí umožňující pohyb vrstevních kapalin nazýváme kolektorem, resp. propustnou vrstvou. Dále je rovněž v odborné ropařské literatuře používán termín nádržní hornina, v hydrogeologické akvifer. Horniny nepropustné, nebo relativně nepropustné označujeme jako izolátory. Polopropustné vrstvy jsou označovány jako poloizolátory (akvitardy). Propustnost (permeabilita) horninového prostředí je dána výskytem tzv. pórů, které zaujímají v hornině určitý objem (jehož poměrné vyjádření nazýváme pórovitostí) a spojitostí těchto pórů. Póry bývají ve většině případů vyplněny vrstevními tekutinami, stupeň tohoto vyplnění je označován jako nasycenost. V případě, že jsou póry v hornině vyplněny pouze vodou, je toto těleso podzemní vody označováno jako zvodeň. Jedná-li se o výplň tvořenou kapalnými a plynnými uhlovodíky či jinými plyny (např. CO2, He, ...) hovoříme o tzv. akumulaci. Systém kolektor, voda (zvodněný kolektor – zvodněnec) a okolní prostředí je označován v odborné terminologii jako zvodněný systém, systém kolektor a akumulace označujeme jako ložisko. Soustava vzájemně hydrodynamicky komunikujících kolektorů a různých pohyblivých tekutin, jimiž jsou tyto kolektory nasyceny, je označována jako geohydrodynamický systém. Pro třídění zvodněných systémů jsou nejčastěji používána tato kritéria (V. Homola, 1980): a) hydraulický mechanismus, b) dynamika kapalin v kolektorech, c) hydrogeologické zóny.
SPSKS
ad a) Podle hydraulického mechanismu (označovaného rovněž jako druh síly), který uvádí vrstevní tekutinu do pohybu, rozeznáváme systémy: - s volnou hladinou (filtrace tíhová – gravitační). Piezometrická úroveň je totožná s volnou hladinou toku. Pohonnou silou je zde výhradně tíha tekutiny. Nad volnou hladinou podzemní vody je vyvinuta kapilární obruba (třáseň). Nad ní jsou póry 57
kolektoru vyplněny vedle vázané a kapilárně udržované koutové vody, zpravidla vzdušinami s atmosférickým tlakem. Působením gravitační síly proudí jen kapaliny. Zvodněné systémy s volnou hladinou jsou tvořeny převážně nádržemi mělké (freatické) podzemní vody; - s napjatou hladinou – kolektor je kryt izolátorem. Piezometrická úroveň leží nad horní hranicí kolektoru. Tlak vody na bázi nadložního izolátoru je tedy vyšší než atmosférický. Pohonná síla při filtraci je zde dána hydrostatickým tlakem, vyvolaným sloupcem kapaliny o výšce (H) rovné rozdílu absolutní výšky piezometrické úrovně a daného místa kolektoru. ad b) Podle dynamiky (pohybu) kapalin v kolektoru se systémy dělí na stagnující a proudící (čas je zde uvažován v geologickém časovém měřítku). Systémy se stagnující vodou patří takřka výlučně k systémům s napjatou hladinou, jež jsou ze stran omezeny hydraulickými bariérami. V systémech s proudící vodou označujeme místo vstupu povrchové vody do kolektoru jako infiltrační oblast, místo výstupu podzemní vody na povrch zemský nazýváme oblastí odvodňovací. Oblast mezi nimi je označována jako průtočná případně akumulační. Zvodněné systémy s napjatou hladinou, které vycházejí na zemský povrch alespoň v jednom místě, se označují jako artéské, probíhá-li jejich piezometrická úroveň alespoň v části oblasti nad úroveň terénu (takže při navrtání kolektoru dochází k přelivu vody v úrovni terénu). ad c) Do hydrogeologických zón jsou systémy děleny následovně: - zóny s intenzivní vodní výměnou se zemským povrchem (mělké, nádrže s volnou hladinou, málo rozsáhlé artéské průtočné systémy, ...), - zóny s omezenou vodní výměnou se zemským povrchem (velké průtočné artéské systémy, artéské klíny, ...), - zóny bez vodní výměny s povrchem – kolektory omezené ze všech stran hydraulickými bariérami a nepropustnými nadložními i podložními horninami (izolátory).
SPSKS
Omezení (hranice) zvodněných systémů dělíme na otevřené, které umožňují hydraulickou spojitost, případně i látkovou výměnu s okolními kolektory, a na uzavřené (tzv. hydraulické bariéry), které působí opačně. Polootevřené hranice podstatně omezují šíření hydraulických změn i látkovou výměnu. Hranice zvodněných systémů se vyznačují určitými okrajovými podmínkami, kterými se řídí hydraulické změny, případně látková výměna (blíže viz např. V. Homola, 1980). Tlaky a teploty v geohydrodynamických systémech Tlaky ve vrstvách rozdělujeme na tlak geostatický a tlak vrstevní (ložiskový). Geostatický tlak je dán tíhovou silou, kterou vyvozují nadložní vrstvy hornin. Tato síla působí na částice hornin a způsobuje jejich zhutňování. Hodnota geostatického tlaku se stanoví ze vztahu, který je analogický základní rovnici hydrostatiky a je uváděn převážně v následující podobě: P g = ρh . g . h kde:
[1]
ρh = měrná hmotnost nadložních hornin [kg . m-3] h = hloubka uložení g = zrychlení zemské tíže 58
Střední hodnota měrné hmotnosti hornin se pohybuje v rozsahu 2 300 – 3 000 kg . m-3, z čehož vyplývá, že geostatický tlak je ve většině případů 2,3 až 3krát vyšší než hydrostatický tlak vody. Vrstevní tlak je vyvozován tlakem tekutiny (vody, ropy nebo plynu), kterou je kolektorská hornina nasycena. Ve zvodněných vrstvách komunikujících s povrchem je vrstevní tlak prakticky roven hydrostatickému tlaku a pro jeho stanovení je používána základní rovnice hydrostatiky: p = ρv . g . h
[2]
Výška sloupce vody (h), který vyvozuje hydrostatický tlak, je rovna vzdálenosti sledovaného místa ve vrstvě od hladiny volné vody. U systému s napjatou hladinou od piezometrické úrovně nad daným místem. Hmotnost podzemních vod (podle mineralizace) se pohybuje většinou v rozmezí od 1 000 – 1 200 kg . m-3. Vzhledem k tomu, že stanovení hmotnosti podzemních vod po celé hloubce uložení zkoumaných vrstev je obtížné, používá se někdy tzv. smluvní hydrostatický tlak, který je roven tlaku sloupce čisté vody, jejích měrná hmotnost je 1 000 kg . m-3. Ve vrstvách uzavřených, které nekomunikují s povrchem, případně s ním mají složitou vazbu, je hodnota vrstevního tlaku dána dalšími faktory, které spolu působí s hydrostatickým tlakem. Geostatický tlak, který způsobuje zhutňování hornin, je příčinou snižování jejich pórovitosti. Část tekutin obsažena v pórech je tedy vytlačována do jiných hornin a jiných oblastí, případně k povrchu, existuje-li zde komunikační systém. Neexistuje-li tento systém a tekutina nemá z dosycovacích vrstev možnost odtoku, pak je zmenšování pórovitosti spojeno se zvyšováním vrstevního tlaku. Na zmenšování pórovitosti se mohou podílet i jiné faktory – např. procesy druhotné mineralizace, cementace apod. Může však docházet i k jiným procesům – zvyšování objemu tekutin vlivem teploty apod. Všechny uvedené jevy probíhající v uzavřených nebo polozavřených vrstvách způsobují vzrůst vrstevního tlaku nad hodnoty „normálního“ hydrostatického tlaku. Tyto zóny jsou v literatuře označovány jako oblasti s anomálně vysokým vrstevním tlakem (zkratka AVVT).
SPSKS
Obr. č. 3.1: Příklady změny vrstevního tlaku s hloubkou uložení ve zvodněných vrstvách A – komunikující s povrchem, B – uzavřených
59
Na obr. 3.1 A je uveden příklad změny vrstevního tlaku s hloubkou uložení ve zvodněných vrstvách komunikujících s povrchem. Na obr. 1 B je znázorněn obdobný graf pro případ uzavřených zvodněných vrstev. Je zřejmé, že vrstevní tlak zde značně převyšuje tlak hydrostatický a v některých specifických případech se může blížit až dosahovat tlaku geostatického. V uzavřených a polouzavřených vrstvách však můžeme pozorovat rovněž jev opačný, kdy vrstevní tlak je nižší než hydrostatický. K tomu může dojít např. při zvýšení pórovitosti (vyluhování hornin) nebo zmenšení objemu tekutin nasycujících póry (změna teploty nebo tání podzemního ledu v oblastech s věčně zmrzlou půdou). Tento druhý faktor je velmi častý např. v oblastech Jakutska a severního Tjumenu, kde jsou vrstevní tlaky ložiskových vod nižší než normální hydrostatický tlak. Ložisková (vrstevní) teplota závisí především na vnitřním teplu Země. Sezónní povrchové změny teploty ovlivňují teplotu hornin pouze do hloubky 10 – 30 m. Níže pak teplota stoupá v závislosti na geotermickém stupni, resp. jeho převrácené hodnotě geotermickém gradientu. Geotermický stupeň je roven hodnotě vzdálenosti, kterou je nutno sestoupit, aby teplota vzrostla o 1 °C. Je udáván vztahem:
[3] kde: t1 a t2 jsou teploty hornin v °C, naměřené v hloubkách h1 a h2. Geotermický gradient udává, o kolik stupňů vzroste teplota při vzestupu o 1 m. Udává se ve °C/m a lze jej stanovit ze vztahu:
SPSKS [4]
Význam symbolů t1, t2, h1, h2 je stejný jako u předchozího vztahu. Hodnota geotermického stupně se většinou pohybuje v rozmezí 10 – 35 m/°C. 4.
Zdroje vrstevní energie
4.1
Základní pojmy
Každé ložisko (kolektor) včetně zvodněných vrstev obsahuje (před otvírkou v rovnovážném stavu) určitou počáteční potenciální energii, která při těžbě přechází na energii kinetickou a spotřebovává se při filtraci tekutin pórovitým prostředím. Měřítka potenciální energie v kolektoru je vrstevní tlak. U otevřených systémů s napjatou hladinou, tj. systémů komunikujících se zemským povrchem (viz obr. č. 3), může maximální vrstevní tlak dosáhnout nejvýše hodnot daných rovnicí: 4.6. U systémů uzavřených, dokonale utěsněných izolátory a tedy bez možnosti úniku tekutin z kolektoru, mohou vrstevní tlaky dosahovat ve zvláštních případech hodnot blízkých geostatickému tlaku v dané hloubce. Vývoj a velikost vrstevních tlaků v průběhu těžby budou závislé na mnoha faktorech, z nichž nejvýznamnější jsou tyto: a) strukturně – tektonický charakter ložiska, b) faciálně – litologický vývoj ložiska, c) tvar ložiska, jeho vertikální a horizontální dosah, d) počet fází, stupeň nasycení a vzájemné uspořádání ložiskových tekutin, 60
e) fyzikálně – mechanické a fyzikálně – chemické vlastnosti nádržních hornin jako např. struktura pórů, druh pórovitosti, stlačitelnost a roztažnost, stupeň smáčení apod., f) fyzikální podmínky panující v ložisku (tlak, teplota) a dále fyzikálně – chemické vlastnosti vrstevních tekutin – např. měrná tíže, viskozita, stlačitelnost a roztažnost, povrchové napětí, nasycení ropy a vody plynem za daného tlaku, teploty apod., g) chemické složení ropy, vody a plynu, mineralizace, h) změna původního stavu zásahem průzkumné, resp. těžební činnosti, daná způsobem provádění vrtných prací, druhem sítě těžebních vrtů a jejich vzdáleností, stupněm dokonalosti sond z hlediska hydrodynamiky, rychlosti těžební otvírky, intenzita těžby atd. Zdroje vrstevní energie lze na základě výše uvedeného rozdělit do různých skupin podle potřeb jednotlivých těžařských odvětví. V hydrogeologii jsou vyčleňovány: a) systémy s napjatou hladinou (tlakové nebo náporové systémy), kde zdrojem energie tekutin jsou: - hydrostatický tlak tekutin (v němž je obsažena potenciální energie polohy), - pružnost stlačených tekutin a stlačeného kolektoru; b) zvodněné systémy s volnou hladinou, kde zdrojem energie je jen: - hydrostatický tlak. Soubor sil, které se při těžbě podílejí na vypuzování tekutin z kolektoru do vrtu, a jejich projevy při těžbě jsou označovány jako režim ložiska. Na ložiscích ropy a zemního plynu se mohou vyskytovat tyto režimy:
SPSKS
a) vodonáporový režim I. tuhý (nestlačitelný) – vliv pružnosti geohydrodynamického systému je zanedbáván. Tento režim je rovněž označován jako artézský, II. pružný (stlačitelný) – s vlivem pružnosti geohydrodynamického systému se počítá (jedná se o rozpínání stlačené zaokrajové, případně podestýlající vody); b) režim rozpuštěného plynu c) plynonáporový režim I. tuhý (nestlačitelný) – vliv pružnosti systému je zanedbáván, II. pružný (stlačitelný) – s vlivem pružnosti systému se počítá; d) gravitační režim e) smíšené režimy (v přírodních podmínkách jsou velmi časté) V případě režimů označených b), c) a d) je zaokrajová případně podestýlající voda považována za nepohyblivou. Jiné, jednodušší dělení režimů ropných a plynových ložisek je uváděno např. J. Pražský (1971).
61
Rozlišuje: režim: - tlaku vrstevní vody, - tlaku stlačeného přírodního plynu, - gravitace - tlaku napjaté horniny a stlačené kapaliny, a jejich smíšené působní s měnícím se pořadím důležitosti. 4.2
Samostatné zdroje vrstevní energie
Vodonáporový režim I. Tuhý (nestlačitelný) Uplatňuje se u ložisek komunikujících hydraulicky s povrchem (resp. s oblastí napájení) přirozenou cestou nebo uměle (viz obr. 4.1, 4.2), kde hlavním zdrojem energie je hydrostatický tlak tekutin.
SPSKS Obr. č. 4.1: Schéma ložiska komunikujícího s povrchem
Obr. č. 4.2: Schéma druhotné těžby ropy formou zaokrajového zavodňování 62
Vliv pružnosti těchto geohydrodynamických systémů je zanedbáván. Nejlépe tomuto případu odpovídá situace při aplikování druhotné těžby ropy formou zaokrajového zavodňování (viz obr. č. 4.2). Množství vody zatlačené do zavodněné části ložiska je rovno těženému množství vrstevních kapalin. Vrstevní tlak se v průběhu těžby prakticky nemění a pružnost vrstevního systému se nemůže uplatnit. U ložisek, kde oblast napájení nestačí pokrýt celkové úbytky způsobené těžbou, dochází k poklesu vrstevního tlaku a postupně se začínají uplatňovat i jiné zdroje energie. Sledování vrstevního tlaku u otevřených zvodní je z hlediska měření a předvídání nejjednodušší, neboť vrstevní tlak je zde těsně spojen s hloubkou uložení vrstvy. Četná pozorování na ložiskách s vodonáporovým režimem ukázala, že velikost přírůstku tlaku na 10 m hloubky se pohybuje v rozmezí od 0,074 MPa do 0,125 MPa. Lze tedy říci, že počáteční vrstevní tlak v ložiscích tohoto typu, kolísá v rozmezí ± 25 % kolem tlaku, který by odpovídal hydrostatickému tlaku sloupce vody rovného hloubce uložení vrstvy. Jedná se zejména o ložiska obsahující ropu, zemní plyn i vodu (viz obr. č. 4.3).
SPSKS Obr. č. 4.3: Schéma k výpočtu rozložení vrstevního tlaku ve vrstvě
Postup výpočtu hydrostatického, případně aerostatického tlaku v jednotlivých částech kolektoru je prováděn následovně: v místě průniku vrtu č. 1 počvou zvodněné vrstvy odpovídá vrstevní tlak (Pv1) hydrostatickému tlaku sloupce vody (hv1γv). Rozhraní akumulace ropa – voda se nachází na úrovni o (hx) vyšší, než je počva vrstvy ve vrtu č. 1. Tlak na rozhraní bude tedy menší o hydrostatický tlak sloupce vody o výšce (hx) pvr = hv1γv – hx . γv = (hv1 – hx) . γv
[4.1]
V úrovni paty projektového vrtu č. 2, který zachycuje část kolektoru obsahující ropu ve výši (hy) nad rozhraním voda – ropa bude vrstevní tlak nižší o tlak sloupce vody (pr):
63
pR = hy . γR
[4.2]
a tedy vrstevní tlak v tomto místě: pv2 = (hv1 – hx) . γv – hy . γR
[4.3]
Rozhraní akumulace ropa – plyn se nachází na úrovni o (hr) vyšší než rozhraní voda – ropa a tlak zde bude vyjádřen vztahem: prg = pvr – hr . γr
[4.4]
Vrstevní tlak ve vrcholu plynové akumulace (vrt č. 3) bude oproti tlaku na rozhraní ropa – plyn zmenšen o aerostatický tlak sloupce plynu (hg) s měrnou tíhou (γg). pv3 = prg – hg . γg
[4.5]
Obecně tedy výsledný tlak (pv) ve vrcholu plynové akumulace bude: pv = hv . γv – hr . γr – hg . γg kde:
[4.6]
hv = výška vodního sloupce γv = měrná tíha vody hr = výška sloupce ropy γr = měrná tíha ropy hg = výška sloupce plynu γg = měrná tíha plynu (určována pro střední tlak plynu v plynové akumulaci)
SPSKS
Vrstevní tlaky v roponosné a plynonosné části ložiska mají hodnoty vyšší než hydrostatický tlak v příslušné hloubce, neboť měrná tíže ropy a zejména plynu je menší než měrná tíže vody. Uvedených vztahů lze použít pouze pro orientační výpočty, neboť měrné tíže vrstevních tekutin nejsou ani v jedné a téže akumulaci konstantní. Mění se s rostoucím tlakem, teplotou a dále v důsledku lokálních odchylek ve složení tekutin a množství rozpuštěného plynu. II. Pružný (stlačitelný) V uzavřených ropných ložiscích (obr. č. 4.4) s velikou zásobou okrajových, případně podestýlajících vod je hlavním zdrojem energie pružnost stlačených kapalin a stlačeného kolektoru. Při vzniku ložiska dochází vlivem tlaku kapalin v pórech kolektoru ke stlačování horninových zrn a tím k rozšiřování pórových kanálků. Hornina tedy pohlcuje (akumuluje) určité množství energie původního systému. Rovněž značná množství kapalin vyplňujících kolektor pohltí určitou část energie systému tím, že se komprimují svým vlastním hydrostatickým tlakem. Pokusy bylo zjištěno, že stlačitelnost kapalin za ložiskových podmínek je 10 – 12krát větší než na povrchu. Deformace hornin je menší než stlačitelnost kapalin, udává se v rozsahu 5 – 25 % hodnot stlačitelnosti kapalin. Způsobíme-li těžbou v tomto systému pokles vrstevního tlaku, počne se kapalina ve vrstvě rozpínat a pórové prostory se zmenšují. Uvolněná akumulovaná potenciální energie se spotřebuje jednak při expanzi kapaliny, jednak při překonávání filtračních odporů.
64
Obr. č. 4.4: Schéma uzavřeného ložiska
Režim rozpuštěného plynu Může být hlavním zdrojem energie v ložiscích, kde kapalina není při daném vrstevním tlaku plynu zcela nasycená (obsah rozpuštěných plynů nedosahuje hranice nasycení) a plynová čepice se tedy nemohla vytvořit. Tlakem nasycení je nazýván takový vrstevní tlak, při jehož nepatrném snížení se počnou vylučovat z kapaliny první částice rozpuštěných plynů. Mechanismus vytlačování kapaliny z kolektoru vyloučeným a expandujícím plynem je na obr. č. 4.5. Tlaku nasycení vrstevních kapalin rozpuštěnými plynu odpovídá určitá výtlačná (piezometrická) úroveň, označovaná jako hladina tlaku nasycení Hnas. Dojde-li ke snížení tlaku v kolektoru pod tlak nasycení, vyloučí se z kapaliny určité množství rozpuštěného plynu. Tento vyloučený plyn (stlačený okamžitým vrstevním tlakem) vytlačuje kapalinu z pórových kanálků do vrtu.
SPSKS
E – body evaze plynu z kapaliny Hnas – hladina tlaku nasycení Hk – statická výtlačná úroveň kapaliny v kolektoru
Obr. č. 4.5: a) tlak v kolektoru je vyšší než tlak nasycení, rozpuštěný plyn se nevylučuje b) tlak v kolektoru do vzdálenosti (Rn) je nižší než tlak nasycení a rozpuštěný plyn se zde vylučuje 65
Plynonáporový režim Velmi rozšířeným druhem vrstevní energie je energie stlačeného vrstevního plynu. Může být hlavním druhem vrstevní energie v uzavřených ložiscích uhlovodíků nebo v ložiscích chráněných před vlivem okrajových vod. Mohou se vyskytovat ve dvou variantách: I) První případ, kdy zanedbáváme pružnost systému kolektor – tekutina, může nastat pouze při použití druhotných těžebních metod – a to plošného zatlačování plynu do plynové čepice (obr. č. 4.6). Množství zatlačeného plynu musí být takové, aby nedocházelo k poklesu vrstevního tlaku v plynové čepici. Objem plynové čepice roste a ropa je vytlačována z pórových kanálků do míst nižšího tlaku, tedy směrem k těžením sondám.
SPSKS
Obr. č. 4.6: Schéma druhotné těžby ropy formou plošného zatláčení plynu. Plynonáporový režim, (nestlačitelný)
II) Ve druhém případě je potenciální zásoba „plynové“ energie dána pouze energií volného plynu soustředěného v plynové čepici (viz obr. č. 4.7). V průběhu odtěžování ropy dochází k poklesu vrstevního tlaku, volný plyn v plynové čepici se rozpíná, objem pórového prostranství zaujímaného plynem roste a ropa je vytlačována do vrtů. Při posuzování tohoto zdroje energie je přijat předpoklad, že vrstevní tlak (ani v přípočvové oblasti sondy) neklesne pod tlak nasycení, tzn. že se z ropy nebude vylučovat rozpuštěný plyn. Obr. č. 4.7: Schéma uzavřeného ložiska , plynonáporový režim, stlačitelný 66
Gravitační režim Tento režim vzniká v případě uzavřených ukloněných ložisek ropy, kdy zdrojem energie je hydrostatický tlak vlastní kapaliny (obr. č. 4.8). Kapalina tedy má určitou potenciální energii i v případě, že ostatní zdroje nepůsobí. Velikost tangenciální složky síly gravitace, působící ve směru úklonu vrstvy bude tím větší, čím větší bude úhel (α). Tečná složka (T) gravitační síly (G) je dána vztahem: T = G . sin α [4.7]
SPSKS Obr. č. 4.8: Schéma otevřeného ložiska s gravitačním režimem
Potenciální zásoba energie kapaliny u každého z vrtů je omezena pouze na tu část ložiska, která leží nad dnem vrtu. Rovněž u zvodněných systémů s volnou hladinou je zdrojem potenciální energie jen hydrostatický tlak. Smíšené režimy U většiny ložisek se výše uvedené zdroje vrstevní energie uplatňují buď současně, nebo s překrývající se návazností za sebou, a to podle míry důležitosti. Určování vrstevních tlaků případně dynamických tlaků u výše uvedených systémů se provádí měřením. Přístroje a jejich umístění jsou voleny podle typu ložiska. U ložisek s vrstevním tlakem vyšším, než je tlak hydrostatický, dochází po navrtání k samovolnému výtoku (tzv. těžba samotokem). Tlaky zde můžeme měřit přímo na ústí manometrem, případně váhovým lisem a to dle vystrojení sondy – v mezikruží (sonda není vybavena pakrem) nebo v těžebních trubkách (stupačkách). Získané hodnoty jsou pak přepočteny k úrovni dna sondy, resp. ke středu perforace. Ložiska, kde vrstevní tlak nedosahuje tlaku hydrostatického, vystoupí kapalina ve vrtu jen do určité výše, kde se ustálí. Tato hladina je označována jako ustálená statická hladina (USH). 67
Hladina vytvořená ve vrtu během těžby je označována jako dynamická hladina. Pro stanovení tlaku na dně sondy je nutno změřit úroveň hladiny v sondě a provést příslušný přepočet, nebo použít k měření hlubinný manometr. Použití hlubinných manometrů je výhodné rovněž u prvního typu ložiska. Tlaky měřené v klidovém stavu (po ustálení) jsou označovány jako statické, tlaky měřené za neustálených podmínek, jsou nazývány dynamickými. Jednotlivé případy měření tlaku jsou uvedeny na obr. č. 4.9.
SPSKS
Obr. č. 4.9: Schéma způsobu měření tlaku v případě samotokové těžby 1 – v mezikruží 2 – v těžebních trubkách 3 – hlubinným manometren na počvě sondy
4.3
Odpory bránící pohybu tekutiny vrstvou
Těžíme-li tekutiny z pórovitých kolektorských vrstev, pak těžební sondy představují středy oblastí sníženého vrstevního tlaku. V těchto oblastech proudí vrstevní tekutiny složitými systémy pórových kanálků z míst vyššího vrstevního tlaku k místům nejnižšího vrstevního tlaku, která se nacházejí v osách vrtů. Síly, vytěsňující tekutiny pórovými kanálky směrem k těžebním sondám, musí přemáhat dva druhy odporů a to dynamické a statické. Mezi dynamické odpory řadímě: a) „hydraulické“ odpory, b) vnitřní tření tekutiny (viskozitu), c) mezifázové tření ve směsi tekutin při relativním pohybu složek, d) odpor bublinek vyloučeného plynu proti deformaci při protlačování kapalným prostředím (Jaminův efekt). ad a) „Hydraulické odpory“ Tyto odpory způsobují ztráty energie tekutiny a dělíme je podle fyzikální podstaty na: - tření tekutiny o stěny pórových kanálků (tzv. ztráty třením), - víření kapaliny při změně rychlosti (tzv. místní ztráty). 68
Hydraulické ztráty třením jsou při proudění způsobeny vazkostí tekutiny, která vyvolává tření při obtékání ploch. Tyto ztráty rostou s délkou filtrační dráhy. Tzv. místní ztráty vznikají tam, kde dochází ke změně velikosti rychlosti (rozšířením nebo zúžením průřezu pórového kanálku) nebo směru proudu (zakřivení kanálků – tortuozita) anebo k oběma změnám současně. Podstatou místních ztrát je víření tekutiny. Význam těchto ztrát roste s hodnotou tortuozity. K překonávání výše uvedených odporů při proudění tekutiny se spotřebovává určitá mechanická energie, která se odebírá tekutině a mění se v teplo. Proudí-li pórovitým prostředím jednofázové tekutiny, přibližují se zákonitosti pohybu tímto prostředím (zvláště u nadkapilárních kanálků) zákonitostem pohybu tekutin potrubím. Ke stanovení tlakového spádu (∆p) potřebného na překonání hydraulických odporů je pak možno využít rovnice označované jako Darcy-Waissbachova
[4.8] kde:
λ = koeficient hydraulických oborů, obecně: λ = f(Re, ε), Re = Reynoldsovo číslo, ε = poměrná drsnost obtékané plochy, L = filtrační dráha, d = poloměr pórových kanálků, c = střední rychlost, γ = měrná tíže tekutiny.
SPSKS
Získané údaje jsou však pouze orientační, neboť stanovení hodnot vstupních údajů je velmi složité a nepřesné. Pro různé druhy kolektorských hornin byly proto na základě pokusů sestaveny empirické rovnice, jejichž použití je však rovněž omezené. O velikosti hydraulických odporů je možno soudit podle velikosti smáčeného povrchu pórových kanálků. Velikost smáčeného povrchu pískových zrn u klasických kolektorů je značná. Např. u fiktivní horniny s průměrem zrn 0,589 mm činí v 1 m3 písku povrch zrn 7 187 m2. Jsou-li zrna písku menší, o průměru zrn 0,074 mm, činí tento povrch již 56 306 m2. Z uvedeného je zřejmé, že při pohybu tekutiny kolektorem budou odpory tím větší, čím větší bude smáčený povrch zrn, tj. čím menší bude průměr zrn. Tento poznatek platí rovněž pro zpevněné kolektory horniny. Filtračních procesů v těchto kolektorech se však nebudou zúčastňovat izolované póry a póry podkpilární. Povrch pórových kanálků pak označujeme následovně: a) celkový povrch pórů v hornině, b) „otevřený povrch“ pórových kanálků v hornině, c) efektivní (filtrace se účastnící) povrch pórových kanálků v hornině. U nezpevněných hornin se výskyt izolovaných pórů nepředpokládá a označení celkový a otevřený povrch jsou totožná. Stanovení povrchu pórových kanálků Pro stanovení otevřeného povrchu pórových kanálků u nezpevněných hornin je v bývalém 69
SSSR často používána metoda vypracovaná B. V. Derjaginem. Schéma zařízení je uvedeno na obr. č. 4.10. Výpočet je založen na předpokladu vzájemné závislosti mezi povrchem pórových kanálků, pórovitostí, tlakovým gradientem a teplotou a mezi molekulární hmotností plynu a rychlostí jeho filtrace vzorkem.
Obr. č. 4.10: Stanovení povrchu pórových kanálků. Schéma aparatury dle B. V. Derjagina
Výpočet je prováděn podle vztahu:
SPSKS [4.9]
kde:
Q = průtok plynu přes jednotkovou plochu vzorku, Po = koeficient otevřené pórovitosti s = otevřený povrch pórových kanálků (předpokládá se, že všechny pórové kanálky se účastní procesu měření a tedy označení celkový, otevřený a efektivní povrch jsou v podstatě totožná), M = střední molekulární hmotnost vzduchu, R = plynová konstanta, T = teplota při pokusu, ∆p/∆x = tlakový gradient.
Rozsáhlé výzkumy této oblasti prováděli rovněž Kozeny a Kotjachov. Pro stanovení celkového povrchu pórových kanálků u klasických hornin navrhli vztah:
[4.10] kde:
s = celkový povrch pórových kanálků (m2 . m-3) ρ1 = objemová hmotnost horniny (kg . m-3) ρ2 = měrná hmotnost horniny – čisté horninové hmoty (kg . m-3) ρh = hmotnost horniny (kg) di = střední průměr částic dané frakce (m) ρhi = hmotnost dané horninové frakce (kg)
70
Dále platí: [4.11] kde:
P = koeficient celkové pórovitosti (v desetinách jednotky)
pak: [4.12] Poměr členů z výše uvedeného vztahu představuje efektivní průměr (de) zrn kolektoru. Výraz tedy můžeme přepsat: [4.13] Kozený dospěl ke vztahu, v němž povrch pórových kanálků je určován pomocí hydraulického poloměru (δ) [4.14] nebo pomocí středního poloměru pórových kanálků (rstř)
SPSKS [4.15]
případně, když dosadíme místo rstř vztah pro jeho výpočet, pak:
[4.16] kde:
kp = koeficient propustnosti (m2) α = strukturní koeficient, charakterizující zvláštnosti skutečné kolektorské horniny.
Z výše uvedených vztahů je zřejmé, že povrch pórových kanálků souvisí s poloměrem pórových kanálků, koeficientem propustnosti a strukturním koeficientem. Čím menší bude poloměr pórových kanálků a koeficient propustnosti horniny, tím větší bude povrch pórových kanálků. Upravené metody měření a výpočtů se používají rovněž při výzkumu stmelených hornin (viz lit. Wieczysty, A.: Hydrogeologia inženierska, PWN, Warszawa, 1970). Obecně se uvádí, že efektivní povrch pórových kanálků odpovídá přibližně 70 % celkového povrchu pórového prostranství. Mimo smočeného povrchu pórových kanálků a již zmíněných parametrů má na velikosti 71
hydraulických odporů vliv také rychlost průtoku, neboť se zvýšenou rychlostí vzrůstá vliv viskozity a tření. Ve většině případů jsou však rychlosti průtoku kapaliny vrstvou malé a režim proudění je laminární. Při značném tlakovém spádu – zejména v příčelbové zóně v okolí vrtu, vzrůstají rychlosti průtoku tak, že může dojít k přechodu na režim turbulentní. Ztráty vrstevní energie připadající na překonání těchto hydraulických odporů jsou vyšší. ad b) Viskozita (vazkost) tekutin Tato vlastnost tekutin je podrobně popsaná v kapitole č. ??. Z uvedené je zřejmé, že odpor, který tekutina z titulu viskozity bude klást síle, snažící se ji uvést do pohybu a udržet ji v pohybu, bude přímo úměrný této viskozitě. Velikost síly nutné k překonání tohoto odporu stejně jako viskozita závisí především na tlaku a teplotě. ad c) Mezifázové tření ve směsi tekutin při relativním pohybu složek Uplatňuje se při dvoufázových a třífázových filtračních tocích buď jen kapalin nebo kapalin a plynů. V těchto případech je nutno použít upravených výpočetních metod (viz Noskievič, J.: Hydraulika (Hornická příručka I.), SNTL, Praha, 1973). ad d) Jaminův efekt Tento jev je pojmenován podle francouzského badatele Jamina, který jako první stanovil, že kapalina obsahující bublinky volného plynu nebo bublinky jiné kapaliny, nemísitelné se základní kapalinou, vykazuje při pohybu pórovými kanálky větší odpor, než odpovídá obecným zákonitostem. Síla vynakládaná na překonání tohoto odporu musí být tím vyšší, čím prudčeji se mění průřez kanálků. Plynové nebo jiné bublinky jsou totiž při průchodu proměnlivými průřezy nuceny měnit svůj tvar a tím i velikost povrchu a tato deformace vyžaduje určité vynaložení síly „navíc“. Popisovaný jev je zásadně odlišný o jakéhokoliv tření a vzniká následkem diferenciální změny tvaru menisků, které probíhá na kontaktu bubliny a kapaliny. Zdůvodnění daného jevu si provedeme pomocí následujících obrázků č. 4.11, 4.12 a 4.13. Na prvním z nich (obr. č. 4.11a) je znázorněna situace, kdy se v kapiláře nachází voda s ropou za rovnovážných podmínek. Kapilární síly na rozhraní dvou prostředí jsou:
SPSKS [4.17]
Případ, kdy se v pórových kanálcích vyskytují ve vodě kapky ropy, je znázorněno na obr. č. 4.11b. Při stejných okrajových úhlech a při konstantním poměru kapilár platí:
[4.18]
Obr. č. 4.11: Jaminův efekt. Pohyb kapek kapaliny v kapalině 72
V přírodních podmínkách jsou málokdy splněny výše uvedené předpoklady. Změna průměru pórového kanálku je znázorněna na obr. č. 4.12a. Tlakový rozdíl mezi místy A, B je dán vztahem:
[4.19] Při rozdílných okrajových úhlech (obr. č. 4.12b) má výpočetní vztah tento tvar:
[4.20] Pro situaci, kdy kapka (bublina – obr. č. 4.12c) tvoří rozhraní mezi dvěma kapalinami, nabude vzorec následující tvar:
[4.21]
SPSKS Obr. č. 4.12: Jaminův efekt. a, b) pohyb kapek kapaliny v kapalině c) pohyb bublinek plynu v kapalině
Nepůsobíme-li na tekutiny v pórovém kanálku žádnou jinou silou, bude se kapka (bublina) pohybovat směrem výsledné síly až k dosažení rovnovážného stavu. Zvažme nyní případ, kdy kapalina obsahuje bublinky volného plynu (obr. č. 4.13). Laplace odvodil, že při vstupu do kapaliny, jejíž povrch je zakřiven do tvaru kulové plochy, dojde náhle (jedná-li se o vydutý meniskus) ke změně tlaku o hodnotu (- 2δ/r). Tlak povrchové vrstvy u menisku bude tedy pro rovnovážný stav (obr. č. 4.13a) kdy platí, že r1 = r2 = r dán vztahem:
[4.22] 73
kde:
ppv = tlak povrchové vrstvy na horizontální rovinu r = poloměr zakřivení menisku δ = povrchové napětí. Působíme-li v pórovém kanálku z jedné strany, např. zleva určitým tlakem (px) budou se jeho vlivem menisky deformovat (viz obr. č. 4.13b). Poloměr levého menisku se zmenší a pravého zvětší. V důsledku toho dojde rovněž ke změnám hodnoty tlaku povrchové vrstvy (p1) a (p2) na hodnotu (p´1) a (p´2). Předpokládáme-li, že povrchové napětí kapaliny ani poloměr pórového kanálku se měnit nebudou, pak:
[4.23] Vzhledem k tomu, že r´1 < r a r´2 > r, dostaneme srovnáním výrazů p´1 < p1 a p´2 > p2 tedy [4.24]
SPSKS Obr. č. 4.13: Jaminův efekt. Deformace menisku kapaliny
Tento rozdíl tlaku směřuje proti aplikovanému tlaku. Jaminovým efektem je většinou označován sumární protitlak všech bublinek (kapek) daného systému. Stejný tlak musíme tedy vynaložit „navíc“, abychom dostali a drželi změnu tvaru bublinky (kapky). Dále bylo zjištěno, že plynové bublinky, případně kapky ropy ve vodě zaujímají rozšířené části kapilár a jakoby ucpávaly cestu další filtrující kapalině. Statické odpory Působí jako síly, které udržují (resp. v některých případech odpoutávají) kapalinu v pórech 74
kolektorských hornin. Nabývají značného významu v okamžiku, kdy síly pohybující kapalinou jsou již do značné míry vyčerpány, zejména u vrstev s nízkou propustností. Mezi statické odpory řadíme molekulární přitažlivost, která zapříčiňuje následující jevy: na rozhraní kapalina – pevná látka v případě, že kapalina horninu smáčí (hornina je např. hydrofilní nebo ropofilní, adhesní síly převládají na kohesními), dochází mezi kapalinou a horninou k adsorpčním jevům, které nutí kapalinu obalovat povrch horninových zrn. V podstatě rozlišujeme dvojí fyzikální (zvanou rovněž Van der Vaalsovu) adsorpci: - molekulární (nepolární), kdy se adsorbuje celá molekula a - iontovou (polární) vedoucí ke vzniku elektrické dvojvrstvy (el. dvojvrstva se však může vytvořit rovněž elektrolytickou disociací povrchové vrstvy tuhé fáze). Za složitější situace, kdy hornina s kapalinou chemicky reaguje, vzniká chemisorpce a to působením valenčních chemických sil povrchových molekul tuhé fáze, která vytvoří elektronovou vazbu s adsorbovanou molekulou nebo atomem kapaliny. Na povrch kapaliny Vlivem nerovnováhy mezimolekulárních sil při povrchu kapaliny vzniká povrchové napětí, které působí jako síla protichůdná proti obalování horninových zrn. Kohesní síly zde převládají nad adhesními, kapalina horninu nesmáčí. Ve vytvořené obalové vrstvě Vzájemná mezimolekulární síly brání protrhávání již vytvořených „obalů“. Tato vlastnost je označována jako lepkavost.
SPSKS
5.
Teorie filtrace tekutin
5.1
Shrnutí základních poznatků
Proudění tekutin a jejich směsí pórovitým prostředím se nazývá filtrací. Vzhledem k tomu, že skutečný tvar a rozměry částic reálné horniny, stejně jako způsob jejich rozložení, jsou ve většině případů značně proměnlivé, musíme při studiu filtračních vlastností pórovitého prostředí vycházet z tzv. průměrných charakteristik. Při pohybu určité částice tekutiny v pórových kanálcích nesledujeme – vzhledem ke složitosti – způsob pohybu této částice, neboť molekuly jsou samy o sobě v neustálém neuspořádaném pohybu. Budeme se zabývat pouze makromechanikou pohybu částic tekutin, rovněž za použití průměrných charakteristik (např. viskozity, rychlosti, tlaku, ...). Znamená to, že ve sledované oblasti používáme k výpočtům údaje vzniklé zprůměrováním hodnot získaných měřením např. v jednotlivých vrtech. Filtrace je definována pomocí těchto tří složek: a) pórovitým prostředím, b) tekutinou, která pórovitým prostředím proudí, c) silou, která proudění vyvolává. ad a) Pórovité prostředí Podle charakteru pórovitého prostředí jsou kolektory rozdělovány do dvou základních skupin na izotropní a anizotropní. Obě skupiny se dále dělí na stejnorodé (homogenní) a nestejnorodé (heterogenní) a dále na jednoduché a složené. − Izotropní prostředí. V libovolně zvoleném pozorovacím bodě daného kolektoru jsou 75
geometrické i filtrační charakteristiky (pro zjednodušení je budeme prezentovat koeficientem propustnosti kp) nezávislé na směru a rychlosti filtrace; − ve stejnorodém izotropním prostředí nezávisí koeficient propustnosti na poloze měřeného místa v oblasti filtrace; − v nestejnorodém izotropním prostředí bude koeficient propustnosti záviset na poloze v souřadnicovém systému dané oblastí filtrace. − Anizotropní prostředí. Koeficient propustnosti závisí na směru filtračního toku. Existují zde dva hlavní směry mezních hodnot koeficientu propustnosti (a tím i rychlosti filtrace), z nichž jeden je maximem a druhý minimem; − ve stejnorodém anizotropním prostředí se orientace maximálních a minimálních směrů propustnosti ve sledované oblasti nemění; − v nestejnorodém anizotropním prostředí se budou se změnou polohy měnit i směry maximální a minimální propustnosti. Výše uvedené typy kolektorů se dále dělí podle složení na: - jednoduché – tvořené pouze propustnou vrstvou, - složené - tvořené řadou propustných poloh buď stejného charakteru, ale s řádově odchylnými hodnotami propustnosti, nebo různého charakteru. Skutečné kolektorské horniny jsou převážně anizotropní. Pro zjednodušení výpočtů je však kolektor často považován za izotropní stejnorodé prostředí. Druhým kritériem používaným při posuzování pórovitého prostředí je stlačitelnost, resp. nestlačitelnost kolektoru. Význam stlačitelnosti u kolektoru byl popsán v kap. č. 2.1. Při běžných výpočtech pokládáme kolektory za nestlačitelné.
SPSKS
ad b) Síly vyvolávající proudění tekutin vrstvou
Proudění tekutiny vrstvou je vyvoláváno silou danou tlakovým spádem mezi okrajovými body sledovaného intervalu. U této síly rozlišujeme – druh, velikost a směr působení. Síly, které uvádí vrstevní tekutiny do pohybu, rozdělujeme podle původu na tlakovou a tíhovou (gravitační). Filtrační toky pak označujeme jako tlakové nebo tíhové; − tlakový filtrační tok je vázán na systémy s napjatou hladinou. Pohonná síla je zde dána hodnotou vrstevního tlaku, jehož velikost závisí na přítomnosti jednotlivých zdrojů vrstevní energie. Piezometrická (výtlačná) úroveň se nachází vždy nad horní hranicí kolektoru. Tímto způsobem mohou proudit jak kapaliny, tak plyny. Příklad typické tlakové filtrace je uveden v obr. č. 5.1. Vrt zastihl uzavřené ložisko kapaliny, které je v nadloží, podloží i na okrajích ohraničeno nepropustnými horninami. Tlak na počvě vrtu je menší než tlak vrstevní, což vede k filtraci kapaliny do vrtu. Úroveň výšky výstupu kapaliny ve vrtu (piezometrická úroveň) je dána hodnotou vrstevní energie. Pokud nebude hladina kapaliny ve vrtu ovlivňována odčerpáváním, ustálí se po určitém čase na tzv. piezometrické (výtlačné) úrovni, označované jako ustálená statická hladina (USH). Při čerpání určitého konstantního množství kapaliny (Qkonst) dojde k poklesávání úrovně hladiny ve vrtu a posléze k ustálení. Tato hladina je označována jako ustálená dynamická hladina (UDH). Odčerpávání způsobilo narušení tlakové rovnováhy. S poklesem tlaku na počvě vrtu (je dán snižujícím se sloupcem kapaliny ve stvolu vrtu) klesá rovněž vrstevní tlak v okolním kolektoru. Závislost poklesu vrstevního tlaku na vzdálenosti od osy vrtu je v řezu (viz obr. č. 5.1) dána tzv. depresní křivkou.
76
Obr. č. 5.1: Tlakový filtrační tok. Schéma rovinně radiální filtrace
SPSKS
V prostoru (obr. č. 5.2) se vytváří fiktivní hladina nazývaná – depresní kužel. Z obrázku je zřejmé, že skutečná hladina filtračního toku nemůže být totožná s depresním kuželem, neboť je omezena stropem propustné vrstvy.
Obr. č. 5.2: Tlakový filtrační tok. Prostorové schéma rovinně radiální filtrace
− Tíhový filtrační tok. Piezometrická úroveň je totožná s volnou hladinou toku. Proudění kapaliny vyvolává pouze tangenciální složka vektoru tíhy kapaliny (viz obr. č. 5.3). 77
Znamená to, že tíhové filtrační proudění může vzniknout jen při úklonu volné hladiny. Tímto způsobem mohou proudit jen kapaliny, nad jejichž volnou hladinou jsou plyny s atmosférickým tlakem. Příklad typické tíhové filtrace je uveden na obr. č. 5.3. Zvodněnou povrchovou vrstvou ohraničenou nepropustným podložím prochází mělký vrt vystrojený filtrem přes celou zvodněnou mocnost. Za klidových podmínek je úroveň hladiny kapaliny (USH) ve vrtu totožná s hladinou v okolní vrstvě. Při odčerpávání určitého konstantního množství dojde k poklesávání hladiny ve vrtu, a dále k ustálení – ustálená dynamická hladina. V okolí sondy se tlakové změny projeví formou poklesu volné hladiny ve tvaru depresního kužele.
SPSKS Obr. č. 5.3: Tíhový filtrační tok. Schéma plošné radiální filtrace
Dosah tlakových změn je v obou případech nazýván – oblastí stoku, resp. oblastí napájení nebo oblastí filtrace. Dále rovněž dosahem účinnosti vrtu nebo poloměrem dosahu vrtu. Síla vyvolaná tlakovým gradientem uděluje filtračnímu toku určitou rychlost. Podle stálosti této síly rozlišujeme dva základní druhy pohybu vrstevní tekutinou – ustálený a neustálený. Je-li síla způsobující pohyb konstantní, je rovněž v daném bodě i rychlost a směr toku konstantní. Tento tok je označován jako ustálený a druh filtrace – filtrací ustálenou, zde platí: v= f(x, y, z) p = f(x, y. z)
[5.1] [5.2]
Je-li velikost síly způsobující filtraci proměnlivá, mění se rychlost i směr filtračního toku v pozorovaném bodě. Tento filtrační tok je označován jako neustálený, a druh filtrace filtrací neustálenou, zde platí: 78
v= f(x, y, z, t) p = f(x, y. z, t)
[5.3] [5.4]
Filtrační proudění může být: - lineární (při laminárním filtračním toku), - nelineární (při turbulentním filtračním toku). Směr síly uděluje filtračním tokům směr pohybu. Podle generelních směrů pohybu částic tekutiny rozeznáváme 2 základní druhy tlakových a 2 základní durhy tíhových filtračních toků. - tlakové filtrační toky - tok přímkově rovnoběžný (obr. č. 5.4) - tok rovinně radiální (obr. č. 5.1)
SPSKS Obr. č. 5.4: Tlakový filtrační tok. Schéma přímkově rovnoběžné filtrace
V odborné literatuře je často uváděn rovněž tok prostorově radiální (obr. č. 5.5). Můžeme se s ním však setkat jen v neobvyklých případech, v běžném provozu vzácných (tzv. dotykové vrty).
Obr. č. 5.5: Tlakový filtrační tok. Schéma prostorově radiální filtrace
79
- tíhové filtrační toky – tok plošně rovnoběžný (obr. č. 5.6 a 5.7) - tok plošně radiální (obr. č. 5.3).
SPSKS
Obr. č. 5.6: Tíhový filtrační tok. Schéma plošně rovnoběžné filtrace
Obr. č. 5.7: Tíhový filtrační tok. Schéma plošně rovnoběžné filtrace
U tíhové filtrace může vzniknout i tok plošně centrální, který je v praxi rovněž velmi vzácný (tzv. dotekové vrty – viz obr. č. 5.8).
Obr. č. 5.8: Tíhový filtrační tok. Schéma plošně centrální filtrace
80
K jednotlivým tokům A– tlakové filtrační toky - přímkově rovnoběžný tok U tohoto typu filtračního toku jsou všechny proudnice považovány za rovnoběžné přímky (obr. č. 5.9). Pro stanovení obecných zákonitostí stačí sledovat pohyb podle libovolně zvolené proudnice.
Obr. č. 5.9: Schéma přímkově rovnoběžného filtračního toku
SPSKS
S přímkově rovnoběžným filtračním tokem se můžeme setkat jak u kapalin, tak i u plynu. Nejjednodušším případem je ustálený přímkově rovnoběžný tok nestlačitelné kapaliny. Rychlost filtrace ve směru proudnice je stálá a není závislá na čase. v = konst. Pří neustáleném přímkově rovnoběžném toku nestlačitelné kapaliny rychlost rovněž nezávisí na hodnotě souřadnice (x), ale mění se s časem. v = f(t). Mění-li se v bodě A1 sledované proudnice rychlost (v1) podle určitého zákona, pak v okamžiku (t1) je rovna (v´1), v okamžiku (t2) je rovna (v"1) atd. Vzhledem k tomu, že kapalinu považujeme za nestlačitelnou, musí se změna rychlosti v bodě A1 ve stejném okamžiku předávat celému filtračnímu toku. Rychlost se tedy bude měnit ve kterémkoliv bodě (Ax) podle téhož zákona. V případě ustálené přímkově rovnoběžné filtrace plynu bude rychlost záviset na hodnotě souřadnic (x) a nebude záviset na čase v = f(x). Při filtraci plynu bude následkem hydraulických odporů docházet k poklesu tlaku ve směru proudění, to však vyvolá rozpínání plynu. K transportu stejného molárního množství plynu bude tedy zapotřebí stále většího tlakového gradientu a tedy i vyšší střední rychlosti pohybu jednotlivých molekul. Složitějším případem je neustálený přímkově rovnoběžný tok plynu. Rychlost filtrace zde závisí jak na hodnotě souřadnice (x), tak na čase (t) v = f(x, t). Jsou-li v čase (t1) rychlosti v bodech (A1), (A2) atd. rovny (v1), (v2) atd., pak v čase (t2) budou tyto rychlosti jiné – (v´1), (v´2) apod. Situace se dále komplikuje, musíme-li počítat se stlačitelností kapaliny, např. při výzkumu kolektoru pomocí interferenčních a pulsních testů. V tomto případě bude rychlost záviset na (x) i na (t). 81
Všechny uvedené přímkově rovnoběžné toky jsou charakterizovány týmž zákonem změny rychlosti i tlaku podél proudnic, velikosti rychlosti a tlaků budou stejné na plochách kolmých i těmto proudnicím. Tyto roviny jsou na obr. č. 5.9 znázorněny řezy A1 – A1, A2 – A2. Roviny stejných rychlostí jsou označovány jako isotachycké, roviny stejných tlaků jako isobarické. Tento jev je společný pro všechny uvedené typy přímkově rovnoběžných toků, ač se jinak od sebe značně liší. - rovinně radiální tok U tohoto typu filtračního toku se proudnice sbíhají v jednom bodě. Pohyb částic v každé svislé rovině proložené libovolnou proudnicí je rovnoběžný. Pro stanovení obecných zákonitostí stačí sledovat pohyb tekutiny v některé ze svislých radiálně sbíhavých rovin. Tento druh toku je charakteristický pro přítok do vrtu otevírajícího kolektoru v celé jeho mocnosti (viz obr. č. 5.1). Rychlosti a tlaky budou stejné na kružnicích se středem v ose vrtu (za předpokladu stejnorodého izotropního prostředí). Tok je charakterizován jedním rozměrem – poloměrem (r) dané kružnice. Podle složitosti můžeme základní rovinně radiální toky rozdělit následovně: Nejjednodušším případem je ustálený rovinně radiální tok nestlačitelné kapaliny. Rychlost filtrace stoupá se zmenšující se vzdáleností od osy vrtu (v – f/r/). S poklesem hodnoty poloměru (r) narůstá totiž velikost tlakového spádu. Při neustálené filtraci nestlačitelné kapaliny je rychlost filtrace závislá na souřadnici (r) a čase (t), v = f(r, t). Dojde-li v libovolném bodě ke změně rychlosti filtrace, musí se tato změna okamžitě předávat celému filtračnímu toku.
SPSKS
V případě ustálené rovinně radiální filtrace plynu bude rychlost filtrace záviset na hodnotě souřadnice (r) a nebude závislá na čase, v = f(r). Nejsložitějším případem je neustálená filtrace plynu, případně stlačitelné kapaliny. Rychlost zde závisí jak na souřadnici (r), tak na čase (t), v = f(r, t). Zákonitosti změn jsou vlivem stlačitelnosti složité. B – tíhové filtrační toky Od tlakových filtračních toků se principiálně liší v tom, že proudnice mají ve svislém řezu zásadně křivkový tvar a zvodněná mocnost se mění. - plošně rovnoběžný filtrační tok. Schematické znázornění je na obr. č. 5.6 a 5.7. Proudnice jsou rovinnými křivkami, které se ve směru toku navzájem stejnoměrně přibližují. V horizontálním průmětu se částice pohybují po navzájem rovnoběžných drahách. Filtrační tok může být rovněž ustálený a neustálený, kapalinu lze považovat za nestlačitelnou, resp. stlačitelnou. - plošně radiální filtrační tok. Schematické znázornění je uvedeno na obr. č. 5.3. Ve směru toku se částice pohybují po rovinných křivkách, které se navzájem stejnoměrně přibližují. V horizontálním průmětu se částice pohybují po radiálních přímkách, které se sbíhají v ose vrtu. Rovněž plošně rovnoběžný filtrační tok může být ustálený nebo neustálený a kapalinu lze považovat za nestlačitelnou, resp. stlačitelnou. 82
6.
Otvírka ložisek ropy a zemního plynu
6.1
Vyhledávání a průzkum ložisek
Vyhledávání a průzkum ložisek tekutých uhlovodíků probíhá ve dvou na sebe navazujících a často se vzájemně prolínajících etapách průzkumu, vyhledávací a podrobné. 6.1.1 Vyhledávací a geofyzikální průzkum Při vyhledávání živičných ložisek, ležících v nevelké hloubce pod povrchem, poskytují první vodítko výrony zemních plynů, příp. ropné skvrny na povrchu vodních hladin. Větší část velkých ložisek a skoro všechna nově objevovaná ložiska se však vyskytují ve větších hloubkách – až 4 000 m i více pod povrchem. Vyhledávání takovýchto ložisek vyžaduje úzkou spolupráci zejména geologů, geofyziků a techniků. První a nejdůležitější část výzkumu ložisek je geologické mapování a podrobné geofyzikální zpracování oblastí. Účinným pomocníkem při vyhledávacích pracích je mikropaleontologie, neboť určováním určitých společenstev drobných zkamenělin lze určit v průzkumných vrtech i sled vrstev a v souvislosti s výsledky z jiných vrtů a povrchového geologického výzkumu i tektonickou stavbu území. Pak na podkladě těchto výzkumů se určují místa, kde lze předpokládat výskyt živičného ložiska. Pak se teprve v určených oblastech přistoupí k vyhledávacím vrtným pracím tzv. pionýrskému průzkumu a po zjištění přítomnosti uhlovodíků návazně ke slednému průzkumu. Lze říci, že jen nepatrná část průzkumných vrteb bývá úspěšná. V celosvětovém měřítku je až 90 % průzkumných vrtů negativních. Pro poznání hlubší stavby zemské kůry se využívá geofyzikální měření. Geofyzikální metody, stejně jako vytvořené geologické modely (mapy a řezy) sice neposkytují definitivní důkaz o přítomnosti ložiska a nasycení uhlovodíky, ale dovolují zjistit existenci příznivých tektonických struktur. Nalezení ropného nebo plynového ložiska je složitý proces, zvláště v současné době, kdy většina ložisek v přístupných oblastech již byla objevena a uhlovodíky se musí vyhledávat v méně přístupných, geologicky složitějších a většinou hlubších oblastech. Významnou roli při vyhledávání ložisek ropy a zemního plynu hraje právě geofyzika. Geofyzika je věda, která fyzikálními metodami zjišťuje vlastnosti a stavbu zemské kůry. Základními metodami při hledání ložisek uhlovodíků jsou: a) gravimetrická měření, založená na měření přitažlivosti zemské, b) magnetometrické měření, kterým se zjišťují anomálie magnetického pole země, c) seizmická měření, založená na měření rychlosti vlnění horninou,
SPSKS
83
d) elektrická měření odporu, který klade hornina elektrickému proudu.
Obr. č. 6.1
Gravimetrické měření
Gravimetrie je založena na studiu tíhového pole Země, jehož projevem je zemská přitažlivost. Pro geologickou interpretaci se využívají hustotní rozdíly mezi jednotlivými horninami, které se projevují odchylkou tíže od maximální hodnoty tzv. tíhová anomálie. Pomocí těchto interpretací lze najít oblasti, kde se horniny vyklenují či tvoří pánve (stará moře). Seizmický průzkum Seismické měření je založeno na registraci vlnění, které se vyvolává výbuchem nebo vibrací. Rozdíly v elastických vlastnostech hornin způsobují, že se vlny na rozhraní různých prostředí lámou nebo odrážejí a tak se dostávají k povrchu, kde je lze registrovat. Reflexní metoda využívá vlny odražené, refrakční vlny lomené. Odpaly náloží v mělkých vrtech nebo vibrace ze speciálních aut vyvolávají seismické vlny, které se šíří v horninách a odrážejí z jejich rozhranní. Na povrchu umístěné geofony tyto odražené záchvěvy registrují, přeměňují na elektrické signály, které se zapisují v aparaturách měřících vozů. Z časových záznamů odražených vln lze odvodit hloubku a polohu vrstev v zemské kůře. Tak lze určit struktury (podpovrchové tvary vrstev), které mohou pravděpodobně vytvářet pasti, tj. ložiska pro přírodní uhlovodíky. Měření je možno provádět na profilu (2D), nebo jako v ploše (3D), kdy je zdrojovými i měřícími body pokryt obdélník na zemském povrchu. Při zpracování dat tak lze získat prostorovou kostku dat, ve které lze vytvořit libovolný seismický řez v horizontálním i vertikálním směru.
SPSKS
84
Obr. č. 6.2: Schematické znázornění seizmického měření
Interpretace seismického měření Interpretace vychází ze spojování reflexů, které mají stejný charakter a představují stejnou vrstvu (horizont). Provádí se většinou počítačovou interpretací spolu s různými úpravami vlnového obrazu. Vyznačením a digitalizací téhož horizontu na více profilech lze vytvořit (časovou) mapu seismického horizontu. Geologické mapy Geologové trojrozměrné informace o povrchové nebo podpovrchové stavbě Země zobrazují v geologických mapách. Existují desítky různých geologických map. Mezi základní patří povrchové geologické mapy, které zobrazují geologické jednotky na zemském povrchu, popř. odkryté geologické mapy, kdy nejsou zachyceny nejmladší (čtvrtohorní) geologické sedimenty, které na povrchu zpravidla převládají.
SPSKS Obr. č. 6.3: Různé typy interpretovaných a neinterpretovaných seizmických řezů
Důležitou kategorií jsou strukturní mapy, které zobrazují průběh vybrané vrstvy (horizontu) tak, že ukazují její hloubku od pomyslné hladiny moře (0 m). Takto bývá zobrazován i povrch roponosných (korektorských) vrstev. Tam, kde taková mapa ukazuje elevaci (kopec) může být ložisko ropy nebo plynu. Při zpracování seismického měření vznikají seismické (časové) mapy jednotlivých interpretovaných horizontů.
Obr. č. 6.4: Různé typy geologických map
Geologické řezy 85
Zobrazení stavby zemského povrchu je nejlépe patrné na geologickém řezu. Pro jeho konstrukci se využívají jak informace z povrchových měření (úklon a směr úklonu vrstev), tak výsledky získané z vrtů (profily, statigrafické a litologické hranice, karotážní křivky). Podkladem mohou být i seismcké řezy. Každý geologický řez je jen částečným přiblížením ke skutečné stavbě Země.
Obr. č. 6.5: Různé typy geologických řezů
Počítačová vizualizace Dnes geologové používají počítače pro interpretaci seismických měření, zpracování a vyhodnocování karotážních měření, ale i pro sestavování geologických modelů (řezů a map). Je řada programů, které geologům při této práci slouží. Konečný model je možno zobrazit i v prostorově 3D vizualizací.
SPSKS Obr. č. 6.6: Počítačová vizualizace 3D
Při geologickém zpracování a vyhledávání vhodných ložiskových struktur se využívá i dálkový průzkum země, který se zabývá pořizováním leteckých a družicových snímků, jejich zpracováním a analýzou za účelem tvorby topografických tematických map. V současné době se pro pořizování družicových snímků používá mnoha různých družic (využívají elektromagnetické záření nebo více intervalů spektra-obrazové spektrometrie), vytváří se obrazové záznamy daného území ve velmi úzkých, na sebe navazujících intervalech spektra v oblasti viditelného, blízkého a středního infračerveného záření. Výsledky leteckých či družicových snímkování se využívají pro geologické mapování (rozpoznávání jednotlivých minerálů a hornin, tektonických linií a strukturních prvků). Pomocí pasivního mikrovlnného snímání, kdy je měřena přirozená dlouhodobá energie vyzářená objekty na zemském povrchu se zjišťují charakteristiky svrchní vrstvy půdy, mapuje teplota půdy a půdní vlhkosti či studuje minerální obsah půd. 86
Cílem práce naftových geologů je nalézt struktury, které mohou tvořit ložiskové pasti pro přírodní uhlovodíky. Takto definované struktury („leads“) je nutno ocenit. Na základě předpokládaných parametrů (mocnost a plocha sycené vrstvy, pórovitost a stupeň nasycení, množství rozpuštěných plynů v ropě, mechanismus předpokládané těžby a režim ložiska, vytěžitelnost a dalších) se odhadují možné zásoby uhlovodíků ve struktuře. Odhaduje se i pravděpodobnost existence takto odhadnutých zásob a jejich nálezu. Na základě výsledků vyhledávacího průzkumu a geofyzikálních měření se získává základní obraz geologické stavby zájmové oblasti. Získané poznatky jsou podkladem pro druhou etapu – podrobný průzkum. 6.1.2 Podrobný průzkum – hlubinné vrty Při ekonomickém ocenění výnosnosti záměru se posuzuje počet vrtů nutných k vytěžení zásob a náklady s tím spojené, stejně jako náklady potřebné k vytěžení suroviny. Porovnáním všech hodnot lze posoudit, zda geology nalezenou strukturu je ekonomické ověřit vrtem. Každý hlubinný vrt je velmi drahý a proces rozhodování tom, zda je pravděpodobnost nálezu ložiska vyvážena možným ekonomickým výnosem, patří k „know-how“ každé naftové firmy, když zařazuje nalezenou strukturu do portfolia svých rozvojových aktivit. Prvotní výzkum geologické stavby a perspektivity dané oblasti se nazývá pionýrský (průkopnický). Provádí se na základě podrobného geologického zpracování perspektivních rajonů. Výsledky pionýrského průzkumu nepřinášejí jen poznatky o nadějnosti výskytu živic, nýbrž, a to především cenné informace o geologické stavbě dané oblasti a případně i o výskytu jakýchkoliv jiných užitečných nerostů a surovin. Ze situace, kdy pionýrský průzkum prokáže ropo-plynonadějnost určité oblasti, jsou vytvořeny podmínky pro přípravu druhé etapy průzkumu, tj. sledného průzkumu.
SPSKS
Projekt sledného průzkumu musí řešit:
1) ověření rozsahu a způsobu ohraničení daného ložiska 2) ocenění hospodářských zásob ložiska 3) způsob otevření a pokusné těžby 4) sledování sousedních oblastí a výzkum hlubších obzorů. Při sledování a ohraničování ložiska jsou vrty situovány obvykle do stoupání vrstev. Sledný průzkum je veden kolmo ke směru vrstev nebo kolmo k delší ose ložiska. Nejvýhodnější je tzv. profilová metoda, při které jsou vrty lokalizovány v zákrytových liniích. (Tento způsob situování vrtů je výhodný pro sestrojování geologických řezů). Vzájemná vzdálenost sledných vrtů je volena podle velikosti ložiska, v rozmezí 500 až 5 000 m. V každém jednotlivém sledném vrtu se využívá ke zpracování a získání poznatků o ložisku karotážního měření (geofyzikální měření ve vrtech), vrtná, resp. boční jádra a především výsledky čerpacích zkoušek, prováděných v průběhu vrtání testerem, a po dokončení vrtních prací v zapaženém vrtu prostřednictvím perforací. První sledné vrty musí poskytovat správnou představu o ložisku a získat tyto poznatky: 1) 2) 3) 4) 5)
charakteristiku ložiska (mocnost, porozitu, propustnost), těžební výsledky (denní produkci, plynový faktor, ložiskový tlak), charakteristiku ropy (plynu) – kvalitu, tektonickou stavbu struktury, stratigrafické začlenění ložiska, vzhledem k jiným již známým ložiskům. 87
Konečným výsledkem sledného průzkumu je ocenění geologických zásob ložiska a připravení podkladů pro zabezpečení těžební otvírky.
6.2
Těžební otvírka ložisek
Těžební otvírkou ložiska se rozumí komplex prací, nutných pro zabezpečení racionálního a efektivního vytěžení těžitelných zásob ropy nebo plynu. Zásadním problémem při dobývání ropných (plynových) ložisek je odvrtávání dostatečného počtu vrtů po celé ploše ložiska, nutných k zabezpečení maximální vytěžitelnosti ložiskových zásob. Projekt těžební otvírky ložiska obsahuje: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)
postup (technologii) odvrtávání jednotlivých vrtů, u více vrstevných ložisek postup otevírání jednotlivých pater, zdůvodnění volby rozmístění sond, údaje o zásobách, režimu těžby a způsobu těžby, řešení výstavby povrchového těžebního zařízení, ekonomickou rozvahu, bezpečnostní a organizační problematiku.
Při otvírce naleziště, kde je vyvinuto více samostatných roponosných obzorů o různých hloubkách je nutné v počátečním stádiu otvírky brát v úvahu následující problémy:
SPSKS
a) při způsobu řízení těžby ložisek od spodního po vrchní je řada výše uložených obzorů dlouhodobě těžebně nevyužívaná, b) v případě zájmového otevření vyššího obzoru, zůstávají zásoby spodní vrstvy nedostatečně odtěženy, c) pokud je v obzorech ropa rozdílné kvality, dochází na povrchu k jejímu smíšení a znehodnocení, d) vzhledem k rozdílnému vývoji ložiskových poměrů (ložiskovému tlaku, P/O, % zavodnění) a rozdílnému způsobu aplikované těžby (obzory se samotokovou těžbou, s těžbou hlubinným čerpadlem, obzory se zbytkovými zásobami – intervalová těžba), nastávají složité technologické problémy a zvyšuje se nákladovost těžby. V takovém případě vychází racionální těžební otvírka z těchto zásad: 1) těžební síť vrtů je projektovaná tak, aby současně mohlo být těženo více obzorů, 2) jednotlivé vrty otevírají rozdílně předem stanovené obzory, 3) vrty jsou odvrtávány tak, aby otevíraly maximálně 3 objekty (otvírkové patro). Každé otvírkové patro má samostatnou síť vrtů, 4) sled navrtaných obzorů je v každé sondě volen tak, aby jejich vertikální vzdálenost nebyla velká a aby měly společně si blízké parametry. Výhodou tohoto způsobu otvírky je urychlené uvedení celého naleziště do těžby a snížení nákladovosti, především metráže vrtání. V praxi se používají následující způsoby rozmístění sond (síť vrtů): 88
a) síťové – trojúhelníkové, – čtvercové, b) nepravidelné – v přímých nebo kruhových řadách, c) vícestvolovým vrtáním – odvrtání několika úhybových vrtů z jednoho místa na povrchu. Nejčastěji se využívá pravidelná trojúhelníková síť. Velmi důležitá (především z ekonomického hlediska) je volba vzdáleností mezi těžebními vrty. Měřítkem volby vzdáleností mezi vrty je zabezpečení úplné vytěžitelnosti při minimálních nákladech. V počátcích naftové prospekce, byly na ložiskách voleny vzdálenosti mezi vrty malé 25 m, později 60 m, tj. přibližná dnešní oblast 0,41 ha na 1 sondu. V současné době, na základě nových poznatků a hydrodynamických výpočtů, jsou vzdálenosti voleny 150 m, 200 m, 250 m, což odpovídá drenážní ploše 1,97; 5,43; 3,49 ha na sondu. U velkých plynových ložisek činí vzdálenosti mezi vrty 500 – 700 m, což odpovídá 21,7 až 42,6 ha/1 sondu. V zemích s vyspělým těžebním podnikáním je praxe poněkud jiná. Na příklad analýzou stavu 825 ložisek v USA, bylo zjištěno, že: a) ložiska se zásobami cca 41,1 mil. t mají 1 sondu na 6,8 ha, tj. vzdálenost ∆ 280 m; 265 m, b) ložiska se zásobami 13,7 – 41,1 mil. t mají 1 sondu na 10,4 ha, tj. vzdálenost ∆ 345 m; 322 m c) ložiska se zásobami méně než 13,7 mil. t mají 1 sondu na 13,7 ha, tj. vzdálenost ∆ 405 m; 377 m.
SPSKS
Důvodem, proč je v ČR volena hustší těžební síť vrtů, je mimořádně komplikovaná stavba ložisek. Uvedení sond do těžby – čerpací zkoušky
Uvedením sond do těžby se rozumí zahájení plánované těžby ložiska připravovaného k těžbě. Uvedení každé sondy do těžby musí předcházet otevření ložiska a čerpací zkouška. Ověřování a pokusné těžby jednotlivých sond, ať již pionýrských, sledných či těžebních, byly provedeny již dříve (zpravidla hned po odvrtání sondy) a poznatky při nich získané, byly použity při projekci a vlastním zabezpečování těžební otvírky. Na každém úspěšně odvrtaném vrtu jsou po jeho dokončení prováděny čerpací zkoušky, ať již z důvodu výzkumných, kdy jsou postupně zkoušeny všechny nadějné zastižené objekty (obvykle metodou zdola nahoru) nebo u těžebních a sledných vrtů za účelem ověření produkčních vlastností a ložiskových parametrů. Čerpací zkoušky se rozdělují podle doby trvání na krátkodobé čerpací zkoušky a na ověřovací pokusnou těžbu. Během krátkodobé čerpací zkoušky, obvykle trvající 3 – 5 dnů, se ověřuje: a) jakou produkci vrt poskytuje (ropa, voda, plyn, % poměr v – r), b) intenzita (množství) produkce za časovou jednotku, c) odebírají se vzorky těženého média k laboratornímu zpracování, d) sleduje se vývoj přetlaku na ústí vrtu.
89
Účelem ověřovací pokusné těžby prováděné zpravidla delší dobu (30 dní i více), je získat poznatky o fyzikálních a hydrodynamických vlastnostech ložiska, a získat maximum informací potřebných pro ložiskové zpracování a projekci technologického zařízení. Při pokusné ověřovací těžbě se zejména provádí: 1) těžba několika určenými odběrovými režimy při stálém sledování a dokumentování základních parametrů (denní produkce, % v – r, P/O, přetlak na ústí), 2) průběžná měření tlaku na dně, za účelem stanovení koeficientu produktivity a depresních závislostí, 3) v případě ověření parafinické ropy se od počátku zabezpečuje deparafinace těžebních trubek, 4) po odtěžení určitého (stanoveného) množství média, je ověřovací těžba ukončena (resp. přerušena) provedením záměru nástupu ložiskového tlaku (nástupová křivka). Nástupová křivka poskytuje nejdůležitější informace o propustnosti i stavbě ložiska. Po takto zabezpečených čerpacích zkouškách (resp. při jejich návazném provádění v závislosti na rychlosti odvrtávaných sond) je v rámci těžební otvírky na ložisku budováno sběrné těžební zařízení a jednotlivé sondy připojovány potrubím. 7.
Těžba ropy
Provrtáním vrtu do ropného ložiska a otevřením produktivního obzoru je sonda připravena k čerpací zkoušce. Jestliže tlak v sondě (v hloubce otevřeného obzoru) je stejně veliký jako ložiskový tlak, je ložiskové médium v klidu a ložiskový systém je v rovnováze. Snížením tlaku v sondě se poruší rovnovážný stav a ložiskové médium (ropa, plyn, ložisková voda) se začne působením ložiskového tlaku (tlaku ve vrstvě) pohybovat v hornině směrem k sondě. Rozdíl ložiskového tlaku a tlaku v sondě (tlakový spád) se nazývá depresí. Na velikosti deprese závisí pohyb ložiskového média porézním prostředím ložiskové horniny k sondě. S narůstající depresí se přítok do sondy zvětšuje a naopak. Ložiskový tlak se při těžbě sondy mění jen velmi pomalu a v určitém časovém úseku (měsíc, čtvrtletí) zůstává jeho hodnota prakticky nezměněna. Proto bude přítok kapaliny do sondy za jinak stejných podmínek záviset výlučně jen na hodnotě protitlaku na ložisko. Při těžbě ropného ložiska probíhá současně pohyb kapaliny a plynu porézním prostředím ložiskové horniny k sondě a zvedání kapaliny a plynu sondou na povrch. Odtěžováním ložiska se zásoby ložiskové energie postupně vyčerpávají, v závislosti na druhu ložiskové energie a velikosti odběru kapaliny a plynu z vrstvy. Poklesem ložiskové energie se pohyb kapaliny ve vrstvě stává méně intenzivním a její přítok do jednotlivých sond se zmenšuje. Také pohyb ložiskového media sondou na povrch je závislý od ložiskové energie. Velikost ložiskové energie (tlaku) je rozhodující pro způsob těžby sond.
SPSKS
7.1
Metody těžby ropy
Metody těžby ropy lze rozdělit do tří základních skupin: 1. metody primární, 2. metody sekundární, 3. metody terciární. Primární metody těžby ropy využívají pouze přirozenou energii ložiska a jednoduchá čerpací zařízení. Obvykle se rozeznává: 90
a) těžba kontrolovaným tokem, b) těžba proudem plynu (plynovým liftem), c) těžba čerpáním. Při sekundárních metodách těžby se vtláčením ložiskového plynu nebo vody udržuje na požadované úrovni tlak v ložisku. Vlastní těžba probíhá v závislosti na tlaku v těžební sondě některým z výše uvedených primárních způsobů těžby. Podle vháněného (vtlačovaného) média se rozlišuje: a) těžba podporovaná vtláčením plynu, b) těžba podporovaná vtláčením vody. Terciérní metody těžby ropy využívají ke zvýšení těžby externí látky (které nepocházejí z ložiska). Obvykle se dělí na: a) těžba podporovaná vtláčením oxidu uhličitého, b) těžba podporovaná vtláčením horké vodní páry, c) těžba podporovaná zapálením ložiska. 7.2
Těžební sondy a jejich vystrojení
Při hloubení a po dokončení vrtu se provádějí čerpací zkoušky. Při hloubení vrtu se většinou využívá „testerů“, které zjišťují, jaké médium je v provrtaných vrstvách. Do vrtu se zapustí testerovací aparatura, prostor nad a někdy i pod zkoušeným obzorem se uzavře „pakrem“ (roztahovací pryžové zátky) a otevře se vzorkovací komora. Mimo odběru vzorku kapaliny a plynu se zaznamenává tlak a teplota v obzoru. Po zapažení vrtu se provádějí krátkodobé a dlouhodobé čerpací zkoušky, při kterých se vytěží část ropy nebo plynu ze zkoušeného obzoru. Při dlouhodobých čerpacích zkouškách z plynových obzorů se vytěžený plyn často spaluje a sleduje se pokles tlaku v obzoru při odtěžovaném množství plynu. Z těchto údajů je vypočítávají zásoby uhlovodíků v ložisku.
SPSKS
Obr. č. 7.1: Provádění otvorů v těžební koloně pro zajištění přítoku ložiskové tekutiny do vrtu
V těžební koloně a cementovém kameni (obr. 14.20), který ji izoluje, je nutno vytvořit otvory (A), kterými plyn nebo ropa z nasycených vrstev (kolektoru) vtéká do sondy (C). Toto „otevření“ obzoru se provádí perforací (prostřelením otvorů) v pažnicích (C). Používá se několik typů perforátorů, kterými se vytvoří otvory nejen v pažnici a cementu, ale také se poruší přiléhající hornina (kolektor).
91
Někdy se hornina také štěpí vysokým tlakem média a do trhlin se natlačí písek, kterým ropa nebo plyn snáze proudí i z větší vzdálenosti od vrtu. Podobného efektu je možno dosáhnout i „kyselinováním“ – rozpuštěním vápnitého tmelu mezi zrny kolektoru (obr. 7.3). Těžba může probíhat i z nezapažené části vrtu a některé vrty se proto ve spodní části nepaží (anglicky „open hole“). Lze také zapustit již perforovanou kolonu, která se pak necementuje. Vrt, který se využívá k těžbě, se nazývá sonda. Sondy jsou zpravidla zapažené. Po perforaci přitéká ropa nebo plyn do sondy, těžba však zpravidla neprobíhá v celém profilu pažnic. Do sondy se zapouští kolona maloprůměrových trubek – stupaček, kterými uhlovodíky vystupují na povrch. Stupačky jsou zpravidla zapuštěny tak, že mezikruží nad obzorem odděluje pakr a perforovaný interval může komunikovat pouze do stupaček (obr. 7.2).
SPSKS Obr. č. 7.2
Někdy se kolem perforovaných pažnic naplavují pískové filtry nebo zapouštějí jiné typy filtrů, které zabraňují pronikání materiálu (pískových zrn) z těženého kolektoru. Po zapuštění stupaček je ústí sondy vystrojeno soustavou šoupátek – produkčním křížem. V horní části a na bočních ramenech jsou přes jehlové ventily umístěny kontrolní manometry pro sledování tlaků v ložisku a jednotlivých mezikružích (obr. 7.4).
92
Obr. č. 7.3: Schéma intenzifikačních prací ve vrtu – štěpení a kyselinování hornin
SPSKS Obr. č. 7.4: Ukázka sestavy produkčního kříže
7.3
Primární metody těžby
Rozhodujícím faktorem pro volbu způsobu těžby sond je velikost ložiskové energie (tlaku). Metodu kontrolovaného toku - samotokové těžby lze uplatnit u ložisek, které mají dostatečně velkou ložiskovou energii k pohybu ložiskového media vrstvou i k jeho zvedání na ústí sondy a následně k překonání protitlaku těžební technologie. Mechanizovaná těžba je použita v případě, že energie je dostatečná pouze k přítoku z vrstvy do sondy a nestačí k výnosu kapaliny na ústí sondy. Proto je nutné uplatnit některý z mechanizovaných způsobů těžby, při kterém se ložisková kapalina dopravuje na povrch pomocí čerpadel, kompresorů apod. Obvykle v počátečním stádiu těžby ropných sond, kdy ložisková energie je dostatečně velká (zavodnění 0 % nebo minimální) těží sondy samotokem. Toto období je zpravidla krátké (umělé udržování samotoku např. vtláčením plynu), ale je charakterizováno vysokou produktivitou. Poklesem ložiskového tlaku a ložiskové energie se intenzita samotokové těžby sondy zmenšuje. Zbylá ložisková energie již stačí ke zvedání kapaliny jen do určité výšky v sondě. Nastává druhé období života sondy, období mechanizované těžby, která je časově obvykle několikanásobně delší než těžba samotokem. Těžba samotokem (kontrolovaným tokem, volumetrický způsob těžby, obr. 7.5 - A) se používá obvykle na počátku těžby ropy z ložiska, kdy je tedy v ložisku ropy dostatečný tlak, 93
který je vyvolaný buď tlakem plynu, který ropu doprovází (zemní plyn), nebo tlakem podzemní vody. Ropa je vytlačovaná z pórů roponosné horniny do těžební sondy a odtud na povrch expandujícím plynem a/nebo rozpínající se ložiskovou vodou. Požadovaný tlak v místě, kde vrt protíná roponosnou horninu (obvykle dno vrtu) musí být tak velký, aby překonal hydrostatický tlak těžené tekutiny (směsi ropy, plynu a případně i vody). Při těžbě proudem plynu (plynovým liftem, obr. 7.5 - B) se část vytěženého plynu vrací do těžební stupačky, plyn se pomocí vhodně umístněných ventilů vhání do těžené směsi tekutin (ropy, plynu a vody), a tím se zvyšuje množství plynu v těžené tekutině a snižuje se jeho hydrostatický tlak. Pro vytlačení tekutin z vrtu při tomto způsobu těžby postačuje nižší tlak tekutin v roponosné hornině (v místě těžby). Tímto způsobem se výrazně prodlužuje doba, kdy není nutné nasadit čerpadlo pro čerpání těžených tekutin. Těžba ropy čerpáním (obr. 7.5 - C) se používá v případě, kdy při poklesu množství ropy (která je těžená některým z výše uvedených způsobů), který je způsobený hlavně poklesem tlaku v ložisku, se do sondy zapouštějí čerpadla, kterými se ropa (těžená směs tekutin) čerpá na povrch.
SPSKS Obr. 7.5: Schematické znázornění těžby ropy samotokem (A), plynovým liftem (B) a čerpáním (C): (1 uzavřený ventil, 2 - otevřený ventil, 3 - produktivní zóna, 4 - těžební pakr (ucpávka), 5 - kolona stupaček, 6 - pažení, 7 - hlubinné čerpadlo, 8 – táhlo čerpadla, 9 - vahadlo, 10 - hnací zařízení, 11 - motor, 12 protizávaží)
7.3.1 Těžba kontrolovaným tokem - samotoková těžba Přítok z ložiska do sondy je možný jen tehdy, je-li tlak v sondě menší než ložiskový. Pokud je tlak sloupce kapaliny naplňující sondu po ústí menší, než ložiskový tlak pak bude ropa vytékat samotokem na povrch sondy. Samotoková těžba (Natural Flow) může nastat vlivem hydrostatického tlaku, vlivem energie rozpínajícího se plynu nebo účinkem tlaku i rozpínání plynu. Samotok pouze účinkem hydrostatického tlaku ložiska je značně vzácný. Nastává tehdy, neobsahuje-li ropa ve vrstvě plyn a je-li ložiskový tlak vyšší než tlak sloupce kapaliny v sondě: (14.2) kde
PL - ložiskový tlak, MPa 94
H - hloubka sondy, m γ - měrná tíha kapaliny naplňující sondu (γ = ρ · g) Ve většině případů hraje prvořadou úlohu při samotokové těžbě plyn, který se nachází spolu s ropou ve vrstvě. Často může být plyn v počátečním stádiu otvírky zcela rozpuštěn v ropě a k jeho uvolňování dochází teprve tehdy, když se tlak sníží pod hodnotu tlaku nasycení ropy plynem. V hloubce, odpovídající tlaku nasycení se začne plyn z ropy uvolňovat jako drobounké bublinky. Při pohybu nahoru jsou bublinky plynu vystaveny stále menšímu a menšímu tlaku, odpovídajícímu tlaku sloupce kapaliny nad plynem. Snižováním tlaku se objem plynu stále zvětšuje a měrná tíha směsi kapaliny a plynu se zmenšuje. Tlak sloupce proplyněné kapaliny na vrstvu se stává menší než ložiskový tlak a sondy přechází k stálému samotoku. Samočinná (samotoková) těžba sondy tedy vzniká v důsledku: a) rozdílu mezi tlakem v ložisku a tlakem v sondě, b) snížení tíhy sloupce kapaliny rozpínajícím se plynem. Řízení samotokové těžby Řízení samotokové těžby spočívá v regulaci využití ložiskové energie. Základním ukazatelem spotřeby ložiskové energie při těžbě sondy je množství plynu spotřebovaného na dopravu ropy z ložiska na povrch. Správně prováděná těžba samotokové sondy zajišťuje optimální vytěžené množství při minimálním plynovém faktoru. Vytvořit velkou depresi na ložisko tj. zvětšovat odběr kapaliny nad určitou hodnotu má za následek zesílení přítoku plynu z vrstvy do sondy, zvětšení plynového faktoru, neracionální spotřebu ložiskové energie a může způsobit komplikace (průnik písku, protržení ložiskové vody nebo případně deformaci těžební pažnicové kolony). Proto je snaha omezit těžbu sondy na nejoptimálnější hodnotu, při které by se ložisková energie spotřebovala nejhospodárněji a zajistila by se produktivní, dlouhotrvající a nepřerušená těžba sondy. Řízení činnosti eruptivní sondy se uskutečňuje buď vytvořením protitlaku na ústí, nebo vytvořením místního odporu u paty těžebních trubek (stupaček). Protitlak na ústí se vytváří tzv. tryskami (pevné, regulační). Při změně průchozího otvoru trysky se změní protitlak na ústí sondy, a tím i na ložisko. Následkem toho se změní i těžené množství kapaliny a plynu. Trysky se instalují na přípojném potrubí za bočním ventilem produkčního kříže. Používají se pevné trysky různého průměru nebo se používá regulačních trysek (ventilů). Předností trysky na dně je lepší využití energie plynu z ložiska, avšak jejich výměna vyžaduje zastavení těžby sondy, těžení a opětovné zapouštění čerpacích trubek.
