S. A. Wykonawca: Warszawa, ul. Berezyńska 39 OCENA WYNIKÓW. z demonstracji nowatorskiej technologii poprawy

Transkrypt

1 Zleceniodawca: GEOTERMIA PYRZYCE Sp. z o. o Pyrzyce, ul. Ciepłownicza 27 tel. (0-91) PRZEDSIĘBIORSTWO GEOLOGICZNE POLGEOL S. A. Wykonawca: Warszawa, ul. Berezyńska 39 tel.: (0-22) ; fax.: (0-22) OCENA WYNIKÓW z demonstracji nowatorskiej technologii poprawy chłonności warstwy złożowej wód geotermalnych Opracowali: Dyrektor: dr inż. Bogdan Noga inż. Henryk Biernat mgr Marcin Zwierzyński mgr inż. Piotr Martyka Warszawa, sierpień 2014

2 SPIS TREŚCI Rozdział 1. CHARAKTERYSTYKA GEOTERMII PYRZYCE Lokalizacja Ogólna charakterystyka instalacji geotermalnej Warunki geologiczne i hydrogeologiczne Proces technologiczny Sterowanie i automatyka Efektywność pozyskiwania ciepła geotermalnego...16 Rozdział 2. PROBLEMY Z ZATŁACZANIEM SCHŁODONEJ WODY TERMALNEJ W GEOTERMII PYRZYCE Pompowania próbne i eksploatacyjne Problemy z zatłaczaniem schłodzonych wód termalnych Czyszczenie otworów chłonnych w Geotermii Pyrzyce...22 Rozdział 3. IDENTYFIKACJA PRZYCZYN WTÓRNEGO WYTRĄCANIA SIĘ ZWIĄZKÓW CHEMICZNYCH ZE SCHODZONEJ WODY TERMALNEJ Identyfikacja składu osadów Analiza indeksów nasycenia Wpływ odczynu ph wody na wartość indeksów nasycenia Wpływ temperatury zatłaczanej wody na wartość indeksów nasycenia Wpływ potencjału redox zatłaczanej wody na wartość indeksów nasycenia...39 Rozdział 4. ZAŁOŻENIA METODY SUPER MIĘKKIEGO KWASOWANIA Koncepcja metody super miękkiego kwasowania Stanowisko badawcze Zakres planowanych pomiarów i badań laboratoryjnych...52 Rozdział 5. DEMONSTRACJA METODY SUPER MIĘKKIEGO KWASOWANIA NA INSTALACJI GEOTERMALNEJ W PYRZYCACH Dozowanie cieczy kondycjonującej...53

3 5.2. Ocena wpływu metody super miękkiego kwasowania na pracę instalacji geotermalnej w Pyrzycach...63 Rozdział 6. OCENA ZUŻYCIA URZĄCEŃ WYKORZYSTYWANYCH PODCZAS DEMONSTRACJI Metoda miękkiego kwasowania Metoda super miękkiego kwasowania...75

4 Rozdział 1. CHARAKTERYSTYKA GEOTERMII PYRZYCE 1.1. Lokalizacja Ciepłownia geotermalna Geotermia Pyrzyce zlokalizowana jest w Pyrzycach mieście powiatowym usytuowanym w województwie zachodniopomorskim, leżącym około 45 km od centrum Szczecina (rys. 1.1). Rys Lokalizacja Geotermii Pyrzyce

5 Pyrzyce położone są nad Kanałem Młyńskim, na rolniczych terenach Równiny PyrzyckoStargardzkiej przy drodze krajowej nr 3 ze Świnoujścia przez Szczecin, Gorzów Wielkopolski, Zieloną Górę do granicy z Czechami. Równina Pyrzycko-Stargardzka rozpościera się wokół Jeziora Miedwie i zbudowana jest z gliny morenowej ostatniego zlodowacenia i iłów jeziornych Ogólna charakterystyka instalacji geotermalnej Na początku lat 90 ubiegłego wieku w Pyrzycach rozważano możliwość budowy nowoczesnej ciepłowni miejskiej (rys. 1.2), która miała zastąpić 68 małych kotłowni lokalnych spalających rocznie około 38 tys. ton węgla. Chciano zainwestować w system bardziej przyjazny środowisku tym bardziej, że miasto Pyrzyce zlokalizowane jest w strefie ochronnej jeziora Miedwie, stanowiącego zbiornik wody pitnej dla Szczecina. Rys Widok ciepłowni geotermalnej w Pyrzycach

6 Budowę Ciepłowni Geotermalnej w Pyrzycach rozpoczęto w 1992 r. Projekt został zainicjowany przez gminę Pyrzyce, a jego realizacja była kontynuowana przez spółkę Geotermia Pyrzyce. Zgodnie z projektem w Geotermii Pyrzyce woda termalna ujmowana miała być dwoma otworami wydobywczymi Pyrzyce GT-1 i Pyrzyce GT-3 (rys. 1.3). Następnie gorąca woda termalna przetłaczana jest rurociągiem do hali ciepłowni geotermalnej gdzie następuje jej schłodzenie za pomocą wymienników ciepła. Z kolei schłodzona woda przetłaczana jest do otworów chłonnych Pyrzyce GT-2 i Pyrzyce GT-4 celem jej ponownego zatłoczona do górotworu. Rys Uproszczony schemat obiegu wody termalnej w ciepłowni geotermalnej w Pyrzycach Każdym otworem zgodnie z projektem prac geologicznych nawiercono górne warstwy retyku. Faktyczne głębokości otworów przedstawiono w tabeli 1.1.

7 Tabela 1.1. Faktyczne głębokości wykonanych otworów Faktyczna Nazwa otworu Rola otworu Pyrzyce GT-1 wydobywczy 1637 Pyrzyce GT-2 chłonny 1640 Pyrzyce GT-3 wydobywczy 1630 Pyrzyce GT-4 chłonny 1620 głębokość [m] Odległości pomiędzy poszczególnymi otworami geotermalnymi ustalone zostały na podstawie komputerowego modelu złoża wykonanego przez Akademię GórniczoHutniczą w Krakowie przy założeniu maksymalnego schłodzenia złoża o 1oC przy eksploatacji przez 25 lat z wydajnością 200 m 3/h. Przy powyższych założeniach odległości pomiędzy poszczególnymi otworami przedstawiają się następująco: Pyrzyce GT-1 - Pyrzyce GT-3 = 225 m, Pyrzyce GT-1 - Pyrzyce GT-2 = 1525 m, Pyrzyce GT-1 - Pyrzyce GT-4 = 1690 m, Pyrzyce GT-3 - Pyrzyce GT-2 = 1570 m, Pyrzyce GT-3 - Pyrzyce GT-4 = 1560 m, Pyrzyce GT-2 - Pyrzyce GT-4 = 1260 m. Otwory chłonne Pyrzyce GT-2 i Pyrzyce GT-4 znajdują się na gruntach rolnych w odległości 500 m od zabudowań miejscowości Obojno. Natomiast otwory eksploatacyjne Pyrzyce GT-1 i GT-2 znajdują się w północnej części miejscowości Pyrzyce przy ul. Poznańskiej, w pobliżu budynku ciepłowni (rys. 1.4).

8 Rys Lokalizacja otworów geotermalnych w Geotermii Pyrzyce Ciepłownia geotermalna w Pyrzycach uruchomiona została w 1997 r. jako pierwszy tego typu zakład przemysłowy w Polsce.

9 1.3. Warunki geologiczne i hydrogeologiczne Ciepłownia geotermalna w Pyrzycach usytuowana jest na jednostce geologicznej zwanej Synklinorium Szczecińskie. Dzieli się ono na dwie równorzędne mniejsze jednostki zwane Niecką Szczecińską i Blokiem Gorzowa. Granica między nimi tworzy głęboką strefę dyslokacji Pyrzyce-Krzyż oddzielając otwory Pyrzyce GT-1, Pyrzyce GT-3 i Pyrzyce GT-4 zlokalizowane na Bloku Gorzowa od otworu chłonnego Pyrzyce GT-2, który jest zlokalizowany na Niecce Szczecińskiej (rys. 1.5). Rys Lokalizacja otworów geotermalnych w Geotermii Pyrzyce Budowa geologiczna tego obszaru charakteryzuje się korzystnymi warunkami litologiczno - facjalnymi i hydrogeologicznymi do występowania wód geotermalnych.

10 Najkorzystniejszymi parametrami złożowymi w tym rejonie charakteryzują się utwory jury dolnej. W otworach geotermalnych w Pyrzycach w utworach warstw miechowskich wyznaczono dwa podstawowe poziomy o najlepszych właściwościach zbiornikowych oznaczone jako poziom dolny i poziom górny. Dolny poziom zbiornikowy stanowią piaskowce kwarcowe średnioziarniste, podrzędnie gruboziarniste o spoiwie ilastym, barwy jasnoszarej, szarej, czasami szarobeżowej. W piaskowcach tych obserwuje się dużą zawartość detrytusu roślinnego, podrzędnie występują drobne wkładki lub laminy ciemnoszarego mułowca. Piaskowce tego poziomu charakteryzują się dobrymi parametrami hydrogeologicznymi. Górny poziom zbiornikowy stanowią piaskowce kwarcowe drobnoziarniste - mułowcowe, podrzędnie średnioziarniste o spoiwie ilastym barwy jasnoszarej. Często w piaskowcach występują wkładki ciemnoszarych iłowców lub ciemnoszarych mułowców. Porowatość w piaskowcach tego poziomu dochodzi do 30%, a przepuszczalność dochodzi do md (otwór Pyrzyce GT-1). W otworach Pyrzyce GT-1 i Pyrzyce GT-3 zafiltrowano oba poziomy zbiornikowe oraz warstwy piaskowców zalegające między tymi poziomami. W otworze GT-4 zafiltrowano górny poziom zbiornikowy oraz gruby pakiet piaskowców zalegający pomiędzy wyznaczonymi podstawowymi poziomami zbiornikowymi. W otworze Pyrzyce GT-2 zafiltrowano tylko górny poziom zbiornikowy oraz piaskowce warstw radowskich. Różnice w zafiltrowaniu otworów spowodowana są dużą zmiennością tak w głębokości zalegania jak i w wykształceniu litologiczno - facjalnym poziomów wodonośnych na tak niewielkiej odległości, jaka jest między otworami.

