Experimental investigations concerning the compatibility of certain brines and rocks

• Autorzy: Skawiński R.

Warianty tytułu

PL

Doświadczalne badania kompatybilności niektórych solanek i skał

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In sedimentary rocks with a porous structure which is filled by water or water based solutions there exists a physico-chemical equilibrium state in regard of a system composed of water solutions and minerals (mainly clay minerals) which constitute active rock components. The equilibrium is represented by the stability of the amount of water sorbed by the rock components, i.e. the stability of internal rock swelling. Any variation of the composition of the solution contained in the pore system creates an instability of the equilibrium state and results in the swelling or shrinkage of the rock mass. Such internal swelling or shrinkage of the rock is characterised by a variation of the pore dimensions and it may be observed as a variation of the permeability during the flow of fluid in the rock-mass. The paper presents the results of experimental investigations of the permeability variations in the rock implied by the replacement of liquids contained in the rock pore system by other liquids. It was recorded that the replacement of the "native" brine filling the rock pores by brines of different composition may result in the variation of rock permeability of as much as two orders of magnitude. An attempt has been made to explain the recorded results from the standpoint of the physico-chemical interaction in the brine-rock system.

PL

Z kopalń węgla i kopalń innych surowców mineralnych podczas ich eksploatacji wydobywa się również, nieraz w ogromnej ilości, wody kopalniane, które są przeważnie solankami o różnym stężeniu zawartych w nich soli. Pozbycie się tych solanek, jako ubocznego produktu kopalni, stanowi poważny i trudny problem. Najczęściej stosowaną metodą pozbycia się tych solanek jest odprowadzenie ich do rzek. Ten sposób stwarza jednak duże niebezpieczeństwa dla gospodarki, przemysłu i przyrody, dlatego też poszukiwane są inne rozwiązania tego problemu. Jedną z takich metod jest wtłaczanie solanek do głębokich warstw wodo- lub solankonośnych w głębi ziemi. Warunkiem umożliwiającym stosowanie tej metody jest znalezienie warstw skalnych głęboko zalegających, aby uniemożliwić kontakt solanek z powierzchnią ziemi, oraz o wystarczająco dużej przepuszczalności, aby uzyskać odpowiedni wydatek wtłaczania. Następnym warunkiem, o którym czasem się zapomina, jest niezmienność przepuszczalności w przepływie wtłaczanej solanki w wybranej warstwie geologicznej, czyli kompatybilność zrzucanej solanki z wybraną skałą. Podczas wprowadzania solanki do skał suchych, zawodnionych lub zawierających już solanką pierwotną można się spodziewać zmiany przepuszczalności w takich przepływach. O zmianach przepuszczalności w przepływach wody lub solanek w niektórych skałach osadowych, np. w piaskach, piaskowcach, marglach itp. oraz w węglu, dawno już było wiadomo. W niektórych monografiach inżynierii złożowej można spotkać wzmianki na ten temat (Amyx 1960; Engelhardt 1960; Grim 1962; Mayer-Gurr 1976). Nieliczne są jednak prace poświęcone bliższemu omawianiu lub wyjaśnianiu tego zagadnienia. Po wprowadzeniu solanki do skały suchej następuje oddziaływanie wody z aktywnymi składnikami skały, ich pęcznienie i zmniejszenie przepuszczalności. Po wprowadzeniu solanki do skały nasyconej już wodą lub solanką pierwotną następuje zmiana rodzajów i stężeń jonów w roztworze w porach, co wpływa na charakter i wielkość oddziaływania wody z aktywnymi składnikami skały i powoduje zwiększenie lub zmniejsznie ich stanu pęcznienia, co z kolei prowadzi do zmniejszenia lub zwiększenia przepuszczalności w tych przepływach (Skawiński 1986; Skawiński, Dyrga 1986; Skawiński et al. 1991). W polskim przemyśle wydobywczym przykładem konieczności pozbycia się solanki kopalnianej jest kopalnia rudy miedzi w Rudnej. Kilka lat temu rozpoczęto rozważania i badania możliwości zrzutów solanki z tej kopalni do głębokich warstw geologicznych. Takie kompleksowe badania prowadzone były w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie (Siemek 1994, 1 i 2). Pewną część tych badań, sprawdzenie kompatybilności wybranych skał z solanką z kopalni Rudna przeprowadzono w Instytucie Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk w Krakowie. Istotą wykonanych eksperymentalnych badań było prowadzenie przepływów solanki przeznaczonej do wtłaczania w próbkach wybranych skał, do których projektowane było wtłaczanie tej solanki. Podczas prowadzonych przepływów mierzona była przepuszczalność w celu znalezienia ewentualnych jej zmian w czasie. W okolicach Borzęcina pod utworami górnego permu-cechsztynu na głębokości od około 1390 m do około 1450 m zalega seria wapienno-dolomitowa z ilastymi przewarstwieniami. Pod nią znajduje się seria łupkowa, grubości około 3 m, a jeszcze niżej seria szarych piaskowców o spoiwie wapnistym. Całość leży na utworach dolnego permu - czerwonym spągowcu. (Budowa Geologiczna Polski 1987) Do tych serii projektowane były zrzuty solanki wydobywanej z kopalni Rudna (solanka Rudna). W seriach tych znajduje się rodzima solanka (solanka Borzęcin). Próbki skał i próbki nasycającej je solanki rodzimej (solanka Borzęcin) pobrane zostały z omówionych utworów z kilku otworów badawczych (Borzęcin 21, 22, 25, 26). Do badań kompatybilności skał i solanek użyte zostały rdzenie wiertnicze z serii szarych piaskowców (Borzęcin 21 i Borzęcin 22) i z serii wapienno-dolomitowej (Borzęcin 25 i Borzęcin 26). Z otrzymanych rdzeni wiertniczych z serii szarych piaskowców przygotowane zostały próbki skał do badań, nazwane Borzęcin 21 (1446-1455 m) i Borzęcin 22 (1441-1450 m), a z serii wapienno--dolomitowej próbki nazwane Borzęcin 25 (1431-1435 m) i Borzęcin 26 (1401-1405 m). Oba użyte roztwory: solanka Rudna i solanka Borzęcin, różniły się stężeniem zawartych w nich soli. Solanka Rudna, o ogólnej zawartości różnych soli 14%, zawierała 12% chlorku sodu, 1,2% chlorków wapnia i magnezu i drobne ilości innych soli. Solanka Borzęcin natomiast, o ogólnej zawartości różnych soli 21%, zawierała 16,5% chlorku sodu, 4,1% chlorków wapnia i magnezu i drobne ilości innych soli. Przepływ w przygotowanych próbkach prowadzony był pod ciśnieniem słupa roztworu wysokości 6,4 m. Wydatek przepływu oznaczany był wagowo w mierzonym czasie i wyliczany z uwzględnieniem odpowiedniej gęstości roztworu. W przygotowanych próbkach skał (piaskowcach: Borzęcin 21 i 22 i dolomitach: Borzęcin 25 i 26) prowadzone były przede wszystkim przepływy solanki rodzimej (solanki Borzęcin) i następnie solanki wtłaczanej (solanki Rudna). Prowadzone były również inne kombinacje przepływów solanek oraz przepływy wody. Pomiary przepuszczalności prowadzone były aż do praktycznego jej ustalenia się. Wyniki eksperymentów w postaci znalezionego przebiegu zmian przepuszczalności w czasie w prowadzonych przepływach zebrane są na ośmiu rysunkach. Każdy rysunek przedstawia zmiany przepuszczalności, wyrażonej jako stosunek aktualnej mierzonej przepuszczalności w przepływie wody lub solanki, do przepuszczalności standardowej, k/kN. Przepuszczalność standardowa mierzona była w przepływie azotu w próbce suchej "as received", przy różnicy ciśnienia 0,1 MPa (nadciśnienia) do ciśnienia atmosferycznego. Rysunki przedstawiają zmiany przepuszczalności w czasie (wyrażonym w dniach) podczas badanych przepływów. W próbkach piaskowca, w przepływie wody lub solanek (Borzęcin i Rudna), przepuszczalność zmienia się niewiele. Przedstawione to jest na rysunkach 1, 2 i 3. W próbkach dolomitu skała wykazuje dużą aktywność wobec wody i jonów w niej zawartych. W przepływie wody lub obcej solanki (Rudna) w próbce, po pierwszym nieznacznym zmniejszeniu się przepuszczalności w pierwszych kilku dniach przepływu, następują mniej szybkie zmiany przepuszczalności. Zmiany te wynikają z oddziaływania wody i solanek ze składnikami skały. Przedstawiają to rysunki 4, 5, 7. Przepływ rodzimej solanki (Borzęcin) w początkowo suchych próbkach dolomitu nic powoduje znaczniejszych zmian przepuszczalności. Skała w naturalnym stanie w złożu była w równowadze oddziaływania ze solanką rodzimą. Po pobraniu rdzenia ze złoża, jego wysuszeniu i ponownym nasyceniu solanką rodzimą, została odtworzona ta równowaga, a wraz z nią stan pęcznienia i przepuszczalność. Po zamianie w tych przepływach rodzimej solanki na obcą (Rudna) w pierwszych kilku dniach następuje szybki i duży (dziesięciokrotny) spadek przepuszczalności. Dalszy przepływ tej solanki powoduje dalszy spadek przepuszczalności, po 20 do 30 dniach nawet kilkudziesięciokrotny. Przedstawione to jest na rysunkach 6 i 8. Każde obserwowane zachowanie się przepływu może być wyjaśnione fizyczno-chemicznymi zjawiskami zachodzącymi w układzie: wodny roztwór jonów i aktywne składniki skały (minerały iłowe obecne w skale). W przepływie wody i obcej solanki (solanki Rudna) w próbkach skał dolomitowych następuje znaczne zmniejszanie się przepuszczalności. Następuje to w wyniku zmniejszenia ogólnego stężenia soli i stężenia jonów wapnia i magnezu w porach skały. Solanka Rudna jest bowiem znacznie mniej stężona (14%), w porównaniu do rodzimej solanki Borzęcin (21%). To samo dotyczy oczywiście przepływów wody. Takie różnice w stężeniu jonów wystarczą do wywołania wzrostu wewnętrznego pęcznienia aktywnej skały, co powoduje duże (nawet kilkudziesięciokrotne) zmniejszenie się przepuszczalności w takich przepływach. Opisane wyniki badań oddziaływania skały z przepływającym roztworem są przykładem konieczności poznania przebiegu i wielkości takiego oddziaływania w każdym przewidywanym przypadku zmiany przepływającego roztworu w skale. Poznanie oddziaływania skały z przepływającym roztworem może być wykorzystane do zamierzonej zmiany przepuszczalności w przepływach w skałach.

Słowa kluczowe

EN

brine-rock interaction; rock physico-chemistry; rock permeability variations

PL

oddziaływanie skała-solanka; chemia fizyczna skał; zmiany przepuszczalności w przepływach w skałach

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2002
• Tom: Vol. 47, nr 1
• Strony: 81--92
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., wykr.

Twórcy

autor

Skawiński R.

• Instytut Mechaniki Górotworu, Polska Akademia Nauk, ul. Reymonta 27, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Amyx J.W., Bass D.M., Withing R.J., 1960: Petroleum reservoir engineering. Physical properties, Me Grow-Hill, New York.
• [2] Budowa Geologiczna Polski, 1987: Złoża surowców mineralnych. T IV. Praca zbiorowa Instytutu Geologicznego, Wyd. Geologiczne.
• [3] Engelhardt von W., 1960: Der Porenraum der Sedimente. Springer, Berlin.
• [4] Grim R.E., 1962: Applied clay mineralogy. Mc Grow-Hill, New York.
• [5] Mayer-Gurr A., 1976: Geology of petroleum vol. 3. Petroleum Engineering, Stuttgart.
• [6] Siemek J., Kijewski P., Stopa J., Rybicki C., 1994: Komputerowa symulacja procesu zatłaczania solanki do złoża gazu Borzęcin. Materiały konferencji „Głębinowe zatłaczanie solanki z kopalń rud miedzi z wykorzystaniem struktur pogazowych”, Sobótka, KBN, KG HM Polska Miedź w Lubinie.
• [7] Siemek J., Rybicki C., Stopa J., 1994: Określenie przepuszczalności struktury Borzęcin na podstawie testu chłonności. Materiały konferencji „Głębinowe zatłaczanie solanki z kopalń rud miedzi z wykorzystaniem struktur pogazowych”, Sobótka, KBN, KGHM Polska Miedź w Lubinie.
• [8] Skawiński R., 1986: Przepływ wody w ośrodkach porowatych. Archiwum Górnictwa 31, 1, 111-123.
• [9] Skawiński R., Dyrga L.,1986: Zmiany przepuszczalności w przepływach wody w skałach osadowych. Archiwum Górnictwa 31, 1, 125-133.
• [10] Skawiński R., ŻółcińskaJ., Dyrga L., 1991: Experimental investigations of the flow of water and some water solutions in sandstones. Mining Science and Technology 13, 423-432.
• [11] Skawiński R., 1994: Some examples of non-compatibility of saline water and rock. 5th Intern. Mine Water Congress, Nottingham, September 1994, Proceedings vol. 2. s. 835-843.