eksploatacja wody termalnej przed i po zamianie roli otworu

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE
44, s. 15-20, Gliwice 2012
ISSN 1896-771X
EKSPLOATACJA WODY TERMALNEJ
PRZED I PO ZAMIANIE ROLI OTWORU CHŁONNEGO
NA OTWÓR EKSPLOATACYJNY
NA PRZYKŁADZIE GEOTERMII STARGARD SZCZECIŃSKI
HENRYK BIERNAT1, BOGDAN NOGA2, ZBIGNIEW KOSMA2
1
Przedsiębiorstwo Geologiczne POLGEOL S.A., ul. Berezyńska 39, 03-908 Warszawa
Instytut Mechaniki Stosowanej i Energetyki, Politechnika Radomska, ul. Krasickiego 54, 26-600 Radom
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
2
Streszczenie. W artykule zaprezentowano parametry pracy ciepłowni
geotermalnej w Stargardzie Szczecińskim, gdzie po raz pierwszy w skali kraju
dokonano zamiany roli otworów w dublecie geotermalnym. Po uruchomieniu
ciepłowni woda termalna wydobywana była otworem eksploatacyjnym Stargard
Szczeciński GT-1, a po schłodzeniu na wymiennikach ciepła była zatłaczana do
tej samej warstwy wodonośnej za pomocą otworu chłonnego Stargard Szczeciński
GT-2. W trakcie okołodwuletniego okresu eksploatacji następuje spadek
wydajności oraz wzrasta ciśnienie zatłaczania. Zamiana roli otworów w dublecie
geotermalnym w Stargardzie Szczecińskim pozwoliła na przeprowadzenie badań
związanych z oceną możliwości stosowania analizowanego rozwiązania w innych
ciepłowniach geotermalnych. Wyniki prowadzonych badań wykazują, że po
zmianie roli otworu chłonnego na eksploatacyjny uzyskano zwiększenie
wydajności eksploatacji, ale zatłoczona wcześniej schłodzona woda termalna
wychłodziła warstwę wodonośną.
1. WPROWARZENIE
Stargard Szczeciński położony jest na pograniczu dwu wielkich regionów, jakimi są Nizina
Szczecińska i Pojezierze Szczecińskie, na Równinie Pyrzycko-Stargardzkiej. Jednocześnie
znajduje się on w Niecce Szczecińskiej jako jednostce strukturalnej (geologicznie) Niżu
Polskiego.
Rozpoznanie budowy geologicznej i występowania zasobu wód termalnych na głębokości
około 2 700 m pozwoliło na podjęcie prac przygotowawczych związanych z budową
ciepłowni geotermalnej. Spodziewano się, że ujmowana z poziomu jury dolnej woda termalna
będzie charakteryzowała się wydajnością około 200 m3/h i temperaturą na poziomie 95oC.
Planowano ciepłownicze wykorzystanie tego zasobu na podstawie istniejącego w Stargardzie
Szczecińskim miejskiego systemu ciepłowniczego, którym dysponuje Przedsiębiorstwo
Energetyki Cieplnej Sp. z o. o. Oczekiwano, że strumień wody termalnej przy schłodzeniu o
około 50oC zapewni moc cieplną na poziomie 14 MW [2].
By wykorzystać istniejący system ciepłowniczy, nowo powołane Przedsiębiorstwo Usług
Ciepłowniczych Geotermia Stargard Sp. z o. o. zlokalizowano w najbliższym sąsiedztwie
16
H. BIERNAT, B. NOGA, Z. KOSMA
miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej [3]. Ciepłownia geotermalna była
budowana od września 2001r. do 2005r. Jeszcze w grudniu 1998r. podjęto decyzję
o realizacji projektu, a w maju 2001r. uzyskano koncesję Ministerstwa Środowiska na
poszukiwanie i rozpoznanie złoża wód termalnych na terenie Stargardu Szczecińskiego.
Budowę zakładu geotermalnego rozpoczęto pracami wiertniczymi w 2001r. W początkowej
fazie inwestycji odwiercony został pierwszy z dwóch zaplanowanych otworów o głębokości
2 670 m, którym ujęto wody o temperaturze 95°C. Był to otwór pionowy ujmujący wodę
termalną z otworów jury dolnej [1]. W kolejnym etapie prac wykonano drugi otwór
przewidziany do zatłaczania wody schłodzonej do około 45°C, który jest otworem
kierunkowym. Głowice obydwóch otworów oddalone są od siebie o 11 m, natomiast w złożu
są one oddalone od siebie o około 1 500 m. Woda termalna jest słona, jej zasolenie przekracza
140 g/dm3.