11 1.4. Proces technologiczny Proces technologiczny w Ciepłowni Pyrzyce polega na wydobyciu za pomocą dwóch otworów eksploatacyjnych Pyrzyce GT-1 i Pyrzyce GT-3 wody termalnej z wnętrza ziemi o temperaturze 61oC, za pomocą pomp głębinowej i przepompowaniu jej do hali ciepłowni (rys. 1.6). Maksymalna wydajność jednego otworu wydobywczego wynosi 170 m3/h, zaś wydajność pomp głębinowych jest zmienna, tak więc, ilość wydobywanej wody termalnej jest dostosowywana do aktualnych potrzeb ciepłowni. Rys Widok wnętrza hali ciepłowni geotermalnej w Pyrzycach W budynku ciepłowni woda termalna po przepompowaniu jej przez zespół filtrów workowych (rys. 1.7) trafia na dwa niskotemperaturowe wymienniki ciepła (rys. 1.8) oddając swoją energię uzdatnionej wodzie sieciowej krążącej w zamkniętym systemie centralnego ogrzewania. Ze względu na wysoką mineralizację wynoszącą 120 g/dm 3, wydobyta woda termalna po oddaniu energii cieplnej musi zostać ponownie zatłoczona

12 do górotworu. Do tego celu w ciepłowni geotermalnej w Pyrzycach służą dwa otwory zatłaczające Pyrzyce GT-2 i Pyrzyce GT-4 (rys. 1.9). Podstawową zasadą działania dubletu geotermalnego jest zapewnienie ciągłości przepływu pomiędzy otworem eksploatacyjnym a otworem zatłaczającym, wynikające z konieczności wtłaczania w tym samym czasie wydobytej wody ze złoża. Rys Widok zespołu filtrów workowych Rys Widok niskotemperaturowego geotermalnego wymiennika ciepła

13 Rys Widok głowicy otworu chłonnego Pyrzyce GT-4 Jeden z niskotemperaturowych wymienników geotermalnych o mocy 7,2 MW służy do bezpośredniej wymiany ciepła wody termalnej z wodą sieciową systemu centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Drugi wymiennik ciepła o mocy 5,6 MW współpracuje z dwoma absorpcyjnymi pompami ciepła (rys. 10), każda z nich może osiągnąć 10 MW mocy cieplnej. Pompa ciepła jest właściwie jedynym urządzeniem, umożliwiającym wykorzystanie niskotemperaturowych źródeł energii. Jej podstawowa rola polega na pobieraniu ciepła ze źródła o niższej temperaturze (ciepło pochodzące ze środowiska naturalnego) i przekazywaniu go do źródła o temperaturze wyższej (ciepło grzewcze). Aby proces ten był możliwy konieczne jest dostarczenie energii z zewnątrz. Na użyteczną energię cieplną (ciepło grzewcze) tych urządzeń składa się więc ilość ciepła pobrana ze środowiska naturalnego i ilość ciepła odpowiadająca energii doprowadzonej do ich napędu. Absorpcyjne pompy ciepła nie mają części ruchomych (z wyjątkiem pomp cieczy), co pozytywnie wpływa na ich dużą niezawodność. W pyrzyckim systemie ciepłowniczym zastosowane są bromolitowe pompy ciepła wyprodukowane przez firmę SANYO, światowego lidera w produkcji absorpcyjnych urządzeń grzewczych dużej mocy.

14 Do napędu tych urządzeń mogą być wykorzystywane produkty spalania gazu lub oleju oraz para wodna. Rys Widok absorpcyjnej pompy ciepła Pompy ciepła w ciepłowni geotermalnej w Pyrzycach pracują jesienią, zimą i wiosną, czyli wtedy, gdy temperatura powracającej wody sieciowej jest wyższa od temperatury wydobywanej wody termalnej. Absorpcyjne pompy ciepła napędzane są gorącą wodą o temperaturze 160oC wytwarzaną w dwóch wysokotemperaturowych kotłach gazowych (rys. 1.6), a moc każdego z nich wynosi 8 MW. Każdy z kotłów wysokotemperaturowych wyposażony jest w 1 MW ekonomizer, odzyskujący ciepło pochodzące od spalin. Dwa niskotemperaturowe kotły gazowe stanowią szczytowe źródło ciepła o łącznej mocy 20 MW. Szczytowe źródło ciepła uruchamiane jest wyłącznie zimą podczas dużych mrozów. Całkowita moc zainstalowana w Ciepłowni Geotermalnej w Pyrzycach wynosi 50 MW w tym moc cieplna instalacji geotermalnej wynosi 12,8 MW. Ciepłownia geotermalna w Pyrzycach pracuje według schematu przedstawionego na rysunku 11.

15 Miejska sieć ciepłownicza o długości około 15 km wykonana jest w całości z rur preizolowanych, co zapewnia dużą efektywność przesyłania energii cieplnej do odbiorców. Temperatury zasilania wody sieciowej wahają się od 60 oc - latem do i 95oC zimą, natomiast temperatury wody powracającej z sieci miejskiej latem wynoszą około 45oC - zimą 40oC (rys. 9). Rys. 11. Uproszczony schemat instalacji geotermalnej w Pyrzycach 1.5. Sterowanie i automatyka Z technicznego punktu widzenia ciepłownia geotermalna jest dużo bardziej skomplikowanym systemem niż zwykła kotłownia gazowa lub olejowa. Wymaga to zastosowania pewnego i bardziej wyrafinowanego systemu sterowania zapewniającego

16 optymalną energooszczędną produkcję ciepła dostosowaną do zmieniającego się zapotrzebowania. Automatyka zastosowana w Pyrzycach opiera się na zaprogramowanym sterowaniu przy użyciu komputera PC. Wszystkie główne urządzenia technologiczne posiadają własne programowalne sterowniki logiczne (PLC) mogące pracować jako samodzielne jednostki. Ponadto każdy sterownik wyposażony jest w indywidualny panel sterowania za pomocą którego odpowiednia część systemu podlega nadzorowi. Wszystkie parametry technologiczne monitorowane są przez Centralny System Sterowania (CSS) zlokalizowany w budynku ciepłowni. W obiegu wody termalnej, każdy z czterech otworów wyposażony jest również w sterownik logiczny, który przesyła informację do CSS za pomocą sieci światłowodów. Zastosowanie światłowodów miało na celu szybkie i skuteczne przesyłanie danych, a co za tym idzie szybką reakcję całego systemu w przypadku wystąpienia stanów awaryjnych. Węzły cieplne o mocy powyżej 100 kw połączone są z ciepłownią siecią sterowniczo-sygnalizacyjną umożliwiającą ciągłe monitorowanie parametrów z poszczególnych węzłów (ciśnienie różnicowe, temperatura, przepływ, zapotrzebowanie i zużycie ciepła). Wszystkie informacje od odbiorców przesyłane są do CSS, który optymalizuje pracę ciepłowni Efektywność pozyskiwania ciepła geotermalnego Podstawowym wnioskiem wynikającym z obserwacji ciepłowni geotermalnej wynika, że aby poprawić opłacalność jej funkcjonowania wskazane jest kompleksowe zagospodarowanie energii geotermalnej, najlepiej w systemach kaskadowego schładzania wody. Nieodzowną czynnością poprawiającą efektywność wykorzystania ciepła

17 geotermalnego w będzie również modernizacja istniejących już starych węzłów ciepłowniczych w budynkach, będących odbiorcami ciepła. W przypadku innych ciepłowni geotermalnych bardzo korzystnie na efektywne wykorzystanie geotermalnej energii cieplnej wpływają kompleksy balneologiczno-rekreacyjne z basenami wewnętrznymi i zewnętrznymi o zróżnicowanej temperaturze wody basenowej. Rozwiązania te pozwalają na zdecydowane obniżenie temperatury zatłaczanej do górotworu wody termalnej zarówno zimą jak i latem. Nie jest tajemnicą, że na uzyskaną geotermalną moc cieplną, dla danej temperatury i danego strumienia objętościowego wydobywanej wody termalnej, w sposób istotny wpływa temperatura wody sieciowej powrotnej, przy czym powinna ona być możliwie niska. Przy pełnym wykorzystaniu możliwości eksploatacyjnych wody termalnej (2 x 170 m 3/h) i przy założeniu, że temperatura zatłaczanej wody termalnej jest na poziomie 35 oc w ciepłowni geotermalnej w Pyrzycach można byłoby uzyskać około 9,8 MW ciepła bezpośrednio z układu geotermalnego (rys. 1.12). Największym problemem ciepłowni jest zmniejszanie się w czasie chłonności otworów zatłaczających, przez co spada wydajność zatłaczanej wody termalnej. Spada wówczas wydajność ogólna ciepłowni geotermalnej, co powoduje konieczność spalania większych ilości gazu w kotłach niskotemperaturowych podgrzewających wodę w systemie ciepłowniczym. Jak widać na rysunku 1.12, jeśli wydajność z jaką jest eksploatowana woda termalne obniży się do około 150 m 3/h to będzie to skutkować również zmniejszeniem ilości pozyskiwanego ciepła geotermalnego. W tym przypadku można będzie pozyskać już tylko około 4,36 MW odnawialnego ciepła pochodzącego z wnętrza ziemi. Obniżenie się wydajności eksploatacji wody termalnej do około 50 m 3/h będzie miało konsekwencje w dalszym obniżeniu się pozyskanego ciepła odnawialnego do około 1,45 MW.

18 Rys. 12. Możliwości pozyskiwania energii geotermalnej przy różnych wydajnościach eksploatacyjnych wody termalnej i temperaturach jej zatłaczania Rozdział 2. PROBLEMY Z ZATŁACZANIEM SCHŁODONEJ WODY TERMALNEJ W GEOTERMII PYRZYCE 2.1. Pompowania próbne i eksploatacyjne Pompowania pomiarowe otworów wydobywczych Pyrzyce GT-1 i Pyrzyce GT-2 wykonywane były w okresie luty - kwiecień 1995 roku. Miały one na celu określenie parametrów warstwy wodonośnej, ocenę wydajności eksploatowanych otworów i jakości wody. Pompowania pomiarowe prowadzone były przy użyciu pompy głębinowej przystosowanej do wysokiego zasolenia i wysokiej temperatury. Wydajność eksploatowanej wody termalnej mierzona była przy pomocy wodomierza. Podczas

19 pompowania pomiarowego wodę termalną z otworu Pyrzyce GT-1 eksploatowano z wydajnością 221 m3/h natomiast z otworu Pyrzyce GT-1 wodę termalną eksploatowano z wydajnością 204 m3/h. Drugim etapem dokumentowania złoża wód termalnych w Pyrzycach było przeprowadzenie pompowań eksploatacyjno-zatłaczających. Ich celem było przede wszystkim praktyczne sprawdzenie możliwości zatłaczania solanki do otworów chłonnych, a także uzyskania danych o warunkach pracy ujęcia w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. Pompowanie eksploatacyjno-zatłaczające pomiędzy otworem wydobywczym Pyrzyce GT-1 i otworem chłonnych Pyrzyce GT-2 prowadzone było na dwóch stopniach wydajności. Na pierwszym stopniu pompowano i zatłaczano z wydajnością 125 m 3/h przez 83 godziny. Przez ostatnie 25 godzin pompowania uzyskano stabilizację ciśnienia w otworze zatłaczającym GT-2 na poziomie 1,0 bara. Na drugim stopniu pompowano z wydajnością 148,6 m3/h przez 55,3 godzin. Przez ostatnie 16 godzin uzyskano stabilizację ciśnienia w otworze GT-2 na poziomie 2,9 bara. Pompowanie eksploatacyjno-zatłaczające pomiędzy otworem wydobywczym Pyrzyce GT-1 i otworem chłonnych Pyrzyce GT-4 prowadzone było na trzech stopniach wydajności. Na pierwszym stopniu pompowano z wydajnością 110 m 3/h przez okres 86 godzin. Uzyskano stabilizację ciśnienia w otworze zatłaczającym na poziomie 2,0 bara. Na drugim stopniu pompowano z wydajnością 143 m 3/h przez 155 godzin. Uzyskano stabilizację ciśnienia przez okres 48 godzin na poziomie 3,7 bara. Na trzecim stopniu pompowano z wydajnością 170,3 m3/h przez 314 godzin. Uzyskano stabilizację ciśnienia na poziomie 5,6 bara przez okres 24 godzin.

20 2.2. Problemy z zatłaczaniem schłodzonych wód termalnych Niemalże wszystkie ciepłownie geotermalne w mniejszym lub większym stopniu borykają się z trudnościami związanymi z zatłaczaniem schłodzonej wody termalnej do macierzystych warstw wodonośnych. Trzeba również zaznaczyć, że wszystkie te ciepłownie mają udokumentowane zasoby wód, limitowane nie możliwościami wydobywczymi otworów eksploatacyjnych, a możliwościami wtłoczenia wód schłodzonych do górotworu wykorzystując otwór zatłaczający. Jak wykazują badania, możliwości chłonne otworów już na etapie ich dokumentowania są o około jedną trzecią mniejsze niż możliwości wydobywcze. Pierwsze próby uruchomienia obiegu geotermalnego w skali przemysłowej w Pyrzycach podjęto w grudniu 1995 r. Przy wydajności 150 m 3/h ciśnienie w otworze zatłaczającym wynosiło 5,3 bar. Zatłaczanie przerwano po dobie z uwagi na prace wykończeniowe w hali ciepłowni. Drugi raz obieg geotermalny uruchomiono r. (oficjalne otwarcie ciepłowni). Rozpoczęto zatłaczanie z wydajnością 148,6 m 3/h, przy ciśnieniu zatłaczania zmiennym wahającym się w okolicy 10 barów. W pierwszym roku pracy ciepłowni tj r. czas czystej pracy obiegu geotermalnego wynosił około 7 miesięcy. Przerwy spowodowane były spadkami napięcia w sieci, brakiem w dostawie prądu, usuwaniem usterek technicznych. Łącznie naliczono 42 przestoje z w/w przyczyn. W obiegu stwierdzono ciągle występujące nieszczelności, które prowadziły w czasie przestojów do jego zapowietrzania. Z obserwacji pracy obiegu geotermalnego wynika, ze po każdym przestoju najczęściej wzrastało ciśnienie na zatłaczaniu. Należy zaznaczyć ze otwór Pyrzyce GT-4 początkowo nie był włączany do obiegu. Całe obciążenie wynikające z wypłukiwania rurociągów tłocznych, przestojów i krótkotrwałych włączeń i wyłączeń obiegu geotermalnego przejął na siebie otwór zatłaczający GT-2. To musiało odbić się na jego

21 dalszej sprawności. Po wykonanych zabiegach intensyfikacyjnych (czyszczenie mechaniczne oraz chemiczne) w październiku 1996 r. chwilowo tylko uzyskał sprawność zbliżoną do pierwotnej (135 m 3/h przy ciśnieniu 5,7 bara), po czym wydajność zaczęła spadać, a ciśnienie zaczyna rosnąć. Od marca 1997 r. prowadzono ciągłą rejestrację ciśnienia, wydajności i temperatury. Okres pracy otworu geotermalnego Pyrzyce GT-2 w okresie r. można podzielić na trzy okresy (rys. 2.1): rok 1997, gdzie najczęściej spotykane wartości wynosiły od 35 do 55 m 3/h przy ciśnieniu zatłaczania mieszczącym się w granicach od 4 do 6 barów, rok 1998 i 1999 gdzie obserwujemy znaczny spadek wydajności rzędu m 3/h przy ciśnieniu zatłaczania około 10 barów, rok 2000 gdzie wydajność spada do około 20 m 3/h przy ciśnieniu zatłaczania w granicach 12 barów. Rys Wydajność i ciśnienie w otworze chłonnym Pyrzyce GT-2 w pierwszych czterech latach eksploatacji

22 Do 2005 r. problemy z zatłaczaniem schłodzonej wody termalnej, a więc i zmniejszaniem się pozyskiwania ciepła geotermalnego, pojawiały się cyklicznie według tego samego schematu - nagły wzrost ciśnienia i spadek wydajności po przestoju. W wyniku przeprowadzonych analiz można stwierdzić, że przyczynami spadku wydajności zatłaczania należy obarczyć następujące czynniki: zmiany temperatury podczas eksploatacji wody termalnej - gwałtowne obniżenie temperatury powoduje, że siarczany żelaza i krzemionka wytrącają się w postaci osadu, zmiany odczynu ph - wzrost odczynu w trakcie eksploatacji powoduje spadek rozpuszczalności wielu soli i tlenków żelaza, zmiany ciśnienia w obiegu geotermalnym- obniżenie ciśnienia wody termalnej powoduje jej częściowe rozprężenie i uwolnienie części rozpuszczonego CO 2, co wpływa na wzrost ph, zmiany stężenia CO2 przekładają się na odczyn ph wody termalnej, zmiany potencjału redox - wzrost potencjału nasila reakcje strącania tlenków żelaza Czyszczenie otworów chłonnych w Geotermii Pyrzyce W październiku 1996r. w otworach Pyrzyce GT-4 wykonane zostały zabiegi intensyfikacyjne (czyszczenie mechaniczne i chemiczne). Celem tych zabiegów była poprawa parametrów chłonnych otworów i strefy przyodwiertowej. Po wykonanych zabiegach intensyfikacyjnych uzyskano wydajność na zatłaczaniu 170 m 3/h przy

23 podciśnieniu. Taki stan utrzymywał się około 6 miesięcy. Po tym okresie ciśnienie zaczęło nieznacznie wzrastać. Jednak przez okres około 8 lat parametry zatłaczania były w miarę stabilne, około 6 barów przy wydajności 100 m 3/h, około 10 barów przy wydajności 150 m3/h. Znaczne pogorszenie stanu technicznego otworu zaobserwowano w 2004 roku. W dniach r. i r. na instalacji geotermalnej przeprowadzono zabiegi azotowania. Po zabiegach zaobserwowano pozytywną reakcję otworu GT-2. W obu przypadkach wydajność przed zabiegiem azotowania wynosiła około 10 m 3/h przy ciśnieniu ponad 10 barów. Po zabiegu wydajność wzrastała do ponad 23 m 3/h przy ciśnieniu niższym od 6 barów. Czyszczenie filtra w otworze Pyrzyce GT-2 przeprowadzono w marcu 2001 roku w wyniku zastosowania czyszczenie mechanicznego i chemicznego. Czyszczenie mechaniczne polegało na zapuszczeniu do otworu frezu a następnie zestaw szczotek z urządzeniem dyszowym do płukania bocznego. Kolejnym zabiegiem czyszczącym było tłokowanie otworu. Czyszczenie chemiczne polegało na wykonaniu zabiegu kwasowania z odbiorem cieczy poreakcyjnej. Ciecz poreakcyjna usuwana była z otworu za pomocą urządzenia azotowego. W ciągu pierwszej doby po wykonanych zabiegach, przy wydajności około 100 m3/h, ciśnienie na zatłaczaniu wynosiło 0 bar. Po pewnym czasie następuje ponowny wzrost ciśnienia zatłaczania i zmniejszenie się wydajności zatłaczania. Każdorazowo pomagała regeneracja otworów, gdzie w otworze Pyrzyce GT-2 po regeneracji w lutym 2004 r. wydajność wzrosła dwukrotnie. Jednak każde obniżenie efektywności zatłaczania i każdorazowa regeneracja, pomimo poprawy parametrów, skracały czas między wystąpieniami kolejnych spadków wydajności. W 2005 r. wykonano kolejne próby poprawy chłonności otworów Pyrzyce GT-2 i Pyrzyce GT-4 poprzez gruntowne czyszczenie mechaniczne i chemiczne. Wykonane wówczas prace doprowadziły do znacznej poprawy chłonności - osiągnięto rezultat 170 m3/h przy ciśnieniu 1,8 bar.

24 Jednak po dłuższej eksploatacji obserwowano nadal spadek wydajności oraz wzrost ciśnienia zatłaczania, a co za tym idzie - konieczność ponownego czyszczenia mechanicznego i chemicznego przy użyciu urządzenia wiertniczego, które jest bardzo kosztowne i ma negatywny wpływ na wynik finansowy ciepłowni. Stąd też, na przełomie 2007/2008 r. w otworach chłonnych Pyrzyce GT-2 i Pyrzyce GT-4 oraz rurociągach napowierzchniowych zastosowano rury HDPE (High Density Polyetylen) odporne na korozję. Po osłonięciu rur stalowych wykładzinami HDPE i oczyszczeniu otworów chłonnych w otworze Pyrzyce GT-2 pod koniec 2007 roku uzyskano wydajność na poziomie 150 m 3/h przy ciśnieniu zatłaczania zbliżonym do zera (rys. 2.3). Podobna sytuacja zaistniała w 2008 roku kiedy to rury HDPE zastosowano w otworze chłonnym Pyrzyce GT-4. W tym przypadku uzyskano wydajność ponad 120 m3/h (rys. 2.4). Nie uchroniło to jednak od wzrostu ciśnienia zatłaczania wody termalnej i spadku wydajności. W bardzo krótkim czasie w obu otworach chłonnych nastąpił spadek wydajności zatłaczania przy jednoczesnym wzroście ciśnienia zatłaczania. Rys Ciśnienie i wydajność zatłaczania wody termalnej do otworu Pyrzyce GT-2 w 2007 r.

25 Rys Ciśnienie i wydajność zatłaczania wody termalnej do otworu Pyrzyce GT-4 w 2008 r. Dotychczas stosowane czyszczenie mechaniczno-chemiczne przynosiło bardzo dobre efekty w postaci zwiększania wydajności zatłaczania przy jednoczesnym spadku wymaganego ciśnienia zatłaczania. Były one jednak krótkotrwałe, a do ich osiągnięcia konieczne było użycie ciężkiego urządzenia wiertniczego. Stosowane rozwiązanie generowało bardzo wysokie koszty, które były coraz większym obciążeniem finansowym dla Geotermii Pyrzyce. W związku z tym na instalacji geotermalnej ciągle trwały prace, których celem było opracowanie tańszej i równie skutecznej metody czyszczenia otworów chłonnych. Efektem tych działań było opracowanie metody miękkiego kwasowania, której przeznaczeniem jest chemiczne usuwanie produktów wtórnego wytrącania się związków chemicznych ze schłodzonej wody termalnej. W 2008 roku zdecydowano się na zastosowanie metody czyszczenia otworów zatłaczających polegającą na tzw. kwasowaniu miękkim (rys. 2.5). Celem miękkiego kwasowania, podobnie jak kwasowania standardowego, jest poprawa wydajności zatłaczania poprzez usunięcie skutków kolmatacji między innymi węglanu wapnia (CaCO3). Jednak miękkie kwasowanie adresowane jest nie tylko do filtra i strefy

26 przyodwiertowej, ale również do warstwy wodonośnej. Bardzo małe stężenie zatłaczanego kwasu solnego uwalnia od konieczności odbioru kwasu i jego unieszkodliwiania. Miejscem docelowym jego jest warstwa wodonośna do której dociera rozpuszczając po drodze węglany wytrącające się na filtrze i strefie przyodwiertowej. Rys Schemat instalacji miękkiego kwasowania Problem w stosowanej metodzie stanowiło stężenie kwasu solnego jakie należałoby dobrać. Zbyt wysokie stężenie przy zatłaczaniu kwasu mogłoby uszkodzić rury, z kolei zbyt niskie nie odniosłoby żadnego skutku. Pompa dozująca kwas zamontowana jest bezpośrednio przy otworze zatłaczającym. Kwas do otworu zatłaczany jest ze zbiornika, który również ustawiony jest w bezpośrednim sąsiedztwie kwasowanego otworu. Zastosowane w 2010 r. zabiegi miękkiego kwasowania każdorazowo powodowały zmniejszenie ciśnienia zatłaczania oraz zwiększanie się wydajności zatłaczania wody

27 termalnej. Prawidłowość taką można zaobserwować zarówno w otworze chłonnym Pyrzyce GT-2 (rys. 2.6) jaki i w otworze Pyrzyce GT-4 (rys. 2.7). Rys Zastosowanie miękkiego kwasowania w otworze chłonnym Pyrzyce GT-2 w marcu 2010r. Rys Zastosowanie miękkiego kwasowania w otworze chłonnym Pyrzyce GT-4 w maju 2010r.

28 We wszystkich przypadkach kwas dodawany był w różnych dawkach. Czasy działania kwasu solnego również we wszystkich przypadkach były różne. Po zaprzestaniu dozowania kwasu solnego niemal natychmiast następuje wzrost ciśnienia zatłaczania oraz zmniejszanie się ilości zatłaczanej wody termalnej. Podczas przeprowadzania miękkiego kwasowania w ciepłowni w Pyrzycach stwierdzono, że podczas działania kwasu w otworach zatłaczających następuje zmniejszenie sie ciśnienia zatłaczania i zwiększenie właściwości chłonnych. Obserwacje te pozwoliły na opracowanie nowej metody polegającej na ciągłym dozowaniu niewielkich ilości kwasu solnego do otworów zatłaczających. Metoda super miękkiego kwasowania jest obecnie testowana w Geotermii Pyrzyce i przynosi oczekiwane rezultaty. Rozdział 3. IDENTYFIKACJA PRZYCZYN WTÓRNEGO WYTRĄCANIA SIĘ ZWIĄZKÓW CHEMICZNYCH ZE SCHODZONEJ WODY TERMALNEJ 3.1. Identyfikacja składu osadów Podczas schładzania wody termalnej na wymiennikach ciepła zachodzą w niej reakcje fizykochemiczne, w wyniku których następuje wtórne wytrącanie się związków chemicznych. Kolmatacja otworów chłonnych związana jest z wytrącaniem się związków chemicznych nieorganicznych z wody termalnej tj. trudno rozpuszczalnych soli a także w przypadku jej natlenienia, również tlenków i hydroksytlenków żelaza i manganu.

29 W przypadku naruszenia równowagi oksydacyjno-redukcyjnej roztworu następuje wytrącanie siarczków żelaza, manganu i miedzi. Szczególnie intensywnie występuje kolmatacja w przypadku zatłaczania do złoża, schłodzonej w procesie odbioru ciepła od wody termalnej. To właśnie procesy fizykochemiczne zachodzące w wodzie termalnej, wykorzystanej w procesach energetycznych, są odpowiedzialne za pogarszającą się pracę całego obiegu geotermalnego. Odwrócenie kierunku zachodzenia tych procesów wymaga ingerencji w przemiany równowagowe, zachodzące na granicy faz: ciekłej (woda termalna), gazowej (uwalniane w wyniku rozprężania z fazy ciekłej gazy) i stałej (wytrącające się osady). Niezbędne w tym celu jest poznanie skomplikowanego składu fizykochemicznego wody termalnej, a także równowag kwasowo - zasadowych związanych z krystalizacją węglanu wapnia, siarczanu baru, siarczanu strontu oraz równowag w procesach utleniająco - redukcyjnych, odpowiedzialnych za wytrącanie się tlenków i siarczków żelaza, miedzi i manganu, w filtrze i w strefie przyodwiertowej. Na drodze pomiędzy otworem wydobywczym Pyrzyce GT-1 a otworami chłonnymi Pyrzyce GT-2 i Pyrzyce GT-4 woda termalna ulega częściowemu rozprężeniu. Różnica ciśnienia pomiędzy otworami eksploatacyjnymi i chłonnymi może dochodzić nawet maksymalnie do 1,5 bar (zwykle 1,0 0,5 bar). Obecnie w wyniku postępującej kolmatacji w ciepłowni geotermalnej w Pyrzycach z eksploatacji wyłączony został jeden z otworów eksploatacyjnych Pyrzyce GT-3. Obecnie pracuje jeden otwór wydobywczy i dwa otwory chłonne, które przed uruchomieniem super miękkiego kwasowania pozwalały na zatłaczanie około 80 m3/h schłodzonej wody termalnej. Przed zatłoczeniem do otworu chłonnego schłodzona woda termalna przepompowywana jest przez filtry świecowe gdzie następuje osadzanie się produktów kolmatacji (rys. 3.1). Aby poznać skład tworzących się osadów wytrącających się na filtrach świecowych o wielkości oczka filtracyjnego 1 µm przeprowadzono uproszczoną analizę osadu (tabela 3.1).

30 Tabela 3.1. Wyniki uproszczonej analizy osadu pobranego z filtra świecowego [%] Oznaczenie Zawartość Wapń jako CaO 1,2 Magnez jako MgO 0,3 Żelazo całkowite jak Fe2O3 76,8 Siarka jako SO3 8,1 Mangan jako MnO 6,3 Pozostałe 7,3 Jak wynika z przeprowadzonej analizy dominującym składnikiem w osadzie z filtra jest żelazo. Występuje ono w formie bądź uwodnionego brunatnego tlenku żelaza (III) Fe2O3 - hematytu, bądź szaro czarnego FeOOH getytu. Mniejszy udział w osadzie ma mangan, występujący w formie uwodnionego tlenku MnO, który na powietrzu utlenia się do czarno brunatnego uwodnionego tlenku MnO 2. W osadzie obecne są również siarczany. Stosunkowo niewiele jest natomiast osadów wapnia, którego udział w formie CaO wynosi zaledwie 1,2 %. Istotne jest również określenie w wyniku dalszych badań pozostałych w licznie 7,3 % składników osadu zatrzymanych na filtrze. Wyniki analizy dobitnie wskazują więc, że głównym materiałem budulcowym osadów są związki żelaza z domieszką manganu i siarczanów (prawdopodobnie strontu i baru) i niewielkim udziałem jonów odpowiedzialnych za twardość wapnia i magnezu.

31 a) b) Rys Filtr świecowy: a) nowy, b) zanieczyszczony osadami 3.2. Analiza indeksów nasycenia W oparciu o wyniki analizy fizykochemicznej wody termalnej wyznaczono indeksy nasycenia trudno rozpuszczalnych związków nieorganicznych, dla których występuje potencjalne ryzyko wytrącenia z wody termalnej (tabela 3.2). Indeks nasycenia dla danego związku, to wskaźnik określający potencjał do wytrącania tego związku z badanego roztworu wodnego. Wyrażany jest jako stosunek iloczynu aktywności kationu i anionu, składających się na dany związek chemiczny, do iloczynu rozpuszczalności tego związku. Wartości powyżej 1,0 wskazują na tendencję do wytrącania osadu, natomiast poniżej 1,0 informują, o stanie niewysycenia roztworu danym związkiem. Obliczenia indeksów wykonano z użyciem specjalistycznych programów AquaChem oraz PHREEQC Interactive. Obliczenia odniesiono do parametrów ciśnienia i temperatury, odpowiadających tym panującym w ciepłowni geotermalnej w Pyrzycach.

32 Tabela 3.2. Wartości indeksów nasycenia wytypowanych związków mineralnych dla wód termalnych wydobywanych z otworu Pyrzyce GT 1/GT3. Ciśnienie p = 1 bar, temp. t=61 C Związek trudno rozpuszczalny Krzemionka amorficzna SiO2 Stroncjanit SrCO3 Gips CaSO4 x 2H2O Anhydryt CaSO4 Syderyt FeCO3 Baryt BaSO4 Kalcyt CaCO3 Dolomit CaMg(CO3)2 Celestyn SrSO4 Getyt FeOOH Gibbsyt Al(OH)3 Hematyt Fe2O3 Wyliczony indeks nasycenia 0,1 0,17 0,35 0,43 0,45 0,55 0,95 1,23 2,04 4,37 4, Interpretując indeksy nasycenia, należy zawsze pamiętać, że informują one jak silna jest tendencja do strącania osadów danych związków, nie określają natomiast, jaka ilość osadu strąci się z danej objętości roztworu. Rozważając wartości indeksów nasycenia należy brać również pod uwagę całkowite stężenie jonów składających się na dany związek. W omawianym przypadku, pomimo wysokiej wartości indeksu nasycenia, gibbsyt nie będzie stanowił istotnego zagrożenia, ze względu na bardzo niskie stężenie glinu (0,012 mg/dm3). Nawet zakładając strącenie całego glinu w postaci gibbsytu (co nie jest prawdą), maksymalna ilość wytworzonego osadu wyniesie 0,035 mg z 1 litra wody termalnej, co daje 0,035 g z 1 m 3. Kalkulując średnią wydajność tłoczenia na poziomie 100 m3/h, osadu gibbsytu mogło by powstać około 84 g/dobę, co jest wartością kompletnie nieznaczącą w porównaniu z rzeczywiście strącającymi się ilościami osadów. Nieznaczny wkład do masy osadów powinien wnieść także dolomit, a to ze względu na niski odczyn

33 ph solanki. Pomimo dużych ilości wapnia i magnezu, przy odczynie ph na poziomie 6,0 ilość anionów węglanowych CO32- będzie zbyt mała by mogły powstać duże ilości osadu dolomitu. Jak widać tylko w przypadku tlenków żelaza oraz siarczanu strontu występuje wystarczająco wysoki indeks nasycenia, a także stężenia jonów, sprzyjające wytrącaniu relatywnie dużych ilości osadów. W określonych warunkach ciśnienia i temperatury, na wylocie z otworu eksploatacyjnego Pyrzyce GT-1, należy więc oczekiwać, wytrącania się istotnych ilości osadów tylko trzech związków: celestynu, getytu i hematytu Wpływ odczynu ph wody na wartość indeksów nasycenia Zdolność do wytrącania się osadów nie jest stała ale zmienia się dynamicznie w trakcie eksploatacji otworu geotermalnego, w związku ze zmianami ciśnienia i temperatury wody termalnej oraz wahaniami składu gazów w złożu (zmiany stężenia CO2). Spadek ciśnienia na drodze przepływu wody termalnej jest zmienny w czasie i zależy od wielu czynników. Średni spadek można jednak przyjąć na poziomie 1 bar, a maksymalny na poziomie około 1,5 bar. Są to wartości bardzo znaczące i powodują częściowe rozprężenie wody termalnej. W wyniku tego rozprężenia następuje uwolnienie części rozpuszczonego w wodzie termalnej dwutlenku węgla. Wcześniejsze badania wód termalnych, prowadzone m.in. przez Laboratorium WIOŚ w Szczecinie wykazały, że stężenie rozpuszczonego dwutlenku węgla zmierzone w laboratorium w próbce rozprężonej (pod ciśnieniem atmosferycznym) i schłodzonej wody termalnej wynosi 117 mg CO2/dm3, przy zmierzonym odczynie ph na poziomie 6,4. Znając stężenie rozpuszczonego CO2, można wyznaczyć odczyn ph badanej wody, korzystając ze znanego wzoru

34 ph = -log K1 + log[hco3-] - log [CO2] (1) gdzie: K1 stała dysocjacji kwasu węglowego, na pierwszym stopniu, w 25 C równa 4,45 x 10-7, zależna od temperatury i zasolenia, [HCO3-] stężenie jonów wodorowęglanowych [mol/l], [CO2] stężenie rozpuszczonego dwutlenku węgla [mol/l]. Wartość ph dla roztworu rozprężonej solanki, wyliczona z wzoru (1) z uwzględnieniem zasolenia, dla temperatury 20 C wynosi 6,3 co całkiem dobrze koreluje z wynikiem uzyskanym z pomiarów (6,4). W stałej temperaturze rozpuszczalność gazu w zależności od ciśnienia opisana jest prawem Henryego pa = k C A (2) gdzie: pa ciśnienie cząstkowe gazu nad cieczą, wprost proporcjonalne do ciśnienia całkowitego [bar], CA stężenie gazu rozpuszczonego w cieczy [mol/dm 3], k tzw. stała Henrego, zależna tylko od temperatury [ mol ] dm 3 bar Przekształcając wzór (2) otrzymujemy wzór na stężenie gazu rozpuszczonego CA = pa k (3) z którego wynika, że w stałej temperaturze, stężenie gazu jest wprost proporcjonalne do ciśnienia.

