Regeneracja i utrzymanie ujęć wód podziemnych z wykorzystaniem dwutlenku węgla

Transkrypt

1 Regeneracja i utrzymanie ujęć wód podziemnych z wykorzystaniem dwutlenku węgla Anna Vargas Siekańska, Mariusz Chojnacki, Victoriano Sanz Losada (Aqualogy Polska) STRESZCZENIE Zjawiska kolmatacji i inkrustracji w mniejszym lub większym stopniu dotyczą każdej studni głębinowej i wpływają na jej sprawność. Procesom tym nie da się zapobiec, ale podejmując odpowiednie działania konserwacyjne i regeneracyjne można zapewnić prawidłową eksploatację studni przez lata. Celem pracy jest przedstawienie metody regeneracji studni z wykorzystaniem CO 2. Technologia ta nosi nazwę Aqua Freed i polega na kontrolowanej aplikacji CO 2 do studni głębinowej. W przeprowadzonych testach regeneracji poddana została studnia na ujęciu wody pitnej oraz studnia odwodnieniowa. Wtłoczenie CO 2, w ilości dostosowanej do średnicy studni, odbyło się z wykorzystaniem specjalnie zaprojektowanegopojazdu i było poprzedzone czyszczeniem mechanicznym za pomocą szczotek. Po zakończeniu działania CO 2 w studniach dodatkowo przeprowadzono strefowe udrażnianie filtrów poprzez tzw. swabbing. Przed przystąpieniem do realizacji prac oraz po ich zakończeniu w każdej ze studni przeprowadzono inspekcję TV oraz wykonano pompowanie próbne. Otrzymane wyniki wskazały na istotną poprawę wydajności i potwierdziły skuteczność technologii Aqua Freed. WPROWADZENIE Studnie to pionowe odwierty sięgające nasyconej warstwy wodonośnej wyposażone w urządzenie pompujące [2]. W trakcie ich eksploatacji występuje szereg procesów, które przyczyniają się do ich starzenia, czego konsekwencją jest spadek wydajności i co za tym idzie wzrost kosztów eksploatacyjnych. Szybkość zachodzenia tych zjawisk zależy od wielu czynników, wśród których można wymienić m.in. chemizm wody, charakterystykę warstwy wodonośnej czy konstrukcję studni [3]. Procesu starzenia studni nie da się powstrzymać, ale podejmując odpowiednie działania regeneracyjne i konserwacyjne można znacząco przedłużyć czas ich funkcjonowania przy zachowaniu wysokiej sprawności [1]. Istnieje szereg metod naprawczych i renowacyjnych studni, które można podzielić na dwie główne grupy: mechaniczne i chemiczne. Te pierwsze zorientowane są na usuwanie fizycznych osadów odłożonych wewnątrz studni, drugie zaś na czyszczenie studni z osadów chemicznych i biofilmu [2]. Skuteczność tych metod zależy przede wszystkim od możliwości zidentyfikowania materiału osadowego, a także odpowiedniego dobrania środka chemicznego. Ze względu na skomplikowane warunki geochemiczne i mikrobiologiczne panujące pod ziemią jest to niezmiernie trudne, a konsekwencją niewłaściwych działań może być nawet konieczność wyłączenia studni z eksploatacji. Alternatywą dla tradycyjnych metod jest technologia regeneracji i utrzymania studni opierająca się na zastosowaniu CO 2. Jej początki sięgają lat 70, kiedy to Igor Jaworowsky, hydraulik i wynalazca, zastosował suchy lód w celu przywrócenia do użytku mało wydajnej studni. Metoda ta okazała się na tyle innowacyjna i skuteczna, że 1985 roku przyznano jej patent, który posłużył jako podstawa do aktualnie stosowanej technologii regeneracji studni zwanej Aqua Freed. Dotychczasużyto ją już w ponad 7000 studni głębinowych na całym świecie. W 2015 roku firma Aqualogy po raz pierwszy zastosowała ją na rynku polskim, przeprowadzając regeneracje studni w Bydgoszczy i Bełchatowie. OPIS TECHNOLOGII Podstawą technologii Aqua Freed jest zastosowanie CO 2, który zatłaczany jest do studni w sposób kontrolowany przy zapewnieniu odpowiednich warunków ciśnienia i temperatury. Pozwala to na

2 uzyskanie potrójnego efektu: usunięcia drobnych frakcji, rozpuszczenia soli, tlenków i wodorotlenków (dzięki wytworzeniu kwasu węglowego H 2 CO 3 o ph 5) oraz eliminacji biofilmu (ze względu na właściwości bakteriostatyczne CO 2, w połączeniu z szokiem termicznym i zmianą ph) [2]. Dzięki łatwemu przenikaniu CO 2, procesem regeneracji objęty jest nie tylko filtr studni, ale również otaczająca ją warstwa wodonośna. W metodzie tej wykorzystywany jest naturalny CO 2, głownie w formie ciekłej, w ilości dostosowanej do średnicy i długości filtra, z uwzględnieniem dodatkowej dawki wynikającej z przenikania czynnika do warstwy wodonośnej. Technologia Aqua Freed składa się z trzech głównych procesów: czyszczenia mechanicznego, zatłaczania CO 2 do studni oraz czyszczenia strefowego -swabbing u (Rys. 1). Rys.1. Schemat działania technologii Aqua Freed: a) zatłaczanie płynnego CO 2, b) rozprężenie CO 2 w kontakcie z wodą, c) czyszczenie strefowe (swabbing) Pierwszym etapem prac, po przeprowadzeniu oceny stanu studni i demontażu agregatu pompowego, jest szczotkowanie oraz czyszczenie hydrodynamiczne przy użyciu air-liftu. Dzięki temu działanie wtłoczonego w kolejnym etapie CO 2 jest skuteczniejsze i obejmuje również warstwę wodonośną. Po zakończeniu tego etapu montowana jest specjalna głowica (Rys. 2) oraz urządzenia wtryskowe i kontrolne, a do studni zapuszczany jest paker tworzący ciśnieniowe uszczelnienie do kierunkowej iniekcji CO 2. Dwutlenek węgla zatłaczany jest do studni w dwóch fazach: gazowej i ciekłej. W wyniku iniekcji gazowego CO 2 powstaje kwas węglowy, który przenika do warstwy wodonośnej. Ciekły CO 2 w momencie kontaktu z wodą ulega natychmiastowemu rozprężeniu i następuje uwolnienie energii pozwalającej na wypłukanie drobnych frakcji i usunięcie osadów, zarówno z filtra jak i otaczającej warstwy wodonośnej. Specjalnie zaprojektowany w tym celu pojazd pokazano na rysunku 3. Minimalny czas reakcji zatłoczonego czynnika w zamkniętej studni wynosi 12 godzin. Po upływie wymaganego czasu, przeprowadzane jest strefowe czyszczenie filtra (Rys. 4) z wykorzystaniem podwójnego pakera i zjawiska tłokowania, aż do czasu gdy wypompowywana woda nie będzie całkowicie czysta i pozbawiona resztek osadów. Po zakończeniu wszystkich wymienionych powyżej czynności, w studni montowany jest ponownie agregat pompowy i przeprowadzane jest pompowanie próbne w celu określenia skuteczności przeprowadzonej regeneracji.

