Frakturering

4. Dimensionering

Ingen guidelines i litteraturen

Egentlige vejledninger (guidelines) for dimensionering af fraktureringsmetoden er ikke beskrevet i litteraturen. Designbetragtninger må således baseres på visse teoretiske overvejelser men primært på vurdering af de konkrete feltundersøgelser, hvor metoden er blevet anvendt (jf. kapitel 7). Generelt tilpasses dimensioneringen til karakteren af det problem der skal løses, det vil sige: typen af forurening, udbredelsen af forureningen i mættet / umættet zone, dybden af forureningen, geologiske og geotekniske forhold samt lokale forhold såsom bygningsfundamenter og underjordiske ledningsføringer.

Influensradius

Afstanden mellem de enkelte sprækker og antallet af boringer er bestemt af hvor stort et areal der hydraulisk ønskes påvirket (dvs. influensradius). Som tommelfingerregel vil gælde, at trykniveauet i den lavpermeable formation, omkring den induceret sprække, påvirkes med en influensradius der er mindst tre gange den inducerede sprækkes egen radius. Så ved sammenligning med almindelige vertikale boringers influensradius viser erfaringen, at et langt større jordvolumen i lavpermeable bjergarter bliver påvirket ved etablering af inducerede sprækker.

Dybdeplacering af inducerede sprækker

Dybdeintervallet, hvori inducerede sprækker med en horisontal orientering kan forventes etableret i Danmark, er optimalt fra 1-2 meters dybde til maksimalt 8 meters dybde. Sprækkernes foretrukne orientering i dette interval forventes at blive tilnærmelsesvis horisontal, da de danske lerdæklag i overvejende grad befinder sig i en overkonsolideret spændingstilstand. Etablering af sprækker dybere end 5-8 meter risikerer således at få en uønsket vertikal orientering, grundet normalkonsolideringen i jorden i denne dybde. Ligeledes er sprækker etableret i den øverste meter uønsket da der i denne dybde er større risiko for at inducerede sprækker skærer jordoverfladen. Ganske mange forureningssager på lavpermeable aflejringer i Danmark har hovedmassen af forureningen beliggende i de øvre 5-8 meter af jordlagene (eksempler: Ringe Tjære og Asfaltsgrund samt på gasværkgrunden i Haslev). Dette til trods for at forureningen kan være flere årtier gammel og derved have haft mulighed for at spredes over store afstande og til stor dybde.

Sprækkeapertur og kornstørrelsesfordeling af fyldmateriale

Fyldmaterialer der anvendes i hydraulisk inducerede sprækker skal være så velsorteret som muligt med meget lille kornstørrelsesvariation i sandfraktionen. Derved opnås størst mulig effektiv porøsitet og højest permeabilitet. Den mindste sprækkeapertur der kan injiceres med sandfyldning er teoretisk set ca. 1 mm, svarende til en sprække fyldt med et enkelt lag af sandkorn. Erfaringen viser dog i praksis, at de fleste sprækker får en apertur på 0,5 – 1 cm. Den hyppigst anvendte kornstørrelse for granulære fyldmaterialer er mellem- til grovkornet sand der har en hydraulisk ledningsevne på 10^-2-10^-3 m/s. Permeabilitetskontrasten mellem fyldmaterialet og den omgivende formation har vist sig af være en kritisk faktor. Fyldmaterialets kornstørrelsesfordeling skal dimensioneres således, at permeabiliteten af sandfyldningen er mindst 1000 gange højere end den omgivende lavpermeable jord. Derved opnås optimal hydraulisk influens i den lavpermeable formation ved pumpning på den sandfyldte sprække.

Sprækkestørrelse

Ved direkte at opmåle jordoverfladens netto-hævning kan sprækkestørrelsen (dvs. sprækkelængde og -apertur) kvantificeres for inducerede sprækker, der etableres i maksimalt 5-8 meters dybe (jf afsnit 3.4). Nettohævningen er ligefrem proportional med sprækkens apertur efter at injektionstrykket er taget af sprækken. Sprækkens længde bliver typisk 3 gange afstanden fra jordoverfladen til injektionspunktet i dybder indtil 5-8 m.u.t. Når en sprække etableres i mere end ca. 5-8 meters dybde bliver forholdet mellem sprækkelængde og dybde normalt mindre end 3, da sprækken til start udvides ved, at overjorden komprimeres før en egentlig jordhævning finder sted.

Injektionstryk

Injektionstryk ved hydraulisk frakturering vil typisk være fra 2,5-3,5 atm i den initiale fase, aftagende til ca. 1 atm i vækstfasen. Trykgradienten med dybden er for vand på 0,15-0,2 atm pr. meters injektionsdybde. Ved pneumatisk frakturering kræves typisk et noget højere initial injektionstryk, da der normalt ikke laves indskæringer i boringsvæggen ved denne fraktureringsmetode (jf. afsnit 2.4.2). Trykgradienten ved brug af luft stiger med 0,67-1,11 atm pr. meters injektionsdybde.

Injektionshastighed

Injektionshastigheden er en kritisk design parameter til dimensionering af sprækker induceret med luft. Sprækker etableret ved hydraulisk frakturering i leraflejringer vil normalt ikke være påvirket af nævneværdig lækage. Dimensionen af en hydraulisk sprække vil således primært være begrænset af det injicerede materiales volumen.

Forholdet mellem sand og gelé i boremudder kan beregnes med et ikke kommercielt modelværktøj der er baseret på beregningsforudsætninger der er angivet i Murdoch (1993). Et eksempel på inputparametre er til denne model er givet i Bilag 5.

Materialeforbrug

Materialeforbruget til fyldning af en hydraulisk sprække vil som tommelfingerregel skulle 8 dobles ved fordobling af sprækkens længde. Økonomiske / tekniske overvejelser skal således gøres hvis den hydrauliske og oprensningsmæssige effekt / gevinst ved at fordoble sprækkestørrelsen lige så godt - og muligvis billigere - kunne opnås, ved at etablere en ny sprække i kort afstand fra den første sprække. Derved undgår entreprenøren at skulle investere i en uforholdsmæssig stor og omkostningsfuld "portionsblander", der sandsynligvis vil fordyrer prisen på den enkelte sprække.

Numeriske modelberegninger

Numeriske modelberegninger er benyttet til at vurdere strømnings- og stoftransportforhold omkring anvendelsen af inducerede sprækker versus almindelige vertikale boringer (EPA, 1994). Ikke overraskende viser modelberegningerne, at inducerede sprækker influerer væsentligt mere på at opnå større trykgradienter, kortere opholdstider og større stofflux end ved anvendelsen af almindelige vertikale boringer. Konkrete feltdata fra Center Hill lokaliteten i Cincinnati i USA (jf. afsnit 8.1.2) viste, at værdierne for trykgradienter, stofflux og opholdstider alle blev forøget med en faktor ti i forhold til en vertikal kontrol boring. Yderligere blev oppumpningsydelsen fra den inducerede sprække øget med en faktor 20 med en forøgelse af influensradius på ca. 10 ift. kontrol boringen. I Bilag 2 er gengivet eksempler på effektforbedringer på 10-50 gange ved anvendelse af inducerede sprækker indenfor miljø, olie og vandforsyning
(beskrives nærmere kapitel 8).