TÄTNING AV BORRHÅL MED GREEN COLLECTOR I KRISTALLINT BERG

Transkript

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

2 Innehåll 1 Bakgrund 1 2 Teoretisk betraktelse Allmänt om tätningskonceptet Tillämpning i kristallint berg 4 3 Det praktiska försöket Upplägg och genomförande Händelseförlopp och data Tolkning av tryckdata 8 4 Slutsatser och kommentarer 9

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. Inne i kapseln sätts sedan en kollektor på traditionellt sätt. Det har vid lanseringen ifrågasatts om kapseln verkligen kan hålla tätt för exempelvis uppträngning av salt vatten från djupare delar av berget. Detta kan exempelvis inträffa om djupt liggande spricksystem med salt vatten penetreras förutsatt att den hydrostatiska trycknivån i dessa spricker överstiger det övre bergets grundvattennivå. Salt vatten från djupare nivåer kan också aktiveras och stiga uppåt i en energibrunn om grundvattennivån i berget sänks, exempelvis vid uttag av sött vatten i en närliggande grundare brunn. Tätning av en energibrunn kan också behövas om grundvattnet i jordlagren och ytlig del av berget har en högt liggande grundvattenyta som via brunnen dräneras till bergssprickor med lägre trycknivå. En sådan dränering kan leda till exempelvis sättningar och skador på miljön. Marknaden kräver naturligtvis att GC kan motsvara de krav på täthet som kan ställas för att förebygga den typ av skador och oönskade effekter som exemplifierats ovan. Samma krav måste naturligtvis ställas på andra tätningsmetoder, exempelvis injektering med en cementbaserad injekteringsmassa, vilket är den vanligaste metoden. I denna utredning beskrivs ett praktiskt försök, där kapseln till en GC täthetsprovats i en befintlig energibrunn i Vallentuna. Brunnen är borrad i kristallint berg (granit), som utgör ca 90 % av Sveriges berggrund. 1 (10)

4 2 Teoretisk betraktelse 2.1 Allmänt om tätningskonceptet Det material kapseln är gjord av har en tjocklek som är 0,4 mm. Kapseln är därför i viss mån elastisk och bör om den utsätts för ett övertryck kunna svälla ut mot väggen och täta denna. Ju högre inre tryck kapsel får i relation till det hydrostatiska tryck som finns utanför kapseln, ju större blir kapselns svälltryck. Konceptet bygger således på att skapa ett hydrauliskt övertryck invändigt kapsel. Tryckdifferensen (delta P) mellan kapseln och bergets vattentryck (i de flesta fall uppmätt grundvattennivå i berget) måste då vara så stort att kapseln klistras mot hålväggen, enligt principfigur 2.1 Figur 2.1. Teori för konceptet 2 (10)

5 Om kapseln fylls med rent vatten upp till samma nivå som vilande grundvattenyta i det grundvattenmagasin borrhålet har kontakt med kommer kapseln inte att utvidgas och därmed inte täta av mot hålväggen, situation A, i figuren. En överfyllnad av kapseln kommer att få denna att svälla både nedåt i hålets riktning och utåt mot hålväggen, situation B i figuren. Vid vilket övertryck (delta P) 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 högre nivå av påfyllnad för att skapa samma övertryck som om vatten med samma temperatur som bergets 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 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 oftast 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. 3 (10)

6 2.2 Tillämpning i kristallint berg Energiborrhål i kristallint berg är praktiskt taget alltid utförda med hammarborrning och stiftkrona. I hålavsnitt med homogent sprickfattigt berg är hålets väggar runda och tämligen släta. Ibland påträffas enskilda sprickor, system av sprickor, krosszoner och andra typer svaghetszoner i berget. Sådana passager kan förutom att de är vattenförande även innebära att hålet får en ojämn vägg och kanske även en förstorad dimension (kaviteter). Bland avvikelser i kristallint berg märks också zoner med svällande lera och vittringszoner. Lerslag av denna typ resultera i utsvällning, medan vittringszoner ger utfall och kaviteter. 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 är vanliga förbi kross- och vittringszoner, inte vara några problem. En utsvällning av kapseln mot denna typ av struktur behöver inte ens nå mot hålväggen. Det räcker säkerligen med att strukturens avgränsningar blir täta mot kapseln. Några av angivna strukturer skulle kunna skada kapseln. Störst risk för detta bedöms en kontakt med skarpa bergbitar i anslutning till krosszoner vara. Normalt kommer en sådan skada att visa sig som inte övergående tryckfall i kapseln. Skulle en skada konstateras kan en kompletterande tätning invändigt kapseln bli aktuell, exempelvis med en permanent krontätning på den kollektor som sätts invändigt kapseln. 4 (10)

7 3 Det praktiska försöket 3.1 Upplägg och genomförande Tanken med försöket var att efterlikna en situation där salt vatten tränger upp från djupare liggande bergsprickor och sprider sig till omgivande uttagsbrunnar för vattenförsörjning. Försöket gjordes under perioden /26 av brunnsborrare Bo Jansson, Stures Brunnsborrning i Vallentuna, med medverkan av personal från Pemtec. Försöket utfördes i en befintlig energibrunn, som är 100 m djup. För simulering av ett närliggande uttag borrades en uttagsbrunn alldeles i närheten av 100-brunnen. Djupet på den nya brunnen blev 50 m. Då denna brunn borrats visade en pumpning att ingen kontakt brunnarna emellan fanns. Den nygjorda brunnen trycktes därför i syfte att skapa en sådan kontakt. Tryckmanschetten sattes på djupet 30 m och en efterföljande provpumpning visade att kontakt mellan brunnarna hade skapats. Efter tryckningen uppvisade brunnarna samma grundvattennivå, ca 3 m u markyta, vilket ytterligare styrker att god kontakt uppnåtts. Det är oklart på vilken nivå kontakten blev etablerad, men klart är att kommunikationen öppnats någonstans på djupet m i den grunda brunnen. Med det korta avståndet brunnarna emellan, ca 2 m, bör genomslaget till den djupa brunnen ligger på ungefärligen samma djup. Innan testet provtrycktes övre delen av det djupa hålet i syfte att se om det fanns någon ytlig hydraulisk förbindelse mellan hålen. Ett tryck av ca två bar ansattes då ovan en manschett placerad en meter under borrskon. Vid detta test kunde konstateras att inget vatten försvann ut från hålet och att grundvattennivån i det grunda hålet låg konstant. Försökuppställningen inför försöket tillsammans med de principiella hydrogeologiska förutsättningarna framgår av figur (10)

8 Figuren visar i korthet viken metod som använts för att skapa övertryck i kapseln för att därefter lägga ett extra tryck ovanför kapseln topp. Den visar också hur en tryckgivare placerats i botten under kapseln, i syfte att studera dynamiken då kapseln fylls och sedan vad som händer då ett extra tryck läggs ovanför den kapseln. Den utritade sprickan som sammanbinder och skapar en hydraulisk kontakt mellan de två brunnarna är ansatt att finnas på djupet 40 m. Figur 3.1. Principiellt arrangemang och ungefärliga hydrogeologiska förutsättningar för täthetsprovningen. Figuren ej skalenlig. 6 (10)

9 3.2 Händelseförlopp och data Följande händelseförlopp av försökens utförande har lämnats som anteckningar av den personal som genomförde testet Klockan Montage av 99 m kapsel med undersittande tryckgivare (diver) i det djupa hålet. - Klockan Kapseln börjar fyllas med vatten. - Klockan Kapseln fylld med ett övertryck av 0,3 bar (efter flera påfyllningar som indikerar att kapseln utvidgat sig). - Klockan Montage av lock med påfyllnadsrör och direkt därefter tillförsel av vatten ovan kapseln där nivån höjdes med 2 m. - Klockan Fyllde på vatten till underkant lock, dvs. 3 m över vilande grundvattennivå. - Klockan 14, 45. Trycksatte utrymmet ovan kapseln till 0,5 bar - Klockan Ökade trycket successivt till 1.5 bar varvid locket släppte klockan Trycket ovan kapseln återgick då till 0.3 bar. Påföljande morgon, , stod vattnet kvar vid rörkant. Kapseln kunde, efter tömning med sugpump, obehindrat lyftas ur hålet och inspekteras. Det konstaterades att den inte hade några synbara skador. Under hela försökets gång mättes grundvattennivån med ljuslod i 50- metershålet. Dessa mätningar visade på en stabil nivå under hela den tid försöket pågick, från det att kapseln satts till dess att den togs upp igen. Tryckgivaren i botten av kapseln tömdes på data och de tryck som registrerats finns redovisade i diagram, figur 3.2. I samma diagram har också de tryck som lagts i utrymmet ovan kapseln ritats in liksom det invändiga trycket i kapseln. 7 (10)