SPSKS
Obsluha samočinných sond Režim těžby sondy se do provedení podrobného výzkumu stanoví souhlasně s údaji o těžbě sousedních eruptivních sond. Definitivní průměr trysky se volí na základě výsledků výzkumu sondy a podle geologických a technických podmínek těžby. Jakmile byl stanoven technologický režim těžby sondy, je úkolem pracovníků těžby kontrola stanoveného režimu. Kontrola se provádí sledováním tlaků v prostoru mezikruží, na ústí čerpacích trubek a v separátoru, dále vytěženého množství ropy, plynu, procenta vody a množství písku v odebírané produkci. Současně se provádí dohled na stav zařízení a provádí se jeho běžná údržba a drobné opravy.
95
Při rovnoměrném samotoku se ustálí tlaky na ústí sondy (Pt) a na mezikruží (Pc) na určité hodnotě. Změny tlaků v sondě (na ústí a v mezikruží), změny těžby ropy a obsahu vody, písku mohou naznačovat určité poruchy normální činnosti samotokové sondy: - jestliže se Pc zvětšuje a Pt klesá za současného poklesu těžby kapaliny => pravděpodobně dochází ke snížení průchodnosti stupaček pískem nebo parafínem (provádění deparafinace), - pokles Pt při současném zvýšení těžby kapaliny signalizuje zvýšené opotřebení trysky, - jestliže se Pt a Pc zvětšuje při prudkém snížení těžby, nastalo pravděpodobně znečištění trysky nebo přípojného potrubí (deparafinace přípojek), - pokles Pc signalizuje tvoření pískové zátky na dně nebo přítok vody. Komplikace při samotokové těžbě tvoří vysedání parafínu ve stupačkové koloně nebo v přípojeném potrubí, krystalizace pevných uhličitanů ve stupačkové koloně a vytváření pískových zátek. Aby se s ropou nebo plynem nevynášely na povrch částečky korektorské horniny, jsou perforované části pažnic nebo stupačky opatřeny filtry. Při výtoku ropy stupačkami se především v důsledku poklesu teploty vydělují z ropy parafinické složky. Tento „parafin“ může často stupačky nebo dopravní potrubí ucpat a proto se musí periodicky čistit buď škrabáním nebo proplachem párou nebo horkou ropou. Nekontrolovatelná erupce jako havárie Ztráta kontroly nad samotokovou sondou může vést k nekontrolovatelné erupci, jejímž důsledkem bývá ztráta ložiskové energie únikem velkého množství plynu. Značné nebezpečí představuje erupce i v důsledku znečistění životního prostředí a případných požárů. Přímým důsledkem erupce může být zavodnění, zapískování, případná likvidace sondy i ložiska. Při těžební činnosti může nastat nekontrolovatelná erupce, zejména:
SPSKS
a) při nedostatečné tíze sloupce výplachové kapaliny při otvírání ropné vrstvy s vyšším tlakem, b) při ztrátě výplachové kapaliny do obzoru a nedostatečném doplňování umrtvené sondy, c) při promývání zátek, d) při tažení nebo zapouštění trubek, e) při porušení materiálu (např. na ústí). Typová vystrojení samotokových sond Typová vystrojení samotokových sond zahrnují v podzemní části: - stupačkovou kolonu včetně příslušenství ( 2 7/8“, 3 ½“; EU, NU), - vystrojovací prvky (usazovací vsuvky, proplachové objímky, permanentní hlubinné manometry a další), - pakr (mechanický, hydraulický), - naváděcí objímka (perforovaná stupačka s NO), - perforovaný liner, open hole. Nadzemní část obsahuje: - produkční kříž (armatury), - trysky, tryskové kusy, 96
- manometry. Ukázky typového vystrojení samotokových sond jsou uvedeny na obr. 7.6 (vertikální sonda), obr. 7.7 (úklonná sonda) a obr. 7.8 a 7.9 (horizontální sonda).
SPSKS
97
SPSKS
Obr. 7.6: Příklad vystrojení vertikální sondy pro samotokovou těžbu
98
SPSKS
Obr. 7.7: Ukázka vystrojení úklonné sondy pro samotokovou těžbu 99
SPSKS
Obr. 7.8: Ukázka vystrojení horizontální sondy pro samotokovou těžbu
100
SPSKS
Obr. 7.9: Ukázka vystrojení horizontální sondy pro samotokovou těžbu ve variantě s „open hole“
101
7.3.2 Mechanizovaná těžba Jak již bylo uvedeno, je nutno přikročit k mechanizaci sondy, pokud přirozená energie ložiska není k výnosu ropy ze sondy dostatečně velká a nelze tedy těžbu uskutečňovat samotokem. Největšího rozmachu a rozšíření na všech ropných ložiskách dosáhl mechanizovaný způsob těžby hlubinným čerpadlem. Je možné říci, že většina ropných sond je těžena hlubinnými čerpadly (80 – 90%). Mechanizované těžební sondy jsou 95 % mechanizovány hlubinným táhlicovým plunžerovým čerpadlem, zbylých 5 % je mechanizováno hlubinným vřetenovým čerpadlem. Mechanizované způsoby těžby (Artificial Lift Systems) se dělí na dvě základní metody: 1. čerpadlová těžba (Sucker Rod Pump, Hydraulic Lift, PCP, ESPCP, ESP), 2. kompresorová (liftová) těžba (Gas Lift, Air Lift, Plunger Lift). Čerpadlová těžba zahrnuje následující technologie: a) b) c) d)
táhlicová čerpadla (Rod Lift), hydraulická čerpadla (Hydraulic Lift), vřetenová čerpadla (Progressing Cavity Pumps), elektrická čerpadla (Electric Submersible Pumps).
7.3.2.1 Těžba ropy hlubinnými táhlicovými čerpadly
SPSKS
Hlubinná táhlicová čerpadla (také nazývaná Donkey čerpadla nebo vahadlová čerpadla), jsou nejběžnějším mechanizovaným těžebním systémem v provozních podmínkách. Motor pohání vratné vahadlo, spojené s ucpávkou tyčí, která prochází do stupaček přes ucpávkovou komoru. Táhlice pokračuje dolů pod hladinu ropy a je připojena k pístu (plunžru s ventilem), (obr. 7.10).
Obr. č. 7.10: Mechanizovaný způsob těžby hlubinným čerpadlem s čerpacím kozlíkem: 1 – pohonné zařízení, 2 – převodová skříň, 3 – rameno (vahadlo), 4 – hlava kozlíku, 5 – ucpávková tyč, 6 – ucpávková komora, 7 – výtok těžené kapaliny.
102
Hlubinné táhlicové čerpadlo (Sucker Rod Pump) představuje pozměněné pístové čerpadlo, přizpůsobené práci v ropných sondách. Skládá se z válce, ve kterém se pohybuje nahoru a dolů dutý píst (tzv. plunžer) s kulovým ventilem (výtlačný ventil). Ve spodní části válce je nepohyblivý sací ventil. Při pohybu pístu nahoru se spodní sací ventil otevírá působením tlaku kapaliny zdola a kapalina vchází do válce čerpadla. V této době je horní výtlačný ventil uzavřen působením tlaku sloupce kapaliny, která je v těžebních trubkách. Při zpětném pohybu pístu dolů se spodní sací ventil tlakem kapaliny, nacházející se pod pístem a větším než je tlak zdola, zavírá a horní ventil se otevírá a kapalina z válce prochází do prostoru nad pístem (obr. 7.11 a 7.12)). Takto při pohybu pístu nahoru nastává nasávání kapaliny do válce čerpadla a při pohybu dolů její vytláčení do těžebních trubek. Pro pohon pístu se nad ústí sondy instaluje čerpací kozlík (přeměna rotačního pohybu na přímočarý pohyb kolony čerpacích tyčí). Čerpací kozlík na povrchu zajišťuje proměnlivý pohyb táhlic s čerpadlem (obr. 7.10, 7.11 a 7.12). Tento pohyb je vyvozován pomocí elektromotoru, který přes převody, třmen a vahadlo předává na rameno kývající efekt. Na konci ramena jsou přes hlavu kozlíku upevněny táhlice, které dávají do pohybu mechanismus hlubinného čerpadla
SPSKS Obr. č. 7.12: Činnost hlubinného táhlicového čerpadla
103
Obr. č. 7.12: Schéma práce hlubinného táhlicového čerpadla s čerpacím kozlíkem a práce plunžeru
Otáčky motoru a krouticí moment jsou řízeny z hlediska účinnosti a minimálního opotřebení řídícím zařízením (Pump off Controller - PoC). Použití je omezeno na mělká ložiska do hloubky několika set metrů a průtok až do cca 40 litrů na 1 zdvih ramena. Teoretická výkonnost hlubinného čerpadla představuje množství kapaliny, přicházející do válce hlubinného čerpadla za jeden chod pístu nahoru, teoreticky rovná objemu opsanému pístem (vzorce 7.2 a 7.3). Stejné množství kapaliny přejde do těžebních trubek výtlačným ventilem při chodu pístu dolů.
SPSKS (7.2) (7.3)
kde Q ………….výkonnost čerpadla za 24 hod v (m3, t) D ………….průměr pístu v (m) S …………. zdvih pístu v (m) n …………. počet chodů (zdvihů) za minutu φ …………. hustota kapaliny (t · m-3) V uvedeném vzorci jsou proměnnými veličinami průměr pístu, délka zdvihu a počet zdvihů, tj. D, S a n. V praxi se používá následujících standardních rozměrů hlubinných čerpadel (podle průměru pístu): 28, 32, 38, 44, 56, 70, 95 a 120 mm. Délka zdvihu podle pohonu čerpadla se mění od 0,5 do 3 m. Počet zdvihů za minutu může být různý podle náhonu a obyčejně se mění od 6 do 16. Činitelé snižující výkonnost hlubinného čerpadla
104
Skutečná výkonnost hlubinného čerpadla je ovlivněna následujícími činiteli, jež snižují teoretickou výkonnost na skutečnou výkonnost: - při nasávání proniká do válce čerpadla spolu s kapalinou plyn, který zmenšuje užitečný objem válce (použití odplyňovačů snižuje vliv plynu na účinnost čerpadla), - v důsledku nepřesnosti výroby (lícování dílů) dochází k úniku ropy netěsností mezerou mezi pístem a válcem a v sedlech ventilů, - opotřebením funkčních ploch čerpadel třením se netěsnosti zvětšují, - netěsnost spojů čerpacích trubek (prodírání táhlicemi v křivých vrtech), - skutečná délka zdvihu pístu je menší než hodnota naměřená na povrchu následkem roztažení kolony čerpacích tyčí zatížených vlastní tíhou a tíhou sloupce kapaliny, - rychlost pohybu pístu při zdvihu nahoru může být větší než rychlost přítoku ropy sacím ventilem, takže ropa nestačí zaplnit celý prostor uvolněný pístem. Skutečná výkonnost hlubinného čerpadla činí tak v důsledku uvedených faktorů 0,6 – 0,7 výkonnosti teoretické. Volba zařízení a stanovení režimu těžby sond hlubinnými čerpadly Pro sondu, která se nově uvádí do těžby hlubinným čerpadlem, se volí zařízení podle očekávaného těženého množství a potřebné výšky zvedání kapaliny. Dále je nutno zohlednit případné pískování a údaje o plynovém faktoru, intenzitě vylučování parafinu, složení kapaliny a případné korozivní vlastnosti ložiskového média. Podle očekávané těžby kapaliny se určují rozměry a typ podzemního zařízení sondy (čerpadlo, trubky, tyče). Při stanovení režimu odčerpávání daného množství kapaliny je třeba najít nejvýhodnější poměr mezi těmito třemi veličinami: průměrem, délkou chodu a počtem zdvihů (D, S, n). Pro ulehčení pracovních podmínek čerpacího zařízení a snížení zatížení tyčí je nutno dosáhnout požadovaného čerpaného množství čerpadlem, pokud možno nejmenšího průměru. Podle požadované výkonnosti a zvoleného minimálního průměru čerpadla se stanoví součin délky chodu a počtu zdvihů (S · n). Při volbě čerpadla a podzemního zařízení se tedy volí průměr čerpadla pro danou výkonnost co nejmenší a délku chodu největší při malém počtu zdvihů. Tyto podmínky jsou nejpříznivější pro práci hlubinné čerpací soupravy. Čerpací tyče - táhlice se dimenzují pro určité maximální zatížení v rozmezí dovolených namáhání. Toto poslední určuje maximální hloubku zapuštění čerpadla na různých tyčích. V praxi se ve většině případů používá tyčí dvou průměrů: ⅞″ a ¾″. Maximální hloubku zavěšení hlubinných čerpadel, vycházející z podmínek dovoleného namáhání tyčí, pro obyčejné ocelové tyče (dovolené namáhání 13 000 N/cm2) uvádí tabulka č. 7.1:
SPSKS
Tabulka č 7.1: Průměr čerpadla (mm) 56 44 38 32 28
Průměr tyčí (palce) ⅞ (40 %) a ¾ (60 %) ⅞ (30 %) a ¾ (70 %) ⅞ (25 %) a ¾ (75 %) ⅞ (25 %) a ¾ (75 %) ⅞ (25 %) a ¾ (75 %)
Maximální hloubka zapuštění čerpadel (m) 900 1 100 1 200 1 400 1 600
105
Při větších hloubkách zapuštění je nutno používat táhlicové tyče z legovaných ocelí. Ochranná zařízení instalovaná na sací části hlubinného čerpadla se volí podle složení čerpané produkce. Jestliže je v těžené ropě přítomné velké množství plynu, nebo písku, instalují se do sací části hlubinného čerpadla odplynovače nebo odpískovače různých konstrukcí. Čerpací kozlík pro sondu s hlubinným čerpadlem se volí podle očekávaného maximálního zatížení hlavy vahadla a podle těžby sondy. Je známé, že zatížení čerpacího kozlíku se skládá z tíhy tyčí ponořených do kapaliny, tíhy sloupce kapaliny obsažené v trubkách a dynamických namáhání, která vznikají následkem zrychlení pohybu hmoty čerpacích tyčí a kapaliny při změně směru chodu (síly setrvačnosti). Pro elementární výpočty zatížení čerpacího kozlíku je možno použít následujícího vzorce: P = Pk + Pt + Pi kde:
(7.4)
P – plné zatížení čerpacího kozlíku, Pk – zatížení tíhou všech kapalin, Pt – zatížení tíhou soutyčí, Pi – dynamická zatížení.
Souběžně s volbou zařízení pro sondy s hlubinnými čerpadly se stanoví deprese v sondě a hloubka zavěšení čerpadla. Hloubka závěsu čerpadla se určuje polohou dynamické hladiny a hloubkou ponoru čerpadla pod tuto hladinu. Obyčejně se hloubka ponoru pro normální podmínky bere rovna 50 – 60 m a v sondách s malou těžbou je možno hloubku ponoru zmenšit na 10 – 20 m. Při značném plynovém faktoru je žádoucí uskutečnění co největšího ponoru na 100 – 200 m i více. Po uvedení sondy do těžby je nutno ji pečlivě a všestranně prozkoumat za pomoci echometrických a dynamometrických měření. Režim činnosti sondy stanovený na základě výzkumu je nutno systematicky prověřovat opětovnými výzkumy a měřením dynamické hladiny. Podle polohy dynamické hladiny v prostoru mezikruží při práci hlubinného čerpadla je možno soudit o stavu práce jak zřízení hlubinného čerpadla, tak i sondy samé. Jestliže se dynamická hladina nachází ve značné výšce od sací části čerpadla a volumetrická účinnost je dostatečně vysoká, znamená to, že tempo odčerpávání kapaliny je nižší než těžební možnosti sondy. Jestliže je za stejných podmínek volumetrická účinnost nepatrná, znamená to, že čerpadlo nebo těžební trubky nejsou v pořádku. Jestliže se dynamická hladina nachází u sací části čerpadla a volumetrická účinnost je neveliká, znamená to, že výkonnost soupravy hlubinného čerpadla je větší než těžební možnosti sondy; je třeba zvětšit ponor čerpadla nebo vyměnit čerpadlo za jiné o menším průměru.
SPSKS
Typové vystrojení sond pro těžbu hlubinnými táhlicovými čerpadly Typové vystrojení sond pro těžbu hlubinnými táhlicovými čerpadly zahrnuje v podzemní části: - stupačkovou kolonu včetně příslušenství (2 3/8“, 2 7/8“, 3 ½“; EU, NU), - táhlicovou kolonu (5/8“, 3/4“, 7/8“, 1“), - centrátory táhlicové kolony (rotační – nerotační, rovné – šikmé žebrování, NRC (80°C) – NRR (135°C), - hlubinné čerpadlo vsazené – 5 základních částí vsazovaného hlubinného čerpadla: válec, sací část, píst s výtlačnou částí, kužel s vedením tyče a zámková opora s pláštěm, - zvláštní vystrojovací příslušenství (odplyňovače, odpískovače).
106
Nadzemní část obsahuje: - zařízení na ústí sondy: závěsná příruba, ucpávková hlava, ucpávková tyč, ochoz, zařízení pro dynamometr a sonolog, - těžební (čerpací) kozlík – vahadlo (vlastní kozlík), elektromotor a převodovka. Komplikace při těžbě hlubinnými plunžerovými čerpadly Při způsobu těžby hlubinnými čerpadly je pozorován značně větší počet poruch činnosti sond než při jiných způsobech těžby. Je to tím, že při těžbě čerpadly se práce zúčastňuje velký počet pohyblivých částí (tyče, plunžer, ventily), které pracují za velmi nepříznivých podmínek. Následkem nepatrné těžby kapaliny a malé rychlosti jejího pohybu se vytvářejí příznivé podmínky pro usazování písku na dně a tvoření pískových zátek. Práci čerpadla často překáží plyn uvolňující se z nafty. Poruchy normální práce sondy s hlubinným čerpadlem nastávají za těchto podmínek: -
v těžené kapalině je písek nebo velké množství plynu, zaparafinování těžebních trubek, při utržení nebo odšroubování táhlicových tyčí, při poruše povrchového zařízení, v případě křivého vrtu a následné ztrátě hermetičnosti trubek.
Komplikace při těžbě hlubinnými plunžerovými čerpadly jsou způsobeny především přítomností písku z produktivních vrstev a parafinu, který se uvolňuje z ropy. Písek, dostávající se do těžební kolony sondy při malé rychlosti pohybu kapaliny vypadává na dno, částečně nebo úplně zakrývá filtrovou zónu a tak zabraňuje dalšímu přístupu kapaliny z ložiska do sondy. Když se do hlubinného čerpadla dostanou jednotlivá zrnka písku, zaklíní často plunžer ve válci čerpadla. Při tvoření mocných zátek na dně sondy mohou nastat případy osednutí zařízení zapuštěného do sondy pískem. Opatření proti škodlivému vlivu písku jsou následující:
SPSKS
- použití zvláštních filtrů v sondě, - zmenšení odběru kapaliny ze sondy, - montáž ochranného zařízení na sací část (odpískovač). Úplného oddělení písku se ve většině případů nedosáhne. Proto bylo vytvořeno několik konstrukcí čerpadel – teleskopická čerpadla, čerpadla s plunžerem sřezávajícím písek, čerpadla s kroužkovými drážkami na plunžeru. Základním opatřením proti pískování je zábrana pronikání písku do sondy spolu s ložiskovým mediem. Proto se sondy vybavují různými konstrukcemi filtrů, např. dnes hojně používané tzv. naplavované pískové filtry. V podstatě se jedná o filtry štěrbinové konstrukce (štěrbiny tvořeny navinutým lichoběžníkovým drátem na perforované trubce), u kterých se po zapuštění naplaví do prostoru mezikruží vytříděný písek. Velikost (šířka) štěrbin musí být menší než 0,5 – 0,7 průměru nejmenších zrn naplaveného písku a pohybuje se zpravidla okolo 0,25 – 0,3 mm. Vlastní naplavení se provádí zvláštním naplavovacím zařízením. Součástí kolony filtrů je i kontrolní filtr stejné konstrukce, sloužící k identifikaci naplavení a těsnící hlava filtrů, která uzavírá prostor naplaveného mezikruží. Podle situování filtrů ve vrtu se rozeznávají filtry zabudované: 107
a) v zapažené části vrtu (perforace, perforovaná kolona, liner apod.) – „inside gravel pack“, b) v nezapažené části vrtu – „open hole gravel pack“. Těžená ropa obsahuje určité množství těžkých uhlovodíků C20+ , zejména parafínu. Za určitých podmínek se parafín z ropy uvolňuje v podobě jemných krystalků. Uvolněný parafín může zůstat v ropě ve vznosu a je vynášen s proudem ropy na povrch sondy (usazuje se v přípojkách) nebo se usazuje na stěnách těžebních trubek. První tenká vrstva parafinu je ohniskem pro další intenzitní tvorbu usazením, a pokud se neprovedou nápravná opatření, nastane vytvořením parafinové zátky umrtvení sondy. Vylučování parafinu z ropy je způsobeno snížením teploty ropy, které nastává: - rozpínáním (expanzí) rozpuštěného plynu v důsledku poklesu teploty, - nízkou teplotou okolního prostředí. Platí, že čím je vyšší plynový faktor ropy, tím více je ropa ochlazována. Usazování parafinu na stěnách trubek je způsobeno: -
nízkou rychlostí proudění, drsností stěn trubek, pulzující těžbou, která umožňuje občasné smáčení stěn trubek, účinkem vody, která zhoršuje rozpustnost parafinu v ropě, a tím zesiluje jeho vylučování.
Při těžbě hlubinnými čerpadly spočívají opatření k zábraně usazování parafinu v těžebních trubkách: -
SPSKS
v nahřívání těžebních trubek horkou ropou, začerpávanou do mezikruží sondy, v proplachování sondy různými rozpouštědly, v kontinuálním nástřiku rozpouštědel do mezikruží sondy, v nahřívání těžebních trubek elektrickým proudem – elektrodeparafinace, v čištění trubek od parafinu mechanickým škrábáním, prostřednictvím centrátorů instalovaných na čerpacích trubkách, - v demontáži čerpadla a čerpacích trubek a jejich propaření na povrchu. Výhody tohoto způsobu těžby ropy lze spatřovat především ve spolehlivém systému těžby, snadné obsluze, nízkých provozních nákladech, použití do sond s úklonem do 35° (bez komplikované trajektorie) a v tom, že tlak na ústí sondy není omezujícím faktorem. Nevýhody tvoří zejména přítomnost písku, vyšší úklony těžebních sond nad 35° a komplikovanější trajektorie sondy, vyšší těžená množství nad 100 – 150 m3/den a povrchové těžební zařízení. Těžba ropy elektrickými hlubinnými čerpadly Čím větší je hloubka sondy, tím obtížnější a méně výhodnou se stává její těžba hlubinným čerpadlem s táhlicemi. Pro hluboké sondy také není použití kompresorového způsobu těžby vždy výhodné, protože silně vzrůstá poměrná spotřeba pracovního prostředku (plynu). Aplikace tohoto těžebního způsobu mechanizace ropných sond je na ložiskách, kde je malý počet sond s vysokou denní kapacitou a na místech, kde je požadavek na co nejmenší povrchovou zástavbu. Pro těžbu hlubokých ropných sond nebo sond s velkou těžbou se doporučují používat hlubinná čerpadla bez táhlic (elektrická odstředivá, hydraulická 108
ponorná nebo turbínová čerpadla). Podle výšky zvedání kapaliny se používá čerpadel s různým počtem stupňů 3 – 320. Výkonnost čerpadel různých průměrů je různá a kolísá od 16 do 5000 m3/24 hod (max. 15 000 m3/24 hod). Křivost a komplikovanost trajektorie sondy není překážkou pro použití elektrických ponorných čerpadel. Instalace elektrických hlubinných čerpadel - Electric Submersible Pumps (ESP) se provádí až do hloubek cca 3 700 m s instalovaným výkonem až 750 kW. V těchto hloubkách musí být použito jmenovité elektrické napětí až 5 kV. ESP pracují v hlubokých ložiskách, ale jejich životnost je citlivá na nežádoucí příměsi, jako je písek a účinnost je citlivá na poměr plynu k ropě (GOR – Gas Oil Ratio). Když plyn zde přesahuje 10 %, tak se dramaticky snižuje účinnost. Typové vystrojení sondy pro těžbu elektrickými hlubinnými čerpadly zahrnuje v podzemní části: - stupačkovou kolonu včetně příslušenství (2 7/8“, 3 ½“, 4 ½“; EU, NU), - elektrický kabel (plochý, kruhový, stupačkové stisky), - odstředivé čerpadlo, - těsnící sekce (pohonná hřídel, těsnění), - elektromotor, - zvláštní vystrojovací příslušenství (plynový separátor, AR technologie, monitoring P, t). Nadzemní část obsahuje: - zařízení na ústí sondy: produkční kříž (závěsná příruba, závěsný kužel s průchodem pro kabel atd.), - povrchový kontrolní systém – řídící jednotka.
SPSKS
Elektrická hlubinná čerpadla - Electric Submersible Pumps (ESP) je výhodné použít v případech sond s vysokým stupněm zavodnění a dobrými přítokovými vlastnostmi. Použití ESP je možné i u sond s vysokým obsahem volného plynu až 70%, s použitím integrovaného separátoru, který separuje volný plyn z těženého media před sáním čerpadla. S použitím speciální technologie vnitřních povlaků (Coating – AR „Abrasion Resistance“) lze čerpadla použít pro čerpání kapalin s korozivními nebo abrazivními účinky (písek, CO2). Systém ESP zahrnuje povrchový kontrolní systém, elektrický kabel, ponorné odstředivé čerpadlo, motor a těsnění. Přídavkem může být rotační separátor, modelování vhodné velikosti čerpadla, software, monitoring ve vrtu, dálková komunikace. Každý ESP systém je přesně naprojektován („sizing“) na podmínky v dané sondě (faktory: velké množství plynu, velká teplota, písek, viskozita, korozivita prostředí apod.)
