W³adys³aw Duliñski*, Czes³awa Ewa Ropa*

WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 5 ZESZYT 008 W³adys³aw Duliñski*, Czes³awa Ewa Ropa* ANALIZA I USTALENIE PARAMETRÓW EKSPLOATACYJNYCH DLA ODWIERTÓW WÓD MINERALNYCH W ZALE NOŒCI OD WIELKOŒCI WYK ADNIKA GAZOWEGO 1. WSTÊP Wody mineralne nagazowane dwutlenkiem wêgla, ujmowane otworami, charakteryzuj¹ siê bardzo du ym zró nicowaniem w zakresie mineralizacji, wydajnoœci wody i gazu oraz warunków energetycznych. W zwi¹zku z powy szym ka dy obiekt nale y traktowaæ indywidualnie w aspekcie mo liwoœci eksploatacyjnych oraz przeznaczenia wody i ewentualnego wykorzystania wydobywanego wraz z wod¹ dwutlenku wêgla [1]. O mo liwoœci wydobycia samoczynnego z danego odwiertu decyduje g³ównie wielkoœæ wyk³adnika gazowego i poziom dynamiczny wody w odwiercie. Poniewa proces wydobycia wody i gazu zaczyna siê ju w z³o u istotnym jest, czy przez oœrodek porowaty przep³ywa p³yn nieœciœliwy, czy te ciecz i gaz. W odwiertach o ma³ych i œrednich wyk³adnikach gazowych, do których nale y rozpatrywany odwiert X, ciœnienie nasycenia posiada ma³¹ wartoœæ, zwykle mniejsz¹ od ciœnienia z³o owego. W takim przypadku mamy do czynienia z przep³ywem, zarówno w z³o u, jak i dop³ywem do odwiertu, p³ynu nieœciœliwego.. CHARAKTERYSTYKA EKSPLOATACYJNA ODWIERTU X Z WOD MINERALN Przyk³adowy otwór X, o œrednim wyk³adniku gazowym, posiada g³êbokoœæ 15 m, w którym maksymalne ciœnienie g³owicowe statyczne wynosi P gs = 3,7 bara. Poziom wody w odwiercie w czasie próbnych pompowañ, przy wydobyciu,4 m 3 /h wody, wynosi³ 16,0 m od g³owicy odwiertu. Wodê z odwiertu scharakteryzowano jako 0,38% szczawê wodorowêglanowo-wapniowo-magnezowo- elazist¹. Wraz z wod¹ mineraln¹ wydobywany jest dwutlenek wêgla * Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, Kraków 43

rozpuszczony w wodzie w iloœci,350 g/dm 3 przy temperaturze wody +10 o C oraz dwutlenek wêgla okreœlony wyk³adnikiem gazowym WG = 4,6 4,8 m 3 n/m 3..1. Okreœlenie ciœnienia nasycenia Dla wyznaczenia ciœnienia nasycenia w odwiercie konieczne jest przeprowadzenie podstawowych pomiarów hydrodynamicznych, a w szczególnoœci pomiaru iloœci wydobywanej wody i gazu, statycznego i dynamicznego poziomu wody w odwiercie, statycznego i dynamicznego ciœnienia g³owicowego, temperatury wody i gazu oraz pomiaru zawartoœci rozpuszczonego w wodzie dwutlenku wêgla. W odwiertach o ma³ych wyk³adnikach gazowych celowe jest zainstalowanie przewodu gazowego, równolegle z przewodem wydobywczym, u³atwiaj¹cego uruchomienie eksploatacji. Przyjmuj¹c wielkoœæ wyk³adnika gazowego WG = 4,8 m 3 n/m 3 oraz iloœæ rozpuszczonego