Równocześnie z pracami wiertniczymi pobudowano instalację naziemną, pozwalającą
połączyć ciepłownię geotermalną z siecią stargardzkiego Przedsiębiorstwa Energetyki
Cieplnej.
2. EKSPLOATACJA WODY TERMALNEJ
Ciepłownię geotermalną w Stargardzie Szczecińskim uruchomiono w maju 2005r. Proces
technologiczny polegał na wydobyciu wody termalnej za pomocą pompy głębinowej
umieszczonej w otworze Stargard Szczeciński GT-1, który jest otworem pionowym (rys. 1).
Wydobyta woda termalna była następnie przetłaczana do budynku ciepłowni, gdzie za
pomocą wymiennika ciepła jest od niej odbierane ciepło geotermalne. Schłodzona woda była
dalej przepompowywana do otworu chłonnego Stargard Szczeciński GT-2 w celu jej
zatłoczenia do tej samej warstwy wodonośnej, z której została wydobyta.
Rys. 1. Schemat instalacji geotermalnej działający w Geotermii Stargard Szczeciński
do połowy 2008r.
Eksploatacja wody termalnej odbywała się przy jej średniej temperaturze na powierzchni
wynoszącej 88,2oC (rys. 2). Niewielkie wahania temperatury eksploatowanej wody są zależne
od wydajności, z jaką jest ona eksploatowana. Natomiast temperatura wody zatłaczanej jest
zależna od temperatury wody powracającej z systemu ciepłowniczego. W Geotermii Stargard
EKSPLOATACJA WODY TERMALNEJ PRZED I PO ZAMIANIE ...
17
Szczeciński temperatura, z jaką zatłaczano wykorzystaną wodę termalną, wynosiła średnio
51,2oC.
Wydajność eksploatacyjna nie jest uzależniona od możliwości wydobywczych otworu
eksploatacyjnego Stargard Szczeciński GT-1, lecz od możliwości chłonnych otworu Stargard
Szczeciński GT-2. Po zatłoczeniu około 250 tys. m3 wody termalnej ze średnią wydajnością
około 120 m3/h nastąpiło ciągłe pogarszanie się właściwości chłonnych, co w grudniu 2005r.
skutkowało zmniejszeniem się wydajności do około 60 m3/h. W tym samym czasie następuje
ciągły wzrost ciśnienia zatłaczania. Po wykonaniu czyszczenia otworu chłonnego Stargard
Szczeciński GT-2 w lutym 2006r. uzyskano wydajność eksploatacji wody termalnej powyżej
200 m3/h.
Rys. 2. Parametry eksploatacyjne w Geotermii Stargard Szczeciński przed zamianą roli
otworów w dublecie geotermalnym
Do grudnia 2006r. następował ciągły spadek wydajności eksploatacyjnej i wzrost ciśnienia
zatłaczania. Poprawę warunków eksploatacyjnych uzyskiwano w wyniku czyszczeń
chemicznych. Efekty te z biegiem czasu były coraz gorsze i musiały być coraz częściej
powtarzane. Ze względu na fakt, że otwór chłonny w Geotermii Stargard Szczeciński jest
otworem kierunkowym typu "j", nie zdecydowano się na wykonanie czyszczenia
mechanicznego z zastosowaniem urządzenia wiertniczego. Głównie ten fakt doprowadził do
zatrzymania obiegu geotermalnego w wyniku zbyt dużego ciśnienia potrzebnego do
zatłaczania wody termalnej. Ciśnienie zatłaczania wody termalnej wzrosło od około 8 barów
w maju 2005r. do ponad 40 barow pod koniec 2006r.
W okresie połowy maja 2005r. do grudnia 2006r. (około 19 miesięcy) do warstwy
wodonośnej zostało zatłoczone około 1 550 tys. m3 schłodzonej wody termalnej o średniej
temperaturze 51,2oC. Ostatnie 5 tys. m3 schłodzonej pod koniec grudnia 2006r. wody
termalnej zostało zatłoczone ze średnią temperaturą 50,3oC.
3. ZAMIANA ROLI OTWORÓW W DUBLECIE GEOTERMALNYM
Fakt istnienia w otworze chłonnym komory pompowej pozwalał na zamianę jego roli
w dublecie geotermalnym. Po konsultacjach z geologami krajowymi (AGH) oraz
zagranicznymi (DONG) spółka Geotermia Stargard Szczeciński w celu poprawy wydajności
zdecydowała się na odwrócenie obiegu geotermalnego [3]. Od końca maja 2007r.
18
H. BIERNAT, B. NOGA, Z. KOSMA
dotychczasowy otwór chłonny Stargard Szczeciński GT-2 zaczął pełnić rolę otworu
eksploatacyjnego, a otwór Stargard Szczeciński GT-1 przejął rolę otworu chłonnego (rys. 3).
Rys. 3. Schemat instalacji geotermalnej działający w Geotermii Stargard Szczeciński
od połowy 2008r.
Po zamianie roli otworów w dublecie geotermalnym spodziewano się, że temperaturę
wody na poziomie 88oC uda się uzyskać po 30 miesiącach [3]. W tym przypadku należy mieć
na uwadze, że eksploatowana jest schłodzona wcześniej woda termalna zatłaczana
z temperaturą średnią 52oC. Woda ta podczas zatłaczania odpychała gorącą wodę od otworu,
wychładzając dodatkowo skały podziemne.
Eksploatację odwróconego układu geotermalnego rozpoczęto z wydajnością powyżej 150
m3/h przy ciśnieniu zatłaczania poniżej 1 bara. Temperatura początkowa eksploatowanej
wody wynosiła 53,7oC i w początkowej fazie eksploatacji wzrastała dziennie o 0,1oC.
W takim przypadku dojście do temperatury 88oC teoretycznie skróciłoby się z 30 do około 12
miesięcy.
Dzięki odwróceniu układu geotermalnego można było ponownie go uruchomić
z wydajnością pompowania na poziomie ponad 150 m3/h. Na przełomie lutego i marca 2008r.
udało się pompować wodę termalną z wydajnością ponad 200 m3/h przy ciągle wzrastającym
ciśnieniu zatłaczania. Temperatura eksploatowanej wody termalnej ciągle wzrastała, by
w grudniu 2008r. po wypompowaniu całej zatłoczonej wody termalnej (1 550 tys. m3 )
uzyskać wartość 76,2oC. Cała zatłoczona schłodzona wcześniej woda została
wyeksploatowana w ciągu 19 miesięcy, czyli w podobnym czasie, w którym była zatłaczana.
Podczas eksploatacji odwróconego układu geotermalnego każde wyłączenie układu
powoduje natychmiastowe wychładzanie się wody w złożu. Po ponownym uruchomieniu
pompy wydobywana jest woda o temperaturze niższej od tej sprzed wyłączenia układu.
Obniżenie temperatury jest uzależnione od częstości wyłączeń oraz długości przestojów.
Najwięcej awarii występowało w okresie od maja do lipca 2008 r., co zostało uwidocznione
na rys. 4 zmniejszeniem temperatury eksploatacyjnej.
EKSPLOATACJA WODY TERMALNEJ PRZED I PO ZAMIANIE ...
19
Rys. 4. Parametry eksploatacyjne w Geotermii Stargard Szczeciński po zamianie roli
otworów w dublecie geotermalnym
Od początku 2009 r. następowała eksploatacja świeżej wody termalnej, której temperatura
złożowa wynosiła około 95oC. Jej temperatura na powierzchni w marcu 2010r., czyli po
upływie 34 miesięcy od odwrócenia układu, była na poziomie 79,6oC. Z obserwacji układu
wynika, że przy wydajności poniżej 100 m3/h temperatura wypływającej wody termalnej
wzrastała o około 0,05oC dziennie. Tak więc, aby uzyskać temperaturę wypływu wody
termalnej na poziomie 88oC, którą notowano przed odwróceniem układu, trzeba byłoby wodę
pompować jeszcze przez co najmniej 6 miesięcy. W połowie 2010r. nastąpiło wyłączenie
układu geotermalnego w Stargardzie Szczecińskim.
