Analýza propustnosti HDPE výstroje primárních výměníků tepelných čerpadel typu země - voda pro zemní plyn

Abstract

V minulosti byla provedena terénní měření na reálných instalacích tepelných čerpadel typu země-voda, která odhalila přítomnost metanu v cirkulačním okruhu. Tento nález vedl k hypotéze o možné difúzi metanu z horninového prostředí skrze stěnu primárního výměníku tepelného čerpadla. Tato problematika je zvláště významná v Moravskoslezském kraji, kde se nacházejí ložiska a zásobníky zemního plynu, a může souviset s metanem vázaným na uhelné sloje v hornoslezské pánvi, kde byly zaznamenány výskyty plynných a kapalných uhlovodíků různého stáří v různých stratigrafických jednotkách. Hlavním cílem této disertační práce bylo ověřit tuto hypotézu a vyhodnotit možné riziko proniku metanu do primárního okruhu tepelného čerpadla. Byla provedena rešerše teorie týkající se zkoumaného problému a následně simulována reálná situace ve vrtu pomocí laboratorního zařízení RK2 s využitím reakční komory a expanzní nádoby. Celkem byly realizovány čtyři zkoušky: zkouška těsnosti měřicí aparatury, zkouška propustnosti HDPE bez měření objemu metanu, zkouška propustnosti HDPE s měřením objemu metanu a zkouška propustnosti HDPE s nulovým tlakovým spádem. Další fáze výzkumu zahrnovala laboratorní měření, simulující průnik metanu skrz vzorek z HDPE potrubí (kruhový vzorek o průměru 3,8 cm a tloušťce 3,0 mm) za využití permeametru dostupného v Laboratoři stimulace vrtů a ložisek uhlovodíků (511). Kromě toho byla provedena další terénní měření na reálných instalacích tepelných čerpadel, kde byla přítomnost metanu identifikována pomocí přenosného plynového detektoru. Po detekci metanu byly odebrány vzorky plynu z expanzních nádob a podrobeny laboratorní analýze v Laboratoři chemické analýzy (VŠB-TUO) za účelem identifikace původu metanu.

Field measurements were conducted on real installations of ground-source heat pumps in the past, revealing the presence of methane in the circulation loop. This finding led to the hypothesis of possible methane diffusion from the rock environment through the wall of the primary heat exchanger of the heat pump. This issue is particularly significant in the Moravian-Silesian region, where natural gas deposits and reservoirs are located, and it may be associated with coal seam methane in the Upper Silesian Basin, where occurrences of gaseous and liquid hydrocarbons of various ages in different stratigraphic units have been recorded. The main objective of this dissertation was to verify this hypothesis and evaluate the potential risk of methane penetration into the primary circuit of the heat pump. A review of theories related to the examined problem was conducted, and then a real situation in a borehole was simulated using the RK2 laboratory apparatus with a reaction chamber and an expansion vessel. A total of four tests were carried out: a test of the measuring apparatus's tightness, a permeability test of HDPE without measuring the volume of methane, a permeability test of HDPE with measuring the volume of methane, and a permeability test of HDPE with zero pressure gradient. The next phase of the research included laboratory measurements simulating the penetration of methane through an HDPE pipe sample (a circular sample with a diameter of 3.8 cm and a wall thickness of 3.0 mm) using a permeameter available at the Well Stimulation and Hydrocarbon Reservoirs Laboratory (511). Additionally, further field measurements were conducted on real installations of heat pumps, where the presence of methane was identified using a portable gas detector. After detecting methane, gas samples were taken from the expansion vessels and subjected to laboratory analysis at the Chemical Analysis Laboratory (VŠB-TUO) to identify the origin of the methane.