109
Obr. č. 7.13: Schéma konstrukce elektrického hlubinného čerpadla (ESP System): 1 – čerpaná ropa na povrch, 2 – čerpadlo, 3 – sání čerpadla, 4 – vyvažovací zařízení, 5 – motor čerpadla, 6 – elektrický kabel, 7 – vstup ropy do čerpadla.
SPSKS
Povrchový kontrolní systém poskytuje elektrickou energii ponornému zařízení, protože kvalita a správné elektrické napětí je základem úspěchu provozu ESP. Celý kontrolní systém zahrnuje systém tzv. „měkkých" startů, kontrolní čidla motoru, ovládací panel a měnič rychlosti. Nejnověji byl uveden tzv. grafický kontrolní systém (GCS), který spolu s měničem rychlosti poskytne operátorovi volbu z šesti kroků. Digitální kontrolní panel nabízí výstupní data, digitální ampérmetr, přenos dat, dálkový monitoring a kontrolu. Elektrický kabel je vyráběn standardně pro spojení s ESP. Během výroby je měděný drát izolován patentovanými polymery spolu s pancéřovaným či olověným krytím dle podmínek ve vrtu. Kabely jsou efektivním řešením pro kyselé a korozivní prostředí, vysoký P/O a vysoké teploty a jsou nabízeny různých kruhových a plošných variant. Čerpadlo. Jedná se o čerpadla multistupňová, odstředivá. Každý stupeň odstředivého čerpadla je složen z rotoru a statického difuzoru. Rotující rotor odstředivou silou předává rychlost (energii) těženému mediu a to je tangenciálně přesměrováno do statického difuzoru, který přemění tuto vysoko rychlostní energii na tlak, čímž způsobí tok kapaliny do dalšího stupně. Každý díl čerpadla je podroben tvrdým zkouškám na kvalitu před složením čerpadla a každé čerpadlo je odzkoušeno na své provedení. Čerpadlo typu „GasMaster“ je řešením pro plynující vrty. Je používáno ve spojení s kuželovitým čerpadlem a rotačním plynovým separátorem tak, aby poskytlo trojí ochranu proti problémům s plynem, který je překážkou v těžbě. Co se týče viskozity, vývoj směřoval k maloprůměrovým stupňům čerpadla a výsledkem je unikátní tzv. „viskózní" čerpadlo pro všechna použití. Společnost Centrilift také vyvinula patentovaný protiabrazivní systém (AR), který je řešením pro všechny stupně pískování během těžby. Předčasné opotřebení popř. systémové závady jsou potlačeny použitím elastomerů a materiálů testovaných v korozivním plynu a kapalině. 110
Plynový separátor. Jsou vyráběny dva typy plynových separátorů: a) rotační komorový separátor propouští kapalinu přes rotační komory, které pracují jako uzavřené centrifugy. Nízko hustotní proplyněná kapalina je nucena jít středem, před tím, než je kanálky vypuštěna do mezikruží čerpadla. Tento separátor je ideální pro použití ve vrtech s velkým přítokem nebo s velkou viskozitou kapaliny. b) vírový separátor, kde je rotační pohyb, nutný pro separaci, tvořen spirálou. Pomalejší rychlost rotace dovoluje kapalině rotovat volně celým průměrem separační části a vytváří vír. Konečný výsledek je stejný jako u komorového separátoru, nicméně vírový separátor pracuje s širší škálou přítoku. Pomalejší rotace a méně hmoty upřednostňuje tento typ pro abrazivní prostředí. Motory jsou vyrobeny pro drsná prostředí a extrémní teploty. Výrobní proces byl započat výrobou magnetického drátu pro vinutí motoru. Každá stopa drátu je opakovaně testována voltáží o 50 % větší, než je standard, a to z důvodu eliminace poškození. Motory jsou plněny pod vakuem impregnačním epoxidem, který ve spojení s pryskyřicí zajišťuje konzervaci a ochranu vinutí motorů. Všechny drážky vyplněné epoxidem eliminují pohyb drátu, jakož i nestejnorodý přenos tepla z vinutí. Každý složený motor je testován na automatické horizontální testovací lavici a výsledky jsou podrobeny počítačové analýze. Během testu je motorový olej cirkulován přes absolutní filtry, čímž je zbaven částeček větších jak 1 mikron. Tyto analýzy a filtrace přispívají ke zvýšení životnosti ESP. Těsnění. Těsnící sekce dovoluje motoru odpouštět olej do a ven díky teplotní expanzi. Ochraňuje motor také proti kontaminaci kapalinou ve vrtu. Je vyvinuto z vysoce odolných syntetických materiálů. Centrifugové čerpadlo uvnitř těsnění zajišťuje cirkulaci oleje přes teplotní výměník a filtry, ochlazuje a čistí olej, který je pak veden přímo k ložiskům. Monitoring ve vrtu. V současné době se nabízí několik způsobů pro monitoring ve vrtu s komunikačním kanálem pro tok informací, které zákazník vyžaduje pro daný vrt. Jedná se o teplotu motoru a kapaliny, vstupní a výstupní tlak, které mohou být monitorovány v reálném čase a podrobovány analýze. Dálkový přenos dat umožňuje SCADA systém přes internet. Ochrana čerpadla před zadřením je zajištěna přenosem dat z vrtu do GCS kontroleru nebo do rychlostního variátoru na povrchu. Systém je schopen kontrolovat jednotlivé části čerpadla nezávisle a tak, aby nedošlo k poškození.
SPSKS
Výhody použití elektrických odstředivých čerpadel jsou následující: -
jedná o vysoce efektivní a flexibilní systém, vhodný pro velká těžená množství, ekonomický provoz, použití pro usměrněné a horizontální vrty (komplikované trajektorie), minimální plošné nároky (vrtné plošiny).
Nevýhody lze spatřovat především ve vysoké ceně, požadavku na dobré přítokové vlastnosti, průměrná životnost činí 5 let (3 – 8 let) a nežádoucí je vyšší obsah písku. Těžba ropy hlubinnými vřetenovými čerpadly Hlubinná vřetenová čerpadla (Progressing Cavity Pumps), se skládají ze dvou částí, rotoru, vytvarovaného do šroubovice s kruhovým průřezem a odpovídajícího statoru. Rotor, který je rotačním vnitřním komponentem čerpadla (ocelové, chromové, keramické), je běžně poháněn 111
pomocí rotujících čerpacích tyčí. Stator je na konci kolony těžebních trubek (stupaček) a zůstává ve stacionární poloze. Stator se skládá z elastomeru (gumový, plastový nebo kovový) s vyhloubenou dvojitou šroubovicí permanentně nalisovaného na vnitřním povrchu čerpací trubky. Výtlačné množství kapaliny čerpadla je funkcí průměru rotoru, excentricity rotoru a statoru a roztečí stoupání. Dalšími částmi systému je kolona čerpacích trubek s centrátory a povrchová pohonná jednotka. Povrchová pohonná jednotka se skládá z elektromotoru, unášecí hlavy s ucpávkou a převodovky. Kapalina vstupující do sací části se koncentruje v kavernách vytvořených mezi jednoduchou šroubovicí rotoru a zdvojenou šroubovicí elastomeru. Materiál elastomeru působí zároveň jako těsnící element bránící úniku kapaliny. Maximální hloubka použití hlubinných vřetenových čerpadel je cca 2000 m (dvoustupňový stator), výkonnost čerpadla je cca. 0,5 – 420 m3/den. Typové vystrojení těžební sondy pro těžbu ropy hlubinnými vřetenovými čerpadly v podzemní části zahrnuje: - stupačkovou kolonu včetně příslušenství (2 3/8“, 2 7/8“, 3 ½“; EU, NU), - hlubinné vřetenové čerpadlo (stator, křížek, kalník – pokračování stupačkové kolony, rotor), - zvláštní vystrojovací příslušenství (odplyňovače, odpískovače, stupačková kotva, cirkulační ventil). Nadzemní část obsahuje: - zařízení na ústí sondy: produkční kříž (závěsná příruba, závěsný kužel s průchodem pro kabel atd.), - povrchový kontrolní systém – řídící jednotka.
SPSKS
Výhody tohoto zařízení jsou následující: -
nízké pořizovací ceny, použití pro kapaliny s obsahem pevných částic do 30 % (písek, mineralizace), použití pro viskózní kapaliny, flexibilní a spolehlivý systém, kompaktní povrchové zařízení.
Nevýhodami jsou: - problémové použití usměrněné a horizontální vrty, - pracovní teplota do 150°C, - přerušovaná těžba způsobuje zanášením rotoru pevnými částicemi. Kompresorová těžba ropy Kompresorová těžba ropy – těžba proudem plynu (Gas Lift, Air Lift, Plunger Lift) je umělým pokračováním samotoku. Za účelem proplynění sloupce kapaliny v sondě se přivádí do sondy (např. do mezikruží, ke konci těžebních trubek atd.) plyn (vzduch – Air Lift) stlačený na potřebný tlak kompresorem nebo přepouštěním vysokotlakého plynu z jiné sondy. Do sondy se zapouštějí dvě řady trubek: trubky, kterými se tlačí pracovní prostředek (vzduch nebo plyn) se nazývají vzduchové, a ty, kterými stoupá směs vzduchu (plynu) s ropou se nazývají těžební. V klidovém stavu je kapalina v trubkách i v sondě na úrovni statické 112
hladiny. Jestliže se bude vzduchovými trubkami vhánět vzduch, pak tento nejprve vytlačí všechnu kapalinu v nich obsaženou, a pak začne pronikat do těžebních trubek a smíchávat se s kapalinou jako jednotlivé bublinky. V těžebních trubkách je pak směs kapaliny se vzduchem. Hustota takové směsi bude značně menší než počáteční hustota kapaliny, takže se hladina kapaliny v těžebních trubkách bude zvyšovat. Tedy, čím více plynu bude vehnáno do těžebních trubek, tím menší bude hustota kapaliny (směsi) a tím se tato zvedne do větší výšky. Velikost stoupnutí závisí nejen na množství vháněného plynu, nýbrž i na hloubce místa vtláčení plynu. Výška zvednutí závisí i na průměru těžebních trubek. V trubkách malého průměru se při jedné a téže spotřebě plynu může hladina kapaliny zvednout do větší výšky než v trubkách velkého průměru. Velké množství plynu může za účelem zvýšení produkce způsobovat tvoření plynových zátek (tzv. štuplování) a tím naopak snižování produkce (tedy obrácený efekt) a negativní tlakové rázy na ložisko. Naopak vtláčení nedostatečného objemu plynu způsobuje pulzní těžbu a částečné umrtvování sondy. Vyšší tlak vtláčeného plynu může způsobovat umrtvení sondy zpětným zatláčením těžené kapaliny a protlačování vtláčeného plynu do ložiska. Na výšku zvednutí má též vliv viskozita kapaliny.
SPSKS Obr. č. 7.14: Schéma činnosti gasliftu: 1 – plyn snižující hustotu sloupce kapaliny, 2 – boční ventil pro vzduchové potrubí, 3 – pakr a sestava spodní části kolony trubek
Princip čerpání gasliftem (airliftem) záleží na míře proplynění kapaliny v těžebních trubkách a ve zmenšení její průměrné hustoty, při neustálém vhánění vzduchu do těžebních trubek stoupne proplyněná kapalina po ústí sondy a začne se vylévat ven.
113
Obr. č. 7.15: Schéma uspořádání zařízení pro kompresorovou těžbu ropy 1. Základní schéma kompresorového liftu, 2. Soustředné lifty
Systém liftů
SPSKS
Kompresorového liftu v tomto vzhledu, jak jej představuje schéma na obr. 14.34 vlevo (základní schéma liftu), se nepoužívá pro obtížnost současného zapouštění dvou rovnoběžných řad trubek do sondy. Místo toho se do sondy zapouští buď jedna řada trubek, nebo se trubky umisťují soustředně. Podle počtu kolon trubek, zapouštěných do sondy a podle směru proudění stlačeného vzduchu (nebo plynu) a směsi plynu a ropy, existují různé typy a systémy liftů. Systémy liftů mají následující klasické rozdělení: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
centrální lift s ventily, otevřený lift s ventily, polootevřený lift s ventily, uzavřený lift s ventily, víceproudý lift, systém Pohle periodický lift.
Dále se klasifikují také na: a) kontinuální lift, b) přerušovaný (periodický) lift, c) komorový lift, nebo také na: 114
- konvenční lift, - nekonvenční lift, - kombinovaný lift. Kontinuální gaslift neboli lift se spojitým průtokem znamená, že je kontinuálně, bez přerušení vtláčen plyn o relativně vysokém tlaku do sloupce kapaliny ve spodní části sondy. Vtláčený plyn se připojuje k plynu z ložiska a vynáší kapalinu na povrch jedním nebo několika následujícími procesy: - redukcí hustoty a tíhy sloupce kapaliny tak, aby se tlaková diference mezi ložiskem a ústí sondy zvýšila, - expanzí vtláčeného plynu, který tak tlačí kapalinu před sebou a tím se dále redukuje tíha sloupce a tím se zvyšuje tlaková diference mezi ložiskem a ústím sondy, - vytláčením kapalinových zátek velkými bublinami plynu, které působí jako píst (což ale má negativní vliv na ložisko). Přerušovaný gaslift. Jak vyplývá z názvu, tento systém těží přerušovaně nebo nepravidelně a je navržen těžit skutečné množství, které vtéká z ložiska do sondy. Tedy sonda s malým tlakem v ložisku nebo s nízkým výkonem může být těžena pomocí gasliftu s přerušovaným průtokem. V systému s přerušovaným průtokem je umožněna akumulace kapaliny ve stupačkách dole v sondě. Periodicky a velmi rychle jsou vtláčeny do stupaček pod sloupec kapaliny plynové bublinky s vysokým tlakem, které tlačí rychle kapalinu ve stupačkách. Frekvence vtlačování plynu při čerpání s přerušováním je určena časem, který je potřebný, aby kapalinová zátka vtekla do stupaček. Doba vtláčení plynu závisí na času, který je nutný k vytláčení jedné zátky k povrchu.
SPSKS
Převedení kontinuálního liftu na periodický lift sleduje dva cíle: - zmenšit spotřebu ložiskového tlaku, - periodicky odlehčovat sondu od tlaku vháněného plynu.
115
SPSKS
Obr. č. 7.16: Schematické znázornění jednotlivých typů kompresorových liftů
116
Obr. č. 7.17: Schematické znázornění jednotlivých typů kompresorových liftů
Zvláštní formou přerušovaného gasliftu je tzv. komorový gaslift, kdy je periodicky vytláčena kapalina, která natekla z ložiska do „komory“, tj. prostoru mezi dvěma pakry. Další formou liftu je tzv. plunžer lift (Plunger Lift), který pracuje na principu periodického zátkování kolony čerpacích trubek pístem. Při poklesu tlaku v koloně dojde k uvolnění pístu z chytače a propadnutí do spodní části kolony, kde je umístěno dorazové sedlo s pružinou. Tím dojde k uzavření kolony a dochází k tlakování prostoru pod pístem ložiskovým tlakem. Po překročení tlaku (tíha pístu a odpor těsnících elementů) dojde k vytlačení - „vystřelení“ pístu s kapalinou na povrch. Použití tohoto liftu je vhodné u sond, u kterých postupně ustává samotoková těžba a také v případě plynových sond s vysokým obsahem volné vody a tvořením hydrátu. V tomto případě přítokové podmínky sondy mohou být takové, že se kapalina začne hromadit ve spodní části sondy a eventuelně blokovat vstup plynu do sondy, takže se zastaví produkce plynu. Za těchto podmínek může být plunžer s uzavíratelným ventilem vložený do stupaček. Chytač plunžeru na ústí sondy otevírá ventil a může udržovat plunžer na tomto místě, zatímco další mechanismus v dolní části bude uzavírat ventil. Cyklus začíná tím, že plunžer padá do sondy s otevřeným ventilem. Plyn, kondenzát a ropa mohou procházet do plunžeru dokud nedosáhne dna sondy. Tam je ventil uzavřen, nyní s objemem ropy, kondenzátu nebo vody. Plyn se začne shromažďovat pod plunžrem a po nějaké době tlak plynu tlačí plunžer nahoru společně s kapalinou, která eventuelně vytéká od výtokové hlavy na ústí sondy. Když dosáhne plunžer chytače na ústí vrtu, ventil se otevře a umožní plynu proudit volně ze sondy, dokud se nová kapalina neshromáždí na dně sondy. Po určité době chytač uvolní plunžer a cyklus se opakuje. Efektivnost kompresorové těžby se obyčejně posuzuje podle spotřeby plynu (vzduchu), připadající na každou tunu ropy vytěžené z ložiska. Poměrná spotřeba pracovního činitele u liftů středních hloubek (600 – 1 200 m) kolísá v různých oblastech od 100 – 800 m3 na tunu, podle vrstevních podmínek, kvality ropy, obsahu vody atd.
SPSKS
117
SPSKS Obr. č. 7.17: Schéma funkce plunžer liftu: A. – stoupající plunžer s uzavřeným ventilem, B. – řídící regulační ventil, C. – výtok kapaliny, 1 – lubrikátor ke vstupu do sondy pod tlakem, 2 – horní výstup, 3 – chytač plunžeru, 4 – čidlo příchodu plunžeru, 5 – spodní výstup, 6 – hlavní ventil, 7 – pažnice, 8 – stupačky, 9 – přepravovaná kapalina, 10 – plunžer s uzavřeným ventilem, 11 – plyn tlačící na plunžer, 12 – dorazové sedlo s uzavíračem ventilu.
Uvedení kompresorových sond v činnost Před počátkem spuštění liftu se bude hladina kapaliny v těžebních trubkách i v obou prostorech mezikruží nalézat ve stejné výšce, odpovídající statické hladině. Jako příklad bude se uvádět v činnost sonda se soustředným vystrojením. Při spuštění liftu se začne vhánět stlačený vzduch do prostoru mezikruží mezi vzduchové a těžební trubky. Kapalina bude tedy vytlačována dolů a bude částečně vcházet do těžebních trubek a prostoru mezikruží, a částečně bude pohlcována vrstvou, neboť tlak v sondě začne převyšovat ložiskový tlak.
118
Hladina kapaliny v těžebních trubkách i v prostoru mezikruží se bude zvyšovat podle stupně snížení hladiny v mezikruží mezi vzduchovými a těžebními trubkami a podle zvýšení tlaku vháněného stlačeného vzduchu. Tento tlak dosáhne své největší hodnoty, když kapalina v prostoru mezikruží klesne po konec těžebních trubek. Tlak vzduchu bude v tomto okamžiku maximální a nazývá se spouštěcí tlak. Jakmile dosáhne vzduch paty těžebních trubek a pronikne do nich, začne v nich zvedat sloupec kapaliny za jejího částečného proplynění. Sonda vstupuje do normální těžby, tj. začíná neustále vyhazovat na povrch směs ropy se vzduchem (plynem). Přitom se hladina kapaliny v prostoru mezikruží (mezi těžební kolonou pažnic a vzduchovými trubkami) ustaluje na tzv. dynamické úrovni. Tlak v mezikruží se též ustaluje na určité hodnotě; nazývá se pracovní tlak a je vždy několikrát menší, než tlak spouštěcí. Největší spouštěcí tlaky nastanou při jednořadém liftu a poměrně nízkých tlaků bude třeba při liftu centrální soustavy a při dvouřadém liftu. Metody snížení spouštěcího tlaku Spouštěcí tlaky mohou dosáhnout velmi značné hodnoty, která přesahuje tlak instalovaných kompresorů, zvláště při jednořadém liftu. Zvýšený tlak při uvádění sondy v činnost se vysvětluje vytvořením nadměrně vysokého sloupce kapaliny v těžebních trubkách. Proto všechny metody, používané ke snížení spouštěcího tlaku, jsou založeny na odstranění části kapaliny z těžební kolony po dobu protláčení. Možné způsoby snížení spouštěcího tlaku jsou: -
metoda postupného zapouštění těžebních trubek, metoda zatláčení kapaliny do vrstvy, metoda svabování (pístování), metoda přepojení liftu z centrální soustavy na soustředěnou, metoda současného vtláčení ropy a plynu do sondy, postavení spouštěcích otvorů na těžebních trubkách (metoda ovzdušnění spouštěcími ventily).
SPSKS
Gasliftový cyklus Pro práci kompresorové sondy může jako pracovní prostředek sloužit jak vzduch, tak i plyn (zemní plyn, CO2 atd.). V počátcích používání kompresorového způsobu těžby se používalo výlučně vzduchu. Použití vzduchu má některé nedostatky: - vzduch se zemním plynem tvoří výbušnou směs (5-14 % plynu), proto se směs odpouští do atmosféry, - vzduch podporuje tvorbu velmi stabilní emulze ropa – voda. Proto se v současné době přednostně používá gaslift. Výhodně lze pro gaslift použít také plyn (zemní, CO2 apod.) z vysokotlakých sond plynových ložisek, neboť nevyžaduje v případě dostatečně vysokého tlaku výstavbu nákladné kompresorové stanice. Typové vystrojení sond pro kompresorovou těžbu Typové vystrojení těžební sondy pro těžbu ropy gasliftem zahrnuje v podzemní části: - stupačkovou kolonu včetně příslušenství (2 3/8“, 2 7/8“, 3 ½“; EU, NU), - mandrely (konvenční, side pocket mandrels), - gasliftové ventily (konvenční, nekonvenční, řídící, zaslepovací atd), 119
- zvláštní vystrojovací příslušenství (nad ventilové vsuvky, podzemní zpětný ventil, podpovrchový bezpečnostní ventil), - wire-line zařízení („KOT“ Kickover Tools, chytací a usazovací nádstavce atd.). Nadzemní část obsahuje: -
zařízení na ústí sondy: produkční kříž, regulační zařízení – řídící regulační ventil, kompresorovou stanici, čištění pracovního plynu.
Výhody tohoto způsobu těžby lze charakterizovat takto: -
spolehlivý systém, použití pro usměrněné a horizontální vrty (s úklonem 40 – 60°), vhodný pro rozsáhlou síť sond, možnost produkčního měření (průchodnost těžebních trubek), levné podzemní zařízení.
Nevýhodami jsou pak: -
prostorově náročná povrchová část, nutná infrastruktura pro optimalizaci systému, nižší flexibilita systému vůči čerpadlovému způsobu, časté práce wire-line servisu při optimalizaci, finančně náročná povrchová technologie (kompresory, potrubní rozvody, úprava plynu atd.).
7.4
SPSKS
Sekundární metody těžby
Primárními metodami těžby se vytěží 20-35% ropy, zbytek zůstává v pórech ložiskové horniny. Sekundární (druhotné) těžební metody představují postupy, které udržují ložiskovou energii při těžbě co nejdéle na vysoké úrovni. Patří mezi ně zatláčení plynu do plynové čepice nebo vody do vodního zápolí ropného ložiska za účelem protlačení nebo unášení zbývající ropy proudem kapaliny, pohybující se ve vrstvě k těžebním sondám. Takto lze zvýšit vytěžitelnost na 50-60%. Vlastní těžba probíhá v závislosti na tlaku v těžební sondě některým z výše uvedených primárních způsobů těžby. Podle vháněného (vtlačovaného) média se rozlišuje: a) těžba podporovaná vtláčením plynu, b) těžba podporovaná vtláčením vody. Těžba vtláčením plynu Jestliže poklesne tlak v ložisku, vtláčí se z povrchu pomocnou sondou do ložiska vytěžený plyn. (obr. 7.19 - A). Plyn se rozpouští v ropě, snižuje její viskozitu a vytlačuje ji na povrch. Tlak v ložisku je možné také zvyšovat vháněním zemního plynu do horní části ložiska, ve které je plynonosná vrstva (obr. 7.19 - B). 120
Těžba vtláčením vody Ropa bývá v ložisku pod tlakem vody, která ji vytláčí do těžebního vrtu (obr. 7.19 - C). Pro zvýšení těžby ropy se může ložisko uměle zavodňovat čerpáním vody nebo vhodných roztoků do ložiska, což napomáhá vytěsňovat ropu z ložiska. Vlastnosti vody, vháněné do ložiska, se mohou upravovat přidáváním povrchově aktivních látek, sycením prostřednictvím oxidu uhličitého apod. Pomocí hydraulické těžby se tak z ložiska vytěží navíc až 10 % ropy.
SPSKS
nepropustná
roponosná vrstva
hornina nasáknutá
plynonosná
Obr. č. 7.19: Schematické znázornění těžby ropy vtláčením plynu do roponosné vrstvy (A), do plynonosné vrstvy (B), vtláčením vody (C): (1 - těžební vrt, 2 - injektážní vrt)
7.5
Terciérní metody těžby
Terciérní metody (fáze) těžby zahrnují různé speciální metody, například zatláčení „neuhlovodíkových“ plynů do ložiska (např. CO2, dusíku, spalných plynů), LPG metodu (zkapalněný zemní plyn nebo propan), aplikace rozšířených zavodňovacích metod (zatláčení vody upravené povrchové aktivními látkami, polymery nebo jinými chemickými činidly) využití tepla pro snížení viskozity ropy (podzemní spalování, vtláčení páry nebo horké vody), využití metabolické činnosti anaerobních baktérií atd. Cílem je intenzifikace přítoku „zbytkové“ ropy, která nebyla vytěžena během primární nebo druhotné těžební fáze. Při dotěžování ložisek se vedle gravitačních principů využívá také generování mechanických otřesů v ložisku, které pomáhá uvolňovat ropu vázanou na povrchu zrn a v pórech kolektorů. Terciérní metody těžby ropy využívají ke zvýšení těžby externí látky (které nepocházejí z ložiska). Obvykle se do této skupiny řadí: e) těžba podporovaná vtláčením oxidu uhličitého, f) těžba podporovaná vtláčením horké vodní páry, g) těžba podporovaná zapálením ložiska.
121
Těžba vtláčením horké vodní páry Tento způsob těžby se používá obvykle pro velmi viskózní ropy. Vodní pára se při tlaku 14 MPa a při teplotě 340°C vhání do pomocného vrtu (sondy). Pomocný vrt může být vertikální nebo horizontální, a je situovaný několik metrů nad horizontálním těžebním vrtem. Pomocí horké vodní páry se vyhřeje roponosná vrstva mezi pomocnou sondou a těžební sondou, čímž se sníží viskozita ropy, která je obsažená v této vrstvě a zároveň se tu zvýší tlak, což má za následek zvýšení toku ropy do těžební sondy. Tento způsob těžby se používá obvykle také pro velmi viskózní a těžké asfaltické ropy. Princip metody spočívá v tom, že ve vhodné vzdálenosti od těžebního vrtu se nejdříve provede jeden nebo i více pomocných vrtů. V místě, kde pomocný vrt protíná roponosnou horninu, se zapálí ropa, která je nasáklá v této hornině a pomocnou sondou se do místa hoření přivádí vzduch, který je potřebný pro spalování ropy. Teplem, které vzniká při spalování části ropy (5000 až 7000C), se část ropy štěpí, čímž se snižuje její viskozita. Spalné produkty zároveň zvyšují tlak v ložisku a zároveň dochází k ohřevu ložiska, což má za následek další snížení viskozity nespálené ropy. V důsledku toho potom dochází ke zvýšenému toku ropy do těžební sondy, odkud se čerpá na povrch. Množstvo vytěžené ropy se pohybuje okolo 50 %, u těžkých typů ropy to může být jen asi 10 % ropy přítomné v ložisku. Při této metodách těžby ropy se na ložisku nacházejí tři druhy sond: a) Zapalovací sondy slouží k zapálení a založení spalovací vlny v ložisku. V dalším průběhu těžby se využívají obdobným způsobem jako vtlačné vzduchové sondy. b) Vtlačné vzduchové sondy, kterými se do ložiska vtláčí vzduch, obsahující kyslík nezbytný ke spalovacímu procesu. c) Těžební sondy, kterými se dopravuje ropa na povrch. Tyto sondy jsou zpravidla mechanizovány (čerpací soupravy). Při bezprostředním ovlivnění sondy spalovací vlnou obvykle nastává projev samotoku. Přiblížení spalovací vlny je signalizováno růstem teploty (teplota ropy na ústí až 80°C) a zvyšujícím se obsahem spalin. Po zasažení sondy spalovací vlnou se sonda odstaví z těžby a po překročení spalovací vlny, které je provázeno poklesem teploty, se sonda využívá pro vtláčení vzduchu.
