MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN 1896-771X 44, s. 21-28, Gliwice 2012 PRZEGLĄD KONSTRUKCJI ARCHIWALNYCH I NOWYCH OTWORÓW WIERTNICZYCH WYKONANYCH NA NIŻU POLSKIM W CELU POZYSKIWANIA ENERGII GEOTERMALNEJ HENRYK BIERNAT 1, BOGDAN NOGA 2, ZBIGNIEW KOSMA 2 1 Przedsiębiorstwo Geologiczne POLGEOL S.A., ul. Berezyńska 39, 03-908 Warszawa 2 Instytut Mechaniki Stosowanej i Energetyki, Politechnika Radomska, ul. Krasickiego 54, 26-600 Radom e-mail: henryk.biernat@polgeol.pl, b.noga@pr.radom.pl, zbigniew.kosma@pr.radom.pl Streszczenie. W artykule przedstawiono przegląd konstrukcji otworów wiertniczych, które są zlokalizowane na Niżu Polskim. Przeanalizowano głównie konstrukcję tych otworów, które są wykorzystywane do eksploatacji wód termalnych w celu pozyskiwania ciepła z wnętrza ziemi. Na Niżu Polskim działają obecnie cztery ciepłownie geotermalne, a każda z nich charakteryzuje się inną konstrukcją otworów. W przygotowaniu są kolejne inwestycje geotermalne, gdzie zastosowano nowe konstrukcje otworów. W przypadku otworu eksploatacyjnego w Toruniu możliwe było przeprowadzenie prac badawczych dwóch poziomów wodonośnych i wybór tego o lepszych parametrach hydrogeologicznych. Nowe otwory chłonne wykonywane są z materiałów odpornych na korozyjne działanie eksploatowanej wody termalnej. 1. WPROWADZENIE Energia geotermalna jest energią wnętrza Ziemi zgromadzoną w skałach oraz wodach podziemnych. Nośnikiem ciepła geotermalnego są zwykle wody złożowe, które przeważnie jako solanki o różnym stopniu stężenia wypełniają pory i szczeliny skał. Polska jest krajem o dużych, lecz obecnie mało wykorzystywanych, potencjalnych możliwościach pozyskiwania energii geotermalnej. Ponad połowę obszaru naszego kraju obejmuje wielki zbiornik permsko-mezozoiczny, w którego obrębie znajdują się mniejsze jednostki geologiczne z występującymi w nich kolektorami wód termalnych. Na obszarze Niżu Polski głównym poziomem wodonośnym wód termalnych są utwory kredy i jury dolnej będące piaszczystym i piaszczysto - mułowcowym kompleksem utworów kredowych i liasowych [3, 7, 9, 12]. Ciągną się one systemem podziemnych niecek z okolic Szczecina poprzez rejon mogilneńsko-łódzki po Mazowsze. Inne obszary występowania wód termalnych w Polsce to: Podhale i Sudety. Eksploatacja wody termalnej do celów ciepłowniczych na terenie Niżu Polskiego została zapoczątkowana w 1997 roku, kiedy uruchomiona została ciepłownia geotermalna w Pyrzycach [2]. Wcześniej wodę termalną na terenie Niżu Polskiego wykorzystywano do celów balneologicznych i leczniczych w uzdrowiskach geotermalnych [10]. W większości przypadków (szczególnie na Niżu Polskim), aby móc wykorzystywać energię wód termalnych, należy wykonać odwiert geotermalny, którego głębokość może wynosić nawet kilka tysięcy metrów. Odwierty takie wykonuje się metodą obrotową
22 H. BIERNAT, B. NOGA, Z. KOSMA z zastosowaniem płuczki wiertniczej na podstawie zatwierdzonego projektu prac geologicznych [8]. Obecnie w Polsce działa pięć ciepłowni geotermalnych, z czego jedna jest zlokalizowana na Podhalu - Geotermia Podhalańska (1993r.), a pozostałe cztery położone są na Niżu Polskim: Pyrzyce (1997r.), Mszczonów (1999r.), Uniejów (2000r.) i Stargard Szczeciński (2005r.) [10]. Ciepłownie te zostały wybudowane na podstawie nie tylko nowych otworów geotermalnych, ale również w wyniku rekonstrukcji otworów archiwalnych, głównie poszukiwawczych ropy i gazu. W latach 1958-1995 wykonano kilka tysięcy głębokich otworów wiertniczych na obszarze całej Polski, a najwięcej na Niżu Polskim [6]. Wybrane otwory po ich rekonstrukcji mogą służyć do eksploatacji bądź zatłaczania wody termalnej. Począwszy od 2008 roku do marca 2012 roku na Niżu Polskim zostało wykonanych 10 nowych otworów geotermalnych [1, 11]. Po dwa otwory są wykonane w Toruniu i Kleszczowie oraz po jednym w Gostyninie, Poddębicach, Tarnowie Podgórnym, Lidzbarku Warmińskim i Piasecznie. W marcu 2012 roku ruszyły prace wiertnicze w Trzęsaczu. 2. BUDOWA DUBLETU GEOTERMALNEGO Dublet geotermalny zbudowany jest z otworów: eksploatacyjnego i chłonnego, które połączone są rurociągiem tłocznym. Obydwa otwory mają bardzo zbliżoną konstrukcję i zazwyczaj ujmują tę samą warstwę wodonośną. Główna różnica pomiędzy otworem eksploatacyjnym i chłonnym występuje w komorze pompowej (rys. 1), w której zamontowana jest pompa głębinowa. W przypadku otworu chłonnego zazwyczaj nie projektuje się takiej komory - wyjątek na terenie Niżu Polskiego stanowi dublet geotermalny w Stargardzie Szczecińskim. Otwory w dublecie geotermalnym mogą być budowane jako pionowe lub kierunkowe. Typowa konstrukcja otworów geotermalnych zbudowana jest głównie z następujących elementów (rys. 1): kolumna wstępna - zabezpiecza wylot otworu przed rozmyciem przez płuczkę wiertniczą i zanieczyszczeniem jego ścian w warstwach słabo zwięzłych; kolumna prowadnikowa - jej głównym zadaniem jest odizolowanie od siebie poziomów wodonośnych, a w otworach eksploatacyjnych spełnia dodatkowo rolę komory pompowej; kolumna techniczna - służy do zamykania dopływu do odwiertu dużych ilości wód, do zakrywania stref, w których występują trudności z dalszym wierceniem otworu (zaniki płuczki, sypanie itp.), przy czym kolumn technicznych może być w otworze kilka, a w otworze chłonnym kolumna ta wyprowadzona jest zazwyczaj do powierzchni; filtr - wisi na wieszaku w rurach kolumny technicznej i jego zadaniem jest zapobieganie zasypywaniu się otworu oraz uniemożliwienie przedostawania się cząstek stałych ze złoża wodonośnego do ujmowanej wody termalnej, przy czym w utworach szczelinowych o charakterze stabilnym otwór eksploatacyjny można pozostawić niezafiltrowany bosy; obsypka żwirowa - stanowi dodatkowy filtr zapobiegający przedostawaniu się stałych cząstek ze złoża do obiegu wody termalnej; warstwa wodonośna - ujęcie wody termalnej. Na terenie Niżu Polskiego warstwy wodonośne występują w utworach powstałych w okresie kredy dolnej i jury dolnej.
PRZEGLĄD KONSTRUKCJI ARCHIWALNYCH I NOWYCH... 23 Rys. 1. Schemat dubletu geotermalnego - otwory pionowe [8] 3. KONSTRUKCJE OTWORÓW GEOTERMALNYCH NA NIŻU POLSKIM Obecnie na terenie Niżu Polskiego w sumie znajduje się 20 otworów geotermalnych, przeznaczonych do eksploatacji wody termalnej głównie do celów ciepłowniczych. Dziesięć z nich jest obecnie eksploatowanych w ciepłowniach geotermalnych, a kolejnych dziesięć jest przygotowywanych do przyszłej eksploatacji. Najstarszą ciepłownią geotermalną, eksploatowaną na Niżu Polskim jest Geotermia Pyrzyce (tabela 1). Wykonane są tutaj dwa dublety geotermalne (2 otwory eksploatacyjne: Pyrzyce GT-1, Pyrzyce GT-3 oraz dwa otwory chłonne: Pyrzyce GT-2, Pyrzyce GT-4), które zostały odwiercone jako nowe pionowe otwory wiertnicze w celu pozyskiwania ciepła geotermalnego. W tym przypadku otwory eksploatacyjne posiadają komory pompowe, natomiast w otworach chłonnych kolumny eksploatacyjne wyciągnięte są do powierzchni (brak komory pompowej). Wszystkie otwory zostały zakończone w warstwie wodonośnej filtrami Johnsona, a wszystkie filtry zostały obsypane żwirem. Zarówno kolumny eksploatacyjne jak i komory pompowe zostały wykonane w technologii stalowych rur wiertniczych. Po około 8-letnim okresie eksploatacji nastąpiło pogorszenie stanu technicznego kolumn eksploatacyjnych w otworach chłonnych w wyniku bardzo szybko postępującej korozji [4]. Na przełomie 2008/09 roku w ciepłowni geotermalnej w Pyrzycach w obydwóch otworach chłonnych i rurociągach tłocznych zostały zainstalowane rury typu HDPE (High Density Poly Ethylene). Zabieg ten pozwolił na zdecydowane ograniczenie negatywnego wpływu produktów korozji na kolmatację warstwy złożowej.
24 H. BIERNAT, B. NOGA, Z. KOSMA Geotermia Tabela 1. Zestawienie otworów geotermalnych wykorzystywanych na terenie Niżu Polskiego Oznaczenie otworu Pyrzyce GT-1 Typ otworu Orientacja przestrzenna Pionowy Rola otworu w dublecie geotermalnym Kolumna techniczna / komora pompowa - materiał Stal/Stal Pyrzyce GT-2 Pyrzyce Pyrzyce GT-3 Pionowy Pionowy Chłonny Stal * / - Stal / Stal Pyrzyce GT-4 Pionowy Chłonny Stal * / - Mazowiecka Mszczonów GT-1 Archiwalny Pionowy Stal / Stal PIG/AGH-1 Pionowy Chłonny Stal / - Uniejów PIG/AGH-2 Pionowy Stal / Stal IGH-1 Archiwalny Pionowy Chłonny Stal / - Stargard Szczeciński Stargard Szczeciński GT-1 Stargard Szczeciński GT-2 Pionowy Kierunkowy ** Chłonny ** Stal / Stal Stal / Stal * ** na przełomie 2008/09 roku w rurach stalowych zamontowano rury z tworzywa sztucznego typu HDPE w 2008r. nastąpiła zamiana roli otworów geotermalnych Zakończenie otworu Perforacja rur Perforacja rur Perforacja rur Bosy
PRZEGLĄD KONSTRUKCJI ARCHIWALNYCH I NOWYCH... 25 Innym typem otworów geotermalnych są otwory archiwalne, które były wykonywane w celu poszukiwania ropy i gazu. Są to otwory głębokie, które przewiercały warstwy wodonośne i kończyły się w utworach niżej położonych, w których spodziewano się występowania węglowodorów. Po ich opróbowaniu i stwierdzeniu braku węglowodorów były likwidowane poniżej warstwy wodonośnej, a w miejscu jej występowania kolumna techniczna rur okładzinowych była perforowana. Perforacja polegała na wykonaniu w rurach szczelin, którymi mogłaby dopływać woda termalna. Obecnie tego typu otwory pracują w Geotermii Mazowieckiej w Mszczonowie jako otwór eksploatacyjny oraz w Geotermii Uniejów jako jeden z otworów chłonnych (tabela 1). Bardzo ciekawym przypadkiem są otwory geotermalne wykonane w Stargardzie Szczecińskim. Znajduje się tutaj jedyny w Polsce otwór kierunkowy typu "j", który został oznaczony jako Stargard Szczeciński GT-2. W dublecie geotermalnym w początkowej fazie eksploatacji otwór ten pełnił rolę otworu chłonnego. Jest to również jedyne w Polsce rozwiązanie, gdzie otwór chłonny posiada komorę pompową. Celem takiego rozwiązania było zapewnienie możliwości zamiany roli otworów geotermalnych. W przypadku tego rozwiązania otwór chłonny może pełnić również rolę otworu eksploatacyjnego [5]. Otwór ten jest otworem bosym zakończonym w stropie jury dolnej. Otwór eksploatacyjny oznaczony jako Stargard Szczeciński GT-1 wykony został jako pionowy. Otwór ten ujmuje wodę termalną z utworów jury dolnej, gdzie został poszerzony, zafiltrowany i zażwirowany. Głowice obydwu otworów zostały oddalone od siebie o około 8 m. W przypadku dubletu dwóch otworów pionowych ich głowice powinny być oddalone od siebie o około 1500 m. Na terenie Niżu Polskiego zupełnie nową konstrukcję otworu eksploatacyjnego zastosowano w otworze eksploatacyjnym Toruń TG-1. Innowacyjność tej konstrukcji stanowi materiał, z jakiego została wykonana komora pompowa. Ze względu na bardzo szybko postępująca korozję oraz zjawisko inkrustacji otworu chłonnego komora pompowa w otworze Toruń TG-1 została wykonana z rur z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym (tabela 2). Kolumna techniczna tego otworu wykonana została w technologii rur stalowych. Dodatkowo konstrukcja otworu Toruń TG-1 pozwoliła na wykonanie badań dwóch poziomów wodonośnych. Najpierw opróbowano utwory jury dolnej, a po zabezpieczeniu ujętej warstwy wodonośnej kolejną kolumną techniczną i uszczelnieniu jej pakerem pogłębiono otwór do utworów wapienia muszlowego (trias środkowy). W tym przypadku okazało się, że zdecydowanie lepsze warunki hydrogeologiczne występują w utworach jury dolnej. W związku z tym, dzięki zastosowanej konstrukcji otworu, możliwe było zlikwidowanie otworu w triasie środkowym i powrót do jury dolnej. Dotychczas stosowane konstrukcje otworów w działających ciepłowniach geotermalnych nie umożliwiały wykonywania takich badań, opróbowywany był tylko jeden horyzont wodonośny. Podobną konstrukcję zastosowano dwa lata później w otworze Piaseczno GT-1, gdzie wykonano badania kredy dolnej i jury dolnej. W wyniku przeprowadzonych obserwacji w dotychczas eksploatowanych otworach geotermalnych stwierdzono, że korozja rur stalowych postępuje znacznie szybciej w otworze chłonnym i rurociągach napowierzchniowych niż w otworach eksploatacyjnych [4]. W związku z tymi obserwacjami w otworze Toruń TG-2 kolumna techniczna została wykonana z rur z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym. Jest to pierwsza konstrukcja tego typu na obszarze Niżu Polskiego. Drugim nowym otworem chłonnym, w którym kolumna techniczna i cały rurociąg napowierzchniowy wykonane są z rur z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym, jest otwór Kleszczów GT-2. Dublet geotermalny w Kleszczowie charakteryzuje się dodatkowo tym, że otwór eksploatacyjny Kleszczów GT-1 jest otworem bosym.
26 H. BIERNAT, B. NOGA, Z. KOSMA Lokalizacja Gostynin Toruń Kleszczów Poddębice Tarnowo Podgórne Lidzbark Warmiński Piaseczno Trzęsacz Tabela 2. Zestawienie nowych otworów geotermalnych wykonanych od 2008r. na Niżu Polskim Oznaczenie otworu Gostynin GT-1 Rok budowy 2007/08 Ujęte warstwy wodonośne Jura dolna Rola otworu w dublecie geotermalnym Kolumna techniczna / komora pompowa - materiał Stal/Stal Toruń TG-1 2008/09 Jura dolna Stal/Fiberglass Toruń TG-2 2009 Jura dolna Chłonny Fiberglass/- Kleszczów GT-1 2009 Jura dolna Stal/Stal Kleszczów GT-2 2010/11 Jura dolna Chłonny Fiberglass/- Poddębice GT-2 2009/2010 Kreda dolna Stal/Stal Tarnowo Podgórne GT-1 Lidzbark Warmiński GT-1 2010 2011 Jura dolna Jura dolna Stal/Stal Stal/Stal Piaseczno GT-1 2011/12 Jura dolna Stal/Stal Trzęsacz GT-1 2012 Jura dolna Stal/Stal Zakończenie otworu Bosy Bez poszerzenia / Bosy
PRZEGLĄD KONSTRUKCJI ARCHIWALNYCH I NOWYCH... 27 Pozostałe nowe otwory geotermalne realizowane na Niżu Polskim zostały wykonane jak pierwsze otwory w dubletach. Najprawdopodobniej będą one pełniły rolę otworów eksploatacyjnych. Wykonane są w technologii rur stalowych. Każdy z nich jest otworem poszerzonym, zafiltrowanym z obsypką żwirową 4. PODSUMOWANIE Archiwalne otwory wiertnicze wykorzystywane obecnie na Niżu Polskim do pozyskiwania ciepła geotermalnego pochodzą głównie z czasów wierceń poszukiwawczych ropy i gazu. Otwory takie, mimo że nie mają typowych konstrukcji otworów geotermalnych, z powodzeniem pracują np. w Geotermii Mazowieckiej jako otwór eksploatacyjny lub Geotermii Uniejów jako jeden z otworów chłonnych. Na Niżu Polskim typową konstrukcję otworów geotermalnych posiadają wykonane na początku lat 90. ubiegłego wieku cztery otwory w Geotermii Pyrzyce (dwa dublety geotermalne). Bardzo ciekawym rozwiązaniem jest dublet geotermalny w Geotermii Stargard Szczeciński, gdzie zarówno otwór eksploatacyjny jak i chłonny posiadają komory pompowe. Na uwagę zasługuje również fakt, że jest to jedyne rozwiązanie w skali kraju, gdzie głowice otworów eksploatacyjnego i chłonnego są oddalone od siebie o około 8 m, a jeden z nich jest otworem kierunkowym. Analizę konstrukcji otworów wiertniczych przeprowadzono również dla otworów wybudowanych w ostatnich latach. Na uwagę zasługuje tutaj konstrukcja zastosowana w geotermalnym otworze eksploatacyjnym Toruń TG-1. Zaproponowana konstrukcja pozwoliła na opróbowanie dwóch warstw wodonośnych oraz wybór do późniejszej eksploatacji warstwy wyżej zalegającej (wcześniejsze konstrukcje otworów badawczych nie pozwalały na powrót w celu ujęcia do eksploatacji wyżej zalegającej warstwy wodonośnej w przypadku, kiedy parametry wody termalnej w niżej położonych warstwach okazały się niezadowalające). Dodatkowo najnowsze konstrukcje otworów chłonnych wykonywane są z rur z tworzywa sztucznego wzmocnionych włóknem szklanym, ze względu na silne korozyjne działanie schłodzonych wód termalnych (dotychczasowe konstrukcje stalowe ulegają bardzo szybko postępującej korozji). LITERATURA 1. Biernat H., Kapuściński J., Noga B., Martyka P.: Przegląd realizowanych i planowanych projektów wykorzystania wód i energii geotermalnej na Niżu Polskim. W: Materiały konferencyjne III Ogólnopolskiego Kongresu Geotermalnego. Lądek Zdrój 2011. 2. Biernat H., Kulik S., Noga B.: Instalacja geotermalna w Pyrzycach jako przykład pozyskiwania czystej i odnawialnej energii w ciepłownictwie oraz wód termalnych do balneologii i rekreacji. Przegląd Geologiczny 2010, t. 58, nr 8, s. 712 716. 3. Biernat H., Kulik S., Noga B.: Możliwości pozyskiwania energii odnawialnej i problemy związane z eksploatacją ciepłowni geotermalnych wykorzystujących wody termalne z kolektorów porowych. Przegląd Geologiczny 2009, t. 57, nr 8, s. 655-656. 4. Biernat H., Kulik S., Noga B., Kosma Z.: Problemy korozji przy zatłaczaniu wykorzystanych wód termalnych. Modelowanie Inżynierskie 2010, nr 39, t. 8, s. 13-18. 5. Biernat H., Noga B., Kosma Z.: Eksploatacja wody termalnej przed i po zamianie roli otworu chłonnego na otwór eksploatacyjny na przykładzie Geotermii Stargard Szczeciński. Modelowanie Inżynierskie 2012, nr 44, t.13, s. 15-20.
28 H. BIERNAT, B. NOGA, Z. KOSMA 6. Bojarski L.: Możliwości wykorzystania istniejących głębokich otworów wiertniczych w celu ujęcia wód geotermalnych. Technika Poszukiwań Geologicznych, Geosynoptyka i Geotermia 1995, nr 3-4, s. 19-21. 7. Górecki W. (red.): Atlas zasobów geotermalnych formacji mezozoicznej na Niżu Polskim. Kraków: AGH, 2006. 8. 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, 1997. 9. Marszczek T., Płochniewski Z.: Wody geotermalne Polski stan rozpoznania, potrzeby i kierunki dalszych badań. Technika Poszukiwań Geologicznych Geosynoptyka i Geotermia 1989, nr 6, s. 43-48. 10. Noga B., Kosma Z.: Obecny stan wykorzystania wód termalnych i energii geotermalnej w Polsce. Logistyka 2011, nr 6, s. 3069-3078. 11. Noga B., Kosma Z., Biernat H.: Przegląd obecnie realizowanych projektów wykorzystania wód termalnych i energii geotermalnej na Niżu Polskim. Logistyka 2011, nr 6, s. 3079-3088. 12. Szewczyk J.: Geofizyczne oraz hydrogeologiczne warunki pozyskiwania energii geotermalnej w Polsce. Przegląd Geologiczny 2010, vol. 58, nr 7, s. 566-573. REVIEW OF ARCHIVAL AND NEW WELLS CONSTRUCTIONS LOCATED IN POLISH LOWLANDS IN ORDER TO RAISE A GEOTHERMAL ENERGY Summary. In the article we present an overview of the construction of geothermal wells that are located on the Polish Lowlands. We analyzed mainly the construction of these wells, which are used to exploit the thermal water to raise the heat from the inside of earth. Currently on the Polish Lowland four geothermal heating plants are operating. Each of them has a different well s construction. The new geothermal investment, which are being prepared, are going to use quite new well s contractions. In the case of the geothermal well near Torun, it was possible to carry out the research on two aquifers and to choose the one with the better hydrogeological parameters. The new injection wells are made of materials resistant to corrosion of exploitation thermal water.