10 Figur 3.2. Uppmätt tryck i botten (röd kurva) och toppen av borrhålet (blå kurva) samt invändigt tryck i kapseln (grön kurva). 3.3 Tolkning av tryckdata Som framgår av kurvan figur 3.2 var trycket i borrhålets botten efter det att kapseln kommit plats, men ännu inte fyllts, ca 10,5 bar. Vid påfyllningen av kapseln (gul kurva) steg trycket efterhand för att som mest nå drygt 11 bar. Detta tolkas som att kapseln under påfyllningen utvidgat sig nedåt och skapat ett övertryck i botten av hålet, vilket höll i sig under hela påfyllnadsfasen. När påfyllningen av kapseln avslutats och redan innan tryckhöjningen ovanför kapseln påbörjats, sjunker trycket under kapseln långsamt. Detta tolkas som att övertrycket inte längre påverkas av utvidgning. I stället jämnas trycket ut genom att vatten dräneras ut i berget i borrhålets nedre del. Detta förutsätter dock att det finns i vart fall ett uns av vattenföring längst ned i borrhålet, något som inte är belagt. Trots att ett allt högre tryck appliceras i den del av hålet som ligger ovanför kapseln fortsätter trycksänkningen i botten av hålet ända fram till dess ett ovanliggande tryck av 0,8 bar applicerats. Vad som då 8 (10)

11 händer är att bottentrycket åter börjar stiga för att under ca 20 minuter visa en dynamisk, något sjunkande pendling. Det är i nuläget oklart hur denna del av tryckkurvan skall tolkas, men kanske har den att göra med en ojämn tryckbelastning som kan härledas till den kompressor som användes för att tryckhöjningen. Nettomässigt sjunker dock trycket även då trycket ovan kapseln byggs upp till maximal nivå (1.5 bar). Detta bedöms åter igen vara kopplat till en tryckutjämning orsakat av ett ytterst litet läckage i bottendelen av hålet. Då tryckbelastningen ovan kapseln plötsligt upphör då locket lossnar vid 1. 5 bar, blir kurvan åter jämn och återgår snabbt till det tryck den hade, 10.5 bar, innan de högre trycken las på ovan kapseln. 4 Slutsatser och kommentarer Försöket i sin helhet är en stark indikation på att kapseln redan efter första påfyllningen trycks mot och effektivt tätar flödesvägarna mellan toppen och botten av hålet. Denna utvidgning omfattar också botten av kapseln som genom svällning nedåt orsakar en tryckhöjning i botten av hålet. Det faktum att hela den last som läggs ovan kapseln (1,5 bar) inte leder till en motsvarande tryckhöjning, utan istället leder till minskat tryck i botten av hålet, är en indikation på att en vidmakthållen tätning upprätthållits även under denna fas av försöket. Detta är i och för sig förvånande och svårförklarat, eftersom man skulle förvänta sig att tätningen skulle upphöra då tryckdifferensen blir omvänd. En indikation på att kapseln hållit tätt i mitten av hålet är att det grunda sidohålet inte påverkats alls vad avser grundvattennivån. Ett läckage till denna brunn, via den tryckta sprickan, skulle i vart fall teoretiskt ha visat sig i en något förhöjd grundvattennivå i detta hål. Ett tydligt samband finns mellan kapselpåfyllnaden och en påtaglig tryckhöjning i hålets botten. Denna kan med stor säkerhet knytas till en utvidgning av kapseln, vilken pågår under flera timmar. Därmed har kapselns elastiska förmåga kunnat verifieras. Expansionen av kapseln påbörjas redan vid ett litet övertryck (< 0,3 bar) och upphör först efter ca ett par timmar. Det finns med stöd av detta inget som 9 (10)

12 talar mot att kapseln också expanderar ut mot hålväggen och därmed också tätat denna. Märkligt är att ett ökat tryck ovanför kapseln efter att den expanderat, inte leder till motsvarande tryckökning i botten av kapseln. Teoretiskt skulle detta nämligen ske eftersom det invändiga trycket i kapseln blir lägre än motsvarande utanförvarande tryck. En förklaring till detta fenomen, och kanske den enda, är att ett ökat riktat tryck på kapselns exponerade topp medför någon form av sammanpressning. Denna skulle i så fall stänga flödesvägen nedåt i hålet. Det skall samtidigt nämnas att kapseln i denna fas var hermetiskt tillsluten med stängd ventil på påfyllnadsröret. Även om det finns en del oklarheter i tolkning av mätdata, är den generella slutsatsen av försöket att kapseln kunnat skärma av de höga tryck som anbragts ovanför densamma. Den viktigaste slutsatsen är dock att tätning uppenbarligen skett vid försökets inledning då kapseln inre tryck överstigit grundvattnets med 0.3 bar. 10 (10)