Vrtalna dela v plitvi geotermiji
Transcription
Vrtalna dela v plitvi geotermiji
5.12.2012 EUROPEAN REGIONAL DEVELOPMENT FUND Projekt GEO.POWER Vrtalna dela v plitvi geotermiji Ratimir Benček, Hidroinvest d.o.o 2. Lokalni forum 4.12.2012 SISTEM OGREVANJA VODA - VODA (ODPRTI SISTEM) SISTEM OGREVANJA ZEMLJA – VODA (ZAPRTI SISTEM) 1 5.12.2012 METODE VRTANJA Glede na način cirkulacije izplačnega fluida, vrtanja delimo na: 2 5.12.2012 DLETO ZA OBS KRILNO DLETO KOTALNA DLETA ŠPIRALA IN DLETA ZA ŠPIRAE DLETO ZA GLOBINSKO KLADIVO VRTANJE S SPROTNO CEVITVJO (overburden system drilling) GLOBINSKA KLADIVA EKSCENTRIČNO DLETO ZA OBS KRILNO DLETO ZA OBS Mediji za izpiranje – izplake Naloga medijev za izpiranje-izplak je: transport navrtanine s trenutnega dna vrtine na površino, držanje navrtanine v stanju mirovanja, odpuščanje navrtanine v površinskih napravah, tvorba neprepustne obloge na steni vrtine, preprečitev rušitev sten vrtin, kontrola tlaka v vrtini, omogočitev izvedbe tehničnih operacij in meritev v vrtini, hlajenje in mazanje vrtalnega orodja v vrtini, prenos hidravlične moči na dleto Pri izvedbi vrtin najpogosteje koristimo kot izplako: vodo, bentonitne izplake, polimerne izplake, bentonitno- polimerne izplake, komprimiran zrak in pene. Za izpolnjevanje navedenih nalog mora izplaka imeti ustrezne fizikalno-kemične lastnosti, ki morajo biti prilagojene pogojem v vrtini. Te lastnosti dosežemo oz. vzdržujemo z dodajanjem različnih dodatkov. Ameriški inštitut za nafto (API) je predpisal metodologijo, opremo in fizikalno-kemične lastnosti, ki jih je potrebno meriti. Pri vrtanjih na vodo se najpogosteje meri: gostota izplake, reološke lastnosti, filtracijo in debelost obloga, vsebina peska, pH vrednost 3 5.12.2012 Projektiranje vrtin Projektirati vrtino pomeni: določiti: − − − − − − − − premere vrtanja za posamezne kolone, premere cevi in filtrov za posamezne kolone oz. filtrske konstrukcije, globine vgrajevanja posameznih kolon, tehnologijo cementiranja posameznih kolon, globine vgrajevanja filtrov, vrsto (tip) filtrov, vrste materialov za posamezne kolone oz. filtre in tehnologijo vrtanja ter dimenzionirati cevi in filtre. Konstrukcija cevitve se začne z dimenzioniranjem eksploatacijske kolone. Vrste kolon uvodna kolona tehnična kolona Filtrska konstrukcija oz. eksploatacijska kolona Izgubljena (liner) kolona je tehnična kolona ali filtrska konstrukcija, ki delno prekriva predhodno kolono, vendar ni vgrajena do ustja vrtine uvodna kolona uvodna kolona tehnična kolona 1.tehnična kolona Cementni kamen filtrska konstrukcija 2. tehnična kolona-liner Glineno-cementni tampon eksploatacijska kolona ali filtrska konstrukcija eksploatacijska kolona ali filtrska konstrukcija -liner zasip Različne konstrukcije cevitve 4 5.12.2012 Dimenzioniranje cevi Cevi in filtri posameznih kolon se dimenzionirajo na obremenitve, ki se javljajo v času vgradnje in operacij, kot so: cementacije, nadaljevanje vrtanja, aktiviranja in eksploatacije. Cevi in filtri posameznih kolon se dimenzionirajo na: Premeri cevi in filtrov Geometrijske lastnosti (premer, debelost stene …) jeklenih cevi so podane v − API standardu 5A, 5AC in 5AX − SIST EN 10220:2002-Nevarjene in električno varjene jeklene cevi - Izmere in mase na enoto dolžine − DIN 2448 – brezšivne jeklene cevi − DIN 2458:1981 - šivne jeklene cevi Filtri izdelani iz jeklenih cevi so enakih dimenzij kot jeklene cevi ali pa so dimenzije podane v katalogih proizvajalcev. Geometrijske lastnosti (premer, debelost stene …) za PVC cevi za vrtine so podane v DIN 4925 . Materiali cevi in filtrov za jeklene cevi v API standardu 5A, 5AC in 5AX oz. za šivne in brezšivne cevi SIST EN 10027 -Sistemi označevanja jekel za nerjaveče jeklo SIST EN 10088-1:Nerjavna jekla - 1. del: Seznam nerjavnih jekel , USA AISI/ASTM ZA PVC cevi in filtre DIN 4925 ( Well screens and casings of unplasticized polyvinylchloride (PVC-U) for tube wells) Filtri 5 5.12.2012 Spajanje cevi Varjenje Spajanje cevi se lahko izvaja s čelnim ali kotnim elektro varjenjem. − Kotno varjenje se izvaja na ceveh opremljenimi s prstani (spojnico) − Vijačni spoji za cevi in filtre Najpogostejši vijačni spoji za jeklene cevi so: API 8rd, API Buttress, Whithwort, različni trapezni navoji, itn. Vijačni spoji za PVC cevi: Cevitev in cementiranje Operacija vgrajevanja cevi oz. kolone v vrtino se imenuje cevitev Zapolnjevanje prostora med kolono in steno kanala vrtine s cementno mešanico se imenuje cementiranje vrtine Za izdelavo cementne mešanice se uporabljajo API cementi ali portland cementi in različni dodatki Naloga cementiranja je: − − − − odvajanje posameznih prevrtanih plasti, preprečitev komuniciranja različnim fluidom po prstanastem medprostoru, učvrstitev kolone, antikorozijska zaščita kolon. Oprema za izvajanje cementacije kolone po Perkinsu z čepi cementaciona peta oz. spojnica z nepovratnim ventilom centralizerji 6 5.12.2012 Pri izdelavi vrtin v plitvi geotermiji je izvedba cementacije po Perkinsu predraga zaradi visokih cen opreme za izvedbo cementacije. Zaradi tega se cementacija izvaja brez vgrajene cementacijske pete in spodnjega in zgornjega čepa. V tem primeru vlogo nepovratnega ventila prevzame ventil, ki je vgrajen na tlačnemu vodu. Vrtine, v katerih se v coni filtrov vgrajuje filtrski zasip, se vrtajo s premerom, ki je večji od premera filtrske konstrukcije za najmanj 100 mm (4"). V tem primeru se nadfiltrski del cementira skozi vod za cementacijo, ki je vgrajen v medprostor vrtine. Aktiviranje vrtin Po cevitvi vrtine z eksploatacijsko kolono ali filtrsko konstrukcijo se vrtina aktivira. Namen aktiviranja je zmanjšati blokado oz. poškodbe vodonosnika, ki so nastale pri izdelavi vrtine in zvišati prepustnost vodonosnika ali zasipa v coni filtrov. Za aktiviranje vrtin se koristijo naslednje metode: zamenjava izplake s čisto vodo, izpiranje filtrov s pritiskom, batiranje, air lift 7 5.12.2012 Vrste air lifta Testiranje vrtin Črpalna vrtina Po končanem aktiviranju vrtine jo je potrebno testirati, in sicer je potrebno izvesti kratkotrajni step test za ugotovitev učinkovitosti vrtine in določitev potrebne črpalke ter optimalne količine črpanja (3 × 8 ur), kasneje pa dolgotrajnejši črpalni preizkus (long test) v trajanju 21 dni za ugotovitev zmogljivosti vodonosnika in pridobitev dovoljenja za uporabo podzemne vode. Ponikovalna vrtina Tudi ponikovalno vrtino je potrebno testirati, in sicer z nalivalnim poskusom, ki se izvede istočasno kot step-test na črpalni vrtini. Ureditev ustja vrtin Ustje črpalne in ponikovalne vrtine je potrebno namesti v nepropusten jašek minimalnega premera 1 m oz. 1 1 m ter globine 1,5 m. Jašek naj bo dvignjen 0,3 m nad okoliški teren ali opremljen z nepropustnim pokrovom. Pokrov mora biti opremljen z zapahom in napisom »podzemna voda«. Dno jaška mora imeti vdolbino za izčrpavanje vode in čiščenje. 8 5.12.2012 Vertikalni kolektorji-geosonde Pri vertikalnih kolektorjih se toplota prenaša s cirkulacijo hladilne tekočine skozi kolektor. Toplota se oddaja v uparjalnik toplotne črpalke ali izmenjevalec toplote. V praksi se uporabljajo: Koaksijalni kolektor (enostaven in zložen), Enojna "U" cev in Ø 25-40 mm Dvojna "U" cev. Ø 25-40 mm 70 – 10 0 m m Ø 40-75 mm 50-90 mm KOAKSIALNI KOLEKTOR Material kolektorjev – polietilen ENOJNA "U" CEV DVOJNA "U" CEV Za vertikalne in horizontalne kolektorje se najpogosteje uporablja polietilen visoke gostote (High density polyethylene-PE HD). Kemijsko in mehansko je odporen (tudi pri nizki temperaturi), fleksibilen, higiensko in okoljevarstveno neoporečen, odporen na sončno svetlobo, lahek. Uporablja se pri temperaturah od -40ºC do 60ºC. Polietilenske cevi se klasificirajo po MRS (minimum required strength) - minimalna zahtevana trdnost materiala predstavlja dolgotrajno hidravlično trdnost materiala za dobo 50 let pri temperaturi 20 C in je izražena v MPa. Polietilen se v skladu s SIST ISO 4427 označuje: nazivni tlak ( Pressure Nominal – PN) je maksimalno dovoljeni tlak vode v barih v ceveh pri temperaturi 20ºC. V skladu s SIST ISO 4427 se proizvajajo cevi nazivnega tlaka PN 2,5; PN 4; PN 6; PN 10 in PN 16. S temperaturo se maksimalno dovoljeni tlak spreminja kot je prikazano v tabeli: 9 5.12.2012 SDR (Standard Dimension Ratio – SDR) Veliko proizvajalcev PE cevi veličino dovoljenega tlak prikazuje z razmerjem med zunanjim premerom in debelino stene - SDR SDR = D / s D - zunanji premer cevi s – debelost stene cevi Vgrajevanje vertikalnih kolektorjev Pri transportu in skladiščenju PE cevi vertikalnih kolektorjev ne sme priti do mehanskih poškodb PE cevi, iz katerih je kolektor sestavljen in na konceh zvarjen v zanko. Pred samo vgradnjo v vrtino se preveri dolžina kolektorja ter se ga opremi z utežjo. Masa uteži je odvisna od globine vgradnje in fluida v vrtini. Injektiranje Po vgraditvi PE »U« cevi v vrtino se vrtina zapolni z injekcijsko mešanico skozi cev za injektiranje, ki je vgrajena do uteži. Injektira se od dna vrtine proti ustju. Injektiranje je končano, ko se injekcijska mešanica pojavi na ustju vrtine. Če pričakujemo izgube injekcijske mešanice v prevrtanih plasti, je nujno vgraditi dodatno cev za injektiranje do nivoja, na katerem se pričakujejo izgube. Naloga injekcijske mešanice oz. »kamna«, ki je nastal iz injekcijske mešanice je: varovanje voda in prenos topline med steno vrtine in PE cevjo. Injekcijske mešanice so mešanice izdelane iz: portland cementa, bentonita, cementa in bentonita, cementa-kremenčeve mivke –bentonita Pred injektiranjem cementne mešanice je potrebno izmeriti: pretočnost (marshev lijak) in volumno gostoto (izplačna tehtnica) injekcijske mešanice 10 5.12.2012 Kontrola kvalitete izvedbe Kontrola kvalitete vgradnje PE cevi se izvaja skozi kontrolo pretoka vode in padca tlaka skozi posamezno zanko ter testa tesnosti (tlačni test). VISOKOTLAČNA ČRPALKA Diagram tlačnega testa za PE100/ PN 16/SDR11 (SIA 384/6) MANOMETER VENTIL Začetek perioda mirovanja (60 min) Maksimalni pad tlaka po navodilih proizvajalca VENTIL Konec perioda mirovanja (60 min.) 90 PE CEV Konec glavnega testa (30 min) Maksimalno dovoljeni pad tlaka med 6A in 6C je 0,1 bar Odražati tlak testiranja za 10 minut Tlak (bara) REZERVOAR Dvignuti tlak testiranja do maksimalnega za 10 min. Maksimalni pad tlaka za PE 100, SDR11, PN16 je 30% od začetnega tlaka tlačnega testa Pad tlaka 1,2 bara, začetek glavnega testa Meritev volumna vode Čas (min.) SHEMATSKI PRIKAZ TESTA TESNOSTI PE CEVI cev tesni, če je padec tlaka med točkami C in A manjši od 0,1 bara Geotermalni odzivnostni test (Thermal Response Test-TRT) Iz pridobljenih rezultatov meritev se lahko izračuna efektivna termična prevodnosti ( eff) in termična upornost vrtine (Rb). 11 5.12.2012 Zaščita okolja Onesnaževanje okolja je možno v času izdelave vrtine ali v času eksploatacije odprtega ali zaprtega sistema ogrevanja Za zmanjševanje možnosti onesnaževanja v času izdelave vrtin je potrebno: delovišče pripravit tako, da je v primeru razlitja goriva in/ali maziva onemogočeno pronicanje teh v tla (nepropustne folije pod nasutjem, nepropustne folije pod stroji, itn.), uporabljati tehnično brezhibne stroje in opremo, uporabljati biološko razgradljiva maziva in masti za stroje, za mazanje globinskih kladiv uporabljati izključno biološka razgradljiva olja, za mazanje spojev vrtalnega orodja uporabljati neoporečne biološke razgradljive masti, za izdelavo, vzdrževanje in obdelavo izplak uporabljati materiale, ki ne obremenjujejo okolje in/ali so biološki in/ali oksidacijsko razgradljivi, skladiščenje maziv, olj in goriv na delovišču je mogoče samo, če je v primeru razlitja onemogočeno pronicanje v tla, odpadna olja, maziva, različne oljne in zračne filtre ter čistilne krpe je dovoljeno odlagati v atestirane posode pooblaščenega zbiralca, servisiranje strojev in opreme na delovišču je mogoča samo, če je v primeru razlitja onemogočeno pronicanje olj v tla, po končanih delih je potrebno z delovišča odpeljati vse kar je potencialni onesnaževalec okolja, delavci na delovišču morajo biti izobraženi glede varnega manipuliranja z gorivom, olji, mazivi in mastmi ter v primerih razlitja s postopki ukrepanja in obveščanja. V času eksploatacije vrtin največjo nevarnost za okolje predstavljajo delovni mediji v toplotnih črpalkah oz. v vertikalnih kolektorjih-geosondah slabo izdelani jaški in nezaštičena ustja črpalnih in ponikovalnih vrtin slabo cementirane kolone črpalnih in ponikovalnih vrtin slabo cementirani vertikalni kolektorji-geosonde 12 5.12.2012 Spremljanje izvedbe in poročilo o izvedbi Izvajanje del je potrebno spremljati ter dnevno voditi vrtalni dnevnik. V dnevniku je potrebno registrirati: podatke o naročniku del, lokacijo vrtanja, oznaka vrtine, premer vrtanja, napredek vrtanja, interval vrtanja, tehnologijo vrtanja, tip dleta, vrsto izplačnega fluida ter njegove lastnosti, porabo materialov za izdelavo, dodelavo in vzdrževanje izplake, kapacitet črpalke in delovni tlak črpalke v primere vrtanja z izplako, eventuelne izgube izplake (globina, količina, metodologija zapiranja mest izgub), kapacitet kompresorja in delovni tlak kompresorja v primerih vrtanja z zrakom, tip, koncentracijo in porabo penilca v primeru uporabe, popis navrtanine, premer, debelost stene, vrsto in kvaliteto materiala ter dolžino zaščitnih cevi, količino cementa, dodatke cementu, vodo-cementni faktor, količino cementa, ki se je pojavila na površini na koncu cementacije, premer, debelost stene, vrsto in kvaliteto materiala, tip, procent odprtin ter dolžino filtrov, tehnologijo aktiviranja vrtine ter uporabljeno opremo. O cevitvah in cementacijah vrtine je potrebno voditi zapisnik, v katerem so podani vsi podatki o ceveh, cevitvi in cementaciji Poročilo o izvedbi črpalne in ponikovalne vrtine Poročilo o izvedbi vertikalnega kolektorja – geosonde V poročilu o izvedbi črpalnih in ponikovalnih vrtinah mora biti zajeto: podatki o naročniku del, oznaka vrtine z letnico izdelave, lokcija vrtine (katastarska občina, parcelna številka in koordinate ustja vrtine), geološki podatki o območju na katerem se izvaja vrtanje, geološki popis navrtanine, tehnologija vrtanja, premeri vrtanja za posamezno kolono ter premeri cevi in filtrov, podatki o cevitvah in razporedu filtrov, podatki o cementacijah, podatki o aktiviranju vrtine, podatki o ureditvi ustja vrtine in podatki o črpalnih in nalivalnih poizkusih z obdelavo. Priloge poročila so: karta območja vrtanja z lokacijo vrtine, fotografija lokacije in ureditve ustja vrtine, risba vrtine z litostratografskim profilom s premeri vrtanja, cevitvami in cementiranjem vrtine, zapisniki o cevitvah in cementacijah, izjave o skladnosti (atest) za cevi in filtre in izjave o skladnosti za cement in dodatke. V poročilu o izvedbi vertikalnega kolektorja - geosonde mora biti zajeto: podatki o naročniku del, oznaka vrtine z letnico izdelave, lokcija vrtine (katastarska občina, parcelna številka in koordinate ustja vrtine), geološki popis navrtanine, tehnologija vrtanja, premeri vrtanja, podatki o PE ceveh, podatki o injektiranju in podatki o testu pretočnosti in tlačnem testu. Priloge poročil so: karta območja vrtanja z lokacijo vrtine, zapisniki o cevitvah in cementacijah ter vgradnji PE cevi in injektiranju vrtine, zapisnik o testu pretočnosti in tlačnem testu PE cevi, izjave o skladnosti za cevi in PE cevi in izjave o skladnosti za cement in dodatke (bentonit, mivka, plastifikator, …). 13 5.12.2012 HVALA ZA POZORNOST 14