KAVERNOVÝ ZÁSOBNÍK PLYNU

Josef Teska, SG GEOTECHNIKA, a.s.

Úvaha o výstavbě Kavernového zásobníku Háje u Příbrami byla řešena státním úkolem RUT č. P 10-125-404 "Výzkum Kavernového zásobníku plynu" v letech 1979-1986 jehož řešitelem byl Plynoprojekt Praha. Od počátku prací na výzkumném úkolu úzce spolupracoval Plynoprojekt Praha se Stavební geologií a s bývalým Českým geologickým úřadem, Českým báňským úřadem a Uranovými doly Příbram.
Po kladném expertním posouzení byl v roce 1987 zpracován investiční záměr, který byl předložen státní expertize a schválen. Český plynárenský podnik s cílem minimalizovat rizika investiční výstavby uzavřel v roce 1989 smlouvu s Českým geologickým úřadem. Realizací vlastních průzkumných prací na 21. patře dolu III, IV byla pověřena Stavební geologie Praha. Zájmový prostor byl z povrchu přístupný jámou č. 16 a č. 11A. Stavební geologie Praha v květnu 89' zpracovala projekt geotechnického a hydrogeologického průzkumu masivu granitoidů. V 09/89 byl zahájen systematický průzkum I. etapou, jejímž úkolem bylo studium a získání poznatků o geologických a hydrogeologických poměrech horninového masivu. Současně v průběhu I. etapy průzkumných prací byl zpracován projektový úkol podzemní části KZP (Kavernový zásobník plynu - dále jen KZP), který zpracoval Plynoprojekt v roce 1989 !
V letech 10/1991 - 02/1992 následovala II. etapa inženýrsko-geologických prací s cílem ověření průběhu a charakteru zjištěných tektonických linií a ověření jejich propustnosti pro vodu a plyn. Stavební geologie - Geotechnika zpracovala originální metodiku pro zkoušky jímatelnosti plynu ve vrtech. Na základě závěrů a vyhodnocení prací, které byly v roce 09/1991 oponovány hlavní komisí ČPP s.p. Praha (za účasti expertních pracovníků) a dále na základě úspěšné oponentury na Ministerstvu pro hospodářskou politiku a rozvoj v únoru 1992 byla zpracována základní projektová dokumentace Plynoprojektem Praha a Diamosem Ostrov nad Ohří, která byla vyskladněna v 08/1991. V návaznosti na to byl OBÚ Příbram požádán zhotovitelem, tehdejším ČSUP s.p. Správa uranových ložisek, o.z. Příbram o povolení hornické činnosti - zvláštní zásah do zemské kůry k realizaci podzemní části "Kavernového zásobníku plynu Brod", později změna dle katastrálního území na "Kavernový zásobník plynu Háje". Vlastní realizace stavby probíhala od 1. 4. 1992 podle schválení projektové dokumentace. Po zhodnocení průběhu výstavby v závěru r. 1994 byl dopracován základní projekt výstavby a vydán jako "Projekt dostavby spodní části" platný od 1.1. 1995. Zhotovitel v souladu s tímto projektem ukončil ražby v PZP v 10/1996 s tím, že termín likvidačních prací a čištění zásobníkových chodeb, 01/1997 nebyl dodržen. Nedodržení termínu bylo způsobeno likvidací závalu v ZV 51/2.
Současně s dokončovacími pracemi probíhaly práce vyplývající ze zprávy "O zvýšení kapacity PZP - Háje" a to realizace zkušebního tělesa č. 1, včetně tlakových zkoušek a následně zkušebního tělesa č. 2. Na základě dílčích výsledků a oponentury stavebního objektu SO 1608 - tlakové uzávěry č. 1 a 2 byl přepracován jeho projekt a technologie výstavby tohoto objektu. V období 03/97 - 31.5.1997 byly provedeny výlomové práce. Následovala úprava předpolí zátek, osazení 2 pancířů a injektážní práce v prostoru zátek. K 31.5.1997 byly ukončeny všechny práce uvnitř zásobníku včetně fotogram-metrického zaměření skutečného objemu zásobníku, který činí dle protokolu firmy MEKKA 620 502 m3.
Propojení podzemní části KZP - Háje s povrchem bylo řešeno v rámci I. etapy výstavby vrchní části stavby KZP v roce 1992 a to přípravou staveniště, přívody energií a realizací 2 technologických a 5 těžebně vtláčecích vrtů. Vrtné práce byly zahájeny v 3/93 vrtem V5 a ukončeny vrtem T2 dne 21. 9. 1994, realizovaných dle projektu GPO Ostrava a.s., který byl též zhotovitelem díla. Inženýring provedla SG - Geotechnika. Podrobné zhodnocení je uvedeno ve "Zprávě o technickém dozoru vrtných prací" z 11/94. Jednou ze základních problematik studovaných od začátku I. etapy průzkumných prací až prakticky po zkoušky "in situ" v pokusné hrázi č.1 a 2 bylo zjištění propustnosti horninového prostředí pro vodu a plyn.

Vodní tlakové zkoušky byly prováděny ve vodorovných a svislých jádrových vrtech.
 Zjišťování propustnosti horninového prostředí metodou vodních tlakových zkoušek je jednoduchá a přesná metoda. Obor tlaků do 20 MPa používaný v prostoru zásobníku byl v našem státě proveden poprvé. Metodika zkoušek spočívala v měření spotřeby vody ve vrtech na předepsaných tlakových stupních. Koeficienty filtrace jsou přepočteny dle vzorce Altovského

k = 0,607639 *10E-5 *Q x log (0,66*l)/r

kde
k = koeficient filtrace (m.s-1)
Q = měrná ztráta vody (při tlaku 10 kPa) (1.min-1.m-1)
l = délka etáže (m)
r = poloměr zkoušeného vrtu (m)

Plynové tlakové zkoušky propustnosti (PTZ)
 Ověřování plynopropustnosti horninového masivu ve vrtech bylo prováděno dvěma rozdílnými typy zkoušek a to zkouškou PDT a CHIT. Zkouška PDT (pressure drop test) sestávala z postupného natlakování vrtu vzduchem na maximální hodnotu, uzavření tlakového systému a dlouhodobého sledování tlakových změn ve vrtu za postupného přechodu do jednotlivých rovnovážných stavů při daných teplotách a tlacích. Zkouška CHIT (constant head injection test) sestávala z postupného tlakování vrtu vzduchem na předepsané tlakové stupně, na nichž je držen konstantní tlak media ve vrtu při proměnném průtoku. Po vytvoření rovnovážného stavu, je stanovena ztráta vzduchu při určitém konstantním tlaku. Daná ztráta media je přímo úměrná propustnosti horninového masivu.
Z časového vývoje ztrát objemu plynu při zkoušce CHIT a z časového vývoje ztrát tlaku při zkoušce PDT je možno stanovit plynopropustnost (K) horninového masivu :

K = Qax

kde
K = propustnost (m2)
G = geometrický faktor (bezrozměrné)
Q = průtok vzduchu při p=105Pa (m3/s)
po = referenční tlak (105Pa)
k = koeficient filtrace (m/s)
pe = tlak na hraniční izobaře (105Pa)
L = délka vrtu (m)
g = tíhové zrychlení (m/s2)
Ps = tlak ve vrtu (Pa)
v = kinematická viskozita (kg/m.s)
m = dynamická viskozita (kg/m.s)
p = Ludolfovo číslo (3,1415)

Podmínkou řešení je suchý vrt a laminární proudění vzduchu do vrtu. Objemové a tlakové ztráty byly měřeny až po dosažení rovnovážného stavu ve vrtu tj. stavu, kdy při konstantním tlaku je do vrtu vtláčeno konstantní množství plynu v daném časovém intervalu. Pokud jsou stěny vrtu vlhké nebo z vrtu vytéká voda, dochází při injektáži plynného media ke zvětšeným ztrátám vlivem zvětšeného rozšíření puklin a vlivem snadnějšího průchodu vzduchových bublin zvodnělými diskontinuitami. Stav zvodnění horninového masivu je vyjádřen hodnotou koeficientu m jsou v mezích 0,00 - 1,00. Stanovenou hodnotou koeficientu m je nutno vynásobit naměřené ztráty Qa, abychom získali skutečnou hodnotu ztrát plynného media v horninovém masivu.


VÝSLEDKY VYHODNOCENÍ VODNÍCH A PLYNOVÝCH TLAKOVÝCH ZKOUŠEK
Zkouška na vrtu
Rozsah zkoušené etáže [m]
Výpočtová délka etáže [m]
Výpočtová délka poruch [m]
Celková spotřeba vody (plynu) na etáž (l/s)
Spotřeba vody (plynu) na 1 m etáže (l/s.m)
Koeficient filtrace
Výpočet pro tlak [MPa]
Typ zkoušky
na etáž [m/s]
poruch. pásem [m/s]
J1
10 - 58
48,0
12,7
0,024
5,20E-4
1,50E-11
1,90E-10
12,5
VTZ
J2
10 - 70
160,0
6,74
0,051
3.22E-4
4,30E-12
2,90E-11
12,5
VTZ
 
 
  
1,000
6,25E-3
1E-12
 
12,5
PTZ
J3
5,2 - 17
164,0
21,0
0.530
3,22E-3
5,60E-11
6,50E-11
12,5
VTZ
J4
6,2 - 100
94,8
6,3
0,040
4,21E-4
3,20E-12
8,50E-12
15,0
VTZ
J5
5,8 - 70
64,2
5,5
4,000
6,23E-2
9,00E-10
6,50E-9
12
VTZ
J6
2,0 - 50
48,0
2,1
0,640
1,33E-2
1,84E-10
2,10E-9
12
VTZ
 
 
 
37.950
7.91E-1
1E-10
 
12
PTZ
J8
4 - 11
7,0
1,0
0,080
1,14E-2
1.09E-10
4,20E-10
12
VTZ
4,2 - 69,2
65,0
11,4
0,011
1,69E-4
2,45E-12
1,02E-11
12
VTZ
PJ 1
1 - 20
19,0
4,4
0,026
1,37E-3
2,50E-12
8,60E-12
12
VTZ
J9
0,8 - 53
52,5
7,9
0,180
3,45E-3
6,91E-12
3,61E-11
12
VTZ
1 - 110
109,0
7,9
0,132
1,21E-3
2,62E-12
2.65E-11
12
VTZ
 
 
 
 
 
6.670
 
1,33E-2
 
9,25E-10
 
2,90E-9
<12
PTZ
až
až
12
5,34E-2
5,09E-9
11,4
J10
1 - 9
8,0
-
0,005
6,25E-4
9,93E-13
9,93E-13
12,0
VTZ
8,3 - 20
11,7
4,6
0,015
1,25E-3
2,14E-12
4,78E-12
12,0
VTZ
20 - 30
10,0
3,0
0,004
4,00E-4
6,56E-13
1,83E-12
12,0
VTZ
J11
2 - 20
18,0
0,5
0,030
1,66E-3
2,10E-11
2,25E-11
12,0
VTZ
20 - 50
30,0
3,5
0,046
1,53E-3
2,11E-11
6,37E-11
12,0
VTZ
J12
2,5 - 50
47,5
-
0,112
2,35E-3
3,48E-11
3,50E-11
12,0
VTZ
 
 
 
8,00
1,68E-2
5,00E-10
 
12,5
PZT
až
1,00E-11
TV 2
0,6 - 4,17
3,57
3,57
0,02
5,60E-3
5,93E-11
5,93E-11
12,0
VTZ
TV4
0,6 - 4
3,40
3,40
0,014
4,12E-3
4,32E-11
4,32E-11
12,0
VTZ

Poznámka: U vrtů J 1, J 2 a J 4 je hodnota celkové spotřeby vody na etáž známa pouze při tlaku 15 MPa.

Na základě naměřených výsledků VTZ byla provedena interpretace vodních tlakových zkoušek Ústavem pro ekosystémovou analýzu Báňské univerzity Leoben (autor RNDr. Michal Stibitz). Pro interpretaci VTZ byl použit systém PanSystém (sime 1990). Byla použita metoda VRD (variable rate drawdown) v modifikaci pro injektáž s proměnlivým vtláčeným množstvím.
Výsledky vyhodnocení VTZ z vrtu J8 při tlaku 12 MPa jsou prezentovány na obrázcích 1. a 2.

Vyhodnocení VTZ na vrtu J=15 s tlaky 3 až 12 MPa metodou lineární aproximace - znázornění experimentálně získaných dat a průběhu regresní přímky

obr. 1

Obr. 1

Obr. 2

Celkem bylo vyhodnoceno 22 vodních tlakových zkoušek. Z vyhodnocení VTZ programem PanSystém přineslo hodnoty s mediany průměru řádově 2-4 E-9 m2.s-1, což jsou hodnoty vyšší než výsledky interpretace VTZ podle Altovského. Potvrdila se tak omezená aplikovatelnost programu PanSystém pro vyhodnocení těchto hydraulických zkoušek v granitu. Následně byla provedena modelová simulace modelem MODELFLOW, která poskytla další údaje pro simulaci hydrauliky okolí Kavernového zásobníku trojrozměrným modelem STAFF 3 D. Při použití tohoto modelu byly podstatně sníženy především hodnoty koeficientu filtrace puklin.Výsledné hodnoty odpovídají výsledkům interpretace VTZ dle Altovského.
Posouzením propustnosti horninového masivu prostorovým matematickým modelem se zabývala též fy Dolexpert - Geotechnika (autorka ing. Marta Doležalová, CSc.).
Výše citovaná práce se zabývá analýzou propustnosti horninového masivu v okolí tlakových uzávěrů KZP při působení tlaku vody v mezizátkovém prostoru v 10 a 13 MPa. Zhodnocení tohoto modelu by zasluhovalo samostatný článek.
V současné době je zásobník plynu provozován při ložiskovém tlaku 7,5 MPa a tlak v mezizátkovém vrtu cca 8,0 MPa. Výsledky při těchto tlacích plně korespondují s projektovými propustnostmi masivu a jsou sledovány jak provozem fy Transgas, Plynoprojektem a.s. (generálním projektantem), tak i SG - Geotechnikou a.s. a Plynoprojekt provádí porovnání projektovaných parametrů s modelem i se skutečností.