w wodzie CO, przy temperaturze +10 o C i ciœnieniu atmosferycznym, równ¹,350 g/dm 3, obliczono sumaryczn¹ iloœæ dwutlenku wêgla wydobywanego wraz z wod¹ z odwiertu X: a = a 1 + a (1) a sumaryczna iloœæ CO, g/dm 3, a 1 iloœæ rozpuszczonego w wodzie CO, g/dm 3, a iloœæ CO w stanie wolnym, g/dm 3. Wartoœæ a obliczono mno ¹c wyk³adnik gazowy przez gêstoœæ dwutlenku wêgla w warunkach normalnych ρ = 1,976 g/dm 3 n. Zatem sumaryczna iloœæ CO wydobywanego z omawianego odwiertu X wynosi a = 11,83 g/dm 3. Korzystaj¹c nastêpnie z wykresu zale noœci rozpuszczalnoœci CO w wodzie od ciœnienia i temperatury, odczytano wartoœæ ciœnienia nasycenia P ns = 5,13 bara [4]... Obliczenie ciœnienia dennego ruchowego Ciœnienie denne ruchowe dla zadanej wydajnoœci równej,4 m 3 /h i depresji 16,0 m oraz ciœnieniu g³owicowym w przestrzeni pierœcieniowej odwiertu P gr = 3,7 bara obliczono z zale noœci [7]: P dr P gr P dr = P gr + γ w H 1 + γ g H () ciœnienie denne ruchowe, Pa, ciœnienie g³owicowe ruchowe, Pa, H 1 wysokoœæ s³upa wody w odwiercie, m, H wysokoœæ s³upa gazu w odwiercie, m, γ w ciê ar w³aœciwy wody, N/m 3, γ g ciê ar w³aœciwy gazu, N/m 3. Obliczone za pomoc¹ równania () ciœnienie denne ruchowe wynosi P dr = 17,35 bara, zatem jest znacznie wiêksze od ciœnienia nasycenia (P ns = 5,13 bara), co dowodzi, e do odwiertu ze z³o a dop³ywa p³yn nieœciœliwy. 44

.3. Obliczenie spadku ciœnienia w z³o u Spadek ciœnienia z³o owego w strefie przyodwiertowej na dop³ywie do odwiertu obliczono z równania: P z³ Q w Qw μ B re Pzl Pw = ln 3/ 4 + S π k h rw ciœnienie z³o owe, Pa, ciœnienie wyp³ywu do odwiertu, Pa, dop³yw wody do odwiertu, m 3 /s, μ lepkoœæ dynamiczna wody, Pa s, k przepuszczalnoœæ z³o a, m, h mi¹ szoœæ z³o a, m, β wspó³czynnik objêtoœciowy, bez wym., r e promieñ zasiêgu odwiertu, m, r w promieñ odwiertu, m, S skin efekt, bez wym. (przy braku uszkodzenia strefy przyodwiertowej mo na przyj¹æ S = 0). Obliczenia przeprowadzono dla nastêpuj¹cych danych: P z³ =14,4 bara, Q w = 1; ; 3 m 3 /h, μ = 0,001194 Pa s, B = 1, k = 50 10 15 ; 75 10 15 ; 100 10 15 m, h = 58 m, r e = 34 m, r w = 0,15 m, S = 0. Wyniki obliczeñ zestawiono w tabeli 1. Z zestawienia danych wynika, e najwiêkszy spadek ciœnienia w strefie przyodwiertowej wynosi 3,098 bara dla przepuszczalnoœci z³o a k = 50 10 15 m i wydajnoœci odwiertu Q w = 3,0 m 3 /h. W przypadku mniejszych wydatków i wiêkszych przepuszczalnoœci spadki te s¹ mniejsze. Ogólnie, nie s¹ to spadki decyduj¹ce o warunkach eksploatacji odwiertu o ma³ym lub œrednim wyk³adniku gazowym Tabela 1 Zestawienie wyników obliczeñ spadków ciœnienia w strefie przyodwiertowej (3) Q w P z³ P z³ P z³ [m 3 /h] [bar] [bar] [bar] [bar] [bar] [bar] k = 50 10 15 m k = 75 10 15 m k = 100 10 15 m 1 1,033 13,367 0,688 13,71 0,516 13,884,065 1,335 1,377 13,03 1,033 13,367 3 3,098 11,30,065 1,335 1,549 1,851 Dla odwiertów o wysokich wyk³adnikach gazowych, przy du ych spadkach ciœnienia w strefie przyodwiertowej, ciœnienie wyp³ywu odgrywa istotn¹ rolê, gdy stanowi podstawê do obliczeñ spadku ciœnienia w przewodzie wydobywczym ( = P 1 w równaniu (4) na obliczenie wysokoœci podnoszenia mieszaniny wodno-gazowej). 45

3. OKREŒLENIE WYSOKOŒCI PODNOSZENIA MIESZANINY WODNO-GAZOWEJ W PRZEWODZIE WYDOBYWCZYM Z uwagi na uci¹ liwoœæ prac pomiarowych, dla doboru œrednicy rur wydobywczych przy zastosowaniu przynajmniej trzech przewodów o ró nych œrednicach, przeprowadzono obliczenia teoretyczne wed³ug równania (4), których wyniki zestawiono w tabeli. 1 P 0, 087λQ H = P P α P P +αp ( ) ( ) 1 m 1 b 1 b nsln γ 5 w Pb Dwγ w w 1 3 3 1 1 1 1 P 3 α Pns + 3α P ( 1 ) 3 ( 1 ) ln ( 1 ) ( 1 ) ns α + αpns α + α P Pb P b P 1 Pb P1 Pb (4) w srα ns ( 1 ) ( ) ns 4 w 0,785D w P α P1 + Pnsα Q + ln ( P1 Pb ) wα P Qwγw( 1 α) 1 α 1 α Pb + Pnsα 48,36D + αpns Pns P1 H m wysokoœæ podnoszenia mieszaniny wodno-gazowej w rurach wydobywczych, m, P 1 ciœnienie w rozpatrywanym przekroju rury wydobywczej, MPa, P ns ciœnienie nasycenia, MPa, P b ciœnienie barometryczne, MPa, γ w ciê ar w³aœciwy wody, MN/m 3, α wspó³czynnik absorpcji Bunsena dla CO w wodzie, m 3 n /m 3, λ liczba oporu przep³ywu w rurze wydobywczej, bez wym., Q w objêtoœciowy wydatek wody, m 3 /s, D w wewnêtrzna œrednica rury wydobywczej, m, w sr œrednia prêdkoœæ wzglêdna gazu, m/s. Obliczenia przeprowadzono dla danych: P 1 = 0,98 bara; P ns = 5,13 bara; P b = 0,96 bara; γ w = 0,01 MN/m 3 ; α = 1,38 m n 3 /m 3 przy temperaturze +10 o C; Q w = 1; ; 3 m 3 /h; D w = 0,05; 0,03; 0,040 m, wartoœci w sr oraz λ dla zadanych wydatków i œrednic rur wydobywczych zestawiono w tabeli 3. Liczbê oporu przep³ywu λ oraz œredni¹ prêdkoœæ przep³ywu mieszaniny wodno-gazowej w œr obliczono dla warunków przep³ywu p³ynu w przewodzie wydobywczym na odcinku poziom ciœnienia nasycenia separator [, 3 ]. Na podstawie analizy danych z obliczeñ zestawionych w tabeli wynika, e do ci¹g³ej eksploatacji samoczynnej w rozpatrywanym obiekcie nale y zastosowaæ przewód wydobywczy polietylenowy o œrednicy wewnêtrznej D w = 40 mm. Przy mniejszych œrednicach przewodu wydobywczego drugi cz³on równania (4), wyra aj¹cy opory przep³ywu, posiada zbyt du ¹ wartoœæ. 46

Tabela Wyniki obliczeñ wysokoœci podnoszenia mieszaniny wodno-gazowej w rurach wydobywczych odwiertu X o œrednim wyk³adniku gazowym Q [m 3 /h] 1,0,0 3,0 D [m] H [m] 0,05 6,7 31,7 145 0,03 35 38,4 1. 0,040 9,3 58,1 54,5 Tabela 3 Obliczone wartoœci w sr oraz λ dla zadanych wydatków i œrednic rur wydobywczych w odwiercie X D [m] 0,05 0,03 0,040 Q w [m 3 /h] 1,0,0 3,0 1,0,0 3,0 1,0,0 3,0 w œ r [m/s],15,43 3,84 1,14 1,48 1,83 0,84 0,94 1,17 λ [ ] 0,055 0,051 0,037 0,06 0,053 0,045 0,063 0,057 0,048 4. USTALENIE G ÊBOKOŒCI ZAPUSZCZENIA LEJA PRODUKCYJNEGO W przypadku wydobycia samoczynnego, przy wykorzystaniu energii rozprê aj¹cego siê gazu w wodzie, lej produkcyjny winien byæ zapuszczony do g³êbokoœci ponad panuj¹cym ciœnieniem nasycenia, jednak nie g³êbiej, ni zaczyna siê perforacja rur. Dla rozpatrywanego odwiertu przy wydajnoœci Q w =,4 m 3 /h wody, depresji 16,0 m i za³o eniu, e ciœnienie g³owicowe ruchowe w przestrzeni pierœcieniowej odwiertu równe jest ciœnieniu atmosferycznemu, przewód wydobywczy winien byæ zapuszczony do g³êbokoœci oko³o 60 m od g³owicy odwiertu. Dok³adne wyznaczenie g³êbokoœci zapuszczenia leja pod poziom dynamiczny wody w odwiercie wymaga znajomoœci wymienionego wy ej ciœnienia w przestrzeni miêdzyrurowej oraz obliczenia œredniego ciê aru w³aœciwego mieszaniny wodno-gazowej w przedziale poziom ciœnienia nasycenia poziom dynamiczny wody w odwiercie. W praktyce, dla wstêpnej oceny mo liwoœci uzyskania z danego odwiertu eksploatacji samoczynnej wody nagazowanej dwutlenkiem wêgla, przy okreœlonym wstêpnie wyk³adniku gazowym i znanej ró nicy ciœnieñ miêdzy ciœnieniem nasycenia a ciœnieniem na wyp³ywie oraz œrednim ciê arem w³aœciwym mieszaniny wodno-gazowej, wysokoœæ podnoszenia oblicza siê ze wzoru [5, 6]: Pns Pw Hm = γmœ (5) 47

H m wysokoœæ podnoszenia bez uwzglêdnienia oporów przep³ywu, m, P ns ciœnienie nasycenia ustalone dla warunków ruchowych, Pa, ciœnienie na wyp³ywie (w separatorze), Pa, γ mœ œredni ciê ar w³aœciwy mieszaniny wodno-gazowej w rurach wydobywczych, N/m 3. Jak zaznaczono wy ej, obliczona na podstawie równania (5) wysokoœæ podnoszenia mieszaniny wodno-gazowej stanowi wskaÿnik orientacyjny, gdy w czasie eksploatacji wysokoœæ ta jest pomniejszona o straty ciœnienia wywo³ane oporami przep³ywu []. Dla obliczenia œredniego ciê aru w³aœciwego mieszaniny wodno-gazowej na d³ugoœci rury wydobywczej od poziomu ciœnienia nasycenia do wyp³ywu s³u y nastêpuj¹ce równanie: ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( ) 1 ( )( ) ( ) ( ) Pnsα α P + Pnsα γ mœ = γw γgα P1 P + ln + P1 P 1 α ( 1 α) 1 α P1+ Pnsα Pnsαγg α P1 + Pnsα + ln ( 1 α) 1 α P + Pnsα (6) γ mœ œredni ciê ar w³aœciwy mieszaniny wodno-gazowej, MN/m 3, P 1 ciœnienie w rozpatrywanym przekroju rur wydobywczych, MPa, P ciœnienie w separatorze (P = P s = 0,1 MPa), MPa, P ns ciœnienie nasycenia, MPa, γ w ciê ar w³aœciwy wody, MN/m 3, γ g ciê ar w³aœciwy gazu, MN/m 3, α wspó³czynnik absorpcji Bunsena dla CO w wodzie, m n 3 /m 3. Obliczony za pomoc¹ równania (6) œredni ciê ar w³aœciwy mieszaniny wodno-gazowej w przedziale ciœnienie nasycenia separator, przy wydajnoœci odwiertu Q w =,4 m 3 /h i wyk³adnika gazowego WG = 4,8 m n 3 /m 3, wynosi γ mœr = 0,0054 MN/m 3. Wstawiaj¹c tê wartoœæ do równania (5) otrzymano wysokoœæ podnoszenia mieszaniny wodno-gazowej H m = 76,85 m. Przy za³o eniu ciœnienia atmosferycznego w przestrzeni pierœcieniowej w czasie eksploatacji, dla zadanej wydajnoœci odwiertu,4 m 3 /h i przy depresji 16,0 m, ciœnienie nasycenia znajduje siê na g³êbokoœci 67,1 m od g³owicy odwiertu. Je eli ciœnienie w przestrzeni pierœcieniowej bêdzie wy sze od ciœnienia atmosferycznego, o t¹ wielkoœæ pomniejszona zostanie g³êbokoœæ, na której znajduje siê ciœnienie nasycenia wody dwutlenkiem wêgla. 5. WNIOSKI 1) Zgodnie z przeprowadzonymi obliczeniami istnieje mo liwoœæ uzyskania ci¹g³ej eksploatacji samoczynnej z rozpatrywanego odwiertu X, przy czym dla zapewnienia bezawaryjnej pracy odwiertu nale y przyj¹æ wydobycie wody nie wiêksze ni m 3 /h. 48

) Do ci¹g³ej eksploatacji w odwiercie X nale y zastosowaæ przewód wydobywczy polietylenowy o œrednicy wewnêtrznej D w = 40 mm. 3) W odwiertach o ma³ym wyk³adniku gazowym lej produkcyjny winien byæ zapuszczony na rurach wydobywczych do g³êbokoœci nieco powy ej poziomu, w którym panuje ciœnienie nasycenia. LITERATURA [1] Ciê kowski W. i in.: Wystêpowanie, dokumentowanie i eksploatacja endogenicznego dwutlenku wêgla w Polsce. Wroc³aw, Wroc³awskie Towarzystwo Naukowe 00 [] Duliñski W., Ropa C.E.: Opory przep³ywu mieszaniny wodno-gazowej w rurach wydobywczych. Zeszyty Naukowe AGH Górnictwo, z. 3, 1983 [3] Duliñski W., Ropa C.E.: Dwutlenek wêgla jako czynnik energetyczny w eksploatacji wód mineralnych. Zeszyty Naukowe AGH Górnictwo, z. 1, 1985 [4] Duliñski W., Ropa C.E.: Eksploatacja, w³asnoœci i zagospodarowanie dwutlenku wêgla. Zeszyty Naukowe AGH Górnictwo, z. 3, 1994 [5] Ropa C.E., Duliñski W.: Ustalenie parametrów dla uzyskania eksploatacji ci¹g³ej w odwiercie Zuber III w Krynicy. Wiertnictwo Nafta Gaz (rocznik AGH), t. 18, z. 1, 001 [6] Ropa C.E., Duliñski W.: Wp³yw wodno-gazowej struktury na proces eksploatacji wód mineralnych nasyconych CO. Wiertnictwo Nafta Gaz (rocznik AGH), t. 19, z., 00 [7] Wilk Z.: Eksploatacja z³ó p³ynnych surowców mineralnych. Katowice, Wydawnictwo Œl¹sk 1969 49