Det här verket har digitaliserats vid Göteborgs universitetsbibliotek och är fritt att använda. Alla tryckta texter är OCR-tolkade till maskinläsbar text. Det betyder att du kan söka och kopiera texten från dokumentet. Vissa äldre dokument med dåligt tryck kan vara svåra att OCR-tolka korrekt vilket medför att den OCR-tolkade texten kan innehålla fel och därför bör man visuellt jämföra med verkets bilder för att avgöra vad som är riktigt. Th is work has been digitized at Gothenburg University Library and is free to use. All printed texts have been OCR-processed and converted to machine readable text. Th is means that you can search and copy text from the document. Some early printed books are hard to OCR-process correctly and the text may contain errors, so one should always visually compare it with the ima- ges to determine what is correct. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 C M Rapport R42:1984 BRUNNAR Undersökning — Dimensionering — Borrning — Drift Anna-Carin Andersson Olof Andersson Gunnar Gustafson £ iNSTITUÏEÎ FOj-» ôYGGüOKUNidïTATlOij j Àccnr Plac ' 3YGGDOK Sankt Eriksgatan 46 112 34 Stockholm tel: 08-617 74 50 fax: 08-617 74 60 R42: 1.984 BRUNNAR Undersökning - Dimensionering - Borrning - Drift Anna-Carin Andersson Olof Andersson Gunnar Gustafson Denna rapport hänför sig till forskningsanslag 780436-5 frän Statens råd för byggnadsforskning till Chalmers Tekniska Högskola, VA-Teknik, Göteborg. I Byggforskningrådets rapportserie redovisar forskaren sitt anslagsprojekt. Publiceringen innebär inte att radet tagit ställning till åsikter, slutsatser och resultat. R42:1984 ISBN 91-540-4108-2 Statens råd för byggnadsforskning, Stockholm INNEHÅLLSFÖRTECKNING Sid 1 FÖRORD 1.1 2 PROBLEMSTÄLLNING 2.1 3 TERMINOLOGI 3.1 3.1 Schaktbrunnar 3.1 3.2 Bergborrade brunnar 3.2 3.3 Rörbrunnar 3.3 3.4 Spetsrörbrunnar 3.4 4 BRUNNSHYDRAULIK 4.1 4.1 Grundläggande hydrauliska begrepp 4.1 4.1.1 Darcys lag 4.1 4.1.2 Transmissivitet 4.2 4.1.3 Magasinskoefficient 4.3 4.1.4 Olika typer av grundvattenmagasin 4.3 4.2 Brunnsekvationer 4.4 4.2.1 Radiellt grundvattenflöde 4.4 4.2.2 Thiems brunnsekvation 4.5 4.2.3 Stationär avsänkning i ett öppet grundvatten- 4.5 magasin 4.2.4 Theis' brunnsekvation 4.7 4.2.5 Dimensionslösa parametrar 4.9 4.2.6 Utvärdering av hydrauliska parametrar 4.10 4.2.7 Grundvattenmagasinets randvillkor 4.14 4.3 Avsänkning i en uttagsbrunn 4.15 4.3.1 Inverkan av igensättningar 4.16 4.3.2 Inverkan av renspumpning och sprickighet 4.17 4.3.3 Ofullständiga brunnar 4.18 4.3.4 Turbulenta förluster 4.19 4.3.5 Inverkan av vattenvolymen i brunnen 4.20 4.3.6 Utvärdering av transmissivitet och skin- 4.22 faktor 4.3.7 Brunnens effektivitet 4.24 4.3.8 Sammanfattande formler 4.26 5 VATTENKVALITET OCH KORROSION 5.1 5.1 Grundvattnets sammansättning 5.1 5.1.1 Nederbördens saltinnehåll 5.1 5.1.2 Grundvattenbildningsprocessen 5.2 5.1.3 Kemiska och biologiska processer i mark- 5.4 zonen 5.1.4 Kemiska processer i grundvattenzonen 5.5 5.2 Vattenanalyser 5.5 5.2.1 Kvalitetskrav 5.5 5.3 Korrosion och igensättningar 5.6 5.3.1 Allmänt om korrosion 5.7 5.3.2 Korrosionens inverkan på ett brunnsfilter 5.11 5.3.3 Allmänt om igensättning 5.12 5.3.4 Vattenkvalitet 5.13 5.3.4.1 Korrosion 5.13 5.3.4.2 Igensättning 5.24 5.4 Igensättning av infiltrationsbrunnar 5.30 6 BORRNING OCH PROVTAGNING 6.1 6.1 Allmän bakgrund 6.1 6.2 Klassificering av borrmetoder 6.2 6.3 Beskrivning av de vanligaste borrmetoderna 6.7 6.3.1 Linstötborrning 6.8 6.3.2 Rotationsborrning med direktspolning 6.15 6.3.3 Rotationsborrning med omvänd spolning 6.32 6.3.4 Hammarborrning 6.35 6.3.5 0D- och ODEX-borrning 6.42 6.3.6 Enkel rördrivning 6.47 6.4 Provtagning och annan registrering vid under- 6.51 sökningsborrning 6.4.1 Bakgrund 6.51 6.4.2 Konvensionell protokollföring 6.53 6.4.3 Provtagning 6.55 6.4.3.1 Provtagning vid linstötborrning 6.55 6.4.3.2 Provtagning vid rotationsborrning med 6.57 spolning II 6.4.3.,3 Provtagning vid hammarborrning. Rotations- borrning med luft/skumspolning 6.64 6.4.3. 4 Provtagning vid rördrivning 6.68 6.4.4 Registrering av borrsjunkning 6.71 6.4.5 Registrering av spolförllister 6.75 6.4.6 Kontinuerlig produktionstest 6.79 6.5 Registrering efter borrning 6.80 6.5.1 Diameterloggning 6.80 6.5.2 TV-granskning 6.81 6.5.3 Elektrisk loggning 6.82 6.5.4 Gammaloggning 6.83 6.5.5 Temperaturioggning 6.84 6.5.6 Kemisk loggning 6.86 6.5.7 Produktions- och kapacitetstester 6.87 TRANSMISSIVITETSBESTÄMNINGAR 7.1 7.1 Allmänt 7.1 7.2 Siktkurvor 7.2 7.3 Provtagning och provtagningsfel 7.5 7.4 Permeabi1 itetsforml er 7.9 7.5 Transmissivitetsuppskattning från ofullstän­ diga pumpningsdata 7.13 BRUNNSUTFORMNING 8.1 8.1 Filtret 8.1 8.1.1 Filtrets verkningssätt 8.2 8.1.2 Val av filtertyp 8.4 8.1.3 Dimensionering av grusfilter 8.5 8.1.4 Dimensionering av formationsfilter 8.7 8.1.5 Perforering i spetsrörbrunnar 8.8 8.2 Fi 1terröret 8.9 8.2.1 Olika typer av filterrör 8.9 8.2.2 Filterrörets hydrauliska egenskaper 8.10 8.2.3 Filterrörets renspumpningsbarhet 8.12 8.2.4 Filterrörets hållfasthet 8.13 8.3 Brunnar i olika formationer 8.14 8.3.1 Grusfilterbrunn i grovsediment 8.14 III 8.3.2 Formationsfilterbrunn 8.15 8.3.3 Formationsfilterbrunn med förlorat filter 8.15 8.3.4 Olika konstruktionsdetaljer 8.16 8.3.5 Brunnar i sedimentära bergarter 8.17 8.4 Dimensioneringsgång 8.19 8.4.1 Dimensionerande mängder och avsänkningar 8.19 8.4.2 Brunnsdiameter och filtertyp 8.22 8.4.3 Filterrörets längd och slitsvidd 8.24 8.4.4 Kontroll av inflödeshastighet i filter och filterrör 8.24 8.4.5 Kontroll av avsänkningen 8.25 8.4.6 Materialval och hållfasthet 8.27 8.4.7 Borrningsföreskrifter och brunnsritning 8.27 BRUNNSBYGGNAD 9.1 9.1 Borrning 9.1 9.2 Sättning av filter och filterrör 9.2 9.2.1 Allmänt 9.2 9.2.2 Filterrör 9.2 9.2.3 Filterfyllning 9.6 9.3 Rensningsmetoder 9.9 9.3.1 Allmänt 9.9 9.3.2 Brunnar i jord 9.10 9.3.3 Bergsborrade brunnar 9.17 9.4 Desinfektion 9.18 9.5 Kapacitetstester 9.21 9.6 Byggnadsbeskrivning 9.25 9.7 Dokumentation 9.30 PUMPAR OCH INSTALLATIONER 10.1 10.1 Allmänt 10.1 10.2 Effekt, verkningsgrad, pumpkarakteristika 10.2 10.3 Olika pumptyper 10.3 10.3.1 Allmänt 10.3 10.3.2 Centn fuga! pump 10.3 10.3.3 Ejektorpump 10.5 10.3.4 Dimensionering 10.6 IV 10.3.5 Parallelldrift 10.7 10.3.6 Reglering av varvtal 10*7 10.4 Installationer 10-8 10.4.1 Uttagsbrunnar 1°-8 10.4.2 Infiltrationsbrunnar 10.11 11 SKÖTSEL OCH EKONOMI 11 -1 11.1 Tillsyn och skötsel 11-1 11.2 Ekonomi H-4 12 REFERENSER 12-! BILAGOR Bilaga 1 Begrepps!ista 1. FURORD I samband med en kurs i Brunnsteknik på Chalmers Tekniska Högskola 1976 togs initiativ till att utforma en handbok om brunnar på svenska. Materialet till denna bok utgörs av erfarenheter från främst svenska konsulter som arbetat med brunnar utgående från i huvudsak tyska och amerikanska erfarenheter. Materialet har skrivits ned och redigerats med stöd av medel från Statens Råd för Byggnadsforskning. Projektet har genomförts på institutionen för vattenförsörjnings- och avioppstekink samt institutionen för geologi på Chalmers Tekniska Högskola. Hösten 1982 har ytterligare en kurs hållits på Chalmers Tekniska Högskola. Boken användes där som kurslitteratur varefter en redigering har utförts. Det är vår förhoppning att boken skall vara till god hjälp vid utformning, byggande och drift av uttags- och infiltrations- brunnar. Göteborg mars 1983 Ann-Carin Andersson Olof Andersson Gunnar Gustafson 1.1 2 PROBLEMSTÄLLNING En brunn är ett grävt, sprängt eller borrat hål nedfört till grundvattenförande lager i syfte att erhålla eller infiltrera vatten. När man skall utforma en brunn måste ändamålet med brunnen vara helt klarlagt. Skall brunnen användas för att infiltrera eller utvinna vatten? Hur stor kapacitet önskas? Skall vattnet drickas eller skall det användas för annat ändamål som t ex bevattning eller kylning. Hur lång driftstid beräknas brunnen ha? I huvudsak kan man skilja ut tre olika utföranden av brunnar. - Rörbrunnar i jord - Grävda brunnar - Bergborrade brunnar i kristallint eller sedimentärt berg Vilket av de tre utförandena som väljs beror på vilken kapacitet som önskas och på de lokala geologiska förhållandena. För större uttag (kommunala brunnar) utnyttjas vanligtvis rör­ brunnar i jord eller sedimentärt berg. Vid enskilda hushåll dvs för små kapaciteter kan det vara fullt tillräckligt med grävda brunnar eller brunnar borrade i kristallint berg. Infiltrationsbrunnar utformas vanligtvis enligt samma principer som uttagsbrunnar. For infiltrationsbrunnar kan man skilja på olika ändamål som styr valet av placering relativt hårt. Om brunnen skall utnyttjas för att höja grundvattennivåer i slutna akviferer är placeringen naturligtvis bunden till den aktuella akviferen. Ofta kan man dock välja mellan att utföra brunnen som rörbrunn i den aktuella akviferen eller som bergborrad i angräns­ ande berg. I öppna akviferer utnyttjas brunnar för att förstärka en vattentäkt eller för att infiltrera dagvatten. Infiltration i 2.1 öppna akviferer sker dock vanligtvis från bassänger eller perkolationsmagasin. Utförandet av rörbrunnar i jord är mer omfattande än de övriga två typerna varför mest utrymme kommer att ges åt problematiken runt dessa i den fortsatta texten. Generellt kan sägas att utformning av brunnar till största delen beror av den formation som den skall stå i, dvs dess egenskaper som permeabilitet, kornstorleksfördelning, mäktighet och vatten­ kvalitet. Om driftstiden är begränsad kan ofta ett förenklat förfarande tillämpas. I det följande redovisas de faktorer som bör beaktas vid utför­ ande av en brunn, dessa är: - Undersökningsborrning och provtagning för att bestämma läge för brunnen samt formationens vatten- transporterande egenskaper - Kontroll av vattenkvalitet och risk för korrosion och i gensättning - Dimensionering av brunnen - Byggandet av brunnen - Val av pump och andra installationer - Drift och skötsel av brunnen - Ekonomi För att öka förståelsen för resonemang och slutsatser som förs i boken diskuteras i inledningskapitlet terminologi och grundlägg­ ande teoretiska betraktelser som senare utnyttjas. 2.2 3 TERMINOLOGI En brunn kan definieras som ett borrat eller grävt hål i jord eller berg för att utvinna eller injektera vatten eller något annat medium. Brunnen kan utformas på olika sätt, som i huvudsak bestämms av de geologiska förhållandena och av hur mycket vatten man önskar utvinna. Följande kapitel redovisar några olika brunnstyper och definierar olika brunnstekniska begrepp. I bilaga 1 ges en lista på använda symboler och enheter. 3.1 Schaktbrunnar En vanlig brunnstyp för små vattenuttag i jordlager är schakt- brunnen. Brunnen är uppbyggd av ett brunnsschakt och den mot formationen öppna arean finns i botten på brunnen, se figur 3.1. BRUNNSSCHAKT ^^^-tätning -- ■■= ------------ — ° o O O O O O ° ° • /• o o , • T;:-*“; . AKVIFERV-/: ^ ^ ^—x:—^ AZ TRYCKFILTER Fig 3.1 Schaktbrunn. Brunnsschaktet utföres vanligen av betongringar, som sänkes genom invändig grävning. Konstruktioner med platsgjuten betong (sänkbrunn) och grävning inom spont förekommer även. 3.1 De formationer som i första hand är lämpliga för schaktbrunnar är morän och grovkorniga isälvssediment. Vatteninflödet sker genom den öppna bottenarean, som tillåter inflytning av material genom sättningar utanför brunnen som följd. För att hindra in­ flytning lägges ofta ett tryckfil ter av grus i botten på brun­ nen . Som brunn betraktat är schaktbrunnen inte speciellt effektiv, då intagsytan är vinkelrät mot fl ödesriktningen i akviferen. Vid små intermittena uttag kan den dock ha fördelar, då den stora brunnsvolymen fungerar som lågreservoar. 3.2 Berqborrade brunnar Den vanligaste brunnen i Sveriges idag är bergbrunnen eller den bergborrade brunnen, som borras med en öppen del i fast berg, se figur 3.2. YTLIGA SPRICivuk BO Fig 3.2 Bergbrunn. 3.2 Den bergborrade brunnen utföres med borrning från berggrunds- ytan, sedan jordlagren penetrerats med ett borrör eller arbets- rör. I borröret och i den översta delen av berget nedsättes ett foderrör, som normal gjutes fast med cement. Gjutningen medför också en tätning av ytliga sprickor och slag. Vid vissa borrme­ toder användes borröret som foderrör och lämnas kvar. Den öppna delen under foderröret utgör själva borrhålet. Ärligen utföres ca 10 000 bergsbrunnar i Sverige. Brunnstypen ger oftast små vattenmängder upp till ca 1 l/s. 3.3 Rörbrunnar Brunnar med horisontell inströmning benämnes rörbrunnar. Brunns- röret indelas vanligen i filterrör, där inflödet till brunnen sker, förlängningsrör upp till markytan och sumprör under filterröret i det fall detta förekommer. För att förmedla jordtrycket mellan akvifer och filterrör och för att förhindra material från formationen att vandra in i brunnen omges brunns- röret av ett filter. Detta kan antingen genom renspumpning utvecklas direkt ur akviferen, formationsfilter, eller placeras på plats under borrningsarbetena, grusfilter. Se figur 3.3. FORLANGNINGSROR _ BRUNNSROR ^ ^ri7S777=Tn=rrm7ns777STm ÆRUSFI1TFR „ ■ » . 0|-.i frU - * SUMPRÖR, • o • O .*-0.0. ---------Po <* ' • • .o ° . o * o • o . 0 ~7Z—7Z a. A- Fig 3.3 Rörbrunnar. 3.3 Det horisontella inflödet till en rörbrunn medger ett effektivt utnyttjande av akviferen, speciellt om filterröret täcker hela den vattenförande delen. Brunnen säges då vara fullständig. En ofullständig brunn täcker endast en del av formationen och på grund av att flödet närmast brunnen inte blir horisontellt får denna lägre effektivitet, se figur 3.4. Fig 3.4 Flödesförhållanden kring rörbrunnar. Rörbrunnar lämpar sig för formationer med hög permeabilitet, som våra isälvsavlagringar och mer eller mindre konsoliderade, porösa sedimentbergarter. Genom att filtret kan anpassas direkt till formationen kan gynnsamma inflödesförhållanden erhållas. För stora vattenuttag har därför rörbrunnar en dominerande ställning och i stort sett all modern brunnsteknik grundar sig på rör- brunnstekniken. 3.4 Spetsrörbrunnar En enklare typ av rörbrunn är spetsrörbrunnen, som drives ned. Brunnsröret är här perforerat och ett formationsfilter utvecklas genom renspumpning, se figur 3.5. 3.4 —, ■ O - -O ^ ^K x. y - °°°Zo ° ■ ° RÖRSPE1S O - O .------------------------------- o° • ° * AKVIFER O •' o • o Figur 3.5 Spetsrörbrunn. Spetsrörbrunnar har sin viktigaste användning för tillfälliga grundvattenuttag, som vid provpumpningar eller grundvattensänk­ ningar vid byggande. I det senare fallet spolas spetsarna ofta ned, well point. För permanenta uttag användes den endast vid små vattenbehov. 3.5 4 BRUNNSHYDRAULIK En brunn utformas för att ge en önskad vattenmängd under en lång tidsperiod. För att resultatet skall bli det önskade fordras dels en omsorgsfull tillämpning av de hydrauliska principer som styr utformningen, dels att brunnen byggs med skicklighet och noggrannhet. Både den som konstruerar och bygger brunnen måste känna till de grundläggande brunnshydrauli ska principerna. Följ­ ande kapitel är en kort redogörelse för hur en brunn fungerar i sin geologiska omgivning och hur brunnens egenskaper påverkar avsänkning och uttagsmöjligheter. 4.1 Grundläggande hydrauliska begrepp 4.1.1 Darcys lag På grundval av experiment med sandfilter fann den franske ingen­ jören Darcy (1856) att flödet genom ett porsystem är proportio­ nellt mot tryckfallet dividerat med fl ödessträckan. h = P/y+Z v= Q A < +• L -f v = K- i i= 6h 6x Fig 4.1 Darcys lag. Proportional itetskonstanten, K, kallas permeabi1 i tet eller hy­ draulisk konduktivitet och har dimensionen hastighet (längd/tid). Permeabiliteten beror av det porösa mediets och vätskans egenska­ per. En dimensionsanalys ger följande formel: K = C D2 • I P (4.1) 4.1 I ovanstående formel är en dimensionslös konstant som beror på porernas form och orientering och d är ett karakteristiskt mått för porerna eller de korn, som bygger upp porsystemet. Produk- 2ten, Cd" = k, kallas specifik permeabilitet och är beroende av vätskans egenskaper, y/y, är kvoten mellan vätskans tunghet och viskositet. Denna är för vatten temperaturberoende men då vattentemperaturen normalt är konstant i ett grundvattenmagasin kan permeabi1 i teten ses som en material konstant. Som standardtemperatur vid permeabilitetsbestämningar väljes normalt 10°C. 2 4.1.2 Transmissivitet T (m /s) En brunns kapacitet bestäms inte av permeabili teten i de enskil­ da skikten utan av hela lagerföljdens genomsläpplighet. Ett mått på den kan man få genom att summera permeabili teten för de ingå­ ende skikten (se fig 4.2). b T = J K(z)dz (4.2) o Fig 4.2 Transmissivitet. 4.2 2 —P2 Med denna definition följer att transmissiviteten är den vatten­ mängd, som flödar genom ett 1 m bred prisma av grundvattenmaga­ sinet vid gradienten 1 m/m. 3 24.1.3 Magasinskoefficienten, S (m /m 'm) Magasinskoefficienten definieras som den vattenvolym som ett grundvattenmagasin kan avge eller lagra per ytenhet vid en en­ hets förändring av grundvattennivån. 4.1.4 Olika typer av grundvattenmagasin Avsänkning Akvifer Slutet grundvattenmagasin Öppet grundvattenmagasin Fig 4.3 Olika typer av grundvattenmagasin. Vid en avsänkning av grundvattennivån avges en mängd vatten från porsystemet. I ett slutet magasin medför trycksänkningen huvudsakligen att akviferen komprimeras genom att lasten på kornskelettet från överliggande lager ökar. Detta innebär att endast små mängder vatten kan avges eller lagras per ytenhet. I ett öppet magasin dräneras akviferens porsystem vid en avsänk­ ning och den avgivna vattenmängden motsvarar materialets vatten- avgivningstal. Detta medför att relativt stora vattenmängder avges vid en avsänkning. 4.3 4.2 Brunnsekvationer 4.2.1 Radiellt grundvattenflöde När en brunn pumpas kommer grundvattennivån kring och i brunnen att avsänkas. Avsänkningen, s, är störst i brunnen och på till­ räckligt avstånd, R , kan ingen avsänkning märkas. Då avsänk­ ningen är störst i brunnen kommer enligt Darcys lag vatten att flöda mot denna. Vid stationära förhållanden kommer flödet mot brunnen genom en tänkt cylinder kring denna alltid att vara lika med den uppumpade vattenmängden, se fig 4.4. Q Q = A, v, = A2v2 A,= b- 2TI A2= b- 2Tir2 Av Darcys lag följer då att gradienten är omvänt proportionell mot radien: = Q = Q_ _ b-27ir.| el 1 er dh ïïr Q Kb*2nr Q 27rTr1 (4.3) Således blir avsänkningstratten brantare ju närmare brunnen man kommer, och ju lägre transmissiviteten är desto brantare blir avsänkningstratten. Dvs en låg transmissivitet ger stor avsänk­ ning. 4.4 4.2.2 Th iems brunnsekvation För att beräkna avsänkningen i ett homogent slutet grundvatten­ magasin kan ekvation (4.3) utnyttjas l~> Q Enligt ekvation 4.3 gäller: dh = eller dh = -Q- •dr 2nTr eMer an 2ttT r h = 2ttT 1n r + c Men h = h för r = R :o o s = h - h = ^ ln — o ZttT r (4.4a) (4.4b) (4.4c) 4.2.3 Stationär sänkning i ett öppet grundvattenmagasin I ett öppet grundvattenmagasin utnyttjas akviferen ända upp till grundvattennivån. Detta medför att transmissiviteten minskar när 4.5 nivån sänks. Detta fal t kan lösas om permeabili teten är likfor­ migt fördelad över akviferen, dvs Tq = K'hQ. Vidare antages att flödet är horisontellt, (Dupuits antagande) vilket inte helt stämmer intill brunnen.. Fig 4.6 Q Avsänkning i ett öppet grundvattenmagasin. I detta fall gäller: 44 = -5—il— eller h • dh = dr 2-irKh-r 2ttK r 2ttK ln r + C Men h = h för r = R 0 0 (4.5a) (4.5b) h2=!ln (4.5c) Då Tq = K‘hQ kan man visa att denna ekvation asymptotiskt närmar sig Thiems brunnsekvation. 4.6 (4.6)s = h - h = o Q ! Ro Q . t Ro '(h'o-.F)'-K 1 n r ^ 2ttT0 1 n r Om ekvationen serieutvecklas erhålls: Q ^ R0 . (1n R0/r)‘ 2"T° f 8 h/l2 Q + ... (4.7) 4.2.4 Theis' brunnsekvation Under icke stationära förhållanden, måste tömningen av grundvat­ tenmagasinet tas med i flödesekvationen, se fi g 4.7. Q1 “h-h0 ^.^ T. S ' E ar . ~7—"-~Z-- À Qr+rdr I--r- M Fig 4.7 Theis' brunnsekvation Följande ekvationer kan ställas upp: Q r 2ttT (4.8a) Q r+dr r 3h 3r dr)(r + dr)2mT (4.8b) 4.7 samt magasinströmningen per tidsenhet: QS = 2ïïr dr • s ' fr (4.8c) Efter hyfsning erhålles: S2h . 1 8h S 3h (4.8d) TT r 3r T 3t Randvilikor: lim (r • — ) = fiödet konstant i brunnen (4.8e) 1 im h = hQ P^hCO ingen avsänkning på oänd- 1 igt avstånd (4.8f ) h(r,t < 0) = hQ ingen avsänkning före pump­ start (4.8g) Lösningen till ekvationssystemet kan ställas upp på följande vis (Theis) : u dx (4.9a) _ r£s (4.9b) ' 4Tt W(u) benämnes oftast Theis' brunnsfunktion och finns tabellerad i bilaga 2. u är en dimensionslös hjälpvariabel där brunnsradie, magasinskoefficient, transmissivitet och pumpningstid ingår. 4.8 Theis' brunnsekvation kan serieutvecklas med avseende på u: W(u) = - 0,5772 - ln u + u - + 3T3T " ••• (4J0) 4.2.5 Dimensionslösa parametrar För att underlätta utvärderingen av mätdata kan brunnsekvatio- nerna omformuleras. Detta sker genom att ekvationerna och de ingående parametrarna skrives i dimensionslös form. De dimen­ sionslösa parametrarna väljes så att de är proportionella mot de fysiska parametrarna. Inledningsvis definieras följande: 0 P e s-2ttT Q r r.. dimensionslös avsänkning dimensionslös radie dimensionslös tid (4.12) (4.13) (4.14) Omformuleringen medför att Thiems och Theis brunnsekvationer kan skrivas på följande sätt: 0 = ln p Th i em (4.15) W{ 1/40) 2 Thei s (4.16) 4.9 4.2.6 Utvärdering av hydrauliska parametrar Som ekvationerna visar medger de dimensionslösa parametrarna ett komprimerat skrivsätt, men dessutom gäller att den dimensions­ lösa avsänkningen endast beror av en parameter, den dimensions­ lösa influensradien respektive dimensionslösa tiden, se fig 4.8. Dimensionslös tid e Fig 4.8 Dimensionslös avsänkning, Theis. För ett homogent, isotropt grundvattenmagasin kommer således den dimensionslösa avsänkningen alltid att beskriva samma funktion. Om grundekvationerna logaritmeras, erhålles följande samband: log a = log s + log (4.17a) log 9 = log t + log -i- (4.17b) r S Då log a förhåller sig till log 6 som log s till log t och övriga termer är konstanta under pumpningen, kan magasinsparametrarna T och S bestämmas genom kurvpassning i logaritmiska diagram. I diagrammen väljes en matchpunkt och funktionsparametrarna avlä­ ses, se fig 4.9. 4.10 Log 8 Typkurva sm Om tm 6m / D ata kurva Fig 4.9 Parameterbestämning genom kurvpassning. Med de i figuren givna formlerna kan T och S beräknas. Från ekvationen 4.10 finner man att Theis' brunnsekvation kan serieutvecklas. Om hjälpparametern u blir tillräckligt liten, finner vi att funktionen kommer att asymptotiskt närma sig en rät linje i ett halvlogaritmiskt diagram. s = JU-ln u - 0,5772), u < 0,01 Cooper och Jacob 4 it I eller i dimensionslösa parametrar: a = 0,5(0,8091 + ln 6) (4.18a) (4.18b) (4.18c) (4.18d) Av detta följer att transmissivitet och magasinskoefficient även kan bestämmas från en halvlogaritmisk datakurva, se fig 4.10. (Cooper och Jacob, 1946). 4.11 Pumpningstid Log t 0,183 Q 2,25 Î to Fig 4.10 Utvärdering av pumpningsdata från halvlogaritmisk avbildning. Om tiden mates i minuter kan ekvation (4.18a)skrivas som: s = 0,183 5 log l^JTtmin (4.19) r S Vid tiden 10 t är avsänkningen: s.n = 0,183 ^ log 135 l 10. t min lu 1 r /S (4.20a) As - sio ' s 0,183 %log ^lînri" 1 r S .logM5Jtniin (4.20b) r S e 11 er T = 0,183 As (4.20c) Vid tiden tQ är avsänkningen noll eller: 0 = log 135UC r S min (4.20d) 4.12 (4.20e) 135Tt rrn n Den senare ekvationen kan utnyttjas för att beräkna ett approxi­ mativt värde för influe.nsradien vid varje tillfälle: R fa '/.135Ttmin (4.21 ) Om data från flera observationsrör på olika avstånd från uttags­ brunnen föreligger, kan dessa utnyttjas för att bestämma maga- sinsparametrarna. Avstånd från uttagsbrunnen.rtm ) Fi g 4.11 Avstånd - avsänkning, halvlogaritmisk avbildning. Ekvation (4.13) ger: As=sr's10r=0’183 T (1°9 r^S 0.366Q As log ilSTtmin 1OOr^S '=0,366 ijl (4.22a) (4.22b) 4.13 På avståndet rg är avsänkningen noll: 0 = log H^tmin S c _ 135Ttprin S------T re 4.2.7 Grundvattenmagasinets randvillkor (4.22c) (4.22d) Thiems och Jacobs brunnsekvationer är härledda under förutsätt­ ning att grundvattenmagasinet är homogent och har oändlig ut­ sträckning. Sådana förhållanden råder endast i stora sedimentära bäcken med homogena förhållanden. I kvartären i Sverige har de goda akvifererna normalt så begränsad utbredning att magasinets gränser påverkar avsänkningen. Utvärderingen av gränsernas inver­ kan är ofta en komplicerad procedur och för en fullständig redogörelse hänvisas till speciallitteraturen (Ferris, 1962, Gustafson, 1978 m fl). För att utvärdera en brunns egenskaper kan emellertid en kvantitativ analys vara tillfyllest (Earlougher, 1977). Dimensionslösa avsänkningsfunktioner finns för ett stort antal typfall och randvillkor beräknade i t ex Earlougher: Advances in well test analysis (1977). När grundvattenmagasinets randvillkor påverkar avsänkningen avviker sänkningskurvan från den räta linjen i ett Jacob-diag- ram. Om gränsen är tät hindras tillflödet och avsänkningshastig- heten ökar.  andra sidan kan formationen gränsa mot ytvatten eller lager från vilka ett läckage kan komma och ett jämvikts­ tillstånd utbildas. En principiell bild visas i fig 4.12. 4.14 Log pumpningstid , t Fig 4.12 Avsänkningsförlopp vid olika randvillkor. För att utvärdera grundvattenmagasinets egenskaper i och invid brunnen kan endast den del av avsänkningsförloppet, som inte är påverkat av randvillkoren utnyttjas. Det är därför viktigt att pumpning pågår så lång tid att tidpunkten när gränserna påverkar avsänkningen kan bestämmas. Vidare måste med hänsyn till det logaritmiska förloppet täta mätningar utföras under inlednings­ skedet. 4.3 Avsänkning i en uttagsbrunn De redovisade ekvationerna gäller med god approximation för avsänkningen i observationsrör utanför uttagsbrunnen. Avsänk­ ningen i brunnen påverkas dessutom av dess egna hydrauliska egenskaper. Dessa beror dels på att en helt perfekt brunn ej går att åstadkomma, dels på att brunnar kan sättas igen med tiden. 4.15 4.3.1 Inverkan av igensättningar (Skinfaktor) När brunnen byggs upp kommer normalt en omlagring av materialet vid borrhål sväggen, som medför en tätning av modermaterialet. Om borrningen sker med rotationsmetod kan dessutom borrvätskan lägga sig som en tätande hud på borrhål sväggen, skin. Fig 4.13 Igensättning av borrhål sväggen, skin. Igensättningen har låg permeabili tet och medför ett stort tryck­ fall över en kort sträcka, men är konstant i tiden, se fig 4.14. Fig 4.14 Skinfaktor. 4.16 Med dimensions'!ösa parametrar kan avsänkningen i brunnen beskri­ vas som: sw 2ttT (cr+ Ç) (4.23) Skinfaktorn kan således beräknas som: dimensions!ös (4.24) Av skinfaktorn definition följer dessutom att brunnens effektiva radie kan beräknas som: (4.25) 4.3.2 Inverkan av renspumpning och sprickighet, negativ skin Om formationens permeabi1 i tet kring brunnen höjs genom renspump- ningen eller om brunnen står i en lokalt sprucken berggrund kan avsänkningen bli mindre än vad som motiveras av akviferens egen­ skaper i stort. Fig 4.15 Negativ skinfaktor. 4.17 Problemet kan behandlas hydrauliskt på samma sätt som vid igen- sättningar och ekvation (4.22) gäller även i detta fall med den skillnaden att skinfaktorn,ç, är negativ. Följaktligen kommer brunnens effektiva radie att bli större än den verkliga. 4.3.3 Ofullständiga brunnar En brunn som inte utnyttjar hela akviferen säges vara ofullstän­ dig. Som en följd av detta kommer grundvattenflödet vid uttag att konvergera mot filtret, se fig 4.16. p = l/b X= b/r Fig 4.16 Flödet kring en ofullständig brunn. Genom det konvergerande flödet kommer avsänkningen i en ofull­ ständig brunn att bli större än i en fullständig. Skillnaden är proportionell mot uttaget och konstant i tiden. Det konvergeran­ de flödet har således samma verkan som skineffekten och kan hydrauliskt behandlas på samma sätt. Med kännedom om akviferens och brunnens geometri kan en pseudoskinfaktor beräknas, se fig 4.17. Formeln är härledd för slutna grundvattenmagasin men gäl­ ler approximativt även för öppna. I detta fall sättes b=hQ och 1 till avståndet från grundvattennivån till filtrets underkant. 4.18 3-P2 30 COZENY z 10 PENETRATION , p = I /b Fig 4.17 Pseudoskinfaktor för ofullständiga brunnar. Avsänkningen i brunnen blir i detta fall: sw Q 2 ttT V 4.3.4 Turbulenta förluster (4.26) I brunnar med liten fri inströmningsarea kan hastigheten i filter­ röret bli så hög att turbulent flöde uppkommer. Til 1äggsavsänk- ningen över filterröret blir i detta fall proportionellt mot uttaget i kvadrat. För en korrekt dimensionerad brunn skall emellertid flödet genom filter och filterrör vara lami närt var­ för inverkan av turbuluent flöde oftast kan bortses ifrån. Emellertid uppkommer vid öppna grundvattenmagasin en avsänknings- term som också beror på uttaget i kvadrat, se ekvation 4.7. Denna term har ofta en sådan storlek att den påverkar totalav- sänkningen. Vid stegprovpumpningar, se kapitel 9.5, där man pumpar brunnen i flera kapacitetssteg kan man ofta notera att en kvadratisk term 4.19 med avseende på uttaget påverkar avsänkningen. I de flesta fall orsakas den av att grundvattenmagasinet är öpppet och att därmed den vattenförande mäktigheten minskar vid en avsänkning. 4.3.5 Inverkan av vattenvolymen i brunnen Vid korta tider spelar brunnsrörets volym roll för avsänknings- förloppet. Vid pumpstart tas vattnet från brunnsröret och vid pumpstopp måste brunnsröret fyllas, se fig 4.18. Fig 4.18 Definition av brunnsmagasin. Brunnsmagasinet, Aw, är lika med brunnens tvärsnittsarea minus stigarledningar och dylikt. Den dimensionslösa magasinsfaktorn definieras som: Y S-2Tirw (4.27) 4.20 Om data från inledningen av en pumpning uppritas i logaritmisk avbildning får datakurvan ett karakteristiskt utseende. 0.1 Pumningstid , t ( min) 1 10 100 1000 E l/> 1 " cn CL C 0,1- > < 0,01 101. t, 1 < ° .°<-----s i O O / / z°\ 1:1 Inverkan av / brunnsmagasin / Fig 4.19 Avsänkning påverkad av brunnsmagasin. Inledningen på avsänkningskurvan kommer att ha lutningen 1:1 då brunnen i inledningsskedet töms med konstant hastighet. Efter en tid, som beror på brunnens och akviferens egenskaper, böjer data av från den räta linjen och närmar sig asymptotiskt brunnsfunk- tionen. 0m tiden för avvikelsen bestäms till t^ är det en god tumregel att utvärdering av data i en halvlogaritmisk avbildning inte är möjlig förrän efter tiden 10t^. 0m avsänkningen vid tiden t^ är s^ kan brunnsmagasinsfaktorn bestämmas som: Aw (4.28) Detta värde kan sedan jämföras meci vaa som Kan beräknas från uppgifter om brunnens geometri. 4.21 4.3.6 Utvärdering av transmissivitet och skinfaktor Pumpningsdata uppritas i hal vlogaritmisk och logaritmisk avbild ning, se fig 4.20. log t 0.183 Q EXTRAPOLERA TILL s. =0 Theiskurva WBS Fig 4.20 Utvärdering av transmissivitet och skinfaktor. Från den logaritmiska avbildningen bestämmes brunnsmagasinet, A , som kontrolleras mot brunnens volym. En tidpunkt efter vil­ ken den halvlogaritmiska uppritningen kan utnyttjas bestämmes. Lutningen hos datakurvan,As , bestämmes och transmissiviteten beräknas enligt den givna formeln. När skinfaktorn skall bestämmas utnyttjas förhållandet att av- sänkningsökningen pä grund av skinffekten, s , är konstant under pumpningen. Om den räta delen av avsänkningskurvan extrapoleras till nollinjen skäres denna vid tiden t . Linjen s , - s„ skär nollinjen vid tiden tQf. Från detta kan ss bestämmas som: s„ = As ■ log t £/t s 3 of' 0 (4.29a) Med kännedom om transmissiviteten, T, och en rimlig uppskattning på den elastiska magasinskoefficienten, Sa, kan, t beräknas med ekvation (4.20e). 2 = ba rw (4.29b) of,min 135 T Om ekvationerna (4.20d) och (4.24) kombineras erhålles: Ç = 1,15 log tof/t0 (4.29c) log t £ F i g 4.21 Bestämning av skinfaktor. 4.23 4.3.7 Brunnens effektivitet Avsänkningen i en brunn kan delas upp i två delar: a avsänkningar i grundvattenmagasinet ç avsänkningar beroende på brunnens konstruktion, utför­ ande, i gensättningar m m. Brunnens egenskaper kan således bestämmas genom pumpning och dess effektivitet kan definieras med följande parametrar: n gCT+Ç effekti vitetstal (4.30a) igensättningstal (4.30b) '•n ■ A ■ i igensättningsfaktor (4.30c) 4.24 Pumpningstid , t (min) 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 10 20 Brunn 0112 mm Q = 7 1/min = 1,17 • 10‘m3/s Stigarrör 0 60 mm Antagen magasinskofficient S0= 10'5 t » 2,2-10 0 •40 / As = 0,3 m T 0,183Q 0,183-1,17-10'4 , , ,n-5 2, T= Äs ---------—=7’1'10 m/s Sr -c ?* a* w 10 ''•0,056 0 0 in-6t =-------- =-----------------rr= 3,2-10 r 135T 135-7,1-10 3 ^ ?■in-6 ,15 log ■■ _.ln „ 34,2 2,2-10 •40 ' Pumpningstid , t (min) 100 290 590 1000 2000 s-, =6m Brunnsmagasin jD - "-rf r1:1 WBS ) = ir(0,05i -0,025 ) = 0,0070 m' 1,17-10 -5-60 = 0,0059 m- BRUNNENS EFFEKTIVITET 2r 2 5 a= 0,5(-0,5772-ln-^-) = 0,5(-0,5772-1 n-------°’056 ~10-------- ) 4lt 4-7,1-10 -60-5000 " 1U,b 11 =âîÇ = 10,6 + 34,2 = 0,24 ^ 4,23 1 - n = 0,76 Fi g 4.22 Utvärdering av transmissivitet, skinfaktor och effektivitet. 4.25 4.3.8 Sammanfattande formler FORMLER FÜR AVSÄNKNINGSBERÄKNINGAR Slutet grundvattenmagasin, stationära förhållanden Thiem öppet grundvattenmagasin, stationära förhållanden R 9 n R °n ^ 2 sw= wr (1n ir + + ou _2t 2 ‘ n O W 8VTo Slutet grundvattenmagasin, transienta förhållanden s.. = A [0,5 (ln -IS- + 0,8091 ) + Ç] w " 2ttT öppet grundvattenmagasin, transienta förhållanden R (ln o ,2 s = JL- [0,5 (ln + 0,8091 ) + Ç] + ------- 7 ^'o rS 8h tt T ^ W 0 0 w UTVÄRDERINGSFORMLER j _ 2,30 . Q _ n * ot> Q T 4tT~ to~°’183Äs Transmissivitet, Jacob S = 2,25 Tt 135 Tt o _ o,mm r 2S w r 2S w Magasinskoefficient, Jacob Ç = 1,15 • log tof/to Skinfaktor 4.26 5. VATTENKVALITET OCH KORROSION Grundvatten innehåller alltid lösta salter. En del följer med den nederbörd, som bildar grundvattnet, huvuddelen tillföres normalt vattnet i markvattenzonen och en del utlöses ur den jord eller berggrund som bildar grundvattenmagasinet. Följande kapitel beskriver något om grundvattnets sammansättning, vilka krav man skall ställa på ett konsumtionsvatten och hur vattnets egenskaper styr processer som korrosion och igensättning. 5.1 Grundvattnets sammansättning 5.1.1 Nederbördens saltinnehåll Genom den försurning, som sker i landets insjöar har vi blivit medvetna om att regnvattnet innehåller svavel i form av svavel­ syra. Det är emellertid inte de enda kemiska beståndsdelar, som nederbörden för med sig. Från kusten sprides havssalt långa sträckor och är i de områden, som tidigare inte varit täckta av hav, den huvudsakliga kloridkällan. För att få en uppfattning om de mängder, som tillföres, visas det årliga nedfallet av svavel och kl orid i fi g 5.1 (Eriksson,1960). 5.1 Fig. 6.5. Sulphur in precipitution over Scandinavia in kg • ha“1 • year"1. Average for 1955 lo 1957 (3 yean). 6 ‘ Fig. 6.1. Chloride in precipitation over Scandinavia in kg • ha-1 • year-1. Average for 1953 to 1957 (3 yean). Fig 5.1 Nedfallet av svavel och klorid över Skandinavien. Genom att en stor del av nederbörden avdunstar igen sker en koncentration av salthalten innan vattnet når grundvattenzonen. De ovan angivna mängderna skall således fördelas på nettoneder­ börden, nederbörd minus avdunstning. 5.1.2 Grundvattenbildningsprocessen Innan nederbördsvattnet når grundvattenzonen måste det passera genom ett komplicerat magasinssystem, där flera kemiska och biologiska processer sker. Fysikaliskt kan förloppet förenklat beskrivas som en serie reservoarer med olika egenskaper, se fig 5.2. 5.2 O M ÄT TA D ZON MARK - ZON MELLAN­ ZON KAPILLÄR­ ZON Z O r-j GRUND - Q VATTENZON<»— :< 21 o NEDERBÖRD MARK­ ZON POROSITE'T_ j, TOTAL POROSITET E A FÄLTKAPACITET VISSNINGSGRÄNS ____________r EVAPO­ TRANSPIRATION V -j MELLANZON i POROSITET WWVVVWV)__ KAPILLÀR- ZON GRUNDVATTEN- __f ZON ___ T r Fig 5.2 Den omättade zonens magasinssystem. De olika reservoarerna symboliserar delar av jordprofilen. Varje reservoar kan maximalt ha en vattenhalt som motsvarar den totala porositeten. Under tyngdkraftens inverkan kan vatten dräneras ned till fältkapaciteten, som är den vattenhalt jorden högst kan hålla kapi 11 ärt bunden. Vattenhalten kan sedan genom växternas upptagning sänkas ned till vissningsgränsen. Nederbördsvattnet infiltrerar till markvattenzonen. Under förutsättning att vattenhalten är högre än fältkapaciteten kan det perkolera vidare och bilda grundvatten. Är vattenhalten lägre kan växterna ta upp vatten ned till vissningsgränsen. Detta vatten transpirerar till atmosfären. Grundvattenbildningen är således väsentligt lägre än infiltrationen. Mellanzonen är en transiteringszon för det perkolerande vattnet. Perkolation sker vid vattenhalt högre än fältkapaciteten. 5.3 Vattnet i kapillärzonen har stigit kapi11 ärt från grundvatten­ zonen. Vattenhalten ligger nära mättnad. I grundvattenzonen är porsystemet fyllt. Vattentransport sker huvudsakligen horisontellt. 5.1.3 Kemiska_och_biologiska processer i markzonen De mest aktiva kemiska och biologiska processerna som påverkar grundvattnets sammansättning pågår i markvattenzonen. Detta beror dels på närheten till markytan och de biokemiska processer som pågår där, dels på att det öppna porsystemet medger gasutbyte med atmosfären. En förenklad bild av förloppen i markzonen ges i fig 5.3 (Eriksson,1960). JORD PROFIL BLEKJORD 77777777777/ '/doct mon'// MINERAL­ JORD NEDBRYTNING AV ORGANISKT \MATERIAL. URLAKNING HUMUSSYROR URLAKNING Cq , Mg, Fe , Mn \VITTRING FÄLTSPATER K,Na,Si02 NEDBRYTNING HUMUSSYROR UTFÄLLNING Fe , Mn TILLFÖRDA ÄMNNEN: Cq,Mg,K , Na , HCO3,Si02 Fig 5.3 Processer i markzonen. Mineraltillförseln sker huvudsakligen genom vittring och utlös­ ning orsakad av humussyror från förnan och kolsyra bildad vid nedbrytningen av organiskt material. De utlösta jonerna är främst kalium, magnesium och mangan. I rostjordskiktet fälls åter järn och mangan ut, då gasutbytet med atmosfären medger syretillförsel, som oxiderar järn och mangan. 5.4 Den dominerande negativa jonen är i vanliga fall vätekarbonat. 5.1.4 Kemiska_grocesser_i grundvattenzonen I grundvattenzonen kan ytterligare joner tillföras. Dels kan ett ändrat mineral innehåll medföra att en förändrad jonbalans inställer sig. Dels kan genom den långa uppehållstiden långsamma kemiska processer få tid att verka, som t ex utlösning av kalium från vittrade fältspater. Till de viktigaste processerna i grundvattenmagasinet hör emellertid urlakning av ämnen, som hör samman med sedimentens eller bergarternas bildning . Hit hör t ex utlakning av natriumklorid, NaCl, från finsediment bildade i marin miljö. Detta är den avgörande faktorn för att höga kloridhalter förekommer i flera områden under den högsta kust­ linjen i Sverige. 5.2 Vattenanalyser Vattenanalyser utföres av flera laboratorier med moderna metoder och god tillförlitlighet. För att provet skall bli rättvisande fordras emellertid att det tas på ett riktigt sätt. Grundvatten­ prover tas ofta ur provisoriska brunnar eller observationsrör vilka inte alltid ger ett klart vatten fritt från partiklar, främst från formationen. Genom analysförfarandet kan metall joner utlösas från dessa mineralkorn. Om vattenprov tas från ett undersökningsrör måste provtagningen ske efter pumpning under så lång tid att vattnet är klart. 5.2.1 Kvalitetskrav Kraven på vattnets kemiska sammansättning varierar självfallet efter vad det skall användas till. Normgivande för konsumtions- vatten är Medicinalstyrelsens (Socialstyrelsen) bestämmelser 1950. I tabell 5.1 redovisas dessa bestämmelser. 5.5 Tabell 5.1 Vattenkvalitetskrav. UNDERSÖKNING ENHET Med stvr ti 11 fr Med styr anm Med styr ej tjänl VAV °C mg/l Pt ZP-enheter ohm-1 cm*1 mg/l KMnO* mg/l °dH mg/! antal/ml antal/l 00 ml antai/100 ml 0-20 21-40 >40 <5 svaq tydlig inqen ..svag.......... tydlig..... ..ingen...... 7-9 0-20 21-40 >40 , <5 0-0.2 0.2-0.4 >0.4 <0.1 0-0.1 >0.1 <0.05 Ammonium................................................. NH-* >0.5 <0.5 >0.02 <0.02 >30 <50 <250 Bikarbonat............................................... HCCh 0-100 100-300 >300 <200 Kalcium.......................................................... Ca Magnesium................................................... Mg 0-100 >100 40-80 <30 0-14 >14 0 <5 Aluminium <0.1 Fluorid <1.5 >100 0-2.......... .2.-20.......... ...>20........... Det bör påpekas att dessa krav ställs på det vatten som en kommun levererar till sina konsumenter. Det vatten som en brunn ger uppfyller inte alltid dessa krav utan måste behandlas. 5.3 Korrosion och igensättninqar Korrosion och igensättning på filterrör, brunnsrör och instal­ lationer kan allvarligt förkorta brunnens livslängd. 5.6 Korrosion kan definieras som kemisk påverkan på olika material orsakad av yttre faktorer, och som medför att materialet förs bort eller förstörs. Igensättning kan vara en effekt av korrosion men beror till stor del på utfäl1 ningar från vattnet. Utfällning kan ske på kemiska, fysikaliska eller mikrobiologiska grunder. Det ursprungliga grundvattnet står i balans med sin omgivning i grundvatten­ magasinet. Utfällning sker då denna balans rubbas i samband med att vattnet uppfordras. 5.3.1 Allmänt om korrosion Genom olika studier har man funnit att korrosion angriper metaller på olika relativt väldefinierade sätt. I alla dessa fall har man dock funnit att elektrokemi ska reaktioner spelar en viktig roll. De olika formerna är: ytkorrosion fördelad jämt över metallytan följt av metall­ förlust selektiv korrosion av någon korrosionsbenägen metall i en legering bimetallisk korrosion där två olika metaller förenats korrosion koncentrerat i punkter s k pittingkorrosion med stor metallförlust i korrosionspunkterna spänningskorrosion inducerad i sprickor i metallen där spänningarna är höga korrosion i fickor och springor i konstruktionen s k spalt­ korrosion Avlagringskorrosion som uppkommer under avlagringar p g a att koncentrationsceller uppstår. Koncentrationsceller 5.7 uppstår av olika syrehalter (luftningsceller) eller koncen­ trationer mellan ämnen. Metallförlusten vid korrosionsförloppet orsakas av elektrokemiska processer vid metallytan och i den omgivande vätskan, elektroly- ten. Om t ex en järnplåt och en mässingsplåt förbundna med en ledare sänks ned i en saltlösning, kommer järnplåten att lösas upp, se fig 5.4. -VATGAS JÄRN PLÅT MÄSSINGPLÅT SALTVATTEN Fig 5.4 Galvanisk cell mellan två olika metaller. Mellan plåtarna uppkommer en elektrisk ström genom elektrolyten, som sluts genom ledaren tillbaka till järnplåten. Om ytterligare salt sätts till vattnet ökar strömstyrkan. Järnet korroderar som ett resultat av den el ektrokemiska processen och rost bildas, som fastnar på elektroden eller faller ned på botten i kärlet. Vid mässingplåten kommer små mängder vätgas att frigöras, som bubblar upp till ytan. Orsaken till de elektrokemiska processerna ligger i egenskaper hos metallerna själva. Järn har större tendens att korrodera än mässing och zink större än järn. Den relativa korrosionsbenägen- heten kan uttryckas som spänningsskillnaden mellan elektroder av 4-P2 5.8 olika material. Som referenselektrod har en vätgaselektrod valts och spänningsskillnanden mot denna benämnes normalpotential. En uppställning av data på normal potentialer kallas spänningskedjan, tabell 5.2. Tabell 5.2 Spänningskedjan för olika metaller och legeringar. Normal potential Metal 1 (Volt) -2.34 Magnesium , Mg -1.70 Aluminium , Al -0.76 Zi nk, Zn -0.44 Järn, Fe -0.40 Kadmium, Cd Rostfritt stål (Syrefri miljö) -0.14 Tenn, Sn -0.13 Bly, Pb ±0.00 Väte, H Mässing, Brons +0.34 Koppar, Cu Rostfritt stål (I närvaro av syre) +0.80 Sil ver, Ag +1.36 Guld, Au Korrosion Skydd Ju längre från varandra metallerna ligger i spänningskedjan desto större blir potentialskillnanden och korrosionshastigheten ökar. Orsaken till bimetallisk korrosion är därför uppenbar om sådana metal 1 kombinationer väljes i en brunn att stora spännings- skillnader uppstår. Emellertid avtar verkan relativt snabbt och den bimetalliska korrosionen verkar mest närmast skarven mellan legeringarna, se figur 5.5. 5.9 60cm METALL KOMBINATIONER STÅLRÖR Jgj \EJ LEDANDE SKARV ROSTFRITT Fig 5.5 Bimetal 1isk korrosion vid skarv. Elektrokemiska reaktioner kan uppkomma inte bara mellan olika metaller utan också mellan en metall och dess oxid, som t ex mellan järn och rost. Om rosten ligger kvar på ytan kan då korrosionen koncentreras till en punkt, pittingkorrosion, se figur 5.6. METALL-OXID Fig 5.6 Pittingkorrosion. En liknande princip kan utnyttjas för korrosionsskydd. Om järn belägges med en metall som korroderar lättare, t ex zink, kommer korrosionen av beläggningen att medföra att zinkjoner kommer att vandra från ytbeläggningen till en skada som når järnskiktet, se figur 5.7. Detta är principen för galvanisering. 5.10 ZINKSKIKT Fig 5.7 Galvanisering. 5.3.2 ÎS°rîT2Ëi2DËDs inverkan på_ett_brunnsfilter Den mest uppenbara inverkan av korrosion är en kollaps av filterröret, fig 5.8. Fi g 5.8 Filterrörsbrott p g a korrosion Lika allvarligt är om slitsöppningarna i filterröret vidgats genom korrosion så att öppningen blir så stor att filtermate­ rialet kan passera in i brunnen, fig 5.9. Fig 5.9 Korrosion i slitsöppningar. 5.11 Brunnen kommer då att ge sand, som kan ge allvarligt slitage på pumpar och andra installationer. Vid korrosionen bildas som tidigare nämnts olika korrosionspro­ dukter, hydroxider, oxider mm. Dessa kan åter avsättas på filtrerröret och medföra att detta sätter igen, fig 5.10. Fig 5.10 Igensättningar av korrosionsprodukter. 5.3.3 Allmänt_om i gensättning Igensättningar kan ske av korrosionsprodukter men även genom utfällning av vattnets kemiska beståndsdelar, speciellt kalcium- karbonat samt olika karbonater och hydroxider av järn och mangan. Flera kemiska jämvikter är tryckberoende som t ex systemet kalk-kolsyra. Då vattentrycket alltid är lägst i brunnen är risken för utfällningar störst här.Trycket beror även på vatt­ nets hastighet enligt följande. För strömning mellan två punkter gäller allmänna energi ekvationen .v2 P . ,v2 P 2g + pg + z i ” ?g + pg + z.)„ + för! uster där index 2 markerar en punkt som ligger nedströms punkt 1. Ligger punkterna nära varandra kan förlusterna försummas. I slitsarna är hastigheten högre än utanför. Därför blir trycket lägre och risken för utfällning ökar. fig 5.11. 5.12 pi ,v1 Fig 5.11 Trycksänkning i slitsar vid turbulent strömning. Vid höga kalkhalter i vattnet bor man således dimensionera filterröret så att laminära förhållanden råder i slitsarna. 5.3.4 Vattenkvalitet Som framgår av det tidigare har korrosion och igensättningar samband med vattenkvalitet och material i brunnsfiltret. Vatt­ nets sammansättning kan därför ge viktig information om korrosion eller igensättningar kommer att ske. 5.3.4.1 Korrosion Det förekommer ofta inom vattentekniken att man sätter likhets­ tecken mellan korrosions- och stabil itetsparametrar (exempelvis Lang!iers Index och Ryznar Stability Index) i samband med vattnets aggressivitet. Detta är emellertid inte korrekt. Korrosion som fenomen förutsätter ett termodynamiskt instabilt system, vilket inom vattentekniken kan utgöras av en elektrolyt- lösning tillsammans med ledningsnät, panna, behållare mm. Sistnämnda tillverkas oftast av gjutjärn, betong, stål, koppar eller syntetiska material. Stabiliteten i sådana system, eller rättare sagt bristen på stabilitet i sådana system, uppenbarar sig i regel som korrosivitet. Korros i vi teten kan således definie­ ras som ett reaktionskomplex mellan vattnet och dess omgivning. Korrosiviteten hos vatten kan följaktligen inte definieras utan att hänsyn tas till det konstruktionsmaterial, som utgör vatt­ nets omedelbara omgivning. Som en följd av detta varierar 5.13 vattenkorrosiviteten med de konstruktionsmaterial, med vilka vattnet är i omedelbar kontakt. Korrosionen är en kemisk reaktion, som kan definieras på termo- dynamisk grundval. Varje naturligt system strävar mot det mest stabila tillståndet, dvs det tillstånd där halten fri energi är lägst. Reaktioner som motverkar detta kan enbart komma till stånd genom energitillförsel. Våra vanligaste metaller utvinns ur sina naturliga förekomstfor­ mer, t ex ur oxider genom tillförsel av energi. Detta energitill­ skott kan vara av betydande storlek, t ex vid aluminiumframställ- ning. Som en följd av detta är de rena eller de tekniska metal­ lerna i regel i ett termodynamiskt instabilt tillstånd och de övergår via spontana reaktioner till den stabilare oxidformen. Denna typ av spontana reaktioner kallas i vissa sammanhang för korrosionsprocesser. I andra fall kan stabiliteten i konstruk­ tionsmaterial öka genom omkristal 1isering med minskad hållfasthet som följd. Det kan inte förväntas att den mångfald av kemiska reaktioner, som vanligen sammanfattas som korrosivitet, ska kunna beskrivas med en enda model 1. Korrosion är snarare som en samlingsterm för skadeeffekter i olika system av konstruktionsmaterial i kontakt med elektrolytlösning. De stabil itetsparametrar som tidigare nämnts beskriver vattnets jämvikt med avseende på kalk-kolsyra. Tillman postulerade ett samband mellan kalkmättnad och korrosiva processer i vattenled­ ningsnät. Lang!ier definierade kalkaggressiviteten som en karakteristisk egenskap hos vatten, för vilka det aktuella pH-värdet (pH) avviker från det teoretiskt (pH ) förutsagda värdet. Han lanserade härvid Langliers index (LI), pHs-pH, Ryznar lanserade härefter sitt eget modifierade LI dvs Ryznar Stability Index RSI = 2pHs-pH. 5.14 Inom brunnstekniken används ofta RSI för att bedöma ett vattens korrosivitet. Som redan nämnts är korrosivitet ett reaktions­ komplex mellan vattnet och dess omgivning. RSI anger därför strikt enbart korrosivi teten på betong. Istället för att beskriva vattnets korrosivitet kan man se på vattnets förmåga att bilda skyddsskikt som skyddar materialet från angrepp. Även i detta sammanhang måste man studera kombina­ tionen vatten - material. Stabilitetsparametrarna LI och RSI används även i detta sammanhang då de beskriver om vattnet är kalkfällande eller inte. En kalciumkarbonat-fällning skulle då bilda ett skyddsskikt. Man menar dock att kalciumkarbonat inte är den mest önskvärda sammansättningen på ett skyddsskikt då det är relativt poröst. De olika indexen's förmåga att beskriva bildandet av skyddsskikt och förhindrandet av korrosion framgår av följande två figurer. LANGUORS INDEX Fig 5.12 Korrosion på järn som en funktion av Langliers Index (enligt Stumm). 5.15 INCRUSTATION -SCALE IN HEATER UNLESS POLYPHOSPHATE ADDED -SLIGHT SCALE-CORROSION HIGH TEMP. - POLYPHOSPHATE« PRESENT -PRACTICALLY NO RED WATER COMPLAINTS -ONLY SLIGHT CORROSION AT 150° F ------- -CORROSION I -QUITE CORROSIVE AT 150° F -CORROSION IN HOT WATER HEATERS = CORROSION IN COLD WATER LINES - SOME CORROSION IN COLD WATER MAINS 32 RED WATER COMPLAINTS IN ONE YEAR X Scale Reported | • Complaints Negligible Fig 5.13 Korrosion som en funktion av Ryznar Stability Index (enligt Cambell-Lehr). Nedan beskrivs viktiga skyddsskiktsbildning på delen direkt hämtats ur Gas AB. faktorer som påverkar korrosion och olika material. Texten har till större broschyren "Vårt korrosiva vatten", AGA 5.16 Beskrivningen har disponerats efter olika material. De material som används till filterrör, förlängningsrör, kopplingar och installationer är: Järn och stål Förzinkat stål Rostfritt stål Syrafast stål Plastbelagt stål Plast Trä Mässing Brons Vissa av dessa bedöms som "korrosionsfria" t ex syrafast stål, plast och trä. Järn och stål Korrosionshastigheten bestäms av mängden syre i vattnet. Så länge som enbart järn finns närvarande och vattnet inte innehål­ ler något annat än löst syre bildar korrosionsprodukterna inte något tätt skikt, som skyddar den underliggande metallen mot ytterligare korrosion. Korrisionshastigheten för järn i stilla­ stående luftmättat. vatten är av storleksordningen 0,1-0,2 mm/år. Har vattnet ett lämpligt pH-värde och innehåller det dessutom vätekarbonat- och kalciumjoner, så kan förutom rost (Fe(0H)2, FeOOH) även järnkarbonat (FeCOg) och kalciumkarbonat (CaC03) fällas ut och bilda skyddsskikt på metallytan. Man har bl a visat att ett skikt som innehåller flera fasta faser ger ett bättre skydd mot korrosion än enbart rost eller enbart kalcium­ karbonat. Kalciumkarbonat har en stark tendens att bilda övermät­ tade lösningar. Men genom att korrosion av järn äger rum samtidigt fälls kalciumkarbonat ut lättare och byggs på detta sätt in i korrosionsskiktet. Därigenom får man ett skikt vars sammansättning varierar med tjockleken, fig 5.14. 5.17 50 Relativskala Fig 5.14 Ändring av korrosionsskiktets sammansättning med avståndet från metallytan. Närvaron av karbonatjoner medför också att en del järnjoner 2+(Fe ) bildar svårlösligt järnkarbonat på metallytan. Närvaro av syre i vattnet är inte bara en förutsättning för att järn ska korrodera utan också nödvändig för att ett korrosions- hämmande skikt ska kunna utbildas. För detta fordras en syrehalt i vattnet på 2-6 mg/l. Vattenhastigheten bör vara 0,5 m/s. I t ex ändledningar där vattnet långa tider står stilla förbrukas syret vid korrosionen och ledningen blir anodisk i förhållande till den angränsande delen av röret. Om vattnet inte har tillräcklig buffertkapacitet kommer pH-värdet att sjunka på grund av hydrolys av järnjonerna. Följande faktorer sänker således korrosionshastigheten: Vattnet bör innehålla en viss minsta mängd kalciumjoner, väte- karbonatjoner, (HCOj) och syre för att ett skyddande karbonat- skikt ska utbildas på metallytan. Karbonathårdheten måste vara minst 3°d. Syrehalten bör vara ca 6 mg/l. pH-värdet ska justeras så att kalk-kol syrajämvikt råder. Kloridhalten får inte överstiga 30 mg/l. Kopparhalten <1 mg/l. 5.18 Förzinkat stål rör Förzinkade stålrör är i de allra flesta fall varmförzinkade. Det medför att det förutom zink på metallytan finns olika faser som innehåller järn. Fig 5.15 visar hur ett sådant skikt är uppbyggt, överst finns ren zink, därunder ett skikt med 6-11,5% järn och närmast metallytan en fas med 21-28% järn. Fig 5.15 Snitt genom zinkskiktet på ett förzinkat stålrör. a) ren zink b) zink med 6-11,5% järn c) zink med 21-28% järn. Korrosion pH 3 Fig 5.16 Korrosionshastigheten för zink som funktion av pH. 5.19 Korrosionen av ren zink är starkt beroende av pH-värdet. Det framgår tydligt av fig 5.16. I kallt vatten som innehåller karbonatjoner bildas i pH-området 7-10 ett svårlösligt skikt av basiskt zinkkarbonat, som dock kan omvandlas till ett mera lättlösligt zinkvätekarbonat vid höga halter av fri kolsyra. Bildningen av ett täckskikt innebär inte att korrosionshastig- heten blir noll, utan man får en kontinuerlig upplösning och nybildning under förbrukning av zink. Allt eftersom zinken i ytskiktet förbrukas når man så småningom ned till 1 egeringsfaser- na som innehåller både järn och zink (fig 5.15). Järnhaltiga korrosionsprodukter kommer att byggas in i skiktet som då får utpräglade skyddsegenskaper. En förutsättning för att korrosions- hastigheten ska bli låg är att vattnets pH-värde ligger inom ett lämpligt intervall, mellan 7.5 och 8.5, och att det innehåller karbonatjoner men ingen fri kolsyra. Nitrathalten bör vara låg. Om koppar finns i vattnet bildas ett galvaniskt element mellan zink och koppar. Kopparhalten bör därför vara mindre än 0.1 mg/l. Rostfritt stål (18/8); kloridhalten bör vara mindre än 300 mg/l. Cement förekommer endast i grävda schaktbrunnar. Genom inverkan av sura vatten kan cementens beståndsdelar, som kalciumsilikat och kalciumaluminat, överföras till lättlösliga föreningar. I vatten som innehåller fri kolsyra kan en utlösning av cementen ske enligt formeln: Ca0Si02^ + H2C03J± CaC03(s) + H2Si03 Det bildade kalciumkarbonatet kan sedan överföras till lättlös­ ligt vätekarbonat enligt: CaC03(s) + Ca(HC03)2 vilket innebär en avkalkning av cementen. 5.20 I cementens porer finns en mättad lösning av kalciumhydroxid (Ca(0H)2) som med fri kolsyra bildar svårlösligt kalciumkarbonat i ytskiktet. Denna karbonatisering medför att porerna täpps igen och kol syreangreppet hämmas. Kol syreangreppet beror då på i vilken utsträckning kalciumkarbonat kan överföras till kalcium- vätekarbonat (Ca(HC03)2) och står i relation till vattnets innehåll av karbonatjoner, kalciumjoner och pH-värde. Sammanfattningsvis kan sägas att vattnets halt av fri kolsyra ska vara låg. Kalciumjonhalten, vätekarbonathalten och pH justeras så att man har kalk-kolsyrajämvikt. RSI <7. Erfarenheter visar att cementrör kan användas i vatten med en karbonathårdhet på över 3°d och upp till 80 mg/l fri kolsyra. (Gränsvärdet för fri kolsyra är dock inte skarpt definierat.) Sulfathalten har ingen praktisk inverkan på upplösning av kalciumkarbonat. Koppar Koppar förekommer vanligen ej i brunnskonstruktionen utan först i serviceledningar. Materialet anses dock ha ett sådant allmänt intresse att det diskuteras här. Allmänkorrosionen på kopparrör är låg, ca lOyiri per år. Det beror på att kopparytan efter en tids användning blir täckt med ett tätt passiverande skikt av kopparhydroxidkarbonat. Men detta skikt kan lokalt brytas ned och ge upphov till punktangrepp, där upplösningen av metallen går mycket snabbare. Man kan skilja mellan tre olika typer av punktangrepp: Typ I förekommer främst i kallvattenledningar av mjuka eller halvhårda kopparrör. De förekommer främst i anläggningar med hårt eller medel hårt grundvatten och kan sättas i samband med en kolfilm som bildas på rörens insida vid tillverkningen. Typ II förekom­ mer praktiskt taget bara i varmvatten där pH-värdet är lågt och där vätekarbonat-sulfatförhål 1andet i vattnet är lågt. På senare tid har även en korrosionstyp som kallas typ III uppmärksammats. 5.21 Angreppet är ingen renodlad punktfrätning utan beskrivs som korrosion av en begränasd yta med inslag av punktfrätor. Man har konstaterat förekomst av svavel i korrosionsprodukterna och det antyder att en bakteriell reduktion av sulfat kan vara en orsak. Angreppen har uppstått i alkaliska vatten med låg karbonathård- het och med låga halter av klorid och sulfat. Vätekarbonat-sul- fatförhållandet uttryckt i mg/l ska därför vara större än 1, annars finns risk för punktfrätning. Mäss i ng Den allmänna korrosionen av mässing följer i stort sett samma mönster som för koppar. En viktig skillnad är att ytterligare en korrosionstyp, avzinkning, kan äga rum. Avzinkning innebär att zinkatomer i legeringen löses ut selektivt och lämnar kvar ett poröst lager av koppar. Avzinkningen kan ske som punkt- eller skiktavzinkning. Vid punktavzinkning har angreppet bara liten utbredning, men tillväxten på djupet sker istället relativt hastigt. Skiktavzinkningen har däremot stor utbredning, men angreppet har lägre hastighet. Av erfarenhet vet man att vattnets sammansättning påverkar avzinkningen. Det gäller förekomsten av vätekarbonat och klori­ der. Ett lågt vätekarbonat-kloridförhållande påskyndar avzink­ ningen. Dessutom ökar angreppshastigheten med temperaturen. Fig 5.17 visar avzinkning vid olika vätekarbonat-kloridförhållanden. som observerats vid prov i laboratorier och i vattenverk. pH bör ligga under 8,3. Övrigt Halten nitrat och nitrit har i allmänhet ingen betydelse, även om zinkhalti ga material kan angripas. Ammoniak skyddar järn, men angriper kopparhaltiga material. Ammoniumjonhalten (NH^) bör därför ligga under 20 mg/l. Fosfat och silikat verkar korrosions- hämmande. En halt av järn och mangan över 0,2 mg/l är skadlig för koppar och kopparhaltiga material. Organiskt material 5.22 påverkar skyddsskiktsbildningen. Man tror att små molekyler förbättrar skyddet medan stora försämrar det. 200 ----- 50 180------ 20 140------ 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 Temporär hårdhet, ppm CaC03_ 100 200 300 Fig 5.17 Klorid- och karbonathaltens inverkan på avzinkning av mässing.0 Laboratorieprov, ingen avzinkning. • Labora- torieprov, avzinkning.AVattenverk, ingen avzinkning. ^Vattenverk, avzinkning. För den som skall dimensionera en brunn och välja material på filterrör, förlängningsrör och kopplingar finns inga eller ringa möjligheter att förändra vattnets sammansättning. Man måste därför välja ett korrosionsfritt material om skyddsskiktsbild­ ningen bedöms vara dålig. 5.23 5.3.4.2 Igensättning Igensättning sker p g a utfällning av kalcium-, järn- och manganprodukter men även av korrosionsprodukter. Utfällning av kalciumkarbonat fortgår vanligen efter Tillmans teori och kan uppskattas med t ex RSI. Utfällning av järn (och mangan) sker efter andra betingelser. Ryznar Stability Index (RSI) För att karakterisera ett vattens kalciumkarbonat-fällande egenskaper används olika parametrar. Det s k Ryznar Stability Index (Ryznar 1944) grundar sig precis som Langliers Index på Tillmans teori. Indextalet beskrivs av kalkmättnads-pH (pH ) och rådande pH-värde (pH). RSI = 2 pHs - pH Kalkmättnads-pH kan bestämmas med följande formel: pH$ = (pK* - pK*) + pCa + pAlk Kp = andra dissociationskonstanten för HCO^ = aktivitetsprodukten för CaCO^ Ca = kalciumkoncentrationen, mol/1 Al k = al kal i teten, HCOj mol/1 p = negativ 10-logaritm För att enkelt beräkna kalkmättnads-pH har flera hjälpdiagram 1 1konstruerats främst för att beräkna (pK^ - pK$). Ett exempel efter Langlier(1936) ges i fig 5.18. 5-P2 5.24 torSÜ IXSSOLMtb SoCJbC Fig 5.18 Beräkning av RSI. Då RSI <7 är vattnet kalkfällande. Då RSI >7 är vattnet kalkupp lösande. Som tidigare nämnts sätts ibland likhetstecken mellan kalkupp lösande och korrosiv. 5. »5 EXEMPEL UNDERSÖKNING ENHET Provtagningsdatum................ Tidpunkt................................... Temperatur (enl uppgift)........ Färg........................................ . Grumlighet............................. Lukt, styrka.................. ......... Lukt, art................................... Bottensats............................... pH (pot)................................... Ledningsförmåga x 104, 25°C . Permanganatförbrukning....... Järn......................................... Mangan ................................... Fosfat...................................... Ammonium............................. Nitrit....................................... Nitrat...................................... Sulfat....................................... Bikarbonat.................... ......... Klorid ....................................... Kalcium.................................... Magnesium............................. Totalhärdhet.......................... Kolsyra, marmoraggressiv ber Kiselsyra.................................. A B ... 7...0........ ..Lo....... 5 4 30 19 ... in.g.e.n... .. .ingen.. inqen inqen ...5.8....... ..1.1. 170 279 4 2 0,05 0.04 <0.01 0.01 <0.01 .<0.05.... , =2-30 pCa = -log4-^0 = 3.5 pAlk « -log 61^j0 =3.0 pH$= 2.3+3.5+3.0 =8.8 RSI =2* 8.8-6.8 =10.8 B: TDS 0.6M= 167 mg/l (p4 -pKg) =2.35 a q pCa= "ldg 7RJÖÜ0 = 2‘8 PAl^-l°gOT = 2.8 pHs= 2. 35+2.8+2.8+ =7.95 RSI=2*7.9-7.1 = 8.8 5.216 Igensättning av järn_och_mangan Lösligheten hos järn och mangan är beroende både av pH och vattnets oxidationsstadium. Vattnets oxidationsstadium bestäms av den s k redoxpotentialen, Eh, som är ett mått på den energi som krävs för att uppta eller avge elektroner från joner i en given kemisk miljö. I naturliga vatten är syrehalten ofta den primära faktorn som styr Eh, men även andra oxidationsmedel, som nitrat, NOj, och sulfat, S04 , har betydelse vid laga syrehalter. I fig 5.19 visas ett stabil itetsdiagram för järn vid olika oxidationsstadier i vatten. Oxiderat vatten Fe IOH Fe (OH), (c) -0.40 -0.60 Reducerat vatten -0.80 Fig 5.19 Stabilitetsfält för ferri-ferro systemet (Hem 1962). 5.27 Man finner att vid de pH-värden som normalt råder i grundvatten, 5-9, bör den dominerande reaktionenen vara en övergång mellan tvåvärt järn i lösning och järnhydroxid, Fe(0H)3, . Järnhydroxid bildas i flera steg och är i sig ej någon stabil förening utan åldras direkt genom att avge vatten varvid järn­ oxider som är hårda bildas. Förloppet kan åskådliggöras med följande reaktioner. oxidation:Fe2+ + 02 + Fe3+ + ^ H20 Fe3+ + 3H20 «=?Fe(0H)3 + 3H+ 4Fe2+ + 02 + 10H20 ??4Fe(0H)3 + 8H+ -3H 0 2Fe(0H)3 -4- Fe203 Reaktionshastigheten beror av pH enligt: pH 2+ 2+Reaktionshastiqhet d(Fe ) (mg Fe /l ' tim) dt (Fe2+)= 55 fä p02 =0.1 atm (Fe2+)= 5,5 ^ p02 =0.1 atm 4 0.00027 - 0.000027 5 0.027 - 0.0027 6 2.7 - 0.27 6.5 - 27.0 - 2.7 7 - 270.0 - 27.0 8 -27000 -2700 utfäl1 - ning: åldring: 5.28 —-i- = -k • (Fe2+) ' p02 ' ^0H ^ k = 8.0(-2,5) ‘ 10*3 mol-2 atm"'*' min’*' Vid en järnhäl t kring 5 mg/l sker således en mycket långsam kemisk oxidation vid pH <6. Järnbakterier kan då verka som katalysator vid oxidation och utfällning av järn. Det är en mycket heterogen grupp av mikroorganismer som kallas järnbakterier. Gemensamt har de att de oxiderar Fe2+ till Fe3+. En del utnyttjar den energi som frigörs vid oxidationen, andra kan leva på oorganiskt material. Flera av bakterierna trivs vid pH och syrehalter som är lägre än de förhållanden som gynnar kemisk utfällning. Slammet som bildas vid oxidationen hårdnar med tiden, precis som vid kemisk utfällning. Under de hårda krustorna uppstår anaeroba förhållanden, där sulfat-reducerande bakterier kan leva. Dessa bakterier orsakar korrosion på metal - 1 er. Gränsen för vid vilken järnhalt utfällning av betydelse kan ske eller inte, kan ej anges då några sådana ej finns. Inom lantbruket förekommer riktvärden för utfällning av järn i dräneringar t ex Maslov et al (1975). ingen risk för igensättning liten risk för igensättning moderat risk för igensättning stor risk för igensättning mycket stor risk för igensättning <3 mg Fe/l 3-5 5-8 8-14 >14 Det bör dock påpekas att igensättningar i ledningssystem har observerats då järnhalten i vattnet varit så låg som 0.2 mg/l, Knudsen (1940). Om en igensättning sker beror som tidigare nämnts förutom på järnhalten även på förekomst av järnbakterier, pH och Eh. 5.29 Uppmärksamheten bör i första hand vara riktad mot den förändring som vattnet kan bli utsatt för snarare än dess tillstånd i det "orörda" grundvattenmagasinet. Dvs - Kommer pH att förändras under uppumpningen? - Kommer Eh att förändras? - Kommer andra främmande vatten att dras till brunnen som kan misstänkas vara oxiderat, t ex från en intilliggande sjö? Ju högre järnhalt desto kraftigare blir sedan reaktionen. Vad som ovan skrivits om järn gäller i hög grad även för mangan. På samma sätt som för järn kan ett stabilitetsdiagram för olika pH och Eh upprättas. Man finner då att den dominerande reaktionen är en övergång mellan tvåvärd mangan i lösning och brunsten, MnC^. Även denna reaktion är reversibel och medför att tidigare utfälld mangan kan gå i lösning vid en förändring av Eh eller pH. Sammanfattningsvis kan man säga att korrosion av ett material beror av vattnets sammansättning och materialet. Korrosionspro­ dukter kan efter frigörandet från modermaterialet avsättas och skapa en igensättning. Igensättning beror däremot mestadels på vattnets sammansättning och härur bildade utfällningar. Under en utfällning kan korrosion ske p g a luftceller eller sulfatredu- cerande bakterier. Kalkutfällningar kan i bästa fall skydda mot korrosion. 5.4 Igensättning av infiltrationsbrunnar Infiltrationsbrunnar skiljer sig från vanliga uttagsbrunnar genom att det ofta är två olika vatten som möts i eller intill brunnen. Igensättning i jordborrade infiltrationsbrunnar sker vanligtvis i brunnens närmsta omgivning eller i brunnsfiltret. För brunnar med konstgjort grusfilter utgör gränsytan grusfilter 5.30 naturlig formation en avsättningsyta för igensättande produkter som tillförs med infiltrationsvatten. Ett grusfilter bör därför aldrig utföras tjockare än vad som kan nås vid rensningsarbete- na, dvs ca 7-15 cm. I bergborrade brunnar kan igensättning ske direkt på borrhålets väggar eller i sprickor. Igensättning av infiltrationsbrunnar kan sägas bero av följande huvudfaktorer: suspenderat material i infiltrationsvattnet filtreras från i brunnens omgivning. luft och andra gaser i infiltrationsvattnet och tillförda i brunnen, frigörs och avsätts i brunnens närhet. kemiska reaktioner mellan infiltrations- och grund­ vattnet orsakar utfällningar som sätter igen brunns- filtret eller formationen. urlakning medför att lerfraktionen (1 eraggregaten) sväller och dispergerar. strukturförändringar av akviferen på grund av för höga vattenhastigheter i brunnens närhet. Suspenderat material Som infiltrationsvatten utnyttjas i huvudsak två olika typer av vatten beroende på syftet med infiltrationen. Vid infiltration för försörjningsändamål används uteslutande ytvatten från t ex en sjö. Ett sådant vatten har vanligtvis en hög grumlighet och innehåller suspenderat material vida överstigande den mängd som kan accepteras vid infiltration. Vattnet bör därför filtreras på något vis. 5. 31 Då konstgjord infiltration utförs till begränsade lågpermeabla jordlager för att höja grundvattentrycket utnyttjas vanligtvis kommunalt försörjningsvatten eller grundvatten från en dräneran- de anläggning. Dessa vatten får anses som rena ur konsumtions- synpunkt men är inte tillräckligt fria från suspenderat material för att infiltration skall kunna göras utan att igensättning sker. Halten suspenderat material är vanligtvis låg (runt ca 1 mg/l) men partiklarna har vanligtvis sådana egenskaper att när de bildar en filterkaka blir dess permeabili tet mycket liten (runt ca 10"'''0 m/s). Detta får till följd att permeabilitets- nedsättningen vid en fullt utbildad filterkaka blir betydande. För att undvika igensättning av suspenderat material bör man alltid behandla infiltrationsvattnet genom filtrering. Det bekvämaste handhavandet av filter vid små vattenmängder erhålls med utbytbara filterpatroner (bomull, glasfiber) men även sandfilter kan utnyttjas. Lämplig porstorlek på patronen är 5 ym, men kan varieras från fall till fall. Luft - gaser Om gaser finns i infiltrationsvattnet över de mängder som kan lösas vid aktuellt tryck och temperatur i akviferen frigörs dessa och avsätts i formationens porer. Dessa frigjorda gas-bubb­ lor verkar som partiklar och minskar den tillgängliga genomström- ningsarean. Gaser finns alltid i vatten men mängden varierar beroende på vattnets härkomst. I samband med infiltrationen kan även luft tillföras vattnet t ex genom att vattnet faller fritt ned i brunnen. Vattnets innehåll av gaser analyseras vanligtvis genom dess syrehalt varefter omräkning sker till halten luft. Andra gaser kan analyseras om så erfordras. 5. 32 Om infiltrationsvattnet innehåller högre halter luft än vad som kan lösas vid det tryck och den temperatur som råder i akvife- ren måste vattnet avluftas. Detta utförs enklars via en automa­ tisk avluftningsventil vid så lågt tryck som möjligt eller med vacuumpump. !$®!?l§!S®_!C§É!s5'i oner De vanligaste kemiska reaktioner som kan inträffa vid infiltra­ tion är utfällning av järnhydroxid och kalciumkarbonat. Järnhydroxid bildas vid kontakt mellan ett järnrikt (grund­ vatten) och ett syrerikt ( infiltrationsvatten) vatten. Både kommunala försörjningsvatten och inläckande grundvatten är vanligtvis syrerika och orsakar därför utfällning av järn­ hydroxid vid kontakt med grundvatten om detta är järnhaltigt. Problem med i gensättning bör dock vara begränsande vid järn­ halter mindre än ett milligram. Kal ciumkarbonat fälls ut vid kontakt mellan två vatten där det ena vattnet är mättat avseende kalcium och det andra vattnet har ett pH som överstiger jämvikts-pH. Jämviktsförhållandet beskrivs t ex med RSI. Ett inläckande grundvatten kan vara i relativt bättre jämvikt med grundvattnet vid infiltrationsbrunnen än vad ett försörj­ ningsvatten är. Detta behöver dock inte vara en regel. Ett grundvatten som läcker in i en cementtätad tunnel har t ex luftats vid kontakt med atmosfären i tunneln varvid järn kan ha fällts ut och avsatts på tunnelväggen. Dessutom kan kalcium lösas upp vid kontakten med cementtätningen om grundvattnet är aggresivt. Detta innebär att 1äckagevattnet får högre syrehalt, lägre järnhalt, högre kalciumhalt samt högre vätekarbonathalt än det ursprungliga grundvattnet. Igensättning av utfällningar kan rensas bort om de skett i brunnens närhet. En kombination av mekanisk och kemisk rensning torde vara mest effektivt. Urlakning Infiltration genom brunnar som grundvattentryckhöjande åtgärd utförs i de områden av landet som en gång legat under havet. Djupa akviferer i dessa områden kan därför än idag ha salt grundvatten. Lerpartiklar i salt miljö är fast bundna till varandera i aggregat. Om porvattnet runt leran lakas ur kommer partiklarna att repellera från varandra för att slutligen helt frigöras från aggregaten. Partiklarna kan härvid transporteras med vattenflö­ det och avsättas som suspenderat material. Infiltrationsvattnet bör därför innehålla motsvarande sammansätt­ ning av positiva joner som grundvattnet. Ju fler flervärda positiva joner desto bättre är förutsättningarna för aggregat­ bildning. Igensättning sker även då formationen innehåller en mycket låg halt av lerfraktionen (endast någon procent). Denna typ av igensättning kan vara svår att rensa bort och måste därför undvikas. MikrobieH_aktivitet Ytvatten innehåller alltid mikroorganismer, som med den näring som finns i vattnet kan orsaka växtlighet. Speciellt bör detta uppmärksammas under sommarhalvåret. Försörjningsvatten som transporteras i gamla gjutjärnsledningar innehåller vanligtvis järnbakterier. Dessa bakterier producerar järnhydroxid vid närvaro av järn och koldioxid. Även manganbak­ terier kan förekomma i sådana ledningar. En uppfattning om 5. 34 problemets storlek kan fås genom att förhöra sig om driftsprob- lem på ledningsnätet i infiltrationsbrunnens närhet. Genom att hålla ett kloröverskott på infiltrationsvattnet kan problemet minimeras. Igensättningen kan även rensas bort med kemiska metoder. Igensättning orsakad av mikrobiell aktivitet kan motverkas genom klorering i någon form. Klor verkar genom att dels döda mikro­ biell verksamhet dels genom att lösa upp eller lösgöra den igensättning som bildats härav i formationen. Efter klorering skall brunnen rensas mekaniskt. Vanligtvis utnyttjas natriumhypo- klorit som rensningskemikalie. Bedömning av en_igensättning För att bedöma storleken av en eventuell igensättning måste omfattande kemisk-fysikaliska analyser göras på infiltrations­ vattnet och det ursprungliga grundvattnet. Provtagning av infiltrationsvatten måste göras vid infiltrationsplatsen då sammansättningen på vattnet kan variera kraftigt på olika platser på ett ledningsnät. Många typer av igensättning kan rensas bort med mekaniska eller kemiska metoder. En rensning måste för att den skall vara effektiv utföras innan igensättningen blivit för stor. Brunnen utformning är av stor betydelse för hur hårt en igen­ sättning påverkar dess funktion. En infiltrationsbrunn skall därför alltid dimensioneras och utföras efter samma principer som en uttagsbrunn. En mer detaljerad redovisning av igensättningsproblematiken erhålls av Andersson et al 1980. 5.35 6 BORRNING OCH PROVTAGNING De allra flesta brunnsborrningar som utförs i Sverige är s k produktionsborrningar på vinst och förlust. Beställaren är van­ ligen en enskild person som nöjer sig om brunnen ger några tio­ tal liter per minut. Det görs i genomsnitt ca 10 000 sådana brunnar per år och det är dessa som är brunnsborrarens huvudsak­ liga levebröd. Det finns emellertid andra bestäl1 argrupper som önskar sig brun­ nar med betydligt större kapacitet, exempelvis en kommun som baserar sin vattenförsörjning på grundvatten, en industri som använder grundvatten som process- eller kylvatten eller ett jordbruk som använder grundvatten för bevattning. Sådana brunns- ägare vill oftast ha en central brunnsanläggning med högsta tänkbara brunnskapacitet. Det kanske inte byggs mer än några hundra sådana brunnar per år, men de som anläggs representerar ett stort ekonomiskt värde. Den stora investeringen motiverar oftast att själva brunnsborr­ ningen föregås av en eller flera undersökningsborrningar. Detta dels för att minimera riskmomentet av investeringen och dels för att införskaffa ett geologiskt, tekniskt och ekonomiskt underlag så att den brunn som skall anläggas får en optimal utformning. 6.1 Allmän bakgrund En undersökningsborrning går främst ut på att provta och dokumen­ tera jord- och berglagren. Provernas kvalitet och möjligheterna till annan dokumentation än provtagning varierar med dels borrmetod och dels med de kvaliteter som borrpersonalen besitter. För den som beställer och leder en undersökningsborrning är det av största vikt att känna till vilken borrmetod som är lämpligast för varje borrningstillfälle, att kunna utforma ett realistiskt 6.1 och ur borrningsteknisk synpunkt godtagbart borrningsprogram samt att kunna samråda med borrmanskapet och improvisera allt eftersom problem uppstår. Det sistnämnda är särskilt viktigt eftersom det i praktiken är borrmanskapets yrkesskicklighet och vilja att utföra en borrning efter givna föresatser som är helt avgörande för det slutliga resulatet. Resultatet av undersökningsborrningen ligger sedan till grund för de entreprenadhandlingar som behövs då produktionsbrunnen skall upphandlas. Häri ingår normalt en beskrivning av hur brun­ nen skall se ut då den är färdig, se vidare i kapitel 8. Det är självfallet av största vikt att ingående känna till de olika håltagningsmetoder som står till buds då man planerar och projekterar en borrning oavsett det rör sig om undersöknings- eller produktionsborrning. Vi skall därför inledningsvis betrak­ ta borrandet ur vetenskaplig synpunkt och se utifrån vilka grun­ der metoderna kan klassificeras och beskrivas. Därefter skall vi titta närmare på de borrmetoder och de provtagningsmetoder som normalt kommer till användning i Sverige vid borrning för grund­ vattentäkter. 6.2 Klassificering av borrmetoder För att beskriva en viss borrmetod eller en viss teknik att borra användes en rad olika begrepp. De flesta av dessa ger en verbal och bildlig beskrivning på det sätt varpå håltagningen sker. Några exempel på detta är stöt-, rotations-, slag-, hammar-, vibrations-, skär- och skruvborrninq samt rördrivning. I princip är dessa sätt att göra hål analoga med mer vardagliga håltagning- ar vilka illustreras i figur 6.1. 6.2 Figur 6.1 Några vardagliga håltagningsmetoder (0. Andersson 1981). Man "stöter", "roterar", "slår", "hamrar", "vibrerar", "skär", "skruvar" respektive "driver" sig ner genom jord- och berglagren Andra begrepp berättar exempelvis om sättet varpå upptransporten av det genomborrade materialet, "borrkaxet" sker. Man talar exempelvis om spol -, sug- och tryckiuftsborrrning, man "spolar", "suger" respektive "blåser" upp borrkaxet, se figur 6.2. 6.3 SPOLBORRNING'1 'TRYCKLUFTS - BORRNINGSUGBORRNING Figur 6.2 Magra borrningsbegrepp baserat på sättet varpå käxet upptransporteras. Ett par exempel på begrepp som är förknippat med ett specifikt ändamål är pal 1 - och kärnborrning, nämligen att borra för att spränga ut pallar i stenbrott respektive ta kärnprover ur jord- och berglager. Ytterligare begreppsexempel finns, men de är onödiga för att visa att de termer och begrepp som användes för att beskriva borrningsmetoderna är av olika dignitet. För att kunna jämföra olika borrmetoder måste därför ett klassi­ ficeringssystem tillgripas. Vid nästan all konventionell borrning sker sönderdelning genom mekanisk inducering av spänningar så att brott uppstår i berg och uppluckring av jord. Den energi eller det arbete som åtgår för sönderdelningen är dels en funktion av jord- eller bergartens borrbarhet och dels av borrmaskinens (-metodens) totala verkningsgrad i en given situation. Med borrbarhet menas, något förenklat, bergets eller jordens förmåga till sönderdelning, ungefär såsom figur 6.3 visar. 6.4 KONSTANT \J> ENERGITILL- I FÖRSEL RELATIV BORRSJUNK- NING SKIFFER-------- LOS SAND­ STEN 1 X GRANIT XXX X X X X X X X X X X X Figur 6.3 Relativ borrbarhet kopplad till bergartens egenskaper (0. Andersson 1981). Det är till stor del just borrbarhetens variation med olika jord- och bergmaterial som skapat utveckling av olika borrmeto­ der. Figur 6.4 visar de tre betraktelsegrunder man kan använda för att klassificera en konventionell borrmetod, nämligen sättet varpå formationen sönderdelas (destruktionsprin- cipen) med vilka mekaniska moment nödvändig energi tillföres borrkronan (funktionsprincipen) 6 —P2 6.5 sättet varpå sönderdelat material transporters upp till markytan (rensningsprincipen). BORRMASKIN FUNKTION BORRHÅLSVÄGG RENSNING BORRSTÄNGER BORRKRONA / I \ DESTRUKTION Figur 6.4 Grunder för klassificering (0. Andersson 1981). Destruktionen eller sönderdelningen, vilken är den grundläggande indelningsprincipen, kan vara antingen krossande, nötande, kros- sande/uppbrytande, skärande, undanträngande eller grävande. Varje destruktionsprincip kräver sin typ av borrkrona, vilket kommer att framgå längre fram. De olika sönderdelningsprocesserna nere i borrhålet fordrar olika utformning och prestanda hos borrmaskinen. Det är ju borr­ maskinens funktion(er) som gör sönderdelningen optimal. De meka­ niska moment som från maskinen och via borrören överförs till borrkronan kan antingen vara tryckande, slående, roterande, vibrerande eller kombination av dessa, t ex slående/roterande. Det genomborrade materialet slutligen, det s k borrkaxet, kan fås till markytan antingen genom upphämtning i kanna, tub eller 6.6 liknande, eller också genom något s pol ning sförfarande. Som transportmedel vid spolning användes vätska, 1uft eller skum. Genom att använda dessa tre klassificeringsgrunder kan vilken konventionell borrmetod som helst ges en beskrivning. Detta kan göras antingen med de ovan understrukna orden i kombination eller ännu enklare med symboliska tecken såsom i figur 6.5. M\ MEKANISKT MOMENT TRYCK SLAG ROTATION , KONTIN UER LING -----«------ EJ KONT. VIBRATION BORRKAXTRANSPORT UPPHÄMTNING VÄTSKESPOLNING LUFTSPOLNING SKUMSPOLNING SÖNDERDELNING GRÄVANDE UNDANTRÄNGANDE ERODERANDE KROSSANDE / UPPBRYTANDE SKÄRANDE KROSSANDE NÖTANDE SYMBOL V kÅj1 Q A Figur 6.5 System för borrningsmetodisk klassificering verbalt och teckensymbol iskt (0. Andersson 1981). 6.3 Beskrivning av de vanligaste borrmetoderna De borrmetoder som tillämpas vid undersökningsborrningar är på något undantag när desamma som användes vid produktionsborrning. 6.7 Skillnaden består främst i att undersökningsborrningen försiggår i mindre dimensioner och med ett speciellt program för provtag­ ning och annan registrering. Det är emellertid inte ovanligt att ett undersökningshål, om det givit ett gynnsamt utfall, komplet­ teras med brunnsfilter, foderrör, brunsöverbyggnad, pump etc och blir en produktionsbrunn. Det finns således ingen anledning att ur borrningsteknisk synpunkt särskilja undersökningsborrning från produktionsborrning. Den beskrivning som kommer nedan syftar till att ge en allmän uppfattning om olika utrustningar, borrningsmetoder, borrnings- tekniker mm som kan vara av fundamentalt intresse vid planering av såväl undersöknings- som produktionsborrning. 6.3.1 Linstötborrning Från att ha varit den klart dominerande brunnsborrningsmetoden under 1900-talet har 1instötborrningen under den sista 10-årspe- rioden gått starkt tillbaka. Det är annars en metod med anor långt bak i tiden. Metoden är sannolikt utvecklad i Kina där man för mer än 2500 år sedan borrade hål för saltutvinning, hål som var hundratals meter djupa. 01 jeepokens inledning ledde sedan till en utveckling av borrutrustningarnas storlek så att man i slutet av 1800-talet kunde göra oljebrunnar som var mer än tusen meter djupa. Djuprekordet är från 1953 då en 3397 m djup brunn färdigställdes i trakten av New York, USA. I Sverige är rekordet 508 m. Det gjordes som en förborrning till ett saltprospekteringshål på Falsterbonäset i Skåne 1954. Borrmetoden går ut på att lyfta och släppa en serie verktyg som sitter på en vajer. En mejsel som är belägen längst ned slår mot borrhål sbottnen och krossar ned jord- eller bergarten. Ovanför mejseln sitter i nämnd ordning först en "tungstång", en "stötdäm- pare" och en "vridmuff". Borrningen utförs med sträckt vajer. 6.8 Mest spänd är den när mejseln slår mot bottnen. På grund av linans elasticitet och "stötdämparen" fås en viss "gummibands- effekt" som gör att den strax efter slaget återgår till utgångs­ läget. Det återgående rörelsen påverkar "vridmuffen" så att mejseln vrider sig ett par grader för varje slag. På så sätt kommer mejseleggen att träffa ny bottenyta varje gång. Rope socket — (vridmuff) Tool joint (skarv) Drilling jar s (borrlås) Tool joint - (skarv) Wren c h square (nyckeltag) Drill stem-------- (borrstång) Tool joint (skarv) Water Drill (mejsel) Figur 6.6 Nere-i-hålet-utrustning vid 1instötborrning (Johanson Di v 1975). 6.9 De 1instötmaskiner som finns på marknaden idag är i stort sett lika i utformning, det är bra storleken som skiljer. De flesta ligger i 2-4-tonsklassen och sitter monterade på 2-axlat dragbart chassi. Endast ett fåtal sitter på terränggående fordon. På de flesta 1instötutrustningar löper vajern från hålet upp över en linskiva högst uppe på masten. Därifrån går vajern ner genom ett annat hjul som sitter i ändan av en bom. Bommen fås att svänga upp och ned med hjälp av en styrarm som är ansluten till ett svänghjul, vilket drivs av en motorenhet, se figur 6.7. Linskiva Mast Wire till sandpump Sandpump Innesluten drivningsmekanism Borrstång------s - -*— FoderrÖr Mejsel Figur 6.7 Linstötutrustning (Andersson/Gustafson 1980). Vajern sitter upplindad runt en trumma. Genom att två eller flera anslutningspunkter för styrarmen finns på bommen kan slag­ längden varieras. Vanligen är slaglängden ca en halv meter. Slaghastigheten ligger mellan 20 och 40 slag per minut. Borrverk- 6.10 tygens vikt varierar med storlek på utrustning från 500 till 2000 kg. Då man borrar genom lösa jord- eller bergformationer måste ett foderrör drivas samtidigt som borrningen fortskrider, detta för att inte hålet skall rasa eller flyta igen. I vissa lösa jordma­ terial, exempelvis sand, drivs foderröret först, varefter mate­ rialet borras eller spolas ur. I andra material, exempelvis morän, borras hålet först och då bitvis, 1-3 m åt gången, innan foderröret drives till hålbottnen och rensas ur. Borrning med foderrör genom jordlager och lösa berglager brukar benämnas rörborrning. Det genomborrade materialet, borrkaxet, hämtas upp med en s k sandpump. Denna består i princip av ett öppet rör, vars botten genom en platta eller en kula fungerar som en ordinär backventil. Figur 6.8 visar några sandspumpstyper. ABC Figur 6.8 Några sandpumpar. Till vänster en kolvpump. Till höger en enkel ventil pump (Huisman 1972). Materialet tillåts således att tränga in i röret då det släpps ned i hålet. Då det lyfts sluts ventilen och käxet kan hämtas upp till markytan. Vid borrning i torra formationer, exempelvis över grundvattennivån, måste vatten tillföras hålet för att sandpumpen skall fungera. 6.11 Foderröret är i sin nederända vanligen förstärkt med en foder- rörssko. Denna har en något större diameter än själva foderröret och är utformad med egg som är konisk inåt. Foderröret vilar på en faskant inuti skon. Foderröret slås ned med samma mekanism som vid borrning. De tunga verktygen läses med klämmor som sedan slår på foderröret. Vid borrning genom jordlager kommer de vibrationer som löper genom marken vid varje slag att orsaka kollaps runt foderröret. I själva verket fås en ordentlig packning, vilket gör att frik­ tionen mellan foderrör och formation successivt ökar. Till slut är fortsatt drivning omöjlig. När detta inträffar är enda möjlig­ heten att fortsätta borrningen med en mindre dimension. Detta kallas teleskopförfarande, se figur 6.9. CEMENT FODERRÖR FODERRÖRSSKO Figur 6.9 Foderrör i teleskoputförande (0. Andersson 1981). Genom att bl a smörja borrhål sväggen med skum, bentonit, eller liknande kan varje teleskopdel göras längre. Figur 6.10 beskri­ ver ett liknande förfarande, där också ett hydrostatiskt över­ tryck upprätthålls i utrymmet mellan borrhål svägg och foderrör. Tillförsel av foderrör- ^'.sko Figur 6.10 Foderrörsdrivning med smörjning (Church 1960). Vid de tillfällen man sätter ett filter - med eller utan grusning - inuti foderröret med avsikt att färdigställa en grusfilterbrunn, se kapitel 8, exempelvis figur 8.15, måste foderröret åter dras upp. Detta sker vanligen med hjälp av domkraft. Då borrning görs i mycket stora dimensioner kan en s k polygrip- skopa användas, se figur 6.11. Skopan består av ett antal skovel- blad. Dessa hålls öppna när skopan med egen tyngd fritt får falla ned i borrhålet. Skovelbladen trycks härvid ner i den lösa formationen och när vajern sedan sträcks slutes bladen mot varandra och jordmaterialet stängs inne och kan tas upp till markytan. Detta borrningsförfarande är emellertid relativt ovan- 6.13 ligt i Sverige. Ungeför 5% av brunnsborrarna uppger sig använda polygripskopa. Figur 6.11 Borrning med polygripskopa (Malmbergs i Yngsjö AB u.å. ). Som tidigare angivits användes 1instötborrning i allt mindre omfattning. Orsakerna härtill är flera. Mest bidragande är dock att linstötmaskinerna ersatts av mer snabborrande och effekti­ vare borrningsmetoder som hammar- och rotationsborrning. Samtidigt är emellertid 1instötmaskinen den mest universella borrutrustningen. Den kan med andra ord användas i nästan alla geologiska formationer. Nackdelen, jämfört med moderna speciali­ serade metoder, är främst den långsamma borrningshastigheten, särskilt på större djup. 6.14 Metoden är dock fortfarande konkurrenskraftig, ibland också borrningstekniskt överlägsen, bl a när det gäller att borra och anlägga grunda filterbrunnar i grovkorniga lösa jordlager, exem­ pelvis i stenigt åsmaterial. Detta förklarar också varför det trots en markant nedgång i maskinernas beläggning ändå finns ett betydande antal kvar, se figur 6.12 och 6.14. Medeldjupet per borrtillfälle 1976 var 32 m. % Figur 6.12 Linstötutrustningarnas beläggning 1966-1976 (0. Andersson 1981). 6.3.2 Rotationsborrning med direktspolning Även rotationsborrning, dvs borrning med kontinuerligt roterande borrkrona, har rötter långt bak i tiden. De äldsta spåren av sådan borrning härstammar från den tid då man byggde pyramider i Egypten. Bevarade borrhål sväggar i stenbrotten, varifrån byggsten­ arna till pyramiderna togs, uppvisar en räfflad struktur lik den som fås vid roterande borrning med nutida verktyg. Det var just som kärnborrningsmetod inom gruvindustrin som meto­ den i modern tid först praktiserades. På mitten av 1800-talet övertogs den av oljeindustrin, som bytte ut kärnborrkronan mot olika typer av kronor för nedkrossning. Idag användes s k rull- borrkronor och borrkaxet tas till ytan med hjälp av special kompo­ nerad spolvätska. Figur 6.13 visar ett oljeborrtorn. 6.15 TALGBLOCK MED KROK MAST RORLIG MUDDSLANG MUDDPUMPVATTEN - LERA ' KELLY ROTATIONS­ BORD BLOW OLTL- PREVENTER MUDDTANK VIBRATORSIKT INFODRAT BORRHÅL' SLAMTANK TILL SLAMGROP ROTERANDE BORRSTÅNG OÇPEN HALVAGG TUNGSTANG RULLBORRKRONA Figur 6.13 Utrustning för oljeborrning (0. Andersson 1982). 6.16 Det djupaste hål som borrats med konventionell rotationsborr- ningsteknik är 9583 m djupt. Rekordet är satt 1974 i Oklahoma, USA. Det djupaste svenska hålet är 2608 m, borrat 1972 av Olje- prospektering AB. Inom brunnsborrningen har man från och med sekelskiftet anammat oljeborrtekniken, men med mindre utrustningar. Den metod som hämtats från oljeborrningen kallas rotationsborrninq med direkt- spolning. Rotationsborrutrustningar bland brunnsborrare har under de sista 10-15 åren kraftigt ökat i antal i Sverige, se figur 6.14, huvud­ sakligen på bekostnad av 1instötutrustningar. Av brunnsborrarnas totalt ca 180 rotationsborrutrustningar är det ca 30 som använ­ des eller kan användas för borrning med direktspolning. ANTAL □ ROTATION LINSTOT Figur 6.14 Utrustningsparkens förändring 1966-1976 (0. Andersson 1981). Utrustningarna varierar något i utformning men figur 6.15 ger en viss illustration av det principiella utseendet. Storleken som ofta mäts i maximalt borrdjup vid viss dimension skiljer sig markant. De flesta utrustningar är dimensionerade för borrdjup mellan 100 och 300 m, enstaka finns för borrning till ca 1000 m djup. I princip är det maskinens lyftkapacitet som blir avgörande för håldjupet. 6.17 Figur 6.15 Mobil rigg för rotationsborrning (Atlas Copco 1977). Den genomsnittliga utrustningens komponenter illustreras i figur 6.16. Själva borrutrustningen är oftast monterad på en terräng­ gående större jeep eller lastbil. På en fällbar mast sitter ett borrhuvud. Detta kan med hjälp av kedje- eller hydraulkolvsmat- ning löpa längs masten. I borrhuvudet sitter rotationsmomentet. Då upp- och nedrörelsen sker med hydraulkol var är borrhuvudet utformat för genomgång av borrören. Det finns då antingen hydrau­ liska klämmor som nyper om det runda borrstålet inne i borrhuvu­ det eller också användes ett fyrkantigt borrör (Kelly) överst för att överföra vridmomentet till de runda borrören. På moderna riggar är nästan alla funktioner hydrauliska. Förutom ovannämnda förekommer hydrauliska stödben, klämmor och domkraft - domkraf­ ten normalt som sidoutrustning. 6.18 o MAST- BORRHUVUD HYDRAULMOTOR PUMPDIESELMOTOR BORROR HYDRAULISKT KLAMMER l^/?M///=///=r//7= SPOL- BASSÄNG RULLBORRKRONA Figur 6.16 Rotationsborrning med direktspolning. Utrustningen är ofta kompletterad med lastbil eller jeep samt kompressor (0. Andersson 1974). Även pumpen drivs ibland hydrauliskt. Det hydrauliska systemet har antingen en egen motor eller också, vilket är vanligast, användes jeep- eller lastbiIsmotorn för att driva hydraulpumpar­ na. Själva borrningen tillgår så att borrhål sbottnen nöts eller bryts sönder av en roterande borrkrona. I block- och stenfria 6.19 jordlager användes lämpligenen krona av skärande typ, annars en s k rail krona, se figur 6.17. A© Figur 6.17 Borrkronor för rotationsborrning (0. Andersson 1981). (A) Skärkrona för lösa formationer. (B) Rullkrona för hårda formationer. Rensningen av bottnen fås genom att, såsom figur 6.16 visar, kontinuerligt cirkulera en spolvätska, antingen bestående av rent vatten eller också vatten med tillsatser, s k mudd. Vätskan leds via en högtryckspump - vanligen en kolvpump - ned genom borrören under högt tryck. På borrkronan sitter munstycken som ger vätskan en hög hastighet - jettingeffekt - vilket gör att botthålsbottnen hela tiden kan hållas ren från lossbrutna frag­ ment. Vätskan för sedan käxet upp från borrhålet i utrymmet mellan borrhål sväggen och de roterande borrören. Väl uppe vid markytan ledes spol vätskan först till en bassäng där käxet får sedimentera och därefter till en annan bassäng varifrån det via pumpen återförs ned i borrhålet. Under borrningen kan både tryck på borrkronan (matningstryck), hastigheten varmed den roterar (rotationshastighet) och spolväts- kans cirkulationshastighet (pumpslagsfrekvens) regleras. För att erhall a en effektiv borrning måste i första hand dessa tre para­ metrar samverka i optimalt beroende till varandra. Låt oss titta närmare på rul1 borrkronan, vilken är den som använ­ des till 90-95% vid aktuell borrningsmetod. Figur 6.18 visar en 6.20 av de tre konformade och tandförsedda rullarna. Begränsande för en rullkronas dimension är framför allt rullagren. Om dessa görs för små tål de inte den tryckbelastning som erfordras för att trycka tänderna ned i formationen så som figur 6.19 visar. Ned- trängningen medför en primärkrossning, som via tandens vridmoment övergår i en skjuvnings- och uppbrytningsprocess. I lös forma­ tion sker enbart uppluckring. Jetstråleffekten från munstycket gör sedan resten. smörj kopp ventilations flexibelt — membran smörj kanalrullager kulpluggkullager __ axeltapp packning tänder rulle Figur 6.18 Del av rul1 borrkrona (Cunningham 1960). SKJUVPLAN KRATER- BOTTEN Figur 6.19 Krossnings- och skjuvningsprocessen då tanden trycks in och bryter i formationen (0. Andersson 1981). 6.21 7 —P2 Den minsta rullkrona som tillverkas för rotationsborrningsända- mål bygger 3J", de största 3-konade kronorna är ca 20". Rota- tionsborrning med direktspölning överstiger dock sällan 8-9" vid brunnsborrning. Den vanligaste dimensionen vid undersökningsborr- ning är 4i" och vid produktionsborrning 6-8". Längden för borrkronans tänder är en av de faktorer som påverkar borrningshastigheten. Val av tandhöjd görs utifrån de formationer som skall genomborras. Som tumregel gäller att mjuka formationer skall borras med långa smala tänder och hårda formationer med korta och knubbiga. Under borrningen nöts och trubbas tänderna successivt, se figur 6.20, vilket gör att kronan måste bytas med jämna mellanrum. I medelhårda bergarter är kronan vanligen förbrukad efter 50-100 m borrning. TANDHÖJD Figur 6.20 Effekten av tandslitaget på borrsjunkningen (Edwards 1964). Man kunde kanske tro att ju hårdare tryck man lägger på borrkro­ nan ju snabbare borrsjunkning skulle man få. Detta är sant, men bara upp till en viss gräns. Förhållandet borrsjunking/matnings- tryck framgår av figur 6.21, som också visar jettingeffektens betydelse för borrsjunkningen. 6.22 30 25 ^ 10 n —i i/i ch CH O CD 5 0 17,5 Figur 6.21 Förhållandet mellan borrsjunkning och matningskraft vid olika jetstrålehastigheter (Eckel/Rowley 1957). Att borrsjunkning successivt minskar vid ökad matning beror av att rensningseffekten i borrhål sbottnen är begränsad. För att erhålla bästa möjliga effekt av insatt energi måste nämligen allt det kax som bryts loss spolas bort omgående. Förhållandet åskådliggörs i figur 6.22. 5SXc^V VERKLIG MATNINGSKRAFT --------------------> Figur 6.22 Sjunkhastighetens förhållande till matningskraft som funktion av rensning (Moore 1968). 6.23 Perfekt rensning kan i praktiken aldrig erhållas. Den verkliga rensningen blir därför en funktion av matningskraft och jetstråle­ hastighet. Det råder också ett klart samband mellan borrsjunkningshastig- heten och rotationshastigheten (antal varv per minut). Ju större belastning borrkronan utsätts för, desto större effekt har rota­ tionshastigheten på borrsjunkningen. Förhållandet framgår av figur 6.23. 600 KP 500 KP ROTATIONSHASTIGHET ( VPM ) Figur 6.23 Sambandet mellan borrsjunkning och rotationshastighet vid olika matningskraft (MK) (Moore 1960). Men även här finns gränser uppåt. Delvis invekar tidigare omnämnd rensningseffekt, men främst beror det av att tänderna på rullarna inte hinner tränga optimalt ned i formationen vid för häga rota­ tionshastigheter. Borrörens rotation överförs ju proportionellt till rullarna. De olika parametrarnas inverkan på borrsjunkningen är inte en­ bart en borrningsteknisk fråga utan i hög grad också en ekono­ misk. Detta kan illustreras i ett tredimensionellt diagram, figur 6.24, där rotationsparametern sammanvägts med borrtrycks- parametern. Som framgår erhålls den största borrsjunkningen och därmed lägsta relativa kostnad vid 50 varv per minut och 5000 kg total tryck på kronan i just detta exempel. 6.24 relativ kostnad per meter 30 40 50 60 rotationshastighet Figur 6.24 Optimering av matningskraft och rotationshastighet för bästa borrsjunkningen och därmed lägsta borrnings- kostnad (Young 1969). För att erhålla samma borrsjunkning vid exempelvis 8" borrning som vid 5" behövs endast att trycket på borrkronan ändras så att det per ytenhet räknat är samma vid båda dimensionerna, vilket visas i figur 6.25. Det skall noteras att övriga parametrar som kan påverka borrsjunkningen hålls konstanta i exemplet. x K. 5; 100 800 ^ 40 § 1 0 60 - TOTALT MATNINGSTRYCfy. K RONDI MEN SI ON 20 T 500 KP / cm2 ROI HAST. ; 5a VPM. 4 5 6 7 8 9 KRONANS DIAMETER (TUM) Figur 6.25 Lika borrsjunkning vid samma specifika matningstryck (Campbel1/Lehr 1974). Borrsjunkning sett ur registreringssynpunkt behandlas i avsnitt 6.4. Som tidigare nämnts användes för det mesta någon form av vätska för att transportera upp borrkaxet från hålet. Vätskan har emel- 6.25 lertid fler funktioner. Bl a underlättar den sönderdelningen så tillvida att det vertikala formationstrycket direkt under borr­ kronan minskar till föl.id av den hydrauliska tryckpåkänningen. Vidare fås en kylning och i viss mån smörjning av borrkrona, borrör och pump. Viktigare är kanske att det hydrauliska över­ tryck som skapas i hålet medför att borrhål sväggen hålls uppe och att borrning därför kan ske utan drivning av foderrör, även i helt okonsoliderade formationer. En förstärkt borrhål sstabilisering fås genom att tillsätta olika ämnen. Spolvätskan kallas då mudd. Allra vanligast är att använda ett naturligt lermineral, bentonit, som blandas i spol vattnet så att en mer eller mindre tjockflytande blandning erhålles. Under borrningen tränger bentonitmudden ut i formationens porer och sprickor. När rörelsen upphör, gelar bentoniten och en muddkaka byggs upp runt och i borrhål sväggen, se figur 5.26. Härmed för­ hindras bl a att det sker storskaliga utträngningar av spolvätska i porösa eller sprickiga lager, s k spolförluster. I värsta fall kan nämligen spolförluster orsaka att det hydrostatiska trycket i borrhålet sänks till sådan grad att hålet kollapsar. IMPERMEABEL FORMATION MUDDKAKA PERMEABEL' SANDSTEN PRIMAR MUDO- INTRANGNING SPRICKA Figur 6.26 Muddkakebildning (0. Andersson 1981). 6.26 I ett sådant läge har borraren oftast förlorat inte bara hålet utan också dyrbar utrustning. Ett annat fall då risk för hål kol 1aps föreligger är vid rörpå- skarvning. Eftersom spol pumpen då måste stängas av sjunker trycket i borrhålet. Helst bär man upprätthålla ett övertryck motsvarande ca 5 m vattenpelare för att undvika ras. I de lägen man borrar sig ned i en formation med artesiskt grundvatten är faran som störst. Man märker det nämligen inte under själva borrningen. När sådant inträffar bör annan borrmetod övervägas för den fort­ satta borrningen. Det finns inom oljeborrningen en hel vetenskap om mudd och mudd- blandningar. Då man borrar mycket djupa hål är det bl a väsent­ ligt att kunna styra borrmuddens densitet, viskositet, bärför­ måga, pH-värde etc. Därför finns det pä marknaden tusentals olika komponenter att välja på för att få rätt muddsammansätt- ning vid rätt tillfälle. Vid grundare borrningar som brunnsborrning normalt är, behöver muddkompositionen inte vara lika sofistikerad, men den skall för den skulle inte förbises. Det är t ex inte lämpligt att använda bentonit för stabilisering och förhöjd viskositet. Orsaken är att bentoniten efter utträngning och gelning i formationen är svår att få bort. På bekostnad av snabb och problemfri borrning kan resultatet därför bli en dålig brunn eftersom kvarvarande bentonit hämmar tillströmningen till brunnen, jämför med figur 6.26. Detta har under senare år uppmärksammats inom brunnsborr- ningsbranschen och idag finns flera olika alternativ till bento­ nit. Det är preparat som är baserade på cellulosa eller stärkel­ se. Efter borrningens genomförande bryts dessa gelande substan­ ser ned av sig själva eller genom tillsättning av enzymer. För att spol vätskan skall kunna lyfta och hålla borrkaxet i suspension under vägen upp till markytan, där käxet sedan separe­ ras, fordras att vätskan rör sig med viss hastighet i utrymmet mellan borrhålsvägg och borrör. Den hastighet som kan rekommen- 6.27 deras ligger mellan 40 och 60 m per minut. Lägre hastighet gör att borrkaxet kan bli. kvar i hålet med risk för spolförluster och hål kol 1aps. Högre hastighet medför ökad erosion och ökat slitage av bl a borrör och munstycken. Beroende på ytan mellan borrör och borrhål svägg måste hastigheten regleras med den spol- mängd som via pumpen förs ned i hålet. Figur 6.27 visar mängdens beroende av ytan då hastigheten är 50 m per minut. Exempelvis bör man pumpa med en vattenmängd motsvarande 600-700 minutliter vid 6" borrning då 3" borrör används. Figuren visar också direkt- spolningens begränsning mot större borrdimensioner. Vid borrning över 8" fordras en betydande pumpkapacitet som bara förekommer som standard på de största riggarna. L/MIN VATTENMÄNGD FRÅN PUMP 1200 V = 50 M/MIN C M^ FLÖDESYTA 8 0 HÅLVÄGG DÅ 0 BORRÖR ÄR 3" Figur 6.27 Diagram över förhållandet flödesyta mellan borrör och hål vägg samt erforderlig vattenmängd för att hastigheten skall blir 50 m/min (0. Andersson 1981). 6.28 Rotationsborrning med direktspolning kan - även om det är ovan­ ligt i Sverige - genomföras med luft eller skum som alternativ till vatten eller mudd. Utrustningen som användes är i stort sett samma som vid direktspolning. Istället för pump användes en kompressor. Många rotationsborrutrustningar är försedda med både pump och kompressor, så att valfrihet föreligger. Att använda luft innebär i princip en minskning av trycket i borrhålet. Detta ger som positiv effekt en förhöjd borrsjunkning jämfört med muddspolning. Vidare fås inga spolförluster samtidigt som man inte heller har utgifter för muddkomponenter. Priset man får betala är dock sämre möjlighet att kontrollera hålets stabiliet. För att kunna få upp käxet måste också en avsevärd lufthastighet till (en minsta hastighet runt 1000 m per minut erfordras), vilket innebär relativt sett stort slitage av bl a borrör. Muddens smörjande effekt går också förlorad. För att i någon mån motverka de negativa effekterna används skum. Normalt rör det sig om tvålmedel skoncentrat som, blandat med vatten, injiceras och piskas till skum genom den turbulenta luftströmmens inverkan. Figur 6.28 visar ett exempel på arrange­ mang för skumti11 sättning. 6.29 MAST .BORRHUVUD SUGLEDNING BORRÖR TVÅL KONCENTRATVATTEN TANK LUFT FRÅN KOMPRESSOR BORRKRONA Figur 6.28 Anordning för skumvätskeinblandning vid luftborrning (Atlas Copco 1975). Några av de fördelar som rent borrningstekniskt kan vinnas genom skumtillsättning summeras i figur 6.29. INGET DAMM * < VISS VÄGG- ' STABILISERING < BÄTTRE LYFT- FÖRMÅGA LÄGRE HASTIGHET -__ Ï_MINDRE SLITAGE HÄMMAR VATTENINFLÖDE VISS SMÖRJNING DISPERGERAR LEROR Figur 6.29 Några fördelar vid borrning med skum som spolmedel istället för luft (Tröften 1973). 6.30 Då endast luft användes uppstår ofta problem då vattenhån ande jordlagerformationer påträffas. Särskilt besvärliga är vissa finkorniga jordarter som lera, silt och finsand vilka gärna flyter ut och pluggar hålet. Luften pressas då ut i formationen istället för att strömma upp i utrymmet mellan vägg och borrör, vilket kan leda till hålkollaps. I bergformationer kan liknande problem uppstå om bergarten är dåligt konsoliderad. Tillsatsen av skum gör, se figur 6.30 att "pluggarna" lyfts och transporte­ ras upp ur borrhålet, främst beroende på att skumblandningen har högre viskositet och densitet. luft luft/skum vattëhfôrânde formation Figur 6.30 Skummets inverkan på lyftförmågan (Murray/Eckel 1961). Luft/skumborrning har sin största betydelse för borrning i kon­ soliderade sedimentära bergarter och då sådana som är genomsatta av stora öppna sprickor såsom kalkstenar med karstbildning. över huvud taget är luft/skumborrning lämpligt då svårbemästrade spolförlustproblem kan förväntas uppstå, se figur 6.31. 6.31 OKONSOLIDERAD HÖGPERMEABEL SANDSTEN ÖPPNA SPRICKOR I KONSOLIDERAT BERG KARSTGÅNGAR I KALKSTEN Figur 6.31 Några exempel på geologiska förhållanden då borrning med luft/skum är lämpligt (Howard/Scott 1951). Rotationsborrning med direktspolning har främst utvecklats för borrning i sedimentära bergarter och metoden är optimal i de flesta typer av sand-, kalk- och skifferbergarter. Metoden har visat sig gångbar även i lösa jordlager. Dock medför borrning i block- och stenrika jordlager vissa svårigheter. Löst lagrat och stenbemängt grovkornigt åsmaterial är direkt olämpligt. 6.3.3 Rotationsborrning med omvänd spolning Direktspolningens begränsning till borrning i relativt små dimen­ sioner är huvudanledning till utveckling av den omvända spolnings- tekniken. Skillnaden gentemot direktspolning består främst i att flödespilarna är omvända, se figur 6.32 och jämför med figur 6.16 (direktspolning). Vid omvänd spolning leds således vattnet eller mudden ner i hålet på borrörens utsida och lyfts upp genom borrören för att därifrån via borrhuvud och vattenleka föras ut i sedimentationsbassängen. Då metoden utvecklades användes i princip samma utrustning som den för direktspolning. Man bytte helt enkelt ut borrören till so°o° o o O O ° 6.32 en något större dimension och så sattes slangen för kolvpumpens sugsida till trycksidan och vice versa så att spolningen kunde sugas upp ur borröret och spolas ut i bassängen. Detta förfaran­ de brukar kallas sugborrning. C MAST. EJEKTOR BORRHUVUD HYDRAULMOTOR DIESELMOTOR PUMP BORROR HYDRAULISKT KLAMMER ///=///=///=//7^///=//^///^//z=///^ SPOLBASSÄNG RULLBORRKRONA Rotationsborrning med omvänd spolning. Utrustningen är ofta monterad på lastbil (Malmbergs I Yngsjö AB Figur 6.32 u.å. ). Begränsningen med detta sätt att få upp spolningen är sughöjden. Borrörens längd bör inte vara mer än 3 m, viklet innebär ca 4 m sughöjd vid varje rörs början, för att metoden skall fungera. För att komma från detta problem används numera injektorpumpning 6.33 i allt större omfattning. Genom att i borrören injektera tryck­ luft eller en riktad vätskestråle med jämna mellanrum, lyfts alternativt trycks, spolningen upp genom rören. Ett mindre för- sörjningsrör sitter då fast på själva borrörets yttersida och från detta leder munstycken in i borröret vanligen med 25-50 m mellanrum. Borrören är oftast 5-6" i diameter och skarvas med fl änsar. I övrigt föreligger samma behov av hål väggsstabilisering som vid direktspolning. Användande av mudd som spolvätska är därför lika viktigt och fyller samma funktioner som tidigare beskrivits. Också samma risker för hål kollaps finns då t ex en formation med stort hydrauliskt tryck påträffas under borrning. Det omvända spolningsförfarandet tillgrips vanligen då brunnar i stora dimensioner skall anläggas. Borrning i dimensionen 50-60" är inte ovanligt, normalt rör det sig dock om borrning i 15-30" -klassen. I de mindre dimensionerna används samma typ av rullkrona som vid direktspolningen. Munstyckena har dock ersatts av ett öppet hål så stort att de största kaxbitarna som fås vid nedmalningen kan passera. Vid borrning i jordlager används fingerkrona, se figur 6.17. Hålet till borröret är då ofta så stort att även mindre stenar kan sugas upp. Vid borrning över ca 20" användes s k rymmarkronor, se figur 6.33, där den konventionella trerullskronan fungerar som pilot­ krona. Sidorul1arna rymmer sedan hålet successivt till den slut­ liga dimensionen. 6.34 Figur 6.33 Rymmarkrona för borrning i stor dimension (0. Andersson 1981). Löst lagrade, sten- och blockförande jordlagerformationer ger de största borrningstekniska problemen. Borrmetoden användes sällan för undersökningsborrning. 6.3.4 Hammarborrning Metoden att med kombination av slag och rotation borra sig ned genom ett hårt berg har växt fram vid sidan om sten- och gruvin­ dustrin och då främst för att göra spränghål. Krut började använ­ das vid bergssprängning någon gång under 1500-talet. Till en början användes enkla redskap för håltagningen. Idag är spräng- hålsborrning dominerande inom den tunga borrningen och de utrust­ ningar som används kännetecknas av en långtgående specialisering och effektivitet. I Sverige har den slående roterande borrmetoden 6.35 fått benämningen "hammarborrning". Ibland används termen "tryck- luftsborrning". Eftersom metoden har bäst verkningsgrad i hårda bergarter, exem­ pelvis granit och gnejs, har den under senare år gjort stora framsteg inom brunnsborrningen. Sveriges berggrund består ju till 95% av hårt urberg. Maskiner som är gjorda för eller kan användas till hammarborrning är klart dominerande inom brunnsborrningsbranschen. Inte mindre än 85-90% av de ca 180 rotationsborrmaskinerna är av sådan typ. Häri ingår ca 15-20 utrustningar som också användes för rota- tionsborrning med direktspolning. Figur 6.34 visar det princi­ piella utseendet på ett par utrustningar som används för hammar­ borrning. Figur 6.34 Några utrustningar för hammarborrning (Sandvik Coro- mant/Atlas Copco 1977) Hammarborrning sker enligt två principer. Den äldsta av dessa är när det slående momentet finns inbyggt i borrhuvudet, topphammare Alternativet är en nere-i-hålet-motor, sänkhammare, som alstrar slagrörelsen, se figur 6.35. 6.36 ROTATION ROTATION HAMMARE £l TOPPMATNING i LUFT ROTATION ' TRYCK SLAG I I HAMMARE SANKHAMMARE Figur 6.35 Principen för topp- och sänkhammarborrning (0. Andersson 1981). Utvecklingen av sänkhammaren har gjort att många konventionella rotationsriggar kan användas för hammarborrning. Det är annars det slående momentet som utgör den största skillnaden gentemot rotationsborrning med direktspolning. Upptransporten av kax sker visserligen medelst direktspolning, dvs via borrrören på nervägen och utrymmet mellan borrör och borrhål svägg på uppvägen, men som spolmedel användes nästa alltid luft, ibland med skumtillsats. Hammarborrkronorna är av två typer. Antingen är de utformade med skärande egg, skärkrona, eller också med stiftkrona, se figur 6.36. Både skär och stift består av hårdmetall i olika kvalitet, ju hårdare bergart som skall borras desto slitstarkare legering väljes. Verkningsgraden för de båda krontyperna är tämligen lika. Däremot anses stiftkronan ha en något större livslängd, bl a beroende på att fastsättningen av stift medger användande av slitstarkare hårdmetall än vad fallet är för skärkronan. Skärkronan löds fast medan stiften pressas in i kronhuvudet. Dessutom behöver en stiftkrona inte slipas om lika ofta som en skärkrona. 8 —P2 6.37 Figur 6.36 Hammarborrkronor. A Stiftkrona. B Skärkrona. (Atlas Copco 1976). Kronor finns tillgängliga för borrning från ca 2". Vid borrning med topphammare är det normalt att inte överskrida 5". Sänkham- marborrning däremot är, avhängigt fabrikat, begränsad till 3 5/8" eller 4 1/2" nedåt i dimension. För närvarande finns hamma­ re (nere-i-hålet-motorer) som tillåter borrning upp till 17". S k rymmarkrona är ett alternativ vid borrning i stor dimension. Vid borrningen alstras stötvågor från topp- eller sänkhammaren med viss frekvens. Hammaren drivs av tryckluft. Vid topphammar- borrning fortplantas stötvågen längs borrören ned till kronan. Borrören roterar en viss vinkel mellan varje stötvåg. Vid sänk- hammarborrning alstras stötvågen i nästan omedelbar anslutning till borrkronan. Kontakt mellan borrhål sbotten och borrkrona upprätthålls hela tiden genom att ett visst matningstryck läggs på kronan. På flera utrustningstyper är både matarmotor och rotationsmotor tryckluftsdrivna, men vanligen drivs dessa funk­ tioner av hydrauliska system. Borrkronan påverkar borrhål sbotten på ett komplext sätt. Förenk­ lat beskrivet fås en primär spräckning via stötvågen av det slående momentet samt en sekundär riktad flisning av det roteran­ de tryckande momentet i kombination med slaget. De matematiska härledningar som gjorts av processen visar att slagenergin är den klart dominerande komponenten vid destruktionen. Detta inne- 6.38 bär i praktiken att metoden har störst verkningsgrad vid borrning i hårda och spröda bergarter. Betraktar man energiåtgången i förhållande till avverkningshas- tigheten finner man att sänkhammarborrning har en större verk­ ningsgrad än topphammarborrning. Detta beror på att en viss mängd stötvågsenergi reflekteras och går förlorad vid varje rörskarv på vägen ned till borrkronan. Eftersom sänkhammaren sitter i direkt anslutning till kronan uppträder inte detta vid sänkhammarborrning. Genom att sänkhammaren har högre verkningsgrad fordrar den också mindre mängd luft dvs jämförelsevis mindre kompressor. En annan fördel med sänkhammarborrning är att de borrör som används inte behöver vara av samma höga kvalitet och godstjocklek som erfordras vid topphammarmatning. Borrningstekniskt är styr­ ningen av borrhålet med sänkhammare främst beroende på att tyngd­ punkten ligger nära hålbottnen. Topphammarmatning kan lättare ge upphov till snedborrning, s k deviation. Figur 6.37 visar ett par fall då okontrollerad deviation kan uppträda på grund av geologiska förhållanden. 6.39 borrhål JORDLAGER BERG BORRHÅL SKIFFER DIABAS BORRHÅL BLOCK I MORÀN BORRHÅL HORISONTELL — LAGRING-------- IANS-------- SNEDSTÄLLD/ LAGER Figur 6.37 Exempel på snedborrning till följd av geologiska strukturer (0. Andersson 1981) Trots sänkhammarens till synes många fördelar finns det flera sammanhang där topphammaren passar lika bra eller bättre, bl a vid rutinartad skotthåls- och injekteringshålsborrning. Inom brunnsborrningen och den bergstekniska sidan spelar hammarborr­ ning med topphammare sin största roll som undersökningsmetod. Till metodens fördelar kan bl a räknas att borrning är möjlig i liten dimension (från ca 2") och är därmed mer ekonomisk. Dess­ utom blir ofta proverna av bättre kvalitet än då sänkhammare användes. För att transportera borrkaxet upp ur hålet med luft fordras en viss spolhastighet. Hastigheten går emellertid inte att styra utan att samtidigt inverka på arbetstryck på hammare samt luft­ förbrukning till matningsmotor etc. Val av luftmängd och arbets- 6.40 tryck är därför något som styrs av flera faktorer. Borrsjunk- ningen vid sänkhammarborrning är direkt proportionell mot arbets- trycket, se figur 6.38. Det är alltså fördelaktigt att ligga med ett högt arbetstryck. Detta medför även ett högt spol utflöde, vilket dock är areal beroende. En minsta spollufthastighet av ca 15-20 m/s rekommenderas. Arbetstryck bar*) Borr- sjunkning 150 200 250 300 350 400mm/min Figur 6.38 Nettoborrsjunkning vid olika arbetstryck (Atlas Copco 1976) Trots tillräcklig hastighet kan kax ansamlas vid passager där hastigheten minskar, eller när luften går ut i sprickor och porer. Genom att lyfta krona och hammare så att slagverket stop­ par rusar all luft genom hammaren vilket ger en väsentlig ökad spol 1uftsmängd och därmed också en rensblåsningseffekt. I andra fall kan en instabil hålvägg, förekomst av svällande leror, stora öppna sprickor etc försvåra rensningen. Genom att tillsätta skum såsom beskrivits tidigare (figur 6.28) förbättras chanserna att genomföra borrningen. Stabilisering med mudd är endast tillämpbart vid borrning med topphammare. 6.41 En faktor som starkt inverkar på borrsjunkningen är grundvatten- tillströmningen till borrhålet under borrningens gång. I princip gäller att ju mer vatten som flödar in i hålet ju större del av arbetstrycket går åt att lyfta vattnet ur hålet. Det blir såle­ des mindre och mindre del kvar till själva hammaren. Införandet av hammarborrtekniken har i hög grad förändrat brunns- borrningsmarknaden. Som tidigare nämnts har metoden under sista tioårsperioden successivt ersatt den väl beprövade 1instötmeto- den. En bergborrning som tog månader att borra med linstöt tar endast ett par dagar med hammarborrning. Det är emellertid inte bara tidsvinsten som ligger bakom metodens snabba expansion på marknaden. I hög grad bidrar också hammarborrningens breda använd­ barhet, inte bara inom bergborrningen utan också framgår av nästkommande avsnitt, inom jordborrningen. 6.3.5 OD- och ODEX-borrning Det har alltid ansetts lättare att borra ett hål i berg än i jord. Problemet med borrning genom jordlager är många, vilket baserar sig på att jordlagren är löst lagrade samtidigt som kornfördelningen ofta snabbt växlar både i djup och sidled. Förekomst av block, sten samt flytbenägna jordarter gör det inte lättare. För att få ett stående hål krävs att en hålinfodring görs under eller strax efter borrningen. För bara några tiotal år sedan fanns endast ett sätt att ta sig genom jordlagren, nämligen som rörborrning med 1instötutrustning. Parallellt med utvecklingen av hammarborrtekniken har två svenska företag i samarbete (Atlas Copco - Sandvik) tagit fram en mer eller mindre revolutionerande metod för rörborrning som klarar i stort sett alla typer av jordlager. Ut.veckligen har skett i etapper och inleddes med en metod som fick benämningen OD-borr- ning (från engelskans "Overburden Drilling", vilket betyder jordborrning). OD-utrustningens komponenter framgår av figur 6.39. 6.42 I ■ SLAG ROTATION SPOLUTFLODE HÅLVAGG BORROR BEKLADNADSROR RINGKRONA PI LOTKRON A Figur 6.39 Utrustning för OD-borrning (0. Andersson 1981). Metoden innebär en samtidig nedborrning av dels borrör med skär­ krona och dels ett ytterrör med ringkrona. Borrningen utförs med utrustning för topphammarborrning. Genom att ytterröret kopplas till borrhuvudets roterande moment fås det att rotera under neddrivningen. Slagfunktionen överförs via borrören till skär­ kronan som ligger något djupare än ringkronan och således funge­ rar som pilotkrona. När berget nås kan ytterröret kopplas från borrhuvudet och borrningen fortsätta utan ytterrör som figur 6.40 visar. 6.43 Figur 6.40 OD-borrning genom jordlager med fortsatt borrning i berg. Som spolmedel kan både luft, skum, vatten eller mudd användas. Slagfrekvens, rotationshastighet och matning är liksom vid annan hammarborrning kontrollerbart. Det stora problemet med metoden är det roterande ytterröret. Slagen orsakar en viss packning runt hålet vilket successivt ökar friktionen mot ytterröret. Allt större vridkraft erfordras och till slut är fortsatt borr­ ning omöjlig. Under gynnsamma förhållanden kan dock rörborrning ske till flera tiotal meter. Utrustning finns för rörborrning mellan 2 3/4" och 5". Som en vidareutveckling av OD-metoden lanserades en bit in på 1970-talet ODEX-metoden. EX innebär att jordborrning sker med excenterborrkrona. Denna består av en pilotkrona (vanligen skär­ krona) som avverkar pilothålet och en rymmare som utvidgar hålet samt en styrardel, se figur 6.41. Jämfört med OD-metoden ersätter rymmaren ringkronan. Foderrören behöver därför inte roteras ned. I stället får de antingen följa med ned av egen tyngd eller när friktionen blir för stor drivs de ned med maskinens slagfunktion. 6.44 Till ODEX-kronans pilotdel hör en excentrisk förskjuten lagerdia­ meter omkring vilken rymmaren kan vridas, se figur 6.42. :v nNT" Figur 6.41 ODEX-metoden i princip (Atlas Copco 1975). 1.Pilotkrona 2. Rymmare 3. Styrdel Figur 6.42 1. K rondel 2. Excenterdel 3. Gängdel 4. Styrdel 5. Sildel 6. Rymmare ODEX-utrustningens komponenter i detalj (Atlas Copco 1975). 6.45 Spiral bommarna sluter tätt mot foderrörets innervägg. Under den spiralförsedda styrningen sitter en si1 del. Denna har en avpassad diameter så att utrymmet till beklädnadsröret inte skall tillåta annat än små kaxfragment att passera. Härvid underlättas kax- transporten samtidigt som risken för fastkilning vid upptagning minskar. Rymmaren fälls ut i och tas ur borrläge genom vridning. Under borrningen spolas med luft eller skum. Utloppskanaler för spol- ning finns i såväl pilotkrona som rymmare och s i 1 del. Käxet samlas i spalten mellan sildel och styrning varifrån det trans­ porteras genom spiral bommarna och vidare upp ur borrhålet. Efter det att jordlagren genomborrats kan ODEX-kronan tas upp och bytas till en bergborrkrona för fortsatt borrning, i princip enligt tidigare figur 6.40. ODEX-kronor finns för närvarande i fyra dimensioner, nämligen 76, 115, 127 och 165 mm. Måtten anger dimensionen för fortsatt borrning då foderrören satts. Inom brunnsborrning används ODEX-metoden främst för inklädning av jordlager innan fortsatt borrning i berg. Syftet är då att färdigställa en bergborrad brunn. Inte fullt så vanligt är att borra med foderrör även i berg. I vissa delar av landet förekom­ mer dock grundvattenförande sedimentära bergarter som fordrar inklädning, exempelvis lösa sandstenar. I sådana fall finns möjligheten att ODEX-borra genom den vattenförande formationen för att sedan sätta ett brunnsfilter och slutligen dra upp rören till lämplig nivå. Alternativt kan redan slitsade foderrör använ­ das, se figur 6.43. 6.46 FODERRÖR - LERA ■iS KONTUÇ j < BQRRHALS- UAr. GRUS \BRUNNS- FILTERBERG Figur 6.43 Sättning av förlorat filter efter ODEX-borrning (0. Andersson 1981). 6.3.6 Enkel rördrivning Ett gammalt och beprövat sätt att göra hål i marken är att slå eller stöta ned något form av långsmalt och spetsigt don. Vi känner alla till hur man t ex för hand kan spetta ett hål eller slå ned en påle i marken med slägga. För att denna håltagnings- metod skall fungera krävs att jordlagren är löst lagrade och således kan trängas åt sidan och lämna utrymme för hålet. I modifierad form har den undanträngande borrmetoden fått bety­ delse inom brunnstekniken, inte särskilt mycket som brunnsborr- ningsmetod utan mer vid rekognoserings- och undersökningsborrning Det är därför inte oväntat att de flesta borrutrustningar, som används speciellt för rördrivning, finns hos konsultfirmor och liknande som arbetar med grundvattenundersökningar. Två typer av speciella utrustningar förekommer. Den enklaste och vanligaste består av en fristående s k hejarbock, ursprungligen en geoteknisk utrustning som används vid hejarsondering. En tyngd eller hejare, som lyfts och sedan fritt får falla ned på 6.47 rörändan står för den slagenergi som behövs för att driva ner röret. Hejaren drivs numera normalt med motor. Under de senaste 20 åren har det blivit allt vanligare att övergå från hejare till tryckiuftshammare. I samband härmed har hela utrustningen eller delar av den monterats på terränggående for­ don. Eftersom alla sådana utrustningsenheter är mer eller mindre hemmabyggda är de också av skiftande utformning. Vid sidan av de speciella rördrivningsutrustningarna används ibland 1 instötmaskiner. Det gäller då vanligen drivning av spets­ brunn, jfr kap 3, figur 3.5, i relativt grov dimension. Figur 6.44 visar några olika utrustningar för rördrivning. Rördrivning med hejare eller tryckluftshammare är normalt begrän­ sat till 3" uppåt och 1 1/2" nedåt i dimension. Beroende på främst ändamålet med rördrivning men också geologis­ ka förhållanden samt olika erfarenheter har spetsen och nedre delen av röret olika utformning. Den varierar från helt sluten och spetsformad rörbotten med perforerad nedre rörvägg till helt öppen rörbotten med eller utan perforering, se figur 6.45. Det vanligaste vid rekognoseringsborrning är att driva rör med sluten spets och perforering. Detta förfaringssätt innebär att jordmaterialet först trängs åt sidan av spetsen och sedan tillåts att tränga in genom hålen i rörväggen. Materialen kan sedan hämtas upp med skruv, skopa eller också spolas upp. Det vanligas­ te är att spola upp materialet med tryckluft, figur 6.46. Sven vatten kan användas för att spola upp materialet vilket ibland kanske är mindre praktiskt med tanke på att både tillgång till pump och vatten då erfordras. 6.48 HEJARE LINSTOT Figur 6.44 Några vanliga typer av rördrivningsutrustningar (0. Andersson). 6.49 A B C D O o • $ Figur 6.45 Några olika utformningar av rörets nedre del. (A) öppet rör. (B) öppet rör med perforerad nederände. (C) Sluten spets med perforerad nederände. (D) Hålförsedd spets, s k krysspets (0. Andersson 1981). TRYCKLUFT FRAN KOMPRESSOR SLANS £r—lJ UTBLÅS Figur 6.46 Rörrensning med tryckluft (0. Andersson 1981). 6.50 Rördrivningsmetoden användes huvudsakligen vid rekognoserings- och provtagningsborrning samt vid drivning av observationsrör (mätrör). Metoden är begränsad till jordlager med ringa block- och stenhalt. Bäst fungerar den i isälvsavlagringar (åsar, del­ tan etc). Vissa problem kan uppträda vid borrning i styva sedi­ mentära leror. Borrningsdjup runt 50 m är under gynnsamma jord- lagerförhållanden fullt möjligt. 4.6 Provtagning och annan registrering vid undersöknings- borrning 6.4.1 Bakgrund En undersökningsborrning går främst ut på att provta och dokumen­ tera jord- och berglagren. Provernas kvalitet och möjligheterna till annan dokumentation än provtagning varierar dels med borrme­ tod och dels med den yrkesskicklighet som borrpersonalen besitter Dokumentationen av ett borrhål kan dels ske under borrningens gång genom provtagning, registrering av borrsjunkning, spolför- luster (om vatten eller mudd används), förändringar i spolväts- kans färg och sammansättning, kontinuerlig kapacitetstest, borr­ beteende och annan protokollföring, och dels efter borrningens genomförande genom diverse loggningar och tester i hålet. Figur 6.47 ger en sammanställning av de metoder som står till buds. I det följande skall vi främst uppehålla oss vid den dokumenta­ tion som kan göras under själva borrningen men också något beröra de enklaste loggningsmetoderna. 6.51 REGISTRERING REGISTRERING EFTER BORRNING (REB) UNDER BORRNING (RUB) PROVGENOMGANG (PG) Textur Struktur Mekaniska egenskaper Kemiska egenskaper Fysikaliska egenskaper Hydrauliska egenskaper Vattenbeskaffenhet BORRHALSLOGGNING (BHL) Mekaniskt Kemiskt Geofysiskt HYDRAULISKA TEST (HT) Kapacitetstest Produktionstest Provpumpning Injektionstest Vattentrycksmätning BORRN. PARAMETRAR (BP) Borrdjup Matningskraft Rotationshastighet Vridmoment Spoltryck Beteende PROVTAGNING (PT) Kärnor Kax Spolvätska Vattenprov FLÖDESMÄTNING (FM) Spolförlust Kont. kapacitets- test BORRSJUNKNING (BS) Borrningshastighet Relativt borr­ ning smotstånd Relativt borr- kroneslitage Figur 6.47 Möjliga dokumenteringar under och efter borrning. Pilarna visar registreringarnas relativa räckvidd ut i formationen (0. Andersson 1981). 6.52 6.4.2 Konventionell protokoll föring I stort sett alla brunnsborrare har genom årens lopp fört någon form av borrprotokoll och då i huvudsak för eget bruk. Ett antal större borrningsfirmor har också byggt upp omfattande arkiv. Borrprotokollen är dock av mycket varierande kvalitet. Ibland är uppgifterna ytterst knapphändiga och utan information om jord- och berglager men andra gånger kan de innehålla fylliga beskriv­ ningar av såväl geologi som provpumpningar och vattenbeskaffenhet Från att ha varit en intern angelägenhet har protokollföringen från och med 1976 blivit lagstadgad i "lag om uppgiftsskyldighet vid grundvattenundersökning och brunnsborrning (SFS 1975:424)". I lagtexten sägs bl a att "den som yrkesmässigt utför borrning.. ..i syfte att undersöka förekomst av grundvatten eller att utvin­ na sådant är skyldig att till Sveriges Geologiska Undersökning (SGU) skriftligen lämna redogörelse för arbetet och dess resul­ tat". De borrningsdata som inkommer till brunnsarkivet vid Sveriges Geologiska Undersökning arkiveras dels som kort och dels i dator. De uppgifter man infordrar framgår av protokollexemplet, figur 6.48. Det centrala arkivet fyller flera viktiga uppgifter. Sett ur brunnsborrarens eller grundvattenundersökarens synpunkt är arki­ vet en stor tillgång då det gäller att lokalisera brunnar eller brunnsområden men också för att få förhandsuppgifter inför en borrning. Arkivet är offentligt så var och en kan ta del av innehållet. 9-P2 6.53 BRUNNS- och BORR­ PROTOKOLL Borrningen utförd. Uppgiftsskyldighet enligt SFS 1975:424 Exemplar 1 insänds till Sveriges geologiska undersökning, Brunnsarkivet, Box 2048, 183 02 TÄBY Exemplar 2 kan lämnas till uppdragsgivaren Exemplar 3 behålls av borrfirman SGU:s anteckningar (Ifylls ej) “Brunnsnummer À hk 6 rhstdä tum........................ » Fastighetsbeteckn ing Ort I Länsbokstav i Borrplatsens läge på fastigheten ■J Ägares/Beställares namn Telefon (även rik ii Utdelningsadress gata. nr, box, fack ed) Ortsadress (post Djup under markytan från till Anmärkningar ( färg, släppor m attenförekomst. SGU:s antecknin ar (Ifylls ej) m E E m k t s k m * m Schaktning (från m Borrmaskintyp Borrhålet utgör 1 grävd brunn 1 borrad brunn E E Borrning med rör rrm Borrhål fodrat m 1 stålrör......... ............ mm djup (från-till) m ! Borrning utan rör (från • till) rTTR Hr'»«* .. mm 1 Nej s Totaldjup från m rkytan Tätning mellan foderrör och berg ha □ «^entering extra plaströrsfodring Analysresultat 1 bifogas 4 Höjd • om avvägn1 Röröverkant 1 Markyta möh Brunnens anvand ing (hushåll, indu tri. bevattning m rTT 1 insänds senare Typ av provpump —1 Blåsning —? Flottör- 1 mätning 1 Pumpninq Pumptyp lit/tim Borrdjup Pumpdjup under markytan Pumptid Vattenmängd ytan (räknat från från gen sjönk vatten­ markytan) SGU:s anteck­ ningar (Ifylls ej) £ 1 1 m m tim 1 it/tim m m m tim lit/tim Stabil grundvattenn vå under markytan Datum vid mätningstillfället Mätning av grundvattennivån har sk antal timmar m 1 före pumpnir g I I pumpning . . övriga anmärkningar (sprängning, gasförekomst, saltvatten m m ) 1 ti O m Underskrift SGU* anteckningar (Ifyllt ej) X-koord Top karta Vattenmängd Jordart Y-koord Ekon karta Telefon 08 - 768 02 85 Avsan ning Bergart Z-koord Jordartskarta SVERIGES GEOLOGISKA UNDERSÖKNING Spec kapacitet Övr kartor Berggrundskarta Figur 6.48 Exempel på brunnsprotokoll typ SGU (Modig 1878). 6.54 6.4.3 Provtagning Provtagning vid borrning brukar indelas i ostörd resp störd sådan. Med ostörd provtagning menas att en kärna av jord- eller bergmaterialet stansas ut och hämtas till markytan med någon form av kärnprovtagare. Man får då ett prov från bestämd nivå och med bibehållna strukturer och egenskaper. Inom grundvatten- prospekteringen är ostörd provtagning mycket ovanlig, vilket främst beror på att metoden anses kostsam. Vi måste således i första hand förlita oss på störda prover. Detta innebär att proven som når markytan endast till viss del berättar om hur det ser ut där nere. Egenskaper som lagrings­ struktur, packningsgrad (i jord), sprickighet (i berg), homoge­ nitet etc går förlorade. Oftast får man dock en god bild av kornfördelning i jord samt bergartsfördelning i berg. Provernas kvalitet och representativitet varierar dock avsevärt. Framför allt inverkar borrmetod och sättet varpå borrningen och provtagningen genomförs. (0. Andersson 1981). 6.4.3.1 Provtagning vid 1instötborrning Linstötmetoden anses ge prover med förhållandevis god kvalitet. Förfaringssättet att driva foderrör med samma intervall som rensningen vid borrning i okonsoliderat material, borgar för att proven verkligen representerar rätta nivåer. Mejselns aktivitet nere i hålet gör dock att olika lager, i mindre skala sett, blandas med varandra, varvid lagergränser och andra detaljer i lagerföljdens uppbyggnad suddas ut. Vidare sker en viss söndermalning som är svår att kvantifiera. Generellt uttryckt är denna dock liten vid borrning i löst lagrade forma­ tioner där endast stora partiklar, block och sten, slås sönder, medan nedkrossningsmekanismen är en förutsättning för nedträng- ning vid borrning i hårda formationer. I det sistnämnda fallet består borrkaxet av bergartsfragment. Det är då endast fragmen- 6.55 ten som kan användas för att okul ärt bestämma vilken bergart som genomborrats. Prover tas vanligen med s k sandpump. Denna består i princip av ett öppet rör som vid uppdragning fås att slutas i nederändan med en platt- eller kulventil. Ibland användes kolvpump, se tidigare figur 6.8. I dessa sugs materialet in i röret. För att sandpumpen skall fungera måste borrkaxet vara blandat med vatten till en s k slurry. Detta innebär att vatten måste tillföras borrhålet vid borrning genom torra lager. / ^ 7 - s -/ / V /v " ^ t. C"/[ - Z) V f^/ y(-/ Vt < V / 1 :v' / V\ / / o— -EEZZZZZ —£3—£Zr£T ~^=— ---=~ ~ ~ ~ ~ — /■ ZrZZZZ- d 0 b -----~—TTL ZZZ—Z—ZZZT ~ o ^ » *> •T „ rOg ■ / * ■ r * * r f O’ , _ li ' r . * - • T« 00 , t \ Qr o O« « * - ' * * r ' : ;0 * v Û 9 p c- * 0 c ° rî 0 O O O ö 0 0 o 0 Ocr *■ + 0 0 ° A 0 0 c o t) 0 * ° ° 0 o o O Ci * * 1 ö • O r’ o • A 0 0 0 0 0 0 0 o• 0 • Q l/s v 'm Qs= Q/s Figur 6.76 Enkel kapacitetstest. Specifika kapaciteten = Q/s 1/s'm. Ett sätt att få kapacitetsuppgiften om en viss bestämd nivå i hålet är att med hjälp av manschetter avgränsa det intervall som skall undersökas. Manschetten (-erna) expanderas mot borrhåls- väggen, vanligen med tryckluft i en gummi krans, figur 6.77. Vatten injiceras under bestämt tryck ut i formationen varvid 6.87 fl ödesmängden mäts. Erhållna värden kan sedan användas för att beräkna permeabiliteten enligt K = C —3— L- P-t där K = permeabilitetskonstant C = konstant q = vattenförlust L = mätnivåns längd t = mättiden P = injektionstrycket m/s sortlös 3m m s m vp Konstanten C är bestämd (Moye 1967) till C = l+ln(L/d) 2- h där d = mätvåningens diameter TRYCK-och FLÖDESMÄTARE \✓ A 7ZZZZ A YZTZ, ffimr *— q PUMP V v A 4 y MANSCHETT x d x Figur 6.77 Permeabilitetsbestämning genom vattenförlustmätning i begränsat intervall. 6.88 Vid injektionstester skail märkas att för låga permeabili tetsvär­ den iätt kan fås till föijd av i gensättningar i por- och sprick­ system (positiv skin, se avsnitt 4.3.1). Kvarvarande borrmudd liksom suspenderat material i infiltrationsvattnet måste därför uppmärksammas. Kapacitetstester i övrigt behandlas mer ingående i kapitel 10. 6.89 7 TRANSMISSIVITETSBESTÄMNINGAR Akviferens transmissivi tet är den parameter, som har störst betydelse för avsänkning och kapacitet i en brunn. Följande kapitel behandlar därför olika metoder att beräkna eller uppskat­ ta transmissiviteten i ett framtida brunnsläge. Som inledning ges en översikt av siktanalyser och provtagning och provtagnings- fel. Med utgångspunkt från detta visas hur permeabiliteten kan beräknas med olika metoder. Som avslutning visas hur ofullstän­ diga pumpningsdata kan utnyttjas för en transmissivitetsbestäm- ning. 7.1 Allmänt Transmissiviteten kan definieras som lagerföljdens totala genom- släpplighet: b T = J K(z)dz (4.2) o Vi finner vidare i kapitel 4 att transmissiviteten har avgörande betydelse för hur stor avsänkningen blir i en uttagsbrunn. Thiems brunnsekvation ger: s or (4.4c) Dessa två ekvationer visar två principiellt olika vägar att bestämma akviferens transmissivitet. Antingen genom att bestämma de ingående skiktens permeabili tet och summera eller att genom en provpumpning av något slag bestämma förhållandet mellan uttag och avsänkning och på så vis bestämma T. Det senare kan tyckas möjligt, endast för en färdig brunn och ha begränsad betydelse vid brunnsdimensionering, trots det finns ofta data, som gör en hydraulisk utvärdering möjlig. För brunnar i lösa avlagringar är emellertid en permeabilitetsberäkning för olika skikt från sikt- kurvor den metod som mest kommer till användning, då kontinuer- 7.1 liga jordprov är en förutsättning för att utforma filter och filterrör. 7.2 Siktkurvor Den mest direkta metoden att bestämma kornstorleken hos ett jordprov är genom siktning. Ett torkat representativt prov av jordarten lägges på den grövsta av en serie siktar med olika maskvidd och genom att hela siktsatsen skakas faller kornen ned till den sikt som har så små maskor att kornet inte kan passera. Genom att väga vad som fastnat på varje sikt kan man bestämma hur stor andel av hela provet som har en kornstorlek (fraktion), som ligger mellan maskvidderna på två närliggande siktar. Tabell 7.1 Kornstorleksfördelning bestämd genom siktning. Siktvidd D(mm) Fraktion (mm) Vikt (g) Frekvens Kumulativ procent (%) (Mindre än D) 16 >16 0 0.0 100.0 8 8-16 6 1.4 98.6 4 4-8 10 2.3 96.3 2 2-4 25 5.8 90.5 1 1-2 165 38.1 52.4 0.5 0.5-1 174 40.2 12.2 0.25 0.25-0.5 37 8.5 3.7 0.125 0.125-0.25 10 2.3 1.4 0.074 0.074-0.125 3 0.7 0.7 Rest <0.074 3 0.7 0.0 Tabell 7.1 visar resultatet av en siktning i en standardsiktserie. Som vanligt är ett resultat redovisat i tabellform inte särskilt överskådligt, en grafisk redovisning är vida överlägsen (en bild säger mer än.ord). Ett stapeldiagram 7.2 (histogram) av de olika fraktionerna för samma kornstorleksfördel ning visas i figur 7.1. .TYPFRAKTION KORNSTORLEK, D ( mm) Fig 7.1 Histogram av siktanalys. Ett histogram över kornstorleksfördelningen ger en ganska god bild av hur den är uppbyggd. Den största fraktionen, typfraktio­ nen, kan utläsas direkt och man kan se om fördelningen är sned eller har två toppar, som kan tyda på en blandning av två olika material t ex i en skiktad jordart. Av diagrammets skala framgår att siktarnas masköppningar bildar en geometrisk serie med basen 1,0 mm och kvoten 2 med undantag för den finaste D = 0,074 mm. Orsaken till att man inte väljer jämna intervall efter en aritme­ tisk serie är helt enkelt det stora spann som råder mellan 0,074 mm och 16 mm, mer än tre tiopotenser, samt att kornstorleken oftast följer logaritmiska fördelningar, som lämpar sig utmärkt att redovisa med en klassindelning baserad på en geometrisk serie. 0m siktanalysen redovisas i en kumulativ kurva får vi vad vi i dagligt tal kallar en siktkurva, se figur 7.2. 7.3 KU M UL AT IV % (m in dr e ä n STENGRUSSANDSILT FIN IMELLAnI GROV FIN I MELLAN I GROV GROV 0,0063 0.07A 0,125 0,25 0,5 KORNSTORLEK, D I mm ) Figur 7.2 Siktkurva över siktanalys. Från siktkurvan har vi möjlighet att enkelt bestämma olika para­ metrar som karakteriserar jordarten. Medianen, betecknat Dgg, är den kornstorlek som är vald så att 50% av provet har större korn och 50% mindre, i detta fall Dgg = 0,95 mm. På samma sätt kan kornstorlekar anges som delar provet efter ett visst procenttal, percentil D . Två percentiler, som länge använts som statistiska parametrar för en kornstorleksfördelning är Dgg och D^. På grundval av sitt arbete om permeabiliteten hos filtersand föreslog Hazen (1892) att D^g skulle kallas effektiv kornstorlek. För siktkurvan i figur 7.2 gäller D^g = 0,45 mm och Dgg = 1,1 mm. För att karakterisera kornfördelningen behövs också något mått på spridningen dvs hur väl sorterat materialet är. 0m material från endast en fraktion ingår är jorden välsorterad och siktkur­ van brant, och ju fler fraktioner som ingår desto flackare blir kurvan. Ett mått på kurvans lutning ger således en uppfattning om sorteringsgraden. Genom att kornskalan är uppbyggd som en geometrisk serie kan man använda kvoten mellan två valda percen- 7.4 tiler, oftast U = Dgg/D^Q benämnt olikformighetstalet. För sikt- kurvan i figur 7.2: U = 1,1/0,45 = 2,4. I den övre skalan i figur 7.2 redovisas en annan fraktionsindel- ning än i figur 7.1. Denna indelning är den som i gängse tek­ niskt språkbruk användes för att namnge jordarterna. Fraktions- namnen har mycket gamla anor och jordarten namnges, om det är fråga om sediment, efter typfraktionen, i detta fall grovsand. Om övriga fraktioner har betydande storlek lägges dessa till som ett adjektiv före typfraktionen, t ex grusig sand. I siktdiagrammet finns angivna finkornigare fraktioner än den finaste sikten i en siktsats, 0,074 mm, som motsvarar de finaste korn, som går att skilja åt med torrsiktning. För silt och lera måste andra metoder användas, t ex pipett- och hydrometeranalys. Inom brunnstekniken har detta inte så stor betydelse då dessa jordar har mycket låg permeabilitet. I det fall en jord med hög finjordshalt skall tas med i en analysserie är det oftast till­ fyllest att göra en våtsiktning av material mindre än 0,074 mm innan torrsiktningen utföres. Med denna metod får man en nog­ grann siktkurva för grovfraktionerna. 7.3 Provtagning och provtagningsfel I kapitel 6 redovisas hur borrning och provtagning går till vid olika förfaranden. Innan vi går vidare med olika metoder att beräkna permeabili teten är det nödvändigt att veta något om provernas kvalitet och de systematiska provtagningsfelen. Perers (1973) har gjort en studie av olika provtagningsmetoder i en glacifluvial avlagring i Skåne. Som referensmaterial användes en ostörd slangkärna med 28 m längd. Denna provtagningsmetod är av kostnadsskäl inte möjlig att använda vid rutinmässiga under- sökningsborrningar. Som jämförelse utfördes provtagningar med olika provtagningsspetsar och luftspolning, perforerade rörspet- 7.5 sar och spolprov från rotationsborrning. Några exempel visas nedan. SAND GRUS STEN GROVMELLAN GROV SLANG KÄRNA ÄNDHÅL KORNSTORLEK ( MM ) Fig 7.3 Olika provtagningsmetoder 2 - 5 m. Figur 7.3 visar provtagning i ett sandigt material med olika provtagningsspetsar. Som framgår av figuren har de med andhål störst noggrannhet medan sidhål ger en överrepresentation av grovt material. Spolning har skett med luft. 7.6 STENGRUSSAND MELLAN GROV GROV SLANG­ KÄRNA \ ANDHÅL <_> 60 I / SIDOHÅL § 20- KORNSTORLEK (MM Fi g 7.4 Olika provtagningsmetoder, 6 - 8 m. Nästa provserie visar ett liknande material men med ett si 11- skikt omkring 6,5 m. För det grövre materialet gäller samma slutsatser som i det förra provet, men silten saknas helt i proven från rörborrningarna. Orsaken är sannolikt att finmate­ rialet följt med det uppblåsta vattnet vid dekanteringen innan provet förpackats. 7.7 STENSAND GRUS GROVMELLAN GROV PERFORE SPETS 8mmy 'SLANGK.ARNA 0,06 0,2 0,6 2 6 20 KORNSTORLEK ( MM ) Fi g 7.5 Olika provtagningsmetoder, 21 - 24 m. Figur 7.5 visar en jämförelse mellan slangkärnan och en perfore­ rad spets, 0 8 mm. Siktkurvorna visar en underrepresentation av grovkorningt material som helt enkelt beror på att perforeringar­ na är för små att släppa in det största kornen. I den finkorniga delen stämmer kurvorna väl. Spolning har skett med luft. STENGRUSSAND GROV GROVMELLAN SLANGK.ARNA / SP1LPR0V FWN / ROTATIONSBt RRNING KORNSTORLEK (mm) Fig 7.6 Olika provtagningsmetoder, 19 - 21 m. 7.8 Den sista kurvan visar en jämförelse mellan rotationsprov och slangkärna. I detta prov är förlusten av finmaterial än mer accentuerad. De sammanfattande rekommendationerna från dessa provserier är att provtagning i jordlager bör ske med rörborrning med provtag- ningsspets. Hålen i spetsen bör vara riktade nedåt och inte vara större än att passerande material kan transporteras upp mellan spolslang och rörvägg (ca 20 mm). Spolning bör ske med luft. För övriga provtagningssätt bör man vara medveten om risken för finmaterialförlust vid vattenspol ning och risken för krossning av material vid andra borrmetoder. 7.4 Permeabilitetsformler Många försök har gjorts att från siktkurvor beräkna jordartens permeabil itet. En dimensionsanal.ys av permeabilitetskonstanten anger också att detta borde vara möjligt: K = C D2 • 1 (4.1) y ?Den specifika permeabili teten CD“ är sammansatt av en formfaktor C och en karakteristisk längd D, t ex kornstorlek e d, som man i de enklaste fallen direkt kan få ur en siktkurva. Formfaktorn C beror bland annat av packningsgrad, porositet, kornform m m enligt ofta ganska komplicerade samband och man har använt olika ansatser för att bestämma C empiriskt. Problemet med formfaktorn har också gjort att noggrannheten hos olika permeabilitetsform­ ler varit dål ig. Den första fungerande och fortfarande allmänt använda permeabili- tetsformeln ställdes upp av Hazen (1892) efter försök på filter- sand och bygger på ovanstående resonemang: 7.9 (7.1) K = 0.01157 D102 (m/s) D60/D10 - 5’ tenip 10°c* Dio (mm) Formeln gäller således i välsorterade jordar vid en temperatur av 10°C och tar ej hänsyn till packning, provtagningsfel o d. För sanden som representeras av vår siktkurva (fig 8.2) kan permeabili teten beräknas till: K = 0,01157 / 0,452 = 0,0023 (m/s). D60/D1Q = 2,4 vilket ligger väl inom formelns giltighetsområde. 0m man har tillgång till ett stort material av jordprov som analyserats för brunnsdimensionering och där sedan brunnar byggts och provpumpats kan man ställa upp en permeabilitetsformel med något bättre noggrannhet. Med utgångspunkt från sådana data har Gustafson (1982) visat att den sannolika permeabili teten, K^q, för en jord representerad av en siktkurva kan beräknas som: K = E(U) • D20 (7.2a) U = D60/D10 (7.2b) Där funktionen E(U) uttryckes genom följande samband: , 3 . E(U) = 10.2 • 10ö • -5— • -J- 1+e g2(U) e = 0,8(—- --- J-) 21nU U -1 (7.3a) (7.3b) (/.3b) 7.10 g(u) = 1.30 (7.3c) log(U) I figur 7.7 redovisas funktionen E(U) i diagramform. E ( U ) 0 5 10 15 U Fig 7.7 Funktionen E(U). För att kontrollera precisionen hos en formel av ovanstående typ måste en statistisk analys av grunddata utföras. I figur 7.8 redovisas en plottning av beräknade specifika transmissiviteter ställda mot de vid provpumpningarna uppmätta. 7.11 BE RÄ KN AD SPE CI FI KT R AN SM I S S! V IT E T ( m 2) in OO o UPPMÄTT SPECIFIK TRANSMISSIVITET (nv Hg 7.8 Konfidensintervall för beräknade transmissiviter. Vi finner här att de beräknade transmissiviteterna fördelar sig jämnt kring linjen T = T . Vi finner vidare att 80% av de beräk- s p nade värdena är större än 0,49'Kgg = Kqq och 90% sannolikhet för att när det överskrides ger Kgg = 0,32'KgQ. Tillämpat på det jordprov som redovisas i figur 7.2 erhålles: D10=0,45'10_3m, Dg0=l ,l‘10”3m, U=l,1/0,45=2,4 e=0,8 (- = 0,2888 2-1 n2,4 2,4-1 g(U)= 1’3-0... . = 3,366 log 2,4 2,41 12—P2 7.12 e 7 • As sw w Med denna formel kan således ett minsta värde för transmissivi- teten för en gammal brunn erhållas. Metoden är viktig då det kan tillämpas även där normala permeabilitetsformler inte gäller, t ex i sedimentär berggrund. En varning är emellertid befogad, då avståndet till den nya brunnen inte får vara för stort, för att detta T-värde skall gälla. 7.15 BRUNNSUTFORMNING Följande kapitel ger grunderna till hur en filterbrunn dimensio­ neras. Som inledning visas hur filter och filterrör fungerar och vilka kriterier som styr valet av olika material och brunnsrör. Därefter ges praktiska råd och anvisningar för hur brunnar skall utformas i olika typer av formationer. Som avslutning visas med ett exempel en lämplig dimensioneringsgång. 8.1 Filtret Filtrets uppgift är dels att hålla ute formationens finkorniga delar från brunnen, dels att tillåta vattnet passera från akviferen in i brunnen. Filtret kan byggas upp av grus eller sand som tillföres i samband med borrningen och kallas då grusfilter. Grusfiltret för okonsoliderade formationer har större kornstorlek än formationsmaterialet, se fig 8.1. FILTERRÖR FORMATION grusfilter/ Fig 8.1 Grusfilter Om filtret utvecklas ur formationen genom renspumpning talar man om ett formationsfilter, se fig 8.2. 8.1 filterrör formation )V . 0 Fig 8.2 Formationsfilter. Filtret stöder mot filterröret som är en del av brunnsröret. 8.1.1 Filtrets verkningssätt Om sfärer packas pä tätast möjliga sätt kan man med enkel geometri bestämma den största passagen för ett korn genom porsystemet till r = 0,155 R. Den glesast möjliga packningen ger på motsvarande sätt r = 0,414 R. 8.2 r = (V2 - 1 ) R GLES PACKNINGTÄT PACKNING Fig 8.3 Största möjliga passage vid olika packning. För att hindra ett korn passera filtret bör filtrets kornstorlek således väljas 2,4 - 6,5 gånger större än formationsmaterialets. Fig 8.4 visar en undersökning av filteregenskaper, som utförts inom petroleumindustrin. i » ±Z 0.2 18 20 Fig 8.4 Grusfiltrets permeabilitet vid olika förhållanden mellan filtrets och formationens kornstorlek. 8.3 Figuren visar att grusfiltrets permeabilitet är konstant upp till en kornstoriekskvot Df/D5g =5-6. För högre värden reduceras filtrets permeabili tet på grund av att formationsmate­ rial tränger in i filtret. Kvotens värde stämmer väl överens med det teoretiskt beräknade. Permeabilitetssänkningen i grusfiltret kan radikalt sänka brunnens kapacitet och det är därför bättre att välja ett något för finkornigt filtergrus än ett med för stora korn. Speciellt viktigt är detta för filterrör med fast grusmantel eller om man av andra orsaker har svårt att renspumpa brunnen. Vid mycket stora kornstorlekskvoter ökar filtrets permeabilitet igen men formationsmaterialet passerar fritt. Det senare utnyttjas i vissa fall i brunnar i sandsten där filtret skall hindra bergartsbitar att falla i brunnen men tillåta det fåtal korn som kan lossna från fragmenten att passera genom brunnen och ut. Filtret benämnes då formationsstöd. 8.1.2 Val av filtertyp Om akviferen är uppbyggd av ett välsorterat material, Dgo/D10<2,5, bör man välja en brunn med grusfilter se fig 8.5. 8.4 GRUSFILTER FORMATIONS­ FILTER Fig 8.5 Val av filtertyp från siktkurva. För material med sämre sortering är det möjligt och lämpligt att genom renspumpning bygga upp ett filter ur formationsmaterialet, formationsfilter. Detta fordrar emellertid filterrör med stor inströmningsarea för att göra renspumpningen möjlig. 8.1.3 Dimensionering av grusfilter Grusfiltrets kornstorlek väljes med en kornstorlekskvot D^/D^q = 4,5 - 5,5. Det lägre värdet väljes i mycket välsorterade jordar medan något större kvot kan tillåtas om formationsmaterialet har sämre sortering. Filtergrus och filtersand finns att få i standard-kornstorlekar och filtrets Df5Q väljes mindre än det lägsta som beräknats för den del av lagerföljden som skall täckas. 8.5 Tabell 8.1 Kornstorlekar hos standardfi 1tergrus D^(mm) Df50 0,7-1,2 0,9 1,5-2,0 1,7 2,0-3,0 2,4 3,5-5,0 4,2 5,0-7,5 6,1 Då den största kornstorleken hos filtergruset som går att få är 5,0-7,5 mm kan i extremt grova jordar den ovan angivna kornstor- lekskvoten inte hållas. Bieske anger därför en mjuk övergångs- kurva i siktdiagrammet (kennkornl inie), där skärningspunkten mellan denna och siktkurvan för materialet ersätter D™ i60 kornstorlekskvoten ovan. Grusfiltrets tjocklek bör väljas mellan 70 och 100 mm. Ett alltför tunt grusfilter kan medföra att brunnen ger sand och ett för tjockt grusfilter kan medföra svårigheter vid renspumpningen. Inflödeshastigheten får ej vara högre än att laminära förhållan­ den råder i filtret. Någon möjlighet att bestämma hastigheten i detalj finns inte utan bruttohastigheten, vf=Q/Af över filterrö­ rets mantelyta användes, övergången från laminärt till turbulent flöde styrs av Reynolds tal. 0m beräkningen baseras på filter­ grusets effektiva kornstorlek (D^q, undre fraktionsgräns) gäller följande villkor: R e p vf Dfl0 y < 10 eller för vatten vid 10°C vf < 0,013/Dfl0, vf(m/s), (mm) (8.1a) (8.1b) 8.6 ti x L x 0 D Q/Af 0,013 /Df10 Jt- OD -* Fig 8.6 Beräkning av högsta hastighet i grusfiitret. 8.1.4 Dimensionering av formationsfilter Formationsfiltrets kornstorlek regleras av slitsöppningarna i filterröret. Slitsarna väljes med hänsyn till formationens material, se fig 8.7 Fig 8.7 Valkriterier för slitsöppningar vid formationsfilter. 8.7 Ett osorterat material medger större slitsöppningar än ett välsorterat. I tabell 8.2 sammanfattas val kriterierna. Tabell 8.2 Valkriterier för slitsöppningar vid formationsfilter Ojämnkornighetstal D60/D10 - 2,5 2,5 £ D60/D10 - 6 SIitsöppning t = D t = D 40 60 t = D70 Hastigheten i formationsfiltret får ej vara så hög att turbulen- ta förhållanden råder. Den effektiva kornstorleken i formations­ fil tret motsvarar i stort sett slitsarnas öppning då de finare kornen renspumpats bort och ekvation 8.1b modifierats till: vf £ 0,013/t (8.1c) Som tidigare nämnts ställs stora krav på filterröret om ett formationsfilter används. Dessa krav kan för kontinerlig drift endast uppfyllas av filterrör med kontinuerlig slits. 8.1.5 Perforering i spetsrörbrunnar Spetsrörbrunnar används ofta vid tillfälliga grundvattenuttag: provpumpningar, wel1-pointsystem o d. En spetsrörbrunn fungerar i princip på samma vis som en formationsfilterbrunn och dimen­ sioneras därför på motsvarande sätt. Genom att spetsrörbrunnarna ofta har tillfällig karaktär och att perforeringen utgörs av runda hål där materialet stänger bättre än kring en kontinuerlig slits kan stora öppningar tolereras. Håldiametrarna väljes därför till 0 = DgQ - D% för material med D60/D10 > 2,5. För mer välsorterat material bör spetsrörbrunnar användas med försiktighet, då man ofta annars får problem med sandpumpning. 8.8 8.2 Filterröret Filterröret är den del av brunnsröret, som har öppningar som tillåter vattnet att passera in i brunnen. Mot filterröret stöder filtret oavsett om det är ett grusfilter eller ett formationsfilter. Detta medför att filterröret liksom brunns­ röret i övrigt måste ha en viss hållfasthet. Många olika filter- rörstyper har sett dagens ljus och vi inleder därför en kort redogörelse för olika typer av rör och hur de uppfyller de krav, som kan ställas. 8.2.1 Olika typer av filterrör De filterrör, som finns i marknaden, är av två huvudtyper. Antingen består de av ett rör av metall, plast eller trä, som perforerats eller sågats upp för att ge slitsar eller också byggs röret upp av en kontinuerlig metall profil som svetsats till ståndare och på så vis ger en kontinuerlig slits. Rören- av den första typen brukar underindelas efter hur slit­ sarna utformas. Några exempel visas i fig 8.8. RAK SLITS V-SLITS JALUSISLITS ÖVERBRYGGAD SLITS Fig 8.8 Olika typer av slitsperforering. 8.9 Filterrör med kontinuerlig slits byggs upp av en metal 1 profil, som lindats kring ståndare eller en perforerad rörstomme. Profilen är oftast trekantig med basen utåt. Vid lindningen svetsas profilen till ståndarna och bildar ett styvt rör. Fig 8.9 Filterrör med kontinerlig slits. Filterrörets slitsöppning, t, anger det minsta måttet i varje slits. Perforationen, f, anger kvoten mellan slitsarnas totala dagöppningar och filterrörets mantelyta. 8.2.2 Filterrörets hydrauliska egenskaper Klotz (1969-75) har genomfört en stor undersökning av de hydrau­ liska egenskaperna hos olika filterrörsfabrikat som förekommer i handeln. Studien har syftat till att i detalj bestämma rörens permeabilitet för att kunna förutsäga resultat av enhålsförsök med spårämnen. Försöken har också givit möjlighet att bestämma flödesförhållandena i slitsarna och vid vilken inträdeshastighet inflödet övergår till turbulenta förhållanden, se fig 8.10. 8.10 Pe rfo ra tio n , p Kr itis k sl its ha st ig he t vc (c m /s ) SLITSVIDD, t(mm) 0 2,0 SLITSVIDD ,t (mm) -+— Överbryggade slitsar, godstjocklek 6mm -A- Kontinuerlig slits , <2 50mm -o- Raka slitsar, plastfilterrör Data efter klotz Fig 8.10 Kritisk slitshastighet och perforation för olika typer av filterrör. 8.11 Som framgår av det övre diagrammet har rören med kontinuerlig slits den överlägset högsta övergångshastigheten från laminära till turbulenta förhållanden. Denna typ av rör har också den största Perforationen, vilket ytterligare visar rörtypens överlägsenhet. En av de ledande tillverkarna av filterrör med kontinuerlig slits, Johnson Division, UOP, rekommenderar en högsta hastighet av 3 cm/s i slitsarna vilket synes ligga betryggande under gränshastighen. För övriga rörtyper kan knappast högre hastighet än 1 cm/s rekommenderas. 8.2.3 Filterrörets renspumpningsbarhet Under renspumpningen finns inget krav på laminära fl ödesförhål - landen, tvärtom önskar man maximal omrörning av filter och formation för att bryta ned igensättningar av borrhål!sväggen och dra ut finmaterialet. Perforationen har däremot avgörande betydelse och om rensning med jetspolning utföres fordras fri passage ut mot formationen, se kapitel 9. Slitsarnas utformning har också stor betydelse för renspumpnings- barheten. Det är viktigt att slitsarna vidgas inåt för att inte korn skall fastna i den och initiera ytterligare igensättningar, se fig 8.11. RAK SLITS V-SLITS KONTINUERLIG SLITS Fig 8.11 Igensättning i slitsarna 8.12 V-sTits ger således möjlighet att renspumpas och ta upp material med kornstorlek upp till slitsvidden. 8.2.4 Filterrörets hållfasthet Ett brunnsrör skall dimensioneras för att tåla dels de påkän- ningar som det utsätts för vid montering och renspumpning, dels de jord- och vattentryck, som verkar på det under drift. Varje filterrörstillverkare ger olika hål 1 fasthetsparametrar för sina rör och följande kan vara värt att beakta: - Draghållfastheten, har störst betydelse vid montering eller om filterröret skall hängas i brunnsröret. Röret skall minst tåla sin egen vikt. Framförallt vid långa brunnsrör kan draghållfast- heten vara kritisk. - Rörets kollapstryck, har störst betydelse för de täta delarna av brunnsröret, se fig 8.12 ? K Akvifer '7.W- Akvifer 1 2 Fig 8.12 Hydrostatiskt tryck på brunnsröret. 13-P2 8.13 Om brunnen penetrerar flera akviferer, och vatten endast tas från en av dem, kan tryckskillnader uppstå mellan rörets in- och utsida. Jordtrycket byggs upp till ett begränsat värde, som sedan inte växer med djupet. En god regel är att hela brunns- röret skall tåla ett tryck utifrån motsvrande det hydrostatiska vattentrycket i vila. - Slaghållfasthet, för att tåla tryck och stötar vid montering, renspumpning och underhåll. Även pumpstarter och -stopp kan ge slag på brunnsväggen. Speciellt plastmaterial kan ha låg slag­ hållfasthet. 8.3 Brunnar i olika formationer 8.3.1 Grusfilterbrunn i grovsediment Lämplig brunn i grovkor­ nigt material. Stor borrningsdiameter medför begränsning av djupet. Ger god plats i brunns- röret för pumpar och andra installationer. Inga speciella krav på filterröret. —~*r7Z Genomborrat- material £2.5 OD **| Grusfilter Fi g 8.13 Grusfilterbrunn i grovsediment. 8.3.2 Formationfi1terbrunn -x~^r-r Fig 8.14 Formationsfilterbrunn. 8.3.3 Formationsfilterbrunn Lämplig brunn i de flesta sammanhang. Diametern anpassas efter installa­ tioner och pumpar. Kräver ett filterrör med kontinu­ erlig slits. Stora krav på renspumpning. förlorat filter. ///sr///=//æ Borrör Tätmanschett Fi Iterrör En variant på föregående. I vissa fall kan det vara lämpligt att lämna borröret som brunnsrör, speciellt vid små brunns- diametrar, då detta ger bättre plats för pumpar o d. Fig 8.15 Formationsfilterbrunn med förlorat filter. 8.15 8.3.4. Olika konstruktionsdetaljer 60cm eller 2.5 OD Då akviferen överlagras av finsediment måste tillräcklig sträcka blankt rör lämnas över filterröret. Vid rens- pumpning sker alltid sättningar i filtret, som kan medföra att det finkorniga materialet rasar ned mot filterrö­ ret. Fig 8.16 Anslutning mot finsediment. >—QQ ^ Tätmassa o ° 2.5 OD För en grusfilterbrunn måste en tätning läggas mellan brunnsrör och finsediment. Avståndet till filterröret bör även i detta fall vara 2,5 x OD eller minst 60 cm. Fig 8.17 Anslutning vid grusfil terbrunn. 8.16 60 cm Fig 8.18 Ändring av slitsvidd. Om ett finkorn i gare material överlagrar ett gröve och olika slitsvidd användes bör inte de grova slitsarna dras upp närmare än 60 cm från skiktgränsen. Slitsöpp­ ningen i det undre skiktet bör ej vara större än två gånger slitsvidden i det övre. Borrör Tätmanschétt. •" Filterrör OD Finsediment > 2.5 OD Akvifer —t; X K TT En brunn i ett tunt sandlager under finsedi­ ment bör utföras med förlorat filter, för att störa lagergränsen så litet som möjligt. Renspumpning bör utföras försiktigt. Fig 8.19 Brunn under finsediment. 8.3.5 Brunnar i sedimentära bergarter Brunnar i berg, är ofta inte möjliga att dimensionera. Ett undantag är sedimentära bergarter där man av erfarenheter från närliggande brunnar ofta har en god uppfattning om akviferens transmissivitet och hur en brunn skall utformas. Nedan ges tre exempel. 8.17 y/rrmr I Jord lager ^/Cementtätning < /A Sprickzon I fast berg kan borrhålet lämnas utan fodring. Detta är den vanligaste brunnen i urberg och kalksten. Tätningen mellan berg och jord är viktig och sker enklast med cementinjektering. Fig 8.20 Brunn i konsoliderade bergarter. Trr^ Foderrör ementtätning erforeratrör I sprickigt och sprött berg, t ex kvartsitisk sandsten, lossnar ofta bergartsbitar från borrhålsväggarna. För att hindra att dessa bitar faller in och kilar fast pumpar o d kan man fodra brunnen med ett perfore­ rat rör. Perforeringarna väljes stora, ca 0 10 mm. Fig 9.21 Brunn i sprickigt berg. 8.18 I sandsten kan det vara Formationstöd lämpligt att stödja formationen med ett formationsstöd. Detta bör tillåta sandstenens enskilda korn att passe­ ra, > 15 Dgg (se fig 8.4. I löst konsoliderad sandsten dimensioneras som för lösa jordlager. Fig 8.22 Brunn i sandsten. 8.4 Dimensioneringsgång Följande avsnitt redovisar en lämplig dimensioneringsgång för filterbrunnar i jordlager. För att göra det gripbart illustreras proceduren med ett exempel. Grunddata för exemplet redovisas i tabell 8.3. 8.4.1 Dimensionerande mängder och avsänkningar Två problemställningar finns, antingen att dimensionera en brunn med önskad kapacitet, Q- eller att dimensionera en brunn med maximal kapacitet, Qmax, vid en största tillåten avsänkning, s^^^ I båda fallen är det nödvändigt att få en rimlig uppfattning om förhållandet mellan maximal avsänkning och maximalt uttag för att kunna bestämma brunnens geometri. Med utgångspunkt från Thiems brunnsekvation (4.4c) erhålles: A) Unskad kapacitet, sw Q ö 2ttT w (8.2) 8.19 Som T-värde användes Tqq eller om någon annat transmissivitets- uppskattning använts, ett T-värde som reducerats med en rimlig säkerhetsmarginal. För att kompensera för ökad avsänkning orsakad av att brunnen blir ofullständig o d ökas preliminära dimensionerande avsänkningen med 50 % , sdim=l,5 • sw Influensradien, Rq, Väljes normalt till 1 000 m om inte andra data motiverar något annat. Brunnsradien skattas i förhållande till önskad kapacitet. 8.20 Tabell 8.3 Grunddata för dimensioneringsexempel a) Borrprotokoll: Provtagningsspets 0 50 mm. Luftspolade prov Djup (m) 0,0- 7,0 Genomborrade jordlager Vattengenomsläpplighet sandigt grus 7,0- 9,0 (grusig) sand 9,0-10,0 sand god 10,0-14,0 (grusig)siltig sand god 14,0-16,0 grusig sand mycket god 16,0-20,0 sand II 20,0-21,0 sil ti g sand mindre god Marknivå +65,,4 m, grundvattennivå + 57 ,20 m. b) Siktanalyser Djup (m) («) °ä) (Â) D60/D10 -3K' ,('10 m/s) CIO" 6- 7 0,35 4,5 1 Ovan grundvattennivån 7- 8 0,25 0,83 1 II 8- 9 0,16 0,45 1 2,8 0,42 0,42 9-10 0,12 0,22 1 1,8 0,24 0,66 10-11 0,125 0,60 1 4,8 0,22 0,88 11-13 0,70 2,5 2 3,6 7,66 16,20 13-14 0,14 1,6 1 11,4 0,17 16,37 14-15 0,30 1,1 1 3,7 1,40 17,76 15-16 0,45 1,1 1 2,4 3,40 21,17 16-17 0,32 0,98 1 3,1 1,66 22,83 17-18 0,20 0,63 1 3,2 0,65 23,48 18-19 0,17 0,45 1 2,6 0,48 23,96 19-20 0,19 0,60 1 3,2 0,58 24,54 20-21 0,08 0,37 1 4,6 0,09 24,63 IIOCO , • 0,49 T80 = o, 012 m2/s c) Vattenkvalitet Färg 10 mg/l Pt nh4 < 0,01 mg/l Grumlighet Ingen N0j HCO, 0,02 II Lukt Ingen 88 II Bottensats Ingen Cl J 28 II pH 7,1 Ca 30 II Ledningsförmåga 250 vS/cm Mg 6 II Permanganatförbr 5 mg/l F 0,5 II Fe 0,14 mg/l Mn 0,05 II 8.21 B) Största tillåten avsänkning, s -j still ‘ 2ttT Qmax ” In RQ/rw (8.3) Även i detta fall användes Tgg eller motsvarande. För att kompensera för konstruktionsdetaljer väljes Qd ■ 30 % lägre än beräknat värde, Illa a Exempel: Brunnen skall dimensioneras för en kapacitet, = 25 l/s. Med transmissivi teten Tgg = = 0,012 m^/s erhålles: ■ s,. = ML. In MO, 2,82 m 2tt -0,012 0,2 För dimensioneringen ökas denna till sdim = 2>82 ' M = 4’3 ™ 8.4.2 Brunnsdiameter och filtertyp Brunnsdiametern väljes främst med hänsyn till de pumpar och installationer, som skall finnas i den färdiga brunnen. Kapaci­ teten påverkas endast obetydligt, då avsänkningen är beroende av logaritmen för brunnsradien. 0m Theims brunnsekvation (4.4c) tillämpas erhålles följande samband vid en fördubbling av brunnsradien. s = w In2ttT JM 2-rrT ln «I = Qo ln R /2r o' w ln R /r o' w (8.4a) (8.4b) 8.22 (8.4c)R = 1000 m r, = 0,2 m =* Q, = 1,09 (5 0 W 1 En dubbling av brunnsradien innebär således en kapacitetsökning med knappt 10% vilket i de flesta fall inte kan motivera den kostnadshöjning, som följer av dimensionsökningen. Med hänsyn till pumpstorleken ges följande rekommendationer för brunnsrörsdimensionen i Manual of Water Well Construction Practices, EPA-570/9-75-001. Tabell 8.3 Brunnsrörets diameter vid olika pumpkapaciteter. Kapacitet, Q(l/s) Brunnsrörets diameter, (mm) 0 - 6,0 150 ID 4,5 - 10,5 200 ID 9,0 - 24,0 250 ID 21,0 - 36,0 300 ID 36,0 - 78,0 400 0D 78,0 - 108,0 500 0D 108,0 - 180,0 600 0D 180,0 - 270,0 750 0D ID = Innerdiameter 0D = Ytterdiameter Filtertypen väljes med hänsyn till materialets sorteringsgrad. För material med ojämnkornigheter Cgg/D^g — 2,5 v^Jes forma­ tionsfilter och för mer välsorterat material ett grusfilter, se 8.1.2. Exempel: Brunnens kapacitet skall vara 25 l/s. Enligt tabell 8.3 väljes brunnsrörets ytterdiameter (0D) till minst 300 mm. 0 400 är en vanlig borrningsdiameter och för att hålla kostnaderna nere väljes en filterdiameter 8.23 som passar inuti borrningsröret. Närmaste dimension under borrningsröret är 14 1" med ytterdiametern 360 mm 0D. Enligt tabell 8.3 har alla jordprover utom 15 - 16 m D6o/D 10 ^ 2’5' F°r cJetta Prov gäl Ier D60^D10 = men provet är jämförelsevis grovkornigt varför vi väljer ett formationsfilter. 8.4.3 Filterrörets längd och slitsvidd Riktlinjerna för slitsvalet ges i avsnitt 8.14. Filterrörets längd måste väljas så att avsänkning ned i filtret ej sker (se kapitel 5.3.6) och att den kritiska inflödeshastigheten ej överskri des. Se 8.2.2. Detta kan medföra att filterlängden måste passräknas fram mot de begränsade faktorerna. Exempel: Den dimensionerande avsänkningen har bestämts till s^^ = 4,3 m. Om pumpen sättes ovanför filterröret bör man ha ytterligare en meter tillgodo för dess intags- sil. Detta innebär att filterröret bör avslutas uppåt på nivån: 57.2 - 4.3 - 1 m = +51,9 m eller 13,5 m under markytan. Nedåt avslutas filterröret 20 m under markytan då det understa skiktet är finkornigt. Filterrörets längd blir då 6,5 m. Slitsarna väljes till t = Dgg för det dimensionerande skiktet 18 - 19 m, Dgg = 0,45 mm. Närmaste standard­ slitsar är 0,37 mm och 0,5 mm. Omkringliggande skikt är grovkornigare, varför vi väljer t = 0,5 mm. 8.4.4 Kontroll av inflödeshastighet i filter och filterrör Flödeshastigheten i filtret styrs av Reynolds tal, se 8.1.3, och inflödeshastigheten i slitsarna skall vara mindre än vc = 0,03 m/s, se 8.2.2. 8.24 Exempel: Filtrets mantel yta ar Af = ir OD 2 T 0,36 = 7,35 m . Filterhastigheten ar: Q ö L = ir • 0,36 * 6,5 vf ' A, 0,025 7,35 = 0,003 m/s. Med hänsyn till Reynolds tal gäller: vf < 0,013/Dfe = 0,013/0,5 = 0,03 m/s. Detta villkor är därmed inte begränsande. Filterrörets perforation är f = 0,18 (tillverkarens katalog). Hastigheten i slitsarna kan dä beräknas till vt = Qö /Af • f = 0,025/ 7,35 • 0,18 = 0,019 m/s. Detta är ej heller begränsande. 8.4.5 Kontroll av avsänkningen Avsänkningen i brunnen måste nu kontrolleras för att se att inte filtret kommer att torrläggas. Beräkningen utföres med korrektion för pseudoskinfaktor. I öppna grundvattenmagasin korrigeras även för avtagande mäktighet, se kapitel 4. s.. = J— (ln ^ + y + cV w 2ttTo J (ln Ro/rw} 2 28VV (8.5a) (8.5b) Pseudoskinfaktorn kan bestämmas med utgångspunkt från brunnens slankhet, X = b/r , och penetration, p = l/b, se figS.23. w 8.25 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10 P Fig 8.23 Pseudoskinfaktor. Efter Brons och Marting (1961). I en heterogen formation väljes penetrationen som kvoten mellan transmissiviteten hos den del av formationen som täcks av filterröret, T , och den totala transmissiviteten. sc Exempel: Formationens mäktighet b = hQ = 21 - 8,2 = 12,8 m. Brunnens siankhetstal: \ = b/r = 12,8/0,18 = 71,1 Tsc = (24,54 - 16,29) ' 10'3 m/s = 8,25 ‘ 10~3 m2/s, se tabell 8.2. Penetrationen blir då p = T /T =r sc = 0,33. Från figur 8.23 erhålles Çp = 5,5. Avsänkningen beräknas med transmissiviteten T80 = 0,012 m/s. Iln 1000 >2 ÏÏ7T8 > 8*12,8-tt2-0,0122 = 511 s2/m5 0j 025 fin ^-9-- -4- c: c \ + q-i-i.n n- k n |p 2 Tr- 0.0T2‘ ^ln 07T8 u,u“ b,U m 8.26 Denna avsänkning är större än det tidigare tillåtna s = 4,3 m. Orsaken ligger i den stora pseudoskin- max faktorn som beror på att det grovkorniga skiktet mellan 11 och 13 m inte utnyttjas. Om filtret lyftes 1 m och brunnen utrustas med sumprör för pumpen mellan 19 och 21 m förändras pseudoskinfaktorn till följande, T = (23,96 - 12,37) ■ 10'3 = 11,59 T^/T = 0,47. ç = 3,0/s = (In + 3,0)+ sc p w 2ir 0j012 0,18 + 511 • 0,0252 = 4,2 m. Avsänkningsvi11 koret är därmed uppfyllt. 103 m2/s. p 8.4.6 Materialval och hållfasthet Materialet väljes med hänsyn till korrosion enligt kapitel 5 och filterrörets hållfasthet kontrolleras mot tillverkarens kata­ log. Enligt tillverkarens katalog är tryckhållfastheten för filterröret 0 360 mm 160 kPa med säkerhetsfaktorn 2. Vattentrycket vid brunnsrörets underkant är ca 130 kPa. Filterrörets axialhållfasthet är enligt tillverkaren 1,15 MN vilket vida överