AFPRØVNING OG SAMMENLIGNING AF INJEKTIONSMETODER TIL FORBEDRING AF OPRENSNING I MORÆNELER

Transkript

1 AFPRØVIG OG SAMMELIGIG AF IJEKTIOSMETODER TIL FORBEDRIG AF OPRESIG I MORÆELER Phd studerende Ida Damgaard, DTU Miljø Phd studerende Camilla M. Christiansen, DTU Miljø Lektor Mette Broholm, DTU Miljø Senior forsker Bertel ilsson, GEUS Senior forsker Knud Erik Klint, GEUS Professor Poul L. Bjerg, DTU Miljø

2 RESUMÉ Tre forskellige metoder til optimeret in situ oprensning på morænelerslokaliteter (pneumatisk frakturering, direkte injektion med Geoprobe og hydraulisk frakturering) er afprøvet og sammenlignet. Forsøgene er lavet for at bestemme vigtige dimensioneringsparametre for metoderne i forbindelse med afværge. Der er injiceret sporstof direkte i lerformationen med Geoprobe i 4 boringer (1 isoleret og 3 i en klynge) i dybdeintervallerne 2,5-3,5, 6-7 og 8,5-9,5 m u.t. Injektionsafstanden var på henholdsvis 25 og 10 cm. Der er udført hydrauliske frakturer i 3, 6,5 og 9,5 m.u.t. samt en multifraktur med 4 frakturer med en afstand på 25 cm fra 6,25-7 m.u.t. I artiklen er de foreløbige resultater beskrevet, mens de endelige resultater ventes at foreligge i foråret BAGGRUD Ved in situ oprensning af lavpermeable lokaliteter er der udviklet flere metoder til at forbedre injektionen af reaktive stoffer, der skal tilsættes ved en given in situ oprensningsmetode. Det drejer sig fx om pneumatisk frakturering, direkte Geoprobe injektion og hydraulisk frakturering. Ved metoderne bliver der dannet sprækker eller nye strømningsveje i moræneleren, hvori reaktive hjælpestoffer kan transporteres. Forskellene på metoderne ligger primært i de dannede sprækkers apertur, tæthed og (influens)radius og/eller de injicerede væskers fordeling i jorden. Disse forhold og parametre, som bl.a. styrer diffusion ud af lermatricen, er afgørende for oprensningstid og projektering af afværge. Pneumatisk frakturering blev afprøvet på en morænelerslokalitet i Vadsby i december Ved fraktureringen injiceredes en række sporstoffer (bl.a. brilliant blue, fluorescein og rhodamine WT) under højt tryk i 5 forskellige dybdeintervaller (4, 5, 6, 7 og 8 meter under terræn (m.u.t.)) i én boring. Efterfølgende dokumentationsaktiviteter (kerneprøvetagning, udgravning og vandprøvetagning) blev udført i december 2005 og forår/sommer Disse har vist, at fraktureringen formåede at sprede sporstoffer ud i en radius på ca. 1-2 m omkring boringen. Man håbede at observere dannelsen af tætte, overlappende netværk af sprækker (i hvert fraktureringsinterval). Dokumentationsarbejdet afslørede dog ikke tegn herpå i de dybere injektionsniveauer, hvor sprækketætheden var 1 m. /1,3/ Hydraulisk frakturering og direkte Geoprobe injektion er afprøvet/anvendt på andre lokaliteter i Danmark /fx. 4, 5/. Fokus har været anderledes på disse lokaliteter og dokumentationen væsentligt mindre detaljeret i forhold til de nye forsøg. Resultaterne derfra er således ikke direkte sammenlignelige med resultaterne fra den pneumatiske frakturering på Vadsbyvej. Der var derfor behov for en sammenlignelig afprøvning og dokumentation af disse teknikker på en typisk morænelerslokalitet. 1BFORMÅL I dette projekt er hydraulisk frakturering og direkte Geoprobe injektion afprøvet og dokumenteret på morænelerslokaliteten i Vadsby. Hermed opnås en god dokumentation af begge metoders egenskaber på dansk grund, samt et direkte sammenligningsgrundlag for alle tre metoder på en repræsentativ dansk morænelerslokalitet.

3 Undersøgelserne er lavet som samarbejde mellem Region Hovedstaden, Orbicon, GEUS og DTU i tilknytning til forskningsprojektet REMTEC (HUwww.remtec.dkUH). 2BFELTLOKALITET Industrigrunden Vadsbyvej 16A, 2640 Hedehusene (Høje-Taastrup) er i 2005 kortlagt som forurenet som følge af oplag af kemikalier (bl.a. klorerede opløsningsmidler) og maskinværkstedsaktiviteter på lokaliteten i årrækken hhv /1/. Maskinværkstedet er i dag nedlagt, og lokaliteten anvendes til landbrug. Vasbyvej abo HF GI B D C A Horisontal udbredelse af forureningen Lade Halmballer Græs område Figur 1: (v) Luftfoto over lokaliteten i Vadsby. (h) Skitse af opsætningen af injektionstest. HF = Hydraulisk frakturering, GI = Geoprobe injektion. PF = Pneumatisk frakturering. Forureningen på Vadsbyvej har gennem de sidste ca. 30 år spredt sig i moræneleret, initielt via sprækketransport og siden via diffusion ind i lerens matrix. Den nuværende forureningstilstand på lokaliteten truer det underliggende grundvandsmagasin, og dermed drikkevands-indvindingen i området (Københavns Energis kildeplads Brokilde) /1, 2/. Da forureningen overvejende træffes mellem 6 til 14 m.u.t., er der bl.a. foreslået in situ oprensning ved brug af anaerob dechlorering. In situ oprensning ved anaerob dechlorering kræver en god kontakt mellem hjælpestoffer og forureningen i moræneleren for at begrænse oprensningstiden. 8BInjektionsforsøg Direkte injektion med geoprobe og hydraulisk frakturering er afprøvet på lokaliteten i Vadsby. Testfelterne er beliggende udenfor det forurenede areal og nær det tidligere testfelt for pneumatisk frakturering. Placeringen af de tre testfelter kan ses i XFigur 1X. Til forsøgene er sporstoffer med forskellige egenskaber benyttet: brilliant blue (synlig i dagslys), fluorescein (fluorescerende, mobil) og rhodamine WT (fluorescerende, sorberende). Formålet med at benytte disse sporstoffer er at vurdere både den advektive og diffusive stoftransport efter injektionen. De injicerede koncentrationer var: fluorescein mg/l, rhodamine WT mg/l og brilliant blue mg/l. PF 30 m

4 Forsøgene er indtil videre dokumenteret ved kerneprøvetagning rundt om injektionspunkterne lige efter injektionen. Frakturen i 3 m.u.t. er udgravet. Klyngefeltet af injektionspunkter vil blive udgravet. 1BDirekte injektion med Geoprobe Ved remediering benyttes direkte Geoprobe injektion til at injicere de reaktive stoffer i undergrunden overvejende via eksisterende højpermeable indslag i leret så som sandlinser. I kommercielle sammenhænge er injektionerne typisk lavet med en vertikal afstand på 25 cm. Formålet med Geoprobe injektionsforsøgene på Vadsbyvej var at: Dokumentere transportradius rundt om én Geoprobe injektion i flere forskellige dybder. Dokumentere den vertikale fordeling af sporstof rundt om ét Geoprobe injektionspunkt i flere forskellige dybder. Dokumentere sporstoffordelingen i et injektionsområde på 10m 2 med flere injektionspunkter i flere forskellige dybder. Der er lavet en injektionsboring med injektion i tre intervaller med hver 5 injektioner med 25 cm afstand. Intervallerne er: 2,5-3,5; 6-7 og 8,5-9,5 m.u.t. Endvidere er der lavet et klyngefelt med 3 injektionsboringer (med en afstand på 0,75 m), hvor to følger samme interval som det enkelte injektionspunkt. Det tredje injektionspunkt er lavet med en indbyrdes afstand på 10 cm mellem 6-7 m.u.t. og det dybeste injektionsinterval med 5 injektionspunkter med hver 25 cm afstand. 21BHydraulisk frakturering Ved afværge kan hydraulisk frakturering benyttes med to forskellige formål: A. Flere frakturer laves over dybden i det forurenede område, hvorved diffusionsbegrænsningerne minimeres. B. Et net af frakturer dannes under det forurenede område, hvorved fluxen til underliggende magasiner minimeres (frakturerne fungerer som horisontal barriere). Hvis der skal opnås succes med formål A, har modelleringsstudier vist, at det er nødvendigt at opnå en sprække afstand på ~10 cm for at få oprensningstider inden for en ~10 års periode. Tidlige fraktureringsstudier (e.g. /6/) har vist, at det er muligt at lave forholdsvis tætte sprækker i lavpermeable sedimenter. Det vides dog ikke, om det er muligt i dansk moræneler, og hvis det er, om det så er muligt at gennemføre det til en konkurrencedygtig pris. For at opnå succes med formål B er det essentielt, at der kan laves relativt flade frakturer ned til en dybde på 8-10 m.u.t., da in situ remediering overvejende benyttes ved dybe forureninger, hvor metoden både pris- og risikomæssigt kan konkurrere med en opgravning. Generelle geotekniske overvejelser af konsolideringsforhold siger at frakturer lavet i 8-10 m.u.t. gradvist vil udbrede sig mod overfladen, men der ligger ingen tests til grund for disse overvejelser. Ved de hydrauliske tests på Vadsbyvej ønskes det derfor at: Dokumentere mulige sprækkeafstand/densitet (A).

5 ses Dokumentere mulige sprække radius og form i forskellige dybder (B). Der er udført hydraulisk frakturering i 3, 6,5 og 9,5 m.u.t. Derudover er der lavet en multifraktur med 4 hydrauliske sprækker med 25 cm afstand fra 6,25 til 7 m.u.t. 3BFORELØBIGE RESULTATER FRA GEOPROBE IJEKTIO I XFigur 2X en optegning af, hvor der er fundet sporstof i kernerne, der er udtaget rundt om enkelt injektionspunktet (GI-A) og ved to boringer i klyngefeltet (GI-B og GI-C). m b.s. 0 K2 GI-A K6 K3 K1 K5 K4 m b.s. 0 K9 K8 GI-B K12 K11 K7 GI-C K K12 K7 K13 K9 K8 K11 7,8 m 1,5 m GI-A GI-B,C,D Sporstof i sprække (<10 cm) Diffust sporstofområde (>10 cm) Injektionspunkt 7,8 m GI-A Figur 2: Fordelingen af sporstof i kernerne udtaget ved GI-A og klyngefeltet. 1,5 m GI-B,C,D Resultaterne viser, at sporstofferne spredes/udbredes i flere dybder, end de er injiceret i i det øverste injektionsinterval (2,5-3,5 m.u.t.). Dette kan forklares med, at injektionen er lavet over redoxgrænsen, hvor der findes mange naturlige sprækker (horisontale såvel som vertikale) og makroporer som sporstoffet kan spredes i. Det er muligt at sprede sporstofferne i mere end 1 meters afstand fra injektionspunktet. I 6-7 m.u.t. genfindes alle injektionspunkterne i 2 kerneboringer (GI-K3 og GI-K1) med en afstand på 0,5 meters til injektionspunktet. Sporstofferne er ikke truffet i forbindelse med naturlige sprækker, hvilket indikerer, at sprækkerne er dannet ved injektionen. I GI-K1 findes

6 der sporstof i flere dybder, end der er injiceret i. Dette tyder på, at de dannede sprækker deler sig, muligvis ved møde med naturligt eksisterende sprækker eller lag med højere permeabilitet. Flere af injektionerne genfindes endvidere i rimelig tilsvarende dybde, som de er injiceret, og med en afstand på mere end 1 meter fra injektionsboringen. Der er kun få kerner, der dækker det dybeste injektionsinterval (8,5 til 9,5 m.u.t.). Dette skyldes, at der i ca. 8 m.u.t. var et sandlag. Da Geoproben udtager kernerne uden stempel i kernerørene, var det ikke muligt at komme forbi sandlaget i alle boringerne. I de kerner, der er udtaget, er der truffet sporstof i én dybde helt ude i 1 meters afstand fra injektionsboringen. I 0,5 meters afstand er flere dybder med sporstof identificeret. I kernerne fra 7-8,5 m.u.t. er der truffet sporstof i flere dybder. I klyngefeltet er der en god spredning af sporstof i det øverste injektionsinterval. Ligesom i den tilsvarende enkelt injektionen er der fundet sporstof i flere dybder, end der er injiceret. I de dybere injektionsinterval er det muligt at genfinde stort set alle injektionerne i de forskellige dybder helt ud i en afstand på 1 m i flere boringer. Der synes at være en tendens til, at der er sporstof i flere dybder i større afstand fra injektionspunktet ved injektionen i 10 cm interval (GI-K8 og GI-K9 i forhold til GI-K13). I kernerne der kan være påvirket af sporstof fra flere injektionspunkter (GI-K12, GI-K11 og GI-K7), synes der at være en god fordeling af sporstof over dybden. Ud fra det tilgængelige data er det ikke muligt at afgrænse radius for spredningen af sporstoffet omkring injektionsboringen. Med henblik på at afgrænse denne er der udtaget supplerende kerneprøver til videre undersøgelse. 4BFORELØBIGE RESULTATER FRA HYDRAULISK FRAKTURERIG 9BFraktur i 3 m.u.t. Ved at betragte hævningsdata fra fraktureringen (XFigur 3X) forventes frakturen at være udbredt i sydvestlig retning, hvor den gradvist går mod overfladen, og er tættest på overfladen, hvor landhævningen er størst. Under fraktureringen blev landhævningen mellem A2 og C2 (markeret på XFigur 3X) målt til max. 1,6 cm med et nivelleringsinstrument (David White 3100). Ved udgravning af frakturen er der fundet god overensstemmelse mellem udbredelsen af frakturen og landhævningsdata. Frakturen er fundet at have en diameter på ca. 6-7 m (XFigur 3X).

7 HF B (3 m u.t.) min 2,5 3,0 2,0 1,5 HF- D 0,5 1,0 Placering af Teolit Udbredelse af hydraulisk fraktur Sporstofudbredelse Figur 3: (øverst til v) Max landhævning ved fraktureringen. (øverst til h) Forventet udbredelse af hydraulisk fraktur i 3 m.u.t. (bund) billede af fraktur fra udgravning. Placering af billedet er angivet på øverste skitse til h. 01BFraktur i 6,5 m.u.t. Ved at betragte landhævningsdata fra fraktureringen i 6,5 m.u.t. (XFigur 4X) forventes denne at være udbredt mod syd, hvor den går gradvist mod overfladen. Der er udtaget 6 kerner ved frakturboringen i 6,5 m. Der er kun truffet fraktursand i 1 kerneboring (6,7 m.u.t.). Fraktursandet er truffet lidt dybere end det er injiceret, hvilket tyder på, at frakturen ikke er søgt mod overfladen i 0,75 m syd for boringen, som det umiddelbart ville forventes ud fra landhævningsdata. I 5 kerneboringer blev der ikke truffet fraktursand. Til gengæld blev der fundet sporstof i disse boringer, hvilket kan forklares ved, at der er dannet en sprække, der går længere ud, end fraktursandet er nået til. I en kerne er der fundet sporstof over redoxgrænsen, hvilket kan indikere at der er kontakt hertil. Denne kontakt kan enten være via naturlige vertikale sprækker, eller ved at den skabte fraktur har kontakt hertil.

8 ses I XFigur 4X en skitse over den forventede udbredelse af frakturen i 6,5 m.u.t. Dog bør det tages i betragtning, at der i grundlaget for denne kun er set fraktursand i en enkelt kerneboring min HF C (6,5 m u.t.) Figur 4: Den formodede udbredelse af frakturen i 6,5 m.u.t. (mørkerødt område). Det lyserøde område markerer den observerede udbredelse af sporstof (ikke afgrænset). Fraktur i 9,5 m.u.t. Der ses umiddelbart ikke nogen landhævning ved fraktureringen i 9,5 m.u.t. I de sidste minutter af fraktureringen i 9,5 m.u.t. blev der observeret opskydning af fraktursand til overfladen (XFigur 5X). Opskydningen blev observeret i en afstand på ca. 1,5 meter fra fraktureringsboringen, og den var ca. 2 meter lang i nordlig retning. Ved bortgravning af det øverste lag, blev der kun fundet fraktursand over ca. 0,75 m af den i alt 2 m lange sprække i overfladen. K3 (h) (v) Billeder Observeret sprække i jordoverfladen Figur 5: (v) Oversigt over fraktureringsfeltet ved 9,5 m.u.t., med opskydningen indtegnet. (m) Opskydning af fraktursand og formationssand i de sidste minutter af fraktureringen i 9,5 m.u.t. i en afstand på ca. 2 m til fraktureringsboringen. (h) sprække dannet i sidste minutter af fraktureringen i 9,5 m.u.t. i en afstand på ca. 1,5 m fra fraktureringsboringen. K1 HF- D 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Der er udtaget 2 kerner ved frakturboringen for at undersøge, hvorfor frakturen søgte mod overfladen. Der blev ikke på baggrund af geologien i kernerne fundet nogen årsag til, at opskydningen var sket.

9 ses 31BMultifraktur I XFigur 6X en skitse over den forventede horisontale udbredelse af de 3 frakturer der er fundet i kerneboringerne. Den grønne fraktur forventes ud fra observationer i de udtagne kerner at have en vertikal udbredelse. Der er ikke fundet rødt fraktursand ved fraktureringsboringen. Den hvide og gule fraktur er fundet i 7 m.u.t. indtil en afstand til frakturboringen på 1,5 m.u.t. i nordvestlig retning, hvor den er fundet i 5,5 m.u.t. Endvidere blev der observeret transport af sporstof til bunden af udgravningen (vest for fraktureringsboringen) i ca. 7 m afstand, hvilket kan indikere en større udbredelse i denne retning. For at lokalisere den røde fraktur er der udtaget supplerende kerner. En kerneboring for vurdering af sporstofudbredelsen udenfor frakturen måtte opgives på grund af nedskridningsfare ved nyligt etablerede udgravning. HF-A???? Figur 6: Konceptuel model af den forventede udbredelse af frakturerne omkring multifrakturen. 5BFORELØBIGE KOKLUSIOER Geoprobeinjektion: Det er muligt at sprede sporstof til mindst 1 meters afstand i flere dybder end der injiceres i ved injektion over redoxgrænsen. Under redoxgrænsen genfindes stort set alle injektionspunkter i en afstand på 0,5 m og flere af punkterne genfindes også i 1 meters afstand. Ved injektion med interval på 10 cm i 6-7 m.u.t. genfindes stort set alle injektionspunkter i en afstand på 1 m. Der synes at være en forøget vertikal fordeling af sporstof ved injektion med 10 cm interval frem for 25 cm interval. Der udføres supplerende kernearbejde for at belyse den horisontale spredning af sporstof omkring injektionsboringerne yderligere. Hydraulisk frakturering Den hydrauliske fraktur i 3 m.u.t. har en diameter på ca. 6-7 m. Udbredelsen af frakturen i 6,5 m.u.t. forventes at have en oval form (nord syd). Det synes at være dannet en sprække, der har en større udbredelse end selve den sandfyldte fraktur. Det lykkedes ikke at lave en horisontal hydraulisk fraktur i 9,5 m.u.t. Det var muligt at udføre 4 fraktureringer fra en boring. Udbredelsen af frakturerne er dog ikke som ønsket, da der er indikationer på at 2 af frakturerne løber sammen.

10 Sprækketykkelsen varierer op til 1 cm. Overvejende er tykkelsen dog fra 1-3 fraktursandkorn, svarende til max. 4 mm, i den udgravede fraktur og de udtagne kerner, hvor fraktursandet er observeret. 6BAFSLUTIG AF UDERSØGELSER For at opnå bedre forståelse for udbredelsen af de hydrauliske frakturer måles jordens stressforhold. Udgravning til ca. 5 m af Geoprobe klyngefelt. Flere kerner er udtaget på lokaliteten for bedre at kunne beskrive fordelingen af sporstoffer. Opgørelse af massefordeling for sporstoffer og fraktursand. år alle data er bearbejdet vil der blive udført en samlet evaluering af de tre metoder i forhold til at forøge oprensningen i moræneler. Der vil blive lagt vægt på både praktiske begrænsninger, metodernes formåen i forhold til at sikre en effektiv kontakt mellem hjælpestoffer og forurening i matrix og overkomme diffusionsbegrænsninger, samt omkostningerne ved metoderne. 7BREFERECER /1/ Københavns Amt. Pneumatisk Frakturering Dokumentation af pilotforsøg Vadsbyvej 16A, Hedehusene. Februar IRAS. /2/ Region Hovedstaden, Skitseprojekt, Vadsbyvej 16A, Taastrup, juni 2008, Orbicon /3/ Christiansen, C. M., Riis, C., Broholm, M., Christensen, A. G., Klint, K. E., Wood, J., Bauer-Gotwein, P. and Bjerg, P.(2008): Characterization and Quantification of Pneumatic Fracturing Effects at a Clay Till Site. Environ. Sci. Technol. 2008, 42, /4/ Miljøstyrelsen. Oprensning af klorerede opløsningsmidler i moræneler med stimuleret reduktiv deklorering. Lok. r , Rugårdsvej , 5210 Odense V. Pilotforsøg Hovedrapport. ovember COWI, DTU Miljø, Geosyntec Consultants og Region Syddanmark. /5/ Miljøkontrollen. Test af reduktiv dechlorering som afværgeteknologi, Gammel Kongevej 39. Januar Hedeselskabet. /6/ Murdoch et al., 1991, The feasibility of hydraulic fracturing of soil to improve remedial actions. Final report. EPA/600/2.91/012 (TIS PB ).