35 Tabela 3.3. Obliczeniowe wartości stężenia rozpuszczonego CO 2 i odczynu ph dla pyrzyckiej wody termalnej o temperaturze 61 C, stężenie CO2 w fazie gazowej w zakresie g/m 3 Stężenie CO2 w fazie gazowej Ciśnienie zatłaczane j solanki [bar] = 200 g/m Stężenie CO2 w fazie gazowej 3 = 700 g/m3 Stężenie rozpuszczoneg o CO2 [mg/dm3] Odczyn ph solanki, wyliczony w oparciu o wzór (1) Stężenie rozpuszczoneg o CO2 [mg/dm3] Odczyn ph solanki, wyliczony w oparciu o wzór (1) 1 25,41 6,89 88,93 6, ,46 6,11 533,60 5, ,87 6,05 622,54 5, ,28 5,99 711,47 5, ,69 5,94 800,40 5, ,10 5,89 889,34 5, ,51 5,85 978,27 5, ,92 5, ,20 5, ,33 5, ,14 5, ,73 5, ,07 5, ,14 5, ,00 5, ,55 5, ,94 5,12 Wykorzystując prawo Henryego (3) można obliczyć spodziewane stężenie CO 2 w wodzie termalnej pod różnymi wartościami ciśnienia, dla zadanej temperatury. Następnie w oparciu o wzór (1), określić można przybliżoną wartość odczynu ph dla wody termalnej. Dla przeprowadzenia tych obliczeń niezbędna jest znajomość zawartości CO 2 w gazach otworu geotermalnego. Przyjmując zawartość CO 2 w zakresie od 200 g/m3 do 700 g/m3, zgodnie z wynikami analiz przeprowadzonych przez PG POLGEOL, przeprowadzono symulację na stężenie rozpuszczonego CO 2 i odczyn ph wody termalnej, w zakresie

36 ciśnień od 6 do 16 barów, czyli praktycznym zakresie ciśnień zatłaczania do otworu chłonnego Pyrzyce GT-2. Wyniki takiej symulacji zawiera tabela 3.3. W kolejnym etapie przeprowadzono analizę wpływu zmian odczynu ph, związanych ze zmianami ciśnienia na wartości indeksów nasycenia wytypowanych związków, będących potencjalnym źródłem osadów. Uzyskane wyniki przedstawiono na wykresie prezentowanym na rysunku 3.2. Jak można zaobserwować wraz z obniżaniem się odczynu rośnie rozpuszczalność prawie wszystkich związków. Przy ph na poziomie 5,4 nie należy oczekiwać wytrącania się osadów 4-ech z 5-ciu badanych związków. Wyjątkiem jest jedynie siarczan strontu, którego indeks nasycenia pozostaje stały w szerokim zakresie ph, wskazując na możliwość wytrącania się osadów tej soli, niezależnie od odczynu wody termalnej. Jak przedstawiono w tabeli 3.3 odczyn ph wody termalnej można powiązać z konkretnym ciśnieniem. W świetle zależności indeksów nasycenia od ph, jasnym staje się bezpośredni wpływ zmian ciśnienia wody termalnej na wytrącanie się osadów. Przykładowo rozprężenie wody termalnej od ciśnienia 8 bar do 7 bar powoduje zmianę ph z wartości 5,45 do 5,51. Przy takiej zmianie odczynu indeks nasycenia hematytu wzrośnie powyżej 1 i rozpocznie się proces wytrącania jego osadów. Podobne zakresy ph można określić dla innych związków: dla getytu ph od 5,7 do 5,8, dla dolomitu ph od 5,9 do 6,0 i dla kalcytu ph od 6,0 do 6,1.

37 Rys Wpływ odczynu ph wody termalnej na indeksy nasycenia trudno rozpuszczalnych soli i tlenków W przypadku wahań zawartości dwutlenku węgla w fazie gazowej, zmiany te będą również miały wpływ na stężenie CO 2 rozpuszczonego w wodzie termalnej, a przez to na odczyn ph i rozpuszczalność związków. Przykładowo obniżenie zawartości CO 2 w fazie gazowej z 700 g/m3 do 200 g/m3, przy zachowaniu stałego ciśnienia na poziomie 6 bar, spowoduje wzrost odczynu wody termalnej z ph 5,57 do 6, Wpływ temperatury zatłaczanej wody na wartość indeksów nasycenia Wraz ze zmianami temperatury zmieniają się także parametry termodynamiczne wody termalnej, co ma bezpośredni wpływ na rozpuszczalność związków nieorganicznych. W celu określenia wpływu temperatury na indeksy nasycenia

38 przeprowadzono symulację z użyciem programu PHREEQC Interactive. Wyniki symulacji przedstawiono na rysunku 3.3. Rys Wpływ temperatury wody termalnej na indeksy nasycenia trudno rozpuszczalnych soli i tlenków Generalna tendencja dla soli węglanowych i tlenków żelaza wiąże się ze wzrostem ich rozpuszczalności przy schładzaniu. Wytrącanie osadów kalcytu, dolomitu i getytu powinno ustać poniżej 50 C. Zahamowanie strącania osadów hematytu następuje dopiero po pierwszym stopniu wymiany ciepła, poniżej 35 C. Odmiennie zachowują się natomiast siarczany (baryt i celestyn). Rozpuszczalność tych związków maleje w trakcie schładzania wody termalnej. Dla siarczanu strontu (celestyn) wpływ spadku temperatury jest nieznaczny, natomiast dla siarczanu baru na tyle istotny, że po schłodzeniu wody termalnej poniżej 38 C, może zostać zainicjowany proces wytrącania się osadów tej soli. Ewentualnych osadów siarczanu baru można się więc spodziewać dopiero po drugim stopniu wymiany ciepła. Ze względu jednak na niewielkie stężenie baru w wodzie

39 termalnej (zaledwie 0,27 mg/dm3), zawartość barytu w osadach nie powinna przekraczać 1% Wpływ potencjału redox zatłaczanej wody na wartość indeksów nasycenia Bardzo istotnym elementem mającym wpływ na wytrącanie się związków trudno rozpuszczalnych jest potencjał redox. Pyrzycka woda termalna wykazuje niski potencjał redox, na poziomie -182 mv. W trakcie procesów wydobycia, odzysku ciepła, filtracji, a następnie ponownego zatłaczania, potencjał ten może ulegać znacznym zmianom. Najbardziej prawdopodobne są zmiany potencjału redox pod wpływem wtórnego natlenienia wody termalnej. Niewielkie ilości tlenu mogą przedostawać się do wody termalnej w wyniku eżektorowego podsysania nieszczelności materiałów uszczelniających. Wzrost stężenia tlenu powoduje przesunięcie potencjału redox w kierunku wyższych wartości. W celu określenia wpływu zmian potencjału redox na rozpuszczalność wytypowanych soli i tlenków, wykonano kolejną analizę komputerową. Rysunek 3.4 przedstawia obraz zależności indeksów nasycenia w funkcji potencjału redox. Jak łatwo zauważyć, przesunięcie potencjału redox w kierunku wartości bardziej dodatnich wpływa jedynie na zmianę rozpuszczalności tlenków żelaza getytu i hematytu, nie zmienia natomiast indeksów nasycenia soli węglanowych i siarczanowych. Wzrost potencjału powoduje gwałtowny spadek rozpuszczalności związków żelaza, co można tłumaczyć prawdopodobnym przyspieszeniem reakcji utleniania żelaza II do żelaza III.

40 Rys Wpływ potencjału redox wody termalnej na indeksy nasycenia trudno rozpuszczalnych soli i tlenków. Jak wynika z przeprowadzonej analizy największy udział w kolmatacji złoża wodonośnego wody termalnej (strefy przyotworowej zatłaczającej) mają związki żelaza przede wszystkim hematyt, znacznie mniejsze getyt. Związki innych metali mogą się teoretycznie odkładać jak gibbsyt, celestyn. Udział dolomitu (głównie kalcytu) jest potencjalnie minimalny tym bardziej, że nawet dwukrotne przekroczenie iloczynu rozpuszczalności jest z reguły niewystarczające do wytrącenia się kryształów kalcytu CaCO3. Zatem równowaga: związki Fe CaCO 3 CO2 jest ważna przede wszystkim z punktu widzenia utrzymania związków żelaza w stanie rozpuszczonym jako jony Fe +2. Wszelkie zakłócenia równowagi wody termalnej poprzez zmianę ciśnienia na tłoczeniu powodują zmiany rozpuszczalności CO2 a poprzez to także zmianę odczynu ph. O ile do tego znajdzie się w wodzie termalnej tlen np. wskutek nieszczelności odcinka napowietrznego (przenikanie przez tworzywo sztuczne, zasysanie na dławicach) następuje wytrącanie hematytu Fe2O3 i/lub getytu FeOOH, a w dalszej kolejności dopiero innych związków chemicznych. Zmniejszenie stężenia CO2 w fazie gazowej wskutek rozprężenia wody termalnej powoduje wzrost jej odczynu i w konsekwencji rozpuszczalne sole i tlenki (hematyt, getyt,

41 dolomit, kalcyt) mogą się wytrącać w formie osadu, o ile są spełnione jeszcze inne warunki ich krystalizacji. Niski potencjał redox wody termalnej zostaje zakłócony wskutek wtrącenia tlenu do układu zamkniętego wody termalnej, potencjał redox zaczyna rosnąć. Wzrost potencjału redox powoduje w zależności logarytmicznej wzrost tzw. indeksu nasycenia hematytu i getytu a więc gwałtowny wzrost potencjalnej możliwości wytrącenia tlenku w formie osadu. Ze wzrostem potencjału redox następuje przyspieszenie procesów utleniania żelaza na stopniu utlenienia +2 do stopnia utlenienia +3. W podsumowaniu należy zatem stwierdzić, że niższy odczyn ph i niższy potencjał redox utrudniają krystalizację osadów tlenków: hematytu i getytu. Niższe ph utrudnia także krystalizację soli: dolomitu, kalcytu, celestynu i barytu. Zatem niższy odczyn ph utrudnia kolmatację i sprzyja utrzymaniu otworów w większej sprawności chłonnej.

