EKSPLOATACJA WODY TERMALNEJ PRZED I PO ZAMIANIE ROLI OTWORU CHŁONNEGO NA OTWÓR EKSPLOATACYJNY NA PRZYKŁADZIE GEOTERMII STARGARD SZCZECIŃSKI

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN X 44, s , Gliwice 2012 EKSPLOATACJA WODY TERMALNEJ PRZED I PO ZAMIANIE ROLI OTWORU CHŁONNEGO NA OTWÓR EKSPLOATACYJNY NA PRZYKŁADZIE GEOTERMII STARGARD SZCZECIŃSKI HENRYK BIERNAT 1, BOGDAN NOGA 2, ZBIGNIEW KOSMA 2 1 Przedsiębiorstwo Geologiczne POLGEOL S.A., ul. Berezyńska 39, Warszawa 2 Instytut Mechaniki Stosowanej i Energetyki, Politechnika Radomska, ul. Krasickiego 54, Radom henryk.biernat@polgeol.pl, b.noga@pr.radom.pl, zbigniew.kosma@pr.radom.pl 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 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 m 3 /h i temperaturą na poziomie 95 o C. 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 50 o C 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

2 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 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 m. Woda termalna jest słona, jej zasolenie przekracza 140 g/dm 3. 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 88,2 o C (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

3 EKSPLOATACJA WODY TERMALNEJ PRZED I PO ZAMIANIE Szczeciński temperatura, z jaką zatłaczano wykorzystaną wodę termalną, wynosiła średnio 51,2 o C. 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. m 3 wody termalnej ze średnią wydajnością około 120 m 3 /h nastąpiło ciągłe pogarszanie się właściwości chłonnych, co w grudniu 2005r. skutkowało zmniejszeniem się wydajności do około 60 m 3 /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 m 3 /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 tys. m 3 schłodzonej wody termalnej o średniej temperaturze 51,2 o C. Ostatnie 5 tys. m 3 schłodzonej pod koniec grudnia 2006r. wody termalnej zostało zatłoczone ze średnią temperaturą 50,3 o C. 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.

4 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 88 o C 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 52 o C. Woda ta podczas zatłaczania odpychała gorącą wodę od otworu, wychładzając dodatkowo skały podziemne. Eksploatację odwróconego układu geotermalnego rozpoczęto z wydajnością powyżej 150 m 3 /h przy ciśnieniu zatłaczania poniżej 1 bara. Temperatura początkowa eksploatowanej wody wynosiła 53,7 o C i w początkowej fazie eksploatacji wzrastała dziennie o 0,1 o C. W takim przypadku dojście do temperatury 88 o C 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 m 3 /h. Na przełomie lutego i marca 2008r. udało się pompować wodę termalną z wydajnością ponad 200 m 3 /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. m 3 ) uzyskać wartość 76,2 o C. 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.

5 EKSPLOATACJA WODY TERMALNEJ PRZED I PO ZAMIANIE 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 95 o C. Jej temperatura na powierzchni w marcu 2010r., czyli po upływie 34 miesięcy od odwrócenia układu, była na poziomie 79,6 o C. Z obserwacji układu wynika, że przy wydajności poniżej 100 m 3 /h temperatura wypływającej wody termalnej wzrastała o około 0,05 o C dziennie. Tak więc, aby uzyskać temperaturę wypływu wody termalnej na poziomie 88 o C, 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 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

6 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 86 o C. 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., Kubski P.: Ciepłownia geotermalna w Stargardzie Szczecińskim i jej upadek. Instal 2008, nr Niewiarowski A.: Przyczyny upadku ciepłowni geotermalnej w Stargardzie Szczecińskim. Technika poszukiwań geologicznych, geotermia, zrównoważony rozwój 2007, nr 2 s 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.