Hidraulikus kőzetrepesztés, elmélet és gyakorlat

Átírás

1 Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2015 (Szerk: Török Á., Görög P. & Vásárhelyi B.) oldalak: Hidraulikus kőzetrepesztés, elmélet és gyakorlat Hydraulic Fracturing, Theory and Practice Dankó Gyula Golder Associates (Magyarország) Zrt., Vásárhelyi Balázs BME, Geotechnika és Mérnökgeológia Tsz., ÖSSZEFOGLALÁS: A primer feszültségállapot főkomponens értékei alapvető fontosságúak a felszín alatti terek tervezéséhez. A nehézségi erő egy függőleges feszültséget eredményez (σ v ), amely a mélység felé haladva lineárisan növekszik. A kőzettestben fellépő vízszintes feszültség elméleti úton történő meghatározása már jóval nehezebb, így a horizontális síkban fellépő főfeszültségeket közvetlen méréssel célszerű meghatározni. Ezen módszerek egyike a hidraulikus kőzetrepesztés. A módszer lényege, hogy a fúrás egy rövid vizsgálati szakaszát megfelelő mélységében (felfújható pakkerekkel) elzárjuk, majd az elkülönített szakaszba fluidumot (általában vizet) injektálunk. Az injektálás hatására, a hidraulikus nyomás gyorsan emelkedik, majd a fúrólyuk falán, egy általában függőleges repedés keletkezik. Az alkalmazott nyomások és injektálási hozamok rögzítése és kiértékelése lehetővé teszi a horizontális főfeszültségek meghatározását. A lyukfalon keletkezett repedés geofizikai vizsgálatával (BHTV) a minimális főfeszültség iránya is meghatározható. A BAF-2 fúrásban sikeresen alkalmaztuk a hidraulikus kőzetrepesztés módszerét, így 4 mélységben meg tudtuk határozni a minimális és maximális főfeszültségeket, illetve ezek irányát. ABSTRACT: The values of the principal components of the primary stress field are of fundamental importance for designing underground cavities. Gravitation induces a vertical stress (σ v ) which increases linearly with depth. Deriving the horizontal stress in a rock mass in a purely theoretically is much more difficult and therefore the principal components of the horizontal stress are determined by direct measurements. One of those methodologies is hydraulic fracturing. The essence of the method is that a short section of the borehole is sealed off (by inflatable packers) and then some fluid (generally water) is injected into the sealed section. Due to the injection the hydraulic pressure quickly increases and then a (generally vertical) fracture is induced on the borehole wall. By recording and interpreting the applied pressures and injection rates the derivation of the principal horizontal stress components becomes possible. By investigating the induced fracture by geophysical measurements (borehole televiewer BHTV) the minimal stress orientation can also be determined. The minimal and maximal stress components values and orientations were determined successfully at 4 different depth intervals in the BAF-2 borehole with the help of hydraulic fracturing. Kulcsszavak: kőzetfeszültség, hidraulikus kőzetrepesztés, BAF keywords: rock field stress, hydraulic frcturing, Bodai Alauroit 1 BEVEZETÉS A zavartalan földkéreg vizsgált kőzettartományának mechanikai állapotát primer állapotnak nevezzük. Akkor tekinthetjük ezt az állapotot zavartalannak, ha ember által keltett mesterséges hatásokkal ezt nem befolyásoljuk. A primer állapothoz tartozó, fő komponensek feszültségértékei alapvető fontosságúak a felszín alatti terek tervezéséhez. E mellett a feszültségtér ismerete értékes információkkal szolgálhat a geodinamikai folyamatok értelmezéséhez is. 1.1 Recens feszültségviszonyok jelentősége A Föld kőzetei, nagy általánosságban, nyugalmi állapotban vannak és a Föld nehézségi erejének vonzása alatt állnak. A nehézségi erő egy függőleges helyesebben a Föld középpontja felé irányuló főfeszültséget eredményez. Ez a főfeszültség a mélység felé haladva lineárisan növekszik. Ezt a főfeszültséget vertikális, vagy függőleges főfeszültségnek nevezzük és σv-vel jelöljük (Hansági és

2 Dankó - Vásárhelyi Somosvári 1985). Ellenben a kőzettestben fellépő vízszintes feszültségek elméleti úton történő meghatározása már jóval nehezebb feladat. Általában, a függőleges főfeszültséghez képest egy k arányszámmal jellemezhetjük az átlagos, horizontális feszültséget. Ez az érték azonban jelentős bizonytalanságot hordoz önmagában, mivel a primer állapotot a nehézségi erőn kívül egyéb földtani (pl. tektonikai) körülmények is befolyásolhatják. Ebből kifolyólag legtöbbször, a horizontális síkban fellépő főfeszültségeket közvetlen méréssel határozzák meg. A kőzettestben uralkodó jelenkori (recens) feszültségtér eloszlásának pontos meghatározásának jelentőségére Kovács és Bogár (2007) már korábban felhívta a figyelmet. Felsorolásukban négy alkalmazási területet említenek: a szerkezeti földtant, mint a tektonikai stílust és folyamatokat elemző tudományt; a talaj és kőzetmegbontással járó tevékenységekhez kapcsolódó mérnöki tervezést; a műszaki létesítmények geodinamikai stabilitásával (földrengésállóságával) foglalkozó tervezői tevékenységet; valamint a hulladékelhelyezés kapcsán felmerülő szennyezőanyag-transzport vizsgálatokat, amelyek egyik fő befolyásoló tényezője a feszültségtér által befolyásolt helyi tektonika. A szerzők gondolatmenetét folytatva, az alábbiakban néhány példát hozunk fel, ahol a primer feszültségtér pontos meghatározásához in-situ méréseket alkalmaznak ( stratégiai gáztárolók; szivattyús tározó; közlekedési alagutak; földrengés előrejelzés; ember által indukált szeizmikus hatások; másodlagos, harmadlagos olajtermelési módok; mesterségesen létrehozott földhő rendszer (Enhanced Geothermal System EGS); felszín alatti szénelgázosítás (Underground Coal Gasification UCG); radioaktív hulladékok elhelyezése geológiai tárolókban. A fentebbi példák jól mutatják, hogy az in-situ feszültségmérések, mind a többletfeszültség létrehozásához (stratégiai gáztárolók, EGS, UCG stb.), mind a feszültségcsökkenésből adódó tervezési feladatokhoz (közlekedési alagutak, szivattyús tározók) nyújt elengedhetetlen tervezési alapot, de bizonyos előrejelzéseknek (földrengés előrejelzés, szeizmikus hatások) is szerves részét képezi. Jelen cikk, a Bodai Agyagkő Formáció földtani kutatása során végzett, in-situ feszültség, hidraulikai kőzetrepesztéses módszerrel történő meghatározásának elméleti hátterét tekinti át majd az elvégzett mérések eredményeiről számol be. A BAF kutatása során, a hidraulikus kőzetrepesztés mellett, a évi korábbi vizsgálatok folytatásaként, mag-túlfúrásos kőzetfeszültség-méréseket és repesztőszondás vizsgálatokat is fognak végezni. A recens feszültségtér jellemzői meghatározóak lehetnek a terület földtani fejlődéstörténeti prognózisának elkészítéséhez, továbbá alapvető tervezési adatokat szolgáltathat a tároló vágatainak orientációjához és geometriájuk tervezéséhez, valamint segítséget nyújt az optimális elhelyezési mélységtartomány megválasztásához is. (Tungli et al, 2013) 1.2 A kőzetfeszültség-mérés módszereinek áttekintése Az alábbiakban Brady és Brown (2004) munkája alapján foglaljuk össze az in-situ feszültségmérés főbb fajtáit. A napjainkig kifejlesztett in-situ kőzetfeszültség-mérési módszerek számos egymástól különböző mérési alapelvet aknáznak ki, még akkor is, ha ezek többsége a fúrólyukat használja fel, a mérés helyszínének megközelítésére. A legáltalánosabb eljáráscsalád a fúrás falán mérhető alakváltozások meghatározásán alapul. Ugyanide sorolhatjuk a fúrólyuk deformációjához kapcsolódó méréseket is, amelynek során a mérőeszközt tartalmazó részt fúrjuk körbe. Amennyiben a feszültségkioldásos tevékenység során megfelelő alakváltozás-mérést is végzünk, akkor a rugalmassági elméletből származtatott eljárással a tényleges feszültségtenzor 6 komponensét számíthatjuk. Az in-situ feszültségmérés második csoportját a kőzetrepesztéses eljárások jelentik. A flatjacking és a hidraulikus kőzetrepesztés, a rés (lyuk) kerületén ébredő normál feszültségeket határozza meg. A normál feszültségkomponens számítható abból a horonyban, vagy repedésben gerjesztett nyomásból, ami egyensúlyt tart a helyi normál feszültséggel és merőlegesen hat a mérési horonyra, vagy repedésre. A tangenciális feszültség minden mérési ponton származtatható a mérés helyszínének, a fúrást megelőző feszültségállapotából. Amennyiben megfelelően végezzük el a határfeszültség mérését a fúrólyuk kerületén, akkor a környezet feszültségtenzorának helyi értékeit is közvetlenül meg tudjuk adni. 234

3 Hidraulikus kőzetrepesztés A feszültség meghatározásának harmadik módszercsoportja a mélyfúrások körül kialakuló repedések és törések mintázatának elemzésén és interpretációján alapul. Habár ezek a lyukfal kitörések (borehole breakouts) az olajiparban problémaként jelentkeznek, vitathatatlanul értékes információkat szolgáltatnak a litoszférában uralkodó feszültségállapot becsléséhez. A feszültségállapot regionális szintű jellemzése alapvetően különbözik a fentebb említett három módszertől. Ennek alapjait Mukhadiev fektette le 1991-ben. Ez a módszer a nagy kiterjedésű kőzettömegekben ébredő, más típusú mérésekből származó adatokból számított feszültségtrajektóriák elemzésére épít úgy, hogy rekonstruálja a főfeszültségeket a teljes blokk minden egyes pontjára. A fentiekben említett fő in-situ feszültség meghatározási módszereket tovább bontva Amadei és Stephansson (1997) megbecsülte az egyes mérési eljárások térbeli kiterjeszthetőségét (1. táblázat). 1. táblázat: Kőzetfeszültség mérési eredmények kiterjeszthetősége Módszerek Vizsgált térfogat (m 3 ) Hidraulikai hidraulikai kőzetrepesztés 0,5 50 tokrepesztés 10-2 hidraulikai teszt meglévő repedéseken 1-10 Feszültségkioldódás felületi feszültségkioldódás 1-2 mag-túlfúrás 10-3 fúrólyukban történő feszültségkioldódás (mag körülfúrás, lyukfal hornyolás) nagy kőzettömeg feszültségmentesítése Jacking módszerek flat jack 0,5 2 íves jack 10-2 Deformáció regenerálódás anelasztikus deformáció regenerálódás (ASR) 10-3 differenciális alakváltozás elemzése (DSCA) 10-4 Lyukfal deformációs elemzés kaliper- és dőlésmérés lyukfal tévé Egyéb vetőkarcok elemzése 10 8 földrengés fészekmechanizmusának elemzése 10 9 indirekt módszerek (Kaiser effektus stb.) viszkoelasztikus kőzetbe ültetett mérőbélyeg reziduális feszültség mérése Nyilvánvaló, hogy a feszültség meghatározás módja és a kiterjeszthetőség együttesen értékelendő az adott in-situ módszer kiválasztásakor. A fentebbi táblázatból kiolvasható, hogy a hidraulikus kőzetrepesztéssel jellemzett térfogat meglehetősen nagy kiterjedésű, de e mellett számos egyéb előnye is jelentkezik, amennyiben az in-situ mérés szükségessége felmerül. 1.3 Eddigi tapasztalatok Az utóbbi években a Golder Associates (Magyarország) Zrt. szakemberei számos olyan kutatásban vettek részt, ahol a primer főfeszültségek meghatározása részét képezte az adott kutatásnak. Ilyen munka volt a Mecsek-hegységben folyó, felszín alatti szénelgázosításhoz (Underground Coal Gasification UCG) kapcsolódó hidraulikus kőzetrepesztéses kísérletek. A széntelepekben helyenként magas permeabilitású részek, törések és repedések ugyan találhatók, amik természetes csatornaként funkcionálnak, azonban a kőszén permeabilitása általában alacsony, így mesterséges kapcsolat létrehozása szükséges a termelő- és betápláló kút között. Egyes UCG projektekben használt fő technikák fordított égést és levegős/hidraulikus repesztést használtak erre a célra. Ezen munka kapcsán 2 fúrásban végeztünk hidraulikus repesztést 3-3 mélységtartományban. Az elmúlt évben a Bodai Agyagkő Formáció földtani kutatása során merült fel az in-situ feszültség meghatározásának igénye, tekintve hogy ez a paraméter szükséges a térség geodinamikai stabilitásának megítéléséhez, illetve a későbbiekben alapadatként szolgálhat a felszín alatti terek, így a felszín alatti kutatólaboratórium tervezéséhez, kialakításához is. Ezen munka kapcsán a BAF-2 jelű fúrásban négy vizsgálatot végeztünk a felszín alatt 450 és 820 m között. További jellemző létesítmények a vízierőművekhez kapcsolódó műtárgyak (völgyzáró gátak, szivattyús tározó esetén a munkacsatorna), amelyek tervezéséhez szintén elengedhetetlen a primer feszültségek ismerete. 235

4 Dankó - Vásárhelyi 2 A HIDRAULIKUS KŐZETREPESZTÉS ISMERTETÉSE A hidraulikus repesztés standard eljárássá vált a mérnöki gyakorlatban, a kőzetfeszültség in-situ meghatározásához, és egyike azon kevés módszereknek, amelyeket mélyfúrásokban is el lehet végezni (Haimson, 1993), akár azok lemélyítése után is. A módszer lényege, hogy egy rövid vizsgálati szakaszt a fúrás megfelelő mélységében (felfújható pakkerekkel) elzárunk, majd az elkülönített szakaszba fluidumot (általában vizet) injektálunk be. Az injektálás hozamát úgy kell beállítani, hogy a hidraulikus nyomás minél gyorsabban megemelkedjen, és a fúrólyuk falán hidraulikus repedés keletkezzen. Ez általában függőleges helyzetű és a minimális horizontális főfeszültség irányára merőlegesen alakul ki; ezért a hidraulikus repedés iránya jellemző a kőzetfeszültség irányultságára. A következőkben, az RHK Kft. megbízásából folytatott, a Bodai Agyagkő Formáció (BAF) megismerését célzó földtani kutatás, I. felszíni kutatási fázis 2. szakaszában mélyített, BAF-2 fúrásban végzett hidraulikus kőzetrepesztés vizsgálatokat mutatjuk be. 2.1 A terület geológiája A BAF-2 fúrás (piros nyíllal jelölve) egy antiklinális szerkezet tetején helyezkedik el (1. ábra). Az antiklinálist a DNy-ÉK csapású Boda-Büdöskúti töréses öv vágja el. Ezen a területen a BAF-ot karsztosodott középső triász mészkövek fedik. A hegység belsejében található, zavartalanul települő fiatal üledékek azt mutatják, hogy a Mecsek-hegység egyetlen egységes blokként emelkedett ki. 1. ábra: A Nyugat-Mecsek antiklinális szerkezete (Budai és Konrád, 2011) A m vastagságú képződmény a Nyugati-Mecseket felépítő m vastag, konszolidált perm-triász törmelékes és vegyi üledékes összlet tagja (1. ábra). Mivel az egész rétegsor a Kővágószőlősi-antiklinális szerkezetébe van gyűrve, ezért az idősebb képződmények mint a Bodai Agyagkő Formáció is nyugaton, a szerkezet magjában kerülnek a felszínre, és keleties dőléssel buknak a fedő képződmények alá (MECSEKÉRC, 1998). A formációt litológiailag egy homogén vörösbarna aleurolit, agyagkő alapkőzet, illetve az ebben betelepülésként megjelenő, vörös és szürkésvörös dolomit, valamint vörösbarna, finomszemű homokkő ciklusos váltakozása építi fel. Az alapkőzet homogén, rétegzettség nélküli, amely málláskor jellegzetes gömbhéjas, szemcsés, esetenként breccsás elválást mutat. Az alapvetően homogén kőzetben meredek, fényes, gödrös rogyási 236

5 Hidraulikus kőzetrepesztés felületek figyelhetők meg. Az aleurolitban, agyagban gyakran fordulnak elő kb. 1 mm-es, fehér színű, szálas vagy szabálytalan alakú albitfészkek (MECSEKÉRC, 1998). Ritkán cm-es (m-es) vastagságú, zöld, sötétszürke, párhuzamos vagy flázeres rétegzettségű, homokos aleurolit rétegcsoportok találhatók benne. Betelepülésként több eltérő litológiai kifejlődést lehet megkülönböztetni. Ezek közé tartoznak a szabálytalan, konvolút rétegzettségű dolomitréteg-foszlányok, amelyek varv jellegű dolomit aleurolit párokból épülnek fel. A dolomit betelepülések másik fajtáját alkotják a szemmel homogénnek tűnő, ám valójában jól rétegzett, laminált dolomitok. Szintén betelepülésekként jelentkeznek a finomszemű, csillámos, laminált, hullámos vagy flázeres rétegzésű, kovás homokkövek, valamint a törmelék folyás ként, fanglome rátumként értelmezett, durvaszemcsés, osztályozatlan, szögletes szemcséjű kifejlődések (amelyeket csak pár fúrásban észleltek a terület DK-i részén). Az egész összletet átjárják a mm-es nagyságú, fehér kalcittal kitöltött, egyenes falú repedések. 2.2 Az eszköz bemutatása A hidrorepesztéshez általunk használt pakker rendszert maximálisan 175 bar nyomáskülönbségre és 122 mm-es fúrólyukra (PQ) méretezték. A rendszer vizsgálati szakasza 1,5 m. A repesztést, a munkaközeg vizsgálati szakaszba történő beinjektálását a rudazaton keresztül valósítottuk meg. A pakkerek felfújásához magas nyomású vezetéket, valamint nagynyomású a vizet, mint felfújó fluidumot alkalmazó szivattyút használtunk. A repesztést végző berendezés sematikus rajzát az 2. ábra mutatja. 2. ábra: A hidraulikus repesztést végző berendezés sematikus rajza Jelmagyarázat: High Pressure Pump nagynyomású szivattyú; Packer Pressure Transducer pakker nyomásjel-átalakító; Bleed kifolyó; Packer Injection pakker injektálás; Flow Meters hozammérők; Zone Pressure Transducer vizsgálati szakasz nyomásjel-átalakítója; Data Acquisition adatgyűjtő rendszer; PC Based Control and Display számítógépes ellenőrző és kijelző rendszer; Packers pakkerek; Interval vizsgálati szakasz A magas nyomású szivattyú maximum 35 MPa-t, illetve 20 l/p hozamot tud biztosítani. A hozamot egy irányítótáblán (flowboard) keresztül lehet irányítani, amely lehetővé teszi a pakkerek felfújását, valamint a vizsgálati szakasz injektálását ugyanazon szivattyú segítségével. A pakker nyomását jeladó segítségével lehet ellenőrizni. Egy másik nyomás jeladóval pedig a vizsgálati szakaszon belüli nyomás ellenőrzésére van mód. Az eszközökből származó adatokat számítógépről, USB porton keresztül vezérelt adatgyűjtő rendszer segítségével lehet ellenőrizni. Az adatgyűjtés gyakoriságát általában 5 Hz-re állítjuk. A repesztéses eljárást az ASTM ajánlásoknak (ASTM, 1997) megfelelően végeztük. 237

6 Dankó - Vásárhelyi 2.3 A hidraulikus repesztés fázisai A hidraulikus repesztéses vizsgálat során, általában öt nyomási ciklust szoktunk alkalmazni (3. ábra): 3. ábra: Hidraulikus repesztéses vizsgálat jellegzetes (felszínen kiolvasott) nyomás és hozam görbéje Világos kék: pakker nyomás; lila: vizsgált szakasz nyomása a memóriaszondánál; sötét kék: a vizsgált szakasz nyomása; sötét zöld: alacsony hozamok; világos zöld: magas hozamok. FIT A formáció integritás vizsgálatának (FIT) célja a vizsgálati szakasz zártságának (repedésmentességének), és a hidraulikus repesztéses vizsgálatra való alkalmasságának az ellenőrzése. Egy rövid, legfeljebb 20 bar-os injektálást követően a vizsgálati szakaszt elzárjuk, majd az ezután bekövetkező nyomásstabilizálódás a vizsgálati szakasz alkalmasságára ad támpontot. A fázis végén a nyomást kiengedjük és a vizsgálati szakaszból való visszafolyás mértékét mérjük annak érdekében, hogy a viszszafolyó víz mennyiségét megbecsüljük. FRAC A következő a repesztéses ciklus (FRAC), ami egy kb. 4 l/p állandó hozamú, magas nyomású beinjektálási ciklus mindaddig, amíg hirtelen nyomásesést nem észlelünk a tesztszakaszban. Ez egy újonnan létrejövő repedés kialakulását jelzi. Ezután a vizsgálati szakaszt azonnal elzárjuk, és a nyomásstabilizálódást néhány percig mérjük. A ciklus végén a vizsgálati szakasz nyomását leeresztjük, és a visszafolyást mérjük. REOPEN I Az 1. újranyitási ciklus (REOPEN I) hasonló a FRAC ciklushoz, de ebben az esetben az állandó hozamú injektálást mindaddig folytatjuk a maximális nyomás elérését követően, amíg a hozam és a nyomás is nem stabilizálódik. Az ebből a ciklusból származtatott maximális nyomás általában alacsonyabb, mivel a kőzet már megrepedt, és ezért a kőzetnek már nincs húzószilárdsága. Az ebből, illetve az előző ciklusokból meghatározott maximális nyomások közötti különbség a repedés újranyitási nyomására ad közelítő értéket. Ez az újranyitási nyomás a fúrólyuk közelében lévő feszültségkoncentrációt mutatja. Az újranyitási nyomást általában a második ciklus nyomásfelépülése során tapasztalható eltéréssel tekintjük egyenlőnek. Az injektálást követően a szakaszt elzárjuk, és a nyomásstabilizálódást mérjük. A ciklus végén a vizsgálati szakaszt leengedjük, és a visszafolyást megmérjük. JACKING A következő ciklus egy olyan vizsgálat, amely során a hozamot lépcsősen emeljük (5. ábra). Ezt hidraulikus jacking ciklusnak (JACKING) hívjuk. Egy állandósult (nem deformálódó) repedés esetén, és lamináris áramlást feltételezve, a nyomás a hozammal egyenes arányban emelkedik. Ha egyszer egy repedés a növekvő nyomás hatására fokozatosan nyílik, akkor a hozamot sokkal nagyobb mértékben kell növelni a következő nyomáslépcső eléréséhez. Ezt az állandósult és a felnyíló repedés közötti átmeneti nyomáskülönbséget nevezzük jacking nyomásnak. A ciklus végén a vizsgálati szakaszt lezárjuk, és a nyomás stabilizálódását több percen keresztül rögzítjük, mielőtt a vizsgálati szakaszt leeresztjük 238

7 Hidraulikus kőzetrepesztés 4. ábra: Jellegzetes nyomás és hozam adatok az újranyitási ciklus során (REOPENING I) 5. ábra: Nyomás és hozam alakulása a hidraulikus jacking ciklus alatt REOPEN II Az utolsó ciklust ugyanolyan körülmények között végezzük, mint a REOPEN I ciklust. Ennek a ciklusnak a célja a korábbi ciklusok megismétlésével azok megfelelőségének ellenőrzése. 2.4 A hidraulikus kőzetrepesztés elméleti háttere A kőzetkörnyezetre vonatkozó feszültségeket a vizsgálat során mért nyomásokból (P b, P ISIP, és P r ) számíthatjuk analitikus modellek alkalmazásával. Az in-situ kőzetfeszültség fő irányait pedig a generált repedésnek a fúrólyuk falán megjelenő nyoma alapján határozzuk meg. A 6. ábra egy jellegzetes hidraulikus repesztéses vizsgálat eredményét mutatja be. Hidraulikus repesztés akkor következik be, amikor a fúrólyuk elkülönített szakaszában a fluidum nyomása elér egy 239

8 Dankó - Vásárhelyi bizonyos kritikus értéket, amit törési nyomásnak nevezünk, és P b -vel jelölnek. Ekkor a húzásnak kitett kőzetben megjelenik a repedés, ami a lyukban lévő fluidum kiszökését, és ennek megfelelően a nyomás csökkenését okozza. Amikor az injektálás befejeződik, a vizsgálati szakaszt tápláló vezetéket elzárjuk. A nyomás azonnal lecsökken, először nagyon gyorsan, ahogy a fluidum a repedés még mindig nyíló végébe benyomul, majd sokkal lassabban, amint a repedésterjedés megállt, és a fluidum vesztesség már csak a fúrólyuk falán keresztül történő elszikkadásként jelentkezik. A zárási nyomás, P ISIP, átmenetet képez a gyors és lassú nyomáscsökkenés között és a repedés zártságát jelzi. A ciklus zárási fázisában pár perc várakozás után a vizsgálati szakasz nyomását leengedik, és ezzel véget ér az első nyomási ciklus. Ezt további ciklusok követik. Ezekből a ciklusokból további lezárási nyomási értékeket, illetve az újranyitási nyomást, P r -t, lehet meghatározni. A vizsgálat során folyamatosan rögzíteni kell a nyomást, valamint az injektáló folyadék hozamát. A hidraulikus kőzetrepesztésnél alkalmazott legtöbb analitikus modell, a heterogén kőzetkörnyezeti feszültséggel rendelkező, a poroelasztikus közeget harántoló fúrólyuk körül kialakuló feszültségkoncentráció síkban bekövetkező alakváltozásait elemzi. A megoldás során azt tételezzük fel, hogy a fúrólyuk tengelye egybe esik a vertikális főfeszültség irányával. Függőleges fúrólyukban, a hidraulikus repesztéssel kialakított repedések gyakran a fúrólyuk tengelyével párhuzamosan alakulnak ki, a legkisebb főfeszültségre (σ hmin ) merőlegesen. A 6. ábra ezt mutatja be sematikusan. 6. ábra: Az in-situ kőzetfeszültség meghatározásának alapjai hidraulikus repesztéssel Jelmagyarázat: Pressure nyomás; Flow hozam; Breakdown Pressure letörési nyomás; Re- Opening Pressure újranyitási nyomás; Shut-in Pressure lezárási nyomás; Instaneous Shut-in Pressure azonnali lezárási nyomás; Jacking jacking; Hydrofrac hidraulikus repedés; Breakout kitörés Az azonnali zárási nyomás, P ISIP, egy hidraulikus repesztéses vizsgálat során, függőleges fúrólyuk esetén a minimális horizontális főfeszültségre (σ hmin ) ad jellemző értéket, feltéve hogy a repedés vertikális. A maximális horizontális főfeszültséget a következő képlettel számítjuk (Haimson, 1993): ahol: h max 3 h min P b 0 P T σ hmin -t az azonnali zárási nyomással egyenlőnek tételezik fel P c törési nyomás P 0 a pórusnyomás T a kőzet húzószilárdsága A kőzet húzószilárdságát általában laboratóriumban elvégzett mini hidraulikus repesztéssel, a brazil vizsgálattal lehet meghatározni. Egy másik gyakran alkalmazott módszer a σ Hmax kiszámítására az újranyitási nyomást, P r, használja fel a következő egyenlet szerint (Bredehoeft et al., 1976): ahol: h max 3 h min P r P0 σ hmin -t az azonnali zárási nyomással egyenlőnek tételezik fel (1) (2) 240

9 Hidraulikus kőzetrepesztés P r a repedés újranyitási nyomása P 0 a pórusnyomás Hidraulikus repesztéssel meghatározott nyomások értelmezése A hidraulikus repesztés kiértékelése során két meghatározó nyomás értéket kell vizsgálni: a törési nyomást, ami az első nyomás ciklus repesztési nyomása, valamint a zárási nyomást. Ahogyan azt feljebb részleteztük, a zárási nyomás a minimális horizontális főfeszültségre jellemző érték függőleges repedés esetén, vagy dőlő repedés esetén az arra merőleges feszültségre jellemző érték. A törési nyomás a fúrólyuk körüli, repedést generáló nyomás-koncentráció következménye, és magában foglalja a pórusnyomást, valamint a kőzet húzószilárdságát. Törési nyomás, (P b ), és repedés újranyitási nyomás (P r ) A maximális horizontális főfeszültség σ hmax kiszámításához két egyenlet ismert. Az egyik az első törési ciklust, míg a másik a második ciklust veszi alapul. A törési (vagy kritikus) nyomás, P b, az a hidraulikus repesztéshez kapcsolódó maximális nyomás, ami általában az első ciklus során jelentkezik. A fúrólyuk körül kialakuló feszültség koncentráció és a kőzet húzószilárdsága határozza meg a törési nyomásértéket, a P b -t. A rugalmas alakváltozási elmélet szerinti feszültség koncentráció a maximális és minimális horizontális főfeszültség komponenseit is tartalmazza. Ennek megfelelően a maximális főfeszültség, σ Hmax, meghatározásához szükség van a minimális horizontális főfeszültség, σ hmin, valamint a kőzet effektív húzószilárdság ismeretére. A húzószilárdság és a lezárási nyomás kiértékelésében megjelenő bizonytalanságok ezért közvetlenül megjelennek a maximális horizontális főfeszültség, σ Hmax, meghatározásában jelentkező bizonytalanságban. Annak érdekében, hogy lecsökkentsék a húzószilárdsághoz kapcsolódó bizonytalanságot, Zoback and Zoback (1980) egy alternatív képletet javasolt a σ Hmax meghatározásához, ami a repedés újranyitási nyomását (újrarepesztést), P r, alkalmazza. Az újranyitási nyomás az a nyomás, amelynél a második nyomási ciklusban a nyomás-emelkedés eltér az első ciklusban jelentkezőtől. Az állandó hozamú injektálás hatására bekövetkező nyomás felépülés zárt térben lineáris, és a mérőeszköz, valamint a vizsgálati szakaszban található kőzet rugalmas összenyomhatósága határozza meg. P r a nyomásemelkedésnek a lineáristól való eltérése, és azt a nyomást mutatja, amelynél a nyomás meghaladja a fúrólyuk körüli feszültség koncentrációját, és megkezdődik az elszivárgás a repedésbe. Mivel a P r a minimális feszültség koncentrációra jellemző érték a fúrólyuk körül (3σ hmin -σ Hmax ), ezért a σ Hmax kiszámításának alapját jelenti a nyírószilárdság értéke nélkül. Annak érdekében, hogy P r -t a feszültség kiértékeléshez alkalmazhassuk, azt kell feltételeznünk, hogy a hidraulikusan generált repedés bezáródik az első ciklust követően, és nincsen jelentős maradó transzmisszivitása. Az első ciklust követően kialakuló repedés esetleges transzmisszivitása azonban szintén a bizonytalanság egy lehetséges forrása, ezért a hidraulikus repesztéses vizsgálatokat bemutató jelentések általában mindkét, a P b, illetve a P r alapján meghatározott és a σ hmax értékeket is megadják. Zárási nyomás A zárási nyomás azon jellemző nyomásérték, amit fenn kell tartani ahhoz, hogy a hidraulikusan generált repedés nyitott maradjon a repedés síkjára merőlegesen ható feszültségekkel szemben. Több gyakran alkalmazott módszer van a zárási nyomás meghatározására: Azonnali zárási nyomás (ISIP), az a nyomás, amire a vizsgált szakasz nyomása azonnal visszaesik, amint abbahagyják a beinjektálást; Nyomáscsökkenés-elemzés, amely során a nyomáscsökkenés deriváltjában megjelenő inflexiós pontot keressük a lezárási idő függvényében; Hidraulikus jacking, az a nyomás, amelynél hirtelen hozamnövekedése figyelhető meg a lépcsősen emelt, de állandó nyomáson tartott injektálás során; és Lassú injektáláshoz tartozó állandó nyomás, ami az a nyomásérték, amire a vizsgálati szakasz nyomása felemelkedik, ha azt alacsony a repesztéshez használthoz képest általában negyed akkora hozammal injektálják. Általában ezek a megközelítések egymáshoz nagyon hasonló zárási nyomás értékeket szolgáltatnak. Jelentős különbséget a teljes beinjektált fluidum mennyisége mutat. Ez nem jelentős különbség, amikor a minimális horizontális főfeszültség a σ 3, és a repedés a fúrólyuktól függőleges síkban terjed tova. Azonban, amikor a minimális horizontális főfeszültség a σ 2, akkor a repedés a fúrástól távolodva elfordul olyan irányban, hogy merőleges legyen a σ 3 -ra. A repedés kiterjedésének mértéke a teljes beinjektált fluidum térfogatának a függvénye. Az olyan módszerek, amelyek a nyomáscsökkenést, vagy az azonnali zárást alkalmazzák aránylag kisebb mennyiségű fluidum beinjektálását követően, nagyobb valószínűséggel fognak a függőleges repedésre jellemző zárási nyomást adni a repedés elfordulásának 241

10 Dankó - Vásárhelyi hatásaitól mentesen. Annak érdekében, hogy a repedés zárási nyomását meghatározzuk, mielőtt az nagymértékben kifejlődik, a kritikus törési nyomás elérését követően gyorsan lezárják az első repesztéses ciklust, de gyakran a másodikat is. 2.5 A kőzetrepesztés mérési eredményei A kőzetfeszültség mérések célja a primer feszültségteret jellemző horizontális normálfeszültség komponensek pontos meghatározása, mind az abszolút értékek, mind pedig az irányok tekintetében (Tungli et al, 2013). A BAF-2 jelű fúrásban négy vizsgálatot végeztünk a felszín alatt 450 és 820 m között. A vizsgálati szakaszokat magfotók és akusztikus lyukfaltelevízió adatai alapján határoztuk meg. A fúrásban repedésmentes szakaszokat választottunk ki, amelyet közel vízszintes rétegződés jellemzett. A 2. táblázat tartalmazza mindegyik vizsgálati szakasz mélységét és litológiai jellemzőit. Vizsgálat 2. táblázat: A hidraulikus repesztéses vizsgálatok mélységei és litológiájuk Vizsgálati mélység [m felszín alatt] Litológia vörösesbarna agyagkő karbonátos rétegekkel vörösesbarna agyagkő karbonátos rétegekkel, szürkésbarna agyagkő karbonátos rétegekkel barnás-szürkés vörös agyagkő karbonátosodott agyagkő rétegekkel és karbonát rétegekkel vörösesbarna agyagkő karbonátos rétegekkel Mindegyik vizsgálat eredményes volt, a FRAC ciklusban egyértelmű töréssel és konzisztens zárási nyomásokkal az összes ciklus vonatkozásában. A két sekélyebb vizsgálat (3. és 4. vizsgálat) a REOPEN I ciklus injektálási fázisai alatt fűrészfogszerű viselkedést mutattak. Ez agyagkövek esetén nem szokatlan. Ennek megfelelően a JACKING ciklusokat csak a két mélyebb vizsgálati szakasz vonatkozásában lehetett sikeresen végrehajtani. Ahogy a 3. táblázat mutatja, az 1. vizsgálat kivételével a minimális horizontális főfeszültség értékek minden esetben alacsonyabbak a litosztatikus nyomásnál. A minimális horizontális főfeszültségre vonatkozóan a háromféle módszerrel kapott értékek egymással konzisztensek, és csak MPa eltérést mutatnak. A minimális horizontális főfeszültség magasabb gradienssel emelkedik, mint a litosztatikus nyomás. Az azonnali zárási nyomás alapján a gradiens nagyjából 31.5 MPa/km, és a dp/dt módszerrel meghatározott gradiens 32.1 MPa/km a három sekélyebb vizsgálat vonatkozásában (2., 3. és 4. vizsgálat). A legmélyebb vizsgálatra vonatkozó értékek még az ezekből a gradiensekből adódónál is magasabb. Mindegyik vizsgálatot figyelembe véve a gradiens 37.8 MPa/km az azonnali zárási nyomás alapján, illetve 40.3 MPa/km a dp/dt módszer alkalmazásával. Összességében, célszerű a legalacsonyabb értéket alkalmazni a minimális horizontális főfeszültség vonatkozásában az alkalmazott módszertől függetlenül. 3. táblázat: A minimális horizontális főfeszültség mindhárom értékelési módszer szerint Vizsgálat Vizsgálati mélység [m Minimális horizontális főfeszültség [MPa] felszín alatt] σ hmin Jacking σ hmin ISIP σ hmin dp/dt na na A 4. táblázatban közöltek szerint a maximális horizontális főfeszültség értékek nagyjából 7 MPa különbséget mutatnak az egyes értékelési módszereket tekintve. A törési nyomáson és nyírószilárdságon alapuló számítással kapott értékek a magasabbak. A maximális horizontális főfeszültség minden vizs- 242

11 Hidraulikus kőzetrepesztés gálat vonatkozásában magasabb, mint a litosztatikus nyomás, és nagyjából 50.2 MPa/km-es (Haimson alapján), illetve 52.5 MPa/km-es (Bredehoeft alapján) gradienssel emelkedik a három sekélyebb vizsgálat alapján (2., 3. és 4. vizsgálat). A legmélyebb vizsgálatra vonatkozó érték még az ezekből a gradiensekből adódónál is magasabb. Mindegyik vizsgálatot figyelembe véve a gradiens 64.0 MPa/km (Haimson alapján) és 57.6 MPa/km (Bredehoeft alapján). A maximális horizontális főfeszültségre Haimson alapján számított érték a kétszerese a litosztatikus nyomásnak a legmélyebb vizsgálati szakasz esetén. Összességében, a törési nyomáson alapuló értékeket a maximális horizontális főfeszültség felső korlátjának tekinthetjük. 4. táblázat: A maximális horizontális főfeszültség mindkét értékelési módszer szerint Maximális horizontális főfeszültség [MPa] Vizsgálati mélység Vizsgálat [m felszín alatt] Hmax törési Haimson Hmax újranyitási Bredehoft Ahogy a 11. táblázat bemutatja, az újonnan kialakított repedések konzisztensen egy dél-délkeleti irányultságot mutatnak. Ez az irány hasonlít a formáció azimutjához (rétegződéshez, részletes irány adatok nem álltak rendelkezésre). Ezért a feszültség irányt csak közelítőnek tekinthetjük. A minimális horizontális főfeszültség csapása DDK-ÉÉNy, míg a maximális horizontális főfeszültség csapása ennek megfelelően NyDNy-KÉK. 5. táblázat: Horizontális főfeszültség irányok Csapás hmin a minimális horizontális főfeszültség DDK-ÉÉNy Hmax a maximális horizontális főfeszültség NyDNy-KÉK Ez megegyezik az antiklinálisnak a Boda-Büdöskút töréses övének a csapásával, ahogyan azt a 12. ábra is mutatja. A feszültség értékek megemelkedése a 718 m felszín alatti mélység alatt a feszültségtér megváltozását jelzik normál vetődéses rezsimtől az oldalelmozdulás felé. De ez talán nem jár a főfeszültségek elfordulásával, mivel a kialakított repedéseknek ugyanaz a csapása. 7. ábra: A BAF-2-ben meghatározott maximális horizontális főfeszültség iránya (a térkép Konrád et al nyomán) Jelmagyarázat: shmax maximiális horizontális főfeszültség; Mecsekalja Dislocation Zone Mecsekalja-vonal; Mecsek Mts. Mecsek-hegység; Gorica Block Gorica Blokk 243

12 Dankó - Vásárhelyi 3 KÖVETKEZTETÉSEK A BAF-2 fúrásban négy hidraulikus repesztéses vizsgálatot hajtottunk végre. Mind a 4 vizsgálati szakasz a tervezett hulladéktároló elhelyezési zónájába esett ( m fa). Ebben a mélységtartományban csak a hidraulikus kőzetrepesztést lehet használni a kőzetfeszültség főkomponenseinek meghatározására. A mérések zökkenőmentesen folytak le, értékes eredményeket szolgáltatva a földtani kutatás számára. Következésképp a hidraulikus kőzetrepesztés egy jól alkalmazható módszer a kőzet főfeszültségeinek meghatározására mind azok nagyságát, mind irányukat tekintve. A nyers mérési eredményeket a minimális főfeszültség esetében 3, míg a maximális főfeszültség esetében 2 különböző módszerrel dolgoztuk fel, de ezek egymástól való eltérése nem volt számottevő, azaz azok konzisztensek voltak. A legmélyebb vizsgálat kivételével a minimális horizontális főfeszültség értékek alacsonyabbak a litosztatikus nyomásnál. Az ezen értékekhez tartozó gradiens azonban magasabb, mint a litosztatikus nyomásé. A maximális horizontális főfeszültség minden vizsgálat vonatkozásában magasabb, mint a litosztatikus nyomás. A maximális horizontális főfeszültségre Haimson alapján számított érték a kétszerese a litosztatikus nyomásnak a legmélyebb vizsgálati szakasz esetén. A fentebbi értékekből adódóan az elhelyezési zónában a minimális horizontális főfeszültség (σ hmin ) litosztatikusnál kisebb (bár a legmélyebb zónában már eléri azt), míg a maximális horizontális főfeszült (σ Hmax ) a zóna legmélyebb tartományában akár kétszerese is lehet a litosztatikus feszültségnek. A vizsgálat során indukált repedések irányultságából adódóan a minimális horizontális főfeszültség csapása DDK-ÉÉNy, míg a maximális horizontális főfeszültség csapása ennek megfelelően NyDNy- KÉK. Ezeket az irányokat összehasonlítva a regionális tanulmányok alapján meghatározott feszültségtrajektóriákkal eltéréseket tapasztalhatunk. Míg a simítással előállított trajektória a maximális főfeszültségre, a Nyugat-Mecsek esetében egy DDNy-ÉÉK irányt jelzett, addig a méréseink ettől eltérő NyDNy-KÉK irányultságot mutattak. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A szerzők itt mondanak köszönetet a Radioaktív Hulladékokat Kezelő Kft-nek, amely a Központi Nukleáris Pénzügyi Alap finanszírozásával lehetővé tette a fentebb ismertetett mérések kivitelezését. Szintén köszönet illeti az RHK Kft. munkatársait, név szerint Tungli Gyulát, Molnár Pétert, Nagy Zoltánt és Török Patrikot, mert felismerték az in-situ feszültségvizsgálat jelentőségét, és mert beépítették a hidraulikus kőzetrepesztés vizsgálatot az általuk összeállított kutatási tervbe. Külön köszönetet kell mondanunk kollégáinknak, a Golder Associates németországi és magyarországi szakembereinek, akik a méréseket lelkiismerettel végezték és azt magas szinten ki is értékelték. IRODALOMJEGYZÉK Amadei, B., Stephansson, O. 1997: Rock Stress and Its Measurents, Chapman and Hall Publication, London Bredehoeft, J.D.,Wolff, R.G., Keys, W.S., Dhutter, E., 1976: Hydraulic Fracturing to determine the regional insitu stress field, Piceance Basin, Colorado, Geol. Soc. Am. Bull., vol. 87, pp Brady, B.H.G., Brown, E.T., 2004: Rock Mechanics for underground mining, Third edition, KLUWER Academic Publishers, Dordrecht, Budai T. és Konrád Gy. 2011: Magyarország földtana, Egyetemi jegyzet, Pécsi Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Pécs, Haimson, B.C., 1993, The Hydraulic Fracturing Method of Stress Measurements : Theory and Practice, in : Fundamental Rock Engineering, Fairhurst, C. ed., pp Hansági I., Somosvári Zs. 1985: Gyakorlati kőzetmechanika az ércbányászatba, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, Konrád, Gy., Sebe, K., Halász, A., Babinszki, E., 2010: Sedimentology of a Permian playa lake: the Boda Claystone Formation, Hungary, Geologos, 16 (1), pp Kovács L., Bogár I. 2007: Felszínközeli kőzettestekben uralkodó primer feszültségállapot meghatározása továbbfejlesztett Doorstopper cellás, magtúlfúrásos in situ feszültségmérésekkel. In: Török Á. & Vásárhelyi B. (szerk.): Mérnökgeológia-Kőzetmechanika MECSEKÉRC Rt. 1998: A Bodai Aleurolit Formáció minősítésének Rövidtávú Programja. Kutatási Zárójelentés. I-IX kötet. Pécs, Tungli Gy., Molnár P., Nagy Z., Török P.2013: A Bodai Agyagkő Formáció földtani kutatása, kutatási terv, I. felszíni kutatási fázis, 2. szakasz. RHK Kft., Budaörs Zoback M.L., Zoback M., 1980: State of stress in the continuous United States, J. Geophys. Res. 10, pp