| |
|
|
|
|
|
Doświadczalne badania kompatybilności niektórych solanek i skał |
|
|
|
|
Doświadczalne badania kompatybilności niektórych solanek i skał Autor: R. Skawiński
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/k sub N. 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.
|
|
|
|
|
Reklama |
 |
|
|
2011