3 Rys. 2. Głowica ciśnieniowa do zatłaczania CO 2 Rys. 3. Specjalistyczny pojazd do kontrolowanej iniekcji CO 2

4 PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA Rys. 4. Strefowe czyszczenie filtra (swabbing) W 2015 roku firma Aqualogy Polska po raz pierwszy zastosowała technologię regeneracji studni za pomocą CO 2 w Polsce. Próbie poddana została studnia odwodnieniowa zlokalizowana na terenie Kopalni Węgla Brunatnego (KWB) w Bełchatowie oraz studnia służąca do zasilania w wodę sieć wodociągową, należąca do Miejskich Wodociągów i Kanalizacji w Bydgoszczy. W dalszej części artykułu zostały przedstawione wyniki przeprowadzonych działań. Studnia odwodnieniowa zlokalizowana na terenie PGE GiEK SA Oddział KWB Bełchatów KWB w Bełchatowie posiada ponad 350 studni, których celem jest odwodnienie eksploatowanych pokładów węglowych. Studnie te, ze względu na występowanie kolmatacji i inkrustracji, muszą być poddawane częstym zabiegom regeneracyjnym, co z kolei wiąże się z wyższymi kosztami ich utrzymania. Do tej pory do regeneracji studni stosowano technologie mechaniczne i hydrodynamiczne. W kwietniu 2015 roku przeprowadzono próbę regeneracji jednej ze studni stosując technologię Aqua Freed. Parametry studni poddanej próbie: głębokość m, data zakończenia wiercenia (studnia wiercona obrotowo z lewym obiegiem płuczki), konstrukcja otworu: rury ø 1420 do głębokości 6 m, rury ø 1220 do głębokości 38 m,

5 zafiltrowanie: kolumna ø 711 zabudowana do głębokości 110,5 m, część czynna - filtr okładzinowy o łącznej długości 23,4 m, kolumna ø 406 zabudowana do głębokości 250 m, część czynna - filtr okładzinowy o łącznej długości 72,4 m, Studnia została oddana do eksploatacji na początku 2007 roku. W pierwszym okresie eksploatacji wydajność studni utrzymywała się na zbliżonym poziomie, około 24 m 3 /h, ale po upływie dwóch lat zaczął następować jej stopniowy spadek i taka tendencja utrzymywała się aż do czasu przeprowadzenia próby z CO 2. Na podstawie próbnego pompowania przeprowadzonego przed regeneracją określono, że wydajność studni spadła do 10,8 m 3 /h przy depresji 72 m, czyli wydajność jednostkowa wynosiła 10,8 m 3 /h/m. Pilotażowa regeneracja studni przy użyciu technologii Aqua Freed została przeprowadzona w trzech etapach. Pierwszym z nich było czyszczenie mechaniczne szczotką systemem obrotowym, zakończone wypłukaniem usuniętych osadów przy pomocy air-liftu. Następnie przeprowadzono pompowanie i odnotowano, że wydajność studni wzrosła do 12,8 m 3 /h. Kolejnym etapem było zatłaczanie CO 2, poprzedzone uszczelnieniem kolumny studni i montażem głowicy. Dwutlenek węgla był wtłaczany do studni dwuetapowo w pierwszym etapie CO 2 wprowadzany był na głębokości 239,0 m, a następnie na 169,0 m. Po dwunastu godzinach głowica studni została zdemontowana i przystąpiono do ostatniego etapu regeneracji, czyli strefowego czyszczenia filtrów studni. Następnie zapuszczono agregat pompowy i przeprowadzono pompowanie próbne. Wydajność studni określono na 24 m 3 /h i stwierdzono, że można ją jeszcze zwiększyć przez zapuszczenie agregatu pompowego o większych parametrach. Po zapuszczeniu nowej pompy wydajność studni zwiększyła się do 33 m³/h. Obecnie wydajność studni utrzymuje się na poziomie 29 m³/h. Wyniki próbnego pompowania przeprowadzonego przed, w trakcie i po zakończeniu regeneracji pokazano na rysunku 5 i w tabeli 1. Rys. 5. Wyniki próbnego pompowania przeprowadzonego przed, w trakcie i po zakończeniu regeneracji studni

6 Tab. 1. Zestawienie wyników pompowań próbnych dla studni w Bełchatowie Wydajność Q [m 3 /h] Depresja s [m] Wydajność jednostkowa q [m 3 /h/m] Przed czyszczeniem mechanicznym 10,8 56,96 0,19 Po czyszczeniu mechanicznym 12,8 65,55 0,20 Po zatłoczeniu CO 2 24,0 29,90 0,80 Po wymianie agregatu pompowego 33,0 64,25 0,51 33 dni po regeneracji 29,0 62,80 0,46 Studnia zasilająca sieć wodociągową zlokalizowana na terenie ujęcia Las Gdański w Bydgoszczy Druga pilotażowa regeneracja studni z wykorzystaniem Aqua Freed została przeprowadzona w Bydgoszczy na studni zlokalizowanej na terenie ujęcia Las Gdański. Studnia ta o głębokości 61 m została wykonana w styczniu 1982 roku. Jest ona wyposażona w filtr siatkowy ø 300 o długości 15,0 m z siatką stylonową nr 10. W momencie rozpoczęcia eksploatacji wydajność studni wynosiła 50 m 3 /h przy depresji zwierciadła wody 4,30 m, co oznaczało wydajność jednostkową na poziomie 11,6 m 3 /h/m. W kolejnych latach wydajność studni znacznie spadła i w roku 2008 przy wydajności eksploatacyjnej 25 m 3 /h, wydajności jednostkowej 2 m 3 /h/m oraz depresji 12,0 m zdecydowano o wstrzymaniu jej eksploatacji ze względu na niską wydajność oraz pojawiające się piaszczenie. W maju 2015 roku firma Aqualogy przeprowadziła proces regeneracji studni z wykorzystaniem CO 2, Zastosowano schemat działania zbliżony do tego, który był wykorzystany w KWB w Bełchatowie. Przed przystąpieniem do czyszczenia mechanicznego wykonano próbne pompowanie, na podstawie którego ustalono, że wydajność studni Q wynosi 32 m 3 /h przy depresji 14,5 m (wydajność jednostkowa 2,2 m 3 /h/m). Ponadto studnię poddano inspekcji kamerą TV, która wykazała istotną kolmatację praktycznie całego filtra. Działania te zostały powtórzone po zakończeniu procesu regeneracji. Wydajność studni po zastosowaniu CO 2 wzrosła do 55 m 3 /h przy depresji 8,25 m (wydajność jednostkowa 6,7 m 3 /h/m). Wyniki próbnego pompowania przeprowadzonego przed i po zakończeniu regeneracji przedstawiono na rysunku 6 i w tabeli 2.

7 Rys. 6. Wyniki próbnego pompowania przeprowadzonego przed i po zakończeniu regeneracji studni Tab. 2. Zestawienie wyników pompowań próbnych dla studni w Bydgoszczy Wydajność Q [m 3 /h] Depresja s [m] Wydajność jednostkowa q [m 3 /h/m] Parametry początkowe ( r.) 50 4,30 11,6 Przed Aqua Freed ( r.) 32 14,50 2,2 Po Aqua Freed ( r.) 55 8,25 6,7 WNIOSKI Regeneracja z użyciem technologii Aqua Freed pozwoliła na znaczną poprawę parametrów hydraulicznych obu analizowanych studni. W przypadku studni odwodnieniowej KWB Bełchatów wydajność studni wzrosła dwukrotnie w stosunku do wartości sprzed regeneracji. Wyniki próbnego pompowania przeprowadzonego po wykonaniu szczotkowania wskazywałyby na niewielki wpływ tego procesu na poprawę wydajności studni, jednak ma on istotne znaczenie, gdyż pozwala na lepszą penetrację CO 2 i co za tym idzie większą skuteczność technologii Aqua Freed. Wydajność studni po regeneracji w Bydgoszczy wzrosła do wartości 55 m 3 /h przy depresji 8,25 m, czyli wydajność jednostkowa wzrosła do 6,7 m 3 /h/m. Dzięki otrzymanym rezultatom możliwe było przywrócenie studni do eksploatacji.

8 Warto również zauważyć, że uzyskany wzrost wydajności studni poddanych próbie przekłada się bezpośrednio na spadek ilości energii zużywanej do pompowania, a co za tym idzie zmniejszeniem kosztów eksploatacyjnych. Literatura 1. Frukacz R Studnie głębinowe eksploatacja i regeneracja. Wodociągi kanalizacja 12 (106)/ Lupiani Moreno E., Bueso Sanchez S., Cantudo Munez A Poprawa wydajności hydraulicznej studni przy użyciu ciekłego CO 2,. W: X Sympozjum Hydrogeologiczne w Granadzie (Hiszpania), , materiały konferencyjne, 3. Mansuy N Water Well Asset Management The importance of Time Based Maintenance Intervals. InFlow Line Magazine, Winter 2014/2015, s