Frakturering

9. Vurdering af potentialet for hydraulisk frakturering på Vestergade 10, Haslev

9.1 Lokalitetesbeskrivelse
9.2 Forureningsudbredelse
9.3 Geologiske og hydrologiske forhold
9.4 Foreslået sprækkedesign på Vestergade 10.
9.4.1 Sprækkestørrelse 7
9.4.2 Sprækkelokalite
9.4.3 Boremetode og udbygning
9.4.4 Fraktureringsteknik
9.4.5 Geotekniske undersøgelser
9.5 Sandsynligt resultat af etablering af inducerede sprækker
9.5.1 Forventet sprækkeform
9.5.2 Påvirkning af eksisterende anlæg på Vestergade
9.6 Sammenfatning

9.1 Lokalitetesbeskrivelse

I ejendommen Vestergade 10 i Haslev har der siden 1967 været drevet renserivirksomhed, hvor der har været anvendt tetrachlorethylen (PCE) til den kemiske renseproces. I forbindelse med registrering af potentielt forurenede virksomheder i Haslev kommune blev der i 1992-93 konstateret forurening med specielt PCE og dets nedbrydningsprodukter i det underliggende jord og grundvand. Kildehistorien, forureningsudbredelsen, forureningstype, samt de geologiske og hydrologiske forhold er indgående beskrevet i Vestsjællands amt (1998a & b).

9.2 Forureningsudbredelse

De klorerede opløsningsmidler er hovedsagelig knyttet til de øvre vandmættede dele af moræneleren, mens det underliggende grundvandsmagasin i mindre, men målbare koncentrationer (samlet ca. 1 m g/l af TCE og dets nedbrydningsprodukter). Vinylklorid er påvist i indtil 0,3 m g/l i grundvandsmagasinet.

Forureningen har en horisontal udbredelse i moræneleren på ca. 15 meter, således at den både forekommer i baggården til renseribygningen, samt under selve bygningen, der bl.a. huser renseriet. Vertikalt har forureningen spredt sig til mere end 8 meters dybde i moræneleren med hovedparten af forureningen i 2,5 - 5 meters dybde (Figur 9.1). Poreluftmålinger i de umættede øvre to meter indeholder mindre end 300 m g/l af klorerede opløsningsmidler. To hot spots i 2-5 m.u.t. har mere end 10 mg/l PCE, svarende til nærved 10 % mætning af vandfasen. Yderligere er påvist 2 mg/l af vinylchlorid. På baggrund af disse høje koncentrationer forventes der at optræde frifase klorerede opløsningsmidler på lokaliteten. Grundet beliggenheden af flere udhuse og naboejendomme forhindrer dette bortgravning af 8 meter forurenet jord, hvorved valgmulighederne for oprensning er begrænset til enten afværgepumpning eller in-situ teknikker.

9.3 Geologiske og hydrologiske forhold

Haslev-området domineres af 14-17 meter siltet moræneler, med stedvise indslag af op til flere meter tykke lag og linser af smeltevandsgrus og sand. Morænelersenheden er underlejrer af den stærkt opsprækkede grønsandskalk, hvorfra byens vandforsyning primært henter sit vand. Det primære grundvandsmagasins trykniveau i moræneleren er beliggende ca. 6 m.u.t., mens grundvandsspejlet i moræneleren står 1-1,5 m.u.t. i vinterperioden og 2 - 2,5 m.u.t. i sommerperioden. Der er således hele året en nedadrettede hydraulisk gradient i moræneleren.

De øverste 2 meter udgøres af fyldlag på grunden. Leraflejringerne mellem 2 og ca. 5 m.u.t. består af en forvitret morænelersenhed, der er mindre kompakteret. På baggrund af kendskabet til sprækkesystemet i moræneleren på en nærliggende tidligere gasværksgrund (Vestsjællands Amt, 1997) forventes der at være en relativ høj sprækkefrekvens af horisontale og vertikale sprækker i indtil 3,5-4 meters dybde på Vestergade 10. Dybere end 5 m.u.t. er moræneleren uforvitret og stærkere kompakteret. På baggrund af sprækkeopmålingerne på gasværksgrunden, forventes sprækkehyppigheden at være lav og domineret af vertikale sprækker dybere end 5 m.u.t. Yderligere forventes der at være et horisontalt sprækkesystem i dybere dele af morænelersenheden. Morænelerslaget forventes således at indeholde en til flere størrelsesorden(er) flere sprækker indtil ca. 5 meters dybde, end i den underliggende moræneler. Uden at en detaljeret hydraulisk karakterisering af moræneleren er udført på Vestergade 10-grunden vurderes den hydrauliske aktivitet at være størst i de øverste 2 til ca. 4 m.u.t. med en stærk aftagen tendens under 5 meters dybde, hvor hovedparten af stofspredningen antages at ske via få vertikale dybe sprækker. Denne fordeling bekræftes af, at hovedparten af den næsten 30 år gamle forurening stadig er begrænset til de øverste 2,5-5 meters dybde. Fundet af relativ høje koncentrationer af PCE i 8 meters dybde indikerer dog, at dybe sprækkesystemer er hydraulisk aktive.

Et defekt kloakrørsystem anses for at være den primære spredningskilde for PCE forureningen på grunden (Vestsjællands amt, 1998a). Yderligere er dette medvirkende til en periodisk total vandmætning af de overfladenære jordlag i baggården.

9.4 Foreslået sprækkedesign på Vestergade 10

9.4.1 Sprækkestørrelse

Sprækkestørrelse

Forureningens hot spots på Vestergade 10 er lille i udbredelse (3 meter x 4 meter). Den største, der forekommer under det nordøstlige hjørne af renseribygningen, er omkring 4 meter i bredde og 6 meter i længde. Renseribygningens placering i forhold til de kendte hot spots, samt eksistensen af adskillige moniteringsboringer på grunden taler for, at der etableres inducerede sprækker med en lille diameter (4 meter) flere steder under renseribygningen samt en større sprække med en 5 meter diameter i baggården. Små sprækker kan bedre finde plads ind mellem og omkring disse mange forhindringer. Sprækkerne der passer med den begrænsede plads på grunden vurderes at være de mindst mulige der med fordel kan bruges til in-situ oprensningen på Vestergade 10. Etablering af en 6 meter stor sprække ville rimelig sandsynligt blive påvirket af såvel over- som underjordiske anlæg på lokaliteten, samt af bygningsfundamentet fra de tilstødende naboejendomme. Sprækker der dannes under baggården på Vestergade 10 kan blive større end dem der etableres under renseribygningen, grundet belastningstrykket på jorden fra bygningen.

Sprækkestørrelsesmodel

En ikke kommerciel sprækkestørrelsesmodel, der er udviklet af det amerikanske firma FRx, er baseret på input parametre, der er beskrevet i Murdoch (1993) og angivet i Tabel 7. Modelopsætningen er angivet i Bilag 5, hvor et eksempel på en beregning indikerer, at blandingsforholdet mellem sand og gelé vil være 200-250 kg sand opblandet i 200 liter gelé i en boremudder til etablering af en sandfyldt hydraulisk sprække i 3,5 meters dybde med en radius på 3,5 meter.

Beregningsparametre til en ikke-kommerciel sprækkeudbredelsesmodel.

9.4.2 Sprækkelokalitet

Sprækkerne skal etableres på steder, hvor de får fat i mest mulig af den forurenede zone. Vestsjællands amt (1998a & b) har dokumenteret, at PCE forekommer i 2 hot spots fra 2,5 – 5 meters dybde. Poreluftmålinger og vandanalyser har vist, at forureningen optræder to steder under bygningen, dels under kældertrappen og dels under den sydøstlige krybegang. To inducerede sprækker etableres på hver af disse to lokaliteter i hhv. 3-3,5 m.u.t. og ca. 4,5 m.u.t., hhv. i baggården og under det nordøstlige hjørne af hovedbygningen på Vestergade 10. Den dybest liggende sprække skulle blive placeret ved bunden af hot spotten, mens den anden placeres indenfor de mindre kompakterede øvre leraflejringer. Med en sådan placering kan den nedre sprække afskære den nedadstrømmende forurening samtidig med at grundvandsspejlet afsænkes, så en øget luftstrømning gennem leren kan opnås. Den øvre inducerede sprække placeres centralt i det mest forurenede område, så en oprensning af forureningen ved dobbeltfaseekstraktion kan optimeres.

Sprækkelokaliteter

Figur 9.2 viser et plansnit af Vestergade 10, hvor forureningsstedernes placering og de foreslåede inducerede sprækker er indtegnet. En særlig opmærksomhed er påkrævet ved placering af de inducerede sprækker i baggården til Vestergade 10. Sprækkerne skal etableres i en afstand af mindst en meter væk fra de eksisterende moniteringsboringer. Det vurderes at renseribygningen vil indvirke på de inducerede sprækkers udbredelse ved enten at bremse dens vækst i retning mod bygningen eller at afbøje retningen for sprækkens vækst langs bygningsfundamentets underside.

