Alternativní způsob likvidace starých těžebních vrtů a sond v oblasti CHOPAV Kvartér řeky Moravy

Palivový kombinát Ústí, státní podnik (PKÚ, s. p.) na základě usnesení Vlády ČR č. 713 ze dne 27. 6. 2007 realizuje od roku 2010 likvidaci starých ekologických zátěží (SEZ) po průzkumu a těžbě a úpravě ropy a zemního plynu v odpovědnosti státu na území jižní Moravy.

Sanační projekty jsou realizovány v chráněné oblasti přirozené akumulace vod Kvartér řeky Moravy (CHOPAV). Jako staré ekologické zátěže zde vystupují staré průzkumné vrty a těžební ropoplynové sondy, různé zbytky původních těžebních technologií a zeminy a podzemní vody kontaminované ropnými látkami.

Jedná se o poměrně velké území (více než 100 km²) náležející okresu Hodonín a Břeclav, na kterém se nachází celkem 607 ropoplynových sond. Jsou to převážně staré sondy, které sloužily k těžbě uhlovodíků, a vrty, realizované jako průzkumná díla. Vyhloubeny byly v širokém časovém rozpětí. První z nich byly realizovány již ve dvacátých letech minulého století. Ukončení činnosti posledních relikvidovaných objektů spadá do sedmdesátých let minulého století.

Likvidace těžebních sond na ropu a plyn je závažným technickým problémem a je často velmi náročná jak po stránce časové a technické, tak nákladové a je nutno jí věnovat náležitou pozornost. Cílem likvidace starých sond je především prokazatelně uzavřít všechny otevřené, těžené i netěžené kolektorské vrstvy (obzory, horizonty) tak, aby nemohlo v žádném případě dojít k migraci médií z vrstev podél původních pažnicových kolon (vně i uvnitř), popřípadě nezapaženými intervaly stvolu k povrchu. Z prostudovaných materiálů k problematice likvidace starých těžebních sond vyplývá, že prvotní likvidace nebyly vždy úspěšné a že mezi ložiskem a povrchem (nebo podpovrchovými propustnými obzory) v určitých případech zůstává komunikační kanál, umožňující průnik vrstevních médií (obr. 1). Takový stav nastává např. v případě, kdy těžební pažnicová kolona nebyla zacementována až nad patu úvodní kolony, byla ustřelena nad předpokládanou hlavou cementu v zapažnicovém prostoru a následně byla zcela, popřípadě částečně vytěžena. Část stvolu pak zůstala bez jakékoliv výstroje, a pokud cementové mostky (nad poslední perforací a u ústí sondy) nebyly těsné nebo netěsnilo mezikruží pažnicových kolon, bude za určitých podmínek docházet k průniku vrstevních médií k povrchu. U sond s odstraněnými pažnicemi nelze tedy vždy očekávat cementový mostek u ústí sondy, a pokud byla těžební pažnicová kolona vytěžena v celé délce sondy, nemusí být žádné mostky ani ve „spodní“ části sondy a průniky vrstevních tekutin jsou pak intenzivnější. Takovéto zdroje kontaminace je nutno odstranit. Sondy musí být relikvidovány (opakovaně likvidovány) na základě prováděcího technického projektu, který musí být vypracován v souladu s vyhláškou ČBÚ č. 239/1998 Sb., v platném znění. V průběhu prací musí být dodrženy další platné báňské předpisy a zákonné normy.

S ohledem na to, že se předmětné sondy nacházejí ve zvlášť exponovaném území z hlediska ochrany vodních zdrojů, musí prováděcí projekty plně respektovat rovněž vyjádření účastníků řízení a klást zvýšený důraz na splnění požadavků vyplývajících ze zákona o vodách.

Dohledané sondy a vrty jsou relikvidovány tzv. klasickým způsobem, kdy jsou technologické operace prováděné v původním stvolu. Pro případy, kdy se nepodařilo dohledat ústí sondy (pažnice byly odstraněny), bylo navrženo alternativní řešení. V místě původního likvidovaného vrtu s vytěženými pažnicemi je vyhlouben nový vrt totožný, případně paralelní s původním stvolem (obr. 2). Ve vybraném horizontu nad posledním testovaným nebo těženým obzorem je provedena přibírka, následně kumulativní perforace a nakonec tlaková injektáž cementovou kaší za účelem vytvoření cementových horizontálních přepážek (ve tvaru „disků), které protnou původní stvol. Tím dojde k přerušení možné komunikace nebezpečných horizontů s nadložními vrstvami i povrchem. Laboratorním ověřením navržené metodiky byli pověřeni pracovníci Institutu geologického inženýrství a Institutu čistých technologií HGF, VŠB-TU Ostrava.

Všechny laboratorně zkoumané horninové vzorky byly získány z vrtných jader dodaných zhotovitelem. Jádrování bylo provedeno na pilotním vrtu H-111 přes vybraný – zájmový horizont (118,0 – 120,0 m), a to před výše uvedenými technologickými operacemi a po nich. Z výsledků semikvantitativních práškových RTG difrakčních analýz je zřejmé, že se jedná o vápnité a dolomitické nezpevněné nebo jen málo zpevněné sedimenty – jílovité prachy a písky. Pro stanovení pevnosti v tlaku prostém bylo použito moderní zařízení pro testování hornin MTS 816 Rock Test Systém. Toto zařízení je plně automatizováno a je řízeno pomocí softwarové aplikace přímo z PC (obr. 3). Pro stanovení permeability vzorků byla využita měřicí aparatura vlastní konstrukce MAF VII (obr. 4) a aparatura GPE 30/Liqperm francouzské firmy Vinci Technologies (obr. 5).

Pro účely vlastního výzkumu hydraulického štěpení byla navržena a vyrobena tlakovací cela, ve které je horninový vzorek uchycen a následně instalován do tlakovací komory. Tlakovací cela i vyvinutá metodika měření byla přihlášena jako funkční vzorek. Jako tlakovací komora byla v daném případě využita vysokotlaká aparatura s pracovním označením RK-2 (obr. 6). Jde o tlakovou reakční komoru (RK) řady dvě (2), která je obvykle používána jako tlakový permeametr při sledování procesů filtrace za aplikace druhotných těžebních metod (zvyšování vytěžitelnosti ložisek). Aparatura umožňuje pracovat s tlaky do 16 MPa za teplot 80 °C.

Z vrtných jader byly odříznuty válcové horninové vzorky (výška válečků byla různá – odvozená od výšky neporušené části jádra). V ose válečku pak byly ručně odvrtány díry o průměru 20 mm, které simulovaly stvol vrtu. Takto připravené vzorky byly umístěny do tlakovací cely (obr. 6).

Při vtláčení kapaliny do „stvolu“ došlo většinou již při nárůstu tlaku na hodnotu cca 1,5 bar (0,15 MPa) v průběhu 2–3 sec k naštěpení (porušení) horninového vzorku.

Rozsah štěpení provedeného ve vrtu H 111 byl ověřen pomocí 4 kontrolních vrtů (AR OV 1 až AR OV 4). Jádrované zájmové intervaly se nacházely od osy vrtu H 111 ve vzdálenostech: OV 1 – 1,60 m, OV 2 – 2,20 m, OV 3 – 1,5 m a OV 4 – 1,8 m.

Na těchto jádrech pak byla opět stanovována pevnost v tlaku prostém a jejich kolektorské vlastnosti. Bylo zjištěno, že vzhledem k charakteru horninového prostředí v zájmovém intervalu (málo soudržné až nesoudržné jílovité prachy) zde nebude pravděpodobně docházet ke vzniku klasických systémů trhlin. Horninový materiál rozrušený perforací je při tlakové injektáži promícháván s cementovou suspenzí a zatlačován do okolního prostředí. Vznikají tak nepropustné přepážky ve tvaru „disků“. Přítomnost takto ovlivněné zóny (impregnované cementem) byla zaznamenána nejdále na kontrolním vrtu OV 2 (v mocnosti cca 65 cm), a to ve vzdálenosti 2,25 m od osy vrtu H 111. Na základě získaných výsledků pak byla navržena úprava technologie perforace a štěpení. Bylo konstatováno, že vzniklá nepropustná směs (hornina-cement) se jeví jako vhodný těsnicí materiál pro likvidaci stvolů nedohledaných vrtů. Při realizaci výše popsaného alternativního způsobu likvidace sond se již vícekrát stalo, že v různých hloubkách (od 20 do 100 m) došlo ke kontaktu vrtného nářadí s původními pažnicemi a k najetí nářadí do těchto pažnic (tedy do původního stvolu sondy). Tato situace nebyla vyvolána záměrně – nejednalo se tedy o nějaké orientovaně vedené usměrněné vrtání. K nasměrování zde došlo j akoby „ samovolně“, a le v podstatě j de o důsledek objektivních příčin daných způsobem provádění předchozích vrtných a likvidačních prací se zohledněním charakteristik horninového (zeminového) masivu. To dokumentuje, že při původní realizaci vrtu byla narušena konzistentnost zemin v blízkosti vrtu (tzv. zóna ovlivnění hornin). Při následné realizaci alternativního způsobu zajištění sond si vrtné nářadí hledá „cestu nejmenšího odporu“ a nasměruje se v hornině do původního stvolu. Zjišťovaný stav potvrzuje tezi, že původní stvoly vrtů tak tvoří predispoziční kanály, které umožňují komunikaci mezi kolektorskými vrstvami, nadložními propustnými vrstvami, popřípadě povrchem. Zároveň vytvářejí oblast, která klade nejmenší odpor z hlediska vrtatelnosti (odpor proti rozpojování). Tento předpoklad potvrzuje i skutečnost, že v několika případech byla při hloubení nového vrtu v místě původní těžební sondy zjištěna ropa. Tato ropa se nacházela několik desítek metrů nad původním ropným obzorem. Zjištěné poznatky dokumentují oprávněnost postupů navrhovaných pro relikvidaci nedohledaných těžebních sond (s vytěženými pažnicemi), tedy provedení izolace stvolu alternativním způsobem.

Článek byl vypracován v rámci projektu ICT CZ.1.05/2.1.00/03.0082 (Institut čistých technologií těžby a užití energetických surovin) financovaného Evropskou unií a z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy.