WYNIKI BADAŃ HYDROGEOLOGICZNYCH PROWADZĄCYCH DO ROZPOZNANIA
I UDOSTĘPNIENIA
ZASOBÓW WÓD TERMALNYCH NA TERENIE GMINY KLESZCZÓW
Krzysztof Jasnos
1a, Piotr Kołba
2b, Henryk Biernat
3c, Bogdan Noga
4d1 Zakład Komunalny KLESZCZÓW Sp. z o.o., ul. Główna 41, 97-410 Kleszczów
2 SOLPARK KLESZCZÓW Sp. z o.o., ul. Sportowa 8, 97-410 Kleszczów
3 Przedsiębiorstwo Geologiczne POLGEOL S.A., ul. Berezyńska 39, 03-908 Warszawa
4 Instytut Mechaniki Stosowanej i Energetyki, Politechnika Radomska, ul. Krasickiego 54, 26-600 Radom
e-mail: asekretariat@zkkkleszczow.pl, bprezes@kompleks-solpark.pl,
chenryk.biernat@polgeol.pl, db.noga@pr.radom.pl
Streszczenie
W artykule przedstawione zostały wyniki badań, które prowadzone były na terenie gminy Kleszczów za pomocą dwóch otworów geotermalnych. Po zakończonych badaniach hydrogeologicznych pierwszy z wykonanych otworów pełni rolę otworu eksploatacyjnego, a drugi chłonnego. W obydwóch otworach wykonano badania geologiczne, hy- drogeologiczne oraz geofizyczne. Na zakończenie badań przeprowadzono jeszcze badania chłonności warstwy wo- donośnej za pomocą pompowania z otworu Kleszczów GT-1 do otworu Kleszczów GT-2.
THE RESULTS OF THE HYDROGEOLOGICAL RESEARCH LEADING TO KNOW AND DEVELOP THE RESOURCES OF THERMAL WATER IN THE KLESZCZÓW DISTRICT
Summary
The article presents the results of research that were conducted on two geothermal wells in Kleszczów. After com- pletion of the hydrogeological test, it was decided that the first well acts as production well and the second one acts as the injection well. The geological, hygrogeological and geophysical tests were performed on both wells. Fi- nal test was conducted on aquifer absorbency by pumping thermal water from Kleszczów GT-1 well to
twie Kleszczowa znajduje się góra Kamieńsk, coraz popularniejsze w kraju miejsce sportów zimowych.
Władze gminy Kleszczów postanowiły wykonać badania prowadzące do rozpoznania i udokumentowania zasobów wód termalnych (wód podziemnych które charakteryzu- ją się temperaturą na powierzchni wyższą od 20oC), które mogłyby być wykorzystywane do celów ciepłowni- czych, balneologicznych i rekreacyjnych.
Badania związane z rozpoznaniem zasobów wód termal- nych na terenie gminy Kleszczów prowadzone były trójetapowo:
− Etap I - realizowany był w okresie od lipca do listopada 2009r. zgodnie z projektem prac geolo- gicznych [6]. Podczas tego etapu wykonano otwór badawczy Kleszczów GT-1 do głębokości 1620 m [5]. Za pomocą tego otworu rozpoznana została rzeczywista budowa geologiczna rejonu badań oraz udostępniono dolnojurajską wodę termalną. Otwór ten jest wykonany w technologii rur stalowych ponieważ korozja w otworach eksploatacyjnych rozwija się w zdecydowanie mniejszym stopniu [4].
Warstwa wodonośna ujmująca wody termalne nie jest zafiltrowana (otwór bosy). Następnie prze- prowadzone zostały badania hydrogeologiczne po- legające na pompowaniu oczyszczającym i pomiarowym. W wyniku przeprowadzonej anali- zy okazało się, że wydobyta woda termalna będzie mogła być wykorzystana do celów ciepłowniczych, co w tym przypadku było równoznaczne z podję- ciem decyzji o wykonaniu kolejnego etapu badań.
− Etap II - realizowany w okresie od grudnia 2010r.
do marca 2011r. zgodnie z aneksem do projektu prac geologicznych [1] zakończony został wykona- niem otworu Kleszczów GT-2 do głębokości 1725 m, w utworach jury dolnej. Otworem tym w celu powiększenia powierzchni roboczej ujęto również
warstwy wodonośne jury środkowej. Stalowe ele- menty systemów geotermalnych narażone są na niekorzystne działanie korozji [3], która rozwija się głównie w rurociągach tłocznych i otworach zatła- czających. W związku z tym otwór chłonny Klesz- czów GT-2 został wykonany z rur z tworzywa sztucznego wzmocnionych włóknem szklanym - typu fiberglass. Strefa złożowa została poszerzona i zafiltrowana filtrem typu Johnson. Po wykonaniu badań geologicznych i geofizycznych w otworze tym wykonano badania hydrogeologiczne polega- jące na pompowaniu oczyszczającym i pomiaro- wym.
− Etap III - realizowany na przełomie czerwca i lipca 2011r. miał na celu rozpoznanie właściwości chłonnych ujętej warstwy wodonośnej oraz stwier- dzenie więzi hydraulicznej pomiędzy otworem eks- ploatacyjnym Kleszczów GT-1 i chłonnym Klesz- czów GT-2. Podczas tego etapu wykonano za po- mocą pompy głębinowej pompowanie eksploata- cyjno-zatłaczające z otworu Kleszczów GT-1 do Kleszczów GT-2. Z przeprowadzonych dotychczas podobnych badań wynika, że możliwości eksplo- atacyjne instalacji geotermalnych nie zależą od możliwości wydobywczych ale od możliwości chłonnych warstwy wodonośnej [3].
2. WYNIKI BADAŃ GEOLOGICZNYCH
Rejon Kleszczowa znajduje się na pograniczu dwóch regionalnych mezozoicznych jednostek geologicznych:
niecki mogileńsko-łódzkiej i niecki miechowskiej (Niż Polski). Obie jednostki rozdziela elewacja radomszczań- ska, zamykająca od południowego zachodu nieckę mogileńsko-łódzką.
Stratygrafia faktyczna otworu Kleszczów GT-1 znacznie odbiega od stratygrafii zakładanej w projekcie prac geologicznych. W stosunku do stanu projektowanego zostały znacznie rozbudowane utwory jury górnej (rys.
1), a utwory jury dolnej zostały ujęte fragmentarycznie [1]. W tym przypadku przesunięcie lokalizacji otworu Kleszczów GT-1 o kilkadziesiąt metrów w kierunku NE mogłoby skutkować bardzo słabymi parametrami wody termalnej lub wręcz nawet jej brakiem. Mogłoby się
okazać, że po przejściu jury górnej od razu zostałyby nawiercone utwory triasu górnego, który posiada gorsze warunki kolektorskie od jury dolnej. Z kolei przesunięcie lokalizacji otworu Kleszczów GT-1 o kilkadziesiąt metrów w kierunku zachodnim można byłoby ująć wodę termalną z niżej położonych warstw jury dolnej. Na
profilu jury górnej co może wskazywać, że otwór ten przechodzi przez strefę dyslokacyjną Kleszczów - Kodrąb.
Podczas wykonywania otworu Kleszczów GT-1 bardzo trudne było zlokalizowanie utworów jury dolnej, które powinny być ujęte w celu eksploatacji wody termalnej.
Tuż pod górną warstwą utworów jury dolnej zlokalizo- wany został kolejny uskok, po którego przekroczeniu
nawiercono utwory triasu górnego. Tak więc do eksplo- atacji zostały ujęte jedynie górne warstwy poziomu wodonośnego jury dolnej.
W pobliżu otworu chłonnego Kleszczów GT-2 przebiega główna strefa dyslokacyjna Kamieńsk – Żłobnica. Strefa Rys. 1. Przekrój geologiczny w rejonie prowadzonych badań
W trakcie pompowania oczyszczającego i pomiarowego badania temperatury i położenia zwierciadła wody realizowano przy użyciu sondy z automatyczną rejestra- cją danych opuszczonej do otworu na głębokość 120 m p.p.t. Pomiarów wydajności pompowania dokonywano przepływomierzem elektromagnetycznym, również z automatyczną rejestracją danych, zamontowanym przy głowicy otworu na rurociągu odprowadzającym wodę.
Pompowanie oczyszczające prowadzono przy użyciu dźwigu gazowego (air-lift) ze wzrastającą wydajnością od około 100 m3/h do 202 m3/h. Wydajność 200 - 202 m3/h utrzymywano przez okres około godziny przed zakończeniem pompowania oczyszczającego. Na koniec pompowania uzyskano klarowną solankę bez piasku i zawiesiny pylastej. Przy wydajności 202 m3/h tempera- tura wody osiągnęła 50oC, a zwierciadło wody ustabili- zowało się na głębokości 87,7 m [5].
Pompowanie pomiarowe przeprowadzono przy użyciu pompy głębinowej opuszczonej do otworu na głębokość 127 m, dla trzech stopni dynamicznych po trzy godziny na każdym stopniu. Ostatni, trzeci stopień pompowania pomiarowego charakteryzował się wydajnością pompo- wania 200,6 m3/h i temperaturą solanki na wypływie na poziomie 52,2oC.
Badania hydrogeologiczne w otworze Kleszczów GT-2 przeprowadzono po zakończeniu prac wiertniczych oraz ujęciu warstw wodonośnych jury środkowej i dolnej.
W trakcie pompowania oczyszczającego i pomiarowego badania temperatury i położenia zwierciadła wody realizowano przy użyciu sondy z automatyczną rejestra- cją danych, opuszczonej do otworu Kleszczów GT-2 na głębokość 220 m. Pomiarów wydajności pompowania dokonywano przy użyciu skrzyni przelewowej z prosto-
kątnym przelewem o szerokości 50 cm.
Pompowanie oczyszczające prowadzono za pomocą dźwigu gazowego (air-lift) opuszczonego na głębokość 241 m ze średnią wydajnością 250 m3/h. Pulsacyjny charakter pracy kompresora uniemożliwiał płynną rejestrację i stopniowe zwiększanie wydajności. Wartości wydajności chwilowej w trakcie pompowania oczyszcza- jącego wahały się od 190 do ponad 300 m3/h.
Pompowanie pomiarowe przeprowadzono na trzech stopniach dynamicznych, a łączny czas pompowania wynosił 8 godzin. Ostatni, trzeci stopień pompowania pomiarowego wykonywany był z wydajnością 240,6 m3/h przy temperaturze wypływu solanki wynoszącej 45,9oC [2].
W trakcie prowadzonego pompowania pomiarowego otworu Kleszczów GT-2 zwierciadło wody w obserwo- wanym otworze Kleszczów GT-1 wykazywało bardzo nieznaczne wahania, rzędu kilku centymetrów. Może to świadczyć o bardzo słabej więzi hydraulicznej między otworami geotermalnymi.
Przed przystąpieniem do pompowania eksploatacyjno- zatłaczającego dokonano połączenia otworów Kleszczów GT-1 i Kleszczów GT-2 rurociągiem tłocznym o długo- ści około 3200 m. Przyjęto, że eksploatacja wody ter- malnej prowadzona będzie otworem Kleszczów GT-1 natomiast otwór Kleszczów GT-2 będzie pełnił rolę otworu chłonnego (rys. 2). Ze względu na korozyjne działania schłodzonej wody termalnej rurociąg ten został wykonany podobnie jak otwór Kleszczów GT-2 z rur z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym. Na rurociągu tłocznym tuż przed otworem chłonnym zainstalowana została bateria filtrów świeco- wych.
Rys. 2. Schemat pompowania eksploatacyjno-zatłaczającego
W trakcie pompowania eksploatacyjno-zatłaczającego prowadzono pomiary temperatury i położenia zwiercia- dła wody w otworze eksploatacyjnym Kleszczów GT-1, przy użyciu sondy z automatyczną rejestracją danych, opuszczonej do otworu na głębokość 140 m. Przy otwo- rze GT-1 zamontowano ponadto ciśnieniomierz elektro- niczny. Pomiarów wydajności pompowania dokonywano przy użyciu wodomierza elektromagnetycznego, zainsta- lowanego przed otworem chłonnym Kleszczów GT-2.
Przed otworem GT-2 wykonano ponadto zautomatyzo- wane pomiary ciśnienia i temperatury wody oraz kon- trolne pomiary ciśnienia przed i za filtrami świecowymi przy użyciu manometrów.
Pompowanie eksploatacyjno-zatłaczające przeprowadzo- no przy użyciu pompy głębinowej zamontowanej w otworze Kleszczów GT-1. Przy jednoczesnym ciągłym pompowaniu i zatłaczaniu trwającym 168 godzin uznać można, że udokumentowano wystarczającą odnawialność zasobów eksploatacyjnych w wysokości 150 m3/h. Od- powiadająca tej wydajności depresja w otworze eksplo- atacyjnym Kleszczów GT-1 wynosi 55 m, natomiast ciśnienie zatłaczania wynosiło około 4,4 bar. Tempera- tura wody termalnej na wypływie z otworu Kleszczów GT-1 wynosi 52,2oC [2].
4. PODSUMOWANIE
Uzyskane wyniki z badań geologicznych wykonanych otworami Kleszczów GT-1 i Kleszczów GT-2 potwierdzi- ły złożoną (blokową) budowę geologiczną analizowanego rejonu. W otworze GT-1 stwierdzono dwie strefy dyslo- kacyjne, pierwszą w utworach jury górnej, druga spo- wodowała wyklinowanie utworów jury dolnej. Dodatko- wo pomiędzy otworami Kleszczów GT-1 i Kleszczów GT-2 stwierdzono koleją strefę dyslokacji. Występowa- nie stref dyslokacyjnych ma ogromy wpływ na uzyskane parametry wody termalnej.
W otworze Kleszczów GT-2 w celu powiększenia strefy
Podczas pompowania pomiarowego z otworu Kleszczów GT-1 uzyskano wydajność 202,6 m3/h przy temperatu- rze 52.2oC. W przypadku otworu Kleszczów GT-2 zarejestrowana wydajność eksploatacyjna wynosi 240,6 m3/h. Wyższa wydajność zanotowana w otworze Klesz- czów GT-2 niż ta zanotowana w otworze Kleszczów GT- 1 może wynikać z faktu dopływu wody termalnej z warstwy jury środkowej (otwór Kleszczów GT-1 ujmuje jurę dolną).
Podczas pompowań pomiarowych otworu Kleszczów GT-2 zaobserwowano bardzo małą więź hydrauliczną pomiędzy otworem Kleszczów GT-1 i Kleszczów GT-2.
Przyczyną tego stanu może być zwiększony przypływ wody termalnej z jury środkowej. Inną przyczyną takie- go stanu może być budowa geologiczna a w szczególno- ści występowanie dyslokacji.
Zaobserwowana bardzo słaba więź hydrauliczna między otworami może być spowodowany również zbyt krótkim okresem pompowania pomiarowego. Niemniej jednak, fakt ten może mieć wpływ na przyszłą eksploatację całego obiegu geotermalnego.
Temperatura zanotowana przy wypływie z otworu Kleszczów GT-2 (45,9oC) jest niższa od tej notowanej w otworze Kleszczów GT-1 (52,2oC) mimo większej głębokości (Kleszczów GT-1 - 1620 m, Kleszczów GT-2 - 1725 m). W tym przypadku niższa temperatura może świadczyć o głównym dopływ chłodniejszej wody z warstw jury środkowej.
W trakcie pompowania eksploatacyjno - zatłaczającego ustalono maksymalną wydajność eksploatacji złoża otworem Kleszczów GT-1 na poziomie 150 m3/h przy ciśnieniu zatłaczania 4,4 bara.
Z uwagi na złożoną budowę geologiczną jak również warunki hydrogeologiczne i zastosowanie nowych mate- riałów w otworach i rurociągach tłocznych praca duble-
Literatura
1. Biernat H., Gryszkiewicz I., Bentkowski A., Martyka P.: Aneks do projektu prac geologicznych w celu wykonania otworu poszukiwawczo-rozpoznawczego za wodami termalnymi w Kleszczowie. Warszawa: Przedsiębiorstwo Geo- logiczne POLGEOL S.A., 2009.
2. Biernat H., Kapuściński J., Niewiarowicz J., Martyka P.: Dokumentacja hydrogeologiczna ustalająca zasoby eksploatacyjne ujęcia wód termalnych w Kleszczowie wraz z określeniem warunków wtłaczania wód wykorzysta- nych do górotworu. Warszawa: Przedsiębiorstwo Geologiczne POLGEOL S.A., 2011.
3. Biernat H., Kulik S., Noga B.: Problemy związane z eksploatacją ciepłowni geotermalnych wykorzystujących wody termalne z kolektorów porowych. “Technika Poszukiwań Geologicznych, Geotermia, Zrównoważony Roz- wój” 2010, 1-2, s. 17 - 28.
4. Biernat H., Kulik S., Noga B., Kosma Z.: Problemy korozji przy zatłaczaniu wykorzystanych wód termalnych.
“Modelowanie Inżynierskie” 2010, nr 39, t. 8., s. 13 - 18.
5. Biernat H., Posyniak A., Bentkowski A.: Dokumentacja otworowa otworu geotermalnego Kleszczów GT-1. War- szawa: Przedsiębiorstwo Geologiczne POLGEOL S.A., 2009.
6. Bujakowski W., Barbacki W., Bielec A., Graczyk S., Hołojuch G., Pająk L., Tomaszewska B.: Projekt prac geologicznych w celu wykonania otworu poszukiwawczo-rozpoznawczego za wodami termalnymi w Kleszczowie.
Kraków: PAN, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią, Zakład Energii Odnawialnej, 2008.
7. Kapuściński J., Nagy S., Długosz P., Biernat H., Bentkowski A., Zawisza L., Macuda J., Bujakowska K.: Zasady i metodyka dokumentowania zasobów wód termalnych i energii geotermalnej oraz sposoby odprowadzania wód zużytych: poradnik metodyczny. Warszawa: Departament Geologii Ministerstwa Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa, 1997.