Foreslået placering af hydrauliske sprækker på Vestergade 10 i Haslev.

9.4.3 Boremetode og udbygning

Vertikale og skråtstillede boringer

De største hydrauliske sprækker (5 meter), der skal etableres i baggården i hhv. 3-3.5 m.u.t. og ca. 4.5 m.u.t., injiceres fra den samme vertikal boring med en diameter på 6" – 8". Hvis det besluttes på baggrund af testforsøgene andet steds i baggården, at etablere en sprække i 8 meters dybde, bliver den ligeledes etableret fra denne boring. Alle øvrige hydrauliske sprækker (4 meter) bliver forsøgt etableret fra skråtstillede individuelle 2"-boringer. Den generelle boringsudbygning af beskrevet i afsnit 2.5.

Dobbeltfaseekstraktionen vil blive mest effektiv når vandspejlet i boringen kan afsænkes til dybden af den nederste inducerede sprække. I lighed med enkeltsprække-boringer skal pumper placeres i en sump under hver enkelt induceret sprækkezone for at opnå størst mulig effekt af dobbeltfase ekstraktionen.

9.4.4 Fraktureringsteknik

Det anbefales i det fjerneste hjørne af baggården - nær hundegården, at der etableres en testsprække i dybdeintervallet 3 – 4,5 m.u.t., som et testforsøg til demonstration af metodens anvendelighed på lokaliteten. Yderligere forsøges etableret en hydraulisk testsprække i 8 meters dybde, uden for det forurenede område i baggården til Vestergade 10 med det formål, at opnå lokalitetsspecifik erfaring for etablering af hydrauliske sprække i den nedre del af morænelersenheden på Vestergade 10. 8 meters dybde er det dybeste hvor subhorisontale sprækker har kunne etableres på lokaliteter i Nordamerika med analoge geologiske forhold, som beskrevet ved Haslev. Ved at etablere en testsprække i 8 meters dybde på et ikke forurenet sted på grunden, kan det bedre bedømmes, om det er formålstjenligt at etablere en sprække 8 meter under hot spot til afskæring af den dybe stofspredning til kalken.

Det skal sikres, at ingen underjordiske rørføringer eksisterer i denne del af baggården. Begge testsprækker skal etableres med brug af en relativ højviskøs boremudder af guargummi gelé og det størst mulige sandindhold der kan iblandes gelé. En sådan blanding skulle garantere, at den hydrauliske sprække kun breder sig få meter fra injektionspunktet. Den generelle fraktureringsteknik er beskrevet i afsnit 2.4.2.

9.4.5 Geotekniske undersøgelser

Til vurdering af mulige påvirkninger og konsekvenser for udførelse af den foreslåede oprensningsmetode, skal vurderingen underbygges af geotekniske undersøgelser og rutineforsøg in-situ og i laboratoriet.

Geotekniske parametre der skal måles

På den aktuelle grund er det planlagt, at der udføres én dyb geoteknisk boring (geografisk begrænset, én ekstra boring havde været ønskelig), som har til formål at vurdere:

• Kohæsive aflejringers udrænede forskydningsstyrke.
• Friktionsaflejringernes karakteristiske friktionsvinkel.
• Lejringstætheden i de trufne jordarter.
• In-situ rumvægten.
• Kornstørrelsesfordelingen i friktionsaflejringer.
• Porøsiteten.
• In-situ spændingen.
• Forkonsolideringsspændingen.
• Brudlasten.
• Bestemmelse af deformationsparametre (på længere sigt).
• OCR-værdien.
• Niveau specifikke vandspejl.
• Plasticitetsindekset, hvis "bløde" aflejringer træffes (kolaps/svelning af sprækkezoner kan evt. opstå).
• Konsekvensen af evt. dynamisk påvirkning ved pulserende tryk.

Det skal understreges, at det er svært at generalisere resultater fra en boring og efterfølgende kvantificere skader eller skadeophobninger på baggrund af en boring.

Resultaterne af undersøgelserne forventes at underbygge oprensningsmetodens berettigelse (geoteknisk set), idet vi forud herfor, finder det nødvendigt, at der foretages en omhyggelig byggetekniske gennemgang af den berørte bygning.

Herudover skal der forinden foretages en detailregistrering af ledninger i området inkl. en vurdering af ledningernes tilstand, materialemæssigt (ledningsegenskaber, egenskaber vedrørende opfyldnings- og omkringfyldningsmaterialer), en vurdering af deres lægningsmiljø (inklusiv lægningsklasse) og endelig alder for etablering / renovering, inklusiv indmåling.

9.5 Sandsynligt resultat af etablering af inducerede sprækker

9.5.1 Forventet sprækkeform

De sprækker der foreslås etableret fra 3 til 4,5 meters dybde på Vestergade 10 i Haslev, forventes alle at blive orienteret subhorisontalt. Sprækkernes hældning vil være horisontal nær injektionsboringen og forventes at hælde længst fra injektionspunktet med 10° -20° . Sprækkerne forventes at blive skålformede, med en mere elliptiske end cirkulære form. Forhold mellem ellipsens længste og korteste akser bliver henholdsvis 6 meter og 4 meter. Det vurderes, at den maksimale sprækkeapertur (under tryk med indhold af boremudder) vil være op til 1cm, mens den gennemsnitlige apertur vil være ca. 3 mm efter at boremudderet er væk fra den sandfyldte sprække.

9.5.2 Påvirkning af eksisterende anlæg på Vestergade 10

Underjordiske ledninger

Hovedparten af områdets underjordiske gas-, el-, telefon- og vandledninger er ikke beliggende på de dele af Vestergade 10 grunden, hvor det er påtænkt at gennemføre fraktureringsaktiviteterne. De nævnte ledningsføringer er beliggende enten direkte under Vestergade eller under fortovet langs Vestergade i ca. 80 til 100 cm´s dybde.

De inducerede sprækker forventes at få et forhold mellem apertur og sprækkelængde på 1 : 300. Dette forhold vurderes ikke at forvolde skader på stedets ledninger, da der er relativ stor afstand til de eksisterende ledningsføringer på grunden. Diverse ledningsføringer til selve hovedbygningen vurderes ikke at lide skade.

Kloaksystemet

Kloaksystemet, der er beliggende ovenpå de mest forurenede partier på grunden, har adskillige forgreninger i baggården. Det vurderes, at fraktureringsaktiviteterne nok ikke kan undgå at påvirke kloaksystemet. Blot håbes på, at kloakrørene kan tåle belastningen, men hvis skader skulle ske, skønnes det, at de skadede rørsektioner uden større besvær vil kunne udskiftes på grunden. Erfaringen viser desuden, at kloakrør i almindelighed er rimelig fleksible.

Hovedbygningen

Hovedbygningen, der huser renseriet, er en fleretages murværkskonstruktion. Kælderen under bygningen er mod nord udgravet (ståhøjde), mens den sydlige del udgøres af en krybekælder. Bygningen hviler på ydervæggene samt på en centralt placeret (øst-vest gående) bærende væg. Jorden under bygningen kan således inddeles i en nordlig og en sydlig del. En gennemgang af bygningens ydre og indre vægge viser ingen tegn på sætninger, dvs. ingen spor af fugning kunne ses på ydervæggene og de indvendige vægge stod frem som glatte uden revner. Summarisk vurderes det at bygningen er tung og velkonstrueret. En hvilken som helst beskadigelse af bygningen i forbindelse med fraktureringsaktiviteterne vil tydeligt stå frem som enkeltstående sprækker. Bygningen vil sandsynligvis blokere for sprækkernes udbredelse, da husets vægt i sig selv skulle være tilstrækkeligt til at afbøje sprækkerne. Husfundamentet antages at stikke dybt nok til at afskære en subhorisontal sprække der i 3 meters dybde forsøges dannet. Hvis dette er tilfældet vil boremudderet trænge op til jordoverfladen langs bygningens fundament. Uanset hvor lille risikoen vurderes at være for skader på bygninger og diverse rørføringer som følge af induktionen af hydrauliske sprækker, så installeres der et varslingssystem på Vestergade 10 grunden.

Varslingssystem

Et varslingssystem bør bestå af installation af forskellige elektroniske sensorer. Belastningsmålere (strain gauges) placeres på kritiske steder på bygningskonstruktionen og over underjordiske rørføringer. Eksisterende moniteringsboringer kan fyldes med vand og transducere til måling af væsentlige vandspejlsændringer. Tiltmetre kan benyttes til måling af jordoverfladens deformation. De hér foreslåede hydrauliske sprækker vurderes ikke at forstyrre jorden i en afstand på mere end fem meter fra injektionspunktet. Det vil ikke være muligt at foretage et standard nivellement på grunden før, under og efter fraktureringsaktiviteterne grundet de mange blinde hjørner på grunden.

Øvrige bygninger

De øvrige bygninger på lokaliteten er af en letvægts-konstruktion og ingen af dem kommer til at ligge oven på de påtænkte fraktureringssteder. Som følge her af vurderes der ingen påvirkning at være på disse bygninger som følge af fraktureringsaktiviteterne.

9.6 Sammenfatning

Horisontalt liggende sprækker kan med stor sandsynligvis blive etableret på Vestergade 10 i Haslev i dybder fra 3 – 4,5 m.u.t. Det er dog mere uvist om en eventuelt etableret hydraulisk sprække i 8 meters dybde bliver mere stejltstående. Vurderingen bygger på, at jordens beskaffenhed og forureningens karakter på Vestergade 10 minder meget om de erfaringer der er gjort på flere nordamerikanske lokaliter. Dér har horisontalt inducerede sprækker kunne etableres ved hydraulisk frakturering til mindst 5 meters dybde, hvilket er det primære dybdeintervallet på Vestergade 10, der ønskes dækket med hydrauliske sprækker.

Bygninger, samt ledningsføringer under jorden, gør det ikke muligt at etablere en enkelt sprække af en størrelse der kan dække hele den horisontale udstrækning af forurening. Derfor anbefales det, at etableret 4 x 2 mindre sprækker med størrelser på 4 – 5 meter i diameter fra flere injektionsboringer. Etableringen af et system med flere sprækker tjener yderligere til formål, at optimere de hydrauliske designparametre der skal bestemmes på stedet så dobbeltfaseekstraktion bliver optimalt udnyttet. Det forventes ikke, at sprækkerne udvikler sig ensartet i alle retninger fra injektionspunktet (dvs. cirkulært eller ellipsoidalt) under renseribygningen. Heldigvis vil mindre sprækker dog mindske risikoen for skader på bygninger og ledningsføringer ved at etablere inducerede sprækker med en lille diameter (4 meter) under bygningen. Hydrauliske sprækker med en størrelse på 4-5 meter synes at passe godt til den kendte udstrækning af forureningen.

Forventet effektforbedring

Dobbeltfase ekstraktion af PCE-forurening fra hydrauliske sprækker forventes, at forbedre effekten af in-situ oprensning i sammenligning med oppumpning fra almindelige vertikale boringer. Følgende forhold vil forbedres: For det første øges influensradius betydeligt i de lavpermeable aflejringer. Til sammenligning skal nævnes, at på alle de amerikanske lokaliteter, hvor strømningen til eller fra hydrauliske sprækker er blevet målt, blev influensradius større end radius af sprækken (ofte 3 gange større). En korttidstest med SVE udført i 1998 (Vestsjællands amt, 1998a) viste influensradius på mindre end 4 meter (boring B12 til B10), hvilket er langt mindre end hvad må forventes at blive målt fra de foreslåede hydrauliske sprækker. For det andet bestemtes en meget lille strømningshastighed i moræneleren i Haslev under både de kort og længerevarende pumpetests, så det forventes at pumpeydelsen bliver forbedret væsentligt. En lokalitet i USA hvor pumpeydelsen blev sammenlignet mellem anvendelsen af almindelige boringer med anvendelsen af boringer med hydrauliske sprækker steg ydelsen med en størrelsesorden efter etablering af sprækkerne. For det tredje skal forureningens udbredelse under renseribygningen nævnes, da almindelige boringer placeret ved siden af huset vil have vanskeligt ved at "nå" forurening i modsætning til inducerede sprækker. Endelig forventes en bred sænkningskegle i den umættet zone at kunne etableres med et optimalt design af sprækkerne. Derved kan store volumener af forurenet poreluft pumpes fra den umættede zone. På Linemaster Superfund lokaliteten i USA viste en lignende løsningsmodel med etablering af hydrauliske sprækker stor effektivitet i forhold til effekten af almindelige boringer, der viste meget ringe effekt (Hart, 1997). Det kan på denne baggrund konkluderes at hydrauliske sprækker med fordel kan tages i anvendelse på Vestergade 10 i Haslev.