SPSKS
Obsah
1.
2.
Úvod ................................................................................................................................... 4
Vlastnosti geohydrodynamických systémů ........................................................................ 4
2.1 Fyzikální vlastnosti hornin .......................................................................................... 4
2.1.1
Pórovitost ............................................................................................................. 5
2.1.2
Propustnost (pemeabilita)................................................................................... 16
2.2 Fyzikální vlastnosti tekutin........................................................................................ 31
2.2.1
Viskozita (vazkost) tekutin................................................................................. 32
2.2.2
Povrchové napětí kapaliny ................................................................................. 38
2.3 Systémy tvořené kolektorskými horninami a tekutinami, které je vyplňují.............. 55
3. Klasifikace geohydrodynamických systémů .................................................................... 57
4. Zdroje vrstevní energie..................................................................................................... 60
4.1 Základní pojmy.......................................................................................................... 60
4.2 Samostatné zdroje vrstevní energie ........................................................................... 62
4.3 Odpory bránící pohybu tekutiny vrstvou................................................................... 68
5. Teorie filtrace tekutin ....................................................................................................... 75
5.1 Shrnutí základních poznatků ..................................................................................... 75
6. Otvírka ložisek ropy a zemního plynu ............................................................................. 83
6.1 Vyhledávání a průzkum ložisek ................................................................................ 83
6.1.1
Vyhledávací a geofyzikální průzkum................................................................. 83
6.1.2
Podrobný průzkum – hlubinné vrty.................................................................... 87
6.2 Těžební otvírka ložisek.............................................................................................. 88
7. Těžba ropy........................................................................................................................ 90
7.1 Metody těžby ropy..................................................................................................... 90
7.2 Těžební sondy a jejich vystrojení .............................................................................. 91
7.3 Primární metody těžby............................................................................................... 93
7.3.1
Těžba kontrolovaným tokem - samotoková těžba.............................................. 94
7.3.2
Mechanizovaná těžba ....................................................................................... 102
7.4 Sekundární metody těžby ........................................................................................ 120
7.5 Terciérní metody těžby............................................................................................ 121
8. Těžba zemního plynu ..................................................................................................... 124
8.1 Základní charakteristika a komplikace při těžbě zemního plynu ............................ 124
8.2 Vystrojení plynové těžební sondy ........................................................................... 127
8.3 Těžba plynokondenzátních ložisek.......................................................................... 127
9. Účinky těžby ropy a zemního plynu na životní prostředí .............................................. 130
9.1 Možné vlivy vrtných pracovišť na okolní životní prostředí .................................... 130
9.1.1
Popis operací, obsahující průzkumné a těžební vrtání a hodnocení jejich vlivu na
životní prostředí.............................................................................................................. 130
9.1.2
Plán opatření pro případ havarijního zhoršení jakosti vod............................... 132
9.2 Těžební sondy.......................................................................................................... 133
9.2.1
Technologická část u těžebních sond s aplikací mechanizované těžby ropy ... 134
9.2.2
Technologická část u těžebních sond těžících samotokem .............................. 136
9.2.3 Možné vlivy provozu těžebních sond na okolní životní prostředí ........................ 136
9.2.4
Sběrný systém a úprava ropy a zemního plynu................................................ 136
9.2.5
Technologický proces úpravy vytěžené ropné kapaliny .................................. 137
9.2.6
Možné vlivy provozu pomocných měřicích středisek a sběrných naftových
středisek na okolní životní prostředí .............................................................................. 137
9.2.7
Podzemní opravy sond ..................................................................................... 139
9.3 Metody průzkumu kontaminovaných lokalit........................................................... 140
9.3.1 Průzkum nesaturované zóny.................................................................................. 142
SPSKS
2
9.3.2 Průzkum saturované zóny ..................................................................................... 144
9.4 Klasifikace lokalit z hlediska ohrožení životního prostředí .................................... 145
9.4.1 Parametry určující výběr sanačních postupů......................................................... 147
10.
Sanace dobývacího prostoru po těžbě ......................................................................... 148
10.1
Likvidace starých těžebních sond ........................................................................ 148
10.1.1 Plán likvidace ................................................................................................... 149
10.1.2 Typový technologický postup pro likvidaci těžební sondy................................. 149
10.2 Metody sanace kontaminovaného prostředí ............................................................... 151
10.2.1 Pojem sanace a rekultivace ................................................................................. 151
10.2.2 Rozdělení sanačních metod ................................................................................. 151
10.2.3 Postup vyhodnocování a sanace starých ekologických zátěží............................. 152
Literatura ................................................................................................................................ 155
SPSKS
3
1.
Úvod
Obsah skript je zpracován tak, aby splňoval stanovený obecný cíl předmětu. Tato skripta
navazují na již zpracované kapitoly zaměřené na problematiku vrtných prací spojených
s těžební činností. V první části skript jsou podrobně popsány vlastnosti
geohydrodynamických systémů a problematika filtrace tekutin, jenž tvoří základ pro druhou
část skript zabývající se vlastní těžbou a vlivem těžby ropy a zemního plynu na životní
prostředí.
2.
Vlastnosti geohydrodynamických systémů
Soustava vzájemných hydrodynamicky komunikujících kolektorů a různých pohyblivých
tekutin, jimiž jsou tyto kolektory nasyceny, se označuje jako geohydrodynamický systém.
V systémech pak rozlišujeme:
Geologická tělesa (kolektory, izolátory, nepropustné horniny apod.) a jejich fyzikální
vlastnosti, zejména měrná hmotnost, měrná tíha, pórovitost celková (absolutní) a otevřená,
propustnost (permeabilita), součinitel propustnosti a součinitel absolutní průtočnosti.
Tělesa tekutin a jejich fyzikální vlastnosti. Pro obecné označení akumulace tekutiny uvádí J.
Jetel (1982) pojem reosom (geofluidon) [z řeckého rein = téci, sóma = těleso]. Podle druhu
tekutiny, kterým je reosom tvořen pak lze rozlišit hydrosom (zvodeň), tvořený podzemní
vodou; eleosom (řecky elaion = olej), tvořený ropou a pneumosom (řecky pneuma = duch,
plyn), tvořený plynem.
SPSKS
Fyzikální vlastnosti tekutin uplatňující se v podzemní hydraulice jsou zejména tyto – měrná
tíha, dynamická a kinematická viskozita a její změny s teplotou a tlakem, rozpustnost plynů
v kapalinách a povrchové napětí na hranicích nemísitelných tekutin.
Integrací geologických těles s tělesy tekutin dochází k vytvoření systémů, označovaných jako
geohydrodynamické. Jednotlivé hydraulické vlastnosti těchto systémů označujeme jako
hydraulické parametry. Jsou to: různé druhy účinné pórovitosti, součinitel filtrace a
průtočnosti, součinitel hydraulické vodivosti (tlakové a hladinové), součinitel pružné
jímavosti, součinitel měrné zásobnosti apod.
2.1
Fyzikální vlastnosti hornin
Základní pojmy
Soubor vlastností hornin a horninových (geologických) těles, které se rozhodujícím způsobem
uplatňují při pohybu a akumulaci tekutin v horninovém prostředí, je označován jako fyzikální
(hydraulické) vlastnosti hornin. Základními fyzikálními vlastnostmi horninového prostředí
jsou pórovitost/celková (absolutní) a otevřená/ a propustnost.
Další hydraulické vlastnosti kolektorů jsou pak funkcí propustnosti, pórovitosti,
geometrických charakteristik horninových těles, fyzikálních vlastností tekutin a některých
dalších faktorů.
Pojmem kolektor je označováno horninové prostředí, v němž dochází při určitém tlakovém
gradientu (dosahovaném při přírodních procesech nebo v technické praxi) k proudění tekutin.
Schopnost kolektoru propouštět tekutiny je podmíněná existencí navzájem propojených
4
prostor - dutin (nejrůznějšího původu, velikosti a tvaru), souhrnně označovaných jako póry,
jejichž průměr je alespoň tak velký, že adhesní síly působící mezi povrchem horninových
částic a tekutinou, nezabrání pohybu molekul tekutin tímto pórovým prostranstvím. Jako
zvláštní typ kolektoru uváděla ČSN 73 6511 v čl. 334 propustnou vrstvu, definovanou jako:
„typ kolektoru tvořený vrstvou horniny“ a v čl. 329 i propustnou horninu jako „horninu, v níž
může nastat pohyb vody“.
Nepropustné nebo relativná nepropustné horninové prostředí je označováno jako izolátor.
Podle zmiňované ČSN byly definovány izolátory jako: „horninové prostředí, jehož
propustnost je ve srovnání s bezprostředně sousedícím horninovým prostředím natolik menší,
že gravitační voda se jím může pohybovat mnohem nesnadněji za jinak stejných
hydraulických podmínek“. Norma vyčleňovala rovněž termín nepropustná hornina; „je to
hornina, která nedovoluje pohyb vody“. Zpravidla se za nepropustnou pokládá hornina při
filtračním součiniteli menším než 1 . 10-7 m . s-1.
2.1.1 Pórovitost
Každé horninové prostředí obsahuje ve svém objemu řůzné druhy dutin (póry, pukliny,
kaverny, ...), pro které se nejčastěji používá souhrnný termín póry.
Póry definujeme jako prostory různého tvaru, velikosti a původu v půdě nebo mezi zrny
hornin, nevyplněné tuhou fází.
Pojem pórovitosti bude tedy představovat součet všech tuhou fází nevyplněných prostor v
hornině, od velkých dutin a puklin až po ty nejmenší póry
Pro potřeby praxe však musíme rozlišovat:
a) pórovitost celkovou (absolutní, úplnou)
- Pc
b) pórovitost otevřenou (komunikující)
- Po
c) pórovitost účinnou (efektivní)
- Pu
SPSKS
Schematické znázornění jednotlivých druhů pórovitosti je uvedeno na obr. č. 2.1
Obr. č. 2.1: Schematické znázornění jednotlivých druhů pórovitosti
5
ad a) Pórovitost celková Pc
je poměr celkového objemu pórů ve vzorku horniny, bez ohledu na jejich komunikaci,
k objemu celkového vzorku (včetně pórů):
[1]
kde:
Vpc = součet objemů všech pórů v hornině
Vhc = celkový objem horniny včetně pórů (viz obr. 2.2)
Vs = objem horninového skeletu
Vhc
=
Vs
+
Vpc
Obr. č. 2.2: Celkový objem horniny včetně pórů
Celkovou pórovitost lze laboratorně stanovit vážením – z rozdílu měrné a objemové
hmotnosti
SPSKS
[%]
[2]
kde: ρ = měrná hmotnost horniny = poměr hmotnosti horninového skeletu (ms)
k objemu horninového skeletu (Vs), tj. bez pórů, trhlin a puklin
[kg . m-3]
[3]
Pro běžné určování měrné hmotnosti se používá buď metody pyknometrické nebo
volumetrické. Pro získání velmi přesných údajů je používáno metody heliometrické.
ρo = objemová hmotnost horniny = poměr hmotnosti horninového vzorku (mo) k objemu
horninového vzorku (Vhc); tj. včetně pórů, trhlin a puklin:
[kg . m-3]
[4]
Laboratorně se nejčastěji pro stanovení objemové hmotnosti používá tzv. metody trojího
vážení – vážení volného vzorku na vzduchu (mo), vzorku s parafinovou vrstvou na vzduchu
(m1) a vzorku s parafinovou vrstvou v destilované vodě (m2)
[5]
kde: ρv = měrná hmotnost vody při teplotě vážení
ρp = měrná hmotnost parafinu při teplotě vážení
6
Dále se rovněž používá metoda tzv. dvojího vážení – na vzduchu a ve rtuti. Použití rtuti je
výhodné v tom, že jako inertní látka nevniká do vzorku a nemusíme proto chránit vzorek
parafinovým obalem; měření však vyžaduje použití speciálně k tomu zkonstruovaného
přístroje.
V praxí se rovněž používá pojem objemová hmotnost úložní (ρu), což je poměr hmotnosti
neporušeného horninového vzorku v rostlém stavu (mu), tj. včetně pórů, trhlin, puklin a vody
v nich obsažené, k objemu celého měřeného vzorku horniny (Vhc):
[6]
ad b) Pórovitost otevřená Po
je poměr objemu všech navzájem komunikujících pórů (Vpo) v horninovém vzorku
k objemu tohoto vzorku včetně pórů (Vhc)
[7]
Hodnota otevřené pórovitosti se laboratorně stanovuje na vzorcích horniny vysušených za
teploty 105 °C, při které dochází k uvolnění pevně vázané vody z povrchu horninových částic.
Pro výpočet koeficientu otevřené pórovitosti je nutno znát alespoň dva z objemů
charakterizujících zkoumaný vzorek horniny, tj. skutečný objem horniny (Vhc) a objem
navzájem komunikujících pórů (Vpo) nebo čistý objem horniny (Vh). Nejčastěji je k určení
skutečného objemu horniny používán rtuťový volumetr a po stanovení (Vpo), resp. (Vh)
plynový volumetr.
Na rtuťovém volumetru se odečítá objem rtuti vytlačené vložením měřeného vzorku do
nádoby o konstantním objemu. Přesnost měření u běžně používaných aparatur je ± 0,1 cm3.
Na plynovém volumetru je určován (Vpo), resp. (Vh) podle úbytku objemu plynu v uzavřené
nádobě o konstantním objemu po vložení vzorku. Přesnost měření dosahuje hodnota ± 0,15
cm3.
Z dalších metod používaných pro stanovení objemu komunikujících pórů lze uvést:
- sycení pórů inertní kapalinou,
- vytěsňování vzduchu z pórů.
SPSKS
ad c) Pórovitost účinná Pu
je hydraulickým parametrem charakterizujícím vlastnosti geohydrodynamických
systémů. Blíže viz kapitola 2.3.
Póry můžeme dále dělit do dvou skupin a to:
1. podle původu na póry: prvotní (syngenetické)
druhotné (epigenetické)
2. podle velikosti na póry: podkapilární (subkapilární)
kapilární
nadkapilární.
ad 1) Dělení podle původu
A. Póry prvotní (syngenetické)
Tyto póry vznikají současně s horninou a mohou být v podstatě dvojího druhu:
- póry mezi zrny, z nichž je hornina tvořena (mezizrnná mezernatost),
7
- pory (štěrbinky, spáry)
granulometrického složení
mezi
vrstvičkami
různého
litologického
nebo
B. Póry druhotné (epigenetické)
Tyto póry vznikají v hornině dodatečně, v důsledku různých změn. Podle příčiny
vzniku je možno tyto póry rozdělit následovně:
- dutiny vznikající rozpuštěním (vyluhováním) některých složek tvořících horninu
(např. krasové jevy ve vápencích),
- dutiny vznikající následkem změn objemu některých složek tvořících horninu při
dehydrataci, dolomitizaci apod. Významná je zvláště dolomitizace vápenců, při nichž
dochází ke zmenšení původního čistého objemu horniny až o 12 %,
- pukliny vznikající v horninách působením endogenních a exogenních sil.
Podle tvaru dutin (pórů s. l.) pak lze rozlišovat několik druhů pórovitosti:
a) průlinovou
b) puklinovou
c) dutinovou
Jejich schematické znázornění je uvedeno na obr. č. 2.3
SPSKS
Obr. č. 2.3: Druhy pórovitosti podle tvaru dutin
a) průlinová
b) puklinová
c) dutinová
Podle velikosti rozlišujeme ČSN 73 6511 pro prostředí a oběh podpovrchových vod póry
kapilární a nekapilární.
Kapilární póry (průliny) – ve kterých pohyb a hydromechanické účinky vody jsou důsledkem
převládajícího působení kapilárních sil.
Nekapilární póry (průliny) – ve kterých pohyb a hydromechanické účinky vody jsou
důsledkem převládajícího působení gravitace.
Pro potřeby těžby ropy a zemního plynu jsou póry děleny podle velikosti (hranice jsou dány
konvenčně), do tří skupin, na:
A) neprůtočné (podkapilární, resp. subkapilární) s průměry pórů pod 2 . 10-4 mm, nebo šířkou
štěrbiny pod 1 . 10-4 mm. Vliv molekulárních sil horniny zde dosahuje až do středu pórů.
Mezimolekulární síly mezi kapalinou a povrchem částic jsou zde tak velké, že za přírodních
podmínek není pohyb kapalin v tomto prostředí prakticky možný.
8
B) kapilární, s průměry pórů mezi 2 . 10-4 mm do 0,508 mm nebo šířkou štěrbiny od 1 . 10-4
mm do 0,254 mm. K pohybu tekutin je zapotřebí – při jednofázové tekutině zcela vyplňující
kapiláru pouze síla překonávající její vnitřní tření, při dvou a vícefázových směsích síla
překonávající navíc mezifázové napětí na rozhraní nemísitelných fluid.
C) nadkapilární, s průměry pórů nad 0,508 mm nebo šířkou štěrbiny nad 0,254 mm. Tekutina
v těchto pórech je schopna pohybu působením gravitační síly a to i v případě, že v pórech
vznikne mezifázové napětí na hranici kapaliny a bublinek plynu.
Horninový skelet je stlačitelný, a proto hodnota koeficientu pórovitosti závisí na hloubce, tedy
na geostatickém tlaku hornin. Na obr. č. 2.4 jsou uvedeny dva možné případy stlačení hornin.
U pískovce se jedná o tzv. vratnou (reversní) stlačitelnost, kdy deformace probíhá v mezích
pružnosti a u jílovců o stlačitelnost nevratnou, s trvalou (většinou plastickou) deformací. To
znamená, že vzorek (jádro) jílovcové horniny odebrané v hloubce např. 1 800 m vykazuje na
povrchu stejnou hodnotu koeficientu pórovitosti (4 %) jako v podmínkách in situ. U pískovců
dochází po vytažení jádra na povrch k odlehčení a tím ke zvětšení objemu vzorku.
Laboratorně stanovená hodnota koeficientu pórovitosti neodpovídá tedy zcela přesně
hodnotám, které hornina má v přírodních podmínkách.
SPSKS
Obr. č. 2.4: Závislost hodnoty koeficientu pórovitosti na hloubce uložení hornin
Stlačitelnost pórů
U sedimentárních hornin způsobuje nárůst jejich mocnosti postupné stlačování spodních
vrstev. To má za následek redukci celkového objemu horninové hmoty (Vhc) a tím i zmenšení
pórovitosti. Velikost tohoto zmenšení závisí na hloubce uložení a na druhu horniny.
V průběhu odtěžování vrstevních tekutin klesá tlak v pórech a vlivem tlaku nadloží jsou póry
dále stlačovány. U velkých ložisek může být tato redukce tak významná, že se projeví
poklesem půdy na povrchu. Např. na ložisku ropy a zemního plynu v Wilmingtonu
v Kaliformii dosáhl pokles uprostřed těžební oblasti hodnoty 8 m.
Celková stlačitelnost pórovité horniny (Sc) vyplývá ze stlačitelnosti mateční horniny (Sm) a
stlačitelnosti pórů (Sp) viz obr. č. 2.5
Vrstevní tlak působí v pórech horniny proti geostatickému tlaku. Rozdíl mezi geostatickým
tlakem (pg) a tlakem v kolektoru (pv) se nazává mezivazební tlak (viz obr. 2.6).
9
Obr. č. 2.5: Schematické znázornění celkové
stlačitelsnoti pórovité horniny
Obr. č. 2.6: Tlaky působící v kolektoru
V nádržních vrstvách se mohou vyskytovat všechny uvedené typy i velikosti pórů a mohou
měnit své hodnoty jak ve vertikálním, tak v horizontálním směru.
Pohyb viskozních kapalin těmito nepravidelnými a mnohotvárnými póry nelze v podstatě
matematicky zpracovat. Proto je v podzemní hydraulice k odvození základních zákonů
používáno zjednodušujících modelů pórového prostřed – tzv. ideální a fiktivní horniny.
Ideální hornina (obr. č. 2.7) je tvořena pórovitým prostředím, ve kterém jsou kanálky tvořeny
systémem rovnoběžných trubiček.
SPSKS
Obr. č. 2.7: Schéma ideální horniny
Fiktivní hornina (obr. č. 2.8) je tvořena částicemi kulového tvaru o stejných průměrech.
Odpovídají-li filtrační odpory skutečnému kolektoru, označuje se jako ekvivalentní.
V opačném případě jako neekvivalentní.
Obr. č. 2.8: Uložení zrn ve fiktivní
hornině
A – tzv. krychlové (volné)
B – čtyřstěnové (těsné)
10
Ke stanovení základních poznatků o pórovitosti je využíváno tzv. fiktivní horniny. Vzhledem
k její stavbě lze pórovitost snadno stanovit na základě čistě geometrických vztahů.
Při výpočtech vycházíme z poznatku, že částice fiktivní horniny mohou zaujímat různé
uložení mezi dvěma krajními případy:
- tzv. krychlové (volné) uložení zrn, kdy úhel svíraný spojnicemi středů sousedních kuliček
ν = 90°;
- tzv. čtyřstěnové (těsné) uložení zrn, kdy úhel ν = 60° (obr. č. 2.8).
Pro stanovení koeficientu pórovitosti (P) je užíván Slichterův vztah: 9
[9]
Dosadíme-li do vztahu 9 mezní hodnoty úhlu ν, obdržíme
ν = 60°,
ν = 90°,
P = 0,2595, tj. ] 26 %
P = 0,4764, tj. ] 47,6 %
z čehož vyplývá, že se hodnota koeficientu pórovitosti fiktivní horniny bude pohybovat
v mezích od 26 – 47,6 %. V případě fiktivní horniny budou hodnoty celkové a otevřené
pórovitosti stejné.
Na obr. č. 2.9 je znázorněn tvar pórových kanálků, jimiž se bude pohybovat vrstevní kapalina
při tzv. volném uložení zrn.
SPSKS
Obr. č. 2.9: A – element fiktivní horniny při volném
uložení zrn; B – tvar pórových kanálků při volném uložení
Se způsobem uložení zrn horniny souvisí i velikost průtočných průřezů kanálků (f) – obr. č.
2.8.
V obecném případě, kdy platí podmínka 60° ≤ ν ≤ 90° bude průtočný průřez pórů dán
vztahem 10
[10]
Pro mezní případy dostáváme:
- při nejvolnějším uložení:
f = 4 R2 – πR2 = 0,86 R2
- při nejtěsnějším uložení:
11
Poměr průtočného kanálku (f) k celkové ploše kosočtverce omezeného spojnicemi středů 4
sousedních zrn (F) je označován jako koeficient mezernatosti – neboli mezernatost (n).
[11]
Z tohoto vztahu je zřejmé, že mezernatost nezávisí na průměru zrn fiktivní horniny, ale na
způsobu uložení, daném úhlem (ν). V mezních případech bude mezernatost nabývat těchto
hodnot:
ν = 60°,
n = 0,0931 = 0,1
ν = 90°,
n = 0,2146 = 0,2
Z obr. č. 8 však vyplývá, že veličina (n) stanovená pomocí vztahu (11), charakterizuje průřezy
kanálků v nejužším místě. Za účelem stanovení objektivnějších údajů je zaváděna tzv. střední
hodnota průtočného průřezu (fstř) a střední hodnota mezernatosti (nstř) vztažená k určitému
objemu pórovitého prostředí. Pro odvození základních vztahů byl použit element pórovitého
prostředí (obr. č. 10) v délce (L) a příčném průřezu (F).
SPSKS
Obr. č. 2.10: Element pórovitého prostředí
Průměrnou velikost plochy průtočných průřezů (fstř) lze stanovit ze vztahu:
[12]
a průměrnou mezernatost:
[13]
Celkový objem kanálků (V) elementu pórovitého prostředí se bude rovnat:
V = fstř . L = nstř . F . L
[14]
Definujeme-li tento objem pomocí koeficientu pórovitosti (P) můžeme psát:
V=F.L.P
[15]
srovnáme-li dál vztahy (14) a (15), dostaneme:
nstř = P
fstř = P . F
[16]
[17]
12
z toho vyplývá, že průměrná mezernatost je totožná s pórovitostí.
Laboratorní zkoušky s fiktivní horninou lze provádět jen na modelech s čtyřstěnným uložením
(setřesené vibrací). Krychlový model je prakticky nerealizovatelný.
Skutečné nádržní horniny se však od fiktivní horniny dále značně odlišují – především
složením, tvarem a charakterem zrn tvořících horninu. Uvedené vztahy tedy v praxi nelze
nekriticky používat. Jsou však velmi užitečné tím, že nám slouží k vytvoření základních
představ o některých hodnotách charakterizujících propustné vrstvy.
Aby uvedené vztahy platily rovněž pro reálnou horninu, museli bychom ji zaměnit fiktivní
horninou s filtračními odpory odpovídajícími skutečnému kolektoru, tzv. ekvivalentním
kolektorem. Průměr zrn tohoto ekvivalentního kolektoru, který má stejné filtrační vlastnosti
jako zkoumaná reálná hornina, se nazývá tzv. účinným průměrem (de).
Stanovení této veličiny je – v případě klastických hornin – možné pomocí granulometrické
analýzy.
Granulometrická analýza spočívá v rozdělení horniny na několik částí (frakcí), z nichž každá
obsahuje zrna o rozměrech daných určitými mezerami (obr. č. 2.11).
SPSKS
Obr. č. 2.11: Příklady semilogaritmických granulometrických křivek získaných
pomocí suché granulometrické analýzy
Granulometrickou analýzu lze provádět pomocí dvou metod:
a) tzv. síťová analýza (suchá granulometrická analýza), kdy je vzorek horniny proséván přes
sadu sít s různou okatostí. Užívá se obvykle sady 6 – 7 sít, která dávají 7 – 8 frakcí;
b) sedimentometrická analýza (mokrá granulometrická analýza), která se používá při
výzkumu hornin s velmi jemnou zrnitostí (pod 0,06 mm). Tato metoda vychází ze Stokesova
vztahu pro rychlost pádu částic v kapalině.
ad a) Postup při suché granulometrické analýze je následující. Zvážený vzorek zkoumané
nezpevněné horniny se suší při teplotě 105 – 110 °C až do dosažení stabilní váhy. Dále
je umístěn do kolony sít a prosévá se asi 10 minut. Jednotlivé frakce vzorku,
roztříděné pomocí sít se zváží s přesností 0,01 g. procentová hodnota frakce je dána
13
vztahem:
(%)
[18]
kde: Gf = váha frakce; G = celková váha vzorku.
Ze získaných výsledků se nejčastěji sestrojuje kumulativní granulometrická křivna (viz obr.
11), sestrojená v semilogaritmickém grafu. Z kumulativní křivky se určují následující
granulometrické charakteristiky:
d5, d20,...d40,... atd. – percentil, tj. průměry odpovídají 5 %, 20 %, ...40 % atd. četnosti;
d25, d75, ... – kvartil, tj. průměry odpovídající 25 % a 75 % četnosti;
d50 – medián, tj. průměr odpovídající 50 % četnosti;
de – účinný (efektivní) průměr zrn. Jedná se o účinný průměr zrn fiktivní ekvivalentní horniny,
který má stejné filtrační vlastnosti jako zkoumaná reálná hornina. Je definován jako průměr
zrn frakce, jíž je v hornině méně než 10 %. Lze ho však použít jen pro značně stejnorodé
horniny (s nízkou hodnotou stejnorodosti – do ks ≤ 5). Meze použitelnosti jsou dle Hazena
dány takto:
0,1 mm ≤ d10 ≤ 3 mm, zde platí – de = d10
Koeficient stejnorodosti je používán ke srovnání stupně stejnorodosti hornin a stanovuje se
rovněž z kumulativní granulometrické křivky:
SPSKS
[19]
Koeficient stejnorodosti je využíván rovněž pro dělení nezpevněných hornin. Jako příklad
uvádíme dělení dle L. Bendela:
ks < 5 .............................rovnoměrně zrnité
5 < ks < 15 .............................nerovnoměrně zrnité
ks < 15 ............................. velmi nerovnoměrně zrnité
Pro sedimenty, u nichž je podstatný obsah zrn o průměru menším než 0,1 mm zavádí K.
Terzaghi tuto úpravu pro stanovení de:
[20]
Hodnotu (de) lze stanovit i jinými způsoby – např. objemovým způsobem (podle Ščelkačeva a
Lapuka) nebo povrchovým způsobem (podle Gazieva a Korganova). Tyto metody jsou však
velmi pracné a časové náročné.
Na základě granulometrických analýz jsou nezpevněné sedimenty zařazovány do tzv.
zrnitostních tříd (bývalá ČSN 72 1001), viz tabulka č. 2.1.
14
Tabulka č. 2.1
Velikost zrn (mm)
< 0,002
0,002 – 0,063
0,063 – 0,25
0,25 – 1,0
1,0 – 1,0
2,0 -8,0
8,0 – 32,0
32,0 – 128,0
128,0 – 256,0
< 256
Označení (název) horniny
jíl
prach
jemný
písek
střední
hrubý
drobný
štěrk
střední
hrubý
kameny
balvany
Označení zrnitosti
jílová (pelitická)
prachová (aleuritická)
jemně psamitická
středně psamitická
hrubě psamitická
drobně psefitická
středně psefitická
hrubě psefitická
balvanitá
balvanitá
Dále je možno z granulometrické křivky stanovit tzv. koeficient vytřídění:
[21]
Čím je hodnota kv menší, tím je vzorek vytříděnější. Dobře vytříděné sedimenty mají hodnotu
kv = 1,5, špatně vytříděné kv > 3.
SPSKS
Průběh granulometrické křivky nám rovněž podává orientační informaci o pórovitosti
zkoumané horniny. Největší pórovitost mívají horniny, které mají jeden výrazně přšvládající
průměr zrn. Granulometrická křivka má u těchto hornin velmi strmý průběh (obr. 2.11, křivka
A). V případě, že průměry zrn jsou různé, hornina obsahuje více frakcí, je její pórovitost
většinou malá. Granulometrická křivka má u těchto hornin pozvolný průběh (obr. 2.11, křivka
B).
Pórovitost však není pouze funkcí procentuelního obsahu zrn daného průměru, ale závisí
rovněž na:
- tvaru horninových zrn (přechází od kulovitého až po šupinkovitý),
- kompaktnosti dané horniny:
- horniny velmi hutné (vysoký geostatický tlak ve velkých hloubkách)
- horniny velmi kypré (malý geostatický tlak v nevelkých hloubkách)
- přítomnosti jílovitých, vápnitých křemitých a jiných látek v hornině, které vyplňují póry.
Ve skutečnosti to znamená, že tutéž pórovitost mohou mít i horniny různého
granulometrického složení.
Znalost pórovitosti horninových vzorků je jedním z předpokladů pro stanovení tzv. tortuozity
neboli faktoru zakřivení, který je používán pro stanovení skutečné průměrné rychlosti
proudění.
Tento faktor nám udává vztah elementu horninového vzorku délky (L) k délce kapilární
dutiny (l) v tělese horniny. Kapilární dutina je velmi složitě utvářený průchod a faktor
zakřivení je někdy nahrazován popisnějším výrazem – faktorem okliky („detour factor“).
15
Pro stanovení tortuozity lze použít Archieův vztah:
kde:
T = P2u . F2
[22]
Pu = koeficient účinné pórovitosti
R = faktor rezistivity vzorku (vztah mezi rezistivitou vzorku horniny nasyceného
slanou vodou a slanou vodou samostatnou).
Případně vztah vycházející z teorie kapilárního modelu, kdy je průtok tekutiny porézním
prostředím popisován jako proudění kapilár o různých poloměrech, odpovídajících efektivním
poloměrům pórů. Lineární tok tekutiny takovýmto svazkem kapilár můžeme popsat vztahem:
[23]
kde:
rk = poloměr kapilár
S = koeficient nasycení
Pu = koeficient účinné pórovitosti
T = tortuozita
Pro řešení této rovnice je nutná znalost závislosti (rk) na (S). Pro její stanovení vycházíme ze
závislosti (pc) na (S), tzv. křivka kapilárních tlaků a ve vztahu mezi kapilárním tlakem (pc) a
poloměrem kruhové kapiláry (r):
SPSKS
[24]
kde:
δ = povrchové napětí kapaliny
ν = úhel smáčení kapaliny
pc = kapilární tlak, nutný k vniknutí nesmáčivé kapaliny do kapiláry o poloměru (r).
Uvedená rovnice vyjadřuje vztah mezi pórovou strukturou horniny a její křivkou kapilárních
tlaků. Křivka kapilární tlak – nasycení určuje množství a velikost pórů naplněných
nesmáčivou fází.
Pro fiktivní kolektor, složený ze zrn kulového tvaru stejného průměru je tortuozita rovna 2,0.
Pro skutečné horniny a písky se udává v rozmezí 1,5 až 2,5 (J. Jetel, 1974).
2.1.2 Propustnost (pemeabilita)
Propustnost je schopnost pórovitého prostředí propouštět svými póry tekutiny. Číselně se
vyjadřuje součinitelem propustnosti (kp). Je podmíněna dvěma faktory – přítomností pórů
kapilární a nadkapilární velikosti a spojitosti těchto pórů mezi sebou.
Hodnota koeficientu propustnosti je závislá na rozměrech, tvaru a počtu pórových kanálků ve
sledovaném průřezu horniny.
Při zjišťování propustnosti horniny vycházíme ze vztahů odvozených Darcym (1856). Své
pokusy prováděl Darcy pro tlakový přímkově rovnoběžný filtrační tok při svislém proudění
ve směru tížnice (tj. s uplatněním gravitační síly). Uvažujeme-li pouze s horizontálně
působícím tlakem postačí k odvození přístroj, jehož schéma je uvedeno na obr. č. 2.12.
16
Obr. č. 2.12: Schéma přístroje pro stanovení koeficientu filtrace
Horizontálně umístěná trubice je vyplněná pískem, kterým vlivem rozdílů tlaků dochází
k filtraci vody ve směru šipky. Výšky vodního sloupce na počátku filtrační dráhy (h1) a na
konci filtrační dráhy (h2) jsou po dobu pokusu konstantní. Z měření získáváme tuto funkční
závislost:
SPSKS
[24]
kde:
V = objem proteklé kapaliny
t = čas průtoku kapaliny
S = plocha příčného průřezu trubicí
kf = koeficient filtrace
L = délka filtrační dráhy
Q = průtok
h1 – h2 = ∆ = ztráta výšky na filtrační dráze
V této rovnici Darcy označil:
[26]
kde:
vf = fiktivní rychlost filtrace (je vztažená k celé ploše příčného průřezu trubicí)
I = hydraulický sklon
po dosažení
vf = kf . I
[27]
Tato rovnice představuje základní formu zápisu lineárního zákona filtrace (Darcyho zákona).
17
Koeficient úměrnosti v rovnicích (??) a (??) byl nazván koeficientem filtrace (kf) viz ČSN 73
6511. Je mírou propustnosti pórovitého prostředí pro vodu o dané kinematické viskozitě.
Číselně je roven filtrační rychlosti při jednotkovém piezometrickém gradientu [tj.
objemovému průtoku vody o dané kinematické viskozitě jednotkovou průtočnou plochou, při
jednotkovém piezometrickém (hydraulickém) sklonu (∆ h/L = 1)]. Má rozměr rychlosti a
vyjadřuje se v m . s-1.
Jak vyplývá z Darcyho zákona, je koeficient filtrace komplexním parametrem, který
charakterizuje jak propustnost pórovitého prostředí, jímž se tekutina pohybuje, tak i vlastnosti
tekutiny samé. Koeficient charakterizující (za určitých podmínek) pouze propustnost
pórovitého prostředí se nazývá koeficientem propustnosti (kp) a je mírou absolutní
propustnosti pórovitého prostředí. Je dán vztahem:
[28]
kde:
µ = dynamická viskozita tekutiny
Q = objemový průtok tekutiny
S = průřez kolektorem, kolmý na směr proudění
d(p+γ.z)/dL = tlakový gradient působící kolmo k ploše průřezu kolektorem
p = hydrostatický tlak
z = polohová výška
γ = měrná tíha tekutiny
L = délka dráhy filtrace měřená kolmo k ploše průřezu kolektorem.
SPSKS
Koeficient propustnosti (kp) je pro stabilní a inertní prostředí s dostatečně velkými póry
považován za geometrickou konstantu prostředí, nezávislou na povaze propouštěné tekutinyf.
Stanovení koeficientu filtrace, resp. propustnosti můžeme provádět pomocí následujících
metod:
a) výpočtem pomocí empirických vztahů;
b) měřením na horninových vzorcích v laboratorních přístrojích;
c) zpracováním údajů získaných při hydrodynamickém výzkumu kolektorských vrstev;
d) vyhodnocením geofyzikálních měření.
ad a) Určení koeficientu propustnosti pomocí empirických vzorců
Empirické vzorce zahrnují vliv geometrických vlastností filtračního prostředí a vliv
teploty.
Nejčastěji bývá vztah koeficientu propustnosti k ostatním vnitřním geometrickým
charakteristikám hornin vyjádřen ve formě:
kp = de2 – f1 (Po) . f2 (E)
[29]
kde: de = efektivní průměr zrna
f1, f2 = funkce vyjadřující závislost propustnosti na otevřené pórovitosti (Po) a na struktuře
a tvaru pórů (E).
Jejich součin (bezrozměrná veličina) je označován jako Slichterovo číslo:
SL(Po, E) = f1(Po) . f2(E)
18
[30]
Pro f1 (Po) se nejčastěji uvádí vztah:
f1(Po) = Po3/(1- Po)2
[31]
hodnota f2 (E) je uváděna v rozpětí od 1/100 do 1/220.
Z konkrétních vztahů navržených a používaných různými autory uvedeme alespoň
následující:
Vzorec: A. Hazenův
J. Kozenyho
kp = C . de2/0,70 + 0,03 t/
[32]
[33]
E. A. Zamarinův
kde:
[34]
de = účinný průměr zrna,
t = teplota,
C = empirický součinitel závislý na stupni stejnorodosti a částečně na pórovitosti
horniny,
Pdyn = účinná dynamická pórovitost,
π = teplotní součinitel,
C´= součinitel závislý na pórovitosti,
všichni součinitelé jsou tabelováni.
SPSKS
Výše uvedené vztahy lze používat jen pro určitá rozmezí (de) a stupně stejnorodosti.
Hodnoty koeficientu propustnosti stanovené pomocí empirických vztahů mohou být použity
pouze jako hodnoty orientační.
ad b) Laboratorní metody stanovení koeficientu propustnosti
Koeficient propustnosti s koeficientem filtrace (kf) je zjednodušeně psáno ve vztahu:
[35]
kde:
µ = dynamická viskozita kapaliny (N . s . m2)
γ = měrná tíha horniny (N . m-3)
Dosazením vztahu (35) do rovnice do rovnice (25) dostaneme:
[36]
19
a z ní:
[37]
Tento vztah se používá pro výpočet propustnosti vzorku v případě, že se propustnost stanoví
pomocí ideální (nestlačitelné) kapaliny, za přímkově rovnoběžného filtračního toku.
Pro plyn, který je stlačitelný používáme vztah:
[38]
kde:
Po = atmosférický tlak
Vyhodnocování měření propustnosti pro plyn však silně závisí na použitém tlakovém
gradientu. Tuto skutečnost vysvětlil Klinkenberg skluzem molekul plynu na rozhraní plyn –
pevná látka. Pro vyhodnocování propustnosti pak platí vztah:
[39]
kde:
k´p = naměřená propustnost
kp = skutečná propustnost
b = konstanta
p = střední tlak plynu při měření
SPSKS
Vliv efektu skluzu se zvyšuje se snižující se propustností horniny (narůstá hodnota konstanty
b).
Správnou hodnotu koeficientu propustnosti lze vyhodnotit grafickým řešením rovnice (38).
Aplikovat tuto metodu vyhodnocení je však možné pouze v případě proudění řídicího se
lineárním zákonem filtrace. Kontrolu lze provést grafickým vynesením závislosti:
log Q = c(p12 – p22).
V případě platnosti lineárního zákona filtrace je tato závislost přímková.
Měření propustnosti se provádí tak, že vzorkem horniny známých geometrických rozměrů se
nechá proudit kapalina nebo plyn, určí se rozdíl tlaků před vstupem a po výstupu, objem
prošlé kapaliny nebo plynu v čase a pomocí vztahu (37) nebo (38) se vypočítá propustnost
vzorku pro dané fluidum. Nejvhodnější je provádět měření inertním plynem v oblasti platnosti
lineárního zákona filtrace se započítáváním Klinkenbergova efektu skluzu.
Pro vlastní měření propustnosti horninových vzorků se často používá tlakový plynový
permeafmetr, pracující s inertním plynem – dusíkem. Na vstupní straně vzorku se tlak
postupně zvyšuje, na výstupní straně vzorku se tlak nemění a odpovídá tlaku barometrickému.
Průtok plynu (Q) se určuje bublinkovým průtokoměrem (kalibrovanou byretou), přesnost
měření se pohybuje v rozmezí 0,1 – 4,5 % podle velikosti průtoku.
Permeametry lze rozdělit podle tlaků se kterými pracují na vysokotlaké, středotlaké,
nízkotlaké a podtlakové.
Z podtlakových permeametrů je často používán typ I.F.P., jehož schéma je na obr. č. 2.13.
20
A – vzorek
B – stojan
C – držák
D – skleněná trubice
s proměnlivým průřezem
E – nádoba se stálou úrovní
hladiny vody
F – manometr
Obr. č. 2.13: Schéma podtlakového permeametru typu I.F.P.
Pro rychlé orientační stanovení propustnosti je v ropařské praxi používán nízkotlaký olejový
permeametr (obr. č. 2.14). Pracuje při konstantním tlakovém spádu, který je dán velikostí
zatížení jež vyvozuje tlakové hlavice. V případě nízkotlakého permeametru je ∆p = 0,1 MPa.
Jako filtrační médium je používán motorový olej.
SPSKS
V hydrogeologii jsou nejběžnější tyto permeametry:
− permeametr (trubice) Kamenského (označovaný rovněž jako trubice Simonova, nebo
trubice SPECGEO). Používá se pro sledování propustnosti písků. V průběhu zkoušky
se pracuje s proměnlivým hydrostatickým tlakem;
− permeametr Thiemův-Kamenského (na stejném principu pracují přístroje D.
Kapeckého, A. Myslivce, Z. Wiluna a další). Používají se pro sledování propustnosti u
písčitých a písčitojílovitých kolektorů;
− permeametr kompresně-filtrační (na stejném principu pracují přístroje N. N. Maslova,
D. M. Znamenského, J. M. Abeleho, V. I. Chaustova a další).
Permeametr slouží pro stanovení kf zemin, hlinitých a jílovitých písků, u kterých kf ve zančné
míře závisí na typu pórovitosti, granulometrickém složení, struktuře a na zhutnění horniny.
Stanovení se provádí při různém zatížení vzorku a při měnícím se hydrostatickém tlaku.
