1
Teplo hornin je třeba za účelem využi9 vynést na povrch. K tomu slouží teplosměnná kapalina, doposud se používá běžná voda. V hydrotermálních systémech, kde je přřírodní horké vody dostatek a existující propustnost poskytuje dostatečnou teplosmwnnou plochu, stačí zpravidla ochlazenou vodu vracet v injektážních vrtech zpět do hloubky. Jiná situace je v případě systémů HDR (hot dry rock). kdy je třeba do hloubky zavést vodu a navíc vytvořit puklinový systém propojující injektážní a produkční vrt. Systém puklin musí být navíc dostatečně rozvětvený, aby poskytoval teplosměnnou plochu umožňující předání tepla horniny kapalině. Tepelný výměnik se vytváří srmulací exissujících nebo vytvořením nových puklin s pomocí tzv. hydraulické srmulace. 2
Při studiu a srmulaci puklinových systémů se používá postupů strukturní geologie, hydrogeologia a seismologie. Protože orientace přirozených i umělých puklin je ovlivněna napěťovým stavem, je základní úlohou určení směrů a pokud možno také velikos9 hlavních složek napě9. Požadovaný výkon elektrárny/teplárny a geotermický průzkum určuje potřebný průtok vody, který je potřeba porovnat s dosažitelným průtokem puklinovým systémem. Geometrie puklin, jejich přírozená propustnost a požadovaný průtok vody vedou pak k návrhu způsobu srmulace. Úlohou seismologie je monitorování rozsahu srmulace v čase a prostoru a stanovení geometrie srmulovaných puklin. To je podkladem k určení směrů napě9, případně i jeho časoprostorových změn. 3
Z hydrogeologie je známo, že propustnost propojeného systému puklin je výrazně vyšší než soustavy vzájemně izolovaných puklin. OpRmální srmulace proto využije stávajích puklin, které vzájemně propojí uměle vytvořenými hydraulickými trhlinami. Z horninových výchozů je známa existence přirozeně vytvořených žilných systémů, které jsou obdobou trhlin vytvářených uměle s pomocí hydraulického štěpení. Obrázky ilustrují odlišné chování hydraulické trhliny v nehomogenních a homogenním horninovém prostředí. V prvním případě je šíření trhliny ve vápenci zastaveno mezilehlými vrtstvami břidlice. 4
Protože existence a orientace puklin je ovlivněna napěťovým stavem, zopakujeme si základní pojmy z teorie konrnua a strukturní geologie. Základní pro porozumění chování napě9 v pevných látkách (které je popisováno pomocí tenzoru napě9) je existence dvou typů sil objemových (např. gravitační nebo magnercké pole) a plošných. Za9mco první působí stejně na každý bod tělesa a tak jej nedeformují, plošné působí na jeho povrch, což vede nutně k deformaci tělesa. Na obrázku je vyznačena část vnější plochy tělesa s normálou n. Sílu T působící na tuto plochu můžeme rozložit na tři síly T i působící na tři plochy kolmé na souřadnicové osy. To jsou vektory, které vyjádříme ve složkách T i j. Máme tedy 9 čísel (skalárů), které vyjadřují působení síly na těleso. Ty zapisujeme ve tvaru marce a označujeme jako tenzor napě9. V souladu zvyklostmi budeme tento tenzor označovat σ ij. Pro ilustraci je zajímavé si uvědomit, že kapaliny nezachovávají tvar, neexistuje tedy ani žádná vnější plocha, která by je ohraničovala. Chybí tedy i plošné síly, což jasně souvisí s 9m, že k popisu napě9 není třeba tenzor (který jak uvidíme níže lze převést na vektor hlavních napě9), ale stačí skalár hydrostarcký tlak. 5
Tenzor napě9 má dvě symparcké vlastnosr. První je jeho symetrie, tedy fakt, že symetrické členy podle diagonály jsou si rovny, tj. nezáleží na pořadí indexů. Má tedy jen 6 nezávislých složek. Tři z nich jsou složky hlavní diagonály, tzv. stejnojmenné složky, které vyjadřují normálové napě9 ve směru souřadných os. Nediagonální, nestejnojmenné složky vyjadřují tečné (střižné) napě9, tzv. deviatorickou část. Druhou pozirvní vlastnos9 je jeho změna při otočení souřadného systému. Toho lze využít k tzv. diagonalizaci tenzoru, kdy se složky mimo hlavní diagonálu vynulují. Získáme tak tzv. vektor hlavních napě9 (vzájemně kolmých), tj. orientace a velikosr třech složek hlavních napě9. 6
Napě9 v horninách je tedy charakterizováno třemi složkami. Běžně se setkáváme se dvěma způsoby popisu: 1. Obecně pomocí třech obecně orientovaných složek σ 1 > σ 2 > σ 3 2. Zjednodušeně. pomocí třech složek S V, S Hmax, S hmin orientovaných verrkálně a horizontálně. Jak vidět z indexů, u horizontálních složek rozlišujeme maximální a minimální. O napěťovém stavu tedy rozhoduje relarvní velikost verrkálního napě9 vůči dvěma horizontálním. S 9mto popisem se běžně setkáváme při studiu napě9 ve vrtech. Napěťový stav pak určuje tektonický režim, což je obecně známo z geologie. Při srmulacích puklin se většinou nesetkáváme s reverzním režimem. 7
Nejen velikost hlavních napě9, ale i jejich směr se mění s hloubkou. Rozlišujeme všesměrnou složku napě9, tzv. litostarcké napě9, které je, podobně jako hydrostarcké, určeno hustotou hornin a hloubkou. Dále zde působí tektonické napě9. Výsledný tenzor napě9 lze rolzožit do třech složek S V, S Hmax, S hmin, které lze z měření ve vrtu stanovit. Nezávislou veličinou je tlak vody, který je v puklinách komunikujících s povrchem roven tlaku hydrostarckému. Přípomeňme, že výsledky hlubokého vrtání (např. KTB) ikázaly, že až do hloubek 10 km existuje systém otevřených puklin s hydrostarckým tlakem. Znalost směrů a poměru hlavních napě9 je potřebná především z toho důvodu, že napě9 ovlivňuje tvorbu puklin, ted jejich směr a sklon. Pukliny v normálním napěťovém režimu tak budou mírně ukloněny vůči S V, za9mco pukliny v režimu strike- slip budou subverrkální s orientací zhruba 30 od S hmax. Obrázek schemarcky ukazuje trend hlavních napě9 v reřimu strike- slip. 8
Směry hlavních napě9 lze určit ve vrtu ze směru trhlin vytvořených při vrtání zjištěných např. ze záznamů vrtní televize. Jsou to jednak breakouts, tj. páry širokých kompresních poruch (vypadlé úlomky horniny), které jsou orientovány podél Shmin. Dále tensile cracks, páry tenkých tahových trhlin podél Shmax. Obrázek vlevo ukazuje záznam vrtní televize. Vpravo je hloubkový průběh tahových trehlin ukazující změnu orientace napě9 s hloubkou. 9
K určení minimální složky horizontálního napě9 se používá minitest hydraulického štěpení (viz níže). Injektáží se zvyšuje tlak ve vrtu tak dlouho, až přesáhne Shmin a pevnost horniny. Vytvoří se tak hydraulická tahová trhlina, což je vidět na záznamu tlaku, který začne mírně klesat v důsledku zvýšení objemu soustavy vrt+trhlina. Po ukončení injektáže tlak postupně (zhruba exponenciálně) klesá, přičmež v jednom okamžiku (ozn ISIP na obrázku) se pokles nakrátko zastaví. To je okamžik uzavření hydraulické trhliny, tj. tlak Shmin, při němž se trhlina otevírá nebo zavírá. 10
Obrázky ukazují průběh složek napě9 v geotermálních vrtech v Soultz- sous- Forets a Coso. 11
Napěťová analýza umožňuje určit směr a způsob skluzu na puklině. Názorný způsob představují Mohr- Coulombovy grafy známé ze strukturní geologie nebo z mechaniky hornin. Dvojrozměrný Mohrův diagram. Mějme diagram ukazující závislost střižného τ a normálového napě9 σ na puklině. Lze ukázat, že složky střižného a normálového napě9 na jakkoliv orientované puklině leží na kružnici s poloměrem 1/2(σ 1 -σ 3 ) o středu 1/2(σ 1 +σ 3 ). Velikost těchto složek je dána průsečíkem kružnice s úsečkou vycházející ze středu pod úhlem podle obrázku. Pevnost horniny je vyjádřena tzv pevnostní obálkou, tj závislostí tečného napětí při němž dojde k porušení na normálovém napětí. Poznamenejme, že normálové napětí chápeme jako efektivní, tj, takové, které je určeno rozdílem elastického napětí a pórového tlaku. Při zvyšování pórového tlaku v důsledku injektáže se Mohrova kružnice posouvá doleva. V okamžiku, kdy se protne s pevnostní obálkou, dojde ke skluzu na puklině. Důležité pro nás je, že střižné pukliny mají orientaci vůči Smax mezi 20 a 50 stupni, zatímco tahové jsou orientovány podél Smax. 12
13
Při hydraulické srmulaci dochází ke zvýšení tlaku kapaliny v puklinách a pórech. Při tlacích nepřevyšujících minimální složky napě9 docházi ke snížení tření a normálového tlaku. Ke skluzu tak stačí nižší střižné napě9 (podle Coulombova kriteria). Pukliny, na nichž dojde k překročení pevnosr sklouznou a v důsledku nerovnos9 ploch může dojík i k jejich částečnému oddálení, které trvá i po snížení tlaku. Zvýšení jejich propustnosr tak má trvalý charakter. Pokud tlak kapaliny překročí minimální složku napě9, hornina praskne a kapalina působí jako klín, který trhlinu otevírá. Vzniká tahová (tenzní) trhlina, která se šíří ve směru maximálního napě9. V sedimentárních formacích bývá se šíření trhliny zpravidla zastaví pod pevnější nadložní vrstvou (břidlice nad pískovcem). Aby se trhlina po ukončení injektáže neuzavřela, je třeba vyplnit trhlinu tzv. proppantem (jemnozrnný keramický písek), který se přimíchá do poslední várky vtlačované kapaliny. 14
15
16
17
18
Obrázky ukazují polohu ohnisek mikrozemětřesení generovaných při injektáži do plynonosného pískovce v Texasu. Nalevo: mapa a verrkální řez srmulovaných objemem. Je zde viditelná verrkální plošná trhlina, jejíž šířka je ovlivněna především chybou určení polohy jevů. Barvy odlišuji jevy způsobené během injektáže v různých hloubkových úrovních. Napravo: časová závislost polohy jevů podél trhliny (nahoře) a průběh tlaku na zhlaví vrtu (černá), průtoku (světle modrá) a koncentrace proppantu (fialová). Je patrná skutečnost, že mikrozemětřesení se vyskytují podél celé délky trhliny, přičemž její délka roste lineárně s časem v důsledku zhruba konstantní injektáže. 19
20
21
Obrázky ukazují polohu jevu ze stejné injektáže jako na minulém obr. Poloha je zde určena mnohem přesněji, což ukazuje velmi tenký charakter trhliny. 22
Polohy indukovaných jevů, pruběh injektáže (průtok černě a tlak červeně) a četnost seismicity pro srmulaci geotermálního výměníku v Basileji (Švýcarsko). Vzhledem k tomu, že se jedná o žulu, srmulovaný objem není verrkálně omezen. Po ukončení injektáže vzniklo několik pocitěných zemětřesení (červené symboly), což nakonec vedlo k zastaveni projektu. 23
Evropský pilotní projekt Soultz- sous- Forets. Vlevo systém vrtů, vpravo poloha indukovaných jevů, čas je zde zvyrazněn barevně od červené k modré. 24
Obrázky ukazují objemovou hustotu seismických jevů pro všechny srmulace v projektu Soultz. V mapě je vidět protažení srmulovaného objemu ve směry SSZ (severní část) a SSV (jižní část). Tyto směry jsou symetricky odkloněny o 25 vůči směru Shmax, což ukazuje, že se jedná především o střižné jevy, tj. o srmulaci existujících puklin. 25
SRmulace v projektu Soultz vedla až ke 2 až 50 násobnému zvýšení produkrvity vrtů (viz spodní tabulka). 26
Studium seismicity během srmulace umožňuje nejen určení polohy jevů, ale i akrvovaných puklin. Obrázky ukazují výsledky analýzy srmulace s roku 2003 v projektu Soultz. 27
Obrázek ukazuje, že i během těžby vzniká seismicita, kterou je nutno sledovat a vyhodnocovat možnost jejího zvýšení v budoucnu. 28
Je důlěžité si uvědomit. že nelze využít všechno teplo obsažené v horké vodě. Účinnost geotermálních elektráren je stejně jako u ostatních tepelných elektráren podléhá zákonům termodynamiky a v nejlepších případech dosahuje 30 až 40%, většinou však výrazně méně. 29
Pro provoz geotermální elektrárny je přirozeně třeba dostatek vody. Pokud dochází v geotermálním výměníku ke ztrátám vody, je třeba ji doplňovat z místních zdrojů. Spotřeba přitom není malá. Jak ukazuje jednoduchý výpočet, pro provoz malé elektrárny typu Soultz je třeba denně přes 3 Rsíce m3 vody. To představuje zhruba dva plavecké bazény o délce 50m. Připomeňme, že v Soultz se vrací jen 1/3 injektované vody, zbytek je tedy třeba doplňovat. 30
31
32