4. PODSUMOWANIE
Główną zaletą wykonania otworu kierunkowego jest uniknięcie budowy rurociągu
łączącego dwa otwory geotermalne. Wykonanie otworów eksploatacyjnego i zatłaczającego
odsuniętych od siebie o około 1200 - 1500 m w terenie zabudowanym bardzo często jest
niemożliwe z uwagi na już istniejącą infrastrukturę. W przypadku Geotermii Stargard
Szczeciński wykonano jeden otwór pionowy Stargard Szczeciński GT-1 i jeden otwór
kierunkowy Stargard Szczeciński GT-2, a ich głowice odsunięte są od siebie o około 11 m.
Otwór geotermalny Stargard Szczeciński GT-2 jest jedynym otworem chłonnym wykonanym
na Niżu Polskim, który posiada komorę pompową.
Dzięki wykonaniu w Geotermii Stargard Szczeciński obydwu otworów z komorami
pompowymi istnieje możliwość zamiany roli otworów w dublecie geotermalnym.
Z możliwości tej skorzystano w połowie 2008 roku, kiedy to w wyniku spadku wydajności
i wzrostu ciśnienia zatłaczania (kolmatacja strefy złożowej w otworze zatłaczającym)
zdecydowano się na zmianę roli otworu eksploatacyjnego na zatłaczający, a zatłaczającego na
eksploatacyjny. W wyniku tego zabiegu uzyskano zwiększenie wydajności zatłaczania
i zmniejszenie ciśnienia zatłaczania kosztem zmniejszenia temperatury wydobywanej wody
termalnej.
Z teoretycznych wyliczeń przepływu wody złożowej w warstwie wodonośnej wynikało, że
zatłaczana woda termalna będzie się szybko nagrzewać i w krótkim czasie osiągnie
temperaturę jaka panuje w warstwie złożowej. Na podstawie przedłożonych danych
i obserwacji całego sytemu geotermalnego na ciepłowni geotermalnej w Stargardzie
20
H. BIERNAT, B. NOGA, Z. KOSMA
Szczecińskim praktyka wykazała zupełnie coś innego. Przepływ zatłaczanej wody termalnej
w szkielecie skalnym warstwy złożowej rozchodzi się równomiernie we wszystkie strony.
Następuje szybkie i duże wychłodzenie szkieletu skalnego. Ponowne uzyskanie wody
złożowej o temperaturze wody uzyskiwanej przed zamianą roli otworów w dublecie
następowało bardzo powoli. Do połowy 2010 roku, czyli wyłączenia ciepłowni geotermalnej,
nie udało się uzyskać temperatury na poziomie 86oC.
Podsumowując, można powiedzieć, że zamiana otworu zatłaczającego na
eksploatacyjny jest nieuzasadniona zarówno z ekonomicznego jak i technicznego punktu
widzenia.
LITERATURA
1. Biernat H., Bentkowski A., Posyniak A.: Dokumentacja hydrogeologiczna zasobów
eksploatacyjnych ujęcia wód termalnych z utworów jury dolnej w Stargardzie
Szczecińskim. Warszawa: Przedsiębiorstwo Geologiczne POLGEOL S.A., 2004.
2. Kubski P.: Ciepłownia geotermalna w Stargardzie Szczecińskim i jej upadek. „Instal”
2008, nr 2.
3. Niewiarowski A.: Przyczyny upadku ciepłowni geotermalnej w Stargardzie
Szczecińskim. „Technika poszukiwań geologicznych, geotermia, zrównoważony rozwój”
2007, nr 2 s. 121 - 124.
THE EXPLOITATION OF THERMAL WATER
BEFORE AND AFTER CHANGE THE ROLE
OF THE INJECTION WELL TO THE EXPLOITATION WELL
IN EXAMPLE OF GEOTERMIA STARGARD SZCZECINSKI
Summary. The article presents the work parameters of the geothermal heating
plant in Stargard Szczecinski, where for the first time in Poland the role of
geothermal wells in the doubles were switched. At the very beginning of the
heating plant activity, the thermal water was extracted by injection well named
Stargard Szczecinski GT-1. After cooling on the heat exchangers, the water was
injected into the same water-bearing stratum via the GT-2 injection well. During
two years of activity the lost of productivity and the increase of pressure was
observed. The conversion of the roles of geothermal wells in doubles in Stargard
Szczecinski allowed to conduct research related to the possibility of applying this
technical solution in other geothermal heating plants. The results of the study
show that after changing the role of the injection well into the exploitation well
the productivity was increased. The change has also the negative aspects as the
injected earlier cool thermal water cooled the water-bearing stratum.