Izing Imre, László Tamás Víz / olaj folyadékfázisú hidraulikai rendszerek modellezése, az alkalmazás lehetőségei Kármentesítési konferencia, 2009. ápr. 22-23. Budapest, Margitsziget
SZABAD FÁZISÚ OLAJSZENNYEZŐDÉSEK TERJEDÉSÉNEK SZAKASZAI Telítetlen zóna: Fő hajtőerő a gravitáció, vertikális leáramlás jellemző, reziduális telítettség marad. Kapilláris zóna: 3 fázisú (víz, olaj, levegő) rendszer, laterális mobilizáció jellemző. Telített zóna: 2 fázisú (olaj, víz) rendszer, fő hajtóerő a gravitáció és a felhajtóerő eredője (kicsi!), csapdázódhat a pórusokban (immobilis fázis).
ÚJ MEGKÖZELÍTÉS: 3 FÁZISÚ (OLAJ, VÍZ, LEVEGŐ) RENDSZER Az olajiparból már régóta ismert összefüggés, felszínközeli rendszerekben is alkalmazható. A VERTIKÁLIS OLAJTELÍTETTSÉG ELOSZLÁS ÉS AZ EGYENSÚLYI LÁTSZÓLAGOS FELÚSZÓ VASTAGSÁG KAPCSOLATA Egyensúlyi állapot, a víz- és olajtelítettségek függvényében matematikailag leírható.
RELATÍV PERMEABILITÁSOK KÉTFÁZISÚ RENDSZERBEN Többfázisú Darcy-törvény: q k r k i f f i q (m/s) = darcy sebesség, k r = relatív permeabilitás, k i = permeabilitás f (kg/m 3 ) sűrűség (Pa s ) dinamikus viszkozitása A víz- és olaj telítettségek függvénye! Pórusok kapcsolódnak: k r >0 Pórusok nem kapcsolódnak: k r =0 (reziduális telítettség) Egyfázisú rendszer: k r =1
A RELATÍV PERMEABILITÁSOK TELÍTETTSÉG-FÜGGÉSE Van Genuchten,1980 Leverett, 1941 A pórusméret N az osztályozottság függvénye szemcseloszlás adatokból levezethető (ROSETTA, APM) Alfa felskálázása más fázisokra Csakúgy mint a kapilláris nyomás, az olajra vonatkozó relatív permeabilitás (K ro ) is a telítettség függvénye A VG paraméterek alkalmazhatók a k-s összefüggés leírására Mualem, 1976 Többfázisú diffúziós egyenlet Minden áramló fázisra kapcsolt parciális differenciálegyenlet-rendszer pws n t p p w k rw K x j sw 1 rp h x p j rp e j p
kitermelt olaj (m3) 1D ANALITIKUS SZÁMÍTÁSOK ÉS A VALÓS ÜZEMADATOK ÖSSZEHASONLÍTÁSA (API-LNAPL) API (American Petroleum Intitute) által fejlesztett, szabadon használható szoftver és adatbázis. 300 250 A kummulatív olajkitermelési adatok 1D analitikus közelítése Egyedi kutas 1D analitikus vizsgálatok. 200 Homogén, izotróp esetben jól közelítik a valós értékeket. Komplex rendszerek, egymással hidraulikai kapcsolatban álló kutak esetében már nem alkalmazhatóak! 150 100 50 0 K1 eltávolított olaj kummulatíve K2 eltávolított olaj kummulatíve K3 eltávolított olaj kummulatíve K2_analitikus K1_analitikus K3_analitikus 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A kármentesítés éve
3D, 3FÁZIS (olaj, víz, levegő) SZIMULÁCIÓJA CompFlow Nehézségek: A földtani modell egyszerűsítésére és sűrű számítási hálóra van szükség (hosszú futtatási idő!) 3D, relatív csomópont hivatkozású (IJK) modellháló (VM modellel összekapcsolható!) Peremfeltételek nehézkes megadása (horizontálisan kiterjesztett kútként szimulálva) Tranziens modellállapotok csak egyszerű esetekre alakíthatóak ki. (TVSZ minimum TVSZ maximum TVSZ minimum ciklusok)
CompFlow - BEMENŐ MODELL PARAMÉTEREK Talajfizikai paraméterek Porozitás: n (-) Permeabilitás: k (m 2 ) Van Genuchten paraméterek: alpha (1/m), N (-) Reziduális víztelítettség: S wr (-) Reziduális olajtelítettségek (vadózus, telített): S orv (-), S ors (-) Folyadékfizikai paraméterek Olajsűrűség: o (kg/m 3 ) Olaj átlagos móltömege M o (mol/m 3 ) Olaj viszkozitása: (Ps) Felületi feszültségek: og, wg (N/m) Határfelületi feszültség: ow (N/m)
A KAPILLÁRIS PARAMÉTEREK KÖZVETETT SZÁMÍTÁSA 10 3 10 2 Hc (kapilláris szívás - m vízoszlop) STATISZTIKUS MODELL (ROSETTA) A modellkőzetek víztartó- és vízvezető képessége A modellkőzetek paramétereit az elvi vízföldtani modell vertikális felbontásának megfelelően, a nagyszámú szemeloszlás vizsgálatok eredményinek felhasználásával számítottuk. ITERATÍV MODELL (ARYA-PARIS) víztartalom (kavics) víztartalom (fedő) k (kavics) k (fedő) Kis számú szemeloszlás adat esetében az Arya-Paris Modell felhasználásával, szemcsefrakciónként (pórustérfogatonként) számítottuk a víztelítettségeket, melyre a VG függvényt (α, N változók) iteratíve illesztettük. 1,00E+06 1,00E+05 1,00E+04 számított pont VG_illesztés kapilláris potenciál (m) 10 1 10 0 1,00E+03 1,00E+02 10-1 1,00E+01 1,00E+00 10-2 1,00E-01 1,00E-02 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Swe (víztelítettség) 0 10 20 30 40 50 60 víztartalom (%) 10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 k (m/s)
A KEZDETI SZÉNHIDROGÉN TELÍTETTSÉG SZÁMÍTÁSA S0 TPH (1 ) gr 10 0 6 S 0 szénhidrogén telítettség (-) TPH TPH koncentráció (mg/kg) Θ porozitás (-) ρ gr kőzetszemcse sűrűség (g/cm 3 ) 2,65 g/cm 3 ρ 0 szabad fázisú szénhidrogén sűrűsége (g/cm 3 ) 0,774 g/cm 3 76 db fúrás 657 db talajmintájának TPH vizsgálati eredményéből származtatott, 3D interpolációval (Inverse Distance) a modellcsomópontokba kiterjesztett, számított szénhidrogén szaturáció eloszlás izofelülete(so min = 0.02), metszet a K=6 csomópontfelszínen. A kezdeti víztelítettségek a kezdeti olajtelítettségek felhasználásával, egyensúlyi modellfuttatással generálhatók.
AZ ALKALMAZÁS LEHETŐSÉGEI: OLAJTELÍTETTSÉGEK ELŐREJELZÉSE Pleisztocén lösz rétegcsoport építi fel a pórusteret. Folyamatos szenynyezőforrás szimulációja Egyensúlyi olajtelítettségek vizsgálata KÖVETKEZTETÉSEK 7.5 m alatt szemcseméret csökkenés S o csökken 12.5-13 m között szemcseméret növekedés S o nő A szennyezőforrás megszűnése után S o csökken
ALKALMAZÁS LEHETŐSÉGEI: ÜZEMELŐ TERMELŐKUTAS RENDSZER HATÉKONYSÁGÁNAK ÉRTÉKELÉSE Következtetések: Az üzemelő termelőkutas rendszer hatásterületén kívül esnek a szabad fázis gócpontjai. A K1 és K2 termelőkút esetében nem várható jelentős javulás, a K3 termelőkút ( kavicsboltozat!) a radiális szétterjedés miatt a olajletermelésnél még perspektivikus lehet. A finomszemű földtani környezetbe helyezett, durvaszemű anyaggal kitöltött testek (Pl. gyűrűstér) kapilláris lencsehatást idéznek elő nagy So alakul ki, könnyen összegyűjthető az olaj.
ALKALMAZÁS LEHETŐSÉGEI: A TERMELŐKUTAS RENDSZER BŐVÍTÉSE, HELYSZÍNKIJELÖLÉS Következtetések: A szénhidrogén telítettség gócpontjaiba új termelőkutakat terveztünk. Ezek hatását kíséreltük modellezni a modellbe épített T1 és T2 termelőkúttal. CH/víz arány 0,01 0,1 ről 1 % fölé növekedett. A kialakított termelőkutak nagy átmérőjű kavicsolt gyűrűstérrel rendelkeznek, termelési optimalizációjuk zajlik vízkivétel nélküli, akítv fölözési technológiával. Az adott területen a modellezés eredményei alapján a vízkitermelés leállítható volt, és csupán CH eltávolítással a szénhidrogén visszanyerés szinten tartható, fokozható volt. Ezzel az optimalizálással jelentős költség volt megtakarítható és a szennyeződés nem került át más környezeti elembe (kiemelt szennyezett víz tisztítása és felszíni vízbe vezetése révén).
ALKALMAZÁS LEHETŐSÉGEI ÚJ KÁRMENTESÍTÉSI IRÁNYVONAL: VÍZKIVÉTEL NÉLKÜLI FÖLÖZÉS Következtetések: Az újabb vizsgálatok eredményeképpen pontosítottuk a kezdeti olajtelítettség eloszlást Vízkivétel nélkül működő, aktív fölözőkutakként (spec. vákuumkút) szimuláltuk a tervezett kutakat A lefölözés elsősorban a nagy szénhidrogén telítettségű zónákat mobilizálja, míg a kisebb telítettségű zónák szénhidrogén tartalma jóval kevésbé csökkenthető. Jelenleg a rendszer elemei engedélyeztetési fázisban vannak. Cél: a reziduális olajtelítettség elérése (nincs mobilis fázis!)
ÖSSZEFOGLALÁS Vegyipar és élhető környezet innovatív technológiák a környezetvédelemben (MOLTVKBA) A többfázisú analitikus és numerikus modellek alapvető fontosságúak az olajszennyeződések viselkedésének terület specifikus megértéséhez és a kármentesítő rendszerek optimalizálásához. Hagyományos kármentesítő rendszerek hatékonysága nem okvetlenül a kutak vízhozamának növelésével, hanem a kutak helyének gondos kiválasztásával javítható. A fázisos szénhidrogén felszín alatti viselkedésének pontosabb megismerésével a szennyeződés (mind a szabad fázis, mind az oldott) elterjedésének, mozgásának jövőbeni előrejelzése pontosítható, a kármentesítés hatékonysága növelhető. A fázisos szénhidrogén vízkitermelés nélküli eltávolítása számos esetben eredményes lehet, és ezzel igen jelentős költség és energiamegtakarítás érhető el. A Golder Kft. az NKTH által támogatott K+F projektben az eddigi modellezési eredmények továbbfejlesztésével egy olyan útmutatót, gyakorlatban is alkalmazható kézikönyvet szeretne létrehozni, amely a szabad fázisú szénhidrogének kármentesítésénél elősegíti az üzemeltetési optimalizációt, tervezési segédletként alkalmazható.