TÄTNING AV BORRHÅL MED GREEN COLLECTOR I SEDIMENTÄRT BERG

Transkript

1 TÄTNING AV BORRHÅL MED GREEN COLLECTOR I SEDIMENTÄRT BERG Resultat av ett praktiskt försök i Helsingborg S Sandby Olof Andersson Uppdragsnummer Kärrsångarvägen Södra Sandby Telefon Mobil

2 Innehåll 1 Bakgrund 1 2 Teoretisk betraktelse Allmänt om tätningskonceptet Tillämpning i sedimentärt 4 3 Det praktiska försöket Lokala förutsättningar Försökets upplägg och genomförandeprogram Resultatsammanställning 9 4 Slutsatser av försöken 11 5 Sammanfattande värdering 12

3 1 Bakgrund I syfte att vid behov kunna utföra tätningar av energibrunnar på platser där så föreskrivs av lokal tillståndsmyndighet har Pemtec lanserat en typgodkänd kollektor benämnd GC (Green Collector). GC består i korthet av en kapsel, som är gjord av ett tåligt och tunt plastmaterial. Från fabrik kommer kapseln helt invikt och upplindad på trumma i den längd som beställts. Med hjälp av en bottenvikt sänks kapseln enkelt ned i borrhålet, varefter den fylls med vatten och spänns då ut mot borrhålväggen. Inuti i kapseln sätts slutligen en kollektor på traditionellt sätt. Det har vid lanseringen ifrågasatts om kapseln verkligen kan hålla tätt mellan exempelvis två eller flera vattenförande våningar, som har helt olika grundvattennivåer och kanske helt avvikande vattenkemi. Ett verkligt exempel där en tätande funktion av djupa energibrunnar krävs är i Helsingborg i nordvästra Skåne. Enkelt beskrivet finns det stora områden i kommunen med dubbla vattenförande sandstenar (akviferer) i et. Den som ligger djupast ner av dessa kallas Ramlösaformationen. Det är från denna akvifer Ramlösa tar sitt berömda bordsvatten. Det unika med detta vatten är att det har en naturligt hög alkalinitet och låg hårdhet, samt låga halter av klorid, järn och mangan. Ramlösaformationen överlagras av en tät lerskiffer varpå en övre akvifer tillhörande yngre sandsten tar vid. Denna akvifer har ett vatten som är hårt och som även innehåller mycket järn Ett omfattande läckage ned i Ramlösaformationen via ett större antal energibrunnar innebär således en potentiell fara för Ramlösavattnets kvalitet. Mot denna bakgrund ställer Miljönämnden krav på återfyllning av energibrunnar som kortsluter de båda akvifererna. Återfyllningen ska ske i enlighet med råden i Normbrunn 07, avsnittet om återfyllning och tätning av borrhål. Till saken hör att trycknivån i Ramlösaformationen nästan alltid ligger lägre än grundvattennivån i den övre sandstenen i de områden som ligger inom föreskrivet skyddsområde. 1 (12)

4 2 Teoretisk betraktelse 2.1 Allmänt om tätningskonceptet Det material kapseln är gjord av består av PE med en tjocklek som är 0,4 mm. Kapselns tunna väggtjocklek gör den i viss mån elastisk och om den utsätts för ett övertryck sväller den därför ut mot hålväggen och tätar mot vertikal strömning i hålet. Ju högre inre tryck kapsel får i relation till det hydrostatiska tryck som finns utanför kapseln, ju större blir kapselns tryck mot hålväggen. Konceptet bygger således på att skapa ett hydrauliskt övertryck invändigt kapsel, och att detta tryck får kapseln att klistra sig mot borrhålets vägg. Hur detta gestaltar sig i praktiken visas på fotot, figur 2.1. Detta är en stillbild från videoupptagning som gjorts invändigt en kapsel med hydrauliskt övertryck. Figur 2.1. Bild från videofilmat borrhål i ur med kapsel som via övertryck med 3 MVP klistras mot hålväggen. På kapselns insida återspeglar hålväggens ojämnheter tydligt. (Hela filmen kan ses på ) 2 (12)