42 Rozdział 4. ZAŁOŻENIA METODY SUPER MIĘKKIEGO KWASOWANIA 4.1. Koncepcja metody super miękkiego kwasowania Rezultatem wielu lat prac związanych z przeciwdziałaniem skutkom kolmatacji jest opracowanie metody, której celem jest przeprowadzenie działań zmierzających do poprawy chłonności warstwy złożowej poprzez wykonanie zabiegów intensyfikacji i dozowania preparatów kondycjonujących dla geotermalnych otworów chłonnych w Geotermii Pyrzyce. Metoda super miękkiego kwasowania jest modyfikacją znanej i sprawdzonej już na świecie metody miękkiego kwasowania. Modyfikacja polega na ciągłym dozowaniu znacznie niższych niż w tradycyjnym miękkim kwasowaniu dawek kwasu solnego z dodatkiem antyskalanta i/lub dyspergatora do wody termalnej wypływającej z otworu wydobywczego. Celem metody super miękkiego kwasowania jest wyeliminowanie negatywnej działalności wykładnika stężenia jonów wodorowych (ph), jednej z przyczyn powstawania kolmatacji. Węglany preferują środowisko alkaliczne. Stymulacja ph pozwoli uzyskać stan równowagi chemicznej, w której węglan wapnia (CaCO 3), nie będzie strącany. Korzyścią płynącą z zastosowania tej metody będzie nie tylko wyeliminowanie przyczyny kolmatacji węglanowej, ale również pozbycie się dotychczasowych efektów w warstwie wodonośnej poprzez systematyczne rozpuszczanie węglanu wapnia gromadzącego się dotychczas w warstwie złożowej z dala od otworu. W przeciwieństwie do metody miękkiego kwasowania, pompę dozującą ciecz kwasującą zainstalowano tuż za otworem wydobywczym. Dzięki takiemu ustawieniu warunki chemiczne można stymulować już w napowierzchniowym obiegu geotermalnym

43 (rurociągu tłocznym). Przy zastosowaniu tej metody łatwiej jest obserwować zachodzące procesy na hali ciepłowni geotermalnej aniżeli w otworze. Podczas schładzania wody termalnej na wymiennikach ciepła zachodzą w niej reakcje fizykochemiczne, w wyniku których następuje wtórne wytrącanie się związków chemicznych. Kolmatacja otworów chłonnych związana jest z wytrącaniem się związków chemicznych nieorganicznych z wody termalnej tj. trudno rozpuszczalnych soli a także w przypadku jej natlenienia, również tlenków i hydroksytlenków żelaza i manganu. W przypadku naruszenia równowagi oksydacyjno-redukcyjnej roztworu następuje wytrącanie siarczków żelaza, manganu i miedzi. Szczególnie intensywnie występuje kolmatacja w przypadku zatłaczania do złoża, schłodzonej w procesie odbioru ciepła od wody termalnej. To właśnie procesy fizykochemiczne zachodzące w wodzie termalnej, wykorzystanej w procesach energetycznych, są odpowiedzialne za pogarszającą się pracę całego obiegu geotermalnego. Odwrócenie kierunku zachodzenia tych procesów wymaga ingerencji w przemiany równowagowe, zachodzące na granicy faz: ciekłej (woda termalna), gazowej (uwalniane w wyniku rozprężania z fazy ciekłej gazy) i stałej (wytrącające się osady). Niezbędne w tym celu jest poznanie skomplikowanego składu fizykochemicznego wody termalnej, a także równowag kwasowo - zasadowych związanych z krystalizacją węglanu wapnia, siarczanu baru, siarczanu strontu oraz równowag w procesach utleniająco - redukcyjnych, odpowiedzialnych za wytrącanie się tlenków i siarczków żelaza, miedzi i manganu, w filtrach workowych i świecowych oraz w strefie przyodwiertowej. Skutki kolmatacji w instalacjach geotermalnych można ograniczyć bądź wyeliminować poprzez stosowanie odpowiednich metod. Dobór odpowiedniej metody jest jednak na ogół kwestią dość skomplikowaną, przy czym mogą być stosowane metody chemiczne i mechaniczne. Podstawowymi metodami stosowanymi w walce z kolmatacją są: mechaniczne usuwanie wytrąconych osadów, utrzymywanie stałych warunków eksploatacji wód termalnych, prowadzenie eksploatacji w obiegu zamkniętym bez dostępu tlenu, dozowanie niewielkich ilości kwasu solnego dla obniżenia odczynu ph

44 zatłaczanej wody termalnej, stosowanie inhibitorów zapobiegających osadzaniu minerałów wtórnych, kwasowanie otworów chłonnych. Wszystkie metody usuwania skutków kolmatacji zarówno chemiczne jak i mechaniczne są stosunkowo drogie, ze względu na konieczność użycia kosztownego sprzętu (np. urządzenia wiertniczego) bądź dużych ilości kwasu solnego. Zdecydowanie tańszym rozwiązaniem jest zastosowanie metody miękkiego kwasowania, która jest modyfikacją tradycyjnego kwasowania z użyciem urządzenia wiertniczego. Modyfikacja polega na tym, że do otworu chłonnego zatłaczana jest ta sama ilość kwasu solnego co podczas tradycyjnego kwasowania ale w zdecydowanie dłuższym czasie i podczas normalnej pracy ciepłowni geotermalnej. Stosowanie tej metody w Geotermii Pyrzyce w otworach chłonnych Pyrzyce GT-2 i Pyrzyce GT-4 powoduje zmniejszenie się ciśnienia zatłaczania przy jednoczesnym zwiększaniu się wydajności zatłaczania (rys. 2.6, rys. 2.7). Uzyskany efekt jest jednak krótkotrwały i po zakończeniu zabiegu ponownie następuje wzrost ciśnienia zatłaczania przy jednoczesnym spadku wydajności zatłaczania. W wyniku obserwacji i badań prowadzonych nad metodą miękkiego kwasowania stwierdzono, że pozytywny wpływ na eliminację krystalizacji soli związków wapnia, magnezu, żelaza, manganu, miedzi, baru, strontu oraz krzemionki w środowisku wód termalnych ma biodegradowalny dyspergator, o ile obniży się zasadowość mineralną wody termalnej. Obniżenie wartości zasadowości mineralnej a tym samym i ph przesuwa wartości indeksów nasycenia wielu trudno rozpuszczalnych związków poniżej wartości 1, dzięki czemu procesy wytrącania ich osadów nie zachodzą. Opracowany dyspergator w warunkach obniżonej zasadowości mineralnej już w niewielkich ilościach przeciwdziała wzrostowi, łączeniu się i osadzaniu cząstek stałych obecnych w roztworze wodnym, poprzez zmianę ich ładunku elektrycznego w rezultacie, czego cząstki odpychają się i nie podlegają procesowi aglomeracji. Dyspergator umożliwia zachowanie wysokiego stopnia rozdrobnienia (dyspersji) już wytrąconych z roztworu cząstek związków trudno rozpuszczalnych zarówno tych które podlegają równowadze węglanowej jak i tych które

45 nie podlegają jak gips, baryt, celestyn, krzemionka krystaliczna i amorficzna oraz związki fluoru. Dzięki temu nie dochodzi do skupiania się tych cząstek i tworzenia większych struktur, a w efekcie sedymentacji w postaci osadu. Połączenie metody miękkiego kwasowania i wyników prowadzonych badań spowodowało opracowanie nowej metody zapobiegania powstawania kolmatacji chłonnych otworów geotermalnych, którą nazwano metodą super miękkiego kwasowania. Na uwagę zasługuje tutaj fakt, że wszystkie dotychczas stosowane metody usuwają osady, czyli skutki kolmatacji. Metoda super miękkiego kwasowania dotyczy sposobu zapobiegania powstawania mechanizmów kolmatacji geotermalnych otworów chłonnych, poprzez wpływanie na parametry chemiczne wody termalnej, w trakcie normalnej eksploatacji otworów wydobywczego i chłonnego ciepłowni geotermalnej, bez przerywania pracy systemu. Efekt zapobiegawczy uzyskuje się poprzez ciągłe dozowanie tuż przy otworze eksploatacyjnym do obiegu geotermalnego kwasu solnego, odtleniacza oraz biodegradowalnego dyspergatora (rys. 4.1). Nowa metoda zapobiegania powstawania kolmatacji chłonnych otworów geotermalnych umożliwia utrzymanie chłonności otworów chłonnych na stałym poziomie, a tym samym poprawia efektywność pracy ciepłowni geotermalnej. Rys Uproszczony schemat metody super miękkiego kwasowania

46 Istotną cechą odróżniającą metodę super miękkiego kwasowania od innych znanych metod kwasowania jest użyta w procesie dozowania (zatłaczania) ilość kwasu solnego dodawana do wody termalnej. Ilość ta powinna odpowiadać przeliczeniowo maksymalnie 25% zasadowości wody termalnej. Z reguły będzie jeszcze mniejsza co też wynika z przeprowadzonych badań nad uzyskaniem właściwego ph wody termalnej, przy którym jest zahamowane wytrącanie z wody termalnej osadów po uwzględnieniu iloczynów rozpuszczalności związków łatwo krystalizujących, odczynu ph, potencjału redox, temperatury i ciśnienia. Ponieważ niezwykle trudno jest modelować środowisko solanki w laboratorium głownie ze względu na duże zmiany stężenia CO 2 w wodzie termalnej wskutek rozprężenia, ostateczne pomiary ph i potencjału redox zostaną dokonane w instalacji rzeczywistej na podstawie analizy uzyskanych parametrów ruchowych otworu zatłaczającego a przede wszystkim wydajności zatłaczania i chłonności złoża. Dla potwierdzenia skuteczności działania opisanej koncepcji metody super miękkiego kwasowania na obiegu wody termalnej w Geotermii Pyrzyce są obecnie wykonywane badania w ramach unijnego programu LIFE Stanowisko badawcze Instalacja geotermalna w Geotermii Pyrzyce pierwotnie wykonana była z rur wiertniczych stalowych. Po niespełna ośmioletnim okresie eksploatacji zaistniała konieczność ich renowacji ze względu na szybko postępująca korozję punktową. Od 2008 r. rurociągi tłoczne zostały zastąpione rurami HDPE natomiast otwory geotermalne zostały nimi wyłożone.

47 Na głowicach otworów geotermalnych Pyrzyce GT-1, Pyrzyce GT-2 oraz Pyrzyce GT4 są zainstalowane przepływomierze, termometry i manometry rejestrujące parametry przepływającej wody termalnej (rys. 4.2). Wszystkie mierzone wielkości są zapisywane w systemie BMS zainstalowanym na komputerze w sterowni Ciepłowni Geotermalnej. Rejestrowane parametry do sterowni przesyłane są za pomocą przewodów sterowniczych. Rys Widok urządzeń pomiarowych na instalacji geotermalnej W ramach prowadzonych badań nastąpiła rozbudowa systemu pomiarowego o montaż dodatkowych urządzeń pomiarowych na rurociągu w pobliżu głowic trzech otworów Pyrzyce GT-1, Pyrzyce GT-2 oraz Pyrzyce GT-4. W trakcie przepływu solanki w rurociągach w pobliżu wszystkich trzech otworów są obecnie wykonywane dodatkowo pomiary ph, redox i zawartości tlenu w przepływającej wodzie termalnej (rys. 4.3). Sondy do pomiaru wyszczególnionych wielkości są na stałe zamontowane na rurociągach wody termalnej, a wyniki pomiarów są rejestrowane w ustalonych punktach czasowych. Wszystkie mierzone wielkości są wizualizowane i archiwizowane w systemie BMS zainstalowanym na komputerze, zlokalizowanym w sterowni Ciepłowni Geotermalnej.

48 Rys Widok urządzeń do pomiarów odczynu ph, potencjału redox i zawartości tlenu w przepływającej wodzie termalnej Głównym składnikiem cieczy kondycjonującej jest kwas solny, który do instalacji geotermalnej dozowany jest bezpośrednio z paleto-pojemnika (rys. 4.4). Pojemnik z kwasem solnym zlokalizowany jest w innym pomieszczeniu niż głowica otworu wydobywczego. Kwas solny z pojemnika do instalacji geotermalnej dozowany jest za pomocą pompy z regulowaną wydajnością tłoczenia. Wydajność pompy jest sterowana automatycznie w zależności od wydajności wody termalnej płynącej w rurociągu. W związku z tym, że do instalacji geotermalnej nie może dostawać się tlen należy stosować odtleniony kwas solny. Aby wyeliminować jakąkolwiek możliwość dostawania się do instalacji tlenu kolejnym składnikiem cieczy kondycjonującej jest odtleniacz. Jest on dozowany do instalacji tłoczenia wody termalnej w innym miejscu niż kwas solny. Odtleniacz jest dozowany za pomocą oddzielnej pompy z automatycznie regulowaną wydajnością. Ilość dozowanego odtleniacza podobnie jak i ilość kwasu solnego jest uzależniona od aktualnych warunków eksploatacji wody termalnej.

49 Rys Widok instalacji dozującej kwas solny Kolejnym składnikiem cieczy kondycjonującej w metodzie super miękkiego kwasowania jest dyspergator. W tym przypadku jest to związek biodegradowalny, który nie będzie miał wpływu na zanieczyszczenie warstwy złożowej. Do instalacji będzie zatłaczany za pomocą pompy z automatycznie regulowaną wydajnością tłoczenia (rys. 4.5). Dyspergator będzie dozowany do rurociągu z wodą termalną w innym miejscu niż kwas solny i odtleniacz. Rys Widok pompy dozującej dyspergator do instalacji geotermalnej

50 Zgodnie z programem prac zmierzających do poprawy chłonności i zapobiegania kolmatacji warstwy złożowej w otworach chłonnych poprzez wykonanie zabiegów intensyfikacyjnych i dozowania preparatów kondycjonujących w Ciepłowni Geotermalnej Pyrzyce prace związane z testowaniem metody super miękkiego kwasowania rozpoczną się w pierwszej połowie lutego ubiegłego roku. Instalacja super miękkiego kwasowania w sposób schematyczny została przedstawiona na rysunku 4.6. Rys Schemat instalacji zatłaczania preparatów kondycjonujących do rurociągu wody termalnej w zabiegu super miękkiego kwasowania Pierwszy etap prac miał polegać na ustabilizowaniu pracy instalacji geotermalnej, a więc na dobraniu takiej wydajności eksploatacyjnej, przy której ciśnienie zatłaczania nie będzie miało tendencji do wzrostu. Na podstawie obserwacji dotychczasowej pracy instalacji geotermalnej można stwierdzić, że stabilność ciśnienia zatłaczania będzie można uzyskać przy wydajności około 100 m 3/h. W około 3 - tygodniowym okresie stabilizacji

51 pracy instalacji geotermalnej przez cały czas miało być dozowane 80 ml kwasu solnego na każdy 1 m3 przepływającej w rurociągu wody termalnej. Głównymi składnikami cieczy kondycjonującej są: kwas solny, odtleniacz i dyspergator. Dobór proporcji składników odbywa się na bieżąco w trakcie przedmiotowych testów metody super miękkiego kwasowania, a jego realizacja odbywa się według czterech wariantów: wykonanie badań w ruch ciągłym całego obiegu geotermalnego, gdzie do wody termalnej dodawany będzie tylko czysty kwas solny, wykonanie badań w ruch ciągłym całego obiegu geotermalnego, gdzie do wody termalnej dodawany będzie odtleniony kwas solny, wykonanie badań w ruch ciągłym gdzie do wody termalnej dozowany będzie kwas solny z dyspergatorem, wykonanie badań w ruch ciągłym gdzie do wody termalnej dozowany będzie odtleniony kwas solny z dyspergatorem. Cały okres doboru odpowiedniej dawki kwasu solnego będzie prowadzony ze stałą wydajnością eksploatacyjną, którą roboczo określono na poziomie 100 m 3/h. W przypadku kiedy przy stałej wydajności eksploatacyjnej mimo dozowania składników kondycjonujących ciśnienie zatłaczania będzie wzrastało to po zakończeniu cyklu w obydwóch otworach chłonnych należy przeprowadzić zabieg miękkiego kwasowania. W tym etapie prac przewidziano 2-miesięczne cykle obserwacji pracy instalacji geotermalnej. Zastosowanie chemicznego czyszczenia otworów chłonnych metodą super miękkiego kwasowania ma na celu utrzymanie jednakowego stanu technicznego warstwy złożowej dla wszystkich wariantów badań.

52 4.3. Zakres planowanych pomiarów i badań laboratoryjnych W ramach prowadzonych prac związanych z metodą super miękkiego kwasowania prowadzone będą pomiary oraz badania laboratoryjne. Część pomiarów będzie realizowana automatycznie przy pomocy urządzeń zainstalowanych bezpośrednio na instalacji geotermalnej. Parametry mierzone i archiwizowane w sposób ciągły przedstawiają się następująco: wydajność, temperatura i ciśnienie eksploatacyjne mierzone na głowicy otworu wydobywczego Pyrzyce GT-1, wydajność, temperatura i ciśnienie zatłaczania mierzone na głowicach otworów Pyrzyce GT-2 i Pyrzyce GT-4, odczyn ph i potencjał redox wody termalnej mierzone w pobliżu otworów Pyrzyce GT-1, Pyrzyce GT-2, Pyrzyce GT-4, tlen rozpuszczony w wodzie termalnej mierzony w pobliżu otworów Pyrzyce GT-1 i Pyrzyce GT-2. Dla poszczególnych wariantów testowych metody super miękkiego kwasowania zaplanowano pobór próbek do badań laboratoryjnych. W tym przypadku zaplanowano pobór następujących prób: wody termalnej na głowicy otworu Pyrzyce GT-1 i Pyrzyce GT-2, gazu z wody termalnej na głowicy otworu Pyrzyce GT-1 i Pyrzyce GT-2, pobór próbki osadu z filtrów workowych zlokalizowanych na hali ciepłowni i z filtrów świecowych zlokalizowanych przy otworze Pyrzyce GT-2.

53 W ramach badań laboratoryjnych zaplanowano wykonanie analizy ilościowej i jakościowej pobranych próbek osadu z filtrów workowych i świecowych. Próbki wody termalnej i gazu zostaną poddane analizie fizyko-chemicznej. Założono, że podczas prowadzenia testów metody super miękkiego kwasowania można wymieniać wkłady workowe i świecowe tylko w jednej kolumny tej, która będzie kolumną pomiarową. Należy przy tym zadbać, aby przez cały okres badań przez kolumnę pomiarową przepływała taka sama ilość wody termalnej. Rozdział 5. DEMONSTRACJA METODY SUPER MIĘKKIEGO KWASOWANIA NA INSTALACJI GEOTERMALNEJ W PYRZYCACH 5.1. Dozowanie cieczy kondycjonującej Prace związane z demonstracją metody super miękkiego kwasowania zostały rozpoczęte z początkiem lutego 2013 r. W dniach lutego została wykonana instalacja super miękkiego kwasowania polegająca głównie na montażu urządzeń dozujących preparatu kondycjonujące wodę termalną oraz montażu instalacji pomiarowej. Stanowisko dozowania kwasu solnego zostało zorganizowane w oddzielnej wiacie zlokalizowanej w bezpośrednim sąsiedztwie otworu wydobywczego Pyrzyce GT-1. W zamykanej wiacie zostały ustawione dwa paleto-pojemniki z kwasem solnym po 1000 litrów każdy z nich. Kwas solny bezpośrednio do instalacji geotermalnej dozowany jest za

54 pomocą pompki, która umieszczona jest w wiacie bezpośrednio nad pojemnikami. Kwas do instalacji geotermalnej dozowany jest w pobliżu głowicy eksploatacyjnej zamontowanej na otworze wydobywczym Pyrzyce GT-1. Dozowanie dyspergatora było wykonywane bezpośrednio z pomieszczenia osłaniającego otwór wydobywczy. Stanowisko do dozowania odtleniacza zostało zorganizowane na hali ciepłowni geotermalnej. Obydwa preparaty były dozowane bezpośrednio do rurociągu wody termalnej. Oddzielne punkty ich dozowania wynikały z konieczności zapewnienia optymalnej pracy instalacji geotermalnej. Zarówno przy otworze wydobywczym Pyrzyce GT-1 jak i przy otworze chłonnym Pyrzyce GT-4 zostały zamontowane urządzenia pomiarowe do rejestrujące odczyn ph wody termalnej, jej potencjał redox oraz procentową zawartość tlenu. Przy otworze chłonnym Pyrzyce GT-2 rejestrowane są tylko wartości odczynu ph i potencjału redox. W dniu 8 lutego 2013 r. specjalistyczna firma przeprowadziła kalibrację sond pomiarowych odczynu ph, potencjału redox i zawartości tlenu w wodzie termalnej. Kalibracja została wykonana na wszystkich trzech punktach pomiarowych. Super miękkie kwasowanie zostało uruchomione w dniu 9 lutego 3013 r. poprzez włączenie dozowania kwasu solnego z wydajnością 80 ml na każdy wydobyty m 3 wody termalnej. Testowanie bez większych przeszkód odbywało się do 20 lutego, kiedy to nastąpiła awaria uniemożliwiająca dalsze stabilne wydobywanie wody termalnej. Awaria została wywołana przerwaniem ciągłości przewodu wydobywczego tuż nad miejscem zawieszenia pompy głębinowej. Już w pierwszym okresie demonstracji nowatorskiej technologii poprawy chłonności warstwy złożowej wód geotermalnych można zauważyć stabilizację pracy otworów chłonnych. Dla przykładu na rysunku 5.1 przedstawiono fragment wykresu ciśnienia i wydajności zatłaczania wody termalnej za pomocą otworu Pyrzyce GT-4.

55 Rys Eksploatacja otworu chłonnego Pyrzyce GT-4 w lutym 2013 r. Na początku marca 2013 roku przystąpiono do prac zmierzających do usunięcia awarii. Ponowne uruchomienie demonstracji nowatorskiej technologii poprawy chłonności warstwy złożowej wód geotermalnych nastąpiło 21 kwietnia 2013 r. W tym dniu uruchomiono instalację metody super miękkiego kwasowania z wydajnością 80 ml kwasu solnego na każdy m3 wydobytej solanki. Za pomocą otworu chłonnego Pyrzyce GT-2 zatłaczano 37 m3/h schłodzonej wody termalnej przy ciśnieniu 10,7 bar. W tym okresie zdecydowanie lepiej pracuje otwór chłonny Pyrzyce GT-4 przyjmując około 53 m 3/h schłodzonej wody termalnej przy ciśnieniu około 10,4 bar (rys. 5.2).

56 Rys Eksploatacja otworu chłonnego Pyrzyce GT-4 w kwietniu 2013 r. Ponieważ otwory geotermalne przez dość długi okres czasu były nieużywane i mogły powstać w nich dodatkowe osady w dniach kwietnia na otworach chłonnych przeprowadzono zabiegi miękkiego kwasowania. Celem tych zabiegów jest rozpuszczenie nagromadzonych osadów i oczyszczenie strefy przyodwiertowej. Na drugi dzień po uruchomieniu instalacji geotermalnej konieczna okazała się wymiana filtrów workowych na hali ciepłowni. Filtry te oczyszczają wodę bezpośrednio po jej wydobyciu z otworu. Przyczyną takiego stanu może być zbyt gwałtowne uruchomienie systemu. Po jakim czasie woda powinna się sama oczyścić i nie powinno być dalszych problemów z koniecznością częstej wymiany filtrów workowych. Zgodnie z harmonogramem demonstracji nowatorskiej technologii poprawy chłonności warstwy złożowej wód geotermalnych w dniu 1 maja 2013 r. nastąpiła zmiana stężenia cieczy kondycjonującej. Od tego czasu kwas solny był dozowany w ilości 90 ml na każdy 1 m3 wydobytej wody termalnej. Kontynuacja takiej dawki nastąpiła również w miesiącu czerwcu. W dalszym ciągu z otworu wydobywczego wypływa woda z zanieczyszczeniami co obserwuje się po częstości wymiany filtrów workowych. W czerwcu

57 wykonano dwukrotną wymianę filtrów workowych. Zabrudzenia te nie mają większego wpływu na demonstrację nowatorskiej technologii poprawy chłonności warstwy złożowej wód geotermalnych. Jak widać na wykresie ciśnienia i wydajności zatłaczania wody termalnej otworem Pyrzyce GT-2 prac ciepłowni jest ustabilizowana i nie ma większych przerw w eksploatacji (rys. 5.3). Dwie krótkie przerwy w eksploatacji wynikają z zaniku dostaw energii elektrycznej do napędu pompy głębinowej. W celu oczyszczenia otworów chłonnych z naniesionych osadów w czerwcu trzykrotnie wykonano zabiegi miękkiego kwasowania. Rys Eksploatacja otworu chłonnego Pyrzyce GT-2 w czerwcu 2013 r. W lipcu 2013 r. nastąpiła kolejna zmiana stężenia cieci kondycjonującej, która stosowana była również w sierpniu. W tym okresie ciecz kondycjonująca maiła stężenie 100 ml kwasu solnego na każdy wydobyty m 3 wody termalnej (rys. 5.4). W tym okresie (lipiec - sierpień) nastąpiła siedmiokrotna wymiana filtrów workowych i tylko jedna wymiana filtrów świecowych zlokalizowanych przy otworach chłonnych Pyrzyce GT-2 i Pyrzyce GT-4. Taka sytuacja może świadczyć o nieprawidłowej pracy otworu wydobywczego Pyrzyce GT-1.

58 W sierpniu występowały również dość częste awarie sieci elektroenergetycznej, które wymagały częstych rozruchów otworu wydobywczego. Być może zwiększona konieczność wymiany filtrów workowych wywołana była tym zjawiskiem. Rys Eksploatacja otworu chłonnego Pyrzyce GT-2 w sierpniu 2013 r. Kolejny okres demonstracji nowatorskiej technologii poprawy chłonności warstwy złożowej wód geotermalnych trwał od września do października 2013 r. W tym okresie ciecz kondycjonująca miała stężenie 110 ml przeliczone na każdy 1 m 3 wydobytej wody termalnej. Testowane stężenie pozwoliło na ustabilizowanie wydajności na stałym poziomie przy mniej więcej tym samym ciśnieniu (rys. 5.5). W okresie września i października ani razu nie było konieczności wykonywania miękkiego kwasowania. Okres ten podobnie jak i poprzednie okresy charakteryzował się zwiększona częstotliwością wymiany filtrów workowych. W okresie tym geotermia nie ustrzegła się również od kilku przerw w dostawie energii elektrycznej. Mimo wszystko założenia demonstracji są cały czas spełnione ponieważ ciśnienie i wydajność zatłaczania

59 utrzymywane są na zbliżonym poziomie. Jednocześnie wyeliminowane są przerwy spowodowane koniecznością wyłączenia instalacji geotermalnej wywoływane nagłym wzrostem ciśnienia zatłaczania. Rys Eksploatacja otworu chłonnego Pyrzyce GT-2 w październiku 2013 r. Zgodnie z harmonogramem demonstracji nowatorskiej technologii poprawy chłonności warstwy złożowej wód geotermalnych w listopadzie zwiększono stężenie kwasu solnego w cieczy kondycjonującej do 120 ml przeliczone na każdy wydobyty m 3 wody termalnej. Okres ten trwał do końca grudnia 2013 roku. W tym czasie w dalszym ciągu zachowano stałość ciśnienia i wydajności zatłaczania wody termalnej (rys. 5.6).

60 Rys Eksploatacja otworu chłonnego Pyrzyce GT-2 w listopadzie 2013 r. W miesiącach styczniu i lutym demonstracja nowatorskiej technologii poprawy chłonności warstwy złożowej wód geotermalnych prowadzona była przy 120 ml stężeniu kwasu solnego. Do cieczy kwasującej wprowadzono kolejny składnik, którym był biodegradowalny odtleniacz, który w styczniu był dodawany w ilości 10 ml w przeliczeniu na każdy wydobyty m3 wody termalnej (rys. 5.7). Dodanie odtleniacza pozwoliło na dalsze ustabilizowanie pracy instalacji geotermalnej. Zwiększenie stężenia odtleniacza do 20 ml w miesiącu lutym nie miało żadnego wpływu na ciśnienie i wydajność zatłaczania.

61 Rys Eksploatacja otworu chłonnego Pyrzyce GT-2 w styczniu 2014 r. Niewielki wzrost ciśnienia zatłaczania może wynikać z eksploatacji zanieczyszczonej wody termalnej. Nie wszystkie zanieczyszczenia udaje się wychwycić na filtrach workowych i świecowych. Zwłaszcza, że w dalszym ciągu obserwuje się zwiększoną częstotliwość wymiany filtrów workowych. Zmniejszenie ciśnienia zatłaczania przed dalszymi etapami demonstracji uzyskano poprzez zastosowanie miękkiego kwasowania. Obniżenie ciśnienia jest niewielkie rzędu 1bar i w związku z tym nadal można mówić o ustabilizowanej pracy instalacji geotermalnej. Dalszy etap demonstracji nowatorskiej technologii poprawy chłonności warstwy złożowej wód geotermalnych przewidywał wyłączenie dawkowania odtleniacza i uruchomienie dozowania biodegradowalnego dyspergatora. W marcu 2014 roku do instalacji geotermalnej wtłaczano 2 ml dyspergatora w przeliczeniu na m 3 wydobywanej wody termalnej (rys. 5.8). W kwietniu dawka dyspergatora została zwiększona do 4 ml na m3 wydobytej wody termalnej. Podczas stosowana dyspergatora na podstawie obserwacji parametrów pracy instalacji geotermalnej stwierdzono jego neutralny wpływ na poprawę chłonności warstwy złożowej. zauważono natomiast, że zarówno ciśnienie jak i wydajność

62 zatłaczania utrzymują się na podobnych poziomach, która są utrzymywane przez cały okres demonstracji. Rys Eksploatacja otworu chłonnego Pyrzyce GT-2 w marcu 2014 r. Ostatni wariant demonstracji przewidywał jednoczesne dozowanie do instalacji geotermalnej wszystkich składników cieczy kondycjonującej. W okresie maja i czerwca 2014 roku do instalacji dozowano kwas solny w ilości 120 ml przy zmiennych stężeniach odtleniacza i dyspergatora. W maju dozowano 10 ml odtleniacza i 2 ml dyspergatora w przeliczeniu na każdy wydobyty m3 wody termalnej. W czerwcu dozowano 20 ml odtleniacza i 4 ml dyspergatora w przeliczeniu na każdy wydobyty m 3 wody termalnej (rys. 5.9).

63 Rys Eksploatacja otworu chłonnego Pyrzyce GT-2 w czerwcu 2014 r Ocena wpływu metody super miękkiego kwasowania na pracę instalacji geotermalnej w Pyrzycach Rezultatem wielu lat prac związanych z przeciwdziałaniem skutkom kolmatacji jest opracowanie metody, której celem jest przeprowadzenie działań zmierzających do poprawy chłonności warstwy złożowej poprzez wykonanie zabiegów intensyfikacji i dozowania preparatów kondycjonujących dla geotermalnych otworów chłonnych w Geotermii Pyrzyce. Zgodnie z założeniami projektu demonstracji nowatorskiej technologii poprawy chłonności warstwy złożowej wód geotermalnych cel ten powinien zostać osiągnięty w wyniku zastosowania metody miękkiego kwasowania i metody super miękkiego kwasowania. Nowa metoda zapobiegania powstawania kolmatacji chłonnych otworów geotermalnych umożliwia utrzymanie chłonności otworów chłonnych na stałym poziomie, a tym samym poprawia efektywność pracy ciepłowni geotermalnej. Dla

64 przykładu na rysunkach 5.10 i 5.11 zaprezentowano wykresy ciśnienia i wydajności zatłaczania wody termalnej w czerwcu i lipcu 2010 r., czyli z okresu zanim została zastosowana metoda super miękkiego kwasowania. W tym okresie instalacja geotermalna pracowała z bardzo częstymi i długimi przerwami spowodowanymi licznymi wyłączeniami. Rys Wykres pracy otworu chłonnego Pyrzyce GT-2 w czerwcu 2010 r.

65 Rys Wykres pracy otworu chłonnego Pyrzyce GT-2 w lipcu 2010 r. Aby przedstawić efekt zastosowania metody super miękkiego kwasowania na rysunkach 5.12 i 5.13 zaprezentowano wykresy ciśnienia i wydajności zatłaczania wody termalnej za pomocą otworu Pyrzyce GT-2 w czerwcu 2013 r. W wyniku demonstracji nowatorskiej technologii poprawy chłonności warstwy złożowej wód geotermalnych ustabilizowano ciśnienie zatłaczania i wydajność zatłaczania schłodzonych wód termalnych. Wyeliminowano liczne i długotrwałe wyłączenia instalacji geotermalnej spowodowane nagłymi wzrostami ciśnienia.

66 Rys Wykres pracy otworu chłonnego Pyrzyce GT-2 w czerwcu 2013 r. Rys Wykres pracy otworu chłonnego Pyrzyce GT-2 w lipcu 2013 r. Efekt prac związany z demonstracją nowatorskiej technologii poprawy chłonności warstwy złożowej wód geotermalnych został przedstawiony również na rysunku zestawiono tutaj ilości godzin w ciągu poszczególnych lat, w których nie pracowała instalacja geotermalna. Najwięcej przerw w pracy poszczególnych otworów chłonnych

67 było w latach W tym okresie miały miejsce czyszczenia mechaniczno chemiczne otworów oraz zabiegi wyłożenia otworów rurami HDPE. Rys Zestawienie przerw w pracy instalacji geotermalnej w ciągu ostatnich lat Wyłożenie otworów geotermalnych oraz rurociągów rurami HDPE spowodowało ograniczenie korozji rur stalowych. Dzięki temu w kolejnych latach zanotowano zdecydowanie mniej przestojów związanych z naprawą wycieków wody termalnej. Dalsze zmniejszenie ilości przestojów zanotowano w okresie demonstracji nowatorskiej technologii poprawy chłonności warstwy złożowej wód geotermalnych, czyli w latach Prace związane z demonstracją nowatorskiej technologii poprawy chłonności warstwy złożowej wód geotermalnych mają również pozytywny wpływ na zwiększenie produkcji ciepła z odnawialnego źródła energii jakim jest geotermia. W wyniku ustabilizowania pracy instalacji geotermalnej oraz wyeliminowania jej przestojów w ostatnich dwóch latach uzyskano zdecydowane zwiększenie pozyskiwania ciepła

68 geotermalnego, szczególnie w okresie sezonu grzewczego (rys. 5.15). Zwiększenie pozyskiwania ciepła od wód termalnych sprzyja zmniejszonemu wykorzystywaniu gazu ziemnego. Mniejsze ilości spalanego paliwa kopalnego niewątpliwie sprzyjają ochronie środowiska naturalnego. Rys Sprzedaż ciepła geotermalnego w okresie W wyniku prowadzonej demonstracji uzyskano stabilizację pracy instalacji geotermalnej, co przełożyło się na zmniejszenie emisji do atmosfery gazów cieplarnianych. Przystępując do testowania technologii super miękkiego kwasowania przyjęto dwa parametry określające skuteczność metody. Oszczędność w zużyciu gazu w ilości m³ w skali roku oraz ograniczenie emisji dwutlenku węgla w ilości 500 Mg. Analizując przedstawione w tabeli 5.1 dane należy uwzględnić dwa czynniki, które mają duży wpływ na osiągnięte wyniki. Pierwszym czynnikiem jest awaria pompy głębinowej, która trwała przez dłuży okres czasu i zwiększyła zużycie gazu w pierwszym okresie o m³. Drugim są znacznie wyższe średnie temperatury całego okresu grzewczego co obrazuje znaczny spadek zużycia gazu o m³.