SPSKS
Zapálení ložiska a řízení spalovací vlny Vlastnímu zapálení předchází ohřev přípočvové zóny (např. elektrotělesem) zapalovací sondy na teplotu cca 1000°C v prostředí bezkyslíkového plynu, např. zemní plyn nebo dusík. Po vypnutí elektroohřevu, zastavení přívodu bezkyslíkového plynu a jeho úplném odpuštění z přívodního potrubí se vpustí do zapalovací sondy vzduch. Účinkem vzdušného kyslíku dojde k zapálení ložiska. Pokud bylo v procesu ohřevu přípočvové zóny použito metanu (zemní plyn), může se zahájit vtláčení vzduchu do vyhřáté sondy až po propláchnutí sondy dusíkem, nebo jiným inertním plynem, aby nedošlo k vytvoření výbušné směsi zemního plynu se vzduchem. Řízení spalovacího procesu se provádí prostřednictvím vtlačných vzduchových sond změnou množství vtláčeného vzduchu. Proto je nutné množství vzduchu vtlačeného do ložiska měřit. Průběh spalování a postupu spalovací vlny se sleduje pozorováním produkce, teploty a rozboru plynů (spalin) z těžebních sond. Zejména se sleduje obsah CO (oxid uhelnatý) a H2S (sirovodík). Rychlost postupu spalovací vlny je závislá na celé řadě veličin. Řádově se však pohybuje v rozmezí 3 – 6 m za rok. 122
Tok ropy v ložisku se realizuje v důsledku působení kapilárních síl mezi ropou a propustnou horninou. Pro zvýšení propustnosti hornin se v ložisku provádí odstřel speciálních nábojů, následkem čehož popraská hornina a zlepší se přítok ropy k těžební sondě. Jindy se do vrtu zatláčejí kyseliny (kyselinování ložiska), které rozleptávají horniny, a tím se zvyšuje jejich propustnost a tudíž i přítok ropy k těžební sondě. Pro uhličitanové horniny se používá zředěná kyselina chlorovodíková, pro křemičitanové horniny se používá směs kyseliny chlorovodíkové a kyseliny fluorovodíkové. Součástí těchto kapalín jsou i inhibitory koroze, které chrání kovové části sondy (pažnice, čerpací trubky). Dále se zkouší v omezené míře vhánění oxidu uhličitého, extrakce ropy super kritickými tekutinami, naočkování ropného ložiska vhodnými mikroorganismy apod. Mikroorganismy spotřebovávají některé složky ropy, vytvářejí plyny, které zvyšují tlak v ložisku a kysele reagují s látkami, které naleptávají horniny. Těžba podporovaná vtláčením oxidu uhličitého Progresivní terciérní metody těžby ropy, založené na vhánění oxidu uhličitého jsou komerčně prověřené a lze je rozdělit na metody, při kterých se CO2 vhání do roponosné vrstvy a metody, při kterých se CO2 vhání do plynonosné vrstvy. Při vhánění do plynonosné vrstvy CO2 zvyšuje nebo udržuje tlak v ložisku a působí jako vytěsňovací plyn. Při vhánění do roponosné vrstvy (obr. 7.20) se CO2 jednak smíchává s ropou, a tím snižuje její viskozitu, a jednak zvyšuje, nebo alespoň udržuje tlak v ložisku. Udává se, že těmito způsoby je možné z ložiska získat navíc 10 - 15% ropy. Protože CO2 přednostně mobilizuje (způsobuje tok) lehčí frakce ropy, mírně se zlepšuje i kvalita vytěžené ropy. Oxid uhličitý, používaný pro terciérní těžbu ropy, může pocházet z přírodních zdrojů nebo ze zplyňování fosilních paliv. Většina projektů, které využívali CO2 ke zvýšení těžby ropy, získávala CO2 z přírodních vrtů nebo ze zemního plynu, který byl vytěžený souběžně s těžbou ropy. Oxid uhličitý je separovaný z uhlovodíků ze zemního plynu fyzikálním nebo chemickým (např. roztokem dietanolaminu) propíráním.
SPSKS
Obr. č. 7.20: Schematické znázornění těžby ropy pomocí vhánění oxidu uhličitého ( 1- separátor, 2 – kompresor)
Několik projektů využívá CO2 , který vzniká při spalování fosilních paliv při výrobě elektrické energie, nebo při zplyňovaní fosilních paliv, kdy se vyrábí metan nebo nějaký syntetický plyn. V obou případech se CO2 separuje fyzikálním nebo chemickým vypíráním, 123
stlačuje se a dopravuje plynovodem do místa těžby ropy, které může být vzdálené i stovky kilometrů. S rostoucí vzdáleností mezi zdrojem oxidu uhličitého a místem jeho vtlačování do ložiska se samozřejmě zvyšují přepravní náklady. 8.
Těžba zemního plynu
Zemní plyn se nachází v čistě plynových ložiskách, plynokondenzátních ložiskách anebo společně s ropou jako doprovodný plyn. Těžba čistě plynových sond se uskutečňuje samotokovým (eruptivním) způsobem. Zemní plyn je vzhledem k nízké hustotě dopravován na ústí sondy ve srovnání s ropou i při relativně nízkém ložiskovém tlaku. Vystrojení plynové sondy je prakticky shodné s vystrojením ropné samotokové sondy. 8.1
Základní charakteristika a komplikace při těžbě zemního plynu
Specifickým problémem těžby plynových sond je problematika tvorby pevných krystalických hydrátů a výnosu kapalné fáze (kondenzátu, vody) z ložiska. Problematika pískování plynových sond je obdobná jako u sond ropných. Tvorba pevných hydrátů Při určitých podmínkách (tlak, teplota) a za přítomnosti volné vody může docházet k vytváření hydrátových zátek přímo v čerpacích trubkách sondy. Tvorbě těchto hydrátových zátek lze zabránit:
SPSKS
a) volbou vhodného režimu těžby (velikost produkce, tlak, teplota), b) instalací speciálních vystrojovacích prvků (změna tlakových a teplotních podmínek) – hlubinná tryska, c) nástřikem inhibitorů (etanol, glykol), které snižují teplotu tvorby hydrátů. Výnos kapalné fáze z ložiska Pokud je spolu s plynem dopravována do sondy kapalná fáze, musí být rychlost proudění v čerpacích trubkách natolik veliká, aby docházelo k výnosu kapalných částeček na povrch sondy. V případě nedostatečné rychlosti dochází ke shromažďování kapaliny v sondě a vytvořením dostatečně vysokého sloupce kapaliny může nastat umrtvení sondy. Kapalná fáze se do sondy dostává buď strháváním kapaliny (např. ložiskové vody) proudícím plynem z vrstvy, nebo kondenzací par kapaliny v důsledku poklesu teploty. Zvláštním případem vytváření kapalné fáze uhlovodíků je tzv. retrográdní kondenzace (kondenzace za sníženého tlaku), která hraje důležitou roli při těžbě plynových ložisek kondenzátního typu. Problematika pískování sond Při činnosti plynových sond (i ropných), které těží plyn z vrstvy z nezpevněných písků, proudí do sondy spolu s těženou kapalinou nebo plynem i značné množství písku. Pokud nejsou vytvořeny podmínky (dostatečná rychlost proudění) pro vynášení částic písku na povrch sondy, bude se písek usazovat na dně sondy a vytvoří pískovou zátku, která postupně přeruší přístup media z vrstvy do sondy. Průvodním znakem tvoření zátek může být osednutí podzemního zařízení.
124
V případě výnosu písku ze sondy na její povrch, tedy do povrchového zařízení, projevuje se písek negativně abrazivním účinkem na zařízení i jeho pohyblivé části (hlubinné plunžerové čerpadlo při těžbě ropy).
SPSKS
Obr. č. 8.1: Aplikace inhibitoru proti tvorbě hydrátů formou hlubinného nástřiku 125
Zábrana pískování sond Základním opatřením proti pískování je zábrana pronikání písku do sondy spolu s ložiskovým mediem. Proto se sondy vybavují různými konstrukcemi filtrů, např. dnes hojně používané tzv. naplavované pískové filtry. V podstatě se jedná o filtry štěrbinové konstrukce (štěrbiny tvořeny navinutým lichoběžníkovým drátem na perforované trubce), u kterých se po zapuštění naplaví do prostoru mezikruží vytříděný písek. Velikost (šířka) štěrbin musí být menší než 0,5 – 0,7 průměru nejmenších zrn naplaveného písku a pohybuje se zpravidla okolo 0,25 – 0,3 mm. Vlastní naplavení se provádí zvláštním naplavovacím zařízením. Součástí kolony filtrů je i kontrolní filtr stejné konstrukce, sloužící k identifikaci naplavení a těsnící hlava filtrů, která uzavírá prostor naplaveného mezikruží. Podle situování filtrů ve vrtu se rozeznávají filtry zabudované: 1. v zapažené části vrtu (perforace, perforovaná kolona, liner apod.) - „ inside gravel pack“, 2. v nezapažené části vrtu - „open hole gravel pack“.
SPSKS
Obr. č. 8.2: Usazení filtrů v sondě – v zapažené části a v nezapažené části sondy 1 – štěrbinový trubní filtr, 2 – kontrolní filtr, 3 – pata kolony filtrů, 4 – závěs filtrační kolony, 5 – centrátor, 6 – pata technické pažnicové kolony, 7 – štěrkový obsyp, 8 – těžební pažnicová kolona, 9 – hladina vody v sondě, 10 – čerpací trubky, 11 – technická pažnicová kolona, 12 – cementace technické pažnicové kolony, 13 – centrátor, 14 – spoje čerpacích trubek, 15 – pakr, 16 – naváděcí objímka 126
Odstraňování pískových zátek Pokud dojde v průběhu těžby z jakýchkoliv důvodů k vytvoření zátky a případně i k osednutí zařízení ložiskovou horninou, musí být provedena podzemní oprava sondy. Odstraňování zátek se provádí: a) promýváním sondy, b) lžícováním. 8.2
Vystrojení plynové těžební sondy
Základním podzemním vystrojením plynové sondy jsou čerpací (těžební) trubky – stupačky, včetně příslušenství (obr. 8.3 a 8.4). K nadzemnímu zařízení patří armatury na ústí sondy (produkční kříž, trysky, manometry atd.) montované na základní nebo redukční přírubu těžební kolony. Typové vystrojení plynové těžební sondy obsahuje – podzemní část: - stupačková kolona včetně příslušenství (2 3/8“, 2 7/8“, 3 ½“; EU, NU), - pakry (permanentní, vytažitelné; mechanické, hydraulické), - zvláštní vystrojovací příslušenství: proplachovací objímka, usazovací vsuvky „XN“ „X“, naváděcí objímky, permanentní hlubinný manometr, hlubinný nástřik inhibitoru – směšovací vsuvka, - protipískové filtry (inside gravel pack, open hole gravel pack). Nadzemní část tvoří: - zařízení na ústí: produkční kříž (závěsný stupačkový kužel, vývod pro hlubinný nástřik)
SPSKS
Volba vnitřního průměru stupaček pro těžbu plynu je dána maximální přípustnou tlakovou ztrátou třením při vertikálním proudění potrubím a minimální průtočnou rychlostí pro výnos kapaliny. Z přípustné tlakové ztráty při dané produkci (průtočném množství) se určí minimální přípustný průměr trubek. Z minimální průtočné rychlosti plynu potřebné k plynulému výnosu kapaliny ze sondy se pro daný průtok stanoví maximální přípustný průměr stupaček. Příklady vystrojení těžebních plynových sond jsou na obr. 8.3 a 8.4. 8.3
Těžba plynokondenzátních ložisek
O tom, zda se jedná o zvláštní typ tzv. plynokondenzátního ložiska (PK) lze rozhodnout na základě fázového diagramu směsi plynů, ložiskového tlaku a teploty. Pro pochopení vlastností PK ložisek je nutné vysvětlení pojmu retrogradní kondenzace. Retrogradní kondenzace Při těžbě plynokondenzátního ložiska klesá v průběhu těžby ložiskový tlak při konstantní teplotě až na hodnotu kritického tlaku, při kterém začnou uhlovodíky v ložisku kondenzovat. Dalším poklesem tlaku zpočátku přibývá kapalné fáze (uhlovodíkového kondenzátu) a ubývá plynné fáze až do určitého maxima. Dalším poklesem tlaku se naopak (retrogradně) začne množství kapalné fáze zmenšovat a plynné přibývat. Po dosažení určitého tlaku již další pokles nemá vliv na změnu fáze a zůstává směs uhlovodíků trvale v plynném skupenství. Ve výše uvedeném případě se hovoří o retrogradní kondenzaci I. typu. Obdobný proces však nastává i při změně teploty za konstantního tlaku. V tomto případě proces se nazývá retrogradní kondenzací II. typu. 127
SPSKS
Obr. č. 8.3: Ukázka vystrojení těžební plynové sondy.
128
SPSKS
Obr. č. 8.4: Ukázka vystrojení těžební plynové sondy
129
V případě kondenzátních ložisek se však, jak bylo uvedeno, uplatňuje kondenzace v důsledku poklesu tlaku. Uhlovodíkový kondenzát, který kondenzoval v ložisku v důsledku poklesu tlaku, zůstává v pórech horniny a nelze jej expanzním režimem odtěžit. Vzniklé ztráty tak představují značné množství kondenzátu (gazolinu), který zůstává v ložisku. Vytěžitelnost PK ložisek Vytěžitelnost PK ložisek se všeobecně pohybuje v rozmezí 50 až 55 objemových % z celkové zásoby plynu a kondenzátu. Přitom koeficient vytěžitelnosti plynu dosahuje 0,85 až 0,90. Je tedy zřejmé, že rozhodující význam pro zvýšení vytěžitelnosti uhlovodíků u PK ložisek má zvýšení vytěžitelnosti kondenzátu. Metody zvýšení vytěžitelnosti kondenzátu Principiálně lze zvýšit vytěžitelnost kondenzátu několika způsoby. V podstatě se však jedná o metody udržování ložiskového tlaku: - zatláčení lehkých uhlovodíků (etan, propan), - kombinace uvedených metod. Udržování ložiskového tlaku Udržování ložiskového tlaku lze uskutečňovat vtláčením vody nebo plynů. V USA a Kanadě je značně rozšířený tzv. cycling-proces, tj. udržování tlaku zpětným vtláčením suchého plynu do ložiska. V případě nenasyceného PK ložiska se až do tlaku nasycení provádí těžba expanzí, tedy bez udržování tlaku. Zvláštním případem jsou PK ložiska, u kterých se předpokládá s jejich využitím pro následné podzemní skladování plynu.
SPSKS
9.
Účinky těžby ropy a zemního plynu na životní prostředí
9.1
Možné vlivy vrtných pracovišť na okolní životní prostředí
Vlastní běžný provoz vrtného pracoviště může mít při odborném provádění a dodržování příslušných předpisů pouze velmi malý a krátkodobý negativní vliv na okolní životní prostředí. K rozsáhlejšímu ovlivnění by mohlo dojít pouze v případě nepředvídané havárie velkého rozsahu. Bezpečnosti práce je proto v projektech věnována náležitá pozornost. Práce při hlubinném vrtání a čerpacích zkouškách se řídí především stávajícími předpisy a ostatními platnými báňskými a souvisejícími předpisy (vyhlášky, podnikové směrnice, instrukce, technologické postupy, organizační řád vrtné brigády apod.). Před zahájením prací je na vrtu prováděna spouštěcí konference. Osádka soupravy musí být před zahájením prací prokazatelně seznámena s geologickým a technickým projektem, havarijním plánem a příslušnými bezpečnostními a ekologickými opatřeními. 9.1.1 Popis operací, obsahující průzkumné a těžební vrtání a hodnocení jejich vlivu na životní prostředí Vrtné práce, které se sestávají z mnoha dílčích operací, je možno rozčlenit do následujících podskupin: a) přípravné práce, b) stěhování a montáž vrtné soupravy, 130
c) hloubení vrtu, d) vystrojení vrtu a čerpací zkoušky, e) dokončovací a závěrečné práce. Přípravné práce Při této etapě prací nedochází ke kontaminaci zemin ani povrchových vod vlastní průzkumnou činností. Lokální komplikace by mohly nastat pouze v důsledku tzv. úkapů nebo havárie motorových vozidel zabezpečujících výše prováděné operace. Při realizaci průzkumných vrtů se tedy jedná (zejména v zalesněném terénu) o krátkodobý zásah do životního prostředí – ovšem takový, který je pro následné dobývání nerostných surovin nezbytný. Významným trendem při těžební otvírce je usměrněné vrtání (trsové vrty) z jedné pracovní plochy, případně horizontální provrtávání kolektorských vrstev – opět vrty z jedné pracovní plochy, který vede ke snížení požadavků na zábor půdy pro pracovní plochy a ke snížení rizika ohrožení životního prostředí. Stěhování a montáž vrtné soupravy Cílem této etapy prací je montáž vrtné soupravy na připravené pracovní ploše. Rovněž u těchto prací může dojít k lokální kontaminaci okolí pouze v důsledku masivních úkapů resp. havárie motorových vozidel. Vliv hlučnosti je možno omezit především snížením počtu jízd. Hloubení vrtů
SPSKS
Výsledkem této etapy je vyhloubení průzkumných, resp. těžebních vrtů. Proces hloubení vrtů bezprostředně ovlivňuje životní prostředí pouze v blízkém okolí vrtných pracovišť (hluk za takřka nepřetržitého provozu, osvětlení v noci apod.) a komunikačních cest. Tyto vlivy lze označit jako nevyhnutelné a prakticky ustávající s ukončením vrtných prací. Dále je zde určité riziko možné kontaminace povrchových a mělce situovaných podzemních vod, resp. půdy ropnými produkty používanými na vrtném pracovišti; vrtnými výplachy a uniklými ložiskovými uhlovodíky v případě erupce. Vlastní ústí sondy, opatřené produkčním křížem, je umístěno ve „sklepě“ sondy, tedy v nepropustné, bezodtokové betonové jímce, která nejdříve slouží k zachytávání úkapů vrtného výplachu při samotném vrtání sondy a později, po odstěhování vrtné soupravy, slouží k zachytávání případných úkapů ropných látek při vlastní těžební činnosti. Znečištěné vody ze sklepů sond s obsahem ropných látek a případně i slané ložiskové vody jsou odváženy ke zpracování do vybraných sběrných středisek (případně odvodňovacích stanic), kde jsou zbaveny ropných látek a ve většině případů zpětně zatlačeny do vodou sycené části těžené ložiskové struktury. Vymezení látek ohrožujících jakost nebo zdravotní nezávadnost vod Na vrtném pracovišti je nakládáno s látkami, které jsou podle výše citovaných zákonů a vyhlášek, ohrožujícími jakost či zdravotní nezávadnost vod. Jsou to: 1) 2) 3) 4) 5)
ropné látky a oleje, chemikálie k úpravě vrtného výplachu, vrtný výplach, vrtný odpad, obaly od použitých aditiv, 131
6) opotřebované oleje, 7) zemina kontaminovaná ropnými látkami. Místo jejich uložení, včetně manipulačních prostorů a jednotného uspořádání vrtních pracovišť řeší vnitropodnikové směrnice. Tyto směrnice jsou pak závazné pro všechna vrtná pracoviště dané organizace. Pro případ havarijního znečištění jakosti vod je vždy vypracován plán opatření, který obsahuje zásady postupu v případě havárie. Plán opatření je k dispozici na pracovišti jako univerzální část projektové dokumentace. 9.1.2 Plán opatření pro případ havarijního zhoršení jakosti vod Pro případ havarijního zhoršení jakosti vod látkami, které jsou dle vyhlášky MLVH ČSR 6/77, a ve znění dalších vyhlášek o ochraně podzemních a povrchových vod látkami, ohrožujícími jakost či zdravotní nezávadnost vod je zpracován plán opatření (podle materiálů MND Hodonín, a.s.). Plán opatření slouží jako dokument, který se zabývá podmínkami, za kterých lze nakládat s jednotlivými látkami ohrožujícími jakost či zdravotní nezávadnost vod vždy na konkrétním pracovišti. Řeší dále způsob a postup při likvidaci případné havárie a odstraňování jejich škodlivých následků. Tento dokument vychází z plánu opatření pro mobilní soupravy a je upřesněn pro konkrétní soupravu a pracoviště. Celý dokument je zpracován především v souladu s příslušnými předpisy. Vymezení látek ohrožujících jakost nebo zdravotní nezávadnost vod
SPSKS
Na vrtných pracovištích může být nakládáno s látkami ohrožujícími jakost či zdravotní nezávadnost vod. Jsou to látky uvedené v odstavci 16.1.3.1 Místo jejich uložení na pracovištích a způsob skladování musí být řešeno tak, aby nemohlo dojít k nežádoucímu úniku těchto látek a ke znečištění půdy, případně povrchových a podzemních vod, pouze na zpevněné panelové ploše. Havarijní zhoršení jakosti vod V souladu s platnými vyhláškami je za havarijní zhoršení jakosti vod (dále jen „havárie“) považováno mimořádně závažné zhoršení či ohrožení jakosti vod. Mimořádné závažné zhoršení jakosti vod je zpravidla náhlé, nepředvídané a projevuje se zejména závadným zbarvením, zápachem, vytvořením usazenin, tukovým povlakem nebo pěnou, popř. mimořádným hynutím ryb. Za mimořádné závažné ohrožení jakosti vod se považuje ohrožení vzniklé neovladatelným vniknutím závadných látek, případně odpadních vod v jakosti nebo množství, které může způsobit havárii, do prostředí souvisejícího s povrchovou nebo podzemní vodou. Dále se za mimořádné ohrožení jakosti vod považují případy technických poruch a závad, které takovému vniknutí předcházejí a případy úniku ropných látek ze zařízení k jejich zachycování, skladování, dopravě a odkládání. Za havárii se vždy považují případy zhoršení nebo ohrožení jakosti vod ropnými látkami, jakož i zhoršení nebo ohrožení jakosti vod v chráněných vodohospodářských oblastech, v ochranných pásmech nebo ve vodárenských tocích a v jejich povodích. O havárii nejde v těch případech, kdy vzhledem k rozsahu a místu úniku je vyloučeno nebezpečí vniknutí závadných látek do povrchových nebo podzemních vod. Taktéž veškeré úkapy ropných látek jsou ihned likvidovány.
132
Zásady postupu při havarijním úniku látek škodlivých vodám Přes veškerá citovaná opatření je dle příslušných paragrafů povinností organizace vypracovat zásady postupu v případě havárie. Aktivní protihavarijní opatření se provádí na místě vzniku havárie na povrchových vodách a k ochraně podzemních vod. Hlášení havárie Každý pracovník, který zjistí havárii nebo provozní nehodu je povinen toto neprodleně ohlásit svému nadřízenému, případně přímo na dispečink. Zároveň je povinen v rámci možností okamžitě učinit opatření zamezující šíření znečištění. Dispečer provozu je zodpovědný za oznámení této události příslušnému vedoucímu oddělení životního prostředí a vedoucímu oddělení hlubinného vrtání. Havárii je povinen hlásit původce havárie prostřednictvím vedoucího oddělení životního prostředí příslušnému referátu životního prostředí orgánu veřejné správy a Báňskému úřadu. Po dohodě hlásí havárii i dalším zainteresovaným organizacím (příslušnému povodí, ČIŽP, KHS, obecní úřad). O havárii je nutné sepsat zápis – protokol, který vypracovává havarijní komise. Konečná likvidace odpadu při havárii Veškeré odpady vzniklé při havárii jsou uloženy do kontejnerů o obsahu 1 m3 nebo odčerpány mobilním přepravním prostředkem (dle rozsahu havárie), dále převezeny dle konkrétní situace na biodegraci nebo ke smluvnímu odběrateli. O postupu rozhodne dle vzdálenosti místa havárie vedoucí likvidace havárie.
SPSKS
Prostředky k likvidaci havárie, uvědomovací činnost, kontrola opatření obsažených v plánu opatření Na vrtné soupravě je uskladněn k havarijnímu použití v dobrém stavu tento materiál: sorpční materiál, lopaty, krumpáče, metly březové, vhodné čerpadlo, absorpční koberec. Za uskladnění a doplňování havarijních prostředků je odpovědný vrtmistr soupravy. S obsahem plánu opatření jsou prokazatelně seznámeni všichni pracovníci vrtného pracoviště a na pracovišti je plán opatření k dispozici. Za dodržení opatření uložených v plánu opatření je zodpovědný vrtmistr soupravy. Kontrola pracovišť je trvale zajišťována v rámci kontrol pracovišť podle ustanovení báňských předpisů technicko hospodářskými pracovníky a vedoucím oddělení životního prostředí. Protokol o havárii Protokol o havárii vypracovává havarijní komise za vedení vedoucího likvidace havárie. Protokol o havárii musí být vypracován do dvou dnů po ukončení šetření havárie. 9.2
Těžební sondy
Pro vlastní těžbu ropy a plynu slouží těžební (provozní) sondy. Sondy jsou odvrtávány samostatně z vlastní pracovní plochy nebo jsou sdružovány v tzv. trsech, kdy z jedné pracovní plochy je odvrtáno několik sond. Pracovní plocha kolem sondy, vybudovaná ze železobetonových silničních panelů (viz kap. 9.1), sloužící původně jako pracovní plocha pro vrtnou soupravu, je vyspádována do sklepa 133
sondy tak, aby umožňovala zachytávání stékající dešťové vody. Voda ze sklepa je dle potřeby vyčerpávána do mobilního přepravního zařízení a odvážena k likvidaci na příslušné pracoviště. 9.2.1 Technologická část u těžebních sond s aplikací mechanizované těžby ropy Základní sestava nadzemního zařízení je odlišná podle těžebních kapacit sond. U sond s malou vydatností těžby je ropa po akumulaci určitého množství odvážena autocisternou. Ostatní sondy jsou napojeny ropnými přípojkami na sběrná ropná střediska. Obvyklou sestavu těžební sondy tvoří: -
produkční kříž s čerpacím (těžebním) kozlíkem, ropná přípojka (do skladovací nádrže nebo ke sběrnému naftovému středisku), nádrž na skladování ropy, elektrická přípojka.
Produkční kříž je soustava vysokotlakých armatur, kterými se ovládá těžba ropy ze sondy. Produkční kříž je umístěn nad sklepem sondy. Zařízení na ústí sond pro čerpadlovou těžbu se skládá ze tří samostatných částí – závěsné příruby, ucpávkové hlavy a ucpávkové tyče. Dle potřeby může být na ústí čerpadlové sondy namontován tzv. ochoz, to je trubkový vývod z mezikruží propojený s vývodem kapaliny z čerpacích trubek a umožňující regulované odplyňování z mezikruží a v případě trvalejšího samotoku dané sondy i možnost regulace přes vloženou trysku. Za doplňkové, ale neméně důležité zařízení lze považovat vývod trubky z mezikruží pro záměry hladin v sondě sonologem a přípravek pod závěs ucpávkové hlavy pro měření účinnosti hlubinného čerpadla dynamometrem. Zařízení na ústí sondy vystrojené tzv. vřetenovým čerpadlem je uvedeno na obr. č. 9.1.
SPSKS
134
SPSKS
Obr. č. 9.1: Zařízení na ústí sondy vystrojené tzv. vřetenovým čerpadlem
135
9.2.2 Technologická část u těžebních sond těžících samotokem Obvyklá technologická část zařízení na povrchu je tvořena produkčním (erupčním) křížem, ropnou resp. plynovou a elektrickou přípojkou. Při hloubení těžebních vrtů a při následné výstavbě, resp. úpravách povrchového zařízení je nutno vycházet zejména ze zákonů a vyhlášek týkajících se životního prostředí a příslušných norem. 9.2.3 Možné vlivy provozu těžebních sond na okolní životní prostředí Na ložiskách uhlovodíků by teoreticky mohlo docházet na těžebních sondách k úniku těžené kapaliny z následujících zdrojů: -
netěsnosti vlastního stvolu vrtu, netěsnosti produkčního kříže, přetoku (vyplavení) úkapů ze sklepa sondy, prasknutí ropné přípojky, resp. poškození uzavíracích armatur, při přečerpávání ropy do autocisterny, poškození nádrže a havarijní jímky, operace při podzemních opravách sond.
Proti možným lokálním únikům z uskladňovací nádrže jsou přijata následující opatření. Zabezpečení nádrže proti přeplnění dle ČSN 65 0201 je zajištěno signalizací maximální hladiny (plovák, výstražné barevné značky) a denní kontrolou obsluhou. Obsluha zajišťuje odvoz ropy, jakmile objem ropy v nádrži dosáhne 75 % objemu nádrže. Před účinky slunečního záření jsou nádrže chráněny antireflexním nátěrem. Pro případ úniku ropných látek je vypracován plán havarijního opatření, který musí být schválen příslušným referátem životního prostředí.
SPSKS
Operace při podzemních opravách sond V případě některých podzemních oprav je zapotřebí ze sondy vytáhnout tzv. stupačky (těžební trubky). Při tažení stupaček je nutno užívat kvalitní stírací objímku, která s povrchu trubek setře ulpělé zbytky ropy. Netěsná objímka neplní svou funkci a zbytky ropy by mohly při manipulaci s trubkami (ukládání na ocelové podpěry se sklonem) stékat na panelovou plochu v okolí sondy. Pod konce uskladňovaných stupaček je tedy nutno umístit ocelové záchytné nádoby na případné úkapy ropy (podrobněji viz kap. 9.2.7). Vzhledem k malým úkapovým množstvím se předpokládá jejich likvidace na pracovní panelové ploše. Při těžební činnosti nevznikají (při použité technologii) žádné další druhy odpadu, které by mohly být zdroji případné kontaminace okolního horninového prostředí. 9.2.4 Sběrný systém a úprava ropy a zemního plynu Těžené kapalné a plynné uhlovodíky jsou základní surovinou, kterou je nutno pro další využití upravit a dále zpracovat. Základním cílem prvotních úprav, které se realizují ve většině případů ve sběrných naftových střediscích (SNS) resp. na odvodňovací stanici, je dosáhnout potřebnou kvalitu ropy dle technických dodacích podmínek před její expedicí k dalšímu zpracování do rafinérií. Celý proces úpravy ropy včetně jejího transportu z ložiska až do expedičních nádrží probíhá v hermeticky uzavřeném systému. Pro jeho výstavbu i provozování platí zvláštní předpisy.
136
Uvažovaná životnost ropných přípojek ze sklolaminátu je minimálně 50 let. Těsnost potrubí se prověřuje jednak měřením tlakových ztrát při přepravě ropné kapaliny a jednak vizuálně pochůzkou po trase potrubí 1 x za 14 dní. Těsnost a pevnost je prověřována 1 x za 6 měsíců tlakovou zkouškou jmenovitým tlakem potrubí. V souběhu s potrubními přípojkami mohou být vedeny silové kabely k vrátkům škrabáků a osvětlení ploch trsů a optický kabel pro přenos dat od těžebních sond do řídící kabiny v SNS umístěné v umělohmotné chráničce. 9.2.5 Technologický proces úpravy vytěžené ropné kapaliny Technologické zařízení pro těžbu, sběr a prvotní úpravu ropy a doprovodného zemního plynu je navrhováno v takovém provedení, aby dokázalo těženou surovinu efektivně zpracovávat ve všech fázích těžby ložiska, aniž by mohlo dojít k poškozování životního prostředí nebo snížení kvality úpravy produkované ropy a zemního plynu. Od ústí těžebních sond je ropná kapalina dopravována samostatnými potrubními přípojkami (nebo autocisternou) do provozního celku sběrného naftového střediska (SNS). Zde se za postupného snižování tlaku a působením teploty a povrchově aktivních látek (PAL) rozdělí na plyn, ropu a ložiskovou vodu. Doprovodný zemní plyn, oddělený z ropné kapaliny postupným snižováním tlaku v rámci třístupňové separace je po vysušení (sušení trietylenglykolem) a zbavení nežádoucích příměsí přednostně spotřebováván v procesu těžby a úpravy ropy a zemního plynu a jeho případné přebytky jsou dodávány expedičním plynovodem do distribuční sítě nebo mohou být vtláčeny do plynové části ložiskové struktury. Odplyněná a odvodněná ropa je shromažďována ve velkoobjemových dvouplášťových nádržích, odkud je přečerpávána propojovacím ropovodem do stáčecího místa, kde je stáčena do železničních vagónů. Ložisková voda, oddělená z ropné kapaliny v procesu odvodnění ropy (klasifikovaná jako důlní voda) je vtláčena zpět do vodou nasycené části ložiska. Množství separované a následně zatláčené ložiskové vody se v průběhu těžby ložiska mění v závislosti na zvyšujícím se zavodnění produkce těžebních sond.
SPSKS
9.2.6 Možné vlivy provozu pomocných měřicích středisek a sběrných naftových středisek na okolní životní prostředí Na provozovaných pomocných měřicích střediscích a (SNS) může docházet k únikům ropy a odseparované ložiskové vody při následujících činnostech: a) b) c) d) e)
doprava ropy sběrným potrubím, čerpání ropy, úprava ropy, úprava ložiskové vody, skladování ropy.
Před analýzou možných vlivů na životní prostředí, které se mohou vyskytnout při dalším provozu a případné likvidaci popisované technologie je vždy nutno stanovit míru staré zátěže horninového prostředí danou předchozím provozem. Tyto údaje jsou pro další posuzování bezpečnosti provozu bezpodmínečně nutné, neboť bez určení stupně stávající kontaminace nelze stanovit, kdy ke znečištění docházelo.
137
Doprava ropy sběrným potrubím Z hlediska možných úniků ropy jsou potrubní přípojky ze sond nejproblematičtějším místem a jejich zabezpečení z protihavarijního hlediska je velmi obtížné. Poškození potrubí by mohlo být příčinou rozsáhlejší kontaminace bližšího okolí. Určitým řešením tohoto problému je náhrada ocelových trubních systémů sklolaminátovými trubkami, které nepodléhají korozi. Důraz je zde nutno klást na pravidelnou kontrolní činnost. Použitý trubní materiál je dokladován atesty o provedených zkouškách v rozsahu stanoveném technologickými normami. Prospěšné je vybudování systému mělkých monitorovacích vrtů pro sledování možné kontaminace podzemních vod. Z uskladňovacích nádrží je ropa podzemním potrubním rozvodem vedena na železniční vlečky, kde je stáčena do železničních cisteren. Závitové a přírubové spoje produktovodu jsou umístěny v betonových šachtách, které mají záchytný prostor dimenzován tak, aby zachytil obsah určitého úseku potrubí v případě poruchy těsnosti. Možné úniky musí být kontrolovány vizuální prohlídkou šachet a dále jsou prováděny pravidelné zkoušky těsnosti. Pro trubní rozvody vedení v areálu SNS v zemi platí stejné zásady jako pro produktovody. Armatury na povrchu jsou pravidelně kontrolovány. Poruchy funkčnosti (netěsnosti) jsou vizuálně snadno zjistitelné a odstranitelné. Únik ropné emulze by byl ihned přerušen uzavřením jiných armatur. Ke kontaminaci by mohlo dojít jen v blízkém okolí armatur a rozvodů. Úprava ropy Ropa ve sběrném středisku prochází třemi základními stupni úpravy. Ve všech může dojít k úniku ropy. Porušení funkčnosti ohřevu (kotlíku) - k porušení funkčnosti ohřevu v kotlíku může dojít poruchou termoregulátoru, nedostatečnou kapalinovou náplní ohřevu (dietylénglykolu) v lázni kotlíku, resp. špatnou plynotěsností zařízení. Kontrola těchto zařízení je proto prováděna periodicky (1x za 8 hodin, resp. 1x za 24 hodin). I v případě jejich poruch však nedochází k úniku ropné emulze mimo kotlík. Záchytná plocha pod ohřevem je nepropustná, dimenzovaná na plný objem ohřevu. Separace ropy - separátory jsou umístěny v havarijních betonových jímkách. Uniklá ropa může být z jímek přečerpána zpět do procesu úpravy. Ke znečistění plochy sběrného střediska ani okolí tedy nedochází. Deemulzace ropy - deemulzátory jsou rovněž umístěny v havarijních betonových jímkách a situace je stejná jako u separace.
SPSKS
Úprava ložiskové vody Ložisková voda vytěžená společně s ropou je odlučována v horizontálních separátorech a deemulzátorech a dále je shromažďována v sestavě sedimentačních nádrží, kde dochází k další gravitační separaci zbytků ropy a pevných nečistot. Odloučená ropa je vrácena zpět do technologického procesu, pevné sedimenty jsou vyváženy na skládku. Zbylá voda je zatláčena zpět do určených sond. Výše uvedenou úpravou prochází rovněž srážková voda zachycená ve sklepech sond. Možné úniky ložiskové vody mohou nastat při poruše přepravního potrubí nebo při poruše plovákových spínačů čerpadel zabezpečujících přečerpávání vody z jednotlivých nádrží. Porucha přečerpávání je vizuálně snadno zjistitelná, uniklé množství vody by nebylo velké a znečistění by bylo řešeno v rámci sběrného střediska.
138
Při provozu je nutno klást důraz na pravidelnou kontrolní činnost – provádění zkoušek těsnosti (ověřování provozní spolehlivosti produktovodů). Poškození potrubí by totiž mohlo být příčinou rozsáhlejší kontaminace zemin v bližším okolí. Čerpání ropy Provozovaná čerpadla zabezpečují expedici ropy, nástřik povrchově aktivních látek před deemulzátory a zatlačení ložiskové vody. Čerpadla jsou umístěna v samostatném zděném objektu - čerpací stanici, jejíž podlaha je zajištěná proti vsakování ropných látek. Zachycení možných úkapů je řešeno pomocí přenosných kovových van. Ke znečistění okolí čerpací stanice při běžném provozu nedochází. Skladování ropy Upravená ropa je před expedicí skladována ve skladovacích nádržích, které jsou umístěny v betonové havarijní jímce. Ta zabezpečuje zachycení úniku ropy v případě přeplnění (porucha signalizace) nebo při poškození pláště nádrže. Proti přetečení je havarijní jímka upravená tak, aby ropa z ní byla přečerpávána expedičním potrubím. Ke znečištění sběrného střediska ani okolí nedochází. 9.2.7 Podzemní opravy sond Všechny práce spojené s opravou nebo výměnou podzemního zařízení sondy, čištění sondy a všechny práce spojené se změnou způsobu těžby se označují jako podzemní opravy sond. Ve smyslu bezpečnostních předpisů a náročnosti prováděných prací se podzemní opravy sond (POS) rozdělují na běžné a složité.
SPSKS
Mezi běžné podzemní opravy patří: -
odstraňování pískových zátek, deparafinace sondy, výměna čerpacích trubek a čerpacích tyčí (táhlic), výměna hlubinných čerpadel resp. jednotlivých dílů, likvidace utržených čerpacích tyčí.
Mezi složité opravy jsou zařazeny: -
přechod na nový obzor, práce spojené s odstraněním poruch pažnicových kolon (zlom, zmáčknutí), izolační práce, práce spojené s chytáním utržených trubek, nářadí a cizích předmětů v sondě, výměna protipískového filtru, havarijní práce a ostatní činnost vyžadující speciální nářadí a materiál.
Všechny složité opravy sond patří do kategorie generálních oprav, které svým výsledkem rozhodují o existenci sondy.
139
9.3
Metody průzkumu kontaminovaných lokalit
Průzkum bývalých těžebních potenciálně kontaminovaných lokalit má svá specifika oproti běžně prováděným inženýrskogeologickým a hydrogeologickým průzkumům. Jedná se zejména o následující čtyři aspekty: • rychlost prováděných prací – kontaminace prostředí není statický systém, mění se v čase a výsledky průzkumu platí pouze pro určité časové období. Tento aspekt vystupuje do popředí zejména v případě ropných havárií, kdy je rozsah kontaminace dán rychlostí provedení následných sanačních prací, • bezpečnost prováděných prací – okolní prostředí může být kontaminováno zdraví škodlivou nebo jinak nebezpečnou látkou (hořlaviny, výbušniny apod.). Při provádění průzkumu je proto nutné dodržovat všechny potřebné bezpečnostní a hygienické předpisy, • rizikovost prováděných prací – nesprávně provedený průzkum, chybná volba průzkumných metod, jejich rozsahu a lokalizace může způsobit nárůst škod např. plošným nebo hloubkovým rozvlečením kontaminace (porušení nepropustných vrstev – propojení zvodní atd.), • multidisciplinární přístup při provádění a vyhodnocování průzkumných prací. Odborné řešení vyžaduje účast hydrogeologů, geofyziků, inženýrských geologů, geobotaniků resp. dalších geologických specializací.
SPSKS
Cílem průzkumu kontaminace je určit:
a) kontaminující látku, její chemické, fyzikální a toxikologické vlastnosti a hygienické dopady, b) zdroj kontaminace a jeho druh (jednorázová, dlouhodobá, bodová, liniová, plošná kontaminace) a způsob kontaminace prostředí, c) velikost a míru znečištění – plošný a hloubkový rozsah znečištění, množství kontaminujících látek v horninovém prostředí a podzemní vodě, koncentrace škodlivin v centru a na okraji kontaminačního mraku a hodnoty pozadí v dané lokalitě (vše v saturované i nesaturované zóně), d) uplatňující se migrační parametry, směr a rychlost šíření kontaminace a další charakteristiky znečištěného prostředí důležité pro další rozhodování (propustnost, pórovitost, zrnitost, obsah organických látek, základní chemismus a fyzikální charakteristiky kontaminovaných vod apod.), e) historii znečištění a jeho časový vývoj (obvykle velmi obtížně zjistitelné informace, avšak velmi důležité pro posouzení nebezpečnosti dnešního stavu znečištění), f) zhodnocení ohrožených objektů šířením kontaminace (vodárenské studny, domovní studny, vodní toky a prameny, významné zvodně kvalitních podzemních vod) a míra jejich ohrožení (tzn., kdy dojde k jejich zasažení a jaké koncentrace kontaminantu v nich lze čekat),
140
g) posouzení potřeby a způsobu sanace, stanovení cílových parametrů únosných v daném území s ohledem na jeho současné a budoucí využití (obytná, rekreační, průmyslová zóna). Průzkum kontaminace prostředí lze rozčlenit na tři hlavní části: 1) průzkum zdroje kontaminace, 2) průzkum znečištění nesaturované zóny (horninového prostředí a půdní atmosféry nad hladinou podzemní vody), 3) průzkum znečištění saturované zóny (podzemní vody a horninového prostředí pod hladinou podzemní vody). Vlastnímu průzkumu ještě předchází tzv. předprůzkumná etapa zahrnující vymezení a definování problému včetně shromáždění vstupních informací. Vstupní informace se zjišťují z archivních a mapových materiálů a z úvodní terénní rekognoskace: a) potenciální zdroje znečištění v dané oblasti, b) spektrum možných kontaminantů, c) vlastnosti a hygienická závadnost potenciálních kontaminantů a jejich chování v geologickém prostředí, d) orientační množství uniklých kontaminantů, e) geologická stavba a hydrogeologické poměry zájmové lokality a její vodohospodářský význam, f) objekty v okolí, které mohou být ohroženy.
SPSKS
Ad 1) průzkum zdroje kontaminace zahrnuje:
- jeho věrohodné určení, v případě více zdrojů znečištění, je nutno nalézt všechny zdroje, - zjištění způsobu úniku kontaminace do okolí, případně množství uniklého kontaminantu, - nalezení způsobu zamezení dalšího znečišťování a jeho realizace. Ad 2) průzkum nesaturované zóny obsahuje: - stanovení druhů znečišťujících látek a jejich chování v nesaturované zóně, - množství a koncentrace zjištěných kontaminantů v horninách a půdním vzduchu, prostorové rozložení koncentrace, - petrografický charakter prostředí a hydraulické vlastnosti hornin a zemin, - struktura geologického prostředí (identifikace jednotlivých poloh, významných rozhraní, tektonických prvků apod.). Ad 3) průzkum saturované zóny se zaměřuje především na: - geometrii zkoumaného hydrogeologického prostředí (tj. vymezení hydrogeologických kolektorů, poloizolátorů a izolátorů), - hydraulické charakteristiky kolektorů a izolátorů, event. okrajové podmínky, - hloubka hladiny první zvodně, směr a rychlost proudění podzemní vody ve zvodni, - piezometrická úroveň hladin podzemní vody hlubších zvodní, směry a rychlost proudění podzemní vody včetně určení vertikální složky proudění,
141
- režim proudění podzemních vod v daném místě (tj. místa infiltrace, oběhu, akumulace a drenáže), souvislost s povrchovými vodami, - využití podzemních vod v okolí, - kvalitativní spektrum kontaminujících látek a jejich chování v saturované zóně, - množství a koncentrace polutantů v podzemní vodě a případně i ve volné fázi v úrovni hladiny, pod hladinou nebo na bázi kolektoru případně sorbovaných na povrchu horniny pod hladinou podzemní vody, - prostorové rozložení koncentrací v saturované zóně. 9.3.1 Průzkum nesaturované zóny Nenasycená zóna (také zóna aerace) je mezi hladinou podzemní vody a povrchem terénu. Póry jsou v ní zcela nebo částečně vyplněny vzduchem. Do nenasycené zóny se také někdy zahrnuje kapilární třáseň, která se rozkládá nad hladinou podzemní vody a ve které jsou póry zcela vyplněny vodou. Na rozdíl od nasycené zóny pod hladinou podzemní vody má však voda v kapilární třásni negativní tlakovou výšku a nemůže být vzorkována piezometrem. K průzkumu nesaturované zóny jsou využívány následující metody. Sondážní metody Sondážní metody zahrnují ruční sondáž (zarážecí sondy, ruční rotační vrtání), penetrační sondy a klasickou strojní vrtnou sondáž. Používají se pro získání vrtného profilu, vzorků zemin pro různé účely, vzorků půdního vzduchu. Ve vhodném prostředí nebo po vystrojení mohou sloužit i dlouhodobě jako indikační vrty, např. pro sledování kvality půdního vzduchu. Při průzkumu látek těkavého charakteru je nutné vzít v úvahu zahřívání horninového prostředí některými vrtnými technologiemi (zvláště při rotačním a rotačně příklepném vrtání). Obdobně je třeba volit způsob hloubení vrtu při potřebě odběru neporušených nebo poloporušených vzorků hornin (vrtání bez výplachu tzv. vrtání „na sucho“, vibrační vrtání).
SPSKS
Hydraulické metody Hydraulické metody slouží k získání hydrofyzikálních parametrů hornin nesaturované zóny. In situ jsou prováděny nálevové zkoušky, na vzorcích hornin mohou být hydraulické parametry studovány v hydraulické laboratoři (propustoměry). Ventingovými zkouškami je zjišťována permeabilita prostředí pro vzduch, což je nezbytná informace pro úvahy o sanaci těkavých kontaminantů v nesaturované zóně ventingem. Omezujícími faktory těchto metod je především nehomogenita zkoumané nesaturované zóny jak v ploše, tak ve vertikálním směru. Problematický bývá i odběr neporušených vzorků pro laboratorní zkoušky. Geofyzikální metody Jde o velmi široce používané metody průzkumu. Jejich použití je poměrně levné, jde však o metody nepřímé, proto je nutné jejich výsledky korelovat s výsledky přímých metod (analýzy vzorků apod.). Nejrozšířenější jsou především geoelektrické metody (zejména odporové profilování), pomocí nichž se mapují puklinové zóny a další preferenční cesty šíření kontaminantu, báze skalního podloží, případně i změny elektrické vodivosti charakteristické pro některé kontaminanty. Značnou výhodou těchto metod průzkumu je jejich relativně nízká cena za jednotku interpretované informace, dostupnost přístrojového vybavení a časová nenáročnost provádění měření. Jejich použití je omezeno v prostředí s mnoha elektrickými vodiči (elektrická vedení, kabely, kovová potrubí, železné konstrukce apod.). Měření také 142
z velké míry omezuje nepřístupnost (porosty) nebo velká členitost terénu. Velmi užitečné bývají seizmické metody, pomocí nichž lze zjistit bázi skalního podloží pod kvartérním pokryvem, široké rozpukané zóny působící jako preferenční cesty šíření kontaminace apod. Pokud není nutný velký hloubkový dosah (cca do 4 až 5 m), je výhodné použití zemního radaru – např. na odhalování mělkých podzemních nádrží a dalších prostor. Atmogeochemické metody Atmogeochemické metody prezentují odběr definovaných vzorků půdního vzduchu a stanovování škodlivin těkavého charakteru (především těkavých uhlovodíků, např. ropných nebo chlorovaných), které do půdního vzduchu přešly buď primárně (tj. odtěkáním kontaminantu prosakujícího nesaturovanou zónou) nebo sekundárně (tj. odtěkáním kontaminantu již transportovaného podzemní vodou). Podle druhu analýz vzorků půdního vzduchu se atmogeochemické metody člení na neselektivní, semiselektivní a selektivní (analýza vzdušnin za použití plynového chromatografu). Součástí správně provedeného atmogeochemického průzkumu je selektivní stanovení látek aspoň v části vzorků a navíc i analýzy vzorků zemin pro potřeby korelace. Atmogeochemické vzorky půdního vzduchu se odebírají z průzkumných sond pomocí vzduchového čerpadla. Sonda musí být dostatečně utěsněna proti vnikání atmosférického vzduchu a odběr vzduchu by měl být zonální, tzn., že by měl reprezentovat určitý hloubkový úsek sondy. Analýzy půdního vzduchu mohou přispět k mapování míst a směrů propustných zón v nesaturované zóně (kterými se i těkavé látky v plynné formě šíří rychleji). Jde o metody velmi rychlé a relativně levné, proto se s oblibou používají pro úvodní screening znečištění, např. v případě různých havárií, při řízení těžby kontaminovaných zemin atd.
SPSKS
Dálkový průzkum a geobotanický průzkum
Při řešení průzkumných úkolů na větší ploše se s úspěchem používají metody dálkového průzkumu, především leteckého snímkování terénu v různých měřítcích a spektrech, užitečné jsou stereoskopické snímky. Metody dálkového průzkumu je vhodné použít, pokud kontaminace prostředí souvisí s morfologií povrchu (např. mapování starých skládek na velké ploše území, identifikace různých ploch se zahrnutými odpady a další umělé zemní práce, které jsou dálkovým průzkumem velmi snadno odhalitelné). Metodami dálkového průzkumu lze odhalit i zdravotní stav rostlinného pokryvu. U dlouhotrvajících znečištění je velmi účelné geobotanické posouzení, které má dva hlavní aspekty: • zjištění zdravotního stavu rostlin v návaznosti na možné ovlivnění kontaminující látkou (např. prostřednictvím vody využívané kořeny rostlin); toto ovlivnění může být pozitivní (např. nápadně bujný růst) nebo negativní (očividné chřadnutí nebo odumírání rostlin), • rozbor vyskytujících se druhů rostlin a rostlinných společenstev (mizení druhů citlivých na výskyt daného kontaminantu a jejich nahrazování druhy jinými, kterým určitá kontaminace nevadí nebo dokonce prospívá – např. tzv. oleofilní druhy rostlin schopné využívat ropné látky). Důležitým úkolem geobotanika je eliminovat ostatní možné vlivy na posuzované rostliny a rostlinná společenstva (kterých může být velké množství) a rozpoznat pouze vliv kontaminace, jež je předmětem průzkumu. Zde je výhodné spojení dálkového a geobotanického průzkumu.
143
9.3.2 Průzkum saturované zóny Pro průzkum saturované zóny jsou využívány především následující metody. Sondážní metody V naprosté většině se používají různé strojní vrtné technologie (vrtání jádrové, rotačně příklepové, náběrné, šnekové, vibrační, drapákové). Hydrogeologické průzkumné vrty slouží pro odběry zeminových vzorků a vzorků vod, pro zjišťování hydraulických parametrů prostředí, dlouhodobě slouží jako monitorovací nebo sanačně-monitorovací objekty. Parametry vrtu (tzn. hloubka, vrtný průměr, použitá vrtná technologie, způsob vystrojení vrtu, interval perforace výstroje) se odvíjejí od charakteru geologického prostředí a vlastností kontaminantu. Na správném provedení vrtu závisí možnost jeho dlouhodobého využívání a věrohodnost vzorků vody, které se z něho budou odebírat (tj. zda dostatečně reprezentují vzorkované prostředí). Hydraulické metody K přesnému nebo orientačnímu určování hydraulických parametrů prostředí slouží různé hydrodynamické zkoušky, nejčastěji čerpací a stoupací zkoušky, někdy se používají zkoušky nálevové, vtláčecí apod. Pro účely kontaminační hydrogeologie je důležité stanovení základních hydraulických parametrů – koeficientu filtrace kf, koeficientu transmisivity T, koeficientu storativity S (případně efektivní pórovitosti ef), pro návrh sanačního zásahu jsou důležité využitelné a specifické vydatnosti, dosahy depresí apod. Získané údaje často slouží jako vstupní hodnoty pro modelová řešení.
SPSKS
Geofyzikální metody
Podobně jako v nesaturované zóně lze geofyzikální metody s úspěchem použít i pro průzkum v saturované zóně. Nejobvyklejší jsou geoelektrické metody, kterých se využívá pro zjišťování poruchových zón a dalších preferenčních cest proudění podzemní vody a šíření kontaminantu. Jejich použití je omezeno v územích s kovovými materiály (elektrická vedení, kabely, železné a železobetonové konstrukce, kovová potrubí apod.). Obtížněji použitelné jsou i v prostředí s málo odlišnými odporovými charakteristikami hornin. Seizmické metody jsou používané pro zjišťování důležitých horninových rozhraní (báze skalního podloží, rozhraní vrstev s odlišnou rychlostí šíření seizmických vln), případně větších poruchových zón jako preferenčních cest šíření kontaminantu. V hlubším hydrogeologickém vrtu je vhodné využít karotážních metod, které nám mohou odhalit vertikální stratifikaci kontaminantu v kolektoru, určit přítoková nebo ztrátová místa podzemní vody ve vrtu a další charakteristiky proudění vody (např. vertikální složka proudění, rychlost toku apod.). Při tomto průzkumu je nutné určit distribuci organických kontaminantů mezi jednotlivými fázemi a rozsah kontaminace. Klíčovou roli zde hraje lokalizace volné fáze (jako reziduální koncentrace i jako souvislé akumulace) a to jak v nesaturované, tak i v saturované zóně. K tomu přistupuje vymezení mraku rozpuštěné kontaminace a adsorbované kontaminace v saturované zóně a také mraku kontaminovaného vzduchu v nesaturované zóně.
144
9.4
Klasifikace lokalit z hlediska ohrožení životního prostředí
Všeobecně je pro klasifikaci lokalit z hlediska ohrožení životního prostředí vhodné používat následující stavebnicový model, zahrnující pět samostatných, avšak navzájem navazujících etap. I. etapa Výběr dostupných dat z již existujících dokumentů zohledňujících technické a technologické parametry lokality a aktivity na ní realizované a jejím okolí s důrazem na aktivity citlivé na interakci s případnými úniky polutantů. Obecně je lze definovat jako oblasti lidské činnosti a sféry životního prostředí se zvýšenou citlivostí na negativní změny v životním prostředí. Jako příklad lze uvést zdroje pitné vody, urbanizační plány obcí atd., nezbytným dokladem je seznam registrovaných a předpokládaných ekologických havárií, které mohly již v minulosti degradovat kvalitu životního prostředí. Poznání a dokumentace výše uvedených parametrů je nezbytná pro ekonomicky efektivní návrh následných průzkumných prací. II. etapa Etapa obsahuje realizaci dvoufázové průzkumné studie s možností ukončení po první fázi v případě získání dostatečného množství informací k provedení jednoduchého hodnocení rizik ve III. etapě. 1) Fáze A: (orientační průzkum)
SPSKS
V této fázi nutné provést podrobnou prohlídku lokality za účelem aktualizace veškerých poznatků získaných v I. etapě. Prohlídka může v případě nutnosti verifikovat již získaná data, doplněná o odběr vzorků zemin, podzemních a povrchových vod ze stávajících objektů a půdního vzduchu z mělkých sond. Fáze je ukončena zprávou, která musí shrnovat veškeré poznatky za účelem definování stávajícího stavu a možných rizik pro životní prostředí. 2) Fáze B: (podrobný průzkum) Následuje po fázi A v případě, že předchozí fáze nemohla bez použití nákladnějších metod poskytnout dostatek informací pro realizaci III. etapy. Fáze B zahrnuje realizaci průzkumných prací s použitím veškeré techniky nutné k získání informací, které jsou přesně definovány ve III. etapě. V této fázi jsou realizovány vrtné práce, čerpací zkoušky, atd. III. etapa - klasifikace a určení stupně rizika. V této etapě je zpracována jednoduchá riziková analýza, která umožní zatřídění každé lokality do jedné z následujících tříd. 3. třída:
Lokalita nevyžaduje realizaci jakýchkoliv následných opatření. Standardní stav.
2. třída:
Lokalita vyžaduje monitoring. Rizikový stav.
145
1. třída:
Lokalita vyžaduje realizaci nápravných opatření v podobě sanačních prací, doplňkového průzkumu, případně komplexní studie rizika nebo zpracování matematického modelu migrace polutantů. Vysoce rizikový stav.
Výše uvedená klasifikace neznamená absolutní charakterizaci lokality, ale měla by reprezentovat shrnutí poznatků a vztahů na zájmové lokalitě v reálném čase. Definice jednotlivých tříd: 3. třída:
Lokality se zanedbatelným znečištěním. Údaje získané z jednoduchého vyhodnocení rizik poskytují dostatečné množství informací, na jejichž základě lze lokalitu využívat bez nutnosti doplňujících průzkumů a jakýchkoliv nápravných opatření včetně sanačních.
2. třída:
Lokality, které je nutno monitorovat. Na těchto lokalitách existuje statistická nejistota pro určení konečného stupně rizika pro životní prostředí. Lokality vyžadují vytvoření monitorovacího systému (pravidelný odběr vzorků, atd.), popř. instalaci speciálních zařízení v závislosti na zastavěnosti lokality tak, aby bylo v co nejkratším termínu možné tyto lokality zařadit do třetí, popř. první třídy.
1. třída:
Lokality, které nezbytně vyžadují provedení doplňkového průzkumu nebo detailní rizikové analýzy, případně je na nich nutno zahájit sanační práce. Lokality této třídy lze dále odstupňovat a určit časovou posloupnost nutnosti provedení nápravných opatření.
SPSKS
Základní princip vyhodnocení rizika
Riziko, vyplývající z případného znečištění lokality, je vyjádřeno pravděpodobností škod, které by mohla kontaminace způsobit. Toto riziko je předurčeno kombinací následujících tří faktorů: 1) 2) -
zdroj a charakter kontaminace, možnost migrace kontaminace směrem od zdroje: možnost pohybu, možnost přechodu do okolí, možnost pohybu k určitému cíli.
3) akceptor kontaminace (jedná se o objekt, který by mohl být při postupu kontaminace zasažen a tím ohrožen. Za nejdůležitější objekt je považován člověk a jemu sloužící složky životního prostředí). Riziko vzniká pouze za předpokladu, že dojde k naplnění všech tří uvedených rizikových faktorů. IV. etapa - doplňkový průzkum a detailní riziková analýza. Hlavním účelem prací realizovaných v této etapě je získat úplný soubor informací ke stanovení ekonomicky efektivního sanačního postupu a stanovení cílových parametrů pro 146
ukončení sanačního procesu, případně pomocí výsledků detailního zhodnocení rizik a jejich prezentací orgánům státní správy přeřadit lokalitu do 2. třídy s nutností monitoringu. V. etapa – sanace Tato etapa představuje poslední krok celého procesu prací na dané lokalitě a měla by být tvořena následujícím souborem operací: a) b) c) d) e)
definice cílových parametrů sanace v závislosti na předchozím a budoucím využití lokality, stanovení kontrolní procedury sanačního procesu, výběr sanační technologie, samotný sanační proces a jeho kontrola, hodnocení dopadu sanačního procesu na kvalitu životního prostředí.
V závěru sanačního procesu je lokalita přeřazena do 2. nebo 3. třídy nebo v extrémním případě stále vysokých zbytkových koncentrací opětovně sanována. 9.4.1 Parametry určující výběr sanačních postupů Hodnocení účinnosti Pro hodnocení účinnosti jednotlivých sanačních postupů je rozhodujícím parametrem cena prací, za kterou lze dosáhnout cílových koncentrací polutantů v prostředí. Cena celého souboru prací při využití různých sanačních technologií je samozřejmě různá, ale stejně tak je různá i cena prací při použití stejného postupu prací v různém čase. Rozhodujícím faktorem pro výběr sanačního postupu je, kromě typu kontaminace a geologických podmínek, hodnota sanačního limitu. Není nutno sanovat za každou cenu, ale minimalizovat rizika plynoucí z ekologických zátěží.
SPSKS
Efektivita vynaložených prostředků Z výše uvedených důvodů musí být rozhodování o sanaci lokalit kontaminovaných ropnými látkami založeno na potenciálních rizikách, které představují mobilní složky ropných látek pro člověka a jeho populační vývoj a nikoliv na základě prosté přítomnosti ropných látek v horninovém prostředí. Bylo dokázáno, že jak přirozené přírodní procesy, tak lidské technologie, dokážou redukovat potenciální rizika spojená s výskytem toxických látek ze skupiny ropných uhlovodíků v životním prostředí. Je zřejmé, že technologické postupy jsou schopny mnohem rychleji odstranit kontaminaci z prostředí, avšak reálné snížení potenciálních rizik s kontaminací spojených může být naprosto nerentabilní ve srovnání s déletrvajícím přirozeným procesem rozkladu stejných sloučenin. Jinými slovy, často neexistuje opodstatnění k plýtvání peněz na lokalitách, kde již příroda sama sanuje a kde neexistuje reálné nebezpečí ohrožení lidského zdraví v důsledku přítomnosti polutantu v prostředí. Problematika legislativy Sanační a geologicko průzkumné práce realizované po roce 1991 byly prováděny na základě Metodického pokynu Ministerstva pro správu národního majetku a Ministerstva životního prostředí České republiky k zákonu č. 92/1991 Sb. Pokyn ze dne 18. 5. 1992 obsahuje
147
ukazatele a normativy znečištění zeminy, půdního vzduchu a podzemních vod a stanovuje následující kategorie: Kategorie A - hodnoty pozadí charakterizující přibližně přírodní obsahy sledovaných látek. Kategorie B - mezní koncentrace, jejichž dosažení vyžaduje zahájení průzkumu s cílem vysvětlit původ či zdroj znečištění. Kategorie C - mezní koncentrace, od které se provádí sanační zásah, je-li prokázáno riziko migrace znečištění do okolí a možnost poškození dalších složek životního prostředí. Výše uvedené kategorie jsou vodítkem pro úřady při rozhodování o zahájení sanačních prací a stanovování cílových limitů těchto prací. Problém je však ve výkladu výše citovaných kategorií. Ve většině případů je kategorie C prezentována jako sanační limit. V případě respektování metodického pokynu tak, jak je citován výše, by většina sanačních prací byla realizována v mnohem menším rozsahu, případně vůbec. Nařízení přísných sanačních limitů nemusí vždy být v souladu s principy ochrany životního prostředí jako celku. Před zahájením sanačních prací musí být vždy vypracována riziková analýza, která by měla hodnotit i rizika vyplývající z použití jednotlivých sanačních procedur a jejich porovnání s riziky plynoucími z kontaminace životního prostředí. 10.
Sanace dobývacího prostoru po těžbě
10.1
Likvidace starých těžebních sond
SPSKS
Těžební sonda na ropu a plyn tvoří spolu s ložiskem ropy a plynu jediný hydrodynamický celek. Z hlediska filtračního procesu je sonda, ve srovnání s ložiskovou propustnou vrstvou, toková cesta s nejnižšími filtračními odpory. To je zároveň důvodem, proč pohyb tekutin směřuje do sondy, byla-li už jednou migrace v ložisku vyvolaná. Tento proces probíhá (bez vnějších zásahů) až do vyrovnání tlakových poměrů. Standardní likvidace těžební sondy se provádí se zasazením celé její délky (případně vybraných intervalů) cementovou směsí a jejím uzavřením betonovou deskou cca 1,5 m pod povrchem terénu. Předpokladem ovšem je, že se zcela nebo téměř zcela vyčerpala ložisková energie a ložiskový tlak je snížen na úroveň, která bezpečnou, ekonomicky únosnou a ekologicky zajištěnou likvidaci umožní. Pokud tomu tak není, vzniká problém tzv. cementace pod tlakem. Tento způsob cementace je technicky a ekonomicky velmi náročný, přičemž nelze ať už vzhledem k vlastní technologii, ale také např. stáří zájmových sond, vyloučit havárii se všemi případnými ekologickými důsledky. V některých starých těžebních sondách jsou dosud tlaky (ložisková energie) tak vysoké, že může docházet až k přetoku ropy na ústí sondy. Pro likvidaci sond nebo i jen jejich konzervaci (odstavení) je to ten nejméně příznivý případ s jakým se lze v těžební činnosti na ropu setkat. Případnou kontaminaci zeminového prostředí a podzemních vod v okolí starých těžebních sond není vhodné sanovat samostatně před vlastní likvidací sond ze dvou hlavních důvodů: 1) nejsou odstraněny zdroje kontaminující látky – původní těžební sondy (s častým případem porušení těsnosti produkčního kříže), spojující ložiska s povrchem, 2) není znám prostorový rozsah znečištění v okolí sond a stupeň zasažení podzemních vod – tedy údaje, bez kterých nelze spolehlivě navrhnout dekontaminační metodu.
148
Dochází-li k dlouhodobým únikům ropy (netěsnostmi produkčních křížů) ze starých těžebních sond před jejich likvidací, lze při kontaktu s horninovým prostředím vyčlenit čtyři hlavní fáze, z nichž jedna může plynule přecházet do druhé: vsakování (lokální, drobné úniky), šíření po povrchu a vsakování (plošné, rozsáhlé havárie), šíření po povrchu hladiny podzemní vody (stacionární systémy), přemísťování s pohybující se podzemní vodou (dynamické systémy). S ohledem na nové ekologické předpisy je však v zájmu provozující organizace, aby byla jasná představa o stávajícím znečištění prostředí v okolí těžebních sond ropou a přibližném objemu sanačních prací a to ještě před zahájením likvidačních prací. 10.1.1 Plán likvidace V plánu likvidace sond musí být zohledněny následující poznatky a údaje (podle materiálů MND, a.s.). - Zdůvodnění zajištění nebo likvidace skupiny vrtů nebo sond v dotčené části ložiska, způsob zajištění nebo likvidace, jejich bezpečné provedení. - Rozmístění a technické parametry vrtů a sond (lokalizace, projektovaná hloubka, dosažená hloubka, úvodní kolona, technická kolona, těžební kolona). - Zhodnocení využití zásob ložiska v plánem dotčené části, technologických ztrát, nevydobytých zásob včetně uplatněných intenzifikačních metod, popřípadě možnost použití druhotných těžebních metod. - Jiná výhradní ložiska zjištěná vrty v dotčené části dobývacího prostoru a způsob jejich ochrany. - Tlakové a hydrodynamické poměry dotčené části ložiska. - Technický stav vrtů a sond určených k zajištění nebo likvidaci, zejména z hlediska izolace jednotlivých obzorů, metodika a technika zjišťování technického stavu vrtů. - Zhodnocení výsledků čerpacích pokusů těžební otvírky a těžby. - Způsob zajištění požadavků vyplývajících z rozhodnutí orgánů a dohod s orgány a organizacemi, jímž přísluší ochrana objektů a zájmů podle zvláštních předpisů. - Využití vrtů a sond, zařízení a staveb pro jiné účely. S obnovením těžby uhlovodíků a s využitím stavby se uvažuje (neuvažuje). - Způsob následných kontrol likvidovaných vrtů a sond. Návrh geofyzikální a geomechanické kontroly způsobu likvidace vrtů a sond, případně účinnosti opravných prací ve vrtech. - Základní opatření k zajištění bezpečnosti a ochrany zdraví při práci a bezpečnosti provozu. - Bezpečnost práce. - Zásady likvidace vrtů, složení tamponážních a cementačních směsí, použití oddělovacích kapalin. - Technika a technologie dodatečných oprav technického stavu vrtů a porušených zapažnicových cementací.
SPSKS
10.1.2 Typový technologický postup pro likvidaci těžební sondy Sondy jsou likvidovány na základě provádějícího technického projektu, ve kterém jsou respektovány zásady typového technologického postupu (podle materiálů MND, a.s.). • • • •
Způsob likvidace těžební sondy. Způsob likvidace potrubních přípojek uložených v zemi. Složení cementových směsí a výplachu použitých pro likvidaci sond. Plán sanace a rekultivace území dotčeného těžbou v okolí zlikvidované sondy. 149
Po likvidaci vlastní sondy včetně přípojky k sondě je dotčené území sanováno a rekultivováno podle příslušných zákonů a vyhlášek. Dotčené území (okolí sondy) je sanováno a rekultivováno podle následujícího typového postupu. Časový průběh jednotlivých činností je analogický s níže uvedeným popisem. Technický plán a harmonogram prací 1) Technická rekultivace: - Odstranění zbytků těžebního zařízení. - Odstranění panelové plochy. - Odstranění betonových základů – betonový sklep a základy jsou mechanicky narušeny a odvezeny na skládku, případně k drcení a recyklaci. Přitom jsou vysbírány všechny kameny a další materiál. - V případě, že zemina v okolí sondy je znečištěna ropnými látkami, je veškerá znečištěná zemina odstraněna. Znečištěná zemina je odvezena na speciální skládku, kde je likvidována biodegradací. - Odvezená zemina a beton jsou nahrazeny čistou nezávadnou zeminou. - Terénní úpravy pozemku se provedou tak, aby plocha plynule navazovala na okolní terén. Cesty, které byly vybudovány před těžební činností, jsou opraveny a uvedeny do původního stavu. - Na dotčené ploše je provedena 1 x hluboká orba (na lesní půdě po dohodě s vlastníkem). - Pozemek je písemně předán uživateli pozemku.
SPSKS
2) Biologická rekultivace
Po řádném provedení technické rekultivace je prováděna biologická rekultivace. Biologickou rekultivaci tvoří tři základní okruhy operací: - Hnojení. - Agrotechnická opatření. - Pěstování rostlin. Biologickou rekultivaci provádí obvykle uživatel pozemku. Náklady na biologickou rekultivaci jsou uhrazeny těžební organizací. 3) Harmonogram prací Po vlastní likvidaci sondy následuje technická rekultivace. Doba trvání technické rekultivace je maximálně 2 měsíce. Práce na biologické rekultivaci musí navázat plynule na provedenou technickou rekultivaci. Dodavatelem biologické rekultivace může být i vlastník, respektive uživatel pozemku. Sanace a rekultivace umožní navrácení dočasně odňaté půdy zemního půdního fondu a lesního fondu. Při provádění likvidačních prací (využívá se stejných vrtných souprav jako při podzemních opravách sond) se lze setkat se stejnými druhy vlivu na okolní životní prostředí, jako v případě operací probíhajících při vrtných pracích resp. pracích POS. Situace může být zkomplikována v případě kontaminace zemin resp. podzemních vod v okolí likvidovaných sond, které vznikly v důsledku předchozích nekontrolovatelných úniků ropy přes porušená (zkorodovaná) zhlaví vrtů.
150
10.2 Metody sanace kontaminovaného prostředí 10.2.1 Pojem sanace a rekultivace Pojem sanace Pojem sanace pozemků obsahoval již zákon č. 44/1988 Sb., o ochraně a využití nerostného bohatství (horní zákon), ve znění zákona ČNR č. 541/1991 Sb. v ustanovení § 31 odst. 5, kde cituji: „Za sanaci se považuje odstranění škod na krajině komplexní úpravou území a územních struktur“. Podle § 8 odst. 1 písm. C) zákona ČNR č. 334/1992 Sb., o ochraně zemědělského půdního fondu odpovídá sanaci činnost směřující k „provádění vhodných úprav pozemků narušených těžbou tak, aby tvarem, uložením zeminy a vodními poměry byly připraveny pro rekultivaci“ – pokud rekultivace přichází v úvahu. Z dikce citovaných ustanovení vyplývá, že sanace jsou terénní úpravy, které vytváří předpoklady pro budoucí rekultivace popř. pro jiné využití území po ukončení hornické činnosti resp. doznění jejich vlivů. Pojem rekultivace Pojem rekultivace obsahovala již vyhláška FMZV č. 36/1987 Sb., kterou se upravují některé podrobnosti ochrany zemědělského půdního fondu. Z § 4 až § 8 citované vyhlášky vyplývá, že rekultivace je proces, jehož cílem je opětovné využití pozemků k zemědělské výrobě, které byly z rozličných důvodů, a to včetně důvodů těžebních, odňaty. Rovněž tak § 8 odst. 2 zákona č. 334/1992 Sb., o ochraně zemědělského půdního fondu pokládá rekultivaci za proces, jehož úkolem je docílit, aby plochy dotčené jinou činností se staly způsobilé k dalšímu využití v krajině.
SPSKS
10.2.2 Rozdělení sanačních metod Metody sanace znečištěného prostředí lze dělit na základě různých kritérií: A. Podle druhu polutantů, které je nutno sanovat: -
ropné látky (dále RL), těkavé chlorované uhlovodíky (dále CIU) – především trichlorethylen a perchlorethylen, polychlorované bifenyly (dále PCB), těžké a toxické kovy (dále TK), atd.
B. Podle mechanismu čištění: -
fyzikální – gravitační separace, radioaktivní rozklad, sorpce, fyzikálně-chemické – solidifikace, chemické – oxidace, neutralizace, biologické – biodegradace
C. Podle místa použití: - na místě – „in situ“, - na povrchu místa – „on site“, 151
- mimo znečištěné místo (lokalitu) – „ex situ, „off site“. D. Podle stupně a metody odstranění polutantů: - pasivní – konzervační – bez odstranění polutantů, - aktivní – odstranění polutantu (sanančí čerpání): - separace polutantu – záchyt na sorbentu, - převod do jiné složky ekosféry – odvětrávání, nedokonalé spalování (dnes nepřípustné), - likvidace polutantů – biodegradace, radiační rozklad, otodegradace, dokonalé spalování. Dále lze dělit metody podle účinnosti, finanční náročnosti apod. Z předcházejícího textu vyplývá, že při řešení konkrétní situace půjde často o aplikaci několika různých metod a postupů. Zvláště sanace podzemních vod je téměř vždy záležitost dlouhodobá, trvající často roky, na rozdíl od sanací nesaturované zóny, která může být při lokálně omezených znečištěních radikálně řešena odtěžením zasažených zemin a následnou dekontaminací „ex situ“. Každý sanační zásah je nutno předem na základě dostupných informací pečlivě rozvážit, jelikož může v některých případech dojít nevhodným postupem i ke zhoršení původního stavu, k zavlečení znečištění do „čistých“ oblastí, k ohrožení zdraví nebo životů pracovníků provádějících sanaci, k porušení právních norem apod. Obecně lze říci, že čím méně je informací o kontaminovaném prostoru a kontaminantu, tím je riziko špatného zásahu vyšší. Proto je nutno zodpovědně vyhodnotit všechny dostupné materiály a v mnoha případech informace doplnit dodatečným vlastním průzkumem lokality. Mezi základní informace, bez kterých nelze zvolit adekvátní návrh sanačních postupů a technologií patří podrobná znalost geologických a hydrogeologických poměrů lokality (koeficienty propustnosti, vydatnosti podzemních vod, směr proudění podzemních vod, zahloubení podzemních vod apod.) a její vazby na okolí (např. přítomnost vodních zdrojů, gradient kontaminace nesaturované zóny, pasportizace technologických zařízení apod.). Pro zvolení vhodného postupu pro sanační práce je nutno získat maximum informací o rozložení kontaminantů, ale i o jejich základních fyzikálních, chemických a ekotoxikologických vlastnostech. Pro bezpečnost pracovníků provádějících sanační práce je nezbytné znát toxické a patogenní vlastnosti kontaminantů. Všechny potřebné údaje by měla obsahovat „Riziková analýza“ (RA). Na základě provedené rizikové analýzy je třeba zvážit všechny možné dopady a rizika pro okolí a ve vazbě na ekonomii a legislativu posoudit optimální rozsah zásahu, kdy jednou z možných variant je i tzv. nulová varianta, kdy sanace není provedena vůbec.
SPSKS
10.2.3 Postup vyhodnocování a sanace starých ekologických zátěží Postup vyhodnocování a sanace starých ekologických zátěží lze modelově rozdělit do několika kroků, jejichž odpovědné posouzení a řešení může nejen ušetřit značné finanční prostředky, ale i optimalizovat hodnoty zbytkového znečištění i samotný sanační zásah. A. Evidence potenciálně znečištěných oblastí a ploch.
152
Probíhá první posouzení lokality z hlediska možné kontaminace, vyhodnocení dostupných údajů, vazeb lokality na okolí, plánované využití lokality. V této etapě je provedeno první zhodnocení nutnosti sanačního zásahu. B. Předběžný průzkum. V této etapě jsou ověřovány skutečnosti, které byly zjištěny v kroku ad A. Výsledky předběžného průzkumu jsou opět vyhodnoceny a na základě zhodnocení je rozhodnuto, zda je nutno v pracích pokračovat nebo zda je lokalitu možno považovat za ekologicky neškodnou. C. Podrobný průzkum. Podrobný průzkum navazuje na výsledky předběžného průzkumu. Výsledky již konkretizují rozsah znečištění, jednotlivé polutanty, vazby na geologické a hydrogeologické poměry lokality a jejího okolí. Je provedeno třetí zhodnocení lokality a hrubé určení cílů sanace. D. Riziková analýza (RA). Výsledky podrobného průzkumu shrnuje RA. V RA jsou navíc zhodnoceny vlastnosti polutantů z hlediska toxicity a ekotoxicity. Na základě dosavadních znalostí lokality jsou v RA zhodnoceny vazby na okolí, rizika spojená s možností šíření kontaminace, rizika ovlivnění kvality povrchových a podzemních vod, emise do ovzduší a další širší vazby. Součástí RA je i základní vyhodnocení možných sanačních postupů a přibližná ekonomická rozvaha sanačního zásahu. V RA jsou navrženy i limity zbytkového znečištění, které slouží jako podklad pro vydání rozhodnutí České inspekce životního prostředí (ČIŽP), případně příslušného odboru okresního úřadu. Vydané a pravomocné rozhodnutí bývá základním dokumentem pro smlouvu mezi zadavatelem a sanující organizací. V této etapě dochází k opětovnému posouzení lokality z pohledu, zda sanovat či nikoliv.
SPSKS
E. Zpracování nabídkového projektu sanačních prací. Nabídkový projekt sanačních prací určuje koncepci sanačního zásahu a specifikuje jednotlivé použité sanační technologie. Součástí nabídkového projektu je předběžná kalkulace výkonů a finančních nákladů. Nabídkový projekt slouží ve většině případů jako podklad pro provedení výběrového řízení k určení organizace, která sanační práce provede. Jako příloha sanačního projektu se předkládají potřebné doklady a dokumenty opravňující sanující organizaci k provádění nabízených prací, jako jsou např. doklady o odborné způsobilosti, koncese, autorizace, stanoviska příslušných orgánů státní správy apod. Na základě nabídkového projektu bývá vybrána sanující organizace, se kterou zadavatel uzavře smlouvu. F. Zpracování prováděcího projektu. Prováděcí projekt již plně konkretizuje sanační práce a postupy, objemy výkonů a potřebných finančních prostředků. Veškeré podklady musí být zpracovány již jako podklad pro vydání územního, případně stavebního rozhodnutí. V odůvodněných případech je současně provedeno vypracování a projednání EIA. Prováděcí projekt je předkládán k posouzení všem dotčeným orgánům státní správy.
153
V případě, že se zadavatel rozhodne pro kontrolu prováděných sanačních prací formou supervize, je zpracovaný projekt předložen k posouzení i supervizní organizaci. Již v období zpracování prováděcího projektu mohou být v rámci přípravné etapy provedeny některé sanační zásahy, které omezují riziko dalšího rozšiřování kontaminace, případně omezují či zabraňují dalším rizikům. G. Vlastní sanační zásah. V průběhu sanačních prací bývají často, zejména u starých výrobních areálů, zjištěny nové skutečnosti, které nebyly známy v průběhu zpracování projektu a v důsledku toho dochází k úpravám sanačního postupu a v odůvodněných případech i k nutnosti přehodnotit finanční rozpočet akce. Ke zvyšování rozpočtované částky by však nemělo docházet na základě profesní chyby sanující organizace. Vlastní sanační zásah spočívá v úpravě (dekontaminaci) kontaminované zeminy, podzemních a povrchových vod, rybničních a potočních kalů a půdního vzduchu, případně v imobilizaci znečištění. Součástí sanačního zásahu mohou být i demolice budov a technologií apod. Sanační zásah je ukončen po dosažení požadovaných limitů. H. Kontrola výsledku sanace a předání lokality. Po ukončení sanačních prací je lokalita protokolárně předána zadavateli akce. Součástí předání jsou kontrolní analýzy a na základě výsledků doporučení dalšího postupu, např. návrh kontrolního monitoringu, provozní řád apod. Součástí předání lokality může být i vyhodnocení a doporučení pro další možné využití lokality. Sanace podzemních vod znečištěnými ropnými látkami znamená, že je nutné z vody i z horninového prostředí odstranit ropné látky natolik, aby nebyly pro podzemní vodu zdrojem zdravotních a organolepticlých závad. Někdy je nutné spokojit se pouze s částečnou sanací.
SPSKS
Úplná sanace vyžaduje: odstranění zdroje znečištění, odstranění hornin znečištěných ropnými látkami, odstranění ropných látek z hladiny podzemní vody, odstranění vody s emulgovanými a rozpuštěnými ropnými látkami. V současné době jsou pro likvidaci ropného znečištění sledovány tři základní směry dekontaminace: a) na základě fyzikálních principů (spalování, termické metody), b) na základě chemických principů (solidifikace), c) na základě biologických principů (využití bakteriálních kmenů). Výběr těchto technologií závisí na charakteru kontaminace a na účelu použití dekontaminovaných půd. Je samozřejmé, že obsah kontaminantů v půdách určených pro zemědělské použití musí být podstatně menší než v půdách určených pro pěstování okrasných rostlin nebo pro stavebnictví. S hloubkou dekontaminace se však zvyšují její náklady.
154
Literatura Blažek Josef, Rábí Vratislav: Základy zpracování a využití ropy, 2. vydání, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Praha 2006, ISBN 80-7080-619-2 Bujok Petr: Vliv vrtného průzkumu, těžby a uskladňování kapalných a plynných uhlovodíků na životní prostředí, Sborník vědeckých prací VŠB – TU Ostrava 2003, ročník XLIX, ISBN 80-248-0478-6. Devold Havard: Oil and Gas Production Handbook, ABB ATPA Oil and Gas 2006 Devold Havard: Oil and Gas Production Handbook, Abb Oil and Gas 2009, ISBN 978-82-997886-1-8 Guo Boyun, Lyons C. William, Ghalambor Ali: Petroleum Production Engineering, Gulf Professional Publishing, 2007, ISBN 978-0-7506-8270-1 Sasín Michal, Problematika deparafinace při těžbě ropy z ložiska Dambořice, diplomová práce, HGF, VŠB – TU Ostrava, 1999
SPSKS
155
SPSKS
156
SPSKS
157
SPSKS