5 Om kapseln fylls med rent vatten upp till samma nivå som vilande grundvattenyta i det grundvattenmagasin borrhålet har kontakt med kommer kapseln att utvidgas och börja klistras mot hålväggen, men då knappast vara helt tät. En överfyllnad av kapseln får denna att svälla både nedåt i hålets riktning och utåt mot hålväggen, och med stor sannolikhet skapa en fullständig tätning längs hela borrhålsväggen. Vid vilket övertryck i kapseln detta sker beror främst av kapselns elastiska egenskaper. Bland de faktorer som påverkar töjningsprocessen, bedöms vattnets temperatur vara den viktigaste. Temperaturen i ett borrhål är tämligen konstant och varierar i stort mellan 3-10 o C beroende på var i landet man befinner sig. Fylls kapseln med ett vatten som är avsevärt varmare än borrhålets temperatur, behövs det en något högre nivå av påfyllnad för att skapa samma övertryck som om vatten med samma temperatur som ets skulle fyllas i kapseln. En högre temperatur på påfyllnadsvattnet ökar å andra sidan elasticiteten på materialet i kapseln, vilket då får en motsatt effekt. Dessa samband är i nuläget inte helt klarlagda, men saknar troligen betydelse vid den praktiska tillämpningen, eftersom högre tryckdifferens än den kritiska oftast går att uppnå. Ett specialfall är brunnar med artesiskt flöde. För att kunna täta dessa måste ett betydligt större övertryck kunnat hållas i kapseln för att vatten inte skall flöda uppåt i hålet. Principen är dock densamma, nämligen att överbrygga den artesiska trycknivån med ett ännu högre tryck i kapseln. Ett extra hjälpmedel kan i dessa fall vara att använda så kallade krontätningar med svällgummi, vilka placeras invändigt kapseln och sväller mot hålväggen. En annan faktor som påverkar vilken påfyllnadsnivå kapseln skall ha är om den fylls med en frysskyddad vätska. I ett sådant fall handlar det om en densitetsnedsättande inblandning av etanol. Detta gör att vätskenivån i kapseln måste ligga högre än om rent vatten används. Hur mycket högre kan enkelt beräknas utifrån hållängd och procent etanolinblandning. Med den hållfasthet kapseln har idag bör inga tryckdifferenser som överstiger ett bar (ca 10 MVP) användas. Större tryck kan innebära att kapselns bottendel trycks sönder eller att brott sker i anslutning till större kaviteter längs hålväggen. 3 (12)

6 2.2 Tillämpning i sedimentärt Energiborrhål i svenskt sedimentärt är praktiskt taget alltid utförda med hammarborrning och stiftkrona. Endast i undantagsfall används rotationsborrning med spolning. Vid hammarborrning används alltid foderrör av stål vilka borras ned till och minst två meter ned i fast (Normbrunn 07). I hålavsnitt med homogent och konsoliderat sedimentärt blir hålets väggar runda och tämligen släta. Om lösare lager påträffas blir hålet oftast mer eller mindre förstorat på de nivåer där lösa, instabila lagret finns. Ibland, och särskilt vid borrning genom finkorning lös sandsten, kan dessa så kallade kaviteter bli riktigt stora och leda till att fortsatt borrning med luft blir tekniskt omöjlig. I sådana fall måste borrning med vätska (mudd) användas. Även kraftigt vattenförande sprickor eller sprickzoner i sedimentärt kan göra att borrningen måste avbrytas på grund av högt vattenflöde. Sådana zoner ger ibland dessutom upphov till utfall av större bitar i hålet och kan därför vara ett svårartat hinder att passera, och naturligtvis då också att täta. En helt avvikande sedimentär art är kalkstenen i sydvästra Skåne. Denna har ställvis bankar med skarpkantad flinta som kan sticka ut från hålväggen och i det fall en kapsel används skära hål i denna. Slutligen skall nämnas så kallade knän, vilket innebär att hålet efter passage av en struktur tar en annan riktning. Sådana knän, som ibland även har hyllor, kan förorsaka svårigheter att göra installationer i borrhål över huvud taget. En kapsel har sålunda en rad potentiella avvikelser från en jämn och rak hålvägg att kunna bemästra och täta med övertryck. Dock bör kaviteter, som i sedimentärt är vanliga, inte vara några problem. En utsvällning av kapseln mot en kavitet behöver kanske inte ens nå hålväggen. Det räcker troligen med att kavitetens avgränsningar blir täta mot kapseln. Störst risk för att kapseln skärs sönder av skarpa kanter i hålväggen bedöms vara en kontakt med skarpkantad flinta (gäller tillämpningar i sydvästra Skånes kalkgrund). 4 (12)

7 3 Det praktiska försöket 3.1 Lokala förutsättningar Tanken med försöket har varit att med ett praktiskt försök påvisa hur GC- kapseln kan skapa en tätning mellan två eller flera vattenförande geologiska formation i sedimentärt. I aktuellt fall finns kravet att energibrunnar som anläggs inom ett definierat skyddsområde och som går ned i Ramlösformationen måste tätas så att en strömning från ovanliggande vattenförande lager förhindras. Det praktiska försöket utfördes i en värmebrunn som borrades under perioden /06 till en villa på Hagtornsgatan 5 i östra delen av Helsingborg. Borrentreprenör var Jerrys Brunnsborrning AB, Vittsjö. Försöket föranmäldes till Miljöförvaltningen i Helsingborgs kommun, som också inspekterade slutfasen av borrningen samt försökets inledning. Besökare från Miljöförvaltningen var Ingrid Thorneman, Maria Zingmark och Torsten Nilsson. Borrningen dokumenterades med provtagning var 10-e meter samt mätning av blåskapacitet. Vidare mättes grundvattennivån innan borrstart på morgonen 4/10. Borrdjupet var då 80 m och toppen på Ramlösaformationen hade vid detta tillfälle redan nåtts. Borrningen avslutades på det planerade djupet 172 m. Innan installation av GC-kapseln, vilket skedde dagen efter det att hålet färdigborrats, mättes grundvattenytan igen, se tabell 3.1. Med tid i vila avses den tid som gått från det borrning avslutats till dess mätning skedde. Tabell 3.1. Uppmätta grundvattennivåer innan kapselinstallation. Borrdjup Datum/ Uppmätt nivå Tid i vila (m) Klockslag (m u rök) (tim) / kl , / kl , (12)

8 Baserat på okulär genomgång av prover samt muntlig information från borraren har en geologisk profil sammanställts i figur 3.1. I figuren har också de uppgifterna på blåskapacitet (relativt mått på vattenföring) samt de två vattenförande formationernas hydrauliska vattennivåer lagts in. Den övre akviferens grundvattennivå är dock från mätningar utförda under försökets genomförande. Figur 3.1. Principiell lagerföljd och hydrogeologiska förutsättningar samt försökets upplägg. 6 (12)

9 3.2 Försökets upplägg och genomförandeprogram Baserat på de hydrogeologiska förhållandena samt med hänsyn taget till att brunnen har nio meter foderrör sattes försökskapseln på ett sådant djup att hydraulisk kontakt kunde upprätthållas med den övre akviferen för både påfyllnad och mätningar av grundvattennivån i denna akvifer. Installationen utfördes Som framgår av figur 3.1 sattes en tryckgivare (diver) i botten på kapseln med syftet att logga trycknivån i den undre akviferen. Genom att tryckgivaren inte tål tryck överstigande 100 MVP (10 bar) valdes att placera kapseln på djupet 80 m med en god hydraulisk kontakt med Ramlösaformationen och med full täckning av den lerskiffer som skiljer de båda akvifererna åt. Toppen på kapseln med två anslutande slangar sattes på djupet 10 m. En remsa av kapseln togs dock upp till marknivå. Remsan användes som dragrep då kapseln sattes. Invändigt kapseln sattes en dränkbar pump vars stigarledning drogs genom en av de två slangar som förband kapseln upp till markytan. I den andra slangen drogs kabeln till pumpen. Genom denna slang gjordes också påfyllningen av vatten samt mätning av vattennivån i kapseln. I figur 3.2 på nästa sida ges en någorlunda föreställning av hur kapseln preparerades för försöket och sedan installerades. Fotona har tagits av Miljöskyddsförvaltningen, som också gett tillstånd att använda bilderna i denna rapport. Då kapseln installerats i sin fulla längd fylldes den med vatten upp till marknivå. Den utsattes då för ett differenstryck av drygt 9 MVP under hela påfyllnaden. Genom kapselns utvidgning tog den första påfyllnaden ca 50 minuter att genomföra innan en någorlunda stabil nivå i kapselns stigarrör kunde ses. Slutligen stabiliserades dock nivån i kapseln att ligga strax över nivån för den övre grundvattenytan (ca 4,5 m), Det hydrostatiska övertrycket var då ca 4,5 MVP jämfört med trycknivån i den undre akviferen (Ramlösaformationen). I programmet ingick, utöver att uppnå ett konstant övertryck, också att utsätta tätningen för en extra hög hydraulisk belastning. Detta gjordes genom att fylla brunnsröret med vatten upp till marknivå, vilket ökade trycket i den övre akviferen med ca 4,5 MVP. Detta försök utfördes två gånger. 7 (12)

10 Figur 3.2. Installation av försökskapseln I programmet ingick också att skapa ett extra högt tryck invändigt kapseln för kontroll av kapselns systemtryck (1,3 x PN10). Detta utfördes genom att fylla stigarröret upp till marknivå och med hjälp av en trädgårdsslang sätta ett övertryck i röret. Det uppnådda trycket kunde inte mätas, men uppskattas var större än 13 MVP. Detta försök återupprepades tre gånger. Under försökets gång mättes grundvattennivån i foderröret, vilken motsvarar grundvattennivån i den övre akviferen samt i stigarröret till 8 (12)

11 kapseln. Dessa mätningar gjordes med ett elektriskt ljuslod med mer eller mindre täta intervall. Mätningarna avbröts ca Under kvällen samt påföljande morgon ( ) gjordes dock kontrollmätningar. Resultatet av dessa visade tydligt att stabila förhållanden hade uppnåtts och att kapseln med största sannolikhet hållit tätt med ett övertryck av ca 4,5 MVP. Programmet var därmed genomfört och det beslutades därför att avbryta försöken, tömma kapseln och ta upp denna för att få tillgång till data från tryckgivaren. Dessvärre visade det sig svårt att få upp kapseln igen, vilket främst berodde på att urpumpningen med den dränkbara invändiga pumpen inte gick att genomföra fullt ut. Inte förrän i samband med en rensning ca 1,5 veckor senare kunde kapseln tas upp och data från tryckgivaren räddas. 3.3 Resultatsammanställning Mätningar av grundvattennivån i den övre akviferen (i brunnsröret) och vattennivån i invändigt kapseln (stigarröret) har tillsammans med data från tryckgivaren sammanställts i ett tidsriktigt diagram, figur 3.3 på nästa sida. Ej inlagt i diagrammet är den uppmätta referensnivån för den undre akviferen, vilken visade 9,17 m u rök innan kapseln sattes. Det skall då beaktas att en strömning i hålet från den övre akviferen sannolikt höjt denna nivå något. I diagrammet har tidpunkterna för olika händelser under försökets gång lagts in med text som refererar till föregående kapitel. Som framgår av diagrammet ligger trycket i den undre akviferen (Ramlösaformationen) då tryckgivaren sänkts ned 71 m u rök på drygt 80 MVP. I detta tryck ingår, utöver ovanliggande vattenpelare, även det atmosfäriska trycket (ca 9,7 MVP). Då kapseln sänkts till sin slutnivå höjs trycket med ca 10 MVP, vilket motsvarar den sträcka kapseln sänks. Under påfyllnaden av kapseln höjs trycket något för att efter påfyllnadens nå det naturliga tryck som akviferen har. Denna nivå verkar ligga runt 9,6 m u rök, d.v.s. något lägre än den uppmätta vattennivån i hålet innan kollektorn sattes. 9 (12)

12 . Figur 3.3. Uppmätt tryck i botten och toppen av borrhålet samt invändigt tryck i kapseln. Då kapseln sänkts till sin slutnivå höjs trycket med ca 10 MVP, vilket motsvarar den sträcka kapseln sänks. Under påfyllnaden av kapseln höjs trycket något för att efter påfyllnadens nå det naturliga tryck som akviferen har. Denna nivå verkar ligga runt 9,6 m u rök, d.v.s. något lägre än den uppmätta vattennivån i hålet innan kollektorn sattes. Vid försöken med förhöjt tryck invändigt kapseln fås en tryckhöjning också i undre akviferen med någon decimeter. Denna går tillbaka så fort trycket i kapseln sänks igen (spikarna på tryckkurvan). Vid tryckhöjningen i den övre akviferen, som utfördes vid slutet av dagen, ses inga mätbara tryckförändringar i den undre akviferen. De avslutande kontrollmätningarna under kvällen och påföljande morgon visar att vattennivåerna återställts till normalvärden, vilket innebär en trycknivå i kapseln som ligger någon decimeter högre än 10 (12)

13 grundvattennivån i et (ca 4, 5 m u rök) samt en stabil trycknivå i den undre akviferen som ligger på ca 9,5 m u rök. 4 Slutsatser av försöken Försöket i sin helhet visar att kapseln redan under påfyllnaden börjar täta av mellan de två akvifererna. Detta återspeglas i att vattennivån i brunnsröret börjar stiga för att så småningom nå den grundvattennivå som den övre akviferen naturligt har. Under påfyllnaden sväller kapseln och skapar en fullständig tätning mellan akvifererna. Detta styrks av att den undre akviferen intar en stabil trycknivå samt att samma sak inträffar med den övre akviferens grundvattennivå. Detta sker med ett differenstryck om ca +4,5 MVP jämfört med den undre akviferens trycknivå. Försöken med tryckhöjning i den övre akviferen med 4,5 MVP gav inget som helst respons i den undre akviferen. Detta tyder på att någon hydrostatisk tryckförändring inte i slog igenom tätningen. Däremot steg vattennivån i stigarröret, vilket visar att en del av trycket togs upp av kapselns övre del. Stabila vattennivåer i kapseln hålls under minst 18 timmar. Detta ger en indikation om att kapseln kan vidmakthålla tätningen under en längre tid. En eller flera efterfyllningar av kapseln kan dock komma att krävas sett på längre sikt. Därför bör en kapselinstallation göras tillgänglig för mätning och påfyllning när den används praktiskt. Som framgått ovan, tycks kapseln ställa in sig på det tryck som råder i den övre akviferen, även när den trycksatts över denna nivå. Detta tolkas som en självanpassning till det tryck som naturligt råder högst upp och som kapseln blir utsatt för. Det hydrostatiska trycket ökar sedan nedåt med vattenpelarens hydrostatiska gradient. Den kommer då att täta mot partier som saknar portryck med det hydrostatiska tryck som råder på varje enskild nivå. Försöken med tryckförhöjning invändigt kapseln visar att kapseln, i vart fall kortvarigt, håller för ett systemtryck som överstiger angivet sprängtryck (10 MVP). Försöken visar också att trycket i den undre akviferen ökade kortvarigt. Detta är sannolikt en effekt av att kapseln utvidgar sig nedåt vid ökad tryckbelastning, men att den snabbt återställer sig då trycket släpps. 11 (12)

14 5 Sammanfattande värdering Försöket visar att kapseln förmår täta mellan de två akvifererna i Helsingborg varför denna typ av tätning kan rekommenderas som ett fullgott alternativ till återfyllning med tätande cementblandningar. Det skall i sammanhanget nämnas att cementtätningar inte går att täthetskontrollera efter det att de utförts och cementen bränt. För närvarande finns det inte heller något uttalat sådant krav. Inte heller finns det någon svensk teknisk standard eller teknisk beskrivning på hur denna typ av tätning skall utföras. Metoden med kapsel har den positiva effekten att energibrunnens termiska effektivitet blir betydligt bättre än med brunnar som tätas med cement, bentonit och andra så kallade täta fyllnadsmaterial. (Enda undantaget kan vara kvartsfiller, som dock inte bör betraktas som ett helt tätt material). Den höga termiska effekten på en vattenfylld kapsel gör att en märkbart högre energifaktor på systemet som helhet kan påräknas, förutsatt att samma hållängd används som i jämförelsealternativet. Ovan sagda utgör starka argument för att kapseln skall ses som ett minst sagt fullvärdigt tekniskt alternativ till cementtätade brunnar. För en kontroll av övertryck och tätningsförmåga rekommenderas att en kapselförsedd brunn görs tillgänglig för mätning av vattennivån och därmed tätheten. Det ligger då på brukaren att i eget intresse mäta vattennivån invändigt kapseln och vid behov fylla på mer vatten. Om en kapsel av något skäl skulle visa sig vara otät kan den bytas mot en ny. Detta gäller också om exempelvis en hålfördjupning skulle krävas. Denna flexibilitet är en styrka med GC-systemet som skiljer den från cementinjekterade brunnar. 12 (12)