•
Laboratorním měření propustnosti vysušené horniny inertním plynem (tj. v případě
jednofázové filtrace) určíme hodnotu absolutní propustnosti horniny. Hodnoty zjištěné na
jednotlivých vzorcích však nemusí být reprezentativní pro celou mocnost a plošnou rozlohu
kolektoru.
Darcyho zákon předpokládá pro stejnorodé izotropní filtrační prostředí určitého
mechanického složení pro všechny hydraulické sklony konstantní hodnotu koeficientu
propustnosti (kp).
Ve skutečnosti se hodnota (kp) mění s velikostí hydraulického sklonu (I). Jsou uváděny čtyři
hlavní rozsahy závislosti mezi koeficientem propustnosti a hydraulickým sklonem:
− při vyšších sklonech – např. v bezprostředním okolí sondy, klesá hodnota (kp) při růstu
hodnoty (I),
21
− v intervalu sklonů od 2 do 12 % je hodnota koeficientu propustnosti přibližně konstantní,
− při nižších sklonech, v intervalu od 0,3 do 2 %, dochází k silnému kolísání hodnoty (kp),¨
− při sklonech menších než 0,3 % hodnota (kp) opět klesá s růstem hydraulického sklonu (I).
Je to oblast normálních přírodních sklonů volné hladiny podzemní vody.
SPSKS
Obr. č. 2.14: Schéma nízkotlakého permeametru
1. tlakový píst, 2. olejový válec, 3., 6., 8., těsnění, 4. filtrační komora, 5. vzorek zalitý v dentakrylu, 7. vnitřní
těsnicí matka, 9. spodní uzávěrová matka, 10. stupnice, 11. odvzdušňovací ventil, 12. výtokový otvor
22
Vypočtené hodnoty koeficientu propustnosti (kp) odpovídají tedy vždy jen určitému
hydraulického sklonu, resp. tlakovému gradientu (I).
ad c), d) Stanovení koeficientu propustnosti, resp. filtrace pomocí hydrodynamických a
geofyzikálních metod bude popsáno dále v příslušných kapitolách.
Velká pozornost byla věnována hledání možné závislosti mezi hodnotami pórovitosti a
propustnosti. Výsledky jsou zřejmé z obrázků č. 2.15 a 2.16 a z jejich popisu.
Na obr. č. 2.15 jsou uvedeny hodnoty pórovitosti a propustnosti 500 vzorků pískovců
bradford (svrchní devon) z ložiska Bradford v severozápadní Pensylvánii.
Měření bylo prováděno na horninových jádrech délky 0,3 m, která byla získána z 29 vrtů
soustředěných na poměrně nevelké ploše. Předpokládá se, že uvedený pískovec má stejnorodé
složení. Z grafu je zřejmé, že přes růst hodnoty propustnosti v závislosti na růstu hodnoty
pórovitosti neexistuje mezi nimi jednoznačná závislost, neboť rozptyl naměřených bodů je
velmi široký. Tedy libovolné hodnotě propustnosti odpovídají značně rozdílné hodnoty
pórovitosti (např. propustnosti rovné 1µm2 odpovídají hodnoty pórovitosti v rozmezí od 6,5
do 15 %).
Na obr. č. 2.16 je uvedena závislost mezi pórovitostí a propustností sledovaná u dvou
kolektorů: na pískovci ložiska Wicox (eocén) v oblasti Mersi v Texasu (vlevo), a na
jemnězrnitém pískovci ložiska Nacatoch (svrchní křída) v oblasti Bellevue v Louisianě
(vpravo).
SPSKS
Obr. č. 2.15: Graf vyjadřující závislost mezi hodnotami
óorovitosti a propustnosti u svrchně devonských pískovců
ložiska Bradford
23
Obr. č. 2.16: Graf vyjadřující závislost mezi hodnotami
pórovitosti a propustnosti pro pískovce ložisek Wilcox
a Nacatoch
SPSKS
Z obrázků je zřejmá obecná závislost růstu hodnoty propustnosti se vzrůstem hodnoty
pórovitosti.
Jak vyplývá z výše uvedených rovnic má koeficient propustnosti rozměr plochy, takže se
vyjadřuje ve čtverečních metrech (příp. v µm2 = 10-12 m2).
V praxi byla dříve používána jednotka „darcy“ (D), pro kterou platí tento převodní vztah (viz
J. Jetel, 1982):
1 D = 0,987 . 10-12 m2
Tento přepočet se liší od v literatuře často používaného vztahu 1 D = 1,02 . 10-12 m2, který byl
získán záměnou fyzikální atmosféry (atm) na technickou (at). 1 D je však správně definován
jako propustnost prostředí, které propouští příčným průřezem 1 cm2 průtok 1 cm3.s-1 tekutiny
o měrné tíze 1 p.cm3 a dynamické viskozitě 1 cP účinem tlakového gradientu 1 atm.cm-1.
Klasifikace propustnosti se provádí v hydrogeologii podle tabulky č. 2.2. Charakteristické
hodnoty propustnosti některých kolektorů v ČR jsou uvedeny v tabulce č. 2.3.
Tabulka č. 2.2: Klasifikace propustnosti hornin (podle J. Jetel, 1973)
Koeficient
propustnosti kp
m2
µm2
-9
1.10
1 000
1.10-10
100
1.10-11
10
1.10-12
1
1.10-13
0,1
1.10-14
0,01
1.10-15
0,001
Třída
propustnosti
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
Označení hornin
podle stupně
propustnosti
velmi silně propustné
silně propustné
dosti silně propustné
mírně propustné
dosti slabě propustné
slabě propustné
velmi slabě propustné
nepatrně propustné
24
Koeficient *)
filtrace kf
m . s-1
Index **)
propustnosti
Z
7
6
5
4
3
2
1
*)
pro vodu o měrné tíze γ = 1.104 N.m-3 a dynamické viskozitě µ = 1.10-3 Pa.s
pro logaritmickou přepočtovou diferenci d° = 0
Pozn.: Dříve používaná jednotka 1 Darcy (D) odpovídá zhruba 1 µm2
**)
Koeficient propustnosti definovaný vztahem (2.37) vystihuje skutečnost jen v případě, kdy
kolektor je nasycen pouze jednou tekutinou. Je-li ve vrstvě přítomno více nemísitelných
tekutin, vznikají na jejich rozhraní molekulární síly projevující se tzv. mezifázovým napětím.
To klade přídavný odpor při průtoku směsi nemísitelných tekutin pórovým prostředím, takže
hodnoty koeficientu propustnosti (kp) určované výše uvedenými postupy se snižují. Obecně
platí, že propustnost prostředí je pro danou tekutinu tím menší, čím menší je nasycenost pórů
touto tekutinou. Pojem koeficient propustnosti je proto zapotřebí specifikovat pro různé
sycení pórů tekutinami. Rozeznáváme 3 typy propustnosti:
a) celkovou (absolutní)
b) efektivní (fázovou)
c) poměrnou (relativní)
Tabulka č. 2.3: Charakteristické hodnoty propustnosti některých hornin v ČR (podle J. Jetel,
1973)
Typ kolektoru
ledovcové morény
glaciální štěrky a písky
křída
neogén
kvartér
fluviální štěrky
a písky
Lokalita
Třída
propustnosti
Vysoké Tatry
Opavsko
střední Jizera
Labe (Chvaletice)
Hornomoravský úval
Dunaj (Devín)
Poprad (Svit – Poprad)
Hornád (Košice)
Záhorská nížina
Dunaj (Kravany)
Hornomoravský úval
Prostějovsko
Dyjskosvratecký úval
Brněnsko
Sokolovsko
I - III
I - IV
II
III
II – III
I – II
III – IV
II - III
III - IV
III - IV
VI - VII
III
IV – V
IV
IV - V
Koeficient
filtrace
[m . s-1]
(0,1 – 20) . 10-3
(0,9 – 40) . 10-3
1,3 . 10-3
(3 – 10) . 10-4
(0,1 – 5) . 10-4
(0,1 – 6) . 10-2
(0,7 – 10) . 10-4
(0,1 – 10) . 10-3
(0,8 – 1,7) . 10-4
(0,5 – 3) . 10-4
(0,4 – 3) . 10-7
(1 – 7) . 10-4
(0,1 – 10) . 10-5
(5 – 9) . 10-5
1 . 10-5
lužická oblast
lužická oblast
lužická oblast
královedvorská synklinála
Moravskoslezské Beskydy
východní Čechy
permokarbon v podloží
české křídy, hloubka 200 m
permokarbon v podloží
české křídy, hloubka 1000 m
IV
III – IV
IV
IV – V
IV – V
V - VI
(1 – 5) . 10-5
1,3 . 10-4
2 . 10-5
5 . 10-6
5 . 10-6
(0,1 – 10) . 10-6
SPSKS
váté písky
hlinité a prachovité písky
fluviální a eolické hlíny
štěrky a písky
štěrky a písky
jemnozrnné písky
prokřemenělé pískovce
(paleogen)
křemenné pískovce (coniak)
křemenné pískovce (střední turon)
křemenné pískovce (cenoman)
pískovce (cenoman)
godulské pískovce do hloubky 35 m
písčité spongility (spodní turon)
pískovce, arkózy
pískovce, arkózy
V
1 . 10-6
VIII
7 . 10-10
a) Celková (absolutní) propustnost (kpc) charakterizuje propustnost kolektoru při nasycení
pouze jednou fází neomezeně mísitelných tekutin chemicky inertních vůči prostředí
kolektoru.
b) Efektivní (fázová) propustnost (kpf) charakterizuje schopnost pórovitého prostředí
propouštět svými póry jednu určitou tekutinu za daného stupně nasycení pórovitého prostředí
několika tekutinami. Z definice plyne, že kolektor obsahující současně vodu, ropu a plyn bude
25
mít tři hodnoty efektivní propustnosti, které budou záviset jednak na hodnotě celkové
propustnosti a jednak na poměrném obsahu (stupni nasycení Sv, Sp, Sg každé z tekutin
v pórech. To znamená, že pro různé stupně nasycení bude mít kolektor jinou efektivní
propustnost pro vodu (kpv), ropu (kpr) a plyn (kpg). Jednotkou efektivní propustnosti je rovněž
m2 .
c) Poměrná (relativní) propustnost (kpp) je dána poměrem efektivní propustnosti pórovitého
prostředí pro určitou tekutinu k jeho celkové propustnosti. Poměrná propustnost je
bezrozměrná.
Kolektorské horniny mohou být nasyceny jednou, dvěma, případně třemi tekutinami (viz obr.
č. 2.17). Ke sledování závislosti je používána následující systematika.
SPSKS
Obr. č. 2.17: Příklad třísložkového – ternárního
a dvousložkového – binárního nasycení pórů
1) Samostatné systémy jednotlivých tekutin. V přírodě pouze úplné nasycení kolektoru
vodou.
2) Binární (dvojsložkové) systémy:
a) systém voda a ropa,
b) systém ropa a plyn,
c) systém voda a plyn
3) Ternární (trojsložkový) systém d) systém voda, ropa a plyn
Uvedené systémy byly podrobeny důkladným laboratorním výzkumům. Ze získaných
výsledků pak byly sestaveny typické grafy závislostí, z nichž ty nejdůležitější jsou uvedeny
dále. Je však zapotřebí zdůraznit, že každý kolektor a každý heterogenní systém tekutin mají
své vlastní závislosti, které nejsou zcela totožné s typovými.
26
é
stém
Obr. č. 2.19: Průběh závislosti poměrné
propustnosti na stupni nasycení pro systém
ropa – plyn v nezpevněných píscích.
a) Systém voda a ropa (obr. č. 2.18)
Z typových křivek je zřejmé, že v případě nasycení kolektoru ropou Sr < 15 % bude
efektivní propustnost pro ropu kpr = 0.
Se zvětšujícím se procentem nasycení ropou bude narůstat rovněž její podíl ve filtrující
směsi a při 85 % nasycení ropou dojde k opačné situaci, kdy propustnost pro vodu kpv = 0.
Tečkovaná křivka vyjadřuje součtovou hodnotu obou poměrných propustností. Minimum
této křivky udává minimální celkovou propustnost kolektoru – v tomto případě to bude při
nasycení 48 % vody a 52 % ropy. Z křivky rovněž vyplývá, že součet obou poměrných
propustností je vždy menší než celková propustnost.
b) Systém ropa a plyn (obr. č. 2.19)
Z grafu je zřejmé, že v případě nasycení kolektoru plynem Sp < 10 % je efektivní
propustnost pro plyn kpg = 0. Hlavní důvodem tohoto jevu je Jaminův efekt. Rovněž
skutečnost, že bublinky plynu zaujímají pozici v horních partiích pórových kanálků, vede
ke zmenšení průtočných průřezů a tím ke snížení propustnosti pro ropu. Se zvětšujícím se
procentem nasycení kolektoru plynem narůstá jeho podíl v proudící směsi a při nasycení
Sp = 58 % bude kpr = 0. Minimální součtovou propustnost bude mít kolektor v daném
případě při Sr = 73 % a Sp = 27 %.
c) Systém ropa a plyn
Typové křivky v grafu závislosti pro nasycení kolektoru vodou a plynem mají podobný
průběh jako v systému ropa a plyn a nebudou proto zvlášť popisovány.
d) Systém voda, ropa a plyn
Rovněž ternární systémy, kde je situace značně složitější byly v laboratořích podrobeny
řadě pokusů. Vyjádření vzájemných závislostí je prováděno pomocí značně složitějších
vztahů. Pro běžnou potřebu se používá tzv. trojúhelníkových diagramů, ve kterých jsou
vyneseny křivky konstantní měrné propustnosti – izopermy. Na obr. č. 2.20, 2.21 a 2.22
jsou uvedeny příklady izoperm pro vodu, plyn a ropu v ternárním systému, kdy kolektor je
tvořen nezpevněným pískem. Uvedené izopermy jsou zde již reprezentovány jako
vyhlazené křivky. Hodnoty získané měřením vykazují totiž značný rozptyl.
Průběhy izoperm ukazují, že hodnoty fázových propustností pro vodu, ropu a plyn jsou funkcí
stupně nasycení pórového prostranství každou z těchto složek. Např. z obr. 2.21 je zřejmé, že
SPSKS
27
fázovou propustnost pro plyn kpg = 10 % bude mít kolektor při nasycení: Sv = 40 %, Sr =
20 %, Sg = 40 %, nebo Sv = 20 %, Sr = 40 %, Sg = 40 % apod.
Na obr. č. 2.23 jsou znázorněny oblasti nasycení, ve kterých bude docházet k jednofázovému,
dvoufázovému a třífázovému toku v kolektoru tvořeném nezpevněným pískem. Z grafu je
zřejmé, že možnost třífázového toku je poměrně úzce ohraničená.
SPSKS
Obr. č. 2.20: Graf izoperm pro vodu v ternárním systému: voda+ropa+plyn
v nezpevněných píscích
Obr. č. 2.21: Graf izoperm pro plyn v ternárním systému: voda+ropa+plyn
v nezpevněných píscích
28
Obr. č. 2.22: Graf izoperm pro ropu v ternárním systému: voda+ropa+plyn
v nezpevněných píscích
SPSKS
Obr. č. 2.23: Graf znázorňující oblasti nasycení, ve kterých bude docházet
k jednofázovému, dvoufázovému a třífázovému
toku v nezpevněných píscích
29
Laboratorní výsledky zkoumání termárních systémů se staly podkladem pro vytvoření
základního fyzikálního názoru na vícefázový tok tekutiny pórovitým prostředím. Základním
pravidlem při rozboru podmínek filtrace je respektování rozdílu mezi kapalnou fází, která
horninové prostředí smáčí a kapalnou fází, která toto prostředí nesmáčí.
Při proudění směsi kapaliny s plynem je zřejmé, že smáčivou fází je kapalina. V případě
proudění směsi dvou spolu nemísitelných kapalin bývá smáčivou kapalinou obvykle voda a
stejně je tomu při proudění trojfázové směsi tekutin. Z uvedených obrázků 18 až 23 je zřejmé,
že existuje základní podobnost u všech křivek propustnosti pro smáčivou fázi v různých
vícefázových systémech a v různých propustných prostředích. Hlavní znaky této podobnosti
jsou:
a) rychlý pokles propustnosti pro smáčivou fázi, jakmile obsah smáčivé fáze začne klesat pod
100 % nasycení
b) téměř úplná ztráta propustnosti pro smáčivou fázi, jakmile její obsah klesne na 15 – 30 %.
Pro fyzikální vysvětlení výše popisovaných jevů byla na základě laboratorních pokusů
předložena V. N. Ščelkačevem a B. B. Lapukem tyto hypotéza o mechanismu filtrace
ternárního systému.
Voda je v kolektorech vždy přítomná a vytváří na zrnech hornin adsorpční až
mnohamolekulové vrstvy.
Ropa, za přítomnosti plynu a vysokého stupně nasycení kolektoru ropou, spojitě vyplňuje
pórové prostory, na jejichž stěnách je přítomna vrstva vody (obr. č. 2.24).
SPSKS
Obr. č. 2.24: Schéma pórových kanálků
vyplněných nesmáčivou a
smáčivou fází
S mírou poklesu roponasycenosti dochází k porušení této spojitosti a ropa se v kolektoru
vyskytuje ve formě roztroušených kapek. Při filtraci v daném systému bude tedy po určitou
dobu (než dojde k porušení spojitosti toku ropy) probíhat proudění obou fází odděleně,
v zaujímaných prostorách, viz obr. č. 2.25.
Za přítomnosti plynu se způsob proudění vody měnit nebude. Vzájemně se budou ovlivňovat
především ropa a plyn, vystupující v ropě ve formě bublinek. Uplatní se zde zejména síly
stykového (mezifázového) napětí.
Při proudění filtrace v binárních a ternárních systémech musíme brát zřetel rovněž na vzrůst
filtračních odporů (tj. zdánlivé snížení kp) v důsledku Jaminova efektu.
Stanovení vlastností kolektorských hornin má pro potřeby praxe velký význam, neboť úzce
souvisí s řešením otázek těžby kapalných a plynných uhlovodíků a vody, s uskladňováním
30
plynu v podzemních plynových zásobnících, s odvodňováním a degazací dolů apod.
Obr. č. 2.25: Schéma filtrace binárního
systému při vysokém stupni
nasycení kolektoru ropou
Absolutní průtočnost
Koeficient absolutní průtočnosti (Ta) je definována jako míra schopnosti kolektoru o určité
mocnosti propouštět tekutinu účinkem tlakového gradientu. Pro vodorovně uložený kolektor o
mocnosti (M), koeficientu propustnosti (kp) a polohové výšce báze kolektoru (zb) je dán
vztahem:
SPSKS
[40]
V případě homogenního kolektoru je možno použít zjednodušený vztah:
Ta = kp . M
2.2
[41]
Fyzikální vlastnosti tekutin
Základní pojmy
Při řešení úloh v podzemní hydraulice vycházíme z představy tekutiny jako spojitého
stejnorodého (izotropního) prostředí. Izotropií rozumíme stejné vlastnosti všech částeček
tekutiny nezávisle na jejich poloze a směru působení sil. Daný předpoklad nám umožňuje
zjednodušené řešení úloh z hydrauliky tekutin.
Ve skutečnosti je pohyb tekutin složitý a porušuje se při něm izotropie, která se však neustále
změnami molekulární struktury obnovuje.
Základní fyzikální vlastnosti vody, ropy a plynu jsou uváděny ve všech učebnicích fyziky pro
vysoké školy. Podrobnější zpracování z hlediska podzemní hydrauliky je uvedeno např. v J.
Pražský, 1971, V. Homola, 1982, A. Grmela, 1982.
V následujícím textu se proto zaměříme pouze na dvě z nejdůležitějších vlastností tekutin
(uplatňujících se při procesech filtrace), a to na viskozitu a povrchové napětí kapalin.
31
2.2.1 Viskozita (vazkost) tekutin
Důležitou vlastností vrstevních tekutin je viskozita. V podzemní hydraulice je činitelem velmi
častým, neboť se v té či oné podobě vyskytuje ve většině vztahů. Viskozita se obvykle
definuje jako schopnost tekutiny vzdorovat smykovému namáhání. Projevuje se za pohybu
skutečných tekutin. Pohybují-li se sousední vrstvy tekutiny různými rychlostmi, vzniká na
jejich rozhraní napětí, které brání pohybu. Pomalejší vrstva je zrychlována a naopak.
Zmenšení rychlosti je způsobeno tečnou silou, kterou nazýváme vnitřním třením, viskozitou
nebo vazkostí.
Objasnění viskozity je prováděno pomocí kinetické teorie kapalin. Molekuly, které se
pohybují postupnou rychlostí, konají vedle tohoto hlavního pohybu vlastní (sekundární)
pohyby velkou rychlostí v různých směrech. Dráhy, které proběhnou molekuly při
sekundárních pohybech jsou velmi krátké, ale přesto postačují k tomu, aby pronikly myšlenou
dělicí rovinou mezi vrstvami kapaliny. Tímto pohybem dochází k výměně hybnosti molekul
v jednotlivých vrstvách kapaliny. Další síly, které se při těchto pohybech uplatňují, jsou síly
mezimolekulární, které brzdí popsaný pohyb. U plynů, jejichž tepelný pohyb molekul
převládá nad silami mezimolekulárními, vzrůstá se zvýšením teploty rychlost tepelného
pohybu molekul a tím vzroste i viskozita plynu. V případě kapalin je tomu obráceně, neboť u
nich existují dosti výrazné mezimolekulární síly působící proti tepelnému pohybu molekul.
Zvýšením teploty dochází k intenzivnější výměně hybnosti částic v pohybujících se vrstvách
kapaliny a tečné napětí se zmenšuje. U kapalin tedy klesá vazkost s rostoucí teplotou.
Tečné (smykové) napětí od vazkosti nebo zkráceně vazké napětí je určeno klasickou formulí
podle Newtona
SPSKS
[42]
kde:
π = síla připadající na jednotku dotykové plochy dvou sousedních vrstev
tekutiny (N . m-2)
dv/dr = přírůstek rychlosti na jednotku délky v kolmém směru k pohybu
µ = koeficient vnitřního tření, neboli absolutní viskozita, neboli dynamická
viskozita [N . s . m-2 = kg . m-1 . s-1]
Rozměr dynamické viskozity v technické soustavě
µ = [kp . s . m-2]
Rozměr dynamické viskozty v CGS soustavě
µ = [dyn . s . cm-2 = g . s-1 . cm-1 = 1 P]
Tato jednotka se nazývá pois (P). Pro praktické účely byla využívána jednotka menší, a to její
setina – centipois (cP), tedy 1 P = 100 cP. Převodní vztah do soustavy SI je roven:
1 P = 0,1 . N . s . m-2
Rozměr dynamické vazkosti obsahuje jednotku síly, a proto byla tato vazkost označená jako
dynamická (v dynamice se zabývá příčinami pohybu, tj. silami, který jej způsobují).
Převratná hodnota dynamické viskozity je nazývána tekutostí (fluiditou). Bývá označována
jako (φ).
32
[43]
Někdy se v praxi můžeme setkat také s pojmem poměrná dynamická viskozita, kterou
rozumíme poměr dynamické viskozity určité látky k dynamické viskozitě srovnávací látky
(obyčejně vody). Je dána:
[44]
Ve výpočtech je rovněž často používán výraz µ/ρ, který je označován jako kinematická
viskozita (ν). Podle SI je hlavní jednotkou kinematické viskozity /ν/ = cm2 . s-1 = 1S. Tato
jednotka se nazývá stok (S) a v praxi se používala menší jednotka, jeho setina – centistok (cS),
tedy S = 100 cS. Převodní vztah do SI soustavy: 1 S = 10-4 m2 . s-1.
Kinematická viskozita neobsahuje (i když se týká pohybu tekutin) jednotku síly, a proto byla
označena jako kinematická. Kinematika se totiž zabývá pohybem nezávisle od jeho příčin,
tedy sil, které jej vyvolávají.
Velikost obou viskozit – dynamická a kinematická závisí na druhu tekutiny a mění se
s teplotou a tlakem.
Pro stanovení závislosti viskozity na teplotě se používají poloempirické rovnice. Např. pro
minerální oleje platí:
[45]
kde:
SPSKS
µ´ = viskozita při teplotě to,
µ = viskozita při teplotě t,
k = konstanta, pozybující se u olejů v intervalu teplota 21° až 54° v rozmezí 2,5 až 3,3.
Pro přesnější určení změn viskozity na teplotě je nutno použít exponenciální funkce.
Nejčastěji používané závislosti mají tvar:
µ = µo . e-kT
[46]
kde: µo, k = konstanty závisející na druhu kapaliny.
[47]
kde: νo, A, B = veličiny závisející na druhu kapaliny.
Závislost viskozity na tlaku se vyjadřuje rovněž několika způsoby. Často používaný přibližný
mocninový vztah má tvar:
[48]
µ = µ1 . kb
kde: µ1, k = jsou konstanty určené měřením
b = p/105
(hodnota /µ1/ se rovná vazkosti při tlaku ovzduší po = 105 N . m-2; pak p = Ø a tlak /p/
se do rovnice dosazuje jako přetlak v N . m-2).
Dále je používána exponenciální závislost viskozity na tlaku
33
µ = µ1 . eap
[49]
kde: a = konstanta pro danou kapalinu.
Uvedené výrazy používané pro stanovení závislosti viskozity na tlaku se dají při menších
tlakových změnách nahradit jednodušším výrazem, a to lineárními:
ν = ν1 (1 + c . p)
kde:
[50]
ν1 = kinematická viskozita při tlaku ovzduší
p = přetlak v Pa
c = konstanta pro danou kapalinu (např. pro vodu je c = 10-8 Pa-1).
Tento vztah je použitelný pro všechny druhy kapalin. Změníme jen hodnoty ν1, c. Ze vzorce
je patrné, že při malých změnách tlaku je změna viskozity zanedbatelná.
Obecné zákonitosti změny viskozity tekutin v závislosti na teplotě a tlaku lze shrnout
následovně:
− s rostoucí teplotou klesá u vrstevních vod i rop a stoupá u plynů;
− s rostoucím tlakem u vrstevních vod klesá a u rop mírně stoupá. V rozmezí 0 – 10 MPa je
možno počítat s přírůstkem asi 0,2 % původní viskozity. To souvisí s objemovými
změnami vrstevních kapalin a to s jejich koeficientem teplotní rozpínavosti a koeficientem
pružné rozpínavosti;
− s rostoucím tlakem u plynů stoupá.
SPSKS
Viskozita ropy je dále silně ovlivněna obsahem plynu, jehož přírůstek způsobuje silný pokles
viskozity. Podle výsledků pokusů má ropa zbavená plynu (v těžařské praxi označována jako
tzv. „mrtvá“ ropa) dva až třikrát větší viskozitu než ropa ve vrstevních podmínkách (tj.
nasycená plynem).
Viskozimetry
Pro stanovení viskozity bylo vyvinuto mnoho přístrojů, pracujících na různých principech.
Nejběžnější používané viskozimetry dělíme do těchto skupin:
a) výtokové viskozimetry
b) průtokové viskozimetry
c) rotační viskozimetry
d) tělískové viskozimetry
ad a) Výtokové viskozimetry
Měření těmito přístroji je založeno na vztahu odvozeném Piseuillem, který platí mezi
objemem proteklým trubicí kruhového průřezu při daném tlakovém spádu za
jednotkovou dobu a viskozitou kapaliny. Běžně používaným přístrojem je ENGLERŮV
viskozimetr (obr. č. 2.26).
Označíme-li (To) dobu, za kterou vyteče z daného přístroje 200 cm3 vody 20 °C teplé a
symbolem (T) dobu, za kterou vyteče stejný objem kapaliny, jejíž viskozitu hledáme,
můžeme poměr E = T/To použít jako měřítko hledané viskozity. Viskozita je zde
vyjádřena číslem (E) v tzv. Englerových stupních. Pro přepočet viskozity vyjádřené
v Englerových stupních na kinematickou viskozitu jsou používány empirické vzorce,
např. 51
34
(cm2 . s-1)
[51]
nebo jednodušeji:
[52]
SPSKS
Obr. č. 2.26: Englerův viskozimetr
1 – kapalinová lázeň
2 – měřená kapalina
3 – výtoková trubice
4 – uzávěr
5 – teploměry
V zahraniční literatuře je běžně používáno označení viskozity ve stupních Redwoodových (R)
nebo Sayboltových (S). Viskozimetry Redwoodův Sayboltův jsou podobné konstrukce jako
Englerův, liší se jen tvarem a velikostí. Pro přepočet těchto stupňů na kinematickou viskozitu
jsou používány následující empirické vzorce:
(cm2 . s-1)
[53]
(cm2 . s-1)
[54]
ad b) Průtokové viskozimetry. Používají se pro kapaliny s menší viskozitou. Jejich podstatou
je trubička velmi malého průměru (kapilára), kterou vlastní tíhou protéká objem
35
kapaliny. Na tomto principu jsou založeny viskozimetry mnoha autorů, např.
Ostwaldův kapilární viskozimetr (obr. č. 2.27). Tímto přístrojem stanovíme
kinematickou viskozitu (platí pro všechny viskozimetry, u nichž určujeme viskozitu
z průtoku kapaliny její vlastní tíhou). Kromě doby průtoku určované kapaliny (T) se
změří doba průtoku jedné nebo dvou kapalin (To) jejichž viskozitu (νo) a měrnou
hmotnost známe. Hledanou kinematickou viskozitu (ν) stanovíme ze vztahu:
[55]
SPSKS
Obr. č. 2.27: Ostwaldův viskozimetr
1 – kapilára
2 – kulová baňka
3 – značky
Obr. č. 2.28: Schéma rotačního
viskozimetru
1 – měřená kapalina
2 – vnější rotující válec
3 – vnitřní válec
4 – ocelový drát
5 – stupnice
ad c) Rotační viskozimetry. Přístroje se používají pro stanovení dynamické viskozity na
základě měření tření kapaliny mezi pevnou a rotující (obyčejně válcovou) plochou.
Schéma přístroje je uvedeno na obr. č. 2.28. Mezera mezi oběma válci je naplněna
zkoumanou kapalinou. Vazkostí kapaliny se přenáší otáčivý pohyb vnějšího válce do
kapaliny, která působí na vnitřní válec, kterým se snaží otáčet. Vnitřní válec se natočí
o jistý úhel, při kterém moment třecí síly od vazkosti kapaliny je v rovnováze
s krouticím momentem ocelového drátu. Velikost natočení je úměrná třecí síle, která
závisí na dynamické viskozitě kapaliny. Stanoví se z následujícího vztahu:
36
[56]
kde:
h = smáčená výška válce
kd = konstanta ocelového drátu
r1, r2 = poloměry vnitřního a vnějšího válce
ω = úhlová rychlost vnějšího válce
Uvedená rovnice platí za předpokladu laminárního proudění mezi oběma válci. Přesnost
těchto přístrojů je menší než u viskozimetrů výtokových, jsou však vhodné pro velmi viskozní
kapaliny, případně pro nenewtonovské kapaliny (kde neplatí Newtonův zákon smykového
napětí od vazkosti), např. pro suspenze a koloidy.
Měřicích přístrojů, pracujících na tomto principu je mnoho, zejména konstrukčně zaměřených
k různým zvláštním účelům. K měření nehomogenních kapalin (suspenzí) je používán
Horákův rotační viskozimetr.
ad d) Tělískové viskozimetry. Měření těmito přístroji je založeno na měření rychlosti pohybu
(pádu) určitého známého tělíska (obyčejně koule), a to jeho vlastní tíží v kapalině,
jejíž viskozitu určujeme. Nejjednodušším zařízením je Stokesův viskozimetr, který má
tvar vyššího válce (viz obr. č. 2.29).
Pro stanovení hodnoty viskozity je v tomto případě používán korigovaný Stokesův vztah:
SPSKS
[57]
kde:
r = poloměr kuličky
R = poloměr válce
γk= měrná tíže kuličky
γ = měrná tíže kapaliny
L = vzdálenost mezi měřicími body
π = doba pádu kuličky mezi měřicí body
Obr. č. 2.29: Stokesův viskozimetr
1 – měřená kapalina
2 – kapalinová lázeň
3 – kuličky
4 – měřicí místa
5 – teploměry
37
Pro přesná laboratorní měření je používán tzv. Höpplerův viskozimetr. Hlavní částí tohoto
přístroje je skleněná válcová trubice, na vnitřní straně vybroušená, skloněná v konstantním
úhlu 10° vůči svislici. Trubice je obklopena vodní lázní, jejíž teplota se udržuje na stálé
hodnotě pomocí termostatu. Měří se opět doba, za níž padající kulička urazí určitou dráhu,
která je na trubici vyznačena dvěma vyleptanými kroužky. Přístroj je vybaven sadou kuliček
různých průměrů pro různá rozmezí vazkosti. Výpočet viskozity se provádí podle vztahu:
µ = kk . (γk – γ) . π
[58]
kde: kk = konstanta kuličky, která je pro každou zvlášť uvedena v cejchovním osvědčení sady.
Ostatní veličiny souhlasí s dřívějšími.
Přesnost Höpplerova viskozimetru je 0,5 – 2,0 %.
Pro hrubé orientační měření jsou používány tzv. bublinkové viskozimetry. Patří sem především
stupňový bublinkový viskozimetr, skládající se z většího počtu (10 až 24) skleněných
trubiček, naplněných kapalinami známých viskozit, vzájemně odstupňovaných a
označovaných obvykle v Englerových stupních (E). V měřicí trubičce naplněné kapalinou
neznámé viskozity sledujeme a srovnáváme rychlost výstupu vzduchové bublinky spolu
s ostatními, postupně branými kontrolními trubičkami.
K určování viskozity velmi hustých látek při teplotách blízko nad jejich bodem tání,
používáme přístrojů nazývaných konsistometry.
2.2.2 Povrchové napětí kapaliny
Kapalina na rozhraní se vyznačuje odlišnými vlastnostmi než ostatní objem kapaliny.
Rozhraní kapaliny se jeví jako by bylo potaženo velmi tenkou, napjatou vrstvou, která se
snaží stáhnout povrch kapaliny tak, aby měl co nejmenší plochu. Kdyby na kapalinu
nepůsobily vnější síly, zaujala by kulový tvar, neboť koule má ze všech těles stejného objemu
nejmenší povrch. Povrchové napětí je výsledkem nerovnováhy mezimolekulárních sil
v příhladinové vrstvě. Na každou molekulu uvažované látky působí přitažlivé síly sousedních
molekul. Tyto přitažlivé síly mezi molekulami však velmi rychle klesají s jejich vzájemnou
vzdáleností a můžeme si tedy přitažlivou působnost každé molekuly prakticky omezit na
určitý kulový prostor, v jehož středu je uvažovaná molekula (viz obr. č. 2.30). Tento kulový
prostor je nazýván sférou molekulárního působení a jeho poloměr (rm) – poloměrem
molekulárního působení. Rozložíme nyní každou molekulární přitažlivou sílu (v oblasti sféry
jedné z molekul) na složku rovnoběžnou s povrchem a složku k povrchu kolmou. Složky
vodorovné se vzájemně ruší. Výslednice složek kolmých k povrchu (Rv) se ruší jen potud,
pokud je vzdálenost uvažované molekuly od povrchu větší než poloměr molekulárního
působení (rm). Je-li však vzdálenost uvažované molekuly od povrchu menší než (rm), nebude
výslednice k povrchu kolmých složek přitažlivých sil vyrovnána a bude směřovat do kapaliny.
Se zmenšující se vzdáleností od povrchu, výslednice poroste a dosáhne maximální hodnoty
pro molekuly, které leží právě na povrchu kapaliny.
SPSKS
38
Obr. č. 2.30: Schéma působení mezimolekulárních sil v příhladinové vrstvě
Povrchová vrstva je tak podrobena určitému tlaku, nazývanému tlak povrchové vrstvy.
Povrchové napětí je pak reakcí vyvolanou tlakem povrchové vrstvy. Zatímco tlak povrchové
vrstvy se snaží vtlačit částice s povrchu dovnitř kapaliny a změnit tvar tohoto povrchu,
povrchové napětí klade této snaze odpor. Tlak povrchové vrstvy má směr normály k povrchu,
povrchové napětí má směr tečny k povrchu. Protože působení jednotlivých molekul je
omezeno na velmi malou oblast, projevuje se tato nerovnováha mezimolekulárních
(kohesních) sil jen u nepatrné vrstvy kapaliny na hladině (tloušťka povrchové vrstvy je
přibližně rovná 10-6 mm).
Při přemístění molekuly zevnitř kapaliny na její hladinu, je zapotřebí vynaložit určitou práci
proti síle (Rv). Molekuly na hladině mají vyšší potenciální energii proti molekulám uvnitř
kapaliny. Aby se zvětšil povrch kapaliny, musí být vynaložena určitá práce. Proto se kapalina
snaží zaujmout takový objem, který má co nejmenší povrch.
Povrchové napětí je poměr povrchové energie k ploše rozhraní δ = Ep/S. Definuje se rovněž
jako síla, která působí na jednotku délky povrchu, a to kolmo k této délce, a v rovině povrchu.
Vlivem povrchového napětí je v povrchové bláně nahromaděná určitá energie, označovaná
jako energie povrchová. Souvislost povrchového napětí s povrchovou energií lze nejlépe
znázornit následujícím pokusem. Ponoříme-li drátěný rámeček s posuvnými příčkami (obr. č.
2.31) do mýdlového roztoku, vytvoří se na něm vlivem povrchového napětí tenká kapalinová
blána. Síla, kterou je blána roztahována posuvnými příčkami, je dána výrazem F = δ . L, kde
(L) je délka namáhaného povrchu a (δ) je povrchové napětí. Zvětšíme-li povrch blány
roztažením o délku (dx), musíme přitom vykonat práci rovnou dA = F . dx = δ . L . dx. Totu
vykonanou prací se zvětší povrchová energie kapaliny. Na jednotku zvětšené plochy připadá
tedy zvýšení energie:
SPSKS
(N.m-1)
[59]
Ze vztahu vyplývá, že plošná hustota energie se rovná povrchovému napětí. Plošná hustota
energie, tj. povrchová energie plošné jednotky se nazývá kapilární konstanta.
39
Obr. č. 2.31: Schéma k určení vztahu
povrchového napětí a
povrchové energie
Vznik povrchového napětí je vysvětlován nerovnováhou mezimolekulárních sil za
předpokladu, že kapalina s ničím nesousedí.
Ve skutečnosti je vždy obklopena jinou látkou, ať již pevnou, kapalnou či plynou, a proto
mezimolekulární síly od vlastní kapaliny se budou vyrovnávat s kvalitativně stejnými silami
sousedního prostředí. Povrchové napětí určité kapaliny závisí na druhu látek, které tvoří
rozhraní. Výsledné povrchové napětí bude dáno vektorovým součtem obou složek.
A) povrchové napětí na rozhraní – kapalina – kapalina – tekutina (vzduch)
SPSKS
Uvažujme případ, kdy se na hladině vody bude nacházet kapka ropy. Na jednotlivých
rozhraních budou působit tyto síly povrchového napětí (obr. č. 2.32):
- vzduch – ropa – δgr
- ropa – voda – δrv
- vzduch – voda – δgv
Ze silového obrazce je zřejmé, že v daném systému mohou nastat tyto situace dané vztahem:
≤
δgr + δrv ≥
δgv
[60]
Bude-li δgr + δrv > δgv, pak v bodě A bude působit výsledná síla (δ), jejíž smysl je souhlasný
s vodorovnými složkami povrchových napětí (δgr) a (δrv). Stejná síla působí na kapku v bodě
B, má však opačný smysl. Výslednými silami v bodech A,B, které směřují dovnitř kapky je
zabráněno roztékání jejich částic po hladině vody.
V případě, kdy δgr + δrv < δgv, působí výsledná síla (δ) v bodech A,B opačně než
v předchozím případě a částice kapky se roztečou po hladině vody, kde vytvoří vrstvičku o
tloušťce jedné molekuly.
40
SPSKS
Obr. č. 2.32: Povrchové napětí na rozhraní kapalina – kapalina – vzduch
a) kapka se smršťuje dokud nenastane rovnováha
b) kapka se rozteče po hladině ropy
B) povrchové napětí na rozhraní kapalina – pevná látka (hornina)
Pozorujeme-li
povrchu kapaliny se
mohli bychom u
konstatovat
různě
snížení okraje (obr. č.
přitahuje
k sobě
povrchu silou (Fa)
síla. Podobně částice
uvnitř
kapaliny,
povrchu silou (Fk)
Výslednice
obou
na částečky kapaliny
k ní staví kolmo (to
z podmínky
plochy).
Tečna
zakřivenému povrchu
svislou osou úhel (ν),
jako okrajový (krajní)
stykové
místo
stěnou
nádoby,
různých
kapalin
veliké zdvižení či
2.33). Tuhé těleso
částice kapaliny na
zvanou
adhesní
nacházející
se
přitahují částice na
zvanou kohesní síla.
těchto sil (F) působí
na povrchu, který se
vyplývá
ekvipotenciální
k takto
kapaliny svírá se
který označujeme
úhel.
41
SPSKS
Obr. č. 2.33: Příklady povrchového napětí na rozhraní kapalina – pevná látka
Podle okrajového úhlu posuzujeme stupeň smáčení, který je kvantitativním měřítkem
smáčení. Velikost okrajového úhlu závisí na rozdílu povrchového napětí stěny tuhého tělesa
vůči vzduchu (plynu) a vůči kapalině. Tento rozdíl bývá označován jako adhesní konstanta.
Stupeň smáčení u hornin je silně závislý na jejich individuálních vlastnostech.
Jestliže adhesní síly převládají nad kohesními tj. Fa > Fk, je okrajový úhel (ν) malý (adhesní
konstanta je kladná), pak říkáme, že kapalina smáčí povrch tělesa (okraj kapaliny se u stěny
nádoby zvedne). Horniny, které kapalina smáčí, označujeme podle druhu kapaliny – např.
hydrofilní, ropofilní.
Jestliže převládají kohesní síly nad adhesními, tj. Fa > Fk, je okrajový úhel ν > 90° (adhesní
konstanta je záporná). Kapalina povrch tělesa nesmáčí, okraj kapaliny u stěny nádoby je
snížen. Horniny, které kapalina nesmáčí označujeme podle druhu kapaliny – např. hydrofóbní,
ropofóbní.
Na obr. č.
2.34
jsou
znázorněny
příklady
smáčení
horniny
vodou, resp.
ropou
v závislosti na
jejich
„fóbních“
vlastnostech.
42
Obr. č. 2.34: Příklady smáčení horniny v závislosti na vlastnostech kapalin.
1 – voda, 2 – ropa, 3 – „neutrální“ hornina, 4 – hydrofóbní hornina,
5 – ropofóbní hornina, 6 – hydrofilní hornina, 7 – ropofilní hornina
Stupeň smáčení hraje velkou úlohu ve filtračních procesech nastávajících při těžbě ropy. Výše
uvedené poznatky lze aplikovat následovně:
- úhel smáčení
ν = 0,
hornina bude zcela smočená vodou
- úhel smáčení
0° < ν < 90°,
hornina bude převážně smočená vodou
- úhel smáčení
90° < ν < 180°,
hornina bude převážně smočená ropou
- úhel smáčení
ν = 180,
hornina bude zcela smočená ropou
SPSKS
Okrajový úhel, vznikající při nastupování vody na místo, kde dříve byla ropa, se nazývá
nástupový úhel.
Okrajový úhel, vznikající při nastupování ropy na místo, kde dříve byla voda, se nazývá
ústupový úhel.
Pro různé podmínky jsou tyto úhly různé.
Z prováděných pokusů bylo zjištěno, že samotné okrajové úhly nestačí k dokonalému
charakterizování vytěsňovacích vlastností kapaliny. Měření hodnoty okrajového úhlu je
nesnadné a výsledky různých pozorování se pro tutéž kapalinu při jinak stejných podmínkách
dost rozcházejí. Velký význam zde totiž má i povrchové napětí na rozhraní voda – ropa,
viskozita, tlakový spád, tloušťka ulpělé vrstvy kapaliny, chemické složení apod.
Stanovení povrchového napětí
Ke stanovení povrchového napětí jsou nejčastěji používány tyto metody a zařízení:
a) Metoda kapilárního vzestupu (elevace). Schéma zařízení je uvedeno na obr. č. 2.35.
Nádobka a kapiláry jsou vyrobeny ze skla. Postup měření povrchového napětí kapaliny (např.
vody) je následující. Voda – vzhledem k tomu, že smáčí skleněné stěny, vystoupí v kapiláře
do určité výše a na hladině se vytvoří tzv. meniskus. Průběh tlaku v kapiláře je znázorněn na
obr. č. 2.35. Nad hladinou kapaliny v nádobce a nad meniskem v kapiláře je stejný
atmosférický tlak (pa). Těsně nad rozhraním voda – vzduch v kapiláře dochází k náhlému
poklesu atmosférického tlaku o hodnotu (∆p). Dále po vertikále tlak opět roste a to podle
přímkové závislosti, jejíž úhel úklonu je dán měrnou tíží kapaliny. V určité vzdálenosti (hr)
43
měřené od hladiny kapaliny v nádobce bude tlak (pr). Tento systém je v rovnováze. Můžeme
psát:
2π . r . σ . cos ν = g . ρ . π . r2 . h
kde:
[61]
r = poloměr zakřivení povrchu kapaliny (menisku) v kapiláře
σ = povrchové napětí
ν = okrajový úhel
ρ = hmotnost kapaliny
h = kapilární elevace
povrchové napětí je pak dáno vztahem:
[62]
výraz g . ρ . h = ∆p prezentuje hydrostatický tlak. Po dosazení:
[63]
Jednotka je udávána v (mN . m-1), tedy v milinewtonech na metr. Přehled hodnot
povrchových napětí v závislosti na teplotě a tlaku u některých kapalin a plynů je uveden v tab.
č. 2.5.
SPSKS
Obr. č. 2.35: Stanovení povrchových napětí, metoda kapilárního vzestupu (elevace)
Měřicí zařízení znázorněné na obr. č. 2.35 je velmi jednoduché, avšak měření okrajového úhlu
je obtížné. Je vhodné jen pro ty kapaliny, které úplně smáčejí kapiláry, tedy pro teoretický
případ, kdy ν = 0, neboli cos ν = 1. Velmi poučný je však znázorněný graf vývoje tlaku. Mezi
body 1 – 2 je tlak rovný atmosférickému tlaku (pa), neboť mikroskopicky malé zvýšení tlaku
způsobené výškou sloupce vzduchu v intervalu mezi body 1 – 2 nemá žádný praktický
význam.
V bodě 4 je tlak rovněž roven atmosférickému tlaku (pa), neboť kapalina je zde
v rovnovážných podmínkách. V intervalu mezi body 4 – 5 hydrostatický tlak narůstá, zatímco
v intervalu 4 – 3 klesá až na hodnotu pa – ∆p. Ve vzdálenosti (h) od hladiny kapaliny
v nádobce dochází k náhlému poklesu atmosférického tlaku a hodnotu (∆p) a to v důsledku
44
působení povrchového napětí. Výsledkem je vytvoření charakteristického menisku a „sací“
působení kapiláry.
Tabulka č. 2.5: Některé hodnoty povrchového napětí (σ)
Na rozhraní kapalina - plyn
různé druhy rop/vzduch za norm. podmínek
(pro tzv. „mrtvou“ ropu)
olivový olej/vzduch za teploty 15 °C
nafta/vzduch za teploty 18 °C
toluen/vzduch za teploty 15 °C
alkohol (etyl)/vzduch za teploty 10 °C
destilovaná voda/vlhký vzduch při teplotě: 1 °C
10 °C
20 °C
30 °C
rtuť ve vakuu za teploty: 20 °C
40 °C
60 °C
100 °C
200 °C
300 °C
360 °C
rtuť/vzduch za norm. podmínek
Na rozhraní kapalina - kapalina
olivový olej/voda
různé druhy rop/dest. voda za norm. podmínek
ropa/ložisková voda
Na rozhraní kapalina – pevní fáze
voda/křemité sklo za teploty 25 °C
voda/olovnaté sklo za teploty 25 °C
benzol/sklo za teploty 25 °C
hexan/sklo za teploty 25 °C
Povrchové napětí (mN . m-1)
28,4 – 33,0
32,2
24,0
28,9
24,6
75,5
74,0
73,5
71,0
471,6
468,2
464,4
456,2
431,2
399,5
376,4
465,0
Mezipovrch. napětí
20,6
21,8 – 33,3
9,8
Adhesní napětí
95,9
75,2
41,3
30,0
SPSKS
b) kapková memtoda
Přístroje založené na této metodě jsou velmi jednoduché,
označují se jako stalagmometry. Schéma zařízení je
uvedeno na obr. 2.36. Princip měření je založen na tom, že
kapalina pomalu vytékající ze svislé trubice zůstává lpět na
jejím spodním okraji ve tvaru kapky, která se odtrhne
teprve v okamžiku, kdy tíže kapky překročí sílu od
povrchového napětí, působícího na vnější obvod trubice.
Označíme-li vnější poloměr výtokové trubice (r), platí
vztah:
m . g = 2π . r . σ
45
[64]
Obr. č. 2.36: Stanovení povrchových
napětí, kapková metoda
(stalagmometry)
Povrchové napětí (σ) je tedy dáno vnějším poloměrem trubice a hmotností kapky (m). Tuto
hmotnost však nemůžeme přesně určit, neboť odpadne jen větší část kapky, kdežto část menší
(asi jedna třetina její hmotnosti) zůstane lpět dále na trubici. Bylo však zjištěno, že pro většinu
kapalin zůstává zhruba táž poměrná část kapky na trubici, takže vážením stejného určitého
množství kapek dvou kapalin dostaneme hmotnost (M1) a (M2), které jsou ve stejném poměru
jako hmotnost celých kapek před jejich odtržením:
SPSKS
M1 : M2 = m1 : m2
[65]
poměrné povrchové napětí pak můžeme stanovit ze vztahu
σ1 : σ2 = M1 : M2
[66]
tedy:
[67]
kde:
σ1 = známé povrchové napětí srovnávací kapaliny
σ2 = určované povrchové napětí
Jiný způsob spočívá ve stanovení počtu kapek kapaliny vyteklých ze stalagmometru v čase,
kdy hladina v přístroji poklesne v daném intervalu. Povrchové napětí pak stanovíme
z příslušných srovnávacích grafů.
c) metoda odtrhovací. Měřicí zařízení vycházející z této metody jsou označována jako
tensometry. Nejznámější je přístroj Du Noüy-ho. Hlavní část tohoto zařízení je kruhový
prstenec, vyrobený z platino-iridiového drátu, který je pomocí vahadélka zavěšen nad
povrchem měřené kapaliny. Vlastní měření povrchového napětí na rozhraní kapalina – vzduch
46
se provádí následovně. Drátěný prstenec je pomořen do kapaliny a měří se síla, která je nutná
k jeho odtržení od povrchu (viz obr. č. 2.37).
Obr. č. 2.37: Stanovení povrchových napětí. Metoda odtrhovací (tensometry)
Jsou-li měřena mezipovrchová napětí na rozhraní kapalina – kapalina, je prstenec ponořen na
úroveň tohoto rozhraní. Měří se velikost síly, která je nutná k odtržení prstence od „filmu“
vytvořeného mezi dvěma nemísícími se kapalinami.
d) výpočetní metoda. Pro výpočet povrchových napětí u směsí kapalných uhlovodíků nevrhl
Katz (USA) použití tzv. parachoru. Význam parachoru definoval Sugden následujícím
způsobem:
SPSKS
[68]
kde:
M = molekulová tíže daného chemického individua
γk = měrná tíže kapaliny
γp = měrná tíže její páry
σ = povrchové napětí na rozhraní kapaliny a její páry
Hodnota parachoru pro některé alifatické uhlovodíky a pro benzen jsou tyto:
Kapalina:
CH4 C2H6 C5H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C6H6
Pch:
74
108
150
190
232
271
311
352
Pro stanovení povrchového napětí u směsi uhlovodíků je používán vztah:
47
206
[69]
kde:
Pchi = parachor i-té složky
xi, yi = molové frakce i-té složky kapaliny a páry
γk, Mk = měrná tíže a molekulová tíže kapalné fáze
γp, Mp = měrná tíže a molekulová tíže plynné fáze
Uvedená výpočetní metoda není příliš používaná. Stanovení dílčích hodnot používaných ve
výpočtech je poměrně složité a málo přesné. Výhodnější je použití např. laboratorního měření
pomocí tensometru.
Zvláštním případem při měření povrchových napětí je stanovení nástupového, resp.
ústupového úhlu smáčení. K tomuto účelu slouží tzv. Kotiachova aparatura (obr. č. 2.38).
SPSKS
Obr. č. 2.38: Kotiachova aparatura, stanovení nástupového,
resp. ústupového úhlu smáčení
Situace a) představuje schéma měření při stanovení nástupového úhlu (νN), který vzniká při
nastupování vody do míst, kde dříve byla ropa. Pískovcová destička je ponořena
v ropě. Pomocí svislé skleněné kapiláry zavěšené v určité vzdálenosti od
pískovcové destičky přivádíme k destičce vodu.
Situace b) vyjadřuje opačný případ – pískovcová destička je ponořena ve vodě a kapilárou je
přiváděna ropa. Zde měříme tzv. ústupový úhel (νu).
Vztah mezi povrchovým napětím u kapalin a okrajovým úhlem (viz obr. č. 2.39) lze obecně
vyjádřit vzorcem:
48
[70]
kde:
σ1 = povrchové napětí mezi pevnou fází a tekutinou č. 1
σ12 = povrchové napětí mezi tekutinou č. 1 a tekutinou č. 2
σ3 = povrchové napětí mezi pevnou fází a tekutinou č. 2
Obr. č. 2.39: Vyjádření vztahu mezi
povrchovým napětím
u kapalin a okrajovým
úhlem
Se smáčením pevné látky kapalinou úzce souvisí kapilarita.
Kapilarita
SPSKS
Vyskytuje se u trubiček velmi malého průměru – kapilár, nebo v pórovitém prostředí. Jsou-li
adhesní síly větší než kohesní, vystoupí kapalina v kapiláře do určité výšky (h), označované
jako kapilární elevace. V opačném případě, kdy kohesní síly jsou větší než adhesní, zůstává
kapalina v kapiláře o výšku (h) níže než hladina okolní kapaliny. Tato výška je označována
jako kapilární deprese (viz obr. č. 2.40).
Obr. č. 2.40: Kapilární elevace
Kapilární deprese
Hladina kapaliny v kapiláře není rovinná, má zakřivený tvar, který nazýváme meniskus
(vrchlík). V souhlase se dříve uvedeným chováním kapalin se můžeme setkat s meniskem
vypouklým (konvexním) a meniskem vydutým (konkávním) viz obr. č. 40.
Jen v případě, kdy je kapalina v nádobě velkého vodorovného průřezu, bude vnější povrch
kapaliny v místech dosti vzdálených od středu přibližně rovinný.
49
Při zakřivení povrchu kapaliny je změna tlaku při průchodu povrchovým rozhraním jiná, než
by odpovídalo rovinnému povrchu. Důvod vyplývá z následující úvahy. Předpokládáme, že
molekula (m) se bude nacházet vždy ve stejné vzdálenosti pod povrchem kapaliny. Povrch
(viz obr. č. 2.41) bude
a)rovinný
b) konvexní,
c) konkávní.
rovinný
konkávní
konvexní
Obr. č. 2.41: Znázornění povrchu kapaliny
SPSKS
Složka molekulárních sil, kolmá k povrchu, která působí na molekulu, je při povrchu
konvexním větší a při povrchu konkávním menší než při povrchu rovinném.
Počet jednostranně působících molekul je v prvním případě menší než ve druhém. Laplace
odvodil, že při vstupu do kapaliny, jejíž povrch je zakřiven ve tvaru kulové plochy, dojde
náhle ke změně tlaku o hodnotu ± 2σ . cos ν/r. Kladné znaménko se vztahuje k povrchu
konvexnímu, záporné k povrchu konkávnímu (blíže viz odstavec – metoda kapilárního
vzestupu – elevace). Výraz 2σ . cos ν/r je nazýván kapilárním tlakem.
Pro kapilární elevaci lze na základě Laplaceovy rovnice odvodit vztah:
[71]
Na kapilární elevaci mají vliv teplota a mineralizace kapaliny. Se vzrůstem teploty se snižuje
povrchové napětí kapaliny a tím se zmenšuje i výška kapilární elevace.
Se zvýšenou koncentrací solí v kapalině se zvyšuje její povrchové napětí, proto se
mineralizovaná voda v kapiláře zvedne výše než destilovaná. Při překročení určitého stupně
mineralizace se však kapilární elevace opět zmenšuje. Na kapilaritu má však vliv nejen
stupeň, ale i druh mineralizace (tj. chemické složení rozpuštěné látky).
Měření kapilárních tlaků
50
- Metoda elevační (membránová). Měřicí zařízení podle Welga a Bruceho je schematicky
znázorněno na obr. č. 2.42.
Obr. č. 2.42: Schéma měřicího
zařízení
podle Welga a Bruceh
1 – dusík
2 – trubička
3 – kapka oleje
4 – zátka
5 – pružina
6 – horninový vzorek
7 – podložka
8 – membrána
9 – měřicí kapalina
10 – kalibrovaná trubička
Hlavní složkou tohoto přístroje je polopropustná membrána vyrobená např. z pórovitého
keramického materiálu. Membrána obsahuje systém rovnoměrně rozložených pórů takových
průměrů, že zkoumaná kapalina začne systémem filtrovat až při určitém tlakovém spádu.
Vlastní měření probíhá následovně: proměřovanou kapalinou nasytíme horninový vzorek (6)
a položíme jej na speciální papírovou vložku umístěnou na membráně (8). Zátkou (4) a
pružinou (5) se horninový vzorek dotěsní. Trubička (2) slouží pro přívod stlačeného dusíku
(1), jehož tlak je měřen manometrem. Pod membránou se nachází měřicí kapalina (např.
ložisková voda) [9], která je uzavřená kapkou oleje (3). Proměřovaná kapalina, jež se bude
uvolňovat za určitého tlaku ze vzorku horniny, bude procházet membránou a bude vytlačovat
kapalinu do kalibrované trubičky (10), která slouží jako manometr. Pro měření můžeme
použít různé druhy a kombinace tekutin. Měření jsou však velmi náročná na čas a trvají i
několik dní.
- Metoda rtuťová. Pro měření kapilárních
tlaků touto metodou je používána aparatura
sestavená Purcellem, kde měřicí kapalinou
je rtuť. Vzhledem k tomu, že rtuť nesmáčí
pevnou fázi, jsou zkoušky velmi krátké a
hodnoty kapilárních tlaků obdržíme během
několika minut. Nevýhodou této metody je,
že horninový vzorek již nelze použít pro
další měření. Na obr. č. 2.43 jsou uvedeny
křivky kapilárních tlaků pro pískovec
nasycený vodou, v závislosti na stupni
nasycení (S).
Obecně lze konstatovat, že velkým
kapilárním tlakům (pk), odpovídají malé
průměry kapilár (pórů) a opačně.
SPSKS
Obr. č. 2.43: Křivky kapilárních tlaků
pro pískovec nasycený vodou,
v závislosti na stupni nasycení
- Odstředivá metoda. Zařízení schematicky znázorněné na obr. č. 2.44 je konstrukce Hasslera
a Brunera. Princip spočívá v tom, že velké odstředivé zrychlení zvyšuje silové pole v kapalině
51
na úroveň značně vyšší než je gravitační konstanta. V objímce (1) je umístěn horninový
vzorek. Odstředivá síla způsobuje výtok kapaliny, jíž je vzorek nasycen, ve směru šipky.
Objem vyteklé kapaliny lze odečíst na kalibrovaném okénku (3).
Konstantní, ale početně různé hodnoty otáček odstředivky, jsou přeměněny na jednotky síly
soustředěné v prostředku těžiště vzorku. Z těchto údajů a z hodnot získaných odečtením
v okénku se vykreslí křivky kapilárních tlaků.
Tato metoda je po teoretické stránce nejsprávnější. Doba měření se pohybuje v hodinách.
Obr. č. 2.44: Schéma měřicího zařízení
konstrukce Hasslera a Brunera
Na obr. č. 2.45 je uvedena paletka sloužící pro odvození křivky kapilárních tlaků při použití
odstředivé metody.
SPSKS
Obr. č. 2.45: Paletka používaná pro
odvození
křivky kapilárních tlaků při
použití odstředivé metody
Stanovení kapilárních tlaků v horninách nasycených nejen kapalinou, ale rovněž plynem nebo
proplyněnou kapalinou je velmi obtížné, neboť tlaky zde úzce souvisí s fázovou propustností
kolektoru. Obsahují-li nádržní horniny vázanou vodu, je možno hovořit o přímkové závislosti
mezi procentem nasycení kapilár a logaritmem propustnosti. Z obr. č. 2.46 je však zřejmé, že
tato závislost se mění podle chemického složení rop (druhy rop jsou označeny číslicemi 1 –
13) a podle procentuálního obsahu vody v kapilárách.
52
Obr. č. 2.46: Vztah mezi procentuálním obsahem vody v pórech
propustností hornin na různých ropných ložiscích v USA
SPSKS
- Leverettova funkce. Křivky kapilárních tlaků získané proměřováním horninových vzorků
jsou si navzájem dosti podobné. Tento jev podnítil Leveretta ke hledání matematických
souvislostí mezi kapilárním tlakem (pkt), mezipovrchovým napětím na rozhraní dvou tekutin
(σ1,2) a koeficientem propustnosti (kp). Stanovenou závislost vyjádřil následující funkcí:
[72]
Někteří autoři zahrnují do výše uvedené závislosti ještě okrajový úhel (cos ν), vztah pak
nabude tvar:
[73]
kde:
Sn = procentuální nasycení
P = pórovitost
- Brownova dynamická metoda. Zařízení umožňuje přivádět k horninovému vzorku (jádru)
dvě různá ložisková média. Blíže viz lit. 12.
Hodnoty průběhu kapilárních tlaků slouží rovněž ke zlepšení znalostí o kolektorských
horninách. Samotný údaj o pórovitosti – dané sumou všech pórů v nádržní hornině, nestačí
k poznání mezizrnných prostor. Na základě kapilárních tlaků můžeme provést rozdělení
(distribuci) pórových kanálků podle průměru a získat tak přehled o převažujících velikostech
(viz obr. č. 2.47).
53
Obr. č. 2.47: Distribuce pórových kanálků metodou kapilárních tlaků
Kapilarita úzce souvisí se stupněm smáčení hornin a se stupněm nasycení pórových kanálků
tekutinou. Schematické znázornění závislosti v případě binárního systému (ropa-voda) je
uvedeno na obr. č. 2.48.
SPSKS
Obr. č. 2.48: Schematické znázornění závislosti mezi kapilaritou, stupněm smáčení a stupněm nasycení
pórových kanálků v případě binárního systému (ropa-voda)
A – nasycení vodou;
B – nasycení ropou;
54
C – poloměr pórových kanálků
2.3
Systémy tvořené kolektorskými horninami a tekutinami, které je vyplňují
Nádržní horniny (kolektory) obsahují ve svém pórovitém prostředí tekutiny, které s ním
vytvářejí určitý systém, zvaný geohydrodynamický. Chování vrstevních tekutin v daném
systému je podmíněno řadou spolu navzájem souvisejících faktorů.
Geohydrodynamickým systémem se budeme zabývat ze dvou hledisek. Jednak z hlediska
hydraulických parametrů, se kterými v systému kolektor – tekutina často přicházíme do styku,
jednak z hlediska klasifikace systému jako celku.
Speciální hydraulické parametry označované jako geometricko-látkové charakteristiky lze
rozdělit (podle J. Jetel, 1982) do tří skupin na:
a) odporové charaakteristiky,
b) kapacitní (evakuačně-akumulační) charakteristiky,
c) kapacitně-odporové charakteristiky.
O dělení geohydrodynamických systémů bude pojednáno v kapitole 3.
Obecné pojmy a závislosti
Vrstevní tekutina v kolektoru je vždy vystavená působení souboru sil, z nichž nejvýznamnější
jsou síly mezimolekulární a gravitační. S mezimolekulárními silami úzce souvisí spojitost
mezi stejnorodými molekulami, ulpívání, resp. smáčení mezi různorodými molekulami,
povrchové napětí, kapilarita a nasycenost. Síla gravitační je příčinou hydrostatického tlaku.
Ulpíváním molekul na stěnách pórů se tvoří vrstvy nepohyblivé nebo částečně pohyblivé
kapaliny, které zmenšují průměry pórových kanálků a zvětšují průtočné odpory. Čím menší
jsou částice horniny, tím větší je povrch pórů a tím větší počet molekul kapaliny na něm může
ulpět.
Na obr. č. 2.49 jsou uvedeny různé formy vody v systému kolektor – kapalina. Voda vázaná
na povrchu pórových kanálků v jednomolekulární souvislé vrstvě je označována jako
hydroskopická (1).
SPSKS
Obr. č. 2.49: Různé formy vody v systému
kolektor - kapalina
Mimo převažující síly adsorbční působí zde jistou měrou i síly elektrostatické, které
vyvolávají orientaci molekul vody v nejbližším okolí podle elektrického náboje. Tato voda se
v pórech horniny nemůže pohybovat a lze ji odstranit pouze odpařením.
Další vrstvou (několikamolekulární) nad hydroskopickou vodou tvoří voda silně vázaná (2).
55
Hlavní soudržnou silou jsou elektrostatické síly mezi opačně nabitými konci dipólů
orientovaně seřazených molekul vody.
Silně vázaná voda nevytváří v horninách hydrostatický tlak a nemůže se v nich pohybovat,
neboť mezimolekulární síly v kapalině jsou mnohem větší než síla gravitační, resp. tlakové
gradienty používané při těžbě.
Na ni navazuje slabě vázaná voda (3), jejíž vrstva je mnohomolekulární. Hlavní silou vazební
jsou zde rovněž elektrostatické síly mezi opačně nabitými konci dipólů molekul vody.
Soudržné síly směrem od horniny klesají, neboť orientace dipólů již není tak jednotná a to
jednak v důsledku disociace molekul vody, jednak vnikáním iontů disociovaných látek
z oblasti volně pohyblivé vody. K pohybu slabě vázané vody může dojít při zvlášť vysokých
tlakových gradientech.
Silně a slabě vázaná voda se označuje souhrnným názvem jako voda obalová. Tloušťka její
vrstvy nepřesahuje 0,5 µm.
Ostatní voda v pórech kolektoru je označována jako volná nebo pohyblivá (4) [rovněž i volně
pohyblivá]. Podléhá gravitační síle a vytváří hydrostatický tlak.
Volná voda je rozdělovaná na vodu kapilární a gravitační.
Kapilární voda vyplňuje pórové kanálky horniny a udržuje se kapilárními silami na úrovni
vyšší, než vztlak v daném místě. Toto označení má smysl jen při filtraci dvou nebo tří
nemísitelných tekutin (např. voda – ropa), na jejichž rozhraní vznikají síly povrchového
napětí. Je-li pórové prostranství zcela vyplněno jen jednou tekutou fází, kapilární síly se
neprojevují.
Jako gravitační voda je označována ta část vody v pórových kanálcích hornin, která je při
volném (gravitačním) odtoku nahrazována vzduchem, případně plyny. Jedná se o všechnu
volnou vodu (tedy mimo hygroskopické, obalové a tzv. koutové kapilární vody) obsaženou
v navzájem komunikujících pórech nadkapilárních rozměrů a jednak o část vody obsažené
v pórech kapilárních rozměrů. Kapilární síly zde totiž působí proti odtoku a značně zpomalují
pokles volné hladiny. Kapilární voda, která zůstává v pórových kanálcích, vytváří nad volnou
hladinou podzemní vody tzv. kapilární
třáseň neboli obrubu podepřené kapilární
vody.
SPSKS
Ropa ve vztahu ke kolektoru je většinou
rozdělována do tří skupin.
Obalová ropa vytváří na povrchu částic
ropofilních hornin tenké blány (tzv. film).
Klasickými těžebními způsoby ji nelze
vytěžit. Tento případ je však výjimečný,
protože při liofilním a zároveň oleofóbním
charakteru
většiny
horninotvorných
minerálů je v přírodních kolektorech ropa
oddělena od horniny vodní blankou různě
silnou.
Kapilární ropa – vyplňuje kapilární
kanálky kolektorských hornin. Je těžitelná,
vytěsnitelná vodou, stejně jako volná ropa,
vyskytující se v pórech nadkapilárních.
V přírodních podmínkách u více fázových
systémů nacházíme na povrchu zrn
kolektorů téměř vždy vodu hygroskopickou
a obalovou a dosti často vodu volnou (obr.
č. 2.50).
Obr.
56
č. 2.50: Schematické znázornění
zastoupení vody a ropy v kolektorech
Další, nemísitelné tekutiny vyplňující pórové kanálky se stýkají jen s některou z uvedených
vrstev vody a nikoliv přímo s horninou. Výše uvedené má velký vliv na hodnotu účinné
(efektivní) pórovitosti. Rozděluje se podle podmínek, v níž se určovala (viz J. Jetel, 1974).
V případě zvodní je rozlišována následující účinná pórovitost:
- dynamická účinná pórovitost (Pdyn). Je definována jako objem pórů, které se účastní
proudění tekutin pórovitou horninou.
- Odkapná (výtoková) účinná pórovitost (Pod). Je definována jako objem gravitační a části
kapilární vody, který vyteče ze vzorku horniny plně nasyceného vodou při volném výtoku,
vztažený k celkovému objemu pórovitého prostředí (horniny včetně pórů).
- Drenážní (odtoková) účinná pórovitost (Pdr). Je definována jako objem gravitační a části
kapilární vody, který vyteče z horniny plně nasycené vodou při povlovném klesání volné
vodní hladiny, vztažený k celkovému objemu osušeného pórovitého prostředí (horniny včetně
pórů). Odpovídá součiniteli vododajnosti (ks) podle ČSN 73 6511.
- Průtoková účinná pórovitost (Ppr). Je definována jako poměr množství vody (Q) proteklé
pórovitým prostředím za časovou jednotku k průtočné ploše kolektoru (S), měřené kolmo na
směr proudění a skutečné střední rychlosti proudění v kolektoru (u), měřené ve směru
proudnic.
3.
Klasifikace geohydrodynamických systémů
Pro charakteristiku geohydrodynamických systémů se dnes používá několik klasifikačních
soustav a každá z nich má poněkud odlišné uplatnění.
Horninové prostředí umožňující pohyb vrstevních kapalin nazýváme kolektorem, resp.
propustnou vrstvou. Dále je rovněž v odborné ropařské literatuře používán termín nádržní
hornina, v hydrogeologické akvifer.
Horniny nepropustné, nebo relativně nepropustné označujeme jako izolátory. Polopropustné
vrstvy jsou označovány jako poloizolátory (akvitardy).
Propustnost (permeabilita) horninového prostředí je dána výskytem tzv. pórů, které zaujímají
v hornině určitý objem (jehož poměrné vyjádření nazýváme pórovitostí) a spojitostí těchto
pórů. Póry bývají ve většině případů vyplněny vrstevními tekutinami, stupeň tohoto vyplnění
je označován jako nasycenost.
V případě, že jsou póry v hornině vyplněny pouze vodou, je toto těleso podzemní vody
označováno jako zvodeň.
Jedná-li se o výplň tvořenou kapalnými a plynnými uhlovodíky či jinými plyny (např. CO2,
He, ...) hovoříme o tzv. akumulaci.
Systém kolektor, voda (zvodněný kolektor – zvodněnec) a okolní prostředí je označován
v odborné terminologii jako zvodněný systém, systém kolektor a akumulace označujeme jako
ložisko.
Soustava vzájemně hydrodynamicky komunikujících kolektorů a různých pohyblivých
tekutin, jimiž jsou tyto kolektory nasyceny, je označována jako geohydrodynamický systém.
Pro třídění zvodněných systémů jsou nejčastěji používána tato kritéria (V. Homola, 1980):
a) hydraulický mechanismus,
b) dynamika kapalin v kolektorech,
c) hydrogeologické zóny.
SPSKS
ad a) Podle hydraulického mechanismu (označovaného rovněž jako druh síly), který uvádí
vrstevní tekutinu do pohybu, rozeznáváme systémy:
- s volnou hladinou (filtrace tíhová – gravitační). Piezometrická úroveň je totožná
s volnou hladinou toku. Pohonnou silou je zde výhradně tíha tekutiny. Nad volnou
hladinou podzemní vody je vyvinuta kapilární obruba (třáseň). Nad ní jsou póry
57
kolektoru vyplněny vedle vázané a kapilárně udržované koutové vody, zpravidla
vzdušinami s atmosférickým tlakem. Působením gravitační síly proudí jen kapaliny.
Zvodněné systémy s volnou hladinou jsou tvořeny převážně nádržemi mělké
(freatické) podzemní vody;
- s napjatou hladinou – kolektor je kryt izolátorem. Piezometrická úroveň leží nad
horní hranicí kolektoru. Tlak vody na bázi nadložního izolátoru je tedy vyšší než
atmosférický. Pohonná síla při filtraci je zde dána hydrostatickým tlakem, vyvolaným
sloupcem kapaliny o výšce (H) rovné rozdílu absolutní výšky piezometrické úrovně a
daného místa kolektoru.
ad b) Podle dynamiky (pohybu) kapalin v kolektoru se systémy dělí na stagnující a proudící
(čas je zde uvažován v geologickém časovém měřítku). Systémy se stagnující vodou
patří takřka výlučně k systémům s napjatou hladinou, jež jsou ze stran omezeny
hydraulickými bariérami. V systémech s proudící vodou označujeme místo vstupu
povrchové vody do kolektoru jako infiltrační oblast, místo výstupu podzemní vody na
povrch zemský nazýváme oblastí odvodňovací. Oblast mezi nimi je označována jako
průtočná případně akumulační.
Zvodněné systémy s napjatou hladinou, které vycházejí na zemský povrch alespoň
v jednom místě, se označují jako artéské, probíhá-li jejich piezometrická úroveň
alespoň v části oblasti nad úroveň terénu (takže při navrtání kolektoru dochází
k přelivu vody v úrovni terénu).
ad c) Do hydrogeologických zón jsou systémy děleny následovně:
- zóny s intenzivní vodní výměnou se zemským povrchem (mělké, nádrže s volnou
hladinou, málo rozsáhlé artéské průtočné systémy, ...),
- zóny s omezenou vodní výměnou se zemským povrchem (velké průtočné artéské
systémy, artéské klíny, ...),
- zóny bez vodní výměny s povrchem – kolektory omezené ze všech stran
hydraulickými bariérami a nepropustnými nadložními i podložními horninami
(izolátory).
SPSKS
Omezení (hranice) zvodněných systémů dělíme na otevřené, které umožňují hydraulickou
spojitost, případně i látkovou výměnu s okolními kolektory, a na uzavřené (tzv. hydraulické
bariéry), které působí opačně.
Polootevřené hranice podstatně omezují šíření hydraulických změn i látkovou výměnu.
Hranice zvodněných systémů se vyznačují určitými okrajovými podmínkami, kterými se řídí
hydraulické změny, případně látková výměna (blíže viz např. V. Homola, 1980).
Tlaky a teploty v geohydrodynamických systémech
Tlaky ve vrstvách rozdělujeme na tlak geostatický a tlak vrstevní (ložiskový). Geostatický
tlak je dán tíhovou silou, kterou vyvozují nadložní vrstvy hornin. Tato síla působí na částice
hornin a způsobuje jejich zhutňování. Hodnota geostatického tlaku se stanoví ze vztahu, který
je analogický základní rovnici hydrostatiky a je uváděn převážně v následující podobě:
P g = ρh . g . h
kde:
[1]
ρh = měrná hmotnost nadložních hornin [kg . m-3]
h = hloubka uložení
g = zrychlení zemské tíže
58
Střední hodnota měrné hmotnosti hornin se pohybuje v rozsahu 2 300 – 3 000 kg . m-3,
z čehož vyplývá, že geostatický tlak je ve většině případů 2,3 až 3krát vyšší než hydrostatický
tlak vody.
Vrstevní tlak je vyvozován tlakem tekutiny (vody, ropy nebo plynu), kterou je kolektorská
hornina nasycena.
Ve zvodněných vrstvách komunikujících s povrchem je vrstevní tlak prakticky roven
hydrostatickému tlaku a pro jeho stanovení je používána základní rovnice hydrostatiky:
p = ρv . g . h
[2]
Výška sloupce vody (h), který vyvozuje hydrostatický tlak, je rovna vzdálenosti sledovaného
místa ve vrstvě od hladiny volné vody. U systému s napjatou hladinou od piezometrické
úrovně nad daným místem.
Hmotnost podzemních vod (podle mineralizace) se pohybuje většinou v rozmezí od 1 000 –
1 200 kg . m-3. Vzhledem k tomu, že stanovení hmotnosti podzemních vod po celé hloubce
uložení zkoumaných vrstev je obtížné, používá se někdy tzv. smluvní hydrostatický tlak, který
je roven tlaku sloupce čisté vody, jejích měrná hmotnost je 1 000 kg . m-3.
Ve vrstvách uzavřených, které nekomunikují s povrchem, případně s ním mají složitou vazbu,
je hodnota vrstevního tlaku dána dalšími faktory, které spolu působí s hydrostatickým tlakem.
Geostatický tlak, který způsobuje zhutňování hornin, je příčinou snižování jejich pórovitosti.
Část tekutin obsažena v pórech je tedy vytlačována do jiných hornin a jiných oblastí, případně
k povrchu, existuje-li zde komunikační systém. Neexistuje-li tento systém a tekutina nemá
z dosycovacích vrstev možnost odtoku, pak je zmenšování pórovitosti spojeno se zvyšováním
vrstevního tlaku. Na zmenšování pórovitosti se mohou podílet i jiné faktory – např. procesy
druhotné mineralizace, cementace apod. Může však docházet i k jiným procesům – zvyšování
objemu tekutin vlivem teploty apod.
Všechny uvedené jevy probíhající v uzavřených nebo polozavřených vrstvách způsobují
vzrůst vrstevního tlaku nad hodnoty „normálního“ hydrostatického tlaku. Tyto zóny jsou
v literatuře označovány jako oblasti s anomálně vysokým vrstevním tlakem (zkratka AVVT).
SPSKS
Obr. č. 3.1: Příklady změny vrstevního tlaku s hloubkou uložení ve zvodněných vrstvách
A – komunikující s povrchem, B – uzavřených
59
Na obr. 3.1 A je uveden příklad změny vrstevního tlaku s hloubkou uložení ve zvodněných
vrstvách komunikujících s povrchem. Na obr. 1 B je znázorněn obdobný graf pro případ
uzavřených zvodněných vrstev. Je zřejmé, že vrstevní tlak zde značně převyšuje tlak
hydrostatický a v některých specifických případech se může blížit až dosahovat tlaku
geostatického.
V uzavřených a polouzavřených vrstvách však můžeme pozorovat rovněž jev opačný, kdy
vrstevní tlak je nižší než hydrostatický. K tomu může dojít např. při zvýšení pórovitosti
(vyluhování hornin) nebo zmenšení objemu tekutin nasycujících póry (změna teploty nebo
tání podzemního ledu v oblastech s věčně zmrzlou půdou). Tento druhý faktor je velmi častý
např. v oblastech Jakutska a severního Tjumenu, kde jsou vrstevní tlaky ložiskových vod nižší
než normální hydrostatický tlak.
Ložisková (vrstevní) teplota závisí především na vnitřním teplu Země. Sezónní povrchové
změny teploty ovlivňují teplotu hornin pouze do hloubky 10 – 30 m. Níže pak teplota stoupá
v závislosti na geotermickém stupni, resp. jeho převrácené hodnotě geotermickém gradientu.
Geotermický stupeň je roven hodnotě vzdálenosti, kterou je nutno sestoupit, aby teplota
vzrostla o 1 °C. Je udáván vztahem:
[3]
kde: t1 a t2 jsou teploty hornin v °C, naměřené v hloubkách h1 a h2.
Geotermický gradient udává, o kolik stupňů vzroste teplota při vzestupu o 1 m. Udává se ve
°C/m a lze jej stanovit ze vztahu:
SPSKS
[4]
Význam symbolů t1, t2, h1, h2 je stejný jako u předchozího vztahu.
Hodnota geotermického stupně se většinou pohybuje v rozmezí 10 – 35 m/°C.
4.
Zdroje vrstevní energie
4.1
Základní pojmy
Každé ložisko (kolektor) včetně zvodněných vrstev obsahuje (před otvírkou v rovnovážném
stavu) určitou počáteční potenciální energii, která při těžbě přechází na energii kinetickou a
spotřebovává se při filtraci tekutin pórovitým prostředím.
Měřítka potenciální energie v kolektoru je vrstevní tlak. U otevřených systémů s napjatou
hladinou, tj. systémů komunikujících se zemským povrchem (viz obr. č. 3), může maximální
vrstevní tlak dosáhnout nejvýše hodnot daných rovnicí: 4.6.
U systémů uzavřených, dokonale utěsněných izolátory a tedy bez možnosti úniku tekutin
z kolektoru, mohou vrstevní tlaky dosahovat ve zvláštních případech hodnot blízkých
geostatickému tlaku v dané hloubce.
Vývoj a velikost vrstevních tlaků v průběhu těžby budou závislé na mnoha faktorech, z nichž
nejvýznamnější jsou tyto:
a) strukturně – tektonický charakter ložiska,
b) faciálně – litologický vývoj ložiska,
c) tvar ložiska, jeho vertikální a horizontální dosah,
d) počet fází, stupeň nasycení a vzájemné uspořádání ložiskových tekutin,
60
e) fyzikálně – mechanické a fyzikálně – chemické vlastnosti nádržních hornin jako např.
struktura pórů, druh pórovitosti, stlačitelnost a roztažnost, stupeň smáčení apod.,
f) fyzikální podmínky panující v ložisku (tlak, teplota) a dále fyzikálně – chemické vlastnosti
vrstevních tekutin – např. měrná tíže, viskozita, stlačitelnost a roztažnost, povrchové
napětí, nasycení ropy a vody plynem za daného tlaku, teploty apod.,
g) chemické složení ropy, vody a plynu, mineralizace,
h) změna původního stavu zásahem průzkumné, resp. těžební činnosti, daná způsobem
provádění vrtných prací, druhem sítě těžebních vrtů a jejich vzdáleností, stupněm
dokonalosti sond z hlediska hydrodynamiky, rychlosti těžební otvírky, intenzita těžby atd.
Zdroje vrstevní energie lze na základě výše uvedeného rozdělit do různých skupin podle
potřeb jednotlivých těžařských odvětví.
V hydrogeologii jsou vyčleňovány:
a) systémy s napjatou hladinou (tlakové nebo náporové systémy), kde zdrojem energie tekutin
jsou:
- hydrostatický tlak tekutin (v němž je obsažena potenciální energie polohy),
- pružnost stlačených tekutin a stlačeného kolektoru;
b) zvodněné systémy s volnou hladinou, kde zdrojem energie je jen:
- hydrostatický tlak.
Soubor sil, které se při těžbě podílejí na vypuzování tekutin z kolektoru do vrtu, a jejich
projevy při těžbě jsou označovány jako režim ložiska.
Na ložiscích ropy a zemního plynu se mohou vyskytovat tyto režimy:
SPSKS
a) vodonáporový režim
I. tuhý (nestlačitelný) – vliv pružnosti geohydrodynamického systému je zanedbáván.
Tento režim je rovněž označován jako artézský,
II. pružný (stlačitelný) – s vlivem pružnosti geohydrodynamického systému se počítá
(jedná se o rozpínání stlačené zaokrajové, případně
podestýlající vody);
b) režim rozpuštěného plynu
c) plynonáporový režim
I. tuhý (nestlačitelný) – vliv pružnosti systému je zanedbáván,
II. pružný (stlačitelný) – s vlivem pružnosti systému se počítá;
d) gravitační režim
e) smíšené režimy (v přírodních podmínkách jsou velmi časté)
V případě režimů označených b), c) a d) je zaokrajová případně podestýlající voda
považována za nepohyblivou.
Jiné, jednodušší dělení režimů ropných a plynových ložisek je uváděno např. J. Pražský
(1971).
61
Rozlišuje:
režim: - tlaku vrstevní vody,
- tlaku stlačeného přírodního plynu,
- gravitace
- tlaku napjaté horniny a stlačené kapaliny,
a jejich smíšené působní s měnícím se pořadím důležitosti.
4.2
Samostatné zdroje vrstevní energie
Vodonáporový režim
I. Tuhý (nestlačitelný)
Uplatňuje se u ložisek komunikujících hydraulicky s povrchem (resp. s oblastí napájení)
přirozenou cestou nebo uměle (viz obr. 4.1, 4.2), kde hlavním zdrojem energie je
hydrostatický tlak tekutin.
SPSKS
Obr. č. 4.1: Schéma ložiska komunikujícího s povrchem
Obr. č. 4.2: Schéma druhotné těžby ropy formou zaokrajového zavodňování
62
Vliv pružnosti těchto geohydrodynamických systémů je zanedbáván. Nejlépe tomuto případu
odpovídá situace při aplikování druhotné těžby ropy formou zaokrajového zavodňování (viz
obr. č. 4.2). Množství vody zatlačené do zavodněné části ložiska je rovno těženému množství
vrstevních kapalin. Vrstevní tlak se v průběhu těžby prakticky nemění a pružnost vrstevního
systému se nemůže uplatnit.
U ložisek, kde oblast napájení nestačí pokrýt celkové úbytky způsobené těžbou, dochází
k poklesu vrstevního tlaku a postupně se začínají uplatňovat i jiné zdroje energie.
Sledování vrstevního tlaku u otevřených zvodní je z hlediska měření a předvídání
nejjednodušší, neboť vrstevní tlak je zde těsně spojen s hloubkou uložení vrstvy. Četná
pozorování na ložiskách s vodonáporovým režimem ukázala, že velikost přírůstku tlaku na
10 m hloubky se pohybuje v rozmezí od 0,074 MPa do 0,125 MPa. Lze tedy říci, že počáteční
vrstevní tlak v ložiscích tohoto typu, kolísá v rozmezí ± 25 % kolem tlaku, který by odpovídal
hydrostatickému tlaku sloupce vody rovného hloubce uložení vrstvy. Jedná se zejména o
ložiska obsahující ropu, zemní plyn i vodu (viz obr. č. 4.3).
SPSKS
Obr. č. 4.3: Schéma k výpočtu rozložení vrstevního tlaku ve vrstvě
Postup výpočtu hydrostatického, případně aerostatického tlaku v jednotlivých částech
kolektoru je prováděn následovně:
v místě průniku vrtu č. 1 počvou zvodněné vrstvy odpovídá vrstevní tlak (Pv1)
hydrostatickému tlaku sloupce vody (hv1γv). Rozhraní akumulace ropa – voda se nachází na
úrovni o (hx) vyšší, než je počva vrstvy ve vrtu č. 1. Tlak na rozhraní bude tedy menší o
hydrostatický tlak sloupce vody o výšce (hx)
pvr = hv1γv – hx . γv = (hv1 – hx) . γv
[4.1]
V úrovni paty projektového vrtu č. 2, který zachycuje část kolektoru obsahující ropu ve výši
(hy) nad rozhraním voda – ropa bude vrstevní tlak nižší o tlak sloupce vody (pr):
63
pR = hy . γR
[4.2]
a tedy vrstevní tlak v tomto místě:
pv2 = (hv1 – hx) . γv – hy . γR
[4.3]
Rozhraní akumulace ropa – plyn se nachází na úrovni o (hr) vyšší než rozhraní voda – ropa a
tlak zde bude vyjádřen vztahem:
prg = pvr – hr . γr
[4.4]
Vrstevní tlak ve vrcholu plynové akumulace (vrt č. 3) bude oproti tlaku na rozhraní ropa –
plyn zmenšen o aerostatický tlak sloupce plynu (hg) s měrnou tíhou (γg).
pv3 = prg – hg . γg
[4.5]
Obecně tedy výsledný tlak (pv) ve vrcholu plynové akumulace bude:
pv = hv . γv – hr . γr – hg . γg
kde:
[4.6]
hv = výška vodního sloupce
γv = měrná tíha vody
hr = výška sloupce ropy
γr = měrná tíha ropy
hg = výška sloupce plynu
γg = měrná tíha plynu (určována pro střední tlak plynu v plynové akumulaci)
SPSKS
Vrstevní tlaky v roponosné a plynonosné části ložiska mají hodnoty vyšší než hydrostatický
tlak v příslušné hloubce, neboť měrná tíže ropy a zejména plynu je menší než měrná tíže
vody.
Uvedených vztahů lze použít pouze pro orientační výpočty, neboť měrné tíže vrstevních
tekutin nejsou ani v jedné a téže akumulaci konstantní. Mění se s rostoucím tlakem, teplotou a
dále v důsledku lokálních odchylek ve složení tekutin a množství rozpuštěného plynu.
II. Pružný (stlačitelný)
V uzavřených ropných ložiscích (obr. č. 4.4) s velikou zásobou okrajových, případně
podestýlajících vod je hlavním zdrojem energie pružnost stlačených kapalin a stlačeného
kolektoru. Při vzniku ložiska dochází vlivem tlaku kapalin v pórech kolektoru ke stlačování
horninových zrn a tím k rozšiřování pórových kanálků. Hornina tedy pohlcuje (akumuluje)
určité množství energie původního systému. Rovněž značná množství kapalin vyplňujících
kolektor pohltí určitou část energie systému tím, že se komprimují svým vlastním
hydrostatickým tlakem. Pokusy bylo zjištěno, že stlačitelnost kapalin za ložiskových
podmínek je 10 – 12krát větší než na povrchu. Deformace hornin je menší než stlačitelnost
kapalin, udává se v rozsahu 5 – 25 % hodnot stlačitelnosti kapalin.
Způsobíme-li těžbou v tomto systému pokles vrstevního tlaku, počne se kapalina ve vrstvě
rozpínat a pórové prostory se zmenšují. Uvolněná akumulovaná potenciální energie se
spotřebuje jednak při expanzi kapaliny, jednak při překonávání filtračních odporů.
64
Obr. č. 4.4: Schéma uzavřeného ložiska
Režim rozpuštěného plynu
Může být hlavním zdrojem energie v ložiscích, kde kapalina není při daném vrstevním tlaku
plynu zcela nasycená (obsah rozpuštěných plynů nedosahuje hranice nasycení) a plynová
čepice se tedy nemohla vytvořit. Tlakem nasycení je nazýván takový vrstevní tlak, při jehož
nepatrném snížení se počnou vylučovat z kapaliny první částice rozpuštěných plynů.
Mechanismus vytlačování kapaliny z kolektoru vyloučeným a expandujícím plynem je na obr.
č. 4.5. Tlaku nasycení vrstevních kapalin rozpuštěnými plynu odpovídá určitá výtlačná
(piezometrická) úroveň, označovaná jako hladina tlaku nasycení Hnas. Dojde-li ke snížení
tlaku v kolektoru pod tlak nasycení, vyloučí se z kapaliny určité množství rozpuštěného
plynu. Tento vyloučený plyn (stlačený okamžitým vrstevním tlakem) vytlačuje kapalinu
z pórových kanálků do vrtu.
SPSKS
E – body evaze plynu z kapaliny
Hnas – hladina tlaku nasycení
Hk – statická výtlačná úroveň
kapaliny v kolektoru
Obr. č. 4.5: a) tlak v kolektoru je vyšší než tlak nasycení, rozpuštěný plyn se nevylučuje
b) tlak v kolektoru do vzdálenosti (Rn) je nižší než tlak nasycení a rozpuštěný plyn se zde
vylučuje
65
Plynonáporový režim
Velmi rozšířeným druhem vrstevní energie je energie stlačeného vrstevního plynu. Může být
hlavním druhem vrstevní energie v uzavřených ložiscích uhlovodíků nebo v ložiscích
chráněných před vlivem okrajových vod.
Mohou se vyskytovat ve dvou variantách:
I) První případ, kdy zanedbáváme pružnost systému kolektor – tekutina, může nastat pouze
při použití druhotných těžebních metod – a to plošného zatlačování plynu do plynové čepice
(obr. č. 4.6). Množství zatlačeného plynu musí být takové, aby nedocházelo k poklesu
vrstevního tlaku v plynové čepici. Objem plynové čepice roste a ropa je vytlačována
z pórových kanálků do míst nižšího tlaku, tedy směrem k těžením sondám.
SPSKS
Obr. č. 4.6: Schéma druhotné těžby ropy
formou plošného zatláčení
plynu. Plynonáporový režim,
(nestlačitelný)
II) Ve druhém případě je potenciální zásoba
„plynové“ energie dána pouze energií volného
plynu soustředěného v plynové čepici (viz obr.
č. 4.7). V průběhu odtěžování ropy dochází
k poklesu vrstevního tlaku, volný plyn
v plynové čepici se rozpíná, objem pórového
prostranství zaujímaného plynem roste a ropa
je vytlačována do vrtů. Při posuzování tohoto
zdroje energie je přijat předpoklad, že vrstevní
tlak (ani v přípočvové oblasti sondy) neklesne
pod tlak nasycení, tzn. že se z ropy nebude
vylučovat rozpuštěný plyn.
Obr. č. 4.7: Schéma uzavřeného ložiska ,
plynonáporový režim, stlačitelný
66
Gravitační režim
Tento režim vzniká v případě uzavřených ukloněných ložisek ropy, kdy zdrojem energie je
hydrostatický tlak vlastní kapaliny (obr. č. 4.8). Kapalina tedy má určitou potenciální energii i
v případě, že ostatní zdroje nepůsobí. Velikost tangenciální složky síly gravitace, působící ve
směru úklonu vrstvy bude tím větší, čím větší bude úhel (α). Tečná složka (T) gravitační síly
(G) je dána vztahem:
T = G . sin α
[4.7]
SPSKS
Obr. č. 4.8: Schéma otevřeného ložiska s gravitačním režimem
Potenciální zásoba energie kapaliny u každého z vrtů je omezena pouze na tu část ložiska,
která leží nad dnem vrtu.
Rovněž u zvodněných systémů s volnou hladinou je zdrojem potenciální energie jen
hydrostatický tlak.
Smíšené režimy
U většiny ložisek se výše uvedené zdroje vrstevní energie uplatňují buď současně, nebo
s překrývající se návazností za sebou, a to podle míry důležitosti.
Určování vrstevních tlaků případně dynamických tlaků u výše uvedených systémů se provádí
měřením. Přístroje a jejich umístění jsou voleny podle typu ložiska.
U ložisek s vrstevním tlakem vyšším, než je tlak hydrostatický, dochází po navrtání
k samovolnému výtoku (tzv. těžba samotokem). Tlaky zde můžeme měřit přímo na ústí
manometrem, případně váhovým lisem a to dle vystrojení sondy – v mezikruží (sonda není
vybavena pakrem) nebo v těžebních trubkách (stupačkách). Získané hodnoty jsou pak
přepočteny k úrovni dna sondy, resp. ke středu perforace.
Ložiska, kde vrstevní tlak nedosahuje tlaku hydrostatického, vystoupí kapalina ve vrtu jen do
určité výše, kde se ustálí. Tato hladina je označována jako ustálená statická hladina (USH).
67
Hladina vytvořená ve vrtu během těžby je označována jako dynamická hladina. Pro stanovení
tlaku na dně sondy je nutno změřit úroveň hladiny v sondě a provést příslušný přepočet, nebo
použít k měření hlubinný manometr. Použití hlubinných manometrů je výhodné rovněž u
prvního typu ložiska.
Tlaky měřené v klidovém stavu (po ustálení) jsou označovány jako statické, tlaky měřené za
neustálených podmínek, jsou nazývány dynamickými.
Jednotlivé případy měření tlaku jsou uvedeny na obr. č. 4.9.
SPSKS
Obr. č. 4.9: Schéma způsobu měření tlaku
v případě samotokové těžby
1 – v mezikruží
2 – v těžebních trubkách
3 – hlubinným manometren na
počvě sondy
4.3
Odpory bránící pohybu tekutiny vrstvou
Těžíme-li tekutiny z pórovitých kolektorských vrstev, pak těžební sondy představují středy
oblastí sníženého vrstevního tlaku. V těchto oblastech proudí vrstevní tekutiny složitými
systémy pórových kanálků z míst vyššího vrstevního tlaku k místům nejnižšího vrstevního
tlaku, která se nacházejí v osách vrtů. Síly, vytěsňující tekutiny pórovými kanálky směrem
k těžebním sondám, musí přemáhat dva druhy odporů a to dynamické a statické.
Mezi dynamické odpory řadímě:
a) „hydraulické“ odpory,
b) vnitřní tření tekutiny (viskozitu),
c) mezifázové tření ve směsi tekutin při relativním pohybu složek,
d) odpor bublinek vyloučeného plynu proti deformaci při protlačování kapalným prostředím
(Jaminův efekt).
ad a) „Hydraulické odpory“
Tyto odpory způsobují ztráty energie tekutiny a dělíme je podle fyzikální podstaty na:
- tření tekutiny o stěny pórových kanálků (tzv. ztráty třením),
- víření kapaliny při změně rychlosti (tzv. místní ztráty).
68
Hydraulické ztráty třením jsou při proudění způsobeny vazkostí tekutiny, která vyvolává tření
při obtékání ploch. Tyto ztráty rostou s délkou filtrační dráhy.
Tzv. místní ztráty vznikají tam, kde dochází ke změně velikosti rychlosti (rozšířením nebo
zúžením průřezu pórového kanálku) nebo směru proudu (zakřivení kanálků – tortuozita)
anebo k oběma změnám současně. Podstatou místních ztrát je víření tekutiny. Význam těchto
ztrát roste s hodnotou tortuozity.
K překonávání výše uvedených odporů při proudění tekutiny se spotřebovává určitá
mechanická energie, která se odebírá tekutině a mění se v teplo.
Proudí-li pórovitým prostředím jednofázové tekutiny, přibližují se zákonitosti pohybu tímto
prostředím (zvláště u nadkapilárních kanálků) zákonitostem pohybu tekutin potrubím. Ke
stanovení tlakového spádu (∆p) potřebného na překonání hydraulických odporů je pak možno
využít rovnice označované jako Darcy-Waissbachova
[4.8]
kde:
λ = koeficient hydraulických oborů, obecně: λ = f(Re, ε),
Re = Reynoldsovo číslo,
ε = poměrná drsnost obtékané plochy,
L = filtrační dráha,
d = poloměr pórových kanálků,
c = střední rychlost,
γ = měrná tíže tekutiny.
SPSKS
Získané údaje jsou však pouze orientační, neboť stanovení hodnot vstupních údajů je velmi
složité a nepřesné.
Pro různé druhy kolektorských hornin byly proto na základě pokusů sestaveny empirické
rovnice, jejichž použití je však rovněž omezené.
O velikosti hydraulických odporů je možno soudit podle velikosti smáčeného povrchu
pórových kanálků. Velikost smáčeného povrchu pískových zrn u klasických kolektorů je
značná. Např. u fiktivní horniny s průměrem zrn 0,589 mm činí v 1 m3 písku povrch zrn 7 187
m2. Jsou-li zrna písku menší, o průměru zrn 0,074 mm, činí tento povrch již 56 306 m2.
Z uvedeného je zřejmé, že při pohybu tekutiny kolektorem budou odpory tím větší, čím větší
bude smáčený povrch zrn, tj. čím menší bude průměr zrn.
Tento poznatek platí rovněž pro zpevněné kolektory horniny. Filtračních procesů v těchto
kolektorech se však nebudou zúčastňovat izolované póry a póry podkpilární. Povrch pórových
kanálků pak označujeme následovně:
a) celkový povrch pórů v hornině,
b) „otevřený povrch“ pórových kanálků v hornině,
c) efektivní (filtrace se účastnící) povrch pórových kanálků v hornině.
U nezpevněných hornin se výskyt izolovaných pórů nepředpokládá a označení celkový a
otevřený povrch jsou totožná.
Stanovení povrchu pórových kanálků
Pro stanovení otevřeného povrchu pórových kanálků u nezpevněných hornin je v bývalém
69
SSSR často používána metoda vypracovaná B. V. Derjaginem. Schéma zařízení je uvedeno na
obr. č. 4.10. Výpočet je založen na předpokladu vzájemné závislosti mezi povrchem pórových
kanálků, pórovitostí, tlakovým gradientem a teplotou a mezi molekulární hmotností plynu a
rychlostí jeho filtrace vzorkem.
Obr. č. 4.10: Stanovení povrchu pórových kanálků.
Schéma aparatury dle B. V. Derjagina
Výpočet je prováděn podle vztahu:
SPSKS
[4.9]
kde:
Q = průtok plynu přes jednotkovou plochu vzorku,
Po = koeficient otevřené pórovitosti
s = otevřený povrch pórových kanálků (předpokládá se, že všechny pórové kanálky se
účastní procesu měření a tedy označení celkový, otevřený a efektivní povrch jsou
v podstatě totožná),
M = střední molekulární hmotnost vzduchu,
R = plynová konstanta,
T = teplota při pokusu,
∆p/∆x = tlakový gradient.
Rozsáhlé výzkumy této oblasti prováděli rovněž Kozeny a Kotjachov. Pro stanovení
celkového povrchu pórových kanálků u klasických hornin navrhli vztah:
[4.10]
kde:
s = celkový povrch pórových kanálků (m2 . m-3)
ρ1 = objemová hmotnost horniny (kg . m-3)
ρ2 = měrná hmotnost horniny – čisté horninové hmoty (kg . m-3)
ρh = hmotnost horniny (kg)
di = střední průměr částic dané frakce (m)
ρhi = hmotnost dané horninové frakce (kg)
70
Dále platí:
[4.11]
kde:
P = koeficient celkové pórovitosti (v desetinách jednotky)
pak:
[4.12]
Poměr členů z výše uvedeného vztahu
představuje efektivní průměr (de) zrn kolektoru.
Výraz tedy můžeme přepsat:
[4.13]
Kozený dospěl ke vztahu, v němž povrch pórových kanálků je určován pomocí hydraulického
poloměru (δ)
[4.14]
nebo pomocí středního poloměru pórových kanálků (rstř)
SPSKS
[4.15]
případně, když dosadíme místo rstř vztah pro jeho výpočet, pak:
[4.16]
kde:
kp = koeficient propustnosti (m2)
α = strukturní koeficient, charakterizující zvláštnosti skutečné kolektorské horniny.
Z výše uvedených vztahů je zřejmé, že povrch pórových kanálků souvisí s poloměrem
pórových kanálků, koeficientem propustnosti a strukturním koeficientem. Čím menší bude
poloměr pórových kanálků a koeficient propustnosti horniny, tím větší bude povrch pórových
kanálků.
Upravené metody měření a výpočtů se používají rovněž při výzkumu stmelených hornin (viz
lit. Wieczysty, A.: Hydrogeologia inženierska, PWN, Warszawa, 1970). Obecně se uvádí, že
efektivní povrch pórových kanálků odpovídá přibližně 70 % celkového povrchu pórového
prostranství.
Mimo smočeného povrchu pórových kanálků a již zmíněných parametrů má na velikosti
71
hydraulických odporů vliv také rychlost průtoku, neboť se zvýšenou rychlostí vzrůstá vliv
viskozity a tření. Ve většině případů jsou však rychlosti průtoku kapaliny vrstvou malé a
režim proudění je laminární. Při značném tlakovém spádu – zejména v příčelbové zóně
v okolí vrtu, vzrůstají rychlosti průtoku tak, že může dojít k přechodu na režim turbulentní.
Ztráty vrstevní energie připadající na překonání těchto hydraulických odporů jsou vyšší.
ad b) Viskozita (vazkost) tekutin
Tato vlastnost tekutin je podrobně popsaná v kapitole č. ??. Z uvedené je zřejmé, že odpor,
který tekutina z titulu viskozity bude klást síle, snažící se ji uvést do pohybu a udržet ji
v pohybu, bude přímo úměrný této viskozitě. Velikost síly nutné k překonání tohoto odporu
stejně jako viskozita závisí především na tlaku a teplotě.
ad c) Mezifázové tření ve směsi tekutin při relativním pohybu složek
Uplatňuje se při dvoufázových a třífázových filtračních tocích buď jen kapalin nebo kapalin a
plynů. V těchto případech je nutno použít upravených výpočetních metod (viz Noskievič, J.:
Hydraulika (Hornická příručka I.), SNTL, Praha, 1973).
ad d) Jaminův efekt
Tento jev je pojmenován podle francouzského badatele Jamina, který jako první stanovil, že
kapalina obsahující bublinky volného plynu nebo bublinky jiné kapaliny, nemísitelné se
základní kapalinou, vykazuje při pohybu pórovými kanálky větší odpor, než odpovídá
obecným zákonitostem. Síla vynakládaná na překonání tohoto odporu musí být tím vyšší, čím
prudčeji se mění průřez kanálků. Plynové nebo jiné bublinky jsou totiž při průchodu
proměnlivými průřezy nuceny měnit svůj tvar a tím i velikost povrchu a tato deformace
vyžaduje určité vynaložení síly „navíc“.
Popisovaný jev je zásadně odlišný o jakéhokoliv tření a vzniká následkem diferenciální
změny tvaru menisků, které probíhá na kontaktu bubliny a kapaliny.
Zdůvodnění daného jevu si provedeme pomocí následujících obrázků č. 4.11, 4.12 a 4.13.
Na prvním z nich (obr. č. 4.11a) je znázorněna situace, kdy se v kapiláře nachází voda s ropou
za rovnovážných podmínek. Kapilární síly na rozhraní dvou prostředí jsou:
SPSKS
[4.17]
Případ, kdy se v pórových kanálcích vyskytují ve vodě kapky ropy, je znázorněno na obr. č.
4.11b. Při stejných okrajových úhlech a při konstantním poměru kapilár platí:
[4.18]
Obr. č. 4.11: Jaminův efekt. Pohyb
kapek kapaliny v kapalině
72
V přírodních podmínkách jsou málokdy splněny výše uvedené předpoklady. Změna průměru
pórového kanálku je znázorněna na obr. č. 4.12a. Tlakový rozdíl mezi místy A, B je dán
vztahem:
[4.19]
Při rozdílných okrajových úhlech (obr. č. 4.12b) má výpočetní vztah tento tvar:
[4.20]
Pro situaci, kdy kapka (bublina – obr. č. 4.12c) tvoří rozhraní mezi dvěma kapalinami, nabude
vzorec následující tvar:
[4.21]
SPSKS
Obr. č. 4.12: Jaminův efekt.
a, b) pohyb kapek kapaliny v kapalině
c) pohyb bublinek plynu v kapalině
Nepůsobíme-li na tekutiny v pórovém kanálku žádnou jinou silou, bude se kapka (bublina)
pohybovat směrem výsledné síly až k dosažení rovnovážného stavu.
Zvažme nyní případ, kdy kapalina obsahuje bublinky volného plynu (obr. č. 4.13). Laplace
odvodil, že při vstupu do kapaliny, jejíž povrch je zakřiven do tvaru kulové plochy, dojde
náhle (jedná-li se o vydutý meniskus) ke změně tlaku o hodnotu (- 2δ/r).
Tlak povrchové vrstvy u menisku bude tedy pro rovnovážný stav (obr. č. 4.13a) kdy platí, že
r1 = r2 = r dán vztahem:
[4.22]
73
kde:
ppv = tlak povrchové vrstvy na horizontální rovinu
r = poloměr zakřivení menisku
δ = povrchové napětí.
Působíme-li v pórovém kanálku z jedné strany, např. zleva určitým tlakem (px) budou se jeho
vlivem menisky deformovat (viz obr. č. 4.13b). Poloměr levého menisku se zmenší a pravého
zvětší. V důsledku toho dojde rovněž ke změnám hodnoty tlaku povrchové vrstvy (p1) a (p2)
na hodnotu (p´1) a (p´2). Předpokládáme-li, že povrchové napětí kapaliny ani poloměr
pórového kanálku se měnit nebudou, pak:
[4.23]
Vzhledem k tomu, že r´1 < r a r´2 > r, dostaneme srovnáním výrazů
p´1 < p1
a p´2 > p2
tedy
[4.24]
SPSKS
Obr. č. 4.13: Jaminův efekt.
Deformace menisku kapaliny
Tento rozdíl tlaku směřuje proti aplikovanému tlaku. Jaminovým efektem je většinou
označován sumární protitlak všech bublinek (kapek) daného systému.
Stejný tlak musíme tedy vynaložit „navíc“, abychom dostali a drželi změnu tvaru bublinky
(kapky).
Dále bylo zjištěno, že plynové bublinky, případně kapky ropy ve vodě zaujímají rozšířené
části kapilár a jakoby ucpávaly cestu další filtrující kapalině.
Statické odpory
Působí jako síly, které udržují (resp. v některých případech odpoutávají) kapalinu v pórech
74
kolektorských hornin. Nabývají značného významu v okamžiku, kdy síly pohybující
kapalinou jsou již do značné míry vyčerpány, zejména u vrstev s nízkou propustností.
Mezi statické odpory řadíme molekulární přitažlivost, která zapříčiňuje následující jevy:
na rozhraní kapalina – pevná látka
v případě, že kapalina horninu smáčí (hornina je např. hydrofilní nebo ropofilní, adhesní síly
převládají na kohesními), dochází mezi kapalinou a horninou k adsorpčním jevům, které nutí
kapalinu obalovat povrch horninových zrn. V podstatě rozlišujeme dvojí fyzikální (zvanou
rovněž Van der Vaalsovu) adsorpci:
- molekulární (nepolární), kdy se adsorbuje celá molekula a
- iontovou (polární) vedoucí ke vzniku elektrické dvojvrstvy (el. dvojvrstva se však může
vytvořit rovněž elektrolytickou disociací povrchové vrstvy tuhé fáze).
Za složitější situace, kdy hornina s kapalinou chemicky reaguje, vzniká chemisorpce a to
působením valenčních chemických sil povrchových molekul tuhé fáze, která vytvoří
elektronovou vazbu s adsorbovanou molekulou nebo atomem kapaliny.
Na povrch kapaliny
Vlivem nerovnováhy mezimolekulárních sil při povrchu kapaliny vzniká povrchové napětí,
které působí jako síla protichůdná proti obalování horninových zrn. Kohesní síly zde
převládají nad adhesními, kapalina horninu nesmáčí.
Ve vytvořené obalové vrstvě
Vzájemná mezimolekulární síly brání protrhávání již vytvořených „obalů“. Tato vlastnost je
označována jako lepkavost.
SPSKS
5.
Teorie filtrace tekutin
5.1
Shrnutí základních poznatků
Proudění tekutin a jejich směsí pórovitým prostředím se nazývá filtrací. Vzhledem k tomu, že
skutečný tvar a rozměry částic reálné horniny, stejně jako způsob jejich rozložení, jsou ve
většině případů značně proměnlivé, musíme při studiu filtračních vlastností pórovitého
prostředí vycházet z tzv. průměrných charakteristik.
Při pohybu určité částice tekutiny v pórových kanálcích nesledujeme – vzhledem ke složitosti
– způsob pohybu této částice, neboť molekuly jsou samy o sobě v neustálém neuspořádaném
pohybu. Budeme se zabývat pouze makromechanikou pohybu částic tekutin, rovněž za použití
průměrných charakteristik (např. viskozity, rychlosti, tlaku, ...).
Znamená to, že ve sledované oblasti používáme k výpočtům údaje vzniklé zprůměrováním
hodnot získaných měřením např. v jednotlivých vrtech.
Filtrace je definována pomocí těchto tří složek:
a) pórovitým prostředím,
b) tekutinou, která pórovitým prostředím proudí,
c) silou, která proudění vyvolává.
ad a) Pórovité prostředí
Podle charakteru pórovitého prostředí jsou kolektory rozdělovány do dvou základních skupin
na izotropní a anizotropní. Obě skupiny se dále dělí na stejnorodé (homogenní) a nestejnorodé
(heterogenní) a dále na jednoduché a složené.
− Izotropní prostředí. V libovolně zvoleném pozorovacím bodě daného kolektoru jsou
75
geometrické i filtrační charakteristiky (pro zjednodušení je budeme prezentovat
koeficientem propustnosti kp) nezávislé na směru a rychlosti filtrace;
− ve stejnorodém izotropním prostředí nezávisí koeficient propustnosti na poloze
měřeného místa v oblasti filtrace;
− v nestejnorodém izotropním prostředí bude koeficient propustnosti záviset na poloze
v souřadnicovém systému dané oblastí filtrace.
− Anizotropní prostředí. Koeficient propustnosti závisí na směru filtračního toku. Existují
zde dva hlavní směry mezních hodnot koeficientu propustnosti (a tím i rychlosti filtrace),
z nichž jeden je maximem a druhý minimem;
− ve stejnorodém anizotropním prostředí se orientace maximálních a minimálních směrů
propustnosti ve sledované oblasti nemění;
− v nestejnorodém anizotropním prostředí se budou se změnou polohy měnit i směry
maximální a minimální propustnosti.
Výše uvedené typy kolektorů se dále dělí podle složení na:
- jednoduché – tvořené pouze propustnou vrstvou,
- složené
- tvořené řadou propustných poloh buď stejného charakteru, ale s řádově
odchylnými hodnotami propustnosti, nebo různého charakteru.
Skutečné kolektorské horniny jsou převážně anizotropní. Pro zjednodušení výpočtů je však
kolektor často považován za izotropní stejnorodé prostředí.
Druhým kritériem používaným při posuzování pórovitého prostředí je stlačitelnost, resp.
nestlačitelnost kolektoru. Význam stlačitelnosti u kolektoru byl popsán v kap. č. 2.1. Při
běžných výpočtech pokládáme kolektory za nestlačitelné.
SPSKS
ad b) Síly vyvolávající proudění tekutin vrstvou
Proudění tekutiny vrstvou je vyvoláváno silou danou tlakovým spádem mezi okrajovými body
sledovaného intervalu. U této síly rozlišujeme – druh, velikost a směr působení.
Síly, které uvádí vrstevní tekutiny do pohybu, rozdělujeme podle původu na tlakovou a
tíhovou (gravitační). Filtrační toky pak označujeme jako tlakové nebo tíhové;
− tlakový filtrační tok je vázán na systémy s napjatou hladinou. Pohonná síla je zde dána
hodnotou vrstevního tlaku, jehož velikost závisí na přítomnosti jednotlivých zdrojů
vrstevní energie. Piezometrická (výtlačná) úroveň se nachází vždy nad horní hranicí
kolektoru. Tímto způsobem mohou proudit jak kapaliny, tak plyny.
Příklad typické tlakové filtrace je uveden v obr. č. 5.1. Vrt zastihl uzavřené ložisko kapaliny,
které je v nadloží, podloží i na okrajích ohraničeno nepropustnými horninami. Tlak na počvě
vrtu je menší než tlak vrstevní, což vede k filtraci kapaliny do vrtu. Úroveň výšky výstupu
kapaliny ve vrtu (piezometrická úroveň) je dána hodnotou vrstevní energie. Pokud nebude
hladina kapaliny ve vrtu ovlivňována odčerpáváním, ustálí se po určitém čase na tzv.
piezometrické (výtlačné) úrovni, označované jako ustálená statická hladina (USH). Při
čerpání určitého konstantního množství kapaliny (Qkonst) dojde k poklesávání úrovně hladiny
ve vrtu a posléze k ustálení. Tato hladina je označována jako ustálená dynamická hladina
(UDH). Odčerpávání způsobilo narušení tlakové rovnováhy. S poklesem tlaku na počvě vrtu
(je dán snižujícím se sloupcem kapaliny ve stvolu vrtu) klesá rovněž vrstevní tlak v okolním
kolektoru. Závislost poklesu vrstevního tlaku na vzdálenosti od osy vrtu je v řezu (viz obr. č.
5.1) dána tzv. depresní křivkou.
76
Obr. č. 5.1: Tlakový filtrační tok. Schéma rovinně radiální filtrace
SPSKS
V prostoru (obr. č. 5.2) se vytváří fiktivní hladina
nazývaná – depresní kužel. Z obrázku je zřejmé, že skutečná
hladina filtračního toku nemůže být totožná s depresním
kuželem, neboť je omezena stropem propustné vrstvy.
Obr. č. 5.2: Tlakový filtrační tok.
Prostorové schéma rovinně
radiální filtrace
− Tíhový filtrační tok. Piezometrická úroveň je totožná s volnou hladinou toku. Proudění
kapaliny vyvolává pouze tangenciální složka vektoru tíhy kapaliny (viz obr. č. 5.3).
77
Znamená to, že tíhové filtrační proudění může vzniknout jen při úklonu volné hladiny.
Tímto způsobem mohou proudit jen kapaliny, nad jejichž volnou hladinou jsou plyny
s atmosférickým tlakem.
Příklad typické tíhové filtrace je uveden na obr. č. 5.3. Zvodněnou povrchovou vrstvou
ohraničenou nepropustným podložím prochází mělký vrt vystrojený filtrem přes celou
zvodněnou mocnost. Za klidových podmínek je úroveň hladiny kapaliny (USH) ve vrtu
totožná s hladinou v okolní vrstvě. Při odčerpávání určitého konstantního množství dojde
k poklesávání hladiny ve vrtu, a dále k ustálení – ustálená dynamická hladina. V okolí sondy
se tlakové změny projeví formou poklesu volné hladiny ve tvaru depresního kužele.
SPSKS
Obr. č. 5.3: Tíhový filtrační tok.
Schéma plošné radiální
filtrace
Dosah tlakových změn je v obou případech nazýván – oblastí stoku, resp. oblastí napájení
nebo oblastí filtrace. Dále rovněž dosahem účinnosti vrtu nebo poloměrem dosahu vrtu.
Síla vyvolaná tlakovým gradientem uděluje filtračnímu toku určitou rychlost. Podle
stálosti této síly rozlišujeme dva základní druhy pohybu vrstevní tekutinou – ustálený a
neustálený.
Je-li síla způsobující pohyb konstantní, je rovněž v daném bodě i rychlost a směr toku
konstantní. Tento tok je označován jako ustálený a druh filtrace – filtrací ustálenou, zde platí:
v= f(x, y, z)
p = f(x, y. z)
[5.1]
[5.2]
Je-li velikost síly způsobující filtraci proměnlivá, mění se rychlost i směr filtračního toku
v pozorovaném bodě. Tento filtrační tok je označován jako neustálený, a druh filtrace filtrací
neustálenou, zde platí:
78
v= f(x, y, z, t)
p = f(x, y. z, t)
[5.3]
[5.4]
Filtrační proudění může být:
- lineární (při laminárním filtračním toku),
- nelineární (při turbulentním filtračním toku).
Směr síly uděluje filtračním tokům směr pohybu. Podle generelních směrů pohybu částic
tekutiny rozeznáváme 2 základní druhy tlakových a 2 základní durhy tíhových filtračních
toků.
- tlakové filtrační toky - tok přímkově rovnoběžný (obr. č. 5.4)
- tok rovinně radiální (obr. č. 5.1)
SPSKS
Obr. č. 5.4: Tlakový filtrační tok. Schéma přímkově rovnoběžné filtrace
V odborné literatuře je často uváděn rovněž tok prostorově radiální (obr. č. 5.5). Můžeme se
s ním však setkat jen v neobvyklých případech, v běžném provozu vzácných (tzv. dotykové
vrty).
Obr. č. 5.5: Tlakový filtrační tok.
Schéma prostorově radiální filtrace
79
- tíhové filtrační toky – tok plošně rovnoběžný (obr. č. 5.6 a 5.7)
- tok plošně radiální (obr. č. 5.3).
SPSKS
Obr. č. 5.6: Tíhový filtrační tok.
Schéma plošně
rovnoběžné filtrace
Obr. č. 5.7: Tíhový filtrační tok.
Schéma plošně
rovnoběžné filtrace
U tíhové filtrace může vzniknout i tok plošně centrální,
který je v praxi rovněž velmi vzácný (tzv. dotekové vrty –
viz obr. č. 5.8).
Obr. č. 5.8: Tíhový filtrační tok.
Schéma plošně centrální
filtrace
80
K jednotlivým tokům
A– tlakové filtrační toky
- přímkově rovnoběžný tok
U tohoto typu filtračního toku jsou všechny proudnice považovány za rovnoběžné
přímky (obr. č. 5.9). Pro stanovení obecných zákonitostí stačí sledovat pohyb podle libovolně
zvolené proudnice.
Obr. č. 5.9: Schéma přímkově rovnoběžného
filtračního toku
SPSKS
S přímkově rovnoběžným filtračním tokem se můžeme setkat jak u kapalin, tak i u plynu.
Nejjednodušším případem je ustálený přímkově rovnoběžný tok nestlačitelné kapaliny.
Rychlost filtrace ve směru proudnice je stálá a není závislá na čase. v = konst.
Pří neustáleném přímkově rovnoběžném toku nestlačitelné kapaliny rychlost rovněž nezávisí
na hodnotě souřadnice (x), ale mění se s časem. v = f(t). Mění-li se v bodě A1 sledované
proudnice rychlost (v1) podle určitého zákona, pak v okamžiku (t1) je rovna (v´1), v okamžiku
(t2) je rovna (v"1) atd. Vzhledem k tomu, že kapalinu považujeme za nestlačitelnou, musí se
změna rychlosti v bodě A1 ve stejném okamžiku předávat celému filtračnímu toku. Rychlost
se tedy bude měnit ve kterémkoliv bodě (Ax) podle téhož zákona.
V případě ustálené přímkově rovnoběžné filtrace plynu bude rychlost záviset na hodnotě
souřadnic (x) a nebude záviset na čase v = f(x). Při filtraci plynu bude následkem
hydraulických odporů docházet k poklesu tlaku ve směru proudění, to však vyvolá rozpínání
plynu. K transportu stejného molárního množství plynu bude tedy zapotřebí stále většího
tlakového gradientu a tedy i vyšší střední rychlosti pohybu jednotlivých molekul.
Složitějším případem je neustálený přímkově rovnoběžný tok plynu. Rychlost filtrace zde
závisí jak na hodnotě souřadnice (x), tak na čase (t) v = f(x, t). Jsou-li v čase (t1) rychlosti
v bodech (A1), (A2) atd. rovny (v1), (v2) atd., pak v čase (t2) budou tyto rychlosti jiné – (v´1),
(v´2) apod.
Situace se dále komplikuje, musíme-li počítat se stlačitelností kapaliny, např. při výzkumu
kolektoru pomocí interferenčních a pulsních testů. V tomto případě bude rychlost záviset na
(x) i na (t).
81
Všechny uvedené přímkově rovnoběžné toky jsou charakterizovány týmž zákonem změny
rychlosti i tlaku podél proudnic, velikosti rychlosti a tlaků budou stejné na plochách kolmých
i těmto proudnicím. Tyto roviny jsou na obr. č. 5.9 znázorněny řezy A1 – A1, A2 – A2. Roviny
stejných rychlostí jsou označovány jako isotachycké, roviny stejných tlaků jako isobarické.
Tento jev je společný pro všechny uvedené typy přímkově rovnoběžných toků, ač se jinak od
sebe značně liší.
- rovinně radiální tok
U tohoto typu filtračního toku se proudnice sbíhají v jednom bodě. Pohyb částic v každé
svislé rovině proložené libovolnou proudnicí je rovnoběžný. Pro stanovení obecných
zákonitostí stačí sledovat pohyb tekutiny v některé ze svislých radiálně sbíhavých rovin.
Tento druh toku je charakteristický pro přítok do vrtu otevírajícího kolektoru v celé jeho
mocnosti (viz obr. č. 5.1). Rychlosti a tlaky budou stejné na kružnicích se středem v ose vrtu
(za předpokladu stejnorodého izotropního prostředí).
Tok je charakterizován jedním rozměrem – poloměrem (r) dané kružnice.
Podle složitosti můžeme základní rovinně radiální toky rozdělit následovně:
Nejjednodušším případem je ustálený rovinně radiální tok nestlačitelné kapaliny. Rychlost
filtrace stoupá se zmenšující se vzdáleností od osy vrtu (v – f/r/). S poklesem hodnoty
poloměru (r) narůstá totiž velikost tlakového spádu.
Při neustálené filtraci nestlačitelné kapaliny je rychlost filtrace závislá na souřadnici (r) a čase
(t), v = f(r, t). Dojde-li v libovolném bodě ke změně rychlosti filtrace, musí se tato změna
okamžitě předávat celému filtračnímu toku.
SPSKS
V případě ustálené rovinně radiální filtrace plynu bude rychlost filtrace záviset na hodnotě
souřadnice (r) a nebude závislá na čase, v = f(r).
Nejsložitějším případem je neustálená filtrace plynu, případně stlačitelné kapaliny. Rychlost
zde závisí jak na souřadnici (r), tak na čase (t), v = f(r, t). Zákonitosti změn jsou vlivem
stlačitelnosti složité.
B – tíhové filtrační toky
Od tlakových filtračních toků se principiálně liší v tom, že proudnice mají ve svislém řezu
zásadně křivkový tvar a zvodněná mocnost se mění.
- plošně rovnoběžný filtrační tok. Schematické znázornění je na obr. č. 5.6 a 5.7. Proudnice
jsou rovinnými křivkami, které se ve směru toku navzájem stejnoměrně přibližují.
V horizontálním průmětu se částice pohybují po navzájem rovnoběžných drahách. Filtrační
tok může být rovněž ustálený a neustálený, kapalinu lze považovat za nestlačitelnou, resp.
stlačitelnou.
- plošně radiální filtrační tok. Schematické znázornění je uvedeno na obr. č. 5.3. Ve směru
toku se částice pohybují po rovinných křivkách, které se navzájem stejnoměrně přibližují.
V horizontálním průmětu se částice pohybují po radiálních přímkách, které se sbíhají v ose
vrtu. Rovněž plošně rovnoběžný filtrační tok může být ustálený nebo neustálený a kapalinu
lze považovat za nestlačitelnou, resp. stlačitelnou.
82
6.
Otvírka ložisek ropy a zemního plynu
6.1
Vyhledávání a průzkum ložisek
Vyhledávání a průzkum ložisek tekutých uhlovodíků probíhá ve dvou na sebe navazujících a
často se vzájemně prolínajících etapách průzkumu, vyhledávací a podrobné.
6.1.1 Vyhledávací a geofyzikální průzkum
Při vyhledávání živičných ložisek, ležících v nevelké hloubce pod povrchem, poskytují první
vodítko výrony zemních plynů, příp. ropné skvrny na povrchu vodních hladin. Větší část
velkých ložisek a skoro všechna nově objevovaná ložiska se však vyskytují ve větších
hloubkách – až 4 000 m i více pod povrchem. Vyhledávání takovýchto ložisek vyžaduje
úzkou spolupráci zejména geologů, geofyziků a techniků. První a nejdůležitější část výzkumu
ložisek je geologické mapování a podrobné geofyzikální zpracování oblastí. Účinným
pomocníkem při vyhledávacích pracích je mikropaleontologie, neboť určováním určitých
společenstev drobných zkamenělin lze určit v průzkumných vrtech i sled vrstev a v souvislosti
s výsledky z jiných vrtů a povrchového geologického výzkumu i tektonickou stavbu území.
Pak na podkladě těchto výzkumů se určují místa, kde lze předpokládat výskyt živičného
ložiska. Pak se teprve v určených oblastech přistoupí k vyhledávacím vrtným pracím tzv.
pionýrskému průzkumu a po zjištění přítomnosti uhlovodíků návazně ke slednému
průzkumu. Lze říci, že jen nepatrná část průzkumných vrteb bývá úspěšná. V celosvětovém
měřítku je až 90 % průzkumných vrtů negativních.
Pro poznání hlubší stavby zemské kůry se využívá geofyzikální měření. Geofyzikální metody,
stejně jako vytvořené geologické modely (mapy a řezy) sice neposkytují definitivní důkaz o
přítomnosti ložiska a nasycení uhlovodíky, ale dovolují zjistit existenci příznivých
tektonických struktur. Nalezení ropného nebo plynového ložiska je složitý proces, zvláště
v současné době, kdy většina ložisek v přístupných oblastech již byla objevena a uhlovodíky
se musí vyhledávat v méně přístupných, geologicky složitějších a většinou hlubších oblastech.
Významnou roli při vyhledávání ložisek ropy a zemního plynu hraje právě geofyzika.
Geofyzika je věda, která fyzikálními metodami zjišťuje vlastnosti a stavbu zemské kůry.
Základními metodami při hledání ložisek uhlovodíků jsou:
a) gravimetrická měření, založená na měření přitažlivosti zemské,
b) magnetometrické měření, kterým se zjišťují anomálie magnetického pole země,
c) seizmická měření, založená na měření rychlosti vlnění horninou,
SPSKS
83
d) elektrická měření odporu, který klade hornina elektrickému proudu.
Obr. č. 6.1
Gravimetrické měření
Gravimetrie je založena na studiu tíhového pole Země, jehož projevem je zemská přitažlivost.
Pro geologickou interpretaci se využívají hustotní rozdíly mezi jednotlivými horninami, které
se projevují odchylkou tíže od maximální hodnoty tzv. tíhová anomálie. Pomocí těchto
interpretací lze najít oblasti, kde se horniny vyklenují či tvoří pánve (stará moře).
Seizmický průzkum
Seismické měření je založeno na registraci vlnění, které se vyvolává výbuchem nebo vibrací.
Rozdíly v elastických vlastnostech hornin způsobují, že se vlny na rozhraní různých prostředí
lámou nebo odrážejí a tak se dostávají k povrchu, kde je lze registrovat. Reflexní metoda
využívá vlny odražené, refrakční vlny lomené.
Odpaly náloží v mělkých vrtech nebo vibrace ze speciálních aut vyvolávají seismické vlny,
které se šíří v horninách a odrážejí z jejich rozhranní. Na povrchu umístěné geofony tyto
odražené záchvěvy registrují, přeměňují na elektrické signály, které se zapisují v aparaturách
měřících vozů. Z časových záznamů odražených vln lze odvodit hloubku a polohu vrstev v
zemské kůře. Tak lze určit struktury (podpovrchové tvary vrstev), které mohou
pravděpodobně vytvářet pasti, tj. ložiska pro přírodní uhlovodíky.
Měření je možno provádět na profilu (2D), nebo jako v ploše (3D), kdy je zdrojovými i
měřícími body pokryt obdélník na zemském povrchu. Při zpracování dat tak lze získat
prostorovou kostku dat, ve které lze vytvořit libovolný seismický řez v horizontálním i
vertikálním směru.
SPSKS
84
Obr. č. 6.2: Schematické znázornění seizmického měření
Interpretace seismického měření
Interpretace vychází ze spojování reflexů, které mají stejný charakter a představují stejnou
vrstvu (horizont). Provádí se většinou počítačovou interpretací spolu s různými úpravami
vlnového obrazu. Vyznačením a digitalizací téhož horizontu na více profilech lze vytvořit
(časovou) mapu seismického horizontu.
Geologické mapy
Geologové trojrozměrné informace o povrchové nebo podpovrchové stavbě Země zobrazují v
geologických mapách. Existují desítky různých geologických map. Mezi základní patří
povrchové geologické mapy, které zobrazují geologické jednotky na zemském povrchu, popř.
odkryté geologické mapy, kdy nejsou zachyceny nejmladší (čtvrtohorní) geologické
sedimenty, které na povrchu zpravidla převládají.
SPSKS
Obr. č. 6.3: Různé typy interpretovaných a neinterpretovaných seizmických řezů
Důležitou kategorií jsou strukturní mapy, které zobrazují průběh vybrané vrstvy (horizontu)
tak, že ukazují její hloubku od pomyslné hladiny moře (0 m). Takto bývá zobrazován i povrch
roponosných (korektorských) vrstev. Tam, kde taková mapa ukazuje elevaci (kopec) může
být ložisko ropy nebo plynu. Při zpracování seismického měření vznikají seismické (časové)
mapy jednotlivých interpretovaných horizontů.
Obr. č. 6.4: Různé typy geologických map
Geologické řezy
85
Zobrazení stavby zemského povrchu je nejlépe patrné na geologickém řezu. Pro jeho
konstrukci se využívají jak informace z povrchových měření (úklon a směr úklonu vrstev),
tak výsledky získané z vrtů (profily, statigrafické a litologické hranice, karotážní křivky).
Podkladem mohou být i seismcké řezy. Každý geologický řez je jen částečným přiblížením ke
skutečné stavbě Země.
Obr. č. 6.5: Různé typy geologických řezů
Počítačová vizualizace
Dnes geologové používají počítače pro interpretaci seismických měření, zpracování a
vyhodnocování karotážních měření, ale i pro sestavování geologických modelů (řezů a map).
Je řada programů, které geologům při této práci slouží. Konečný model je možno zobrazit i v
prostorově 3D vizualizací.
SPSKS
Obr. č. 6.6: Počítačová vizualizace 3D
Při geologickém zpracování a vyhledávání vhodných ložiskových struktur se využívá i
dálkový průzkum země, který se zabývá pořizováním leteckých a družicových snímků, jejich
zpracováním a analýzou za účelem tvorby topografických tematických map. V současné době
se pro pořizování družicových snímků používá mnoha různých družic (využívají
elektromagnetické záření nebo více intervalů spektra-obrazové spektrometrie), vytváří se
obrazové záznamy daného území ve velmi úzkých, na sebe navazujících intervalech spektra v
oblasti viditelného, blízkého a středního infračerveného záření.
Výsledky leteckých či družicových snímkování se využívají pro geologické mapování
(rozpoznávání jednotlivých minerálů a hornin, tektonických linií a strukturních prvků).
Pomocí pasivního mikrovlnného snímání, kdy je měřena přirozená dlouhodobá energie
vyzářená objekty na zemském povrchu se zjišťují charakteristiky svrchní vrstvy půdy, mapuje
teplota půdy a půdní vlhkosti či studuje minerální obsah půd.
86
Cílem práce naftových geologů je nalézt struktury, které mohou tvořit ložiskové pasti pro
přírodní uhlovodíky. Takto definované struktury („leads“) je nutno ocenit. Na základě
předpokládaných parametrů (mocnost a plocha sycené vrstvy, pórovitost a stupeň nasycení,
množství rozpuštěných plynů v ropě, mechanismus předpokládané těžby a režim ložiska,
vytěžitelnost a dalších) se odhadují možné zásoby uhlovodíků ve struktuře. Odhaduje se i
pravděpodobnost existence takto odhadnutých zásob a jejich nálezu.
Na základě výsledků vyhledávacího průzkumu a geofyzikálních měření se získává základní
obraz geologické stavby zájmové oblasti. Získané poznatky jsou podkladem pro druhou etapu
– podrobný průzkum.
6.1.2 Podrobný průzkum – hlubinné vrty
Při ekonomickém ocenění výnosnosti záměru se posuzuje počet vrtů nutných k vytěžení
zásob a náklady s tím spojené, stejně jako náklady potřebné k vytěžení suroviny. Porovnáním
všech hodnot lze posoudit, zda geology nalezenou strukturu je ekonomické ověřit vrtem.
Každý hlubinný vrt je velmi drahý a proces rozhodování tom, zda je pravděpodobnost nálezu
ložiska vyvážena možným ekonomickým výnosem, patří k „know-how“ každé naftové firmy,
když zařazuje nalezenou strukturu do portfolia svých rozvojových aktivit.
Prvotní výzkum geologické stavby a perspektivity dané oblasti se nazývá pionýrský
(průkopnický). Provádí se na základě podrobného geologického zpracování perspektivních
rajonů. Výsledky pionýrského průzkumu nepřinášejí jen poznatky o nadějnosti výskytu živic,
nýbrž, a to především cenné informace o geologické stavbě dané oblasti a případně i o
výskytu jakýchkoliv jiných užitečných nerostů a surovin.
Ze situace, kdy pionýrský průzkum prokáže ropo-plynonadějnost určité oblasti, jsou
vytvořeny podmínky pro přípravu druhé etapy průzkumu, tj. sledného průzkumu.
SPSKS
Projekt sledného průzkumu musí řešit:
1) ověření rozsahu a způsobu ohraničení daného ložiska
2) ocenění hospodářských zásob ložiska
3) způsob otevření a pokusné těžby
4) sledování sousedních oblastí a výzkum hlubších obzorů.
Při sledování a ohraničování ložiska jsou vrty situovány obvykle do stoupání vrstev. Sledný
průzkum je veden kolmo ke směru vrstev nebo kolmo k delší ose ložiska. Nejvýhodnější je
tzv. profilová metoda, při které jsou vrty lokalizovány v zákrytových liniích. (Tento způsob
situování vrtů je výhodný pro sestrojování geologických řezů). Vzájemná vzdálenost sledných
vrtů je volena podle velikosti ložiska, v rozmezí 500 až 5 000 m.
V každém jednotlivém sledném vrtu se využívá ke zpracování a získání poznatků o ložisku
karotážního měření (geofyzikální měření ve vrtech), vrtná, resp. boční jádra a především
výsledky čerpacích zkoušek, prováděných v průběhu vrtání testerem, a po dokončení vrtních
prací v zapaženém vrtu prostřednictvím perforací.
První sledné vrty musí poskytovat správnou představu o ložisku a získat tyto poznatky:
1)
2)
3)
4)
5)
charakteristiku ložiska (mocnost, porozitu, propustnost),
těžební výsledky (denní produkci, plynový faktor, ložiskový tlak),
charakteristiku ropy (plynu) – kvalitu,
tektonickou stavbu struktury,
stratigrafické začlenění ložiska, vzhledem k jiným již známým ložiskům.
87
Konečným výsledkem sledného průzkumu je ocenění geologických zásob ložiska a
připravení podkladů pro zabezpečení těžební otvírky.
6.2
Těžební otvírka ložisek
Těžební otvírkou ložiska se rozumí komplex prací, nutných pro zabezpečení racionálního a
efektivního vytěžení těžitelných zásob ropy nebo plynu. Zásadním problémem při dobývání
ropných (plynových) ložisek je odvrtávání dostatečného počtu vrtů po celé ploše ložiska,
nutných k zabezpečení maximální vytěžitelnosti ložiskových zásob.
Projekt těžební otvírky ložiska obsahuje:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
postup (technologii) odvrtávání jednotlivých vrtů,
u více vrstevných ložisek postup otevírání jednotlivých pater,
zdůvodnění volby rozmístění sond,
údaje o zásobách, režimu těžby a způsobu těžby,
řešení výstavby povrchového těžebního zařízení,
ekonomickou rozvahu,
bezpečnostní a organizační problematiku.
Při otvírce naleziště, kde je vyvinuto více samostatných roponosných obzorů o různých
hloubkách je nutné v počátečním stádiu otvírky brát v úvahu následující problémy:
SPSKS
a) při způsobu řízení těžby ložisek od spodního po vrchní je řada výše uložených obzorů
dlouhodobě těžebně nevyužívaná,
b) v případě zájmového otevření vyššího obzoru, zůstávají zásoby spodní vrstvy nedostatečně
odtěženy,
c) pokud je v obzorech ropa rozdílné kvality, dochází na povrchu k jejímu smíšení a
znehodnocení,
d) vzhledem k rozdílnému vývoji ložiskových poměrů (ložiskovému tlaku, P/O, %
zavodnění) a rozdílnému způsobu aplikované těžby (obzory se samotokovou těžbou,
s těžbou hlubinným čerpadlem, obzory se zbytkovými zásobami – intervalová těžba),
nastávají složité technologické problémy a zvyšuje se nákladovost těžby.
V takovém případě vychází racionální těžební otvírka z těchto zásad:
1) těžební síť vrtů je projektovaná tak, aby současně mohlo být těženo více obzorů,
2) jednotlivé vrty otevírají rozdílně předem stanovené obzory,
3) vrty jsou odvrtávány tak, aby otevíraly maximálně 3 objekty (otvírkové patro). Každé
otvírkové patro má samostatnou síť vrtů,
4) sled navrtaných obzorů je v každé sondě volen tak, aby jejich vertikální vzdálenost nebyla
velká a aby měly společně si blízké parametry.
Výhodou tohoto způsobu otvírky je urychlené uvedení celého naleziště do těžby a snížení
nákladovosti, především metráže vrtání.
V praxi se používají následující způsoby rozmístění sond (síť vrtů):
88
a) síťové – trojúhelníkové,
– čtvercové,
b) nepravidelné – v přímých nebo kruhových řadách,
c) vícestvolovým vrtáním – odvrtání několika úhybových vrtů z jednoho místa na povrchu.
Nejčastěji se využívá pravidelná trojúhelníková síť. Velmi důležitá (především
z ekonomického hlediska) je volba vzdáleností mezi těžebními vrty. Měřítkem volby
vzdáleností mezi vrty je zabezpečení úplné vytěžitelnosti při minimálních nákladech.
V počátcích naftové prospekce, byly na ložiskách voleny vzdálenosti mezi vrty malé 25 m,
později 60 m, tj. přibližná dnešní oblast 0,41 ha na 1 sondu.
V současné době, na základě nových poznatků a hydrodynamických výpočtů, jsou vzdálenosti
voleny 150 m, 200 m, 250 m, což odpovídá drenážní ploše 1,97; 5,43; 3,49 ha na sondu. U
velkých plynových ložisek činí vzdálenosti mezi vrty 500 – 700 m, což odpovídá 21,7 až 42,6
ha/1 sondu.
V zemích s vyspělým těžebním podnikáním je praxe poněkud jiná. Na příklad analýzou stavu
825 ložisek v USA, bylo zjištěno, že:
a) ložiska se zásobami cca 41,1 mil. t mají
1 sondu na 6,8 ha, tj. vzdálenost ∆ 280 m;
265 m,
b) ložiska se zásobami 13,7 – 41,1 mil. t
mají 1 sondu na 10,4 ha, tj. vzdálenost ∆ 345 m; 322 m
c) ložiska se zásobami méně než 13,7 mil. t
mají 1 sondu na 13,7 ha, tj. vzdálenost ∆ 405 m; 377 m.
SPSKS
Důvodem, proč je v ČR volena hustší těžební síť vrtů, je mimořádně komplikovaná stavba
ložisek.
Uvedení sond do těžby – čerpací zkoušky
Uvedením sond do těžby se rozumí zahájení plánované těžby ložiska připravovaného k těžbě.
Uvedení každé sondy do těžby musí předcházet otevření ložiska a čerpací zkouška.
Ověřování a pokusné těžby jednotlivých sond, ať již pionýrských, sledných či těžebních, byly
provedeny již dříve (zpravidla hned po odvrtání sondy) a poznatky při nich získané, byly
použity při projekci a vlastním zabezpečování těžební otvírky. Na každém úspěšně odvrtaném
vrtu jsou po jeho dokončení prováděny čerpací zkoušky, ať již z důvodu výzkumných, kdy
jsou postupně zkoušeny všechny nadějné zastižené objekty (obvykle metodou zdola nahoru)
nebo u těžebních a sledných vrtů za účelem ověření produkčních vlastností a ložiskových
parametrů.
Čerpací zkoušky se rozdělují podle doby trvání na krátkodobé čerpací zkoušky a na ověřovací
pokusnou těžbu.
Během krátkodobé čerpací zkoušky, obvykle trvající 3 – 5 dnů, se ověřuje:
a) jakou produkci vrt poskytuje (ropa, voda, plyn, % poměr v – r),
b) intenzita (množství) produkce za časovou jednotku,
c) odebírají se vzorky těženého média k laboratornímu zpracování,
d) sleduje se vývoj přetlaku na ústí vrtu.
89
Účelem ověřovací pokusné těžby prováděné zpravidla delší dobu (30 dní i více), je získat
poznatky o fyzikálních a hydrodynamických vlastnostech ložiska, a získat maximum
informací potřebných pro ložiskové zpracování a projekci technologického zařízení. Při
pokusné ověřovací těžbě se zejména provádí:
1) těžba několika určenými odběrovými režimy při stálém sledování a dokumentování
základních parametrů (denní produkce, % v – r, P/O, přetlak na ústí),
2) průběžná měření tlaku na dně, za účelem stanovení koeficientu produktivity a depresních
závislostí,
3) v případě ověření parafinické ropy se od počátku zabezpečuje deparafinace těžebních
trubek,
4) po odtěžení určitého (stanoveného) množství média, je ověřovací těžba ukončena (resp.
přerušena) provedením záměru nástupu ložiskového tlaku (nástupová křivka). Nástupová
křivka poskytuje nejdůležitější informace o propustnosti i stavbě ložiska.
Po takto zabezpečených čerpacích zkouškách (resp. při jejich návazném provádění
v závislosti na rychlosti odvrtávaných sond) je v rámci těžební otvírky na ložisku budováno
sběrné těžební zařízení a jednotlivé sondy připojovány potrubím.
7.
Těžba ropy
Provrtáním vrtu do ropného ložiska a otevřením produktivního obzoru je sonda připravena
k čerpací zkoušce. Jestliže tlak v sondě (v hloubce otevřeného obzoru) je stejně veliký jako
ložiskový tlak, je ložiskové médium v klidu a ložiskový systém je v rovnováze. Snížením tlaku
v sondě se poruší rovnovážný stav a ložiskové médium (ropa, plyn, ložisková voda) se začne
působením ložiskového tlaku (tlaku ve vrstvě) pohybovat v hornině směrem k sondě.
Rozdíl ložiskového tlaku a tlaku v sondě (tlakový spád) se nazývá depresí. Na velikosti
deprese závisí pohyb ložiskového média porézním prostředím ložiskové horniny k sondě.
S narůstající depresí se přítok do sondy zvětšuje a naopak.
Ložiskový tlak se při těžbě sondy mění jen velmi pomalu a v určitém časovém úseku (měsíc,
čtvrtletí) zůstává jeho hodnota prakticky nezměněna. Proto bude přítok kapaliny do sondy za
jinak stejných podmínek záviset výlučně jen na hodnotě protitlaku na ložisko.
Při těžbě ropného ložiska probíhá současně pohyb kapaliny a plynu porézním prostředím
ložiskové horniny k sondě a zvedání kapaliny a plynu sondou na povrch. Odtěžováním
ložiska se zásoby ložiskové energie postupně vyčerpávají, v závislosti na druhu ložiskové
energie a velikosti odběru kapaliny a plynu z vrstvy. Poklesem ložiskové energie se pohyb
kapaliny ve vrstvě stává méně intenzivním a její přítok do jednotlivých sond se zmenšuje.
Také pohyb ložiskového media sondou na povrch je závislý od ložiskové energie. Velikost
ložiskové energie (tlaku) je rozhodující pro způsob těžby sond.
SPSKS
7.1
Metody těžby ropy
Metody těžby ropy lze rozdělit do tří základních skupin:
1. metody primární,
2. metody sekundární,
3. metody terciární.
Primární metody těžby ropy využívají pouze přirozenou energii ložiska a jednoduchá čerpací
zařízení. Obvykle se rozeznává:
90
a) těžba kontrolovaným tokem,
b) těžba proudem plynu (plynovým liftem),
c) těžba čerpáním.
Při sekundárních metodách těžby se vtláčením ložiskového plynu nebo vody udržuje na
požadované úrovni tlak v ložisku. Vlastní těžba probíhá v závislosti na tlaku v těžební sondě
některým z výše uvedených primárních způsobů těžby. Podle vháněného (vtlačovaného)
média se rozlišuje:
a) těžba podporovaná vtláčením plynu,
b) těžba podporovaná vtláčením vody.
Terciérní metody těžby ropy využívají ke zvýšení těžby externí látky (které nepocházejí z
ložiska). Obvykle se dělí na:
a) těžba podporovaná vtláčením oxidu uhličitého,
b) těžba podporovaná vtláčením horké vodní páry,
c) těžba podporovaná zapálením ložiska.
7.2
Těžební sondy a jejich vystrojení
Při hloubení a po dokončení vrtu se provádějí čerpací zkoušky. Při hloubení vrtu se většinou
využívá „testerů“, které zjišťují, jaké médium je v provrtaných vrstvách. Do vrtu se zapustí
testerovací aparatura, prostor nad a někdy i pod zkoušeným obzorem se uzavře „pakrem“
(roztahovací pryžové zátky) a otevře se vzorkovací komora. Mimo odběru vzorku kapaliny a
plynu se zaznamenává tlak a teplota v obzoru.
Po zapažení vrtu se provádějí krátkodobé a dlouhodobé čerpací zkoušky, při kterých se
vytěží část ropy nebo plynu ze zkoušeného obzoru. Při dlouhodobých čerpacích zkouškách z
plynových obzorů se vytěžený plyn často spaluje a sleduje se pokles tlaku v obzoru při
odtěžovaném množství plynu. Z těchto údajů je vypočítávají zásoby uhlovodíků v ložisku.
SPSKS
Obr. č. 7.1: Provádění otvorů v těžební koloně pro zajištění přítoku ložiskové tekutiny do vrtu
V těžební koloně a cementovém kameni (obr. 14.20), který ji izoluje, je nutno vytvořit otvory
(A), kterými plyn nebo ropa z nasycených vrstev (kolektoru) vtéká do sondy (C). Toto
„otevření“ obzoru se provádí perforací (prostřelením otvorů) v pažnicích (C). Používá se
několik typů perforátorů, kterými se vytvoří otvory nejen v pažnici a cementu, ale také se
poruší přiléhající hornina (kolektor).
91
Někdy se hornina také štěpí vysokým tlakem média a do trhlin se natlačí písek, kterým ropa
nebo plyn snáze proudí i z větší vzdálenosti od vrtu. Podobného efektu je možno dosáhnout i
„kyselinováním“ – rozpuštěním vápnitého tmelu mezi zrny kolektoru (obr. 7.3).
Těžba může probíhat i z nezapažené části vrtu a některé vrty se proto ve spodní části nepaží
(anglicky „open hole“). Lze také zapustit již perforovanou kolonu, která se pak necementuje.
Vrt, který se využívá k těžbě, se nazývá sonda. Sondy jsou zpravidla zapažené.
Po perforaci přitéká ropa nebo plyn do sondy, těžba však zpravidla neprobíhá v celém profilu
pažnic. Do sondy se zapouští kolona maloprůměrových trubek – stupaček, kterými
uhlovodíky vystupují na povrch.
Stupačky
jsou
zpravidla
zapuštěny tak, že mezikruží nad
obzorem odděluje pakr a
perforovaný
interval
může
komunikovat pouze do stupaček
(obr. 7.2).
SPSKS
Obr. č. 7.2
Někdy se kolem perforovaných pažnic naplavují pískové filtry nebo zapouštějí jiné typy filtrů,
které zabraňují pronikání materiálu (pískových zrn) z těženého kolektoru.
Po zapuštění stupaček je ústí sondy vystrojeno soustavou šoupátek – produkčním křížem. V
horní části a na bočních ramenech jsou přes jehlové ventily umístěny kontrolní manometry
pro sledování tlaků v ložisku a jednotlivých mezikružích (obr. 7.4).
92
Obr. č. 7.3: Schéma intenzifikačních
prací ve vrtu – štěpení a kyselinování
hornin
SPSKS
Obr. č. 7.4: Ukázka sestavy
produkčního kříže
7.3
Primární metody těžby
Rozhodujícím faktorem pro volbu způsobu těžby sond je velikost ložiskové energie (tlaku).
Metodu kontrolovaného toku - samotokové těžby lze uplatnit u ložisek, které mají dostatečně
velkou ložiskovou energii k pohybu ložiskového media vrstvou i k jeho zvedání na ústí sondy
a následně k překonání protitlaku těžební technologie.
Mechanizovaná těžba je použita v případě, že energie je dostatečná pouze k přítoku z vrstvy
do sondy a nestačí k výnosu kapaliny na ústí sondy. Proto je nutné uplatnit některý
z mechanizovaných způsobů těžby, při kterém se ložisková kapalina dopravuje na povrch
pomocí čerpadel, kompresorů apod.
Obvykle v počátečním stádiu těžby ropných sond, kdy ložisková energie je dostatečně velká
(zavodnění 0 % nebo minimální) těží sondy samotokem. Toto období je zpravidla krátké
(umělé udržování samotoku např. vtláčením plynu), ale je charakterizováno vysokou
produktivitou.
Poklesem ložiskového tlaku a ložiskové energie se intenzita samotokové těžby sondy
zmenšuje. Zbylá ložisková energie již stačí ke zvedání kapaliny jen do určité výšky v sondě.
Nastává druhé období života sondy, období mechanizované těžby, která je časově obvykle
několikanásobně delší než těžba samotokem.
Těžba samotokem (kontrolovaným tokem, volumetrický způsob těžby, obr. 7.5 - A) se
používá obvykle na počátku těžby ropy z ložiska, kdy je tedy v ložisku ropy dostatečný tlak,
93
který je vyvolaný buď tlakem plynu, který ropu doprovází (zemní plyn), nebo tlakem
podzemní vody. Ropa je vytlačovaná z pórů roponosné horniny do těžební sondy a odtud na
povrch expandujícím plynem a/nebo rozpínající se ložiskovou vodou. Požadovaný tlak v
místě, kde vrt protíná roponosnou horninu (obvykle dno vrtu) musí být tak velký, aby
překonal hydrostatický tlak těžené tekutiny (směsi ropy, plynu a případně i vody).
Při těžbě proudem plynu (plynovým liftem, obr. 7.5 - B) se část vytěženého plynu vrací do
těžební stupačky, plyn se pomocí vhodně umístněných ventilů vhání do těžené směsi tekutin
(ropy, plynu a vody), a tím se zvyšuje množství plynu v těžené tekutině a snižuje se jeho
hydrostatický tlak. Pro vytlačení tekutin z vrtu při tomto způsobu těžby postačuje nižší tlak
tekutin v roponosné hornině (v místě těžby). Tímto způsobem se výrazně prodlužuje doba,
kdy není nutné nasadit čerpadlo pro čerpání těžených tekutin.
Těžba ropy čerpáním (obr. 7.5 - C) se používá v případě, kdy při poklesu množství ropy
(která je těžená některým z výše uvedených způsobů), který je způsobený hlavně poklesem
tlaku v ložisku, se do sondy zapouštějí čerpadla, kterými se ropa (těžená směs tekutin) čerpá
na povrch.
SPSKS
Obr. 7.5: Schematické znázornění těžby ropy samotokem (A), plynovým liftem (B) a čerpáním (C): (1 uzavřený ventil, 2 - otevřený ventil, 3 - produktivní zóna, 4 - těžební pakr (ucpávka), 5 - kolona stupaček,
6 - pažení, 7 - hlubinné čerpadlo, 8 – táhlo čerpadla, 9 - vahadlo, 10 - hnací zařízení, 11 - motor, 12 protizávaží)
7.3.1 Těžba kontrolovaným tokem - samotoková těžba
Přítok z ložiska do sondy je možný jen tehdy, je-li tlak v sondě menší než ložiskový. Pokud je
tlak sloupce kapaliny naplňující sondu po ústí menší, než ložiskový tlak pak bude ropa
vytékat samotokem na povrch sondy.
Samotoková těžba (Natural Flow) může nastat vlivem hydrostatického tlaku, vlivem energie
rozpínajícího se plynu nebo účinkem tlaku i rozpínání plynu. Samotok pouze účinkem
hydrostatického tlaku ložiska je značně vzácný. Nastává tehdy, neobsahuje-li ropa ve vrstvě
plyn a je-li ložiskový tlak vyšší než tlak sloupce kapaliny v sondě:
(14.2)
kde
PL - ložiskový tlak, MPa
94
H - hloubka sondy, m
γ - měrná tíha kapaliny naplňující sondu (γ = ρ · g)
Ve většině případů hraje prvořadou úlohu při samotokové těžbě plyn, který se nachází spolu
s ropou ve vrstvě. Často může být plyn v počátečním stádiu otvírky zcela rozpuštěn v ropě a
k jeho uvolňování dochází teprve tehdy, když se tlak sníží pod hodnotu tlaku nasycení ropy
plynem. V hloubce, odpovídající tlaku nasycení se začne plyn z ropy uvolňovat jako
drobounké bublinky. Při pohybu nahoru jsou bublinky plynu vystaveny stále menšímu a
menšímu tlaku, odpovídajícímu tlaku sloupce kapaliny nad plynem. Snižováním tlaku se
objem plynu stále zvětšuje a měrná tíha směsi kapaliny a plynu se zmenšuje.
Tlak sloupce proplyněné kapaliny na vrstvu se stává menší než ložiskový tlak a sondy
přechází k stálému samotoku. Samočinná (samotoková) těžba sondy tedy vzniká v důsledku:
a) rozdílu mezi tlakem v ložisku a tlakem v sondě,
b) snížení tíhy sloupce kapaliny rozpínajícím se plynem.
Řízení samotokové těžby
Řízení samotokové těžby spočívá v regulaci využití ložiskové energie. Základním ukazatelem
spotřeby ložiskové energie při těžbě sondy je množství plynu spotřebovaného na dopravu
ropy z ložiska na povrch.
Správně prováděná těžba samotokové sondy zajišťuje optimální vytěžené množství při
minimálním plynovém faktoru. Vytvořit velkou depresi na ložisko tj. zvětšovat odběr
kapaliny nad určitou hodnotu má za následek zesílení přítoku plynu z vrstvy do sondy,
zvětšení plynového faktoru, neracionální spotřebu ložiskové energie a může způsobit
komplikace (průnik písku, protržení ložiskové vody nebo případně deformaci těžební
pažnicové kolony). Proto je snaha omezit těžbu sondy na nejoptimálnější hodnotu, při které
by se ložisková energie spotřebovala nejhospodárněji a zajistila by se produktivní,
dlouhotrvající a nepřerušená těžba sondy.
Řízení činnosti eruptivní sondy se uskutečňuje buď vytvořením protitlaku na ústí, nebo
vytvořením místního odporu u paty těžebních trubek (stupaček). Protitlak na ústí se vytváří
tzv. tryskami (pevné, regulační). Při změně průchozího otvoru trysky se změní protitlak na
ústí sondy, a tím i na ložisko. Následkem toho se změní i těžené množství kapaliny a plynu.
Trysky se instalují na přípojném potrubí za bočním ventilem produkčního kříže. Používají se
pevné trysky různého průměru nebo se používá regulačních trysek (ventilů). Předností trysky
na dně je lepší využití energie plynu z ložiska, avšak jejich výměna vyžaduje zastavení těžby
sondy, těžení a opětovné zapouštění čerpacích trubek.
SPSKS
Obsluha samočinných sond
Režim těžby sondy se do provedení podrobného výzkumu stanoví souhlasně s údaji o těžbě
sousedních eruptivních sond. Definitivní průměr trysky se volí na základě výsledků výzkumu
sondy a podle geologických a technických podmínek těžby.
Jakmile byl stanoven technologický režim těžby sondy, je úkolem pracovníků těžby kontrola
stanoveného režimu. Kontrola se provádí sledováním tlaků v prostoru mezikruží, na ústí
čerpacích trubek a v separátoru, dále vytěženého množství ropy, plynu, procenta vody a
množství písku v odebírané produkci. Současně se provádí dohled na stav zařízení a provádí
se jeho běžná údržba a drobné opravy.
95
Při rovnoměrném samotoku se ustálí tlaky na ústí sondy (Pt) a na mezikruží (Pc) na určité
hodnotě. Změny tlaků v sondě (na ústí a v mezikruží), změny těžby ropy a obsahu vody, písku
mohou naznačovat určité poruchy normální činnosti samotokové sondy:
- jestliže se Pc zvětšuje a Pt klesá za současného poklesu těžby kapaliny => pravděpodobně
dochází ke snížení průchodnosti stupaček pískem nebo parafínem (provádění
deparafinace),
- pokles Pt při současném zvýšení těžby kapaliny signalizuje zvýšené opotřebení trysky,
- jestliže se Pt a Pc zvětšuje při prudkém snížení těžby, nastalo pravděpodobně znečištění
trysky nebo přípojného potrubí (deparafinace přípojek),
- pokles Pc signalizuje tvoření pískové zátky na dně nebo přítok vody.
Komplikace při samotokové těžbě tvoří vysedání parafínu ve stupačkové koloně nebo
v přípojeném potrubí, krystalizace pevných uhličitanů ve stupačkové koloně a vytváření
pískových zátek. Aby se s ropou nebo plynem nevynášely na povrch částečky korektorské
horniny, jsou perforované části pažnic nebo stupačky opatřeny filtry.
Při výtoku ropy stupačkami se především v důsledku poklesu teploty vydělují z ropy
parafinické složky. Tento „parafin“ může často stupačky nebo dopravní potrubí ucpat a proto
se musí periodicky čistit buď škrabáním nebo proplachem párou nebo horkou ropou.
Nekontrolovatelná erupce jako havárie
Ztráta kontroly nad samotokovou sondou může vést k nekontrolovatelné erupci, jejímž
důsledkem bývá ztráta ložiskové energie únikem velkého množství plynu. Značné nebezpečí
představuje erupce i v důsledku znečistění životního prostředí a případných požárů.
Přímým důsledkem erupce může být zavodnění, zapískování, případná likvidace sondy i
ložiska. Při těžební činnosti může nastat nekontrolovatelná erupce, zejména:
SPSKS
a) při nedostatečné tíze sloupce výplachové kapaliny při otvírání ropné vrstvy s vyšším
tlakem,
b) při ztrátě výplachové kapaliny do obzoru a nedostatečném doplňování umrtvené sondy,
c) při promývání zátek,
d) při tažení nebo zapouštění trubek,
e) při porušení materiálu (např. na ústí).
Typová vystrojení samotokových sond
Typová vystrojení samotokových sond zahrnují v podzemní části:
- stupačkovou kolonu včetně příslušenství ( 2 7/8“, 3 ½“; EU, NU),
- vystrojovací prvky (usazovací vsuvky, proplachové objímky, permanentní hlubinné
manometry a další),
- pakr (mechanický, hydraulický),
- naváděcí objímka (perforovaná stupačka s NO),
- perforovaný liner, open hole.
Nadzemní část obsahuje:
- produkční kříž (armatury),
- trysky, tryskové kusy,
96
- manometry.
Ukázky typového vystrojení samotokových sond jsou uvedeny na obr. 7.6 (vertikální sonda),
obr. 7.7 (úklonná sonda) a obr. 7.8 a 7.9 (horizontální sonda).
SPSKS
97
SPSKS
Obr. 7.6: Příklad vystrojení vertikální sondy pro samotokovou těžbu
98
SPSKS
Obr. 7.7: Ukázka vystrojení úklonné sondy pro samotokovou těžbu
99
SPSKS
Obr. 7.8: Ukázka vystrojení horizontální sondy pro samotokovou těžbu
100
SPSKS
Obr. 7.9: Ukázka vystrojení horizontální sondy pro samotokovou těžbu ve variantě s „open hole“
101
7.3.2 Mechanizovaná těžba
Jak již bylo uvedeno, je nutno přikročit k mechanizaci sondy, pokud přirozená energie
ložiska není k výnosu ropy ze sondy dostatečně velká a nelze tedy těžbu uskutečňovat
samotokem. Největšího rozmachu a rozšíření na všech ropných ložiskách dosáhl
mechanizovaný způsob těžby hlubinným čerpadlem. Je možné říci, že většina ropných sond
je těžena hlubinnými čerpadly (80 – 90%). Mechanizované těžební sondy jsou 95 %
mechanizovány hlubinným táhlicovým plunžerovým čerpadlem, zbylých 5 % je
mechanizováno hlubinným vřetenovým čerpadlem.
Mechanizované způsoby těžby (Artificial Lift Systems) se dělí na dvě základní metody:
1. čerpadlová těžba (Sucker Rod Pump, Hydraulic Lift, PCP, ESPCP, ESP),
2. kompresorová (liftová) těžba (Gas Lift, Air Lift, Plunger Lift).
Čerpadlová těžba zahrnuje následující technologie:
a)
b)
c)
d)
táhlicová čerpadla (Rod Lift),
hydraulická čerpadla (Hydraulic Lift),
vřetenová čerpadla (Progressing Cavity Pumps),
elektrická čerpadla (Electric Submersible Pumps).
7.3.2.1 Těžba ropy hlubinnými táhlicovými čerpadly
SPSKS
Hlubinná táhlicová čerpadla (také nazývaná Donkey čerpadla nebo vahadlová čerpadla),
jsou nejběžnějším mechanizovaným těžebním systémem v provozních podmínkách. Motor
pohání vratné vahadlo, spojené s ucpávkou tyčí, která prochází do stupaček přes ucpávkovou
komoru. Táhlice pokračuje dolů pod hladinu ropy a je připojena k pístu (plunžru s ventilem),
(obr. 7.10).
Obr. č. 7.10: Mechanizovaný způsob těžby hlubinným čerpadlem s čerpacím kozlíkem:
1 – pohonné zařízení, 2 – převodová skříň, 3 – rameno (vahadlo), 4 – hlava kozlíku, 5 – ucpávková tyč, 6 –
ucpávková komora, 7 – výtok těžené kapaliny.
102
Hlubinné táhlicové čerpadlo (Sucker Rod Pump) představuje pozměněné pístové čerpadlo,
přizpůsobené práci v ropných sondách. Skládá se z válce, ve kterém se pohybuje nahoru a
dolů dutý píst (tzv. plunžer) s kulovým ventilem (výtlačný ventil). Ve spodní části válce je
nepohyblivý sací ventil. Při pohybu pístu nahoru se spodní sací ventil otevírá působením tlaku
kapaliny zdola a kapalina vchází do válce čerpadla. V této době je horní výtlačný ventil
uzavřen působením tlaku sloupce kapaliny, která je v těžebních trubkách. Při zpětném pohybu
pístu dolů se spodní sací ventil tlakem kapaliny, nacházející se pod pístem a větším než je tlak
zdola, zavírá a horní ventil se otevírá a kapalina z válce prochází do prostoru nad pístem (obr.
7.11 a 7.12)). Takto při pohybu pístu nahoru nastává nasávání kapaliny do válce čerpadla a při
pohybu dolů její vytláčení do těžebních trubek.
Pro pohon pístu se nad ústí sondy instaluje čerpací kozlík (přeměna rotačního pohybu na
přímočarý pohyb kolony čerpacích tyčí). Čerpací kozlík na povrchu zajišťuje proměnlivý
pohyb táhlic s čerpadlem (obr. 7.10, 7.11 a 7.12). Tento pohyb je vyvozován pomocí
elektromotoru, který přes převody, třmen a vahadlo předává na rameno kývající efekt. Na
konci ramena jsou přes hlavu kozlíku upevněny táhlice, které dávají do pohybu mechanismus
hlubinného čerpadla
SPSKS
Obr. č. 7.12: Činnost hlubinného táhlicového čerpadla
103
Obr. č. 7.12: Schéma práce hlubinného táhlicového čerpadla s čerpacím kozlíkem a práce plunžeru
Otáčky motoru a krouticí moment jsou řízeny z hlediska účinnosti a minimálního opotřebení
řídícím zařízením (Pump off Controller - PoC). Použití je omezeno na mělká ložiska do
hloubky několika set metrů a průtok až do cca 40 litrů na 1 zdvih ramena.
Teoretická výkonnost hlubinného čerpadla představuje množství kapaliny, přicházející do
válce hlubinného čerpadla za jeden chod pístu nahoru, teoreticky rovná objemu opsanému
pístem (vzorce 7.2 a 7.3). Stejné množství kapaliny přejde do těžebních trubek výtlačným
ventilem při chodu pístu dolů.
SPSKS
(7.2)
(7.3)
kde Q ………….výkonnost čerpadla za 24 hod v (m3, t)
D ………….průměr pístu v (m)
S …………. zdvih pístu v (m)
n …………. počet chodů (zdvihů) za minutu
φ …………. hustota kapaliny (t · m-3)
V uvedeném vzorci jsou proměnnými veličinami průměr pístu, délka zdvihu a počet zdvihů,
tj. D, S a n.
V praxi se používá následujících standardních rozměrů hlubinných čerpadel (podle průměru
pístu): 28, 32, 38, 44, 56, 70, 95 a 120 mm. Délka zdvihu podle pohonu čerpadla se mění od
0,5 do 3 m. Počet zdvihů za minutu může být různý podle náhonu a obyčejně se mění od 6 do
16.
Činitelé snižující výkonnost hlubinného čerpadla
104
Skutečná výkonnost hlubinného čerpadla je ovlivněna následujícími činiteli, jež snižují
teoretickou výkonnost na skutečnou výkonnost:
- při nasávání proniká do válce čerpadla spolu s kapalinou plyn, který zmenšuje užitečný
objem válce (použití odplyňovačů snižuje vliv plynu na účinnost čerpadla),
- v důsledku nepřesnosti výroby (lícování dílů) dochází k úniku ropy netěsností mezerou
mezi pístem a válcem a v sedlech ventilů,
- opotřebením funkčních ploch čerpadel třením se netěsnosti zvětšují,
- netěsnost spojů čerpacích trubek (prodírání táhlicemi v křivých vrtech),
- skutečná délka zdvihu pístu je menší než hodnota naměřená na povrchu následkem
roztažení kolony čerpacích tyčí zatížených vlastní tíhou a tíhou sloupce kapaliny,
- rychlost pohybu pístu při zdvihu nahoru může být větší než rychlost přítoku ropy sacím
ventilem, takže ropa nestačí zaplnit celý prostor uvolněný pístem.
Skutečná výkonnost hlubinného čerpadla činí tak v důsledku uvedených faktorů 0,6 – 0,7
výkonnosti teoretické.
Volba zařízení a stanovení režimu těžby sond hlubinnými čerpadly
Pro sondu, která se nově uvádí do těžby hlubinným čerpadlem, se volí zařízení podle
očekávaného těženého množství a potřebné výšky zvedání kapaliny. Dále je nutno zohlednit
případné pískování a údaje o plynovém faktoru, intenzitě vylučování parafinu, složení
kapaliny a případné korozivní vlastnosti ložiskového média.
Podle očekávané těžby kapaliny se určují rozměry a typ podzemního zařízení sondy
(čerpadlo, trubky, tyče). Při stanovení režimu odčerpávání daného množství kapaliny je třeba
najít nejvýhodnější poměr mezi těmito třemi veličinami: průměrem, délkou chodu a počtem
zdvihů (D, S, n).
Pro ulehčení pracovních podmínek čerpacího zařízení a snížení zatížení tyčí je nutno
dosáhnout požadovaného čerpaného množství čerpadlem, pokud možno nejmenšího
průměru. Podle požadované výkonnosti a zvoleného minimálního průměru čerpadla se
stanoví součin délky chodu a počtu zdvihů (S · n). Při volbě čerpadla a podzemního zařízení
se tedy volí průměr čerpadla pro danou výkonnost co nejmenší a délku chodu největší při
malém počtu zdvihů. Tyto podmínky jsou nejpříznivější pro práci hlubinné čerpací soupravy.
Čerpací tyče - táhlice se dimenzují pro určité maximální zatížení v rozmezí dovolených
namáhání. Toto poslední určuje maximální hloubku zapuštění čerpadla na různých tyčích.
V praxi se ve většině případů používá tyčí dvou průměrů: ⅞″ a ¾″. Maximální hloubku
zavěšení hlubinných čerpadel, vycházející z podmínek dovoleného namáhání tyčí, pro
obyčejné ocelové tyče (dovolené namáhání
13 000 N/cm2) uvádí tabulka č. 7.1:
SPSKS
Tabulka č 7.1:
Průměr čerpadla
(mm)
56
44
38
32
28
Průměr tyčí
(palce)
⅞ (40 %) a ¾ (60 %)
⅞ (30 %) a ¾ (70 %)
⅞ (25 %) a ¾ (75 %)
⅞ (25 %) a ¾ (75 %)
⅞ (25 %) a ¾ (75 %)
Maximální hloubka zapuštění
čerpadel (m)
900
1 100
1 200
1 400
1 600
105
Při větších hloubkách zapuštění je nutno používat táhlicové tyče z legovaných ocelí.
Ochranná zařízení instalovaná na sací části hlubinného čerpadla se volí podle složení čerpané
produkce. Jestliže je v těžené ropě přítomné velké množství plynu, nebo písku, instalují se do
sací části hlubinného čerpadla odplynovače nebo odpískovače různých konstrukcí.
Čerpací kozlík pro sondu s hlubinným čerpadlem se volí podle očekávaného maximálního
zatížení hlavy vahadla a podle těžby sondy. Je známé, že zatížení čerpacího kozlíku se skládá
z tíhy tyčí ponořených do kapaliny, tíhy sloupce kapaliny obsažené v trubkách a dynamických
namáhání, která vznikají následkem zrychlení pohybu hmoty čerpacích tyčí a kapaliny při
změně směru chodu (síly setrvačnosti). Pro elementární výpočty zatížení čerpacího kozlíku je
možno použít následujícího vzorce:
P = Pk + Pt + Pi
kde:
(7.4)
P – plné zatížení čerpacího kozlíku,
Pk – zatížení tíhou všech kapalin,
Pt – zatížení tíhou soutyčí,
Pi – dynamická zatížení.
Souběžně s volbou zařízení pro sondy s hlubinnými čerpadly se stanoví deprese v sondě a
hloubka zavěšení čerpadla. Hloubka závěsu čerpadla se určuje polohou dynamické hladiny a
hloubkou ponoru čerpadla pod tuto hladinu. Obyčejně se hloubka ponoru pro normální
podmínky bere rovna 50 – 60 m a v sondách s malou těžbou je možno hloubku ponoru
zmenšit na 10 – 20 m. Při značném plynovém faktoru je žádoucí uskutečnění co největšího
ponoru na 100 – 200 m i více.
Po uvedení sondy do těžby je nutno ji pečlivě a všestranně prozkoumat za pomoci
echometrických a dynamometrických měření. Režim činnosti sondy stanovený na základě
výzkumu je nutno systematicky prověřovat opětovnými výzkumy a měřením dynamické
hladiny. Podle polohy dynamické hladiny v prostoru mezikruží při práci hlubinného čerpadla
je možno soudit o stavu práce jak zřízení hlubinného čerpadla, tak i sondy samé. Jestliže se
dynamická hladina nachází ve značné výšce od sací části čerpadla a volumetrická účinnost je
dostatečně vysoká, znamená to, že tempo odčerpávání kapaliny je nižší než těžební možnosti
sondy. Jestliže je za stejných podmínek volumetrická účinnost nepatrná, znamená to, že
čerpadlo nebo těžební trubky nejsou v pořádku. Jestliže se dynamická hladina nachází u sací
části čerpadla a volumetrická účinnost je neveliká, znamená to, že výkonnost soupravy
hlubinného čerpadla je větší než těžební možnosti sondy; je třeba zvětšit ponor čerpadla nebo
vyměnit čerpadlo za jiné o menším průměru.
SPSKS
Typové vystrojení sond pro těžbu hlubinnými táhlicovými čerpadly
Typové vystrojení sond pro těžbu hlubinnými táhlicovými čerpadly zahrnuje v podzemní
části:
- stupačkovou kolonu včetně příslušenství (2 3/8“, 2 7/8“, 3 ½“; EU, NU),
- táhlicovou kolonu (5/8“, 3/4“, 7/8“, 1“),
- centrátory táhlicové kolony (rotační – nerotační, rovné – šikmé žebrování, NRC (80°C) –
NRR (135°C),
- hlubinné čerpadlo vsazené – 5 základních částí vsazovaného hlubinného čerpadla: válec,
sací část, píst s výtlačnou částí, kužel s vedením tyče a zámková opora s pláštěm,
- zvláštní vystrojovací příslušenství (odplyňovače, odpískovače).
106
Nadzemní část obsahuje:
- zařízení na ústí sondy: závěsná příruba, ucpávková hlava, ucpávková tyč, ochoz, zařízení
pro dynamometr a sonolog,
- těžební (čerpací) kozlík – vahadlo (vlastní kozlík), elektromotor a převodovka.
Komplikace při těžbě hlubinnými plunžerovými čerpadly
Při způsobu těžby hlubinnými čerpadly je pozorován značně větší počet poruch činnosti sond
než při jiných způsobech těžby. Je to tím, že při těžbě čerpadly se práce zúčastňuje velký
počet pohyblivých částí (tyče, plunžer, ventily), které pracují za velmi nepříznivých
podmínek. Následkem nepatrné těžby kapaliny a malé rychlosti jejího pohybu se vytvářejí
příznivé podmínky pro usazování písku na dně a tvoření pískových zátek. Práci čerpadla často
překáží plyn uvolňující se z nafty.
Poruchy normální práce sondy s hlubinným čerpadlem nastávají za těchto podmínek:
-
v těžené kapalině je písek nebo velké množství plynu,
zaparafinování těžebních trubek,
při utržení nebo odšroubování táhlicových tyčí,
při poruše povrchového zařízení,
v případě křivého vrtu a následné ztrátě hermetičnosti trubek.
Komplikace při těžbě hlubinnými plunžerovými čerpadly jsou způsobeny především
přítomností písku z produktivních vrstev a parafinu, který se uvolňuje z ropy.
Písek, dostávající se do těžební kolony sondy při malé rychlosti pohybu kapaliny vypadává na
dno, částečně nebo úplně zakrývá filtrovou zónu a tak zabraňuje dalšímu přístupu kapaliny
z ložiska do sondy.
Když se do hlubinného čerpadla dostanou jednotlivá zrnka písku, zaklíní často plunžer ve
válci čerpadla. Při tvoření mocných zátek na dně sondy mohou nastat případy osednutí
zařízení zapuštěného do sondy pískem. Opatření proti škodlivému vlivu písku jsou
následující:
SPSKS
- použití zvláštních filtrů v sondě,
- zmenšení odběru kapaliny ze sondy,
- montáž ochranného zařízení na sací část (odpískovač).
Úplného oddělení písku se ve většině případů nedosáhne. Proto bylo vytvořeno několik
konstrukcí čerpadel – teleskopická čerpadla, čerpadla s plunžerem sřezávajícím písek,
čerpadla s kroužkovými drážkami na plunžeru.
Základním opatřením proti pískování je zábrana pronikání písku do sondy spolu
s ložiskovým mediem. Proto se sondy vybavují různými konstrukcemi filtrů, např. dnes hojně
používané tzv. naplavované pískové filtry. V podstatě se jedná o filtry štěrbinové konstrukce
(štěrbiny tvořeny navinutým lichoběžníkovým drátem na perforované trubce), u kterých se po
zapuštění naplaví do prostoru mezikruží vytříděný písek. Velikost (šířka) štěrbin musí být
menší než 0,5 – 0,7 průměru nejmenších zrn naplaveného písku a pohybuje se zpravidla okolo
0,25 – 0,3 mm. Vlastní naplavení se provádí zvláštním naplavovacím zařízením. Součástí
kolony filtrů je i kontrolní filtr stejné konstrukce, sloužící k identifikaci naplavení a těsnící
hlava filtrů, která uzavírá prostor naplaveného mezikruží.
Podle situování filtrů ve vrtu se rozeznávají filtry zabudované:
107
a) v zapažené části vrtu (perforace, perforovaná kolona, liner apod.) – „inside gravel pack“,
b) v nezapažené části vrtu – „open hole gravel pack“.
Těžená ropa obsahuje určité množství těžkých uhlovodíků C20+ , zejména parafínu. Za
určitých podmínek se parafín z ropy uvolňuje v podobě jemných krystalků. Uvolněný parafín
může zůstat v ropě ve vznosu a je vynášen s proudem ropy na povrch sondy (usazuje se
v přípojkách) nebo se usazuje na stěnách těžebních trubek. První tenká vrstva parafinu je
ohniskem pro další intenzitní tvorbu usazením, a pokud se neprovedou nápravná opatření,
nastane vytvořením parafinové zátky umrtvení sondy.
Vylučování parafinu z ropy je způsobeno snížením teploty ropy, které nastává:
- rozpínáním (expanzí) rozpuštěného plynu v důsledku poklesu teploty,
- nízkou teplotou okolního prostředí.
Platí, že čím je vyšší plynový faktor ropy, tím více je ropa ochlazována. Usazování parafinu
na stěnách trubek je způsobeno:
-
nízkou rychlostí proudění,
drsností stěn trubek,
pulzující těžbou, která umožňuje občasné smáčení stěn trubek,
účinkem vody, která zhoršuje rozpustnost parafinu v ropě, a tím zesiluje jeho vylučování.
Při těžbě hlubinnými čerpadly spočívají opatření k zábraně usazování parafinu v těžebních
trubkách:
-
SPSKS
v nahřívání těžebních trubek horkou ropou, začerpávanou do mezikruží sondy,
v proplachování sondy různými rozpouštědly,
v kontinuálním nástřiku rozpouštědel do mezikruží sondy,
v nahřívání těžebních trubek elektrickým proudem – elektrodeparafinace,
v čištění trubek od parafinu mechanickým škrábáním, prostřednictvím centrátorů
instalovaných na čerpacích trubkách,
- v demontáži čerpadla a čerpacích trubek a jejich propaření na povrchu.
Výhody tohoto způsobu těžby ropy lze spatřovat především ve spolehlivém systému těžby,
snadné obsluze, nízkých provozních nákladech, použití do sond s úklonem do 35° (bez
komplikované trajektorie) a v tom, že tlak na ústí sondy není omezujícím faktorem.
Nevýhody tvoří zejména přítomnost písku, vyšší úklony těžebních sond nad 35° a
komplikovanější trajektorie sondy, vyšší těžená množství nad 100 – 150 m3/den a povrchové
těžební zařízení.
Těžba ropy elektrickými hlubinnými čerpadly
Čím větší je hloubka sondy, tím obtížnější a méně výhodnou se stává její těžba hlubinným
čerpadlem s táhlicemi. Pro hluboké sondy také není použití kompresorového způsobu těžby
vždy výhodné, protože silně vzrůstá poměrná spotřeba pracovního prostředku (plynu).
Aplikace tohoto těžebního způsobu mechanizace ropných sond je na ložiskách, kde je malý
počet sond s vysokou denní kapacitou a na místech, kde je požadavek na co nejmenší
povrchovou zástavbu. Pro těžbu hlubokých ropných sond nebo sond s velkou těžbou se
doporučují používat hlubinná čerpadla bez táhlic (elektrická odstředivá, hydraulická
108
ponorná nebo turbínová čerpadla). Podle výšky zvedání kapaliny se používá čerpadel
s různým počtem stupňů 3 – 320. Výkonnost čerpadel různých průměrů je různá a kolísá od
16 do 5000 m3/24 hod (max. 15 000 m3/24 hod). Křivost a komplikovanost trajektorie sondy
není překážkou pro použití elektrických ponorných čerpadel.
Instalace elektrických hlubinných čerpadel - Electric Submersible Pumps (ESP) se provádí
až do hloubek cca 3 700 m s instalovaným výkonem až 750 kW. V těchto hloubkách musí být
použito jmenovité elektrické napětí až 5 kV. ESP pracují v hlubokých ložiskách, ale jejich
životnost je citlivá na nežádoucí příměsi, jako je písek a účinnost je citlivá na poměr plynu
k ropě (GOR – Gas Oil Ratio). Když plyn zde přesahuje 10 %, tak se dramaticky snižuje
účinnost.
Typové vystrojení sondy pro těžbu elektrickými hlubinnými čerpadly zahrnuje v podzemní
části:
- stupačkovou kolonu včetně příslušenství (2 7/8“, 3 ½“, 4 ½“; EU, NU),
- elektrický kabel (plochý, kruhový, stupačkové stisky),
- odstředivé čerpadlo,
- těsnící sekce (pohonná hřídel, těsnění),
- elektromotor,
- zvláštní vystrojovací příslušenství (plynový separátor, AR technologie, monitoring P, t).
Nadzemní část obsahuje:
- zařízení na ústí sondy: produkční kříž (závěsná příruba, závěsný kužel s průchodem pro
kabel atd.),
- povrchový kontrolní systém – řídící jednotka.
SPSKS
Elektrická hlubinná čerpadla - Electric Submersible Pumps (ESP) je výhodné použít
v případech sond s vysokým stupněm zavodnění a dobrými přítokovými vlastnostmi. Použití
ESP je možné i u sond s vysokým obsahem volného plynu až 70%, s použitím integrovaného
separátoru, který separuje volný plyn z těženého media před sáním čerpadla. S použitím
speciální technologie vnitřních povlaků (Coating – AR „Abrasion Resistance“) lze čerpadla
použít pro čerpání kapalin s korozivními nebo abrazivními účinky (písek, CO2).
Systém ESP zahrnuje povrchový kontrolní systém, elektrický kabel, ponorné odstředivé
čerpadlo, motor a těsnění. Přídavkem může být rotační separátor, modelování vhodné
velikosti čerpadla, software, monitoring ve vrtu, dálková komunikace. Každý ESP systém je
přesně naprojektován („sizing“) na podmínky v dané sondě (faktory: velké množství plynu,
velká teplota, písek, viskozita, korozivita prostředí apod.)
109
Obr. č. 7.13: Schéma konstrukce elektrického hlubinného čerpadla (ESP System):
1 – čerpaná ropa na povrch, 2 – čerpadlo, 3 – sání čerpadla, 4 – vyvažovací zařízení, 5 – motor čerpadla, 6
– elektrický kabel, 7 – vstup ropy do čerpadla.
SPSKS
Povrchový kontrolní systém poskytuje elektrickou energii ponornému zařízení, protože
kvalita a správné elektrické napětí je základem úspěchu provozu ESP. Celý kontrolní systém
zahrnuje systém tzv. „měkkých" startů, kontrolní čidla motoru, ovládací panel a měnič
rychlosti. Nejnověji byl uveden tzv. grafický kontrolní systém (GCS), který spolu s měničem
rychlosti poskytne operátorovi volbu z šesti kroků. Digitální kontrolní panel nabízí výstupní
data, digitální ampérmetr, přenos dat, dálkový monitoring a kontrolu.
Elektrický kabel je vyráběn standardně pro spojení s ESP. Během výroby je měděný drát
izolován patentovanými polymery spolu s pancéřovaným či olověným krytím dle podmínek
ve vrtu. Kabely jsou efektivním řešením pro kyselé a korozivní prostředí, vysoký P/O a
vysoké teploty a jsou nabízeny různých kruhových a plošných variant.
Čerpadlo. Jedná se o čerpadla multistupňová, odstředivá. Každý stupeň odstředivého čerpadla
je složen z rotoru a statického difuzoru. Rotující rotor odstředivou silou předává rychlost
(energii) těženému mediu a to je tangenciálně přesměrováno do statického difuzoru, který
přemění tuto vysoko rychlostní energii na tlak, čímž způsobí tok kapaliny do dalšího stupně.
Každý díl čerpadla je podroben tvrdým zkouškám na kvalitu před složením čerpadla a každé
čerpadlo je odzkoušeno na své provedení.
Čerpadlo typu „GasMaster“ je řešením pro plynující vrty. Je používáno ve spojení s
kuželovitým čerpadlem a rotačním plynovým separátorem tak, aby poskytlo trojí ochranu
proti problémům s plynem, který je překážkou v těžbě. Co se týče viskozity, vývoj směřoval
k maloprůměrovým stupňům čerpadla a výsledkem je unikátní tzv. „viskózní" čerpadlo pro
všechna použití. Společnost Centrilift také vyvinula patentovaný protiabrazivní systém (AR),
který je řešením pro všechny stupně pískování během těžby. Předčasné opotřebení popř.
systémové závady jsou potlačeny použitím elastomerů a materiálů testovaných v korozivním
plynu a kapalině.
110
Plynový separátor. Jsou vyráběny dva typy plynových separátorů:
a) rotační komorový separátor propouští kapalinu přes rotační komory, které pracují jako
uzavřené centrifugy. Nízko hustotní proplyněná kapalina je nucena jít středem, před tím,
než je kanálky vypuštěna do mezikruží čerpadla. Tento separátor je ideální pro použití ve
vrtech s velkým přítokem nebo s velkou viskozitou kapaliny.
b) vírový separátor, kde je rotační pohyb, nutný pro separaci, tvořen spirálou. Pomalejší
rychlost rotace dovoluje kapalině rotovat volně celým průměrem separační části a vytváří
vír. Konečný výsledek je stejný jako u komorového separátoru, nicméně vírový separátor
pracuje s širší škálou přítoku. Pomalejší rotace a méně hmoty upřednostňuje tento typ pro
abrazivní prostředí.
Motory jsou vyrobeny pro drsná prostředí a extrémní teploty. Výrobní proces byl započat
výrobou magnetického drátu pro vinutí motoru. Každá stopa drátu je opakovaně testována
voltáží o 50 % větší, než je standard, a to z důvodu eliminace poškození.
Motory jsou plněny pod vakuem impregnačním epoxidem, který ve spojení s pryskyřicí
zajišťuje konzervaci a ochranu vinutí motorů. Všechny drážky vyplněné epoxidem eliminují
pohyb drátu, jakož i nestejnorodý přenos tepla z vinutí. Každý složený motor je testován na
automatické horizontální testovací lavici a výsledky jsou podrobeny počítačové analýze.
Během testu je motorový olej cirkulován přes absolutní filtry, čímž je zbaven částeček větších
jak 1 mikron. Tyto analýzy a filtrace přispívají ke zvýšení životnosti ESP.
Těsnění. Těsnící sekce dovoluje motoru odpouštět olej do a ven díky teplotní expanzi.
Ochraňuje motor také proti kontaminaci kapalinou ve vrtu. Je vyvinuto z vysoce odolných
syntetických materiálů. Centrifugové čerpadlo uvnitř těsnění zajišťuje cirkulaci oleje přes
teplotní výměník a filtry, ochlazuje a čistí olej, který je pak veden přímo k ložiskům.
Monitoring ve vrtu. V současné době se nabízí několik způsobů pro monitoring ve vrtu s
komunikačním kanálem pro tok informací, které zákazník vyžaduje pro daný vrt. Jedná se o
teplotu motoru a kapaliny, vstupní a výstupní tlak, které mohou být monitorovány v reálném
čase a podrobovány analýze. Dálkový přenos dat umožňuje SCADA systém přes internet.
Ochrana čerpadla před zadřením je zajištěna přenosem dat z vrtu do GCS kontroleru nebo do
rychlostního variátoru na povrchu. Systém je schopen kontrolovat jednotlivé části čerpadla
nezávisle a tak, aby nedošlo k poškození.
SPSKS
Výhody použití elektrických odstředivých čerpadel jsou následující:
-
jedná o vysoce efektivní a flexibilní systém,
vhodný pro velká těžená množství,
ekonomický provoz,
použití pro usměrněné a horizontální vrty (komplikované trajektorie),
minimální plošné nároky (vrtné plošiny).
Nevýhody lze spatřovat především ve vysoké ceně, požadavku na dobré přítokové vlastnosti,
průměrná životnost činí 5 let (3 – 8 let) a nežádoucí je vyšší obsah písku.
Těžba ropy hlubinnými vřetenovými čerpadly
Hlubinná vřetenová čerpadla (Progressing Cavity Pumps), se skládají ze dvou částí, rotoru,
vytvarovaného do šroubovice s kruhovým průřezem a odpovídajícího statoru. Rotor, který je
rotačním vnitřním komponentem čerpadla (ocelové, chromové, keramické), je běžně poháněn
111
pomocí rotujících čerpacích tyčí. Stator je na konci kolony těžebních trubek (stupaček) a
zůstává ve stacionární poloze. Stator se skládá z elastomeru (gumový, plastový nebo kovový)
s vyhloubenou dvojitou šroubovicí permanentně nalisovaného na vnitřním povrchu čerpací
trubky. Výtlačné množství kapaliny čerpadla je funkcí průměru rotoru, excentricity rotoru a
statoru a roztečí stoupání. Dalšími částmi systému je kolona čerpacích trubek s centrátory a
povrchová pohonná jednotka. Povrchová pohonná jednotka se skládá z elektromotoru, unášecí
hlavy s ucpávkou a převodovky. Kapalina vstupující do sací části se koncentruje v kavernách
vytvořených mezi jednoduchou šroubovicí rotoru a zdvojenou šroubovicí elastomeru.
Materiál elastomeru působí zároveň jako těsnící element bránící úniku kapaliny.
Maximální hloubka použití hlubinných vřetenových čerpadel je cca 2000 m (dvoustupňový
stator), výkonnost čerpadla je cca. 0,5 – 420 m3/den.
Typové vystrojení těžební sondy pro těžbu ropy hlubinnými vřetenovými čerpadly v podzemní
části zahrnuje:
- stupačkovou kolonu včetně příslušenství (2 3/8“, 2 7/8“, 3 ½“; EU, NU),
- hlubinné vřetenové čerpadlo (stator, křížek, kalník – pokračování stupačkové kolony,
rotor),
- zvláštní vystrojovací příslušenství (odplyňovače, odpískovače, stupačková kotva,
cirkulační ventil).
Nadzemní část obsahuje:
- zařízení na ústí sondy: produkční kříž (závěsná příruba, závěsný kužel s průchodem pro
kabel atd.),
- povrchový kontrolní systém – řídící jednotka.
SPSKS
Výhody tohoto zařízení jsou následující:
-
nízké pořizovací ceny,
použití pro kapaliny s obsahem pevných částic do 30 % (písek, mineralizace),
použití pro viskózní kapaliny,
flexibilní a spolehlivý systém,
kompaktní povrchové zařízení.
Nevýhodami jsou:
- problémové použití usměrněné a horizontální vrty,
- pracovní teplota do 150°C,
- přerušovaná těžba způsobuje zanášením rotoru pevnými částicemi.
Kompresorová těžba ropy
Kompresorová těžba ropy – těžba proudem plynu (Gas Lift, Air Lift, Plunger Lift) je
umělým pokračováním samotoku. Za účelem proplynění sloupce kapaliny v sondě se přivádí
do sondy (např. do mezikruží, ke konci těžebních trubek atd.) plyn (vzduch – Air Lift)
stlačený na potřebný tlak kompresorem nebo přepouštěním vysokotlakého plynu z jiné sondy.
Do sondy se zapouštějí dvě řady trubek: trubky, kterými se tlačí pracovní prostředek (vzduch
nebo plyn) se nazývají vzduchové, a ty, kterými stoupá směs vzduchu (plynu) s ropou se
nazývají těžební. V klidovém stavu je kapalina v trubkách i v sondě na úrovni statické
112
hladiny. Jestliže se bude vzduchovými trubkami vhánět vzduch, pak tento nejprve vytlačí
všechnu kapalinu v nich obsaženou, a pak začne pronikat do těžebních trubek a smíchávat se
s kapalinou jako jednotlivé bublinky. V těžebních trubkách je pak směs kapaliny se
vzduchem. Hustota takové směsi bude značně menší než počáteční hustota kapaliny, takže se
hladina kapaliny v těžebních trubkách bude zvyšovat.
Tedy, čím více plynu bude vehnáno do těžebních trubek, tím menší bude hustota kapaliny
(směsi) a tím se tato zvedne do větší výšky. Velikost stoupnutí závisí nejen na množství
vháněného plynu, nýbrž i na hloubce místa vtláčení plynu. Výška zvednutí závisí i na
průměru těžebních trubek. V trubkách malého průměru se při jedné a téže spotřebě plynu
může hladina kapaliny zvednout do větší výšky než v trubkách velkého průměru. Velké
množství plynu může za účelem zvýšení produkce způsobovat tvoření plynových zátek (tzv.
štuplování) a tím naopak snižování produkce (tedy obrácený efekt) a negativní tlakové rázy na
ložisko. Naopak vtláčení nedostatečného objemu plynu způsobuje pulzní těžbu a částečné
umrtvování sondy. Vyšší tlak vtláčeného plynu může způsobovat umrtvení sondy zpětným
zatláčením těžené kapaliny a protlačování vtláčeného plynu do ložiska. Na výšku zvednutí má
též vliv viskozita kapaliny.
SPSKS
Obr. č. 7.14: Schéma činnosti gasliftu: 1 – plyn snižující hustotu sloupce kapaliny, 2 – boční ventil pro
vzduchové potrubí, 3 – pakr a sestava spodní části kolony trubek
Princip čerpání gasliftem (airliftem) záleží na míře proplynění kapaliny v těžebních trubkách
a ve zmenšení její průměrné hustoty, při neustálém vhánění vzduchu do těžebních trubek
stoupne proplyněná kapalina po ústí sondy a začne se vylévat ven.
113
Obr. č. 7.15: Schéma uspořádání zařízení pro kompresorovou těžbu ropy
1. Základní schéma kompresorového liftu, 2. Soustředné lifty
Systém liftů
SPSKS
Kompresorového liftu v tomto vzhledu, jak jej představuje schéma na obr. 14.34 vlevo
(základní schéma liftu), se nepoužívá pro obtížnost současného zapouštění dvou
rovnoběžných řad trubek do sondy. Místo toho se do sondy zapouští buď jedna řada trubek,
nebo se trubky umisťují soustředně. Podle počtu kolon trubek, zapouštěných do sondy a podle
směru proudění stlačeného vzduchu (nebo plynu) a směsi plynu a ropy, existují různé typy a
systémy liftů.
Systémy liftů mají následující klasické rozdělení:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
centrální lift s ventily,
otevřený lift s ventily,
polootevřený lift s ventily,
uzavřený lift s ventily,
víceproudý lift,
systém Pohle
periodický lift.
Dále se klasifikují také na:
a) kontinuální lift,
b) přerušovaný (periodický) lift,
c) komorový lift,
nebo také na:
114
- konvenční lift,
- nekonvenční lift,
- kombinovaný lift.
Kontinuální gaslift neboli lift se spojitým průtokem znamená, že je kontinuálně, bez
přerušení vtláčen plyn o relativně vysokém tlaku do sloupce kapaliny ve spodní části sondy.
Vtláčený plyn se připojuje k plynu z ložiska a vynáší kapalinu na povrch jedním nebo
několika následujícími procesy:
- redukcí hustoty a tíhy sloupce kapaliny tak, aby se tlaková diference mezi ložiskem a ústí
sondy zvýšila,
- expanzí vtláčeného plynu, který tak tlačí kapalinu před sebou a tím se dále redukuje tíha
sloupce a tím se zvyšuje tlaková diference mezi ložiskem a ústím sondy,
- vytláčením kapalinových zátek velkými bublinami plynu, které působí jako píst (což ale
má negativní vliv na ložisko).
Přerušovaný gaslift. Jak vyplývá z názvu, tento systém těží přerušovaně nebo nepravidelně a
je navržen těžit skutečné množství, které vtéká z ložiska do sondy. Tedy sonda s malým
tlakem v ložisku nebo s nízkým výkonem může být těžena pomocí gasliftu s přerušovaným
průtokem. V systému s přerušovaným průtokem je umožněna akumulace kapaliny ve
stupačkách dole v sondě. Periodicky a velmi rychle jsou vtláčeny do stupaček pod sloupec
kapaliny plynové bublinky s vysokým tlakem, které tlačí rychle kapalinu ve stupačkách.
Frekvence vtlačování plynu při čerpání s přerušováním je určena časem, který je potřebný,
aby kapalinová zátka vtekla do stupaček. Doba vtláčení plynu závisí na času, který je nutný
k vytláčení jedné zátky k povrchu.
SPSKS
Převedení kontinuálního liftu na periodický lift sleduje dva cíle:
- zmenšit spotřebu ložiskového tlaku,
- periodicky odlehčovat sondu od tlaku vháněného plynu.
115
SPSKS
Obr. č. 7.16: Schematické znázornění jednotlivých typů kompresorových liftů
116
Obr. č. 7.17: Schematické znázornění jednotlivých typů kompresorových liftů
Zvláštní formou přerušovaného gasliftu je tzv. komorový gaslift, kdy je periodicky vytláčena
kapalina, která natekla z ložiska do „komory“, tj. prostoru mezi dvěma pakry. Další formou
liftu je tzv. plunžer lift (Plunger Lift), který pracuje na principu periodického zátkování
kolony čerpacích trubek pístem. Při poklesu tlaku v koloně dojde k uvolnění pístu z chytače a
propadnutí do spodní části kolony, kde je umístěno dorazové sedlo s pružinou. Tím dojde
k uzavření kolony a dochází k tlakování prostoru pod pístem ložiskovým tlakem. Po
překročení tlaku (tíha pístu a odpor těsnících elementů) dojde k vytlačení - „vystřelení“ pístu
s kapalinou na povrch.
Použití tohoto liftu je vhodné u sond, u kterých postupně ustává samotoková těžba a také
v případě plynových sond s vysokým obsahem volné vody a tvořením hydrátu. V tomto
případě přítokové podmínky sondy mohou být takové, že se kapalina začne hromadit ve
spodní části sondy a eventuelně blokovat vstup plynu do sondy, takže se zastaví produkce
plynu. Za těchto podmínek může být plunžer s uzavíratelným ventilem vložený do stupaček.
Chytač plunžeru na ústí sondy otevírá ventil a může udržovat plunžer na tomto místě, zatímco
další mechanismus v dolní části bude uzavírat ventil.
Cyklus začíná tím, že plunžer padá do sondy s otevřeným ventilem. Plyn, kondenzát a ropa
mohou procházet do plunžeru dokud nedosáhne dna sondy. Tam je ventil uzavřen, nyní
s objemem ropy, kondenzátu nebo vody. Plyn se začne shromažďovat pod plunžrem a po
nějaké době tlak plynu tlačí plunžer nahoru společně s kapalinou, která eventuelně vytéká od
výtokové hlavy na ústí sondy. Když dosáhne plunžer chytače na ústí vrtu, ventil se otevře a
umožní plynu proudit volně ze sondy, dokud se nová kapalina neshromáždí na dně sondy. Po
určité době chytač uvolní plunžer a cyklus se opakuje.
Efektivnost kompresorové těžby se obyčejně posuzuje podle spotřeby plynu (vzduchu),
připadající na každou tunu ropy vytěžené z ložiska. Poměrná spotřeba pracovního činitele u
liftů středních hloubek (600 – 1 200 m) kolísá v různých oblastech od 100 – 800 m3 na tunu,
podle vrstevních podmínek, kvality ropy, obsahu vody atd.
SPSKS
117
SPSKS
Obr. č. 7.17: Schéma funkce plunžer liftu:
A. – stoupající plunžer s uzavřeným ventilem, B. – řídící regulační ventil, C. – výtok kapaliny,
1 – lubrikátor ke vstupu do sondy pod tlakem, 2 – horní výstup, 3 – chytač plunžeru,
4 – čidlo příchodu plunžeru, 5 – spodní výstup, 6 – hlavní ventil, 7 – pažnice, 8 – stupačky,
9 – přepravovaná kapalina, 10 – plunžer s uzavřeným ventilem, 11 – plyn tlačící na plunžer,
12 – dorazové sedlo s uzavíračem ventilu.
Uvedení kompresorových sond v činnost
Před počátkem spuštění liftu se bude hladina kapaliny v těžebních trubkách i v obou
prostorech mezikruží nalézat ve stejné výšce, odpovídající statické hladině.
Jako příklad bude se uvádět v činnost sonda se soustředným vystrojením. Při spuštění liftu se
začne vhánět stlačený vzduch do prostoru mezikruží mezi vzduchové a těžební trubky.
Kapalina bude tedy vytlačována dolů a bude částečně vcházet do těžebních trubek a prostoru
mezikruží, a částečně bude pohlcována vrstvou, neboť tlak v sondě začne převyšovat
ložiskový tlak.
118
Hladina kapaliny v těžebních trubkách i v prostoru mezikruží se bude zvyšovat podle stupně
snížení hladiny v mezikruží mezi vzduchovými a těžebními trubkami a podle zvýšení tlaku
vháněného stlačeného vzduchu. Tento tlak dosáhne své největší hodnoty, když kapalina
v prostoru mezikruží klesne po konec těžebních trubek. Tlak vzduchu bude v tomto okamžiku
maximální a nazývá se spouštěcí tlak. Jakmile dosáhne vzduch paty těžebních trubek a
pronikne do nich, začne v nich zvedat sloupec kapaliny za jejího částečného proplynění.
Sonda vstupuje do normální těžby, tj. začíná neustále vyhazovat na povrch směs ropy se
vzduchem (plynem). Přitom se hladina kapaliny v prostoru mezikruží (mezi těžební kolonou
pažnic a vzduchovými trubkami) ustaluje na tzv. dynamické úrovni. Tlak v mezikruží se též
ustaluje na určité hodnotě; nazývá se pracovní tlak a je vždy několikrát menší, než tlak
spouštěcí. Největší spouštěcí tlaky nastanou při jednořadém liftu a poměrně nízkých tlaků
bude třeba při liftu centrální soustavy a při dvouřadém liftu.
Metody snížení spouštěcího tlaku
Spouštěcí tlaky mohou dosáhnout velmi značné hodnoty, která přesahuje tlak instalovaných
kompresorů, zvláště při jednořadém liftu. Zvýšený tlak při uvádění sondy v činnost se
vysvětluje vytvořením nadměrně vysokého sloupce kapaliny v těžebních trubkách. Proto
všechny metody, používané ke snížení spouštěcího tlaku, jsou založeny na odstranění části
kapaliny z těžební kolony po dobu protláčení. Možné způsoby snížení spouštěcího tlaku jsou:
-
metoda postupného zapouštění těžebních trubek,
metoda zatláčení kapaliny do vrstvy,
metoda svabování (pístování),
metoda přepojení liftu z centrální soustavy na soustředěnou,
metoda současného vtláčení ropy a plynu do sondy,
postavení spouštěcích otvorů na těžebních trubkách (metoda ovzdušnění spouštěcími
ventily).
SPSKS
Gasliftový cyklus
Pro práci kompresorové sondy může jako pracovní prostředek sloužit jak vzduch, tak i plyn
(zemní plyn, CO2 atd.). V počátcích používání kompresorového způsobu těžby se používalo
výlučně vzduchu. Použití vzduchu má některé nedostatky:
- vzduch se zemním plynem tvoří výbušnou směs (5-14 % plynu), proto se směs odpouští do
atmosféry,
- vzduch podporuje tvorbu velmi stabilní emulze ropa – voda.
Proto se v současné době přednostně používá gaslift. Výhodně lze pro gaslift použít také plyn
(zemní, CO2 apod.) z vysokotlakých sond plynových ložisek, neboť nevyžaduje v případě
dostatečně vysokého tlaku výstavbu nákladné kompresorové stanice.
Typové vystrojení sond pro kompresorovou těžbu
Typové vystrojení těžební sondy pro těžbu ropy gasliftem zahrnuje v podzemní části:
- stupačkovou kolonu včetně příslušenství (2 3/8“, 2 7/8“, 3 ½“; EU, NU),
- mandrely (konvenční, side pocket mandrels),
- gasliftové ventily (konvenční, nekonvenční, řídící, zaslepovací atd),
119
- zvláštní vystrojovací příslušenství (nad ventilové vsuvky, podzemní zpětný ventil,
podpovrchový bezpečnostní ventil),
- wire-line zařízení („KOT“ Kickover Tools, chytací a usazovací nádstavce atd.).
Nadzemní část obsahuje:
-
zařízení na ústí sondy: produkční kříž,
regulační zařízení – řídící regulační ventil,
kompresorovou stanici,
čištění pracovního plynu.
Výhody tohoto způsobu těžby lze charakterizovat takto:
-
spolehlivý systém,
použití pro usměrněné a horizontální vrty (s úklonem 40 – 60°),
vhodný pro rozsáhlou síť sond,
možnost produkčního měření (průchodnost těžebních trubek),
levné podzemní zařízení.
Nevýhodami jsou pak:
-
prostorově náročná povrchová část,
nutná infrastruktura pro optimalizaci systému,
nižší flexibilita systému vůči čerpadlovému způsobu,
časté práce wire-line servisu při optimalizaci,
finančně náročná povrchová technologie (kompresory, potrubní rozvody, úprava plynu
atd.).
7.4
SPSKS
Sekundární metody těžby
Primárními metodami těžby se vytěží 20-35% ropy, zbytek zůstává v pórech ložiskové
horniny.
Sekundární (druhotné) těžební metody představují postupy, které udržují ložiskovou energii
při těžbě co nejdéle na vysoké úrovni. Patří mezi ně zatláčení plynu do plynové čepice nebo
vody do vodního zápolí ropného ložiska za účelem protlačení nebo unášení zbývající ropy
proudem kapaliny, pohybující se ve vrstvě k těžebním sondám. Takto lze zvýšit vytěžitelnost
na 50-60%. Vlastní těžba probíhá v závislosti na tlaku v těžební sondě některým z výše
uvedených primárních způsobů těžby.
Podle vháněného (vtlačovaného) média se rozlišuje:
a) těžba podporovaná vtláčením plynu,
b) těžba podporovaná vtláčením vody.
Těžba vtláčením plynu
Jestliže poklesne tlak v ložisku, vtláčí se z povrchu pomocnou sondou do ložiska vytěžený
plyn. (obr. 7.19 - A). Plyn se rozpouští v ropě, snižuje její viskozitu a vytlačuje ji na povrch.
Tlak v ložisku je možné také zvyšovat vháněním zemního plynu do horní části ložiska, ve
které je plynonosná vrstva (obr. 7.19 - B).
120
Těžba vtláčením vody
Ropa bývá v ložisku pod tlakem vody, která ji vytláčí do těžebního vrtu (obr. 7.19 - C). Pro
zvýšení těžby ropy se může ložisko uměle zavodňovat čerpáním vody nebo vhodných roztoků
do ložiska, což napomáhá vytěsňovat ropu z ložiska. Vlastnosti vody, vháněné do ložiska, se
mohou upravovat přidáváním povrchově aktivních látek, sycením prostřednictvím oxidu
uhličitého apod. Pomocí hydraulické těžby se tak z ložiska vytěží navíc až 10 % ropy.
SPSKS
nepropustná
roponosná vrstva
hornina nasáknutá
plynonosná
Obr. č. 7.19: Schematické znázornění těžby ropy vtláčením plynu do roponosné vrstvy (A), do plynonosné
vrstvy (B), vtláčením vody (C): (1 - těžební vrt, 2 - injektážní vrt)
7.5
Terciérní metody těžby
Terciérní metody (fáze) těžby zahrnují různé speciální metody, například zatláčení
„neuhlovodíkových“ plynů do ložiska (např. CO2, dusíku, spalných plynů), LPG metodu
(zkapalněný zemní plyn nebo propan), aplikace rozšířených zavodňovacích metod (zatláčení
vody upravené povrchové aktivními látkami, polymery nebo jinými chemickými činidly)
využití tepla pro snížení viskozity ropy (podzemní spalování, vtláčení páry nebo horké vody),
využití metabolické činnosti anaerobních baktérií atd. Cílem je intenzifikace přítoku
„zbytkové“ ropy, která nebyla vytěžena během primární nebo druhotné těžební fáze. Při
dotěžování ložisek se vedle gravitačních principů využívá také generování mechanických
otřesů v ložisku, které pomáhá uvolňovat ropu vázanou na povrchu zrn a v pórech kolektorů.
Terciérní metody těžby ropy využívají ke zvýšení těžby externí látky (které nepocházejí z
ložiska). Obvykle se do této skupiny řadí:
e) těžba podporovaná vtláčením oxidu uhličitého,
f) těžba podporovaná vtláčením horké vodní páry,
g) těžba podporovaná zapálením ložiska.
121
Těžba vtláčením horké vodní páry
Tento způsob těžby se používá obvykle pro velmi viskózní ropy. Vodní pára se při tlaku 14
MPa a při teplotě 340°C vhání do pomocného vrtu (sondy). Pomocný vrt může být vertikální
nebo horizontální, a je situovaný několik metrů nad horizontálním těžebním vrtem. Pomocí
horké vodní páry se vyhřeje roponosná vrstva mezi pomocnou sondou a těžební sondou, čímž
se sníží viskozita ropy, která je obsažená v této vrstvě a zároveň se tu zvýší tlak, což má za
následek zvýšení toku ropy do těžební sondy.
Tento způsob těžby se používá obvykle také pro velmi viskózní a těžké asfaltické ropy.
Princip metody spočívá v tom, že ve vhodné vzdálenosti od těžebního vrtu se nejdříve
provede jeden nebo i více pomocných vrtů. V místě, kde pomocný vrt protíná roponosnou
horninu, se zapálí ropa, která je nasáklá v této hornině a pomocnou sondou se do místa hoření
přivádí vzduch, který je potřebný pro spalování ropy. Teplem, které vzniká při spalování části
ropy (5000 až 7000C), se část ropy štěpí, čímž se snižuje její viskozita. Spalné produkty
zároveň zvyšují tlak v ložisku a zároveň dochází k ohřevu ložiska, což má za následek další
snížení viskozity nespálené ropy. V důsledku toho potom dochází ke zvýšenému toku ropy do
těžební sondy, odkud se čerpá na povrch. Množstvo vytěžené ropy se pohybuje okolo 50 %,
u těžkých typů ropy to může být jen asi 10 % ropy přítomné v ložisku.
Při této metodách těžby ropy se na ložisku nacházejí tři druhy sond:
a) Zapalovací sondy slouží k zapálení a založení spalovací vlny v ložisku. V dalším průběhu
těžby se využívají obdobným způsobem jako vtlačné vzduchové sondy.
b) Vtlačné vzduchové sondy, kterými se do ložiska vtláčí vzduch, obsahující kyslík nezbytný
ke spalovacímu procesu.
c) Těžební sondy, kterými se dopravuje ropa na povrch. Tyto sondy jsou zpravidla
mechanizovány (čerpací soupravy). Při bezprostředním ovlivnění sondy spalovací vlnou
obvykle nastává projev samotoku. Přiblížení spalovací vlny je signalizováno růstem
teploty (teplota ropy na ústí až 80°C) a zvyšujícím se obsahem spalin. Po zasažení sondy
spalovací vlnou se sonda odstaví z těžby a po překročení spalovací vlny, které je
provázeno poklesem teploty, se sonda využívá pro vtláčení vzduchu.
SPSKS
Zapálení ložiska a řízení spalovací vlny
Vlastnímu zapálení předchází ohřev přípočvové zóny (např. elektrotělesem) zapalovací sondy
na teplotu cca 1000°C v prostředí bezkyslíkového plynu, např. zemní plyn nebo dusík. Po
vypnutí elektroohřevu, zastavení přívodu bezkyslíkového plynu a jeho úplném odpuštění
z přívodního potrubí se vpustí do zapalovací sondy vzduch. Účinkem vzdušného kyslíku
dojde k zapálení ložiska.
Pokud bylo v procesu ohřevu přípočvové zóny použito metanu (zemní plyn), může se zahájit
vtláčení vzduchu do vyhřáté sondy až po propláchnutí sondy dusíkem, nebo jiným inertním
plynem, aby nedošlo k vytvoření výbušné směsi zemního plynu se vzduchem.
Řízení spalovacího procesu se provádí prostřednictvím vtlačných vzduchových sond změnou
množství vtláčeného vzduchu. Proto je nutné množství vzduchu vtlačeného do ložiska měřit.
Průběh spalování a postupu spalovací vlny se sleduje pozorováním produkce, teploty a
rozboru plynů (spalin) z těžebních sond. Zejména se sleduje obsah CO (oxid uhelnatý) a H2S
(sirovodík).
Rychlost postupu spalovací vlny je závislá na celé řadě veličin. Řádově se však pohybuje
v rozmezí 3 – 6 m za rok.
122
Tok ropy v ložisku se realizuje v důsledku působení kapilárních síl mezi ropou a propustnou
horninou. Pro zvýšení propustnosti hornin se v ložisku provádí odstřel speciálních nábojů,
následkem čehož popraská hornina a zlepší se přítok ropy k těžební sondě. Jindy se do vrtu
zatláčejí kyseliny (kyselinování ložiska), které rozleptávají horniny, a tím se zvyšuje jejich
propustnost a tudíž i přítok ropy k těžební sondě. Pro uhličitanové horniny se používá zředěná
kyselina chlorovodíková, pro křemičitanové horniny se používá směs kyseliny
chlorovodíkové a kyseliny fluorovodíkové. Součástí těchto kapalín jsou i inhibitory koroze,
které chrání kovové části sondy (pažnice, čerpací trubky).
Dále se zkouší v omezené míře vhánění oxidu uhličitého, extrakce ropy super kritickými
tekutinami, naočkování ropného ložiska vhodnými mikroorganismy apod. Mikroorganismy
spotřebovávají některé složky ropy, vytvářejí plyny, které zvyšují tlak v ložisku a kysele
reagují s látkami, které naleptávají horniny.
Těžba podporovaná vtláčením oxidu uhličitého
Progresivní terciérní metody těžby ropy, založené na vhánění oxidu uhličitého jsou komerčně
prověřené a lze je rozdělit na metody, při kterých se CO2 vhání do roponosné vrstvy a
metody, při kterých se CO2 vhání do plynonosné vrstvy. Při vhánění do plynonosné vrstvy
CO2 zvyšuje nebo udržuje tlak v ložisku a působí jako vytěsňovací plyn.
Při vhánění do roponosné vrstvy (obr. 7.20) se CO2 jednak smíchává s ropou, a tím snižuje
její viskozitu, a jednak zvyšuje, nebo alespoň udržuje tlak v ložisku. Udává se, že těmito
způsoby je možné z ložiska získat navíc 10 - 15% ropy. Protože CO2 přednostně mobilizuje
(způsobuje tok) lehčí frakce ropy, mírně se zlepšuje i kvalita vytěžené ropy.
Oxid uhličitý, používaný pro terciérní těžbu ropy, může pocházet z přírodních zdrojů nebo ze
zplyňování fosilních paliv. Většina projektů, které využívali CO2 ke zvýšení těžby ropy,
získávala CO2 z přírodních vrtů nebo ze zemního plynu, který byl vytěžený souběžně s
těžbou ropy. Oxid uhličitý je separovaný z uhlovodíků ze zemního plynu fyzikálním nebo
chemickým (např. roztokem dietanolaminu) propíráním.
SPSKS
Obr. č. 7.20: Schematické znázornění těžby ropy pomocí vhánění oxidu uhličitého
( 1- separátor, 2 – kompresor)
Několik projektů využívá CO2 , který vzniká při spalování fosilních paliv při výrobě
elektrické energie, nebo při zplyňovaní fosilních paliv, kdy se vyrábí metan nebo nějaký
syntetický plyn. V obou případech se CO2 separuje fyzikálním nebo chemickým vypíráním,
123
stlačuje se a dopravuje plynovodem do místa těžby ropy, které může být vzdálené i stovky
kilometrů. S rostoucí vzdáleností mezi zdrojem oxidu uhličitého a místem jeho vtlačování do
ložiska se samozřejmě zvyšují přepravní náklady.
8.
Těžba zemního plynu
Zemní plyn se nachází v čistě plynových ložiskách, plynokondenzátních ložiskách anebo
společně s ropou jako doprovodný plyn. Těžba čistě plynových sond se uskutečňuje
samotokovým (eruptivním) způsobem. Zemní plyn je vzhledem k nízké hustotě dopravován
na ústí sondy ve srovnání s ropou i při relativně nízkém ložiskovém tlaku. Vystrojení plynové
sondy je prakticky shodné s vystrojením ropné samotokové sondy.
8.1
Základní charakteristika a komplikace při těžbě zemního plynu
Specifickým problémem těžby plynových sond je problematika tvorby pevných krystalických
hydrátů a výnosu kapalné fáze (kondenzátu, vody) z ložiska. Problematika pískování
plynových sond je obdobná jako u sond ropných.
Tvorba pevných hydrátů
Při určitých podmínkách (tlak, teplota) a za přítomnosti volné vody může docházet
k vytváření hydrátových zátek přímo v čerpacích trubkách sondy. Tvorbě těchto hydrátových
zátek lze zabránit:
SPSKS
a) volbou vhodného režimu těžby (velikost produkce, tlak, teplota),
b) instalací speciálních vystrojovacích prvků (změna tlakových a teplotních podmínek) –
hlubinná tryska,
c) nástřikem inhibitorů (etanol, glykol), které snižují teplotu tvorby hydrátů.
Výnos kapalné fáze z ložiska
Pokud je spolu s plynem dopravována do sondy kapalná fáze, musí být rychlost proudění
v čerpacích trubkách natolik veliká, aby docházelo k výnosu kapalných částeček na povrch
sondy. V případě nedostatečné rychlosti dochází ke shromažďování kapaliny v sondě a
vytvořením dostatečně vysokého sloupce kapaliny může nastat umrtvení sondy.
Kapalná fáze se do sondy dostává buď strháváním kapaliny (např. ložiskové vody) proudícím
plynem z vrstvy, nebo kondenzací par kapaliny v důsledku poklesu teploty. Zvláštním
případem vytváření kapalné fáze uhlovodíků je tzv. retrográdní kondenzace (kondenzace za
sníženého tlaku), která hraje důležitou roli při těžbě plynových ložisek kondenzátního typu.
Problematika pískování sond
Při činnosti plynových sond (i ropných), které těží plyn z vrstvy z nezpevněných písků, proudí
do sondy spolu s těženou kapalinou nebo plynem i značné množství písku. Pokud nejsou
vytvořeny podmínky (dostatečná rychlost proudění) pro vynášení částic písku na povrch
sondy, bude se písek usazovat na dně sondy a vytvoří pískovou zátku, která postupně přeruší
přístup media z vrstvy do sondy. Průvodním znakem tvoření zátek může být osednutí
podzemního zařízení.
124
V případě výnosu písku ze sondy na její povrch, tedy do povrchového zařízení, projevuje se
písek negativně abrazivním účinkem na zařízení i jeho pohyblivé části (hlubinné plunžerové
čerpadlo při těžbě ropy).
SPSKS
Obr. č. 8.1: Aplikace inhibitoru proti tvorbě hydrátů formou hlubinného nástřiku
125
Zábrana pískování sond
Základním opatřením proti pískování je zábrana pronikání písku do sondy spolu
s ložiskovým mediem. Proto se sondy vybavují různými konstrukcemi filtrů, např. dnes
hojně používané tzv. naplavované pískové filtry. V podstatě se jedná o filtry štěrbinové
konstrukce (štěrbiny tvořeny navinutým lichoběžníkovým drátem na perforované trubce), u
kterých se po zapuštění naplaví do prostoru mezikruží vytříděný písek. Velikost (šířka) štěrbin
musí být menší než 0,5 – 0,7 průměru nejmenších zrn naplaveného písku a pohybuje se
zpravidla okolo 0,25 – 0,3 mm. Vlastní naplavení se provádí zvláštním naplavovacím
zařízením. Součástí kolony filtrů je i kontrolní filtr stejné konstrukce, sloužící k identifikaci
naplavení a těsnící hlava filtrů, která uzavírá prostor naplaveného mezikruží.
Podle situování filtrů ve vrtu se rozeznávají filtry zabudované:
1. v zapažené části vrtu (perforace, perforovaná kolona, liner apod.) - „ inside gravel pack“,
2. v nezapažené části vrtu - „open hole gravel pack“.
SPSKS
Obr. č. 8.2: Usazení filtrů v sondě – v zapažené části a v nezapažené části sondy
1 – štěrbinový trubní filtr, 2 – kontrolní filtr, 3 – pata kolony filtrů, 4 – závěs filtrační kolony,
5 – centrátor, 6 – pata technické pažnicové kolony, 7 – štěrkový obsyp, 8 – těžební pažnicová kolona, 9 –
hladina vody v sondě, 10 – čerpací trubky, 11 – technická pažnicová kolona, 12 – cementace technické
pažnicové kolony, 13 – centrátor, 14 – spoje čerpacích trubek, 15 – pakr, 16 – naváděcí objímka
126
Odstraňování pískových zátek
Pokud dojde v průběhu těžby z jakýchkoliv důvodů k vytvoření zátky a případně i k osednutí
zařízení ložiskovou horninou, musí být provedena podzemní oprava sondy. Odstraňování
zátek se provádí:
a) promýváním sondy,
b) lžícováním.
8.2
Vystrojení plynové těžební sondy
Základním podzemním vystrojením plynové sondy jsou čerpací (těžební) trubky – stupačky,
včetně příslušenství (obr. 8.3 a 8.4). K nadzemnímu zařízení patří armatury na ústí sondy
(produkční kříž, trysky, manometry atd.) montované na základní nebo redukční přírubu
těžební kolony.
Typové vystrojení plynové těžební sondy obsahuje – podzemní část:
- stupačková kolona včetně příslušenství (2 3/8“, 2 7/8“, 3 ½“; EU, NU),
- pakry (permanentní, vytažitelné; mechanické, hydraulické),
- zvláštní vystrojovací příslušenství: proplachovací objímka, usazovací vsuvky „XN“ „X“,
naváděcí objímky, permanentní hlubinný manometr, hlubinný nástřik inhibitoru –
směšovací vsuvka,
- protipískové filtry (inside gravel pack, open hole gravel pack).
Nadzemní část tvoří:
- zařízení na ústí: produkční kříž (závěsný stupačkový kužel, vývod pro hlubinný nástřik)
SPSKS
Volba vnitřního průměru stupaček pro těžbu plynu je dána maximální přípustnou tlakovou
ztrátou třením při vertikálním proudění potrubím a minimální průtočnou rychlostí pro výnos
kapaliny. Z přípustné tlakové ztráty při dané produkci (průtočném množství) se určí
minimální přípustný průměr trubek. Z minimální průtočné rychlosti plynu potřebné
k plynulému výnosu kapaliny ze sondy se pro daný průtok stanoví maximální přípustný
průměr stupaček. Příklady vystrojení těžebních plynových sond jsou na obr. 8.3 a 8.4.
8.3
Těžba plynokondenzátních ložisek
O tom, zda se jedná o zvláštní typ tzv. plynokondenzátního ložiska (PK) lze rozhodnout na
základě fázového diagramu směsi plynů, ložiskového tlaku a teploty. Pro pochopení vlastností
PK ložisek je nutné vysvětlení pojmu retrogradní kondenzace.
Retrogradní kondenzace
Při těžbě plynokondenzátního ložiska klesá v průběhu těžby ložiskový tlak při konstantní
teplotě až na hodnotu kritického tlaku, při kterém začnou uhlovodíky v ložisku kondenzovat.
Dalším poklesem tlaku zpočátku přibývá kapalné fáze (uhlovodíkového kondenzátu) a ubývá
plynné fáze až do určitého maxima. Dalším poklesem tlaku se naopak (retrogradně) začne
množství kapalné fáze zmenšovat a plynné přibývat. Po dosažení určitého tlaku již další
pokles nemá vliv na změnu fáze a zůstává směs uhlovodíků trvale v plynném skupenství.
Ve výše uvedeném případě se hovoří o retrogradní kondenzaci I. typu. Obdobný proces však
nastává i při změně teploty za konstantního tlaku. V tomto případě proces se nazývá
retrogradní kondenzací II. typu.
127
SPSKS
Obr. č. 8.3: Ukázka vystrojení těžební plynové sondy.
128
SPSKS
Obr. č. 8.4: Ukázka vystrojení těžební plynové sondy
129
V případě kondenzátních ložisek se však, jak bylo uvedeno, uplatňuje kondenzace v důsledku
poklesu tlaku. Uhlovodíkový kondenzát, který kondenzoval v ložisku v důsledku poklesu
tlaku, zůstává v pórech horniny a nelze jej expanzním režimem odtěžit. Vzniklé ztráty tak
představují značné množství kondenzátu (gazolinu), který zůstává v ložisku.
Vytěžitelnost PK ložisek
Vytěžitelnost PK ložisek se všeobecně pohybuje v rozmezí 50 až 55 objemových % z celkové
zásoby plynu a kondenzátu. Přitom koeficient vytěžitelnosti plynu dosahuje 0,85 až 0,90. Je
tedy zřejmé, že rozhodující význam pro zvýšení vytěžitelnosti uhlovodíků u PK ložisek má
zvýšení vytěžitelnosti kondenzátu.
Metody zvýšení vytěžitelnosti kondenzátu
Principiálně lze zvýšit vytěžitelnost kondenzátu několika způsoby. V podstatě se však jedná o
metody udržování ložiskového tlaku:
- zatláčení lehkých uhlovodíků (etan, propan),
- kombinace uvedených metod.
Udržování ložiskového tlaku
Udržování ložiskového tlaku lze uskutečňovat vtláčením vody nebo plynů. V USA a Kanadě
je značně rozšířený tzv. cycling-proces, tj. udržování tlaku zpětným vtláčením suchého plynu
do ložiska. V případě nenasyceného PK ložiska se až do tlaku nasycení provádí těžba
expanzí, tedy bez udržování tlaku. Zvláštním případem jsou PK ložiska, u kterých se
předpokládá s jejich využitím pro následné podzemní skladování plynu.
SPSKS
9.
Účinky těžby ropy a zemního plynu na životní prostředí
9.1
Možné vlivy vrtných pracovišť na okolní životní prostředí
Vlastní běžný provoz vrtného pracoviště může mít při odborném provádění a dodržování
příslušných předpisů pouze velmi malý a krátkodobý negativní vliv na okolní životní
prostředí. K rozsáhlejšímu ovlivnění by mohlo dojít pouze v případě nepředvídané havárie
velkého rozsahu. Bezpečnosti práce je proto v projektech věnována náležitá pozornost.
Práce při hlubinném vrtání a čerpacích zkouškách se řídí především stávajícími předpisy a
ostatními platnými báňskými a souvisejícími předpisy (vyhlášky, podnikové směrnice,
instrukce, technologické postupy, organizační řád vrtné brigády apod.).
Před zahájením prací je na vrtu prováděna spouštěcí konference. Osádka soupravy musí být
před zahájením prací prokazatelně seznámena s geologickým a technickým projektem,
havarijním plánem a příslušnými bezpečnostními a ekologickými opatřeními.
9.1.1 Popis operací, obsahující průzkumné a těžební vrtání a hodnocení jejich vlivu na
životní prostředí
Vrtné práce, které se sestávají z mnoha dílčích operací, je možno rozčlenit do následujících
podskupin:
a) přípravné práce,
b) stěhování a montáž vrtné soupravy,
130
c) hloubení vrtu,
d) vystrojení vrtu a čerpací zkoušky,
e) dokončovací a závěrečné práce.
Přípravné práce
Při této etapě prací nedochází ke kontaminaci zemin ani povrchových vod vlastní
průzkumnou činností. Lokální komplikace by mohly nastat pouze v důsledku tzv. úkapů nebo
havárie motorových vozidel zabezpečujících výše prováděné operace.
Při realizaci průzkumných vrtů se tedy jedná (zejména v zalesněném terénu) o krátkodobý
zásah do životního prostředí – ovšem takový, který je pro následné dobývání nerostných
surovin nezbytný. Významným trendem při těžební otvírce je usměrněné vrtání (trsové vrty)
z jedné pracovní plochy, případně horizontální provrtávání kolektorských vrstev – opět vrty
z jedné pracovní plochy, který vede ke snížení požadavků na zábor půdy pro pracovní plochy
a ke snížení rizika ohrožení životního prostředí.
Stěhování a montáž vrtné soupravy
Cílem této etapy prací je montáž vrtné soupravy na připravené pracovní ploše. Rovněž u
těchto prací může dojít k lokální kontaminaci okolí pouze v důsledku masivních úkapů resp.
havárie motorových vozidel. Vliv hlučnosti je možno omezit především snížením počtu jízd.
Hloubení vrtů
SPSKS
Výsledkem této etapy je vyhloubení průzkumných, resp. těžebních vrtů. Proces hloubení vrtů
bezprostředně ovlivňuje životní prostředí pouze v blízkém okolí vrtných pracovišť (hluk za
takřka nepřetržitého provozu, osvětlení v noci apod.) a komunikačních cest. Tyto vlivy lze
označit jako nevyhnutelné a prakticky ustávající s ukončením vrtných prací. Dále je zde určité
riziko možné kontaminace povrchových a mělce situovaných podzemních vod, resp. půdy
ropnými produkty používanými na vrtném pracovišti; vrtnými výplachy a uniklými
ložiskovými uhlovodíky v případě erupce.
Vlastní ústí sondy, opatřené produkčním křížem, je umístěno ve „sklepě“ sondy, tedy
v nepropustné, bezodtokové betonové jímce, která nejdříve slouží k zachytávání úkapů
vrtného výplachu při samotném vrtání sondy a později, po odstěhování vrtné soupravy, slouží
k zachytávání případných úkapů ropných látek při vlastní těžební činnosti.
Znečištěné vody ze sklepů sond s obsahem ropných látek a případně i slané ložiskové vody
jsou odváženy ke zpracování do vybraných sběrných středisek (případně odvodňovacích
stanic), kde jsou zbaveny ropných látek a ve většině případů zpětně zatlačeny do vodou
sycené části těžené ložiskové struktury.
Vymezení látek ohrožujících jakost nebo zdravotní nezávadnost vod
Na vrtném pracovišti je nakládáno s látkami, které jsou podle výše citovaných zákonů a
vyhlášek, ohrožujícími jakost či zdravotní nezávadnost vod. Jsou to:
1)
2)
3)
4)
5)
ropné látky a oleje,
chemikálie k úpravě vrtného výplachu,
vrtný výplach,
vrtný odpad,
obaly od použitých aditiv,
131
6) opotřebované oleje,
7) zemina kontaminovaná ropnými látkami.
Místo jejich uložení, včetně manipulačních prostorů a jednotného uspořádání vrtních
pracovišť řeší vnitropodnikové směrnice. Tyto směrnice jsou pak závazné pro všechna vrtná
pracoviště dané organizace.
Pro případ havarijního znečištění jakosti vod je vždy vypracován plán opatření, který
obsahuje zásady postupu v případě havárie. Plán opatření je k dispozici na pracovišti jako
univerzální část projektové dokumentace.
9.1.2 Plán opatření pro případ havarijního zhoršení jakosti vod
Pro případ havarijního zhoršení jakosti vod látkami, které jsou dle vyhlášky MLVH ČSR
6/77, a ve znění dalších vyhlášek o ochraně podzemních a povrchových vod látkami,
ohrožujícími jakost či zdravotní nezávadnost vod je zpracován plán opatření (podle materiálů
MND Hodonín, a.s.).
Plán opatření slouží jako dokument, který se zabývá podmínkami, za kterých lze nakládat
s jednotlivými látkami ohrožujícími jakost či zdravotní nezávadnost vod vždy na konkrétním
pracovišti. Řeší dále způsob a postup při likvidaci případné havárie a odstraňování jejich
škodlivých následků. Tento dokument vychází z plánu opatření pro mobilní soupravy a je
upřesněn pro konkrétní soupravu a pracoviště. Celý dokument je zpracován především
v souladu s příslušnými předpisy.
Vymezení látek ohrožujících jakost nebo zdravotní nezávadnost vod
SPSKS
Na vrtných pracovištích může být nakládáno s látkami ohrožujícími jakost či zdravotní
nezávadnost vod. Jsou to látky uvedené v odstavci 16.1.3.1 Místo jejich uložení na
pracovištích a způsob skladování musí být řešeno tak, aby nemohlo dojít k nežádoucímu
úniku těchto látek a ke znečištění půdy, případně povrchových a podzemních vod, pouze na
zpevněné panelové ploše.
Havarijní zhoršení jakosti vod
V souladu s platnými vyhláškami je za havarijní zhoršení jakosti vod (dále jen „havárie“)
považováno mimořádně závažné zhoršení či ohrožení jakosti vod. Mimořádné závažné
zhoršení jakosti vod je zpravidla náhlé, nepředvídané a projevuje se zejména závadným
zbarvením, zápachem, vytvořením usazenin, tukovým povlakem nebo pěnou, popř.
mimořádným hynutím ryb. Za mimořádné závažné ohrožení jakosti vod se považuje ohrožení
vzniklé neovladatelným vniknutím závadných látek, případně odpadních vod v jakosti nebo
množství, které může způsobit havárii, do prostředí souvisejícího s povrchovou nebo
podzemní vodou. Dále se za mimořádné ohrožení jakosti vod považují případy technických
poruch a závad, které takovému vniknutí předcházejí a případy úniku ropných látek ze
zařízení k jejich zachycování, skladování, dopravě a odkládání.
Za havárii se vždy považují případy zhoršení nebo ohrožení jakosti vod ropnými látkami,
jakož i zhoršení nebo ohrožení jakosti vod v chráněných vodohospodářských oblastech,
v ochranných pásmech nebo ve vodárenských tocích a v jejich povodích.
O havárii nejde v těch případech, kdy vzhledem k rozsahu a místu úniku je vyloučeno
nebezpečí vniknutí závadných látek do povrchových nebo podzemních vod. Taktéž veškeré
úkapy ropných látek jsou ihned likvidovány.
132
Zásady postupu při havarijním úniku látek škodlivých vodám
Přes veškerá citovaná opatření je dle příslušných paragrafů povinností organizace vypracovat
zásady postupu v případě havárie. Aktivní protihavarijní opatření se provádí na místě vzniku
havárie na povrchových vodách a k ochraně podzemních vod.
Hlášení havárie
Každý pracovník, který zjistí havárii nebo provozní nehodu je povinen toto neprodleně
ohlásit svému nadřízenému, případně přímo na dispečink. Zároveň je povinen v rámci
možností okamžitě učinit opatření zamezující šíření znečištění. Dispečer provozu je
zodpovědný za oznámení této události příslušnému vedoucímu oddělení životního prostředí a
vedoucímu oddělení hlubinného vrtání.
Havárii je povinen hlásit původce havárie prostřednictvím vedoucího oddělení životního
prostředí příslušnému referátu životního prostředí orgánu veřejné správy a Báňskému úřadu.
Po dohodě hlásí havárii i dalším zainteresovaným organizacím (příslušnému povodí, ČIŽP,
KHS, obecní úřad). O havárii je nutné sepsat zápis – protokol, který vypracovává havarijní
komise.
Konečná likvidace odpadu při havárii
Veškeré odpady vzniklé při havárii jsou uloženy do kontejnerů o obsahu 1 m3 nebo odčerpány
mobilním přepravním prostředkem (dle rozsahu havárie), dále převezeny dle konkrétní situace
na biodegraci nebo ke smluvnímu odběrateli. O postupu rozhodne dle vzdálenosti místa
havárie vedoucí likvidace havárie.
SPSKS
Prostředky k likvidaci havárie, uvědomovací činnost, kontrola opatření obsažených
v plánu opatření
Na vrtné soupravě je uskladněn k havarijnímu použití v dobrém stavu tento materiál: sorpční
materiál, lopaty, krumpáče, metly březové, vhodné čerpadlo, absorpční koberec. Za
uskladnění a doplňování havarijních prostředků je odpovědný vrtmistr soupravy.
S obsahem plánu opatření jsou prokazatelně seznámeni všichni pracovníci vrtného
pracoviště a na pracovišti je plán opatření k dispozici. Za dodržení opatření uložených v
plánu opatření je zodpovědný vrtmistr soupravy. Kontrola pracovišť je trvale zajišťována
v rámci kontrol pracovišť podle ustanovení báňských předpisů technicko hospodářskými
pracovníky a vedoucím oddělení životního prostředí.
Protokol o havárii
Protokol o havárii vypracovává havarijní komise za vedení vedoucího likvidace havárie.
Protokol o havárii musí být vypracován do dvou dnů po ukončení šetření havárie.
9.2
Těžební sondy
Pro vlastní těžbu ropy a plynu slouží těžební (provozní) sondy. Sondy jsou odvrtávány
samostatně z vlastní pracovní plochy nebo jsou sdružovány v tzv. trsech, kdy z jedné pracovní
plochy je odvrtáno několik sond.
Pracovní plocha kolem sondy, vybudovaná ze železobetonových silničních panelů (viz kap.
9.1), sloužící původně jako pracovní plocha pro vrtnou soupravu, je vyspádována do sklepa
133
sondy tak, aby umožňovala zachytávání stékající dešťové vody. Voda ze sklepa je dle potřeby
vyčerpávána do mobilního přepravního zařízení a odvážena k likvidaci na příslušné
pracoviště.
9.2.1 Technologická část u těžebních sond s aplikací mechanizované těžby ropy
Základní sestava nadzemního zařízení je odlišná podle těžebních kapacit sond. U sond
s malou vydatností těžby je ropa po akumulaci určitého množství odvážena autocisternou.
Ostatní sondy jsou napojeny ropnými přípojkami na sběrná ropná střediska. Obvyklou sestavu
těžební sondy tvoří:
-
produkční kříž s čerpacím (těžebním) kozlíkem,
ropná přípojka (do skladovací nádrže nebo ke sběrnému naftovému středisku),
nádrž na skladování ropy,
elektrická přípojka.
Produkční kříž je soustava vysokotlakých armatur, kterými se ovládá těžba ropy ze sondy.
Produkční kříž je umístěn nad sklepem sondy. Zařízení na ústí sond pro čerpadlovou těžbu se
skládá ze tří samostatných částí – závěsné příruby, ucpávkové hlavy a ucpávkové tyče. Dle
potřeby může být na ústí čerpadlové sondy namontován tzv. ochoz, to je trubkový vývod
z mezikruží propojený s vývodem kapaliny z čerpacích trubek a umožňující regulované
odplyňování z mezikruží a v případě trvalejšího samotoku dané sondy i možnost regulace přes
vloženou trysku. Za doplňkové, ale neméně důležité zařízení lze považovat vývod trubky
z mezikruží pro záměry hladin v sondě sonologem a přípravek pod závěs ucpávkové hlavy
pro měření účinnosti hlubinného čerpadla dynamometrem. Zařízení na ústí sondy vystrojené
tzv. vřetenovým čerpadlem je uvedeno na obr. č. 9.1.
SPSKS
134
SPSKS
Obr. č. 9.1: Zařízení na ústí sondy vystrojené tzv. vřetenovým čerpadlem
135
9.2.2 Technologická část u těžebních sond těžících samotokem
Obvyklá technologická část zařízení na povrchu je tvořena produkčním (erupčním) křížem,
ropnou resp. plynovou a elektrickou přípojkou. Při hloubení těžebních vrtů a při následné
výstavbě, resp. úpravách povrchového zařízení je nutno vycházet zejména ze zákonů a
vyhlášek týkajících se životního prostředí a příslušných norem.
9.2.3 Možné vlivy provozu těžebních sond na okolní životní prostředí
Na ložiskách uhlovodíků by teoreticky mohlo docházet na těžebních sondách k úniku těžené
kapaliny z následujících zdrojů:
-
netěsnosti vlastního stvolu vrtu,
netěsnosti produkčního kříže,
přetoku (vyplavení) úkapů ze sklepa sondy,
prasknutí ropné přípojky, resp. poškození uzavíracích armatur,
při přečerpávání ropy do autocisterny,
poškození nádrže a havarijní jímky,
operace při podzemních opravách sond.
Proti možným lokálním únikům z uskladňovací nádrže jsou přijata následující opatření.
Zabezpečení nádrže proti přeplnění dle ČSN 65 0201 je zajištěno signalizací maximální
hladiny (plovák, výstražné barevné značky) a denní kontrolou obsluhou. Obsluha zajišťuje
odvoz ropy, jakmile objem ropy v nádrži dosáhne 75 % objemu nádrže. Před účinky
slunečního záření jsou nádrže chráněny antireflexním nátěrem. Pro případ úniku ropných
látek je vypracován plán havarijního opatření, který musí být schválen příslušným referátem
životního prostředí.
SPSKS
Operace při podzemních opravách sond
V případě některých podzemních oprav je zapotřebí ze sondy vytáhnout tzv. stupačky (těžební
trubky). Při tažení stupaček je nutno užívat kvalitní stírací objímku, která s povrchu trubek
setře ulpělé zbytky ropy. Netěsná objímka neplní svou funkci a zbytky ropy by mohly při
manipulaci s trubkami (ukládání na ocelové podpěry se sklonem) stékat na panelovou plochu
v okolí sondy. Pod konce uskladňovaných stupaček je tedy nutno umístit ocelové záchytné
nádoby na případné úkapy ropy (podrobněji viz kap. 9.2.7).
Vzhledem k malým úkapovým množstvím se předpokládá jejich likvidace na pracovní
panelové ploše. Při těžební činnosti nevznikají (při použité technologii) žádné další druhy
odpadu, které by mohly být zdroji případné kontaminace okolního horninového prostředí.
9.2.4 Sběrný systém a úprava ropy a zemního plynu
Těžené kapalné a plynné uhlovodíky jsou základní surovinou, kterou je nutno pro další
využití upravit a dále zpracovat. Základním cílem prvotních úprav, které se realizují ve
většině případů ve sběrných naftových střediscích (SNS) resp. na odvodňovací stanici, je
dosáhnout potřebnou kvalitu ropy dle technických dodacích podmínek před její expedicí
k dalšímu zpracování do rafinérií.
Celý proces úpravy ropy včetně jejího transportu z ložiska až do expedičních nádrží probíhá
v hermeticky uzavřeném systému. Pro jeho výstavbu i provozování platí zvláštní předpisy.
136
Uvažovaná životnost ropných přípojek ze sklolaminátu je minimálně 50 let. Těsnost potrubí
se prověřuje jednak měřením tlakových ztrát při přepravě ropné kapaliny a jednak vizuálně
pochůzkou po trase potrubí 1 x za 14 dní. Těsnost a pevnost je prověřována 1 x za 6 měsíců
tlakovou zkouškou jmenovitým tlakem potrubí.
V souběhu s potrubními přípojkami mohou být vedeny silové kabely k vrátkům škrabáků a
osvětlení ploch trsů a optický kabel pro přenos dat od těžebních sond do řídící kabiny v SNS
umístěné v umělohmotné chráničce.
9.2.5 Technologický proces úpravy vytěžené ropné kapaliny
Technologické zařízení pro těžbu, sběr a prvotní úpravu ropy a doprovodného zemního plynu
je navrhováno v takovém provedení, aby dokázalo těženou surovinu efektivně zpracovávat ve
všech fázích těžby ložiska, aniž by mohlo dojít k poškozování životního prostředí nebo
snížení kvality úpravy produkované ropy a zemního plynu.
Od ústí těžebních sond je ropná kapalina dopravována samostatnými potrubními přípojkami
(nebo autocisternou) do provozního celku sběrného naftového střediska (SNS). Zde se za
postupného snižování tlaku a působením teploty a povrchově aktivních látek (PAL) rozdělí na
plyn, ropu a ložiskovou vodu.
Doprovodný zemní plyn, oddělený z ropné kapaliny postupným snižováním tlaku v rámci
třístupňové separace je po vysušení (sušení trietylenglykolem) a zbavení nežádoucích příměsí
přednostně spotřebováván v procesu těžby a úpravy ropy a zemního plynu a jeho případné
přebytky jsou dodávány expedičním plynovodem do distribuční sítě nebo mohou být vtláčeny
do plynové části ložiskové struktury.
Odplyněná a odvodněná ropa je shromažďována ve velkoobjemových dvouplášťových
nádržích, odkud je přečerpávána propojovacím ropovodem do stáčecího místa, kde je stáčena
do železničních vagónů.
Ložisková voda, oddělená z ropné kapaliny v procesu odvodnění ropy (klasifikovaná jako
důlní voda) je vtláčena zpět do vodou nasycené části ložiska. Množství separované a
následně zatláčené ložiskové vody se v průběhu těžby ložiska mění v závislosti na zvyšujícím
se zavodnění produkce těžebních sond.
SPSKS
9.2.6 Možné vlivy provozu pomocných měřicích středisek a sběrných naftových
středisek na okolní životní prostředí
Na provozovaných pomocných měřicích střediscích a (SNS) může docházet k únikům ropy a
odseparované ložiskové vody při následujících činnostech:
a)
b)
c)
d)
e)
doprava ropy sběrným potrubím,
čerpání ropy,
úprava ropy,
úprava ložiskové vody,
skladování ropy.
Před analýzou možných vlivů na životní prostředí, které se mohou vyskytnout při dalším
provozu a případné likvidaci popisované technologie je vždy nutno stanovit míru staré zátěže
horninového prostředí danou předchozím provozem. Tyto údaje jsou pro další posuzování
bezpečnosti provozu bezpodmínečně nutné, neboť bez určení stupně stávající kontaminace
nelze stanovit, kdy ke znečištění docházelo.
137
Doprava ropy sběrným potrubím
Z hlediska možných úniků ropy jsou potrubní přípojky ze sond nejproblematičtějším místem
a jejich zabezpečení z protihavarijního hlediska je velmi obtížné. Poškození potrubí by mohlo
být příčinou rozsáhlejší kontaminace bližšího okolí. Určitým řešením tohoto problému je
náhrada ocelových trubních systémů sklolaminátovými trubkami, které nepodléhají korozi.
Důraz je zde nutno klást na pravidelnou kontrolní činnost. Použitý trubní materiál je
dokladován atesty o provedených zkouškách v rozsahu stanoveném technologickými
normami. Prospěšné je vybudování systému mělkých monitorovacích vrtů pro sledování
možné kontaminace podzemních vod.
Z uskladňovacích nádrží je ropa podzemním potrubním rozvodem vedena na železniční
vlečky, kde je stáčena do železničních cisteren. Závitové a přírubové spoje produktovodu
jsou umístěny v betonových šachtách, které mají záchytný prostor dimenzován tak, aby
zachytil obsah určitého úseku potrubí v případě poruchy těsnosti.
Možné úniky musí být kontrolovány vizuální prohlídkou šachet a dále jsou prováděny
pravidelné zkoušky těsnosti. Pro trubní rozvody vedení v areálu SNS v zemi platí stejné
zásady jako pro produktovody. Armatury na povrchu jsou pravidelně kontrolovány. Poruchy
funkčnosti (netěsnosti) jsou vizuálně snadno zjistitelné a odstranitelné. Únik ropné emulze by
byl ihned přerušen uzavřením jiných armatur. Ke kontaminaci by mohlo dojít jen v blízkém
okolí armatur a rozvodů.
Úprava ropy
Ropa ve sběrném středisku prochází třemi základními stupni úpravy. Ve všech může dojít
k úniku ropy.
Porušení funkčnosti ohřevu (kotlíku) - k porušení funkčnosti ohřevu v kotlíku může dojít
poruchou termoregulátoru, nedostatečnou kapalinovou náplní ohřevu (dietylénglykolu) v lázni
kotlíku, resp. špatnou plynotěsností zařízení. Kontrola těchto zařízení je proto prováděna
periodicky (1x za 8 hodin, resp. 1x za 24 hodin). I v případě jejich poruch však nedochází
k úniku ropné emulze mimo kotlík. Záchytná plocha pod ohřevem je nepropustná,
dimenzovaná na plný objem ohřevu.
Separace ropy - separátory jsou umístěny v havarijních betonových jímkách. Uniklá ropa
může být z jímek přečerpána zpět do procesu úpravy. Ke znečistění plochy sběrného střediska
ani okolí tedy nedochází.
Deemulzace ropy - deemulzátory jsou rovněž umístěny v havarijních betonových jímkách a
situace je stejná jako u separace.
SPSKS
Úprava ložiskové vody
Ložisková voda vytěžená společně s ropou je odlučována v horizontálních separátorech a
deemulzátorech a dále je shromažďována v sestavě sedimentačních nádrží, kde dochází
k další gravitační separaci zbytků ropy a pevných nečistot. Odloučená ropa je vrácena zpět do
technologického procesu, pevné sedimenty jsou vyváženy na skládku. Zbylá voda je zatláčena
zpět do určených sond. Výše uvedenou úpravou prochází rovněž srážková voda zachycená ve
sklepech sond.
Možné úniky ložiskové vody mohou nastat při poruše přepravního potrubí nebo při poruše
plovákových spínačů čerpadel zabezpečujících přečerpávání vody z jednotlivých nádrží.
Porucha přečerpávání je vizuálně snadno zjistitelná, uniklé množství vody by nebylo velké a
znečistění by bylo řešeno v rámci sběrného střediska.
138
Při provozu je nutno klást důraz na pravidelnou kontrolní činnost – provádění zkoušek
těsnosti (ověřování provozní spolehlivosti produktovodů). Poškození potrubí by totiž mohlo
být příčinou rozsáhlejší kontaminace zemin v bližším okolí.
Čerpání ropy
Provozovaná čerpadla zabezpečují expedici ropy, nástřik povrchově aktivních látek před
deemulzátory a zatlačení ložiskové vody. Čerpadla jsou umístěna v samostatném zděném
objektu - čerpací stanici, jejíž podlaha je zajištěná proti vsakování ropných látek. Zachycení
možných úkapů je řešeno pomocí přenosných kovových van. Ke znečistění okolí čerpací
stanice při běžném provozu nedochází.
Skladování ropy
Upravená ropa je před expedicí skladována ve skladovacích nádržích, které jsou umístěny
v betonové havarijní jímce. Ta zabezpečuje zachycení úniku ropy v případě přeplnění
(porucha signalizace) nebo při poškození pláště nádrže. Proti přetečení je havarijní jímka
upravená tak, aby ropa z ní byla přečerpávána expedičním potrubím. Ke znečištění sběrného
střediska ani okolí nedochází.
9.2.7 Podzemní opravy sond
Všechny práce spojené s opravou nebo výměnou podzemního zařízení sondy, čištění sondy a
všechny práce spojené se změnou způsobu těžby se označují jako podzemní opravy sond. Ve
smyslu bezpečnostních předpisů a náročnosti prováděných prací se podzemní opravy sond
(POS) rozdělují na běžné a složité.
SPSKS
Mezi běžné podzemní opravy patří:
-
odstraňování pískových zátek,
deparafinace sondy,
výměna čerpacích trubek a čerpacích tyčí (táhlic),
výměna hlubinných čerpadel resp. jednotlivých dílů,
likvidace utržených čerpacích tyčí.
Mezi složité opravy jsou zařazeny:
-
přechod na nový obzor,
práce spojené s odstraněním poruch pažnicových kolon (zlom, zmáčknutí),
izolační práce,
práce spojené s chytáním utržených trubek, nářadí a cizích předmětů v sondě,
výměna protipískového filtru,
havarijní práce a ostatní činnost vyžadující speciální nářadí a materiál.
Všechny složité opravy sond patří do kategorie generálních oprav, které svým výsledkem
rozhodují o existenci sondy.
139
9.3
Metody průzkumu kontaminovaných lokalit
Průzkum bývalých těžebních potenciálně kontaminovaných lokalit má svá specifika oproti
běžně prováděným inženýrskogeologickým a hydrogeologickým průzkumům. Jedná se
zejména o následující čtyři aspekty:
• rychlost prováděných prací – kontaminace prostředí není statický systém, mění se v čase a
výsledky průzkumu platí pouze pro určité časové období. Tento aspekt vystupuje do
popředí zejména v případě ropných havárií, kdy je rozsah kontaminace dán rychlostí
provedení následných sanačních prací,
• bezpečnost prováděných prací – okolní prostředí může být kontaminováno zdraví
škodlivou nebo jinak nebezpečnou látkou (hořlaviny, výbušniny apod.). Při provádění
průzkumu je proto nutné dodržovat všechny potřebné bezpečnostní a hygienické předpisy,
• rizikovost prováděných prací – nesprávně provedený průzkum, chybná volba průzkumných
metod, jejich rozsahu a lokalizace může způsobit nárůst škod např. plošným nebo
hloubkovým rozvlečením kontaminace (porušení nepropustných vrstev – propojení zvodní
atd.),
• multidisciplinární přístup při provádění a vyhodnocování průzkumných prací. Odborné
řešení vyžaduje účast hydrogeologů, geofyziků, inženýrských geologů, geobotaniků resp.
dalších geologických specializací.
SPSKS
Cílem průzkumu kontaminace je určit:
a) kontaminující látku, její chemické, fyzikální a toxikologické vlastnosti a hygienické
dopady,
b) zdroj kontaminace a jeho druh (jednorázová, dlouhodobá, bodová, liniová, plošná
kontaminace) a způsob kontaminace prostředí,
c) velikost a míru znečištění – plošný a hloubkový rozsah znečištění, množství
kontaminujících látek v horninovém prostředí a podzemní vodě, koncentrace škodlivin
v centru a na okraji kontaminačního mraku a hodnoty pozadí v dané lokalitě (vše
v saturované i nesaturované zóně),
d) uplatňující se migrační parametry, směr a rychlost šíření kontaminace a další
charakteristiky znečištěného prostředí důležité pro další rozhodování (propustnost,
pórovitost, zrnitost, obsah organických látek, základní chemismus a fyzikální
charakteristiky kontaminovaných vod apod.),
e) historii znečištění a jeho časový vývoj (obvykle velmi obtížně zjistitelné informace, avšak
velmi důležité pro posouzení nebezpečnosti dnešního stavu znečištění),
f) zhodnocení ohrožených objektů šířením kontaminace (vodárenské studny, domovní
studny, vodní toky a prameny, významné zvodně kvalitních podzemních vod) a míra jejich
ohrožení (tzn., kdy dojde k jejich zasažení a jaké koncentrace kontaminantu v nich lze
čekat),
140
g) posouzení potřeby a způsobu sanace, stanovení cílových parametrů únosných v daném
území s ohledem na jeho současné a budoucí využití (obytná, rekreační, průmyslová zóna).
Průzkum kontaminace prostředí lze rozčlenit na tři hlavní části:
1) průzkum zdroje kontaminace,
2) průzkum znečištění nesaturované zóny (horninového prostředí a půdní atmosféry nad
hladinou podzemní vody),
3) průzkum znečištění saturované zóny (podzemní vody a horninového prostředí pod
hladinou podzemní vody).
Vlastnímu průzkumu ještě předchází tzv. předprůzkumná etapa zahrnující vymezení a
definování problému včetně shromáždění vstupních informací.
Vstupní informace se zjišťují z archivních a mapových materiálů a z úvodní terénní
rekognoskace:
a) potenciální zdroje znečištění v dané oblasti,
b) spektrum možných kontaminantů,
c) vlastnosti a hygienická závadnost potenciálních kontaminantů a jejich chování
v geologickém prostředí,
d) orientační množství uniklých kontaminantů,
e) geologická stavba a hydrogeologické poměry zájmové lokality a její vodohospodářský
význam,
f) objekty v okolí, které mohou být ohroženy.
SPSKS
Ad 1) průzkum zdroje kontaminace zahrnuje:
- jeho věrohodné určení, v případě více zdrojů znečištění, je nutno nalézt všechny zdroje,
- zjištění způsobu úniku kontaminace do okolí, případně množství uniklého kontaminantu,
- nalezení způsobu zamezení dalšího znečišťování a jeho realizace.
Ad 2) průzkum nesaturované zóny obsahuje:
- stanovení druhů znečišťujících látek a jejich chování v nesaturované zóně,
- množství a koncentrace zjištěných kontaminantů v horninách a půdním vzduchu,
prostorové rozložení koncentrace,
- petrografický charakter prostředí a hydraulické vlastnosti hornin a zemin,
- struktura geologického prostředí (identifikace jednotlivých poloh, významných rozhraní,
tektonických prvků apod.).
Ad 3) průzkum saturované zóny se zaměřuje především na:
- geometrii zkoumaného hydrogeologického prostředí (tj. vymezení hydrogeologických
kolektorů, poloizolátorů a izolátorů),
- hydraulické charakteristiky kolektorů a izolátorů, event. okrajové podmínky,
- hloubka hladiny první zvodně, směr a rychlost proudění podzemní vody ve zvodni,
- piezometrická úroveň hladin podzemní vody hlubších zvodní, směry a rychlost proudění
podzemní vody včetně určení vertikální složky proudění,
141
- režim proudění podzemních vod v daném místě (tj. místa infiltrace, oběhu, akumulace a
drenáže), souvislost s povrchovými vodami,
- využití podzemních vod v okolí,
- kvalitativní spektrum kontaminujících látek a jejich chování v saturované zóně,
- množství a koncentrace polutantů v podzemní vodě a případně i ve volné fázi v úrovni
hladiny, pod hladinou nebo na bázi kolektoru případně sorbovaných na povrchu horniny
pod hladinou podzemní vody,
- prostorové rozložení koncentrací v saturované zóně.
9.3.1 Průzkum nesaturované zóny
Nenasycená zóna (také zóna aerace) je mezi hladinou podzemní vody a povrchem terénu.
Póry jsou v ní zcela nebo částečně vyplněny vzduchem. Do nenasycené zóny se také někdy
zahrnuje kapilární třáseň, která se rozkládá nad hladinou podzemní vody a ve které jsou póry
zcela vyplněny vodou. Na rozdíl od nasycené zóny pod hladinou podzemní vody má však
voda v kapilární třásni negativní tlakovou výšku a nemůže být vzorkována piezometrem.
K průzkumu nesaturované zóny jsou využívány následující metody.
Sondážní metody
Sondážní metody zahrnují ruční sondáž (zarážecí sondy, ruční rotační vrtání), penetrační
sondy a klasickou strojní vrtnou sondáž. Používají se pro získání vrtného profilu, vzorků
zemin pro různé účely, vzorků půdního vzduchu. Ve vhodném prostředí nebo po vystrojení
mohou sloužit i dlouhodobě jako indikační vrty, např. pro sledování kvality půdního vzduchu.
Při průzkumu látek těkavého charakteru je nutné vzít v úvahu zahřívání horninového prostředí
některými vrtnými technologiemi (zvláště při rotačním a rotačně příklepném vrtání). Obdobně
je třeba volit způsob hloubení vrtu při potřebě odběru neporušených nebo poloporušených
vzorků hornin (vrtání bez výplachu tzv. vrtání „na sucho“, vibrační vrtání).
SPSKS
Hydraulické metody
Hydraulické metody slouží k získání hydrofyzikálních parametrů hornin nesaturované zóny.
In situ jsou prováděny nálevové zkoušky, na vzorcích hornin mohou být hydraulické
parametry studovány v hydraulické laboratoři (propustoměry). Ventingovými zkouškami je
zjišťována permeabilita prostředí pro vzduch, což je nezbytná informace pro úvahy o sanaci
těkavých kontaminantů v nesaturované zóně ventingem. Omezujícími faktory těchto metod je
především nehomogenita zkoumané nesaturované zóny jak v ploše, tak ve vertikálním směru.
Problematický bývá i odběr neporušených vzorků pro laboratorní zkoušky.
Geofyzikální metody
Jde o velmi široce používané metody průzkumu. Jejich použití je poměrně levné, jde však o
metody nepřímé, proto je nutné jejich výsledky korelovat s výsledky přímých metod (analýzy
vzorků apod.). Nejrozšířenější jsou především geoelektrické metody (zejména odporové
profilování), pomocí nichž se mapují puklinové zóny a další preferenční cesty šíření
kontaminantu, báze skalního podloží, případně i změny elektrické vodivosti charakteristické
pro některé kontaminanty. Značnou výhodou těchto metod průzkumu je jejich relativně nízká
cena za jednotku interpretované informace, dostupnost přístrojového vybavení a časová
nenáročnost provádění měření. Jejich použití je omezeno v prostředí s mnoha elektrickými
vodiči (elektrická vedení, kabely, kovová potrubí, železné konstrukce apod.). Měření také
142
z velké míry omezuje nepřístupnost (porosty) nebo velká členitost terénu. Velmi užitečné
bývají seizmické metody, pomocí nichž lze zjistit bázi skalního podloží pod kvartérním
pokryvem, široké rozpukané zóny působící jako preferenční cesty šíření kontaminace apod.
Pokud není nutný velký hloubkový dosah (cca do 4 až 5 m), je výhodné použití zemního
radaru – např. na odhalování mělkých podzemních nádrží a dalších prostor.
Atmogeochemické metody
Atmogeochemické metody prezentují odběr definovaných vzorků půdního vzduchu a
stanovování škodlivin těkavého charakteru (především těkavých uhlovodíků, např. ropných
nebo chlorovaných), které do půdního vzduchu přešly buď primárně (tj. odtěkáním
kontaminantu prosakujícího nesaturovanou zónou) nebo sekundárně (tj. odtěkáním
kontaminantu již transportovaného podzemní vodou). Podle druhu analýz vzorků půdního
vzduchu se atmogeochemické metody člení na neselektivní, semiselektivní a selektivní
(analýza vzdušnin za použití plynového chromatografu). Součástí správně provedeného
atmogeochemického průzkumu je selektivní stanovení látek aspoň v části vzorků a navíc i
analýzy vzorků zemin pro potřeby korelace. Atmogeochemické vzorky půdního vzduchu se
odebírají z průzkumných sond pomocí vzduchového čerpadla. Sonda musí být dostatečně
utěsněna proti vnikání atmosférického vzduchu a odběr vzduchu by měl být zonální, tzn., že
by měl reprezentovat určitý hloubkový úsek sondy. Analýzy půdního vzduchu mohou přispět
k mapování míst a směrů propustných zón v nesaturované zóně (kterými se i těkavé látky
v plynné formě šíří rychleji). Jde o metody velmi rychlé a relativně levné, proto se s oblibou
používají pro úvodní screening znečištění, např. v případě různých havárií, při řízení těžby
kontaminovaných zemin atd.
SPSKS
Dálkový průzkum a geobotanický průzkum
Při řešení průzkumných úkolů na větší ploše se s úspěchem používají metody dálkového
průzkumu, především leteckého snímkování terénu v různých měřítcích a spektrech,
užitečné jsou stereoskopické snímky. Metody dálkového průzkumu je vhodné použít, pokud
kontaminace prostředí souvisí s morfologií povrchu (např. mapování starých skládek na velké
ploše území, identifikace různých ploch se zahrnutými odpady a další umělé zemní práce,
které jsou dálkovým průzkumem velmi snadno odhalitelné). Metodami dálkového průzkumu
lze odhalit i zdravotní stav rostlinného pokryvu. U dlouhotrvajících znečištění je velmi účelné
geobotanické posouzení, které má dva hlavní aspekty:
• zjištění zdravotního stavu rostlin v návaznosti na možné ovlivnění kontaminující látkou
(např. prostřednictvím vody využívané kořeny rostlin); toto ovlivnění může být pozitivní
(např. nápadně bujný růst) nebo negativní (očividné chřadnutí nebo odumírání rostlin),
• rozbor vyskytujících se druhů rostlin a rostlinných společenstev (mizení druhů citlivých
na výskyt daného kontaminantu a jejich nahrazování druhy jinými, kterým určitá
kontaminace nevadí nebo dokonce prospívá – např. tzv. oleofilní druhy rostlin schopné
využívat ropné látky).
Důležitým úkolem geobotanika je eliminovat ostatní možné vlivy na posuzované rostliny a
rostlinná společenstva (kterých může být velké množství) a rozpoznat pouze vliv
kontaminace, jež je předmětem průzkumu. Zde je výhodné spojení dálkového a
geobotanického průzkumu.
143
9.3.2 Průzkum saturované zóny
Pro průzkum saturované zóny jsou využívány především následující metody.
Sondážní metody
V naprosté většině se používají různé strojní vrtné technologie (vrtání jádrové, rotačně
příklepové, náběrné, šnekové, vibrační, drapákové). Hydrogeologické průzkumné vrty slouží
pro odběry zeminových vzorků a vzorků vod, pro zjišťování hydraulických parametrů
prostředí, dlouhodobě slouží jako monitorovací nebo sanačně-monitorovací objekty.
Parametry vrtu (tzn. hloubka, vrtný průměr, použitá vrtná technologie, způsob vystrojení vrtu,
interval perforace výstroje) se odvíjejí od charakteru geologického prostředí a vlastností
kontaminantu. Na správném provedení vrtu závisí možnost jeho dlouhodobého využívání a
věrohodnost vzorků vody, které se z něho budou odebírat (tj. zda dostatečně reprezentují
vzorkované prostředí).
Hydraulické metody
K přesnému nebo orientačnímu určování hydraulických parametrů prostředí slouží různé
hydrodynamické zkoušky, nejčastěji čerpací a stoupací zkoušky, někdy se používají zkoušky
nálevové, vtláčecí apod. Pro účely kontaminační hydrogeologie je důležité stanovení
základních hydraulických parametrů – koeficientu filtrace kf, koeficientu transmisivity T,
koeficientu storativity S (případně efektivní pórovitosti ef), pro návrh sanačního zásahu jsou
důležité využitelné a specifické vydatnosti, dosahy depresí apod. Získané údaje často slouží
jako vstupní hodnoty pro modelová řešení.
SPSKS
Geofyzikální metody
Podobně jako v nesaturované zóně lze geofyzikální metody s úspěchem použít i pro průzkum
v saturované zóně. Nejobvyklejší jsou geoelektrické metody, kterých se využívá pro
zjišťování poruchových zón a dalších preferenčních cest proudění podzemní vody a šíření
kontaminantu. Jejich použití je omezeno v územích s kovovými materiály (elektrická vedení,
kabely, železné a železobetonové konstrukce, kovová potrubí apod.). Obtížněji použitelné
jsou i v prostředí s málo odlišnými odporovými charakteristikami hornin. Seizmické metody
jsou používané pro zjišťování důležitých horninových rozhraní (báze skalního podloží,
rozhraní vrstev s odlišnou rychlostí šíření seizmických vln), případně větších poruchových
zón jako preferenčních cest šíření kontaminantu. V hlubším hydrogeologickém vrtu je vhodné
využít karotážních metod, které nám mohou odhalit vertikální stratifikaci kontaminantu
v kolektoru, určit přítoková nebo ztrátová místa podzemní vody ve vrtu a další charakteristiky
proudění vody (např. vertikální složka proudění, rychlost toku apod.).
Při tomto průzkumu je nutné určit distribuci organických kontaminantů mezi jednotlivými
fázemi a rozsah kontaminace. Klíčovou roli zde hraje lokalizace volné fáze (jako reziduální
koncentrace i jako souvislé akumulace) a to jak v nesaturované, tak i v saturované zóně.
K tomu přistupuje vymezení mraku rozpuštěné kontaminace a adsorbované kontaminace
v saturované zóně a také mraku kontaminovaného vzduchu v nesaturované zóně.
144
9.4
Klasifikace lokalit z hlediska ohrožení životního prostředí
Všeobecně je pro klasifikaci lokalit z hlediska ohrožení životního prostředí vhodné používat
následující stavebnicový model, zahrnující pět samostatných, avšak navzájem navazujících
etap.
I. etapa
Výběr dostupných dat z již existujících dokumentů zohledňujících technické a technologické
parametry lokality a aktivity na ní realizované a jejím okolí s důrazem na aktivity citlivé na
interakci s případnými úniky polutantů. Obecně je lze definovat jako oblasti lidské činnosti a
sféry životního prostředí se zvýšenou citlivostí na negativní změny v životním prostředí. Jako
příklad lze uvést zdroje pitné vody, urbanizační plány obcí atd., nezbytným dokladem je
seznam registrovaných a předpokládaných ekologických havárií, které mohly již v minulosti
degradovat kvalitu životního prostředí. Poznání a dokumentace výše uvedených parametrů je
nezbytná pro ekonomicky efektivní návrh následných průzkumných prací.
II. etapa
Etapa obsahuje realizaci dvoufázové průzkumné studie s možností ukončení po první fázi
v případě získání dostatečného množství informací k provedení jednoduchého hodnocení rizik
ve III. etapě.
1) Fáze A: (orientační průzkum)
SPSKS
V této fázi nutné provést podrobnou prohlídku lokality za účelem aktualizace veškerých
poznatků získaných v I. etapě. Prohlídka může v případě nutnosti verifikovat již získaná data,
doplněná o odběr vzorků zemin, podzemních a povrchových vod ze stávajících objektů a
půdního vzduchu z mělkých sond. Fáze je ukončena zprávou, která musí shrnovat veškeré
poznatky za účelem definování stávajícího stavu a možných rizik pro životní prostředí.
2) Fáze B: (podrobný průzkum)
Následuje po fázi A v případě, že předchozí fáze nemohla bez použití nákladnějších metod
poskytnout dostatek informací pro realizaci III. etapy. Fáze B zahrnuje realizaci průzkumných
prací s použitím veškeré techniky nutné k získání informací, které jsou přesně definovány ve
III. etapě. V této fázi jsou realizovány vrtné práce, čerpací zkoušky, atd.
III. etapa - klasifikace a určení stupně rizika.
V této etapě je zpracována jednoduchá riziková analýza, která umožní zatřídění každé
lokality do jedné z následujících tříd.
3. třída:
Lokalita nevyžaduje realizaci jakýchkoliv následných opatření.
Standardní stav.
2. třída:
Lokalita vyžaduje monitoring.
Rizikový stav.
145
1. třída:
Lokalita vyžaduje realizaci nápravných opatření v podobě sanačních prací,
doplňkového průzkumu, případně komplexní studie rizika nebo zpracování
matematického modelu migrace polutantů.
Vysoce rizikový stav.
Výše uvedená klasifikace neznamená absolutní charakterizaci lokality, ale měla by
reprezentovat shrnutí poznatků a vztahů na zájmové lokalitě v reálném čase.
Definice jednotlivých tříd:
3. třída:
Lokality se zanedbatelným znečištěním.
Údaje získané z jednoduchého vyhodnocení rizik poskytují dostatečné
množství informací, na jejichž základě lze lokalitu využívat bez nutnosti
doplňujících průzkumů a jakýchkoliv nápravných opatření včetně sanačních.
2. třída:
Lokality, které je nutno monitorovat.
Na těchto lokalitách existuje statistická nejistota pro určení konečného stupně
rizika pro životní prostředí. Lokality vyžadují vytvoření monitorovacího
systému (pravidelný odběr vzorků, atd.), popř. instalaci speciálních zařízení
v závislosti na zastavěnosti lokality tak, aby bylo v co nejkratším termínu
možné tyto lokality zařadit do třetí, popř. první třídy.
1. třída:
Lokality, které nezbytně vyžadují provedení doplňkového průzkumu nebo
detailní rizikové analýzy, případně je na nich nutno zahájit sanační práce.
Lokality této třídy lze dále odstupňovat a určit časovou posloupnost nutnosti
provedení nápravných opatření.
SPSKS
Základní princip vyhodnocení rizika
Riziko, vyplývající z případného znečištění lokality, je vyjádřeno pravděpodobností škod,
které by mohla kontaminace způsobit. Toto riziko je předurčeno kombinací následujících tří
faktorů:
1)
2)
-
zdroj a charakter kontaminace,
možnost migrace kontaminace směrem od zdroje:
možnost pohybu,
možnost přechodu do okolí,
možnost pohybu k určitému cíli.
3) akceptor kontaminace (jedná se o objekt, který by mohl být při postupu kontaminace
zasažen a tím ohrožen. Za nejdůležitější objekt je považován člověk a jemu
sloužící složky životního prostředí).
Riziko vzniká pouze za předpokladu, že dojde k naplnění všech tří uvedených rizikových
faktorů.
IV. etapa - doplňkový průzkum a detailní riziková analýza.
Hlavním účelem prací realizovaných v této etapě je získat úplný soubor informací ke
stanovení ekonomicky efektivního sanačního postupu a stanovení cílových parametrů pro
146
ukončení sanačního procesu, případně pomocí výsledků detailního zhodnocení rizik a jejich
prezentací orgánům státní správy přeřadit lokalitu do 2. třídy s nutností monitoringu.
V. etapa – sanace
Tato etapa představuje poslední krok celého procesu prací na dané lokalitě a měla by být
tvořena následujícím souborem operací:
a)
b)
c)
d)
e)
definice cílových parametrů sanace v závislosti na předchozím a budoucím využití lokality,
stanovení kontrolní procedury sanačního procesu,
výběr sanační technologie,
samotný sanační proces a jeho kontrola,
hodnocení dopadu sanačního procesu na kvalitu životního prostředí.
V závěru sanačního procesu je lokalita přeřazena do 2. nebo 3. třídy nebo v extrémním
případě stále vysokých zbytkových koncentrací opětovně sanována.
9.4.1 Parametry určující výběr sanačních postupů
Hodnocení účinnosti
Pro hodnocení účinnosti jednotlivých sanačních postupů je rozhodujícím parametrem cena
prací, za kterou lze dosáhnout cílových koncentrací polutantů v prostředí. Cena celého
souboru prací při využití různých sanačních technologií je samozřejmě různá, ale stejně tak je
různá i cena prací při použití stejného postupu prací v různém čase. Rozhodujícím faktorem
pro výběr sanačního postupu je, kromě typu kontaminace a geologických podmínek, hodnota
sanačního limitu. Není nutno sanovat za každou cenu, ale minimalizovat rizika plynoucí
z ekologických zátěží.
SPSKS
Efektivita vynaložených prostředků
Z výše uvedených důvodů musí být rozhodování o sanaci lokalit kontaminovaných ropnými
látkami založeno na potenciálních rizikách, které představují mobilní složky ropných látek
pro člověka a jeho populační vývoj a nikoliv na základě prosté přítomnosti ropných látek
v horninovém prostředí. Bylo dokázáno, že jak přirozené přírodní procesy, tak lidské
technologie, dokážou redukovat potenciální rizika spojená s výskytem toxických látek ze
skupiny ropných uhlovodíků v životním prostředí. Je zřejmé, že technologické postupy jsou
schopny mnohem rychleji odstranit kontaminaci z prostředí, avšak reálné snížení
potenciálních rizik s kontaminací spojených může být naprosto nerentabilní ve srovnání
s déletrvajícím přirozeným procesem rozkladu stejných sloučenin. Jinými slovy, často
neexistuje opodstatnění k plýtvání peněz na lokalitách, kde již příroda sama sanuje a kde
neexistuje reálné nebezpečí ohrožení lidského zdraví v důsledku přítomnosti polutantu
v prostředí.
Problematika legislativy
Sanační a geologicko průzkumné práce realizované po roce 1991 byly prováděny na základě
Metodického pokynu Ministerstva pro správu národního majetku a Ministerstva životního
prostředí České republiky k zákonu č. 92/1991 Sb. Pokyn ze dne 18. 5. 1992 obsahuje
147
ukazatele a normativy znečištění zeminy, půdního vzduchu a podzemních vod a stanovuje
následující kategorie:
Kategorie A - hodnoty pozadí charakterizující přibližně přírodní obsahy sledovaných látek.
Kategorie B - mezní koncentrace, jejichž dosažení vyžaduje zahájení průzkumu s cílem
vysvětlit původ či zdroj znečištění.
Kategorie C - mezní koncentrace, od které se provádí sanační zásah, je-li prokázáno riziko
migrace znečištění do okolí a možnost poškození dalších složek životního prostředí.
Výše uvedené kategorie jsou vodítkem pro úřady při rozhodování o zahájení sanačních prací a
stanovování cílových limitů těchto prací. Problém je však ve výkladu výše citovaných
kategorií. Ve většině případů je kategorie C prezentována jako sanační limit.
V případě respektování metodického pokynu tak, jak je citován výše, by většina sanačních
prací byla realizována v mnohem menším rozsahu, případně vůbec. Nařízení přísných
sanačních limitů nemusí vždy být v souladu s principy ochrany životního prostředí jako celku.
Před zahájením sanačních prací musí být vždy vypracována riziková analýza, která by měla
hodnotit i rizika vyplývající z použití jednotlivých sanačních procedur a jejich porovnání
s riziky plynoucími z kontaminace životního prostředí.
10.
Sanace dobývacího prostoru po těžbě
10.1
Likvidace starých těžebních sond
SPSKS
Těžební sonda na ropu a plyn tvoří spolu s ložiskem ropy a plynu jediný hydrodynamický
celek. Z hlediska filtračního procesu je sonda, ve srovnání s ložiskovou propustnou vrstvou,
toková cesta s nejnižšími filtračními odpory. To je zároveň důvodem, proč pohyb tekutin
směřuje do sondy, byla-li už jednou migrace v ložisku vyvolaná. Tento proces probíhá (bez
vnějších zásahů) až do vyrovnání tlakových poměrů.
Standardní likvidace těžební sondy se provádí se zasazením celé její délky (případně
vybraných intervalů) cementovou směsí a jejím uzavřením betonovou deskou cca 1,5 m pod
povrchem terénu. Předpokladem ovšem je, že se zcela nebo téměř zcela vyčerpala ložisková
energie a ložiskový tlak je snížen na úroveň, která bezpečnou, ekonomicky únosnou a
ekologicky zajištěnou likvidaci umožní.
Pokud tomu tak není, vzniká problém tzv. cementace pod tlakem. Tento způsob cementace je
technicky a ekonomicky velmi náročný, přičemž nelze ať už vzhledem k vlastní technologii,
ale také např. stáří zájmových sond, vyloučit havárii se všemi případnými ekologickými
důsledky. V některých starých těžebních sondách jsou dosud tlaky (ložisková energie) tak
vysoké, že může docházet až k přetoku ropy na ústí sondy. Pro likvidaci sond nebo i jen
jejich konzervaci (odstavení) je to ten nejméně příznivý případ s jakým se lze v těžební
činnosti na ropu setkat.
Případnou kontaminaci zeminového prostředí a podzemních vod v okolí starých těžebních
sond není vhodné sanovat samostatně před vlastní likvidací sond ze dvou hlavních důvodů:
1) nejsou odstraněny zdroje kontaminující látky – původní těžební sondy (s častým případem
porušení těsnosti produkčního kříže), spojující ložiska s povrchem,
2) není znám prostorový rozsah znečištění v okolí sond a stupeň zasažení podzemních vod –
tedy údaje, bez kterých nelze spolehlivě navrhnout dekontaminační metodu.
148
Dochází-li k dlouhodobým únikům ropy (netěsnostmi produkčních křížů) ze starých těžebních
sond před jejich likvidací, lze při kontaktu s horninovým prostředím vyčlenit čtyři hlavní fáze,
z nichž jedna může plynule přecházet do druhé: vsakování (lokální, drobné úniky), šíření po
povrchu a vsakování (plošné, rozsáhlé havárie), šíření po povrchu hladiny podzemní vody
(stacionární systémy), přemísťování s pohybující se podzemní vodou (dynamické systémy).
S ohledem na nové ekologické předpisy je však v zájmu provozující organizace, aby byla
jasná představa o stávajícím znečištění prostředí v okolí těžebních sond ropou a přibližném
objemu sanačních prací a to ještě před zahájením likvidačních prací.
10.1.1 Plán likvidace
V plánu likvidace sond musí být zohledněny následující poznatky a údaje (podle materiálů
MND, a.s.).
- Zdůvodnění zajištění nebo likvidace skupiny vrtů nebo sond v dotčené části ložiska,
způsob zajištění nebo likvidace, jejich bezpečné provedení.
- Rozmístění a technické parametry vrtů a sond (lokalizace, projektovaná hloubka, dosažená
hloubka, úvodní kolona, technická kolona, těžební kolona).
- Zhodnocení využití zásob ložiska v plánem dotčené části, technologických ztrát,
nevydobytých zásob včetně uplatněných intenzifikačních metod, popřípadě možnost
použití druhotných těžebních metod.
- Jiná výhradní ložiska zjištěná vrty v dotčené části dobývacího prostoru a způsob jejich
ochrany.
- Tlakové a hydrodynamické poměry dotčené části ložiska.
- Technický stav vrtů a sond určených k zajištění nebo likvidaci, zejména z hlediska izolace
jednotlivých obzorů, metodika a technika zjišťování technického stavu vrtů.
- Zhodnocení výsledků čerpacích pokusů těžební otvírky a těžby.
- Způsob zajištění požadavků vyplývajících z rozhodnutí orgánů a dohod s orgány a
organizacemi, jímž přísluší ochrana objektů a zájmů podle zvláštních předpisů.
- Využití vrtů a sond, zařízení a staveb pro jiné účely.
S obnovením těžby uhlovodíků a
s využitím stavby se uvažuje (neuvažuje).
- Způsob následných kontrol likvidovaných vrtů a sond. Návrh geofyzikální a
geomechanické kontroly způsobu likvidace vrtů a sond, případně účinnosti opravných
prací ve vrtech.
- Základní opatření k zajištění bezpečnosti a ochrany zdraví při práci a bezpečnosti provozu.
- Bezpečnost práce.
- Zásady likvidace vrtů, složení tamponážních a cementačních směsí, použití oddělovacích
kapalin.
- Technika a technologie dodatečných oprav technického stavu vrtů a porušených
zapažnicových cementací.
SPSKS
10.1.2 Typový technologický postup pro likvidaci těžební sondy
Sondy jsou likvidovány na základě provádějícího technického projektu, ve kterém jsou
respektovány zásady typového technologického postupu (podle materiálů MND, a.s.).
•
•
•
•
Způsob likvidace těžební sondy.
Způsob likvidace potrubních přípojek uložených v zemi.
Složení cementových směsí a výplachu použitých pro likvidaci sond.
Plán sanace a rekultivace území dotčeného těžbou v okolí zlikvidované sondy.
149
Po likvidaci vlastní sondy včetně přípojky k sondě je dotčené území sanováno a rekultivováno
podle příslušných zákonů a vyhlášek. Dotčené území (okolí sondy) je sanováno a
rekultivováno podle následujícího typového postupu. Časový průběh jednotlivých činností je
analogický s níže uvedeným popisem.
Technický plán a harmonogram prací
1) Technická rekultivace:
- Odstranění zbytků těžebního zařízení.
- Odstranění panelové plochy.
- Odstranění betonových základů – betonový sklep a základy jsou mechanicky narušeny a
odvezeny na skládku, případně k drcení a recyklaci. Přitom jsou vysbírány všechny
kameny a další materiál.
- V případě, že zemina v okolí sondy je znečištěna ropnými látkami, je veškerá znečištěná
zemina odstraněna. Znečištěná zemina je odvezena na speciální skládku, kde je
likvidována biodegradací.
- Odvezená zemina a beton jsou nahrazeny čistou nezávadnou zeminou.
- Terénní úpravy pozemku se provedou tak, aby plocha plynule navazovala na okolní terén.
Cesty, které byly vybudovány před těžební činností, jsou opraveny a uvedeny do
původního stavu.
- Na dotčené ploše je provedena 1 x hluboká orba (na lesní půdě po dohodě s vlastníkem).
- Pozemek je písemně předán uživateli pozemku.
SPSKS
2) Biologická rekultivace
Po řádném provedení technické rekultivace je prováděna biologická rekultivace.
Biologickou rekultivaci tvoří tři základní okruhy operací:
- Hnojení.
- Agrotechnická opatření.
- Pěstování rostlin.
Biologickou rekultivaci provádí obvykle uživatel pozemku. Náklady na biologickou
rekultivaci jsou uhrazeny těžební organizací.
3) Harmonogram prací
Po vlastní likvidaci sondy následuje technická rekultivace. Doba trvání technické rekultivace
je maximálně 2 měsíce. Práce na biologické rekultivaci musí navázat plynule na provedenou
technickou rekultivaci. Dodavatelem biologické rekultivace může být i vlastník, respektive
uživatel pozemku. Sanace a rekultivace umožní navrácení dočasně odňaté půdy zemního
půdního fondu a lesního fondu.
Při provádění likvidačních prací (využívá se stejných vrtných souprav jako při podzemních
opravách sond) se lze setkat se stejnými druhy vlivu na okolní životní prostředí, jako
v případě operací probíhajících při vrtných pracích resp. pracích POS. Situace může být
zkomplikována v případě kontaminace zemin resp. podzemních vod v okolí likvidovaných
sond, které vznikly v důsledku předchozích nekontrolovatelných úniků ropy přes porušená
(zkorodovaná) zhlaví vrtů.
150
10.2 Metody sanace kontaminovaného prostředí
10.2.1 Pojem sanace a rekultivace
Pojem sanace
Pojem sanace pozemků obsahoval již zákon č. 44/1988 Sb., o ochraně a využití nerostného
bohatství (horní zákon), ve znění zákona ČNR č. 541/1991 Sb. v ustanovení § 31 odst. 5, kde
cituji: „Za sanaci se považuje odstranění škod na krajině komplexní úpravou území a
územních struktur“.
Podle § 8 odst. 1 písm. C) zákona ČNR č. 334/1992 Sb., o ochraně zemědělského půdního
fondu odpovídá sanaci činnost směřující k „provádění vhodných úprav pozemků narušených
těžbou tak, aby tvarem, uložením zeminy a vodními poměry byly připraveny pro rekultivaci“
– pokud rekultivace přichází v úvahu.
Z dikce citovaných ustanovení vyplývá, že sanace jsou terénní úpravy, které vytváří
předpoklady pro budoucí rekultivace popř. pro jiné využití území po ukončení hornické
činnosti resp. doznění jejich vlivů.
Pojem rekultivace
Pojem rekultivace obsahovala již vyhláška FMZV č. 36/1987 Sb., kterou se upravují některé
podrobnosti ochrany zemědělského půdního fondu. Z § 4 až § 8 citované vyhlášky vyplývá,
že rekultivace je proces, jehož cílem je opětovné využití pozemků k zemědělské výrobě, které
byly z rozličných důvodů, a to včetně důvodů těžebních, odňaty. Rovněž tak § 8 odst. 2
zákona č. 334/1992 Sb., o ochraně zemědělského půdního fondu pokládá rekultivaci za
proces, jehož úkolem je docílit, aby plochy dotčené jinou činností se staly způsobilé k dalšímu
využití v krajině.
SPSKS
10.2.2 Rozdělení sanačních metod
Metody sanace znečištěného prostředí lze dělit na základě různých kritérií:
A. Podle druhu polutantů, které je nutno sanovat:
-
ropné látky (dále RL),
těkavé chlorované uhlovodíky (dále CIU) – především trichlorethylen a perchlorethylen,
polychlorované bifenyly (dále PCB),
těžké a toxické kovy (dále TK), atd.
B. Podle mechanismu čištění:
-
fyzikální – gravitační separace, radioaktivní rozklad, sorpce,
fyzikálně-chemické – solidifikace,
chemické – oxidace, neutralizace,
biologické – biodegradace
C. Podle místa použití:
- na místě – „in situ“,
- na povrchu místa – „on site“,
151
- mimo znečištěné místo (lokalitu) – „ex situ, „off site“.
D. Podle stupně a metody odstranění polutantů:
- pasivní – konzervační – bez odstranění polutantů,
- aktivní – odstranění polutantu (sanančí čerpání):
- separace polutantu – záchyt na sorbentu,
- převod do jiné složky ekosféry – odvětrávání, nedokonalé spalování (dnes
nepřípustné),
- likvidace polutantů – biodegradace, radiační rozklad, otodegradace, dokonalé
spalování.
Dále lze dělit metody podle účinnosti, finanční náročnosti apod.
Z předcházejícího textu vyplývá, že při řešení konkrétní situace půjde často o aplikaci
několika různých metod a postupů. Zvláště sanace podzemních vod je téměř vždy záležitost
dlouhodobá, trvající často roky, na rozdíl od sanací nesaturované zóny, která může být při
lokálně omezených znečištěních radikálně řešena odtěžením zasažených zemin a následnou
dekontaminací „ex situ“.
Každý sanační zásah je nutno předem na základě dostupných informací pečlivě rozvážit,
jelikož může v některých případech dojít nevhodným postupem i ke zhoršení původního
stavu, k zavlečení znečištění do „čistých“ oblastí, k ohrožení zdraví nebo životů pracovníků
provádějících sanaci, k porušení právních norem apod.
Obecně lze říci, že čím méně je informací o kontaminovaném prostoru a kontaminantu, tím je
riziko špatného zásahu vyšší. Proto je nutno zodpovědně vyhodnotit všechny dostupné
materiály a v mnoha případech informace doplnit dodatečným vlastním průzkumem lokality.
Mezi základní informace, bez kterých nelze zvolit adekvátní návrh sanačních postupů a
technologií patří podrobná znalost geologických a hydrogeologických poměrů lokality
(koeficienty propustnosti, vydatnosti podzemních vod, směr proudění podzemních vod,
zahloubení podzemních vod apod.) a její vazby na okolí (např. přítomnost vodních zdrojů,
gradient kontaminace nesaturované zóny, pasportizace technologických zařízení apod.).
Pro zvolení vhodného postupu pro sanační práce je nutno získat maximum informací o
rozložení kontaminantů, ale i o jejich základních fyzikálních, chemických a
ekotoxikologických vlastnostech. Pro bezpečnost pracovníků provádějících sanační práce je
nezbytné znát toxické a patogenní vlastnosti kontaminantů. Všechny potřebné údaje by měla
obsahovat „Riziková analýza“ (RA).
Na základě provedené rizikové analýzy je třeba zvážit všechny možné dopady a rizika pro
okolí a ve vazbě na ekonomii a legislativu posoudit optimální rozsah zásahu, kdy jednou
z možných variant je i tzv. nulová varianta, kdy sanace není provedena vůbec.
SPSKS
10.2.3 Postup vyhodnocování a sanace starých ekologických zátěží
Postup vyhodnocování a sanace starých ekologických zátěží lze modelově rozdělit do
několika kroků, jejichž odpovědné posouzení a řešení může nejen ušetřit značné finanční
prostředky, ale i optimalizovat hodnoty zbytkového znečištění i samotný sanační zásah.
A. Evidence potenciálně znečištěných oblastí a ploch.
152
Probíhá první posouzení lokality z hlediska možné kontaminace, vyhodnocení dostupných
údajů, vazeb lokality na okolí, plánované využití lokality. V této etapě je provedeno první
zhodnocení nutnosti sanačního zásahu.
B. Předběžný průzkum.
V této etapě jsou ověřovány skutečnosti, které byly zjištěny v kroku ad A. Výsledky
předběžného průzkumu jsou opět vyhodnoceny a na základě zhodnocení je rozhodnuto, zda je
nutno v pracích pokračovat nebo zda je lokalitu možno považovat za ekologicky neškodnou.
C. Podrobný průzkum.
Podrobný průzkum navazuje na výsledky předběžného průzkumu. Výsledky již konkretizují
rozsah znečištění, jednotlivé polutanty, vazby na geologické a hydrogeologické poměry
lokality a jejího okolí. Je provedeno třetí zhodnocení lokality a hrubé určení cílů sanace.
D. Riziková analýza (RA).
Výsledky podrobného průzkumu shrnuje RA. V RA jsou navíc zhodnoceny vlastnosti
polutantů z hlediska toxicity a ekotoxicity. Na základě dosavadních znalostí lokality jsou
v RA zhodnoceny vazby na okolí, rizika spojená s možností šíření kontaminace, rizika
ovlivnění kvality povrchových a podzemních vod, emise do ovzduší a další širší vazby.
Součástí RA je i základní vyhodnocení možných sanačních postupů a přibližná ekonomická
rozvaha sanačního zásahu.
V RA jsou navrženy i limity zbytkového znečištění, které slouží jako podklad pro vydání
rozhodnutí České inspekce životního prostředí (ČIŽP), případně příslušného odboru
okresního úřadu. Vydané a pravomocné rozhodnutí bývá základním dokumentem pro
smlouvu mezi zadavatelem a sanující organizací. V této etapě dochází k opětovnému
posouzení lokality z pohledu, zda sanovat či nikoliv.
SPSKS
E. Zpracování nabídkového projektu sanačních prací.
Nabídkový projekt sanačních prací určuje koncepci sanačního zásahu a specifikuje
jednotlivé použité sanační technologie. Součástí nabídkového projektu je předběžná
kalkulace výkonů a finančních nákladů. Nabídkový projekt slouží ve většině případů jako
podklad pro provedení výběrového řízení k určení organizace, která sanační práce provede.
Jako příloha sanačního projektu se předkládají potřebné doklady a dokumenty opravňující
sanující organizaci k provádění nabízených prací, jako jsou např. doklady o odborné
způsobilosti, koncese, autorizace, stanoviska příslušných orgánů státní správy apod. Na
základě nabídkového projektu bývá vybrána sanující organizace, se kterou zadavatel uzavře
smlouvu.
F. Zpracování prováděcího projektu.
Prováděcí projekt již plně konkretizuje sanační práce a postupy, objemy výkonů a
potřebných finančních prostředků. Veškeré podklady musí být zpracovány již jako podklad
pro vydání územního, případně stavebního rozhodnutí. V odůvodněných případech je
současně provedeno vypracování a projednání EIA. Prováděcí projekt je předkládán
k posouzení všem dotčeným orgánům státní správy.
153
V případě, že se zadavatel rozhodne pro kontrolu prováděných sanačních prací formou
supervize, je zpracovaný projekt předložen k posouzení i supervizní organizaci. Již v období
zpracování prováděcího projektu mohou být v rámci přípravné etapy provedeny některé
sanační zásahy, které omezují riziko dalšího rozšiřování kontaminace, případně omezují či
zabraňují dalším rizikům.
G. Vlastní sanační zásah.
V průběhu sanačních prací bývají často, zejména u starých výrobních areálů, zjištěny nové
skutečnosti, které nebyly známy v průběhu zpracování projektu a v důsledku toho dochází
k úpravám sanačního postupu a v odůvodněných případech i k nutnosti přehodnotit finanční
rozpočet akce. Ke zvyšování rozpočtované částky by však nemělo docházet na základě
profesní chyby sanující organizace.
Vlastní sanační zásah spočívá v úpravě (dekontaminaci) kontaminované zeminy,
podzemních a povrchových vod, rybničních a potočních kalů a půdního vzduchu, případně
v imobilizaci znečištění. Součástí sanačního zásahu mohou být i demolice budov a technologií
apod. Sanační zásah je ukončen po dosažení požadovaných limitů.
H. Kontrola výsledku sanace a předání lokality.
Po ukončení sanačních prací je lokalita protokolárně předána zadavateli akce. Součástí
předání jsou kontrolní analýzy a na základě výsledků doporučení dalšího postupu, např. návrh
kontrolního monitoringu, provozní řád apod. Součástí předání lokality může být i
vyhodnocení a doporučení pro další možné využití lokality.
Sanace podzemních vod znečištěnými ropnými látkami znamená, že je nutné z vody i
z horninového prostředí odstranit ropné látky natolik, aby nebyly pro podzemní vodu zdrojem
zdravotních a organolepticlých závad. Někdy je nutné spokojit se pouze s částečnou sanací.
SPSKS
Úplná sanace vyžaduje: odstranění zdroje znečištění, odstranění hornin znečištěných ropnými
látkami, odstranění ropných látek z hladiny podzemní vody, odstranění vody s emulgovanými
a rozpuštěnými ropnými látkami.
V současné době jsou pro likvidaci ropného znečištění sledovány tři základní směry
dekontaminace:
a) na základě fyzikálních principů (spalování, termické metody),
b) na základě chemických principů (solidifikace),
c) na základě biologických principů (využití bakteriálních kmenů).
Výběr těchto technologií závisí na charakteru kontaminace a na účelu použití
dekontaminovaných půd. Je samozřejmé, že obsah kontaminantů v půdách určených pro
zemědělské použití musí být podstatně menší než v půdách určených pro pěstování okrasných
rostlin nebo pro stavebnictví. S hloubkou dekontaminace se však zvyšují její náklady.
154
Literatura
Blažek Josef, Rábí Vratislav: Základy zpracování a využití ropy, 2. vydání, Vysoká škola
chemicko-technologická v Praze, Praha 2006, ISBN 80-7080-619-2
Bujok Petr: Vliv vrtného průzkumu, těžby a uskladňování kapalných a plynných uhlovodíků
na životní prostředí, Sborník vědeckých prací VŠB – TU Ostrava 2003, ročník XLIX, ISBN
80-248-0478-6.
Devold Havard: Oil and Gas Production Handbook, ABB ATPA Oil and Gas 2006
Devold Havard: Oil and Gas Production Handbook, Abb Oil and Gas 2009, ISBN 978-82-997886-1-8
Guo Boyun, Lyons C. William, Ghalambor Ali: Petroleum Production Engineering, Gulf
Professional Publishing, 2007, ISBN 978-0-7506-8270-1
Sasín Michal, Problematika deparafinace při těžbě ropy z ložiska Dambořice, diplomová
práce, HGF, VŠB – TU Ostrava, 1999
SPSKS
155
SPSKS
156
SPSKS
157
SPSKS
Download

tttropaplyn - Střední průmyslová škola kamenická a sochařská