Właściwy dobór materiału do iniekcji przestrzeni pierścieniowej otworu z pionową sondą geotermiczną

Z dotychczasowej praktyki wynika, że brak wypełnienia otworu z pionowym gruntowym wymiennikiem ciepła może znacząco wpływać na spadek efektyw­ności dolnego źródła oraz na zmiany wa­runków hydrogeologicznych (przykład miasta Staufen) poprzez utratę natural­nego odprowadzania wód gruntowych (powstaje studnia chłonna), hydrauliczne zwarcie między poziomami wód pod­ziemnych, tj. zmiany warunków ciśnienia i jakości wód, co oznacza stałą utratę wód podziemnych. Dodatkowo, możliwe są zmiany chemiczne gruntu i wód grunto­wych w wyniku strat płynu nośnego (gli­kolu). W związku z powyższym, główną rolą wypełnienia otworu jest:

• zapewnienie maksymalnego przepły­wu strumienia cieplnego pomiędzy górotworem a nośnikiem ciepła w sondzie,
• uszczelnienie otworu na całej dłu­gości sondy w celu zapobiegania przedostawaniu się zanieczyszczeń powierzchniowych oraz izolacji prze­wierconych poziomów wodonośnych,
• zwiększenie bezpieczeństwa dla sondy pionowej (zapobieganie uszkodzeniom np. przez punktowe obciążenia oraz szczelne wypełnienie zabezpieczające przed wyciekiem nośnika ciepła z sondy do górotworu).

Aby otwór z pionową sondą był szczelnie wypełniony na całej długości, wymagane jest spełnienie dwóch warunków:

• technologii wypełniania,
• właściwego materiału wypełniającego.

Technologią, jaką należy stosować, jest to metoda betonowania podwodnego, potocznie zwana metodą „kontraktor". Polega ona na podawaniu zaczynu iniek­cyjnego przez rurkę iniekcyjną od spodu otworu do jego wierzchu. Wypełnianie powinno być prowadzone aż do uzyska­nia jednakowej gęstości zaczynu wypły­wającego na górze otworu i zaczynu wtła­czanego do otworu.

Materiał wypełniający (nie mylić z płucz­ką wiertniczą lub bentonitem) powinien charakteryzować się następującymi właściwościami:

„Świeży" zaczyn:

• dobra przetłaczalność (trzeba go podać rurą o średnicy ≈ 4 cm na głębokość ponad 100 metrów),
• brak segregacji (sedymentacja max 1–2%),
• odpowiedni czas urabialności,
• odpowiednia gęstość (umożliwiająca wyparcie płuczki z otworu) – w bezpiecznych granicach, z uwagi na ciśnienie hydrostatyczne słupa zaczynu na dnie otworu, który może zacisnąć rurki sondy,
• odpowiednia lepkość (zapobiegająca ucieczce w warstwy chłonne).

W trakcie wiązania:

• tiksotropia (po ustaniu tłoczenia – zapobieganie opadaniu cząstek stałych na dno otworu),
• niskie ciepło twardnienia (materiały sond są mało odporne na wysokie temperatury).

Po związaniu:

• wysoka przewodność cieplna λ ≥ 2,0 W/m∙K (umożliwia zmniejsze­nie oporu termicznego otworu) – przykładowo: bentonit ≈ 0,8 W/m∙K, woda ≈ 0,6 W/m∙K,
• brak skurczu (to szczelny kontakt z sondą),
• niski współczynnik przepuszczalności kf (umożliwiający izolację horyzontów wodnych przewierconych w trakcie wykonywania otworu wiertniczego),
• odporność na agresywne oddziały­wanie gruntu i wód gruntowych (nie uwzględnienie tego warunku może spowodować szybką korozję wypeł­nienia i otwór traci swoją szczelność),
• odporność na cykliczne zamra­żanie i odmrażanie (zamrożenie strefy przyotworowej następuje wskutek zwiększonego odbioru ciepła – niewystarczająca zdol­ność regeneracji termicznej). Przy zastosowaniu standardowych (niemrozoodpornych) wypełnień następuje ich degradacja, co po­woduje utratę przez nie wymaga­nych właściwości).

Przy wykonywaniu wypełnienia otworu ze znajdującą się w nim sondą geotermalną, zaczynowi iniekcyjnemu stawiane są następujące wymagania materiałowe:

• należy stosować gotowe mieszanki mineralne o zwiększonej przewodności cieplnej, przeznaczone do tego typu zadań,
• parametr woda/spoiwo (W/S) powinien być mniejszy niż 1,0
• gęstość zaczynu: ≥ 1,3 g/cm³,
• lepkość (lejek Marsh'a): 45 – 100 sekund,
• odstój (wydzielanie się wody z zaczynu) po 2 godzinach: < 2 % obj.,
• wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach: ≥ 2 MPa,
• współczynnik filtracji po 28 dniach kf < 1·10-9 m/s,
• przewodność cieplna: λ = 2 (W/m·K),
• odporność na zamrażanie i rozmrażanie (minimum 10 cykli od -10º C do +10 º C),
• niskie ciepło hydratacji,
• wysoka odporność chemiczna na agresywne wody gruntowe.

Zaczyn iniekcyjny należy przygotowywać na miejscu budowy, dokładnie według instrukcji producenta spoiwa, w odpowiednim mieszalniku, zaleca się stosować spoiwo workowane z dozowaniem ręcznym.

Zaczyn iniekcyjny bezpośrednio po przygotowaniu powinien być pompowany przez przewody do rury iniekcyjnej.

Woda do zaczynu iniekcyjnego powinna odpowiadać wymaganiom PN-EN 1008:2004

By mieć pewność, że dany materiał wypełniający spełnia powyższe wy­magania, producent takiego produktu powinien dostarczyć następujące do­kumenty: instrukcję techniczną, kartę charakterystyki, atest higieniczny PZH dopuszczający produkt do kontaktu z wodą (również pitną), deklarację zgodności z deklarowanymi parame­trami technicznymi oraz certyfikat potwierdzający przewodność cieplną produktu. Atesty i certyfikaty potwier­dzające właściwości deklarowane przez producenta spoiwa powinny być wy­dane przez uprawnione jednostki, ma­jące minimum 5-letnie doświadczenie w przedmiotowej dziedzinie.