Filip BUJAKOWSKI Grzegorz WIERZBICKI Szko³a G³ówna Gospodarstwa Wiejskiego Katedra Geoin ynierii Zak³ad Hydrogeologii 02-787 Warszawa, ul. Nowoursynowska 159 tel. +48 22 59 35 200 e-mail: filip_bujakowski@sggw.pl e-mail: grzegorz_wierzbicki@sggw.pl Technika Poszukiwañ Geologicznych Geotermia, Zrównowa ony Rozwój nr 1 2/2011 ZASTOSOWANIA TEORII SIT W NUMERYCZNEJ OCENIE TENDENCJI DO WYTR CANIA STA YCH FAZ MINERALNYCH Z ROZTWORU GEOTERMALNEGO NA PRZYK ADZIE DANYCH Z OTWORU GOSTYNIN GT-1 STRESZCZENIE Na podstawie analizy wody termalnej z ujêcia Gostynin GT-1 przeprowadzono analizy równowag termodynamicznych panuj¹cych w roztworze. Modelowanie przeprowadzono z wykorzystaniem dwóch baz danych: WATEQ4F opartej na teorii Debye`a-Huckela oraz bazy danych SIT, bazuj¹cej na tej samej teorii, lecz zawieraj¹cej dane empiryczne wprowadzaj¹ce korektê na wysok¹ si³ê jonow¹ roztworu wynikaj¹c¹ z jego wysokiej mineralizacji. Zastosowanie korekty mineralizacji wp³ynê³o na wynik doœwiadczenia. Weryfikacja zasadnoœci stosowania bazy SIT w stosunku do wód termalnych eksploatowanych w polskich warunkach wymaga przeprowadzenia testów laboratoryjnych. W kontekœcie zagro enia otworów zjawiskiem inkrustacji obliczania równowag termodynamicznych za pomoc¹ programów komputerowych stanowi metodê nieprecyzyjn¹. Wynik zale y od wielu zmiennych trudnych do okreœlenia, a przez to obarczony mo e byæ znacznym b³êdem. Szybki rozwój technik komputerowych oraz rozbudowa chemicznych baz danych sprawiaj¹ jednak, i uzyskiwane wyniki s¹ coraz precyzyjniejsze. Bior¹c pod uwagê niski koszt tworzenia modelu warto go rekomendowaæ jako niezbêdny element dokumentacji z³ó wód termalnych, gdy daje on pogl¹d o ogólnych trendach panuj¹cych w roztworze. S OWA KLUCZOWE Wody termalne, energia geotermalna, modelowanie hydrochemiczne, termodynamika, wskaÿnik nasycenia * * * Recenzowa³ dr. Adam Porowski Artyku³ wp³yn¹³ do Redakcji 17.05.2011 r., zaakceptowano do druku 16.06.2011 r. 387
WPROWADZENIE Coraz wiêksza popularnoœæ dubletowych instalacji geotermalnych ujmuj¹cych wody termalne z kolektorów porowych sk³ania do poszukiwania rozwi¹zañ zapewniaj¹cych efektywn¹ i bezawaryjn¹ eksploatacjê systemów. Korzystaj¹c z doœwiadczeñ ju istniej¹cych zak³adów zidentyfikowano dwie g³ówne grupy zagro eñ, obni aj¹cych sprawnoœæ uk³adów i podnosz¹cych koszty ich eksploatacji. S¹ nimi: korozja elementów ci¹gu technologicznego po³¹czona z przedostawaniem siê produktów korozji do otworu zat³aczaj¹cego oraz inkrustacja urz¹dzeñ i samego z³o a w strefie przyotworowej. Inkrustacja jest efektem wytr¹cania sta³ych faz mineralnych z roztworu geotermalnego, nastêpuj¹cego na skutek destabilizacji parametrów fizykochemicznych roztworu. Woda termalna w warstwie wodonoœnej znajduje siê w charakterystycznym, subtelnym stanie równowagi termodynamicznej ze skalami tworz¹cymi warstwê wodonoœn¹. W trakcie eksploatacji wody, odbioru ciep³a i ponownego zat³oczenia jej do z³o a zmianie ulegaj¹ wszystkie podstawowe elementy uk³adu, takie jak: temperatura, ciœnienie i sk³ad chemiczny otoczenia. Zmiany te powoduj¹ destabilizacjê równowag termodynamicznych panuj¹cych w roztworze. Pojawiaj¹ siê tendencje do rozpuszczania b¹dÿ wytr¹cania sta³ych faz mineralnych, mog¹cych potencjalnie inkrustowaæ wewnêtrzne elementy urz¹dzeñ i strefê przyotworow¹ odwiertu (Biernat i in. 2009). Stan równowagi pomiêdzy sk³adnikami rozpuszczonymi w wodzie a produktami ich krystalizacji opisaæ mo na za pomoc¹ wskaÿnika nasycenia SI (Saturation Index). SI jest jednym z czêœciej stosowanych w literaturze parametrów okreœlaj¹cych stan nasycenia wody w stosunku do faz sta³ych (minera³y) i gazowych pozostaj¹cych z nimi w kontakcie. Wartoœæ wskaÿnika SI definiowana jest wed³ug wzoru: SI log gdzie: IAP iloczyn aktywnoœci form (ion activity product), obliczony na podstawie rzeczywistych aktywnoœci rozpuszczonych w wodzie jonów bior¹cych udzia³ w reakcji. Aktywnoœæ jonów jest odwrotnie proporcjonalna do ich stê enia w roztworze oraz wprost proporcjonalna do ogólnej mineralizacji roztworu, KT sta³a równowagi reakcji w danej temperaturze. Ocena stanu równowagi polega zatem na porównaniu iloczynu aktywnoœci jonów bior¹cych udzia³ w reakcji w rzeczywistym roztworze z iloczynem aktywnoœci tych form w warunkach równowagi. Wartoœæ wskaÿnika SI bliska zeru (0,00 5% b¹dÿ 0,5) wskazuje na stan równowagi pomiêdzy roztworem a faz¹ mineraln¹. Oznacza to, e procesy wytr¹cania i rozpuszczania równowa ¹ siê. Wartoœci SI<0 wskazuj¹ na stan, w którym przewa aæ bêdzie rozpuszczanie danej fazy mineralnej. Im bardziej wartoœæ wskaÿnika odbiega od wartoœci zerowej tym agresywniejsze bêdzie zachowanie roztworu w stosunku do okreœlonej fazy IAP KT 388
mineralnej. Tendencja do rozpuszczania wzrasta wraz ze spadkiem wartoœci wskaÿnika SI. Wartoœci wskaÿnika SI>0 wskazuj¹ na stan przesycenia. W momencie wzrostu wartoœci wskaÿnika powy ej zera, roztwór bêdzie wykazywa³ tendencje do wytr¹cania faz mineralnych. Fazy te mog¹ stanowiæ potencjalne zagro enie dla prawid³owego funkcjonowania instalacji geotermalnej (Biernat i in. 2009). Opracowanie procedury badawczej opartej na narzêdziach numerycznych i daj¹cej mo - liwoœæ przewidywania procesów wytr¹cania osadów na podstawie analiz sk³adu chemicznego roztworu mo e byæ wstêpem do opracowania metody kondycjonowania stanu eksploatowanego roztworu. W artykule przedstawiono wyniki testów przeprowadzonych metod¹ najczêœciej opisywan¹ w literaturze polskojêzycznej (Bujakowski i in 2006), wykorzystuj¹c¹ bazê danych termodynamicznych WATEQ4F opart¹ na teorii Debye-a Hückela. Teoria ta opracowana zosta³a dla wód o niskiej mineralizacji (Parkhurst, Apello 1999). Wynik analiz porównano nastêpnie z wynikami uzyskanymi za pomoc¹ udostêpnionej w 2010 przez USGS bazy danych opartej na teorii SIT (Specific Ion Interaction Theory). W za³o eniach autorów bazy teoria ta lepiej odwzorowuje zale noœci hydrochemiczne panuj¹ce w wodzie o wysokiej mineralizacji, a co siê z tym wi¹ e wysokiej sile jonowej. Zaznaczyæ nale y, i w wiêkszoœci aktualnie eksploatowanych i projektowanych na terenie Ni u Polskiego instalacji spodziewaæ siê nale y wód o mineralizacji przekraczaj¹cej 10 g/dm 3. Modelowanie tego rodzaju roztworów metod¹ dostosowan¹ do wód niskozmineralizowanych (WATEQ4F) z za³o enia obaczone jest b³êdem. Przeprowadzenie testów porównawczych wydaje siê zatem uzasadnione w kontekœcie wiarygodnoœci uzyskiwanych wyników. 1. MATERIA Y I METODY Podstaw¹ przeprowadzonych testów numerycznych by³a woda z ujêcia Gostynin GT-1 wykonanego w 2007 roku w mieœcie Gostynin w zachodniej czêœci województwa mazowieckiego. Otwór zaprojektowany zosta³ w celu ujêcia dolno-jurajskiego horyzontu wodonoœnego po³o onego w interwale g³êbokoœciowym 2538,0 2734,0 m (Biernat i in. 2008). Przy u yciu aplikacji PHREEQCI przeprowadzono modelowanie specjacyjne próbki wody pobranej w trakcie próbnego pompowania w dniu 19.01.2008 r. Analizy hydrochemiczne przeprowadzone zosta³y w Laboratorium Badania Wód Polgeol S.A. Wyniki zaczerpniêto z Dokumentacji hydrogeologicznej ujêcia wód termalnych z utworów jury dolnej w otworze Gostynin GT-1 (Biernat i in. 2008). Wyniki zestawione zosta³y w tabeli 1. Obiekt badañ wytypowany zosta³ z uwagi na podobieñstwo budowy geologicznej i warunków hydrogeologicznych do ciep³owni geotermalnej w Pyrzycach. Ciep³ownia ta jest najd³u ej dzia³aj¹cym zak³adem tego typu na Ni u Polskim. W trakcie jej eksploatacji wielokrotnie napotykano na problem spadku ch³onnoœci otworu zat³aczaj¹cego spowodowany m.in. kolmatacj¹ strefy oko³ofiltrowej. Analizuj¹c warunki panuj¹ce w Gostyninie spodziewaæ siê mo na problemów o podobnym charakterze. W zwi¹zku z powy szym podjêto próbê okreœlenia równowag termodynamicznych panuj¹cych w wodzie wydobytej z otworu Gostynin GT-1 389
Tabela 1 Sk³ad chemiczny wody eksploatowanej z otworu Gostynin GT-1 (Biernat i in. 2008) Table 1 Chemical composition analysis of water exploited from Gostynin GT-1 borehole (Biernat i in. 2008) Jednostka miary Wartoœæ pomierzona Norma procedura badawcza Mineralizacja Ogólna mg/dm 3 143,5 PGLB-01:wyd. 3 z dn. 1 1.04.2005 Temperatura na g³owicy otworu C 62,00 Mêtnoœæ mg SiO 2 /dm 3 24,10 PGLB -03:wyd. 2 z dn. 0 1.09.2003 Barwa mg SiO 2 /dm 3 10,00 Zapach akceptowalny PGLB- 13 : 30.04.2003 Odczyn ph 6,28 PGLB-04: wyd. 3 z dn. 16. 10.2006 Twardoœæ og mmol/dm 3 9 500,00 PN-ISO6059: 1999 Zasadowoœæ og mmol/dm 3 5,10 Kwasowoœæ og min mmol/dm 3 4,7/0,0 PN-EN ISO 9963-1: 200 l+iglb-03: wyd. 3 zdn. 02.03.2004 PN-90/C-04540.03 + IGLB-02 wyd. 2 zdn. 03.09.2003 elazo og mg/dm 3 29,25 PN-ISO 6332 : 2001 + IGLB - 01: wyd. 2 z dn. 03.09.2003 Mangan mg/dm 3 0,54 PN-92/C-04590.02 Wapñ mg/dm 3 2 725,00 PN-ISO 6058: 1999 Magnez mg/dm 3 656,80 PN-C/04554-4: 1999 al A Sód mg/dm 3 40 243,00 PN-ISO 9964-1: 1 994 + IGLB - 04: wyd. 2 z dn. 05.09.2003 Potas mg/dm 3 397,00 PN-ISO 9964-3: 1 994 + IGLB - 05: wyd. 3 z dn. 25.05.2004 Chlorki mg/dm 3 69 133,00 PN-ISO 9297: 1994 Jodki mg/dm 3 0,04 PN-75/C-04599/01 Amoniak mg/dm 3 27,43 PN-C-04576^:1994 + IGLB-08: wyd. 2 z dn. 03.09.2003 Azotyny mg/dm 3 0,03 PN-EN 26777: 1999 Azotany mg/dm 3 15,53 PN-82/C-04576.08 Siarkowodór mg/dm 3 0,00 PGLB-09: 2 1.08.2003 Siarczany mg/dm 3 808,00 PGLB-10: 10.06.2003 Fosforany mg/dm 3 0,00 HACH LANGE Dwutlenek wêgla wolny mg/dm 3 161,50 PN-74/C-04547.01 Tlen og mg/dm 3 0,34 PN-EN 258 14: 1999 Utlenialnoœæ mg/dm 3 23,00 PGLB-14: 19.08.2003 Dwutl. wêgla agresywny mg/dm 3 52,70 PGLB-05: wyd. 2 z dn. 03.09.2003 Wodorowêglany mg/dm 3 311,10 PN-EN ISO 9963-1 : 2001 Za³. A Krzemionka mg/dm 3 23,02 HACH LANGE Glin mg/dm 3 0,48 HACH LANGE 390
przy zastosowaniu narzêdzi numerycznego modelowania. Podobne analizy przeprowadzone zosta³y w 1996 roku dla instalacji w Pyrzycach (Górecki 2006), a ich wyniki by³y pomocne w wyjaœnieniu problemu kolmatacji u ytkowanych tam otworów. Baza danych termodynamicznych oparta na teorii SIT Aktualnie dostêpnych jest szereg komercyjnych aplikacji komputerowych s³u ¹cych obliczaniu równowag termodynamicznych poszczególnych sk³adników roztworów wodnych. Ogólnodostêpnymi aplikacjami komputerowymi s¹ m.in. PHREEQC, PHREEQCI, SEA- WAT, HYDROTHERM, WATEQ4F. Z uwagi na wzglêdn¹ prostotê obs³ugi oraz mo liwoœæ zastosowania ró nych baz danych termodynamicznych w procesie modelowania hydrochemicznego omówionego w dalszej czêœci artyku³u zdecydowano siê wykorzystaæ program PHREEQCI w wersji 2.17.4799. W wiêkszoœci prac naukowych traktuj¹cych o problemie wytr¹cania sta³ych faz mineralnych z roztworu geotermalnego z uwagi na szerokie spektrum zawartych sk³adników w procesie modelowania wykorzystywana jest baza danych WATEQ4F. Narzêdzie to bazuje na wzorze Debye`a-Huckela i dostosowane zosta³o do wód o niskiej sile jonowej I 0,5 (Parkhurst, Apello 1999). Aktywnoœæ podstawowych form wystêpuj¹cych w roztworze w tym przypadku wyliczana jest zgodnie z nastêpuj¹cym wzorem: 2 z A I log 1 I gdzie: wspó³czynnik aktywnoœci jonu, z ³adunek jonu, I si³a jonowa roztworu, A wspó³czynnik zale ny od temperatury i wartoœci sta³ej dielektrycznej wody. W algorytmie obliczeniowym pominiête zosta³o kompleksowanie, tworzenie siê par jonowych oraz inne procesy fizykochemiczne zachodz¹ce w roztworach o wysokiej mineralizacji. Zastosowana wersja aplikacji PHREEQCI umo liwia po³¹czenie z baz¹ danych opart¹ na teorii SIT (specyficznych interakcji jonowych). Teoria SIT wprowadza poprawkê do wzoru Debye`a-Huckela lepiej przybli aj¹c aktywnoœæ jonów w roztworach silnie zmineralizowanych. W tym przypadku obliczenia aktywnoœci wykonywane s¹ zgodnie z nastêpuj¹cym wzorem 2 051, I log z 1 15, I m 391
gdzie: wspó³czynnik aktywnoœci jonu, z ³adunek jonu, I si³a jonowa, empiryczny wspó³czynnik interakcji, m stê enie jonów podlegaj¹cych interakcjom. Wspó³czynniki koryguj¹ce wykorzystywanie w obliczeniu poprawek na wysok¹ mineralizacje roztworu s¹ danymi empirycznymi stanowi¹cymi wynik doœwiadczeñ laboratoryjnych, a nastêpnie ich ekstrapolacji metodami statystycznymi (Gaona i in. 2008; Grivé i in. 2009). W za³o eniu zastosowanie w procesie modelowania równowagi termodynamicznej wysokozmineralizowanego roztworu ujêtego odwiertem Gostynin GT-1 z wykorzystaniem bazy danych SIT winno dawaæ wyniki lepiej przybli aj¹ce jego stan rzeczywisty. W celu analizy wp³ywu zastosowania korekty na efekty numeryczne modelowania porównano wyniki uzyskane z zastosowaniem bazy danych WATEQ4F oraz SIT. Pod uwagê wziêto tylko te fazy mineralne, których sk³ad jonowy i kinetyka krystalizacji wskazuj¹, i mog¹ siê potencjalnie wytr¹ciæ w specyficznym œrodowisku instalacji geotermalnej oraz strefy oko³ofiltrowej otworu zat³aczaj¹cego. 2. PORÓWNANIE WYNIKÓW UZYSKANYCH PRZY ZASTOSOWANIU BAZY SIT I BAZY WATEQ4F Przeprowadzone modelowanie specjacyjne mia³o na celu porównanie wartoœci wskaÿnika SI dla kalcytu, illitu, montmorylonitu i getytu z wykorzystaniem baz danych WATEQ4F oraz SIT. Analizie poddano wp³yw spadku temperatury roztworu, nastêpuj¹cy w instalacji wymienników ciep³a oraz zmiany zawartoœci tlenu, jakie pojawiaæ siê mog¹ na skutek nieszczelnoœci instalacji napowierzchniowej. Zmiany takie mog¹ nastêpowaæ tak e w okresach zatrzymania obiegu wody i prac wymagaj¹cych rozszczelnienia ci¹gu technologicznego. Z uwagi na ograniczenia narzucone przez aplikacjê PHREEQCI zmiany temperatury zamodelowano liniowo w zakresie 62 20 C, zmiany zawartoœci tlenu natomiast punktowo w zakresie 0 4 mg/dm 3 w 8 krokach. Woda eksploatowana w trakcie próbnego pompowania mia³a na g³owicy otworu temperaturê 62 C oraz zawartoœæ tlenu 0,34 mg/dm 3 (Biernat i in. 2008). Wyniki uzyskane dla kalcytu z zastosowaniem ró nych baz danych nie odbiegaj¹ od siebie w ca³ym analizowanym zakresie zawartoœci tlenu i temperatur (rys. 1, 2) W przypadku illitu analiza z zastosowaniem bazy danych zawieraj¹cej poprawkê SIT obrazuje silniejsz¹ tendencjê do jego wytr¹cania z roztworu ni w przypadku zastosowania bazy nieuwzglêdniaj¹cej poprawki (WATEQ4F). Zauwa yæ nale y, i ró nica ma charakter systematyczny w ca³ym analizowanym zakresie zawartoœci tlenu i temperatur (rys. 3, 4). W przypadku montmorylonitu, modele wyraÿnie reaguj¹ na zastosowanie ró nych baz tak w przypadku zmian temperatury roztworu jak i zawartoœci tlenu (rys. 5, 6). W przypadku bazy 392
Rys. 1. WskaŸnik nasycenia SI kalcytu obliczony z zastosowaniem bazy danych WATEQ4F dla wody z otworu Gostynin GT-1 Fig. 1. Calcite Saturation Index (SI) for water from the Gostynin GT-1 borehole calculated with application of the WATEQ4F data base Rys. 2. WskaŸnik nasycenia SI kalcytu obliczony z zastosowaniem bazy danych SIT dla wody z otworu Gostynin GT-1 Fig. 2. Calcite Saturation Index (SI) for water from the Gostynin GT-1 borehole calculated with application of the SIT data base opartej na teorii Debye`a-Huckela (WATEQ4F) zaznacza siê odwrotnie proporcjonalny wzrost wartoœci wskaÿnika SI w zale noœci od temperatury. Zawartoœæ tlenu w analizowanym przedziale nie wp³ywa na stan równowagi. W przypadku zastosowania bazy SIT odnoto- 393
Rys. 3. WskaŸnik nasycenia SI illitu obliczony z zastosowaniem bazy danych WATEQ4F dla wody z otworu Gostynin GT-1 Fig. 3. Illite Saturation Index (SI) for water from the Gostynin GT-1 borehole calculated with application of the WATEQ4F data base Rys. 4. WskaŸnik nasycenia SI illitu obliczony z zastosowaniem bazy danych SIT dla wody z otworu Gostynin GT-1 Fig. 4. Illite Saturation Index (SI) for water from the Gostynin GT-1 borehole calculated with application of the SIT data base wujemy natomiast spadek wartoœci wskaÿnika wraz ze wzrostem zawartoœci tlenu. Zmiany temperatury w przypadku bazy WATEQ4F implikuj¹ liniow¹ zmianê stanu równowagi, w przypadku zaœ bazy SIT, wraz ze spadkiem temperatury wzrasta tendencja do wytr¹cania 394
Rys. 5. WskaŸnik nasycenia SI montmoryllonitu obliczony z zastosowaniem bazy danych WATEQ4F dla wody z otworu Gostynin GT-1 Fig. 5. Montmorillonite Saturation Index (SI) for water from the Gostynin GT-1 borehole calculated with application of the WATEQ4F data base Rys. 6. WskaŸnik nasycenia SI montmoryllonitu obliczony z zastosowaniem bazy danych SIT dla wody z otworu Gostynin GT-1 Fig. 6. Montmorillonite Saturation Index (SI) for water from the Gostynin GT-1 borehole calculated with application of the SIT data base montmorylonitu, ale jedynie do wartoœci oko³o 30 C. Dalsze obni anie temperatury roztworu powoduje spadek wartoœci wskaÿnika. Sugeruje to, i w kontekœcie zagro enia wytr¹caniem montmorylonitem najbardziej niekorzystne by³oby zat³aczanie wody o temperaturze 30 C. 395
Z najciekawsz¹ z punktu widzenia analizy wyników otrzymanych z zastosowaniem ró nych baz danych termodynamicznych sytuacj¹ mamy do czynienia w przypadku tlenków i wodorotlenków elaza bêd¹cych czêstym sk³adnikiem osadów powoduj¹cych przytykanie otworu. W przypadku getytu jak i pozosta³ych minera³ów elazistych odnotowujemy siln¹ zale noœæ wskaÿnika SI od zawartoœci tlenu w roztworze. W przypadku zastosowania bazy WATEQ4F wyniki wskazuj¹, e przy zawartoœci tlenu poni ej 1 mg/dm 3 tendencja do jego wypadania wzrasta skokowo o oko³o 6 7 jednostek. Sugerowa³oby to, e im mniej tlenu znajduje siê w roztworze tym wiêksze zagro enie wytr¹caniem minera³ów elazistych, co wydaje siê nieuzasadnione z uwagi na sk³ad tych minera³ów. Analizuj¹c wyniki uzyskane z zastosowaniem bazy SIT odnieœæ mo na wra enie, i s¹ one bardziej racjonalne. Tak jak w pierwszym z analizowanych przypadków zaznacza siê skokowy wzrost wartoœci wskaÿnika SI. W przeciwieñstwie natomiast do poprzedniego przypadku nastêpuje on wraz ze wzrostem zawartoœci tlenu rozpuszczonego. Wartoœæ krytyczna, po osi¹gniêciu której roztwór destabilizuje siê, to oko³o 2,5 mg/dm 3 (rys. 7, 8). Rys. 7. WskaŸnik nasycenia SI getytu obliczony z zastosowaniem bazy danych WATEQ4F dla wody z otworu Gostynin GT-1 Fig. 7. Goethite Saturation Index (SI) for water from the Gostynin GT-1 borehole calculated with application of the WATEQ4F data base Przyjmuj¹c drugi z modeli oparty na teorii SIT za wiarygodniejszy uznaæ nale y, i w Gostyniñskiej instalacji nie mo na dopuszczaæ do rozszczelnienia uk³adu, gdy dostêp tlenu atmosferycznego i jego rozpuszczenie w wodzie termalnej doprowadziæ mo e do drastycznego wzrostu tendencji do wytr¹cania minera³ów elazistych. 396
Rys. 8. WskaŸnik nasycenia SI getytu obliczony z zastosowaniem bazy danych SIT dla wody z otworu Gostynin GT-1 Fig. 8. Goethite Saturation Index (SI) for water from the Gostynin GT-1 borehole calculated with application of the SIT data base PODSUMOWANIE I DYSKUSJA Metoda polegaj¹ca na przybli aniu parametrów roztworu wodnego za pomoc¹ algorytmów obliczeniowych liczy sobie przesz³o 30 lat i jest wci¹ udoskonalana. Pojawiaj¹ siê coraz nowsze implementacje programów komputerowych, s³u ¹cych modelowaniu ci¹g³ego sk³adu chemicznego wód. W kontekœcie okreœlania parametrów roztworu geotermalnego na drodze jego eksploatacji, odbioru ciep³a i ponownego zat³oczenia do z³o a uzyskane wyniki obarczone mog¹ byæ licznymi b³êdami. Poni ej zestawiono najwa niejsze zdaniem autorów czynniki, maj¹ce wp³yw na jakoœæ uzyskiwanych wyników. Wiêkszoœæ z nich jest efektem trudnoœci w odwzorowaniu tak skomplikowanego fizykochemicznie ci¹gu technologicznego, jakim jest dubletowa instalacja geotermalna w œrodowisku programu komputerowego. Zastosowanie odpowiedniej bazy danych i aplikacji. Ogólnodostêpne programy do modelowania równowag termodynamicznych z za³o enia dostosowane by³y do wód o niskiej mineralizacji. W trakcie obliczeñ przeprowadzanych dla solanek z jakimi mamy do czynienia w przypadku odwiertu w Gostyninie (Bujakowski 2010) pomijany jest szereg reakcji i zale - noœci pomiêdzy jonami i kompleksami, z jakimi do czynienia mamy w œrodowisku o wysokiej sile jonowej (np. Witczak 1996). W niniejszym artykule przeprowadzono test porównawczy wyników uzyskanych dla tej samej próbki z zastosowaniem czêsto wykorzystywanej bazy WATEQ4F oraz opublikowanej niedawno bazy SIT, zawieraj¹cej zbiór danych stanowi¹cy 397
empiryczn¹ poprawkê na wysok¹ mineralizacjê. Zdaniem autorów bazy po³¹czenie jej zasobów z aplikacj¹ umo liwiaj¹c¹ wprowadzenie korekty stosunkowo dobrze przybli a parametry wysokozmineralizowanych roztworów. Dyskusji poddaæ nale y fakt, i dane zawarte w bazie zaczerpniête zosta³y z wyników doœwiadczeñ laboratoryjnych. W toku dalszych prac nad hydrochemicznym stanem roztworu geotermalnego nale a³oby zweryfikowaæ ich zasadnoœæ w specyficznym œrodowisku, jakie stanowi z³o e i instalacja geotermalna. Zmiany ciœnienia. Kolejnym nadal nierozwi¹zanym modelowo problemem s¹ zmiany ciœnienia roztworu na drodze jego obiegu, implikuj¹ce m.in. zmiany iloœci gazów rozpuszczonych. W trakcie obiegu w instalacji ciœnienie, jakiemu poddawany jest roztwór ulega obni eniu, a nastêpnie ponownemu podwy szeniu. Nie pozostaje to bez wp³ywu na stan roztworu. Przyk³adowo zawartoœæ CO 2 wp³ywa na równowagê wêglanow¹ roztworu, powoduj¹c zmiany udzia³u poszczególnych form wêgla, co z kolei wp³ywa na stan nasycenia roztworu w stosunku do minera³ów wêglanowych i wp³ywa na ogóln¹ agresywnoœæ wody do innych faz mineralnych. W wynikach przedstawionych powy ej, jak i w innych zawartych w literaturze, wp³yw zmian ciœnienia jest pomijany. Wynika to z braku dostêpnoœci danych. Ciœnienia rzeczywiste panuj¹ce w instalacji staj¹ siê mo liwe do pomierzenia dopiero w momencie uruchomienia obiegu, w Gostyninie natomiast trwaj¹ dopiero prace nad projektem zagospodarowania z³o a. Do dnia dzisiejszego odwiercono jedynie jeden otwór. Brakuje w zwi¹zku z tym wiarygodnych danych wejœciowych do analizy numerycznej. Zaznaczyæ nale y, i aktualnie dostêpne narzêdzia numeryczne pozwalaj¹ na modelowanie zmian ciœnienia na drodze filtracji, niemniej interpretacja wyników tego typu analiz zwi¹zana jest z kolejn¹ grup¹ zagadnieñ do rozwi¹zania. Dotychczas próby tego typu w polskiej literaturze nie zosta³y opisane. Kinetyka reakcji. W trakcie numerycznej oceny tendencji do wytr¹cania sta³ych faz mineralnych z roztworu geotermalnego aplikacja oblicza ogóln¹ aktywnoœæ poszczególnych form wystêpuj¹cych w roztworze. Czas wytr¹cania/rozpuszczania faz mineralnych w wiêkszoœci przypadków jest pomijany. Aplikacja pozwala co prawda na obliczenie czasu trwania reakcji, niemniej dane wejœciowe nale y uzupe³niaæ dla ka dej reakcji z osobna w trakcie przygotowywania pliku wejœciowego. Zadanie to wydaje siê niezwykle czasoch³onne, jednak w kontekœcie zagro enia instalacji geotermalnej zjawiskiem inkrustacji niezwykle istotne. Uzyskiwany w trakcie modelowania plik wynikowy zawiera wartoœci wskaÿnika SI do wszystkich faz, które potencjalnie mog¹ powstaæ. Bez informacji liczbowych odnoœnie czasu trwania poszczególnych reakcji osoba analizuj¹ca wyniki staje przed problemem okreœlenia, czy tempo przebiegu reakcji jest na tyle du e, e w projektowanym czasie funkcjonowania uk³adu bêdzie to stanowi³o problem. Przyk³adowo wiadomo, e krzemiany pierwotne nie wytr¹c¹ siê z roztworu wodnego w skali ycia ludzkiego, mimo i wskazuj¹ na to wartoœci odpowiadaj¹cych im wskaÿników nasycenia. W niniejszym artykule przeanalizowane zosta³y jedynie te fazy sta³e, które zdaniem autorów wspartych doœwiadczeniami innych zak³adów geotermalnych funkcjonuj¹cych na terenie Polski wskazuj¹, i mog¹ one stanowiæ zagro enie. Obs³uga programu komputerowego. Warto zauwa yæ, e powa ny b³¹d w trakcie procesu modelowania mo e byæ spowodowany stosowaniem przecinków w miejsce kropek oddzielaj¹cych wartoœci dziesiêtne. Program PHREEQC nie zasygnalizuje w tym przypadku 398
b³êdu, natomiast wartoœci znajduj¹ce siê po przecinku zostan¹ pominiête. Wa n¹ rolê odgrywa to szczególnie w przypadku specjacji, w których sk³ad wchodz¹ pierwiastki w iloœciach poni ej 1 mg/l. W przypadku zadawania ich do pliku Ÿród³owego w postaci oddzielonej przecinkiem program ca³kowicie pominie ich zawartoœæ. Tego typu b³¹d mo e powodowaæ zmianê obliczonej wartoœci si³y jonowej nawet dziesiêciokrotnie (Ciepiela 2007). Jakoœæ i zakres analiz laboratoryjnych. Kolejnym, istotnym z punktu widzenia wiarygodnoœci uzyskanych w procesie modelowania wyników jest problem ograniczonej iloœci oznaczanych w trakcie prac laboratoryjnych pierwiastków. Iloœæ sk³adników opisywana w pliku wejœciowym ma du e znaczenie dla wyników modelowania. Np. pominiêcie jednego kationu w analizie mo e zaburzaæ wyniki modelowania wszystkich faz, które w swych specjacjach mog¹ zawieraæ lub zawieraj¹ dany sk³adnik (Tomaszewska, Barbacki 2008). Bior¹c pod uwagê tak du ¹ liczbê zmiennych, których w chwili obecnej nie mo na precyzyjnie oznaczyæ, zastanowiæ siê nale y nad zasadnoœci¹ wykorzystania aplikacji z rodziny PHREEQC i im podobnych w trakcie projektowania i eksploatacji dubletowych instalacji geotermalnych. Z drugiej zaœ strony stoi nierozwi¹zany do dnia dzisiejszego na gruncie polskim problem inkrustacji otworu i koniecznoœci opracowania szybkiej, skutecznej, a przede wszystkim taniej metody kondycjonowania roztworów termalnych. Oczywistym wydaje siê fakt, i w praktyce badawczo-rozwojowej wykorzystuje siê modele dla obni enia kosztów badañ i uzyskania mo liwoœci lepszego opisu procesów. Technologie geotermalne s¹ stosunkowo m³ode i wymagaj¹ ci¹g³ych badañ i udoskonalania. Liczne zmiany parametrów fizykochemicznych uk³adu woda ska³a i/lub woda ci¹g instalacyjny przysparzaj¹ ogromnych trudnoœci w konstrukcji modeli fizycznych, a tym bardziej numerycznych. Rozwi¹zaniem pozwalaj¹cym uzyskaæ dobre wyniki w kondycjonowaniu roztworu wydaj¹ siê wiêc testy na funkcjonuj¹cej instalacji, polegaj¹ce na dawkowaniu w obrêb obiegu roztworów kondycjonuj¹cych i obserwacji reakcji uk³adu. Za polski przyk³ad pos³u yæ mo e instalacja geotermalna w Pyrzycach (Biernat i in. 2010). Niestety, testy tego typu s¹ czasoch³onne, kosztowne i mog¹ byæ wykonywane dopiero po oddaniu instalacji do eksploatacji. Nie umo liwiaj¹ przez to okreœlenia czasu bezawaryjnej eksploatacji na etapie projektu zagospodarowania z³o a. W kontekœcie budowy nowych zak³adów geotermalnych na Ni u Polskim problem ewentualnej inkrustacji klasyfikowaæ przez to nale y w kategorii kosztów ubocznych, zwi¹zanych z ryzykiem geologicznym. Niezbêdne wydaj¹ siê dalsze badania z wykorzystaniem modeli fizycznych wspartych modelami numerycznymi. Ci¹g³y rozwój technik komputerowych przyczyniaj¹cy siê do zwiêkszenia mo liwoœci narzêdzi numerycznych po³¹czony z licznymi analizami chemicznymi w skali mikro, pozwoliæ powinien na wypracowanie sprawnych metod przewidywania stanu roztworu, jakim bêdzie siê on charakteryzowa³ w trakcie dzia³ania uk³adu na podstawie parametrów fizyczno-chemicznych próbki wody z pierwszego odwiertu. Bior¹c pod uwagê niski koszt tworzenia modelu warto go rekomendowaæ jako niezbêdny element dokumentacji z³ó wód termalnych, gdy daje on pogl¹d o ogólnych trendach panuj¹cych w roztworze. Mo e to stanowiæ zasadny wstêp do dalszych szczegó³owych rozwa añ w przypadku zidentyfikowania produktów krystalizacji po oddaniu uk³adu geotermalnego do eksploatacji. 399
LITERATURA BIERNAT H., BENTKOWSKI A., POSYNIAK A., 2008 Dokumentacja hydrogeologiczna ujêcia wód termalnych z utworów jury dolnej w otworze Gostynin GT-1 (sprawozdanie z pierwszego etapu prac objêtych koncesj¹ nr 7/2007/p) Polgeol, Warszawa, niepublikowane, Arch. PEC Gostynin sp. z o.o. BIERNAT H., KULIG S., NOGA B., 2009 Mo liwoœci pozyskania energii geotermalnej i problemy zwi¹zane z eksploatacj¹ ciep³owni geotermalnych wykorzystuj¹cych wody termalne z kolektorów porowych II Ogólnopolski Kongres Geotermalny Bukowina Tatrzañska, 23 25 wrzeœnia (Materia³y konferencyjne CD). BIERNAT H., KULIK S., NOGA B., 2010 Problemy zwi¹zane z eksploatacj¹ ciep³owni geotermalnych wykorzystuj¹cych wody termalne z kolektorów porowych TPG 1 2, str. 17 29. BUJAKOWSKI F., 2010 Modelowanie równowag termodynamicznych wód z hotyzontu dolnojurajskiego ujêtych w odwiercie geotermalnym Gostynin GT-1. Przegl¹d Naukowy, In ynieria i Kszta³towanie Œrodowiska 3 (49), str. 63 74. CIEPIELA K., 2007 Czynniki wp³ywaj¹ce na wyniki modelowania specjacyjnego na przyk³adzie wód podziemnych ró nych œrodowisk litologicznych. Praca magisterska na kierunku Geologia. Arch. Wydzia³u Geologii UW. GÓRECKI W., 2006 Atlas zasobów geotermalnych na Ni u Polskim. Wyd. AGH, Kraków. GAONA X., TAMAYO A., GRIVÉ M., DURO L., 2008 Review and assessment of enthalpy data: procedures for data estimation and final data selection for aqueous species. June 2008. Project ANDRA-TDB6- GRIVÉ M., RIBA O., MONTOYA V., DURO L., 2009 Update of the ThermoChimie database: Reporting of new data selection 2009. November 2009 Project ANDRA-TDB6-Task1. PARKHURST L., APELLO C.A.J., 1999 Users`s Guide to PHREECQC (Version 2) Denver, USA. PITZER K.S., 1979 Theory-Ion, approach. R.M. Pytkowicz, ed. Activity Coefficients in electrolyte solutions tom. 1, CRC Press, Inc, Boca Rotan, Florida, USA, str. 157 208. TOMASZEWSKA B., BARBACKI A.P., 2008 Wstêpne rozpoznanie w³aœciwoœci Hydrogeochemicznych wód termalnych w rejonie Gostynina, TPG 1 2, str. 59 68. WITCZAK S., 1996 Badania ci¹g³ego sk³adu chemicznego wody geotermalnej, procesów korozyjnoœci oraz warunków powstawania osadów. Raport z wykonania prac objêtych projektem celowym pod nazw¹: Ciep³ownia geotermalna w Pyrzycach, Opinia dot. Przyczyn kolmatacji filtrów w instalacji geotermalnej Pyrzyce, Archiwum Geologiczne, Przedsiêbiorstwo Geologiczne Polgeol. 400
APPLICATION OF THE SIT THEORY IN THE NUMERICAL EVALUATION OF THE TENDENCY OF SOLID MINERAL PHASE PRECIPITATION FROM GEOTHERMAL SOLUTION AS EXEMPLIFIED BY DATA FROM THE GOSTYNIN GT-1 BOREHOLE Abstract Following the analysis of thermal water from the Gostynin GT-1 intake, analyses of thermodynamic balances existing in the solution were performed. Modelling which was carried out employed two data bases: WATEQ4F based on the Debye-Huckel theory and SIT, based on the same theory but containing empirical data which correct the high ionic force of the solution which results from its high mineralisation. Applying the mineralisation correction exerted influence on the results of the experiment. Laboratory tests are required to verify the relevance of using the SIT base in reference to thermal waters exploited in the Polish conditions. Considering the fact that boreholes are under threat of incrustation, the method of calculating thermodynamic balances with the use of computer software is imprecise. The results depend on many variables that are difficult to be determined which makes the result potentially considerably erroneous. However, the fast development of computer techniques and chemical data bases make the obtained results more and more precise. Taking the low cost of producing the model into account, it is worth recommending as an indispensable element of documentation of thermal water resources since it provides a view on general tendencies which exist in the solution. Key words Thermal water, geothermal energy, hydrochemical modelling, thermodynamics, saturation index