*Lang opvarmningsfase præget af varmeledning.

Der ses en tydelig forskel imellem de tre dybder, med en hurtigere udbredelseshastighed for dampzonen i det dybe lag med den højeste permeabilitet. I det midterste lag er opvarmningen meget langsom, og den må være domineret af varmeledning fra de over- og underliggende lag. Temperaturstigningen i det øverste lag i afstanden 6 m sker over en forholdsvis lang periode, hvilket indikerer, at opvarmningen er domineret af varmeledning. Derfor må der være et lag med en højere temperatur nedenunder, som dog ikke ligger så dybt, at det påvirker temperaturen i det mellemste lag. Ligeledes er der nogle temperaturfald, der kunne indikere at temperaturen er påvirket af ventilationsboringerne. Alt i alt må det forventes, at dette temperaturforløb bliver svært at simulere med modellen.

Den relativt store forskel i udbredelseshastighed kan ikke umiddelbart forklares ud fra forskellen i de fundne permeabiliteter. Det er illustreret ved hjælp af modellen, hvor der er gennemført en simulering med en injektion i to filtre. Permeabiliteten ud for det ene filter er sat til 24 ·10^-12 m² og ud for det andet til 14·10^-12. De angives i /2/ som værende de mest repræsentative for området omkring injektionsboringen. Som injektionsbetingelse er der fastsat en konstant injektionsrate, der gælder begge filtre, og mængden af damp fordeles mellem de to filtre, således at der er det samme tryk i boringen. Det skal illustrere en injektionsboring filtersat i to geologisk forskellige lag. Det indtastes i modellen ved at sætte injektionsraten til –1 i det nederste filter. På nedenstående figur er dampzonens radius ud for de to filtre afbildet som funktion af tiden.

Se her!

Figur 8.1
Dampzonens radius ved to forskellige permeabiliteter.

Ved den lave permeabilitet går der 1,6 gange så lang tid som ved den høje, før der er dampgennembrud 6 m fra injektionsboringen, hvilket ikke stemmer overens med det observerede. Det må altså antages, at der er en større forskel i permeabiliteten for de to lag. I den situation, der skal simuleres, er der altså tre forskellige lag, hvoraf der midterste har en markant lavere permeabilitet end de to andre. Det kan simuleres ved at benytte en injektionsboring, der kun er filtersat i to lag. Dermed injiceres der ikke damp i det midterste lag, og det opvarmes kun ved varmetransport fra de omkringliggende lag. Det øverste lag gives en horisontal permeabilitet på 2·10^-11 m², det strækker sig ned til 3 m.u.t. og det er filtersat fra 2 til 3 m.u.t.. Det næste lag strækker sig fra 3 til 9 m.u.t. og har en horisontal permeabilitet på 1·10^-11 m², og det sidste lag har en horisontal permeabilitet på 2,4·10^-11 m² og er filtersat fra 9 til 13,5 m.u.t.. Bortset fra at permeabiliteten er en smule lavere for det midterste lag, svarer denne geologiske model, til modellen opstillet af /2/. Den vertikale permeabilitet sættes for alle lag til 6·10^-12 m². Grundvandsspejlet sættes til 15 m.u.t.. Injektionsraten sættes til 1000 kg/time, hvilket svarer til den gennemsnitlige injektionsrate ved oprensningen for den pågældende periode. Modellen fordeler dampen imellem de to filtre, således at trykket er det samme i hele boringen.

Dette scenarie er gemt i regnearket under navnet Bruel og Kjær. Der er anvendt en diskretisering på 0,3 m, og beregningstiden er 110 sekunder på en 800 MHz Pentium III. Nedenstående figur viser den simulerede temperatur efter 102 timer og en tilsvarende simulering, hvor den vertikale permeabilitet er sat til 3·10^-12 m².

Figur 8.2
Simuleret temperatur efter 102 timers injektion ved to forskellige vertikale permeabiliteter i det mellemste lag. De skraverede bokse viser filtersætningerne. Den ujævne dampfront ved det nederste filter skyldes interpolationen i Surfer.

Det ses, hvordan dampzonen udbredes hurtigst i det dybeste lag og langsomst i det mellemste lag, hvor opvarmning sker fra de omkringliggende lag. Derfor har den vertikale permeabilitet stor betydning for opvarmningen af dette lag, hvilket er illustreret på figuren til højre. Det bemærkes også, at det kan være forholdsvis svært at sammenligne med de observerede temperaturer fra filtersætninger der strækker sig over to meter. Specielt ses der en varierende temperatur i dybden 6,3 til 8,3 m.u.t., og det kan være svært at finde en repræsentativ temperatur i modellen at sammenligne med de observerede data. For de øvrige dybder er der mindre variation inden for det interval, hvor temperatursensorerne var placeret, og de målte værdier kan sammenlignes med nedenstående figur.

Se her!

Figur 8.3
Dampzonens radius ud for de to filtre som funktion af tiden. Simuleringen er kørt i 102 timer, men på grund af diskretiseringen er dampzonens radius ikke øget efter 95 timer.

For begge filtre når dampzonen afstanden 1m efter ca. 1 time, hvilket er noget hurtigere end det observerede. Forskellen skyldes, at i modellen injiceres al energi i det øverste og nederste lag, hvilket er en dårlig approksimation tæt ved filteret. Dampzonen når afstanden 3 m efter 10 timer ved det nederste filter og efter 27 timer ved det øverste filter, hvilket stemmer godt overens med de observerede 11 og 25 timer. Afstanden 6 m nås for den nederste dampzone efter lidt over 2 døgn, hvilket er hurtigere end de observerede 3 døgn. For det øverste filter nås afstanden efter 8 døgn, hvilket stemmer godt overens med det observerede, men som tidligere nævnt passer det observerede temperaturforløb indtil damptemperaturen ikke med modellen. Den gode overensstemmelse mellem tiderne for dampgennembruddet må derfor betragtes som en tilfældighed.

Generelt kan det konkluderes, at modellen kan simulere de observerede data. Der er dog for stor usikkerhed på de geologiske parametre til, at datasættet kan bruges til en direkte validering.

8.2 Vesterbro, Odense

På en grund i Odense forurenet med klorerede opløsningsmidler er der gennemført en oprensning ved vakuumekstraktion i to horisontale boringer og en vertikal boring placeret centralt i kildeområdet. Efter tre måneders kontinuert vakuumekstraktion blev der injiceret damp i en vertikal boring placeret centralt i kildeområdet for at forbedre effektiviteten af vakuumekstraktionen. Et af de vigtigste spørgsmål inden oprensningen var, hvordan den vertikale varmeudbredelse ville være, eftersom der ikke kunne tillades damptemperatur ved jordoverfladen. Med støtte fra Miljøstyrelsen Teknologipulje blev der gennemført en række indledende simuleringer i T2VOC til belysning af dette aspekt. En del af disse kunne også være gennemført med den udviklede model. I det følgende gennemgås kort modelopsætningen, og nogle enkelte resultater vises.

COWI, der har projekteret oprensningen, har gennemført en vakuumtest og fundet en horisontal permeabilitet på omkring 4·10^-11 m². Det er desværre ikke muligt at sige noget om den vertikale permeabilitet ud fra den udførte test. Injektionen blev planlagt udført med en rate på 200 kg/time, og der skulle injiceres 8 timer i døgnet. Det indføres i modellen ved at angive pulserende injektion med en injektionstid på 8 timer og en pausetid på 16 timer. Boringen er filtersat fra 5,5 til 6,5 m.u.t., og grundvandsspejlet træffes 6,5 m.u.t. De jordfysiske parametre er taget fra Brüel & Kjær grunden. Som stopkriterie angives, at temperaturen 3 m.u.t. højst må være 50 °C. Nedenstående figurer viser den simulerede dampzone for tre forskellige scenarier.

Figur 8.4
Tre forskellige simulerede dampzoner. Den skraverede boks viser filtersætningen.

På figuren til venstre er der benyttet den samme permeabilitet i horisontal og vertikal retning, og det ses, at dampzonen kun når en beskeden horisontal udbredelse. Dette scenarie er gemt i regnearket under navnet Vesterbro, Odense. Der er anvendt en diskretisering på 0,2 m, og beregningstiden er 59 sekunder på en 800 MHz Pentium III.

På den midterste figur er den vertikale permeabilitet sænket med en faktor 4, og den opvarmede zone får en større horisontal udbredelse, inden stopkriteriet for den vertikale temperatur opfyldes. I dette tilfælde er det altså forholdet mellem vertikal og horisontal permeabilitet, der afgør, hvor stort et område der opvarmes. Den store forskel i injektionstid skyldes den pulserende injektion, idet der er lange perioder, hvor der ikke injiceres.

På figuren til højre er filteret sænket 1 m, hvilket kun har en begrænset effekt på dampzonens udbredelse, eftersom dampen bevæger sig op over grundvandsspejlet. Det er derfor nødvendigt at sænke grundvandsspejlet, hvis der ønskes en dybereliggende dampzone.

Som en sidste simulering er der gennemført en sammenligning af effekten af at benytte kontinuert injektion frem for pulserende injektion. I denne simulering er den vertikale permeabilitet 10 gange lavere end den horisontale.

Figur 8.5
Temperaturzone ved pulserende og kontinuert injektion. Permeabilitet 1:10.

Injektionstiden er som forventet væsentligt større ved pulserende injektion, men derudover ses det, at dampzonen når en større horisontal udbredelse ved kontinuert injektion. Det hænger sammen med, at der kan injiceres mere damp ved kontinuert injektion, inden punktet 3 m.u.t. er blevet opvarmet som følge af varmeledning. I praksis vil denne forskel dog overskygges af andre faktorer som for eksempel vakuumekstraktionens afkølende effekt.

Konklusionen på disse simuleringer er, at det ikke er muligt at forudsige den maksimale horisontale udbredelse uden yderligere oplysningerne omkring permeabiliteten.

8.3 Østerbro, Ålborg

På en grund i Ålborg forurenet med klorerede opløsningsmidler og terpentin blev der i 2000 gennemført en oprensning med dampinjektion projekteret af NIRAS. Miljøstyrelsens Teknologipulje ydede støtte til etablering af ekstra temperaturmonitering og bestemmelse af jordfysiske parametre. Oprensningen er nærmere beskrevet i /kommende rapport/.

Ud fra boringsprofilerne kan geologien overordnet beskrives ved tre lag. Øverst et muld/fyld lag med forholdsvis lav permeabilitet, dernæst et sandlag fra 1,5 til 3,5 m.u.t. med lidt højere permeabilitet og nederst et meget lavpermeabelt lerlag. Der var et frit grundvandsmagasin med vandspejl 1,7 m.u.t., og i modsætning til de to tidligere beskrevne oprensninger foretages injektionen her primært under grundvandsspejlet.

NIRAS har gennemført en pumpetest med tre pumperater og samtidig måling af vandspejlsændringen i pumpeboringen. På basis af denne test vurderes den absolutte permeabilitet at være 4·10^-11 m².

Ydermere er der på Miljø og Ressourcer, DTU gennemført en serie permeabilitetstest ved hjælp af "falling head" metoden på en række forstyrrede prøver udtaget i forskellig dybde. Resultaterne fra denne test er vist i nedenstående figur.

Figur 8.6
Permeabilitet bestemt ved "falling head" test.

Permeabilitetstesten afspejler lagdelingen, idet permeabiliteten er klart lavere i de øverste prøver. Det ser dog ud til, at grænsen mellem lagene ligger 2 m.u.t. og ikke 1,5 m.u.t. Indtil 2 m.u.t. er den gennemsnitlige permeabilitet 2·10^-12 m² og fra 2 til 3,5 m.u.t. er den gennemsnitlige permeabilitet 5·10^-11 m². Permeabiliteten for det nederste sandlag er en anelse højere end, hvad der blev målt i pumpetesten, hvilket også skulle forventes, eftersom den er målt på en forstyrret prøve, der ikke har været udsat for kompaktion. Det skal dog siges, at i begge tilfælde er de fundne værdier behæftet med forholdsvis stor usikkerhed, ligesom det i øvrigt ikke kan forventes, at geologien er homogen.

Oprensningen blev gennemført med injektion i 9 boringer placeret rundt om to ekstraktionsboringer. Imellem en af injektionsboringerne og en ekstraktionsboring var der placeret tre temperaturboringer med automatisk logning af temperaturen i 16 dybder. I løbet af de første tre dage blev der kun injiceret damp i denne boring, og det giver et godt udgangspunkt for at sammenligne modellen med målte data. Nedenstående beregninger gælder kun for denne indledende periode.

I simuleringen defineres et øvre lag ned til 2 m.u.t. med en permeabilitet på 2·10^-12 m² herefter et lag ned til 3,5 m.u.t. med en permeabilitet på 4·10^-11 m² og nederst et lag med en permeabilitet på 5·10^-14 m², hvilket i praksis vil sige impermeabelt. Det antages, at den vertikale og den horisontale permeabilitet er ens. Injektionsboringerne var udført i 2" rør og filtersat fra 3 til 3,5 m.u.t. For at simulere denne filtersætning i modellen er det nødvendigt at benytte optionen to filtre. Ved at sætte injektionsraten i det øverste filter til 0 bliver den øverste filterzone en del af det øverste lag, og derved bliver det muligt at simulere to lag med forskellig permeabilitet over filteret. Når denne metode benyttes skal filterlængden på filter 1 være tre gange længden på en beregningscelle, hvilket med en diskretisering på 0,2 m bliver til 0,6 m Herefter fås det, at det øverste lag skal være 1,4 m, og laget over filter 2 skal være 1 m. Grundvandsspejlet sættes til 1,7 m.u.t.

Der er ikke foretaget målinger af de øvrige jordparametre, og disse sættes til det samme som i forrige eksempel. Dampinjektionsraten var 50 kg/time.

På nedenstående figur er den simulerede temperatur efter 72 timers dampinjektion sammenlignet med de målte data. Dette scenarie er gemt i regnearket under navnet Østerbro, Ålborg. Der er anvendt en diskretisering på 0,2 m, og beregningstiden er 35 sekunder på en 800 MHz Pentium III.

Figur 8.7
Tværsnit af simuleret og målt temperatur efter 72 timer.

Der ses en vis overensstemmelse imellem temperaturerne, men generelt er de to plots forholdsvis svære at sammenligne. Det ser ud til, at modellen overvurderer opvarmningen nedad, hvilket vil sige, at den overvurderer fortrængningen af grundvand. Samtidig forudsiger modellen et brat fald i temperaturen på dampfronten, hvor der er en langt blødere overgang i de observerede data. Det skyldes strømningen af grundvand foran dampzonen, som modellen ikke er i stand til at beskrive.

Samtidig med dampinjektionen blev der oppumpet grundvand centralt i oprensningsområdet, hvorved grundvandsstanden er blevet sænket. Det har stor betydning for dampzonens form, hvilket er vist på nedenstående figur til venstre. Simuleringen er her gentaget med et initielt grundvandsspejl 3 m.u.t. i stedet for 1,7 m.u.t. Ligeledes var det usikkert, hvor det højpermeable sandlag begyndte. På nedenstående figur til højre er simuleringen gentaget, hvor sandlaget starter 1,5 m.u.t. i stedet for 2 m.u.t.

Figur 8.8
Effekten på temperaturzonen af et sænket grundvandsspejl og større sandlag.

Disse ændringer har forholdsvis stor indflydelse på dampzonens form, og det illustrerer, at det er meget svært at sammenligne modelresultater direkte med de målte temperaturer.

Ydermere antager modellen, at dampzonen udbreder sig radialt, hvilket er en meget grov antagelse i dette tilfælde, hvor strømningen af grundvand er meget betydende. Det er illustreret på nedenstående figur, der viser den målte temperatur i tre vertikale snit efter 72 timer.

Figur 8.9
Vertikalt snit af temperatur efter 72 timer.

T1 og T2 ligger mellem injektionsboringen og ekstraktionsboringen, hvor dampzonen vil have sin største udbredelse, mens T9 ligger på den modsatte side. Afstanden til injektionsboringen er for T1 1,4 m, for T2 2,8 m og for T9 1,8 m. Hvis dampzonen var radial burde kurven for T9 altså ligge mellem kurverne for T1 og T2.

Alt i alt må det konkluderes, at det ikke er muligt at validere modellen mod disse data, og at modelforudsætningerne ikke er opfyldte, idet der har været betydende grundvandsstrømning.

Selvom modelforudsætningerne ikke helt er opfyldt i den pågældende situation, vil modellen stadig kunne bruges i en dimensioneringsfase. På nedenstående figur er vist de beregnede temperaturzoner efter en uges kontinuert dampinjektion med to forskellige injektionsrater. Grænsen til sandlaget er sat 1,5 m.u.t., og grundvandsspejlet er sat til 3 m.u.t.

Figur 8.10
Simuleret temperatur efter en uge ved to injektionsrater.

Ved den høje injektionsrate er dampen tæt på at bryde igennem overfladen, og det kan derfor ikke forventes, at dampzonen kan opnå en væsentligt større horisontal udbredelse. Der bør altså ikke være meget mere end 6 meter mellem injektionsboringen og ekstraktionsboring, ligesom afstanden imellem injektionsboringerne ikke bør overstige 12 meter. Det kan i øvrigt bemærkes, at ved begge injektionsrater er der et koldt område oven på det lavpermeable lag længst væk fra injektionsboringen. Det skyldes, at dampzonen har bevæget sig op over grundvandsspejlet, som i dette tilfælde er sat til 3 m.u.t. Dampzonens evne til at fortrænge grundvand er udelukkende bestemt af dampens tryk, der igen er bestemt af injektionstrykket og dampzonens form. Hvis dampzonen har opnået steady state og ikke længere udbredes horisontalt, kan man altså ikke forvente en yderligere fortrængning af grundvand ved fortsat injektion med mindre injektionstrykket øges. Det viste sig ved den pågældende oprensning, at det var problematisk at opvarme jorden midt imellem injektionsboringerne på grund af indtrængende grundvand.

Når injektionsraten øges fra 50 til 100 kg/time, øges også injektionstrykket, og det er derfor vigtigt at overveje om der ved det pågældende tryk, kan dannes sprækker i jorden. På nedenstående figur er injektionstrykket som funktion af tiden vist for de to forskellige injektionsrater.

Se her!

Figur 8.11
Injektionstryk ved to forskellige injektionsrater.

Det ses, at selv ved den høje injektionsrate overstiger trykket i boringen ikke de overliggende jordlags tryk, der er beregnet til 155 kPa. Der er altså mulighed for at injicere i hvert fald 100 kg/time i hver boring.

Som konklusion på dette eksempel kan det siges, at opvarmningen er svær at simulere på grund af grundvandet og usikkerhed omkring geologien, men modellen vil alligevel kunne benyttes i den indledende dimensioneringsfase.