WYNIKI BADAŃ HYDROGEOLOGICZNYCH PROWADZĄCYCH DO ROZPOZNANIA I UDOSTĘPNIENIA ZASOBÓW WÓD TERMALNYCH NA TERENIE GMINY KLESZCZÓW

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 45, t. 14, rok 2012 ISSN X WYNIKI BADAŃ HYDROGEOLOGICZNYCH PROWADZĄCYCH DO ROZPOZNANIA I UDOSTĘPNIENIA ZASOBÓW WÓD TERMALNYCH NA TERENIE GMINY KLESZCZÓW Krzysztof Jasnos 1a, Piotr Kołba 2b, Henryk Biernat 3c, Bogdan Noga 4d 1 Zakład Komunalny KLESZCZÓW Sp. z o.o., ul. Główna 41, Kleszczów 2 SOLPARK KLESZCZÓW Sp. z o.o., ul. Sportowa 8, Kleszczów 3 Przedsiębiorstwo Geologiczne POLGEOL S.A., ul. Berezyńska 39, Warszawa 4 Instytut Mechaniki Stosowanej i Energetyki, Politechnika Radomska, ul. Krasickiego 54, Radom a sekretariat@zkkkleszczow.pl, b prezes@kompleks-solpark.pl, c henryk.biernat@polgeol.pl, d b.noga@pr.radom.pl Streszczenie W artykule przedstawione zostały wyniki badań, które prowadzone były na terenie gminy Kleszczów za pomocą dwóch otworów geotermalnych. Po zakończonych badaniach hydrogeologicznych pierwszy z wykonanych otworów pełni rolę otworu eksploatacyjnego, a drugi chłonnego. W obydwóch otworach wykonano badania geologiczne, hydrogeologiczne oraz geofizyczne. Na zakończenie badań przeprowadzono jeszcze badania chłonności warstwy wodonośnej za pomocą pompowania z otworu Kleszczów GT-1 do otworu Kleszczów GT-2. THE RESULTS OF THE HYDROGEOLOGICAL RESEARCH LEADING TO KNOW AND DEVELOP THE RESOURCES OF THERMAL WATER IN THE KLESZCZÓW DISTRICT Summary The article presents the results of research that were conducted on two geothermal wells in Kleszczów. After completion of the hydrogeological test, it was decided that the first well acts as production well and the second one acts as the injection well. The geological, hygrogeological and geophysical tests were performed on both wells. Final test was conducted on aquifer absorbency by pumping thermal water Kleszczów GT-2 well. from Kleszczów GT-1 well to 1. WSTĘP Miejscowość Kleszczów położona jest na południu województwa łódzkiego w powiecie bełchatowskim. Od Łodzi dzieli ją odległość 75 km, od Częstochowy 65 km, a od Krakowa i Warszawy km. Ponad 30% terenu gminy zajmują odkrywkowa Kopalnia Węgla Brunatnego Bełchatów S.A. i Elektrownia Bełchatów S.A. W centralnej części gminy znajduje się największe w kraju wyrobisko odkrywkowe Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów o głębokości około 200 m. W sąsiedz- 64

2 Krzysztof Jasnos, Piotr Kołba, Henryk Biernat, Bogdan Noga twie Kleszczowa znajduje się góra Kamieńsk, coraz popularniejsze w kraju miejsce sportów zimowych. Władze gminy Kleszczów postanowiły wykonać badania prowadzące do rozpoznania i udokumentowania zasobów wód termalnych (wód podziemnych które charakteryzują się temperaturą na powierzchni wyższą od 20 o C), które mogłyby być wykorzystywane do celów ciepłowniczych, balneologicznych i rekreacyjnych. Badania związane z rozpoznaniem zasobów wód termalnych na terenie gminy Kleszczów prowadzone były trójetapowo: Etap I - realizowany był w okresie od lipca do listopada 2009r. zgodnie z projektem prac geologicznych [6]. Podczas tego etapu wykonano otwór badawczy Kleszczów GT-1 do głębokości 1620 m [5]. Za pomocą tego otworu rozpoznana została rzeczywista budowa geologiczna rejonu badań oraz udostępniono dolnojurajską wodę termalną. Otwór ten jest wykonany w technologii rur stalowych ponieważ korozja w otworach eksploatacyjnych rozwija się w zdecydowanie mniejszym stopniu [4]. Warstwa wodonośna ujmująca wody termalne nie jest zafiltrowana (otwór bosy). Następnie przeprowadzone zostały badania hydrogeologiczne polegające na pompowaniu oczyszczającym i pomiarowym. W wyniku przeprowadzonej analizy okazało się, że wydobyta woda termalna będzie mogła być wykorzystana do celów ciepłowniczych, co w tym przypadku było równoznaczne z podjęciem decyzji o wykonaniu kolejnego etapu badań. Etap II - realizowany w okresie od grudnia 2010r. do marca 2011r. zgodnie z aneksem do projektu prac geologicznych [1] zakończony został wykonaniem otworu Kleszczów GT-2 do głębokości 1725 m, w utworach jury dolnej. Otworem tym w celu powiększenia powierzchni roboczej ujęto również warstwy wodonośne jury środkowej. Stalowe elementy systemów geotermalnych narażone są na niekorzystne działanie korozji [3], która rozwija się głównie w rurociągach tłocznych i otworach zatłaczających. W związku z tym otwór chłonny Kleszczów GT-2 został wykonany z rur z tworzywa sztucznego wzmocnionych włóknem szklanym - typu fiberglass. Strefa złożowa została poszerzona i zafiltrowana filtrem typu Johnson. Po wykonaniu badań geologicznych i geofizycznych w otworze tym wykonano badania hydrogeologiczne polegające na pompowaniu oczyszczającym i pomiarowym. Etap III - realizowany na przełomie czerwca i lipca 2011r. miał na celu rozpoznanie właściwości chłonnych ujętej warstwy wodonośnej oraz stwierdzenie więzi hydraulicznej pomiędzy otworem eksploatacyjnym Kleszczów GT-1 i chłonnym Kleszczów GT-2. Podczas tego etapu wykonano za pomocą pompy głębinowej pompowanie eksploatacyjno-zatłaczające z otworu Kleszczów GT-1 do Kleszczów GT-2. Z przeprowadzonych dotychczas podobnych badań wynika, że możliwości eksploatacyjne instalacji geotermalnych nie zależą od możliwości wydobywczych ale od możliwości chłonnych warstwy wodonośnej [3]. 2. WYNIKI BADAŃ GEOLOGICZNYCH Rejon Kleszczowa znajduje się na pograniczu dwóch regionalnych mezozoicznych jednostek geologicznych: niecki mogileńsko-łódzkiej i niecki miechowskiej (Niż Polski). Obie jednostki rozdziela elewacja radomszczańska, zamykająca od południowego zachodu nieckę mogileńsko-łódzką. 65

3 WYNIKI BADAŃ HYDROGEOLOGICZNYCH PROWADZĄCYCH DO ROZPOZNANIA Stratygrafia faktyczna otworu Kleszczów GT-1 znacznie odbiega od stratygrafii zakładanej w projekcie prac geologicznych. W stosunku do stanu projektowanego zostały znacznie rozbudowane utwory jury górnej (rys. 1), a utwory jury dolnej zostały ujęte fragmentarycznie [1]. W tym przypadku przesunięcie lokalizacji otworu Kleszczów GT-1 o kilkadziesiąt metrów w kierunku NE mogłoby skutkować bardzo słabymi parametrami wody termalnej lub wręcz nawet jej brakiem. Mogłoby się profilu jury górnej co może wskazywać, że otwór ten przechodzi przez strefę dyslokacyjną Kleszczów - Kodrąb. Podczas wykonywania otworu Kleszczów GT-1 bardzo trudne było zlokalizowanie utworów jury dolnej, które powinny być ujęte w celu eksploatacji wody termalnej. Tuż pod górną warstwą utworów jury dolnej zlokalizowany został kolejny uskok, po którego przekroczeniu Rys. 1. Przekrój geologiczny w rejonie prowadzonych badań okazać, że po przejściu jury górnej od razu zostałyby nawiercone utwory triasu górnego, który posiada gorsze warunki kolektorskie od jury dolnej. Z kolei przesunięcie lokalizacji otworu Kleszczów GT-1 o kilkadziesiąt metrów w kierunku zachodnim można byłoby ująć wodę termalną z niżej położonych warstw jury dolnej. Na pewno skutkowałoby to uzyskaniem większej temperatury. W przypadku ujęcia warstwy wodonośnej o większej miąższości można byłoby się spodziewać również wyższej wydajności eksploatacyjnej. W rejonie prowadzonych badań w otworach archiwalnych w trakcie przewiercania utworów jury górnej występowały dość duże zaniki i ucieczki płuczki. Należałoby je wiązać głównie ze strefami dyslokacyjnymi występującymi w tym rejonie. W otworze Kleszczów GT-1 ucieczki płuczki występowały w środkowej części nawiercono utwory triasu górnego. Tak więc do eksploatacji zostały ujęte jedynie górne warstwy poziomu wodonośnego jury dolnej. W pobliżu otworu chłonnego Kleszczów GT-2 przebiega główna strefa dyslokacyjna Kamieńsk Żłobnica. Strefa ta ma znaczący wpływ na miąższość i głębokość występowania poszczególnych ogniw stratygraficznych. 3. WYNIKI BADAŃ HYDROGEOLOGICZNYCH Badania hydrogeologiczne polegające na pompowaniu oczyszczającym i pomiarowym w otworze Kleszczów GT-1 wykonano po zakończeniu prac wiertniczych i ujęciu warstwy wodonośnej jury dolnej. Badania te przeprowadzono na początku listopada 2009 r. 66

4 Krzysztof Jasnos, Piotr Kołba, Henryk Biernat, Bogdan Noga W trakcie pompowania oczyszczającego i pomiarowego badania temperatury i położenia zwierciadła wody realizowano przy użyciu sondy z automatyczną rejestracją danych opuszczonej do otworu na głębokość 120 m p.p.t. Pomiarów wydajności pompowania dokonywano przepływomierzem elektromagnetycznym, również z automatyczną rejestracją danych, zamontowanym przy głowicy otworu na rurociągu odprowadzającym wodę. Pompowanie oczyszczające prowadzono przy użyciu dźwigu gazowego (air-lift) ze wzrastającą wydajnością od około 100 m 3 /h do 202 m 3 /h. Wydajność m 3 /h utrzymywano przez okres około godziny przed zakończeniem pompowania oczyszczającego. Na koniec pompowania uzyskano klarowną solankę bez piasku i zawiesiny pylastej. Przy wydajności 202 m 3 /h temperatura wody osiągnęła 50 o C, a zwierciadło wody ustabilizowało się na głębokości 87,7 m [5]. Pompowanie pomiarowe przeprowadzono przy użyciu pompy głębinowej opuszczonej do otworu na głębokość 127 m, dla trzech stopni dynamicznych po trzy godziny na każdym stopniu. Ostatni, trzeci stopień pompowania pomiarowego charakteryzował się wydajnością pompowania 200,6 m 3 /h i temperaturą solanki na wypływie na poziomie 52,2 o C. Badania hydrogeologiczne w otworze Kleszczów GT-2 przeprowadzono po zakończeniu prac wiertniczych oraz ujęciu warstw wodonośnych jury środkowej i dolnej. W trakcie pompowania oczyszczającego i pomiarowego badania temperatury i położenia zwierciadła wody realizowano przy użyciu sondy z automatyczną rejestracją danych, opuszczonej do otworu Kleszczów GT-2 na głębokość 220 m. Pomiarów wydajności pompowania dokonywano przy użyciu skrzyni przelewowej z prostokątnym przelewem o szerokości 50 cm. Pompowanie oczyszczające prowadzono za pomocą dźwigu gazowego (air-lift) opuszczonego na głębokość 241 m ze średnią wydajnością 250 m 3 /h. Pulsacyjny charakter pracy kompresora uniemożliwiał płynną rejestrację i stopniowe zwiększanie wydajności. Wartości wydajności chwilowej w trakcie pompowania oczyszczającego wahały się od 190 do ponad 300 m 3 /h. Pompowanie pomiarowe przeprowadzono na trzech stopniach dynamicznych, a łączny czas pompowania wynosił 8 godzin. Ostatni, trzeci stopień pompowania pomiarowego wykonywany był z wydajnością 240,6 m 3 /h przy temperaturze wypływu solanki wynoszącej 45,9 o C [2]. W trakcie prowadzonego pompowania pomiarowego otworu Kleszczów GT-2 zwierciadło wody w obserwowanym otworze Kleszczów GT-1 wykazywało bardzo nieznaczne wahania, rzędu kilku centymetrów. Może to świadczyć o bardzo słabej więzi hydraulicznej między otworami geotermalnymi. Przed przystąpieniem do pompowania eksploatacyjnozatłaczającego dokonano połączenia otworów Kleszczów GT-1 i Kleszczów GT-2 rurociągiem tłocznym o długości około 3200 m. Przyjęto, że eksploatacja wody termalnej prowadzona będzie otworem Kleszczów GT-1 natomiast otwór Kleszczów GT-2 będzie pełnił rolę otworu chłonnego (rys. 2). Ze względu na korozyjne działania schłodzonej wody termalnej rurociąg ten został wykonany podobnie jak otwór Kleszczów GT-2 z rur z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym. Na rurociągu tłocznym tuż przed otworem chłonnym zainstalowana została bateria filtrów świecowych. Rys. 2. Schemat pompowania eksploatacyjno-zatłaczającego 67

5 WYNIKI BADAŃ HYDROGEOLOGICZNYCH PROWADZĄCYCH DO ROZPOZNANIA W trakcie pompowania eksploatacyjno-zatłaczającego prowadzono pomiary temperatury i położenia zwierciadła wody w otworze eksploatacyjnym Kleszczów GT-1, przy użyciu sondy z automatyczną rejestracją danych, opuszczonej do otworu na głębokość 140 m. Przy otworze GT-1 zamontowano ponadto ciśnieniomierz elektroniczny. Pomiarów wydajności pompowania dokonywano przy użyciu wodomierza elektromagnetycznego, zainstalowanego przed otworem chłonnym Kleszczów GT-2. Przed otworem GT-2 wykonano ponadto zautomatyzowane pomiary ciśnienia i temperatury wody oraz kontrolne pomiary ciśnienia przed i za filtrami świecowymi przy użyciu manometrów. Pompowanie eksploatacyjno-zatłaczające przeprowadzono przy użyciu pompy głębinowej zamontowanej w otworze Kleszczów GT-1. Przy jednoczesnym ciągłym pompowaniu i zatłaczaniu trwającym 168 godzin uznać można, że udokumentowano wystarczającą odnawialność zasobów eksploatacyjnych w wysokości 150 m 3 /h. Odpowiadająca tej wydajności depresja w otworze eksploatacyjnym Kleszczów GT-1 wynosi 55 m, natomiast ciśnienie zatłaczania wynosiło około 4,4 bar. Temperatura wody termalnej na wypływie z otworu Kleszczów GT-1 wynosi 52,2 o C [2]. 4. PODSUMOWANIE Uzyskane wyniki z badań geologicznych wykonanych otworami Kleszczów GT-1 i Kleszczów GT-2 potwierdziły złożoną (blokową) budowę geologiczną analizowanego rejonu. W otworze GT-1 stwierdzono dwie strefy dyslokacyjne, pierwszą w utworach jury górnej, druga spowodowała wyklinowanie utworów jury dolnej. Dodatkowo pomiędzy otworami Kleszczów GT-1 i Kleszczów GT-2 stwierdzono koleją strefę dyslokacji. Występowanie stref dyslokacyjnych ma ogromy wpływ na uzyskane parametry wody termalnej. W otworze Kleszczów GT-2 w celu powiększenia strefy chłonnej do przyszłego zatłaczania ujęte zostały dwa poziomy wodonośne: jura środkowa, jura dolna. Zabieg ten pozwolił na zwiększenie powierzchni czynnej otworu chłonnego. W ten sposób schłodzona woda termalna będzie ponownie zatłaczana do dwóch warstw wodonośnych. Podczas pompowania pomiarowego z otworu Kleszczów GT-1 uzyskano wydajność 202,6 m 3 /h przy temperaturze 52.2 o C. W przypadku otworu Kleszczów GT-2 zarejestrowana wydajność eksploatacyjna wynosi 240,6 m 3 /h. Wyższa wydajność zanotowana w otworze Kleszczów GT-2 niż ta zanotowana w otworze Kleszczów GT- 1 może wynikać z faktu dopływu wody termalnej z warstwy jury środkowej (otwór Kleszczów GT-1 ujmuje jurę dolną). Podczas pompowań pomiarowych otworu Kleszczów GT-2 zaobserwowano bardzo małą więź hydrauliczną pomiędzy otworem Kleszczów GT-1 i Kleszczów GT-2. Przyczyną tego stanu może być zwiększony przypływ wody termalnej z jury środkowej. Inną przyczyną takiego stanu może być budowa geologiczna a w szczególności występowanie dyslokacji. Zaobserwowana bardzo słaba więź hydrauliczna między otworami może być spowodowany również zbyt krótkim okresem pompowania pomiarowego. Niemniej jednak, fakt ten może mieć wpływ na przyszłą eksploatację całego obiegu geotermalnego. Temperatura zanotowana przy wypływie z otworu Kleszczów GT-2 (45,9 o C) jest niższa od tej notowanej w otworze Kleszczów GT-1 (52,2 o C) mimo większej głębokości (Kleszczów GT m, Kleszczów GT m). W tym przypadku niższa temperatura może świadczyć o głównym dopływ chłodniejszej wody z warstw jury środkowej. W trakcie pompowania eksploatacyjno - zatłaczającego ustalono maksymalną wydajność eksploatacji złoża otworem Kleszczów GT-1 na poziomie 150 m 3 /h przy ciśnieniu zatłaczania 4,4 bara. Z uwagi na złożoną budowę geologiczną jak również warunki hydrogeologiczne i zastosowanie nowych materiałów w otworach i rurociągach tłocznych praca dubletu geotermalnego będzie wymagała ciągłej obserwacji i kontroli podczas przyszłej przemysłowej eksploatacji. 68

6 Krzysztof Jasnos, Piotr Kołba, Henryk Biernat, Bogdan Noga Literatura 1. Biernat H., Gryszkiewicz I., Bentkowski A., Martyka P.: Aneks do projektu prac geologicznych w celu wykonania otworu poszukiwawczo-rozpoznawczego za wodami termalnymi w Kleszczowie. Warszawa: Przedsiębiorstwo Geologiczne POLGEOL S.A., Biernat H., Kapuściński J., Niewiarowicz J., Martyka P.: Dokumentacja hydrogeologiczna ustalająca zasoby eksploatacyjne ujęcia wód termalnych w Kleszczowie wraz z określeniem warunków wtłaczania wód wykorzystanych do górotworu. Warszawa: Przedsiębiorstwo Geologiczne POLGEOL S.A., Biernat H., Kulik S., Noga B.: Problemy związane z eksploatacją ciepłowni geotermalnych wykorzystujących wody termalne z kolektorów porowych. Technika Poszukiwań Geologicznych, Geotermia, Zrównoważony Rozwój 2010, 1-2, s Biernat H., Kulik S., Noga B., Kosma Z.: Problemy korozji przy zatłaczaniu wykorzystanych wód termalnych. Modelowanie Inżynierskie 2010, nr 39, t. 8., s Biernat H., Posyniak A., Bentkowski A.: Dokumentacja otworowa otworu geotermalnego Kleszczów GT-1. Warszawa: Przedsiębiorstwo Geologiczne POLGEOL S.A., Bujakowski W., Barbacki W., Bielec A., Graczyk S., Hołojuch G., Pająk L., Tomaszewska B.: Projekt prac geologicznych w celu wykonania otworu poszukiwawczo-rozpoznawczego za wodami termalnymi w Kleszczowie. Kraków: PAN, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią, Zakład Energii Odnawialnej, Kapuściński J., Nagy S., Długosz P., Biernat H., Bentkowski A., Zawisza L., Macuda J., Bujakowska K.: Zasady i metodyka dokumentowania zasobów wód termalnych i energii geotermalnej oraz sposoby odprowadzania wód zużytych: poradnik metodyczny. Warszawa: Departament Geologii Ministerstwa Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa,