Frakturering

8. Eksempler på anvendelse fra USA (Case histories)

8.1 Anvendelse af hydrauliske sprækker
8.1.1 Linemaster Superfund lokaliteten (dobbeltfaseekstraktion)
8.1.2 Center Hill, OH (vakuumekstraktion)
8.1.3 Dayton site, OH (biologisk oprensningsmetode)
8.1.4 Portsmouth, OH (Barrierer)
8.2 Anvendelse af pneumatiske sprækker
8.2.1 Centrale New Jersey (Dobbeltfaseekstraktion)

Inducerede sprækker har i kombination med andre oprensningsprincipper været brugt siden slutningen af 1980erne til at forbedre oprensningseffekten fra lavpermeable aflejringer. De fleste anvendelser er pt. blevet testet ved pilotskala feltforsøg, mens lidt færre er dokumenteret ved oprensninger i fuldskala på kommercielle betingelser (Tabel 5). I Bilag 2 er vist resultaterne af effektforbedringen ved etablering inducerede sprækker i boringer der er udført til så forskellige formål som vandforsyning, olieindvinding og forskellige miljøanvendelser (fra EPA, 1994). For miljøanvendelsernes vedkommende har strømningshastigheden ved op- eller nedpumpning af væske eller gas kunne øges med en faktor 10 til 50. Det skal bemærkes at effekten er relativ uafhængig af hvilken væske-/gastype der anvendes og hvilken afværgemetode der benyttes, da vakuumekstraktion, væskeinjektion, dampinjektion og NAPL-oppumpning opnår ret ens effektforbedringer. Til vandforsyningsformål er opnået ydelsesforbedringer på fra 5 – 25 gange indvingen af olie/gas typisk er blevet forbedret med optil 20 gange. I denne forbindelse kan nævnes, at i et dansk olie/gasfelt i Nordsøen (Dan-feltet) er der opnået indvindingsforbedringer på en faktor 10 fra horisontale olie/gas brønde, hvorfra der er etableret vertikalt orienterede hydrauliske sprækker (Jones, 1999).

Oversigt over frakturering anvendt med andre metoder. (a) Kun på ideplan. (b) Eksperimentelt pilotforsøg (feltskala). (c) Fuldskalaoprensning.

I det følgende er resumeret resultaterne fra fem miljømæssige anvendelser fra USA, hvor inducerede sprækker er blevet benyttet. Det er valgt at præsenterer fire afværgeteknologier i kombination med hydrauliske sprækker, hvoraf en af disse er en passiv metode (biologiske oprensningsmetoder) samt tre aktive metoder: dobbeltfaseekstraktion, vakuumekstraktion og elektroosmose. Endelig præsenteres en TCE oprensning med dobbeltfaseekstraktion i pneumatisk inducerede sprækker.

8.1 Anvendelse af hydrauliske sprækker

På Linemaster lokaliteten i Connecticut, USA blev i 1995 udført forundersøgelser, med det formål at vurdere muligheden for fuldskalaoprensning af en TCE forurening fra moræneler ved DPE i hydraulisk inducerede sprækker. I 1998 blev etableret et DPE system med dobbeltfase-oppumpning og luftinjektion fra inducerede sandfyldte sprækker i 3 – 11 meters dybde med en sprækkediameter på op til 10 meter og en sprækketykkelse på gennemsnitlig 1 – 1,5 cm.

Hydrogeologi og forureningsudbredelse

En 12-15 meter tyk morænelersenhed er primært forurenet med TCE. Forureningen stammer fra en tørbrønd i moræneleren, hvori TCE er blevet bortskaffet af en industrivirksomhed fra slutningen af 1960erne til slutningen af 1970erne. Forureningens kildeområde i moræneleren er kendt, med koncentrationer over 1000 m g TCE/l. Højeste koncentrationer er på 220 mg TCE/l i kildeområdet. Forureningen har en horisontal udstrækning på 25 x 35 meter, der delvis spredt sig ind under en industribygning. Under tørbrønden strækker forureningen sig vertikalt ned til en underliggende skifferformation. Skiferen udnyttes som grundvandsmagasin for områdets vandforsyning, der i dag er forurenet med TCE fra kildeområdet (Whiting med flere, 1998).

Moræneleren har en ca. 5-6 meter tyk oxideret zone, der underlejres en reduceret moræneler. Den oxiderede og reducerede zone har en hydraulisk ledningsevne på henholdsvis 5,2 x 10^-8 m/s og 1 x 10^-8 m/s. Grundvandsspejlet varierer med årstiden fra 1,5 –3 meter under terræn. Kildeområdet er beliggende på et topografisk og hydrologisk højdedrag i området. Det forurenede grundvand har således kunne spredes gennem morænelersenheden og følge grundvandsstrømmens retning i skiferen mod øst og nordøst. Den hydrauliske ledningsevne af den opsprækkede skifer er 1,7 x 10^-6 m/s. Flere lokale vandforsyninger i skifermagasinet er forurenet fra kildeområdet på Linemasterlokaliteten.

I 1992 blev der installeret en afværgepumpning til oprensning af det TCE forurenede grundvand i skifermagasinet. Afværgeoppumpningen har vist sig at kunne hydraulisk fiksere forureningsspredningen. Indenfor et år var TCE-koncentrationen i pumpevandet aftaget fra 800 m g/l til 5 m g/l i 1993. Der var dog stadig så høje koncentration af TCE i den overliggende moræneler at det blev besluttet at etablere et DPE system fra et større antal hydraulisk inducerede sprækker fra 3-11 meters dybde i moræneleren.

Design

Til oprensning af TCE jordforureningen blev syv hydraulisk frakturerede afværgeboringer med 3 – 5 sprækker etableret i hver. Sprækkerne blev etableret i intervallet fra ca. 3 meters dybde til ca. 11 meter fra boringer med 6" PVC forerør. Boremudderet bestod af et blandingsforhold mellem guar gelé og sand på fra 4:1 til 3:1. De individuelle sprækker blev isoleret med pakkere, så en forceret udvaskning fra de enkelte sprækker kunne finde sted. I andre boringer blev installeret straddlepakkere til etablering af op til fem inducerede sprækker i enkeltboringer.

Den del af sprækkerne der blev etableret i indtil 5-6 meters dybde var alle rimelig horisontalt orienteret og symmetriske, mens sprækker etableret dybere blev mere stejltstående og asymmetriske. Flere af de dybere inducerede sprækker voksede med en stejl hældning indtil 5-6 meters dybde, hvor de fik et mere horisontalt forløb.

For at øge luftgennemstrømningen ved DPE i de mest forurenede dele af kildeområdet skulle grundvandsspejlet først afsænkes i moræneleren til størst mulig dybde (start april 1998). Til afsænkningen blev anvendt en 2"-blærepumpe placeret i en pumpesump under filterintervallet og vakuumpumper placeret på jordoverfladen, der kunne producere et kraftigt sug på optil ca. 400 mmHg, svarende til 53 kN/m². En skiftevis DPE og luftinjektion (optil 9 psi, svarende til 62 kN/m²) blev igangsat i foråret 1999 for at forcere den vekslende luftstrømning mellem sprækkerne og afværgeboringerne.

Der blev etableret et moniteringssystem i jordlagene til indsamling af to typer målinger. For det første blev ændringerne i luft- og vandtryk målt. Herunder måling af ændringer i jordfugtighed ved TDR-udstyr (TDR = Time Domaine Reflectrometry). 39 reder af pejlerør blev installeret igennem hele morænelersenheden i udvalgte dybder fra ca. 2,5 m.u.t. til ca. 15 m.u.t. For det andet måltes TCE i poreluft og vandprøver Til bestemmelse af TCE massefjernelse moniteredes poreluften med on-line gaskromatografi, mens mere periodiske prøveudtagninger af vandprøver blev foretaget. Alle strømningshastigheder og tryk måles on-line og registreres med datalogger.

Resultater

I forbindelse med forundersøgelserne på lokaliteten i 1995, viste hydrauliske tests af almindelige vertikale afværgeboringer, at en influenszone på mindre end 2 meter kunne etableres ved en vedvarende luftpumpeydelse på 0,0085 m³/dag/kPa². På samme tid viste tests med DPE fra to pilot afværgeboringer med 3-5 hydrauliske sprækker i hver, :

• at den effektive hydrauliske ledningsevne kunne øges med en faktor 10 i forhold til de almindelige vertikale boringer;

• at influensradius blev forøget til mere end 33 meter (100 fod) eller mere end tre gange sprækkens diameter

• at ved brug af vakuum kunne en vedvarende pumpeydelse på 0,26-0,46 m³/dag/kPa² fra den oxiderede moræneler og på 0,05 m³/dag/kPa² i den reducerede moræneler opnås.

• at DPE var istand til at etablere en afsænkning på mere end 3 meter (10 fod) efter 3 dage i området over sprækkearealet. Forundersøgelserne viste desuden, at det tog 220 dage at etablere 7 meters afsænkning i moræneleren på Linemasterlokaliteten.

Foreløbige resultater af den skiftevise DPE og luftinjektion viser, at jordforureningen i kildeområdet visse steder har kunne reduceres fra 200 m g TCE / kg til 5 m g TCE / kg.

Konklusion

Fjernelsen af TCE forbedredes med 4-6 gange efter få måneders oppumpning. Efter fem års oprensning gennemføres et ekstensivt jordprøvetagning, der skal vise hvor effektivt DPE kombineret med luftinjektion fra hydraulisk inducerede sprækker er til fjernelse af TCE fra en morænelerssekvens.

8.1.2 Center Hill, OH (vakuumekstraktion)

Center Hill lokaliteten er en ikkeforurenet grund, der er beliggende ved Cincinnati i Ohio, USA. Den har i begyndelsen af 1990erne været benyttet, som forskningslokalitet af universitetet i Cincinnati til den initiale udvikling af fraktureringsteknologien til miljømæssige formål. Lokaliteten består af en siltet leraflejring, hvor der forekommer indslag af tynde sand og grus horisonter.

På lokaliteten er effekten af SVE undersøgt med det formål, at bestemme influensradius i en opsprækket glacial aflejring (Wolf og Murdoch, 1993). SVE princippet blev testet fra sandfyldte hydrauliske sprækker og blev sammenlignet med effekten ved SVE fra almindelige vertikale boringer uden hydrauliske sprækker i.

Design

Fem boringer blev etableret i forbindelse med undersøgelserne til brug for SVE testene. To af boringerne er etableret som almindelige vertikale boring, der benævnes CHC1 og CHC2. Tre andre boringer er etableret med hydrauliske sprækker, der benævnes CHF1, CHF2 og CHF3. De fem boringer er beliggende indenfor en maksimal indbyrdes afstand på 50 meter (Figur 8.1).

Tre hydrauliske sprækker blev etableret i boring CHF1 i 2, 3,5 og 5 meters dybde. Yderligere to sprækker blev etableret i ca. 2 meters dybde i hhv. boring CHF2 og CHF3. Boringerne blev primært indrettet til vakuumekstraktion, men kunne også anvendes ved dobbeltfaseekstraktion. Boring CHF1 blev etableret, som en 18" boring og blev udbygget med 0,5 meter lange individuelle 2"-filterrør til hvert sprækkeinterval. Annulus mellem borehul og forerør blev forseglet med en cementblanding for at undgå lækage mellem de enkelte filtre. Boringerne CHF2 og CHF3 blev udbygget med ca. 0,5 meter lange 6"-filtre placeret i sprækkeintervallet i ca. 2 meters dybde.

De sandfyldte sprækker dækker hver et areal på ca. 7 x 10 meter. Tykkelsen af de fem sandfyldte sprækker er 1,5-2,5 cm. Opmåling af hævningens størrelse af jordoverfladen korrelerer med den observerede tykkelse af sand i sprækkerne. En enkelt sprække er cirkulær i form, mens resten er ellipsoidale. Sprækkernes form er asymmetrisk med en svagt hældende orientering. Det skal bemærkes at sprækken i boring CHF2 skærer jordoverfladen (venting) på en mindre strækning i en afstand på ca. 10 meter fra boringen.

De to almindelige boringer blev udbygget med korte filtre i de øverste 1,5 til 2,5 meter under terræn. Endelig blev etableret et større antal pejlerør i forskellig dybde og afstand fra boringerne og sprækkerne.

Resultater

I boringerne CHF2, CHC3 og CHC2 blev udført en SVE test af 30 dages varighed. Pumpeydelser og trykfordeling blev registeret kontinuert og konstante værdier blev nået inden for meget kort tid (få minutter). Som følge af nedbørshændelser i området observeredes dog betydelige fluktuationer. Figur 8.2 viser pumpeydelsen af luft i de tre boringer som funktion af tid. Der er en svag tendens til stigende pumpeydelser i løbet af testperioden, sandsynligvis som følge af en samtidig afsænkning af vandspejlet, så adgangen for luftstrømningen øges. Det ses endvidere, at største ydelser opnås fra CHF2 med 175 – 200 l/min, mens ydelsen fra CHF3 er ca. halvt så stor. Grundet CHF2´s skæring med jordoverfladen trækkes falsk luft ned via denne passage, hvilket forklarer CHF2´s væsentlig højere ydelse end CHF3. Endelig kan det konstateres, at pumpeydelsen af luft fra den almindelige boring CHC2 er en faktor 4 til 8 lavere end for de to opsprækkede boringer.

Infiltration af nedbør påvirker pumpeydelsen betydeligt, således at ydelsen falder når nedbøren infiltrerer jordlagene og vandmætningen stiger. Figur 8.3 viser relationen mellem fluktuerende pumpeydelse af luft fra boring CHF2 og regnhændelser i forsøgsperioden. Det ses, at et kraftige regnvejr med en intensitet på mere end 30 mm på én dag (ca. 10 dage efter pumpestart), reducerer ydelsen med 10-12% indenfor selv samme døgn. Selv mindre regnhændelser på mindre end 10 mm/dag har ligeledes en tydelig effekt på ydelsen. Pumpeydelsen stiger dog igen til ydelsesniveauet fra før nedbørshændelsen efter nogle få dages fortsat oppumpning.

Poreluftens trykændringer i den umættede zone nær en induceret sprække er flere størrelsesordener større end ved en almindelig lodret boring med filter i den umættede zone. Figur 8.4 viser poreluftens trykændringer i indtil 10 meters afstand fra boringerne CHF1, CHC1 og CHC2. Til sammenligning var poreluftens trykniveau upåvirket af SVE testene i en afstand på mindre end 0,5 meter fra de almindelige vertikale boringer.

Konklusion

På baggrund af undersøgelserne på Center Hill lokaliteten blev det konkluderet, at hydrauliske sprækker kan forøge strømningshastigheden af luft væsentligt i forhold til oppumpning af luft fra almindelige vertikale boringer. Den gennemsnitlige influensradius for boringerne med frakturering var fra 5 – 10 meter mens almindelige boringer kun kunne påvirke trykfordelingen til en maksimal afstand på 0,5 meter.

Dayton lokaliteten er beliggende i Ohio, USA. I 1989 blev et større antal underjordiske brændstoftanke gravet op efter det var konstateret, at betydelige mængder af BTEX komponenter og total kulbrinterne var sivet ud i jorden. I 1991 blev et undersøgelsesprogram igangsat med biologisk rensning til bekæmpelse af forureningen.

De geologiske forhold på lokaliteten består af en stiv sandet til siltet leraflejring med indslag af tynde grushorisonter. Lerformationen underlejres af en ler- og kalksten i ca. 6 meters dybde. Den bulk hydrauliske ledningsevne af den lavpermeable lerjord er mindre end 10^-9 m/s. Forureningen er spredt over hele arealet med det opgravede tankanlæg og over det meste af dybden til den underliggende ler- og kalksten. I jorden blev primært påvist xylen og toluen i koncentrationer på op til 55 - 60 mg BTEX/kg jord. Total kulbrinterne blev påvist i koncentrationer op til 8-9 mg/kg jord og total bly op til 150 m g/kg jord.

Design

Der blev i alt induceret ni hydrauliske sprækker på lokaliteten, hvoraf syv blev etableret i dybder fra 2,5 til 4,0 m.u.t. fra to injektionsboringer indenfor forureningens kildeområde. I hver af de ni sandfyldte sprækker blev der injiceret mellem 140-280 liter sand og 320-475 liter gelé. Det initiale injektionstryk varierede mellem 120-420 kN/m², mens injektionstrykket i sprækkernes vækstfase varierede mellem ca. 50 og 200 kN/m². Den maksimale hævning af jordoverfladen var på 1,2 - 2,3 cm og radius af sprækkernes udstrækning varierede mellem 4,5 og 7,0 meter.

Der blev i en ca. 9 måneders periode frem til august 1992 injiceret hydrogenperoxid (H₂O₂) og næringssalte med vand i en enkelt opsprækket boring, samt i en almindelig vertikal boring (uden opsprækning).

I den opsprækkede boring kunne der injiceres 25- 40 gange mere vand (+ H₂O₂ og næringssalt) til sammenligning med den almindelige vertikale boring over de ni måneder. Den øgede strømningshastighed resulterede i en 4-dobling af vandmætningen i jordlagene omkring den opsprækkede boring.

Der blev udtaget jordprøver hhv. 3 og 8 måneder efter injektionsstarten, for at bestemme den procentvise fjernelse af forureningen, som resultat af de biologiske nedbrydningsprocesser. Efter 8 måneders drift var der i forhold til startkoncentrationerne fjernet mellem 60 – 90 % af ethylbenzen, 12-80 % af benzen og 55-80 % af total kulbrinterne i de opsprækkede boringer. Fjernelsesprocenten for de uopsprækkede boringer var kun målbar for ethylbenzen (37-90 % i to ud af tre boringer) og for total kulbrinterne med 25-67 % stoffjernelse i alle tre almindelige boringer. Til gengæld kunne ingen fjernelse af toluen konstateres i hverken de opsprækkede eller almindelige boringer efter 8 måneders drift.

Konklusion

Det kunne således konkluderes, at biologiske nedbrydningsprocesser i hydrauliske sprækker på Dayton lokaliteten kunne fjerne mere benzen, ethylbenzen og totalkulbrinterfra jorden ved injektion af H₂O₂ og næringssalte end almindelige vertikale boringer. Til gengæld kunne ingen af de to boringsudbygninger fjerne toluen med den anvendte bioremedieringsteknik.

8.1.4 Portsmouth, OH (Barrierer)

Portsmouth lokaliteten er beliggende i det centrale Ohio i USA, hvor et kontrolleret pilotskalaforsøg med horisontale barrierer blev udført på en grund med et nedlagt gasanlæg. Grunden er ejet af det amerikanske energiministerium (DOE). Den 2,2 hektar store grund blev forurenet med olierester og klorerede opløsningsmidler i 1970erne. I 1980 blev arealet overdækket med en midlertidig geomembran for at reducere perkolat nedsivningen fra grunden. I 1996 blev etableret hydrauliske sprækker i to forsøgsceller fra ca. 1 - 5 meters dybde med fem sprækker i hver (tidligere omtalt i afsnit 7.9). Det primære formål med undersøgelsen var, at teste in-situ oprensning af TCE i en lavpermeabel aflejring ved, at injicere reaktive stoffer (oxidation- og reduktionsmidler) i de hydrauliske sprækker.

Hydrogeologi og forureningsudbredelse

De geologiske forhold på forsøgslokaliteten udgøres af 6-8 meter lavpermeable siltede leraflejringer, der indeholder et naturligt sprækkesystem. Den mættet hydraulisk ledningsevne af leren er bestemt til mindre end 10^-8 m/s. Et permanent vandspejl optræder i ca. 4 meters dybde. Et permeabelt sand/gruslag underlejrer lersekvensen. Der er påvist 300 mg TCE /kg i den umættede zone, mens grundvandszonen indeholder mere varierende TCE indhold, herunder fri fase TCE.

Design

To forsøgsceller blev etableret på grunden, som vist på Figur 8.5. I begge celler blev etableret fem hydrauliske sprækker, hvor de øvre og nedre sprækker blev fyldt med sand. I den ene forsøgscelle blev de tre mellemste sprækker fyldt med jernspåner (Fe⁰) og de tilsvarende sprækkere i den anden celle blev fyldt med kalium permanganat (KMnO₄). To profilsnit gennem de to celler er vist i Figur 8.6. I Tabel 6 er vist karakteristika for de to celler. Jernspånerne består af Fe⁰ partikler (0,2 mm i diameter), der i suspension i guargummi gelé blev injiceret i de mellemste sprækker i den ene celle. Tilsvarende blev oxidationsmidlet, der bestod af partikulært KMnO₄ (0,1-0,3 mm i diameter) i suspension i en mineralbaseret gelé injiceret i den anden celle.

Karakteristika ved de to forsøgsceller (fra Siegrist med flere, 1999).

Hver af de fem sprækker i de to celler blev etableret fra individuelle stål rammeboringer. Sprækkernes udbredelse blev registreret ved opmåling af jordens hævning på terræn og senere verificeret med et større antal kerneboringer. Sprækkernes form var horisontale nær injektionspunktet og hældende opefter i større afstand, så de dannede en skålform. I flere tilfælde skar sprækkerne hinanden.

Resultater og konklusion

Forsøgene viste, at de jernfyldte sprækker dannede en mindre end 1 cm tyk reaktiv zone omkring sig, hvori et fald i redox potential kunne erkendes, samtidig med at en reduktiv deklorering af TCE fandt sted. Forsøget viste desuden, at nulvalens jernet ingen yderligere indtrængseffekt havde på den TCE-forurenede sidebjergarts matrix. Derved kunne det konstateres, at jernet ingen nedbrydningseffekt havde på den øvrige del af sidebjergarten med TCE-forurening. De permanganat-fyldte sprækker dannede en diffusiv reaktionszone omkring sig der voksede til en tykkelse på 40 cm over en 10 måneders forsøgsperiode. Indenfor denne oxiderede zone blev mere end 99% af TCE indholdet fjernet i relativ lav koncentration efter 2 timers kontakttid. Langtidseffekten af begge typer af fyldmaterialer viste, at nedbrydningspotentialet af høje TCE indhold kunne opretholdes efter 10 måneders reaktionstid. Yderligere detaljer vedrørende metode og resultater kan findes i Siegrist med flere (1999).

8.2 Anvendelse af pneumatiske sprækker

I det centrale New Jersey pågår en fuldskala oprensning af TCE fra pneumatisk inducerede sprækker ved dobbeltfaseekstraktion. Fuldskala oprensningen igangsattes i september 1995.

Hydrogeologi og forureningsudbredelse

Geologisk udgøres den forurenede lokalitet af en skifer formation med en bulk hydraulisk ledningsevne på 4,5 x 10^-7 m/s. TCE-forureningens horisontale udbredelse dækker et areal på ca. 3700 m², mens den vertikale udbredelse strækker sig fra ca. 3,5 – 8 meters dybde. TCE koncentrationen er relativ høj (optil 150 mg TCE / l) svarende til over 10 % vandmætning.

Design

Afværgesystemet består af 20 vakuumekstraktions boringer, hvor der er etableret et større antal pneumatisk inducerede sprækker indtil 8 meters dybde. Sprækkerne har en horisontal til svagt nedad hældende orientering ind mod injektionspunktet. Over jorden består afværgesystemet af en vakuumblæser, en væske- / gasseparator, en luftkompressor og to aktive kulfiltre.

Resultater

En pilottest har vist, at vandspejlet kunne afsænkes fra 3,5 m.u.t. til 8 meter i skiferen indenfor en 2 dages forsøgsperiode. I samme periode kunne en influensradius på mere end 17 meter opnås i skiferformationens umættet zone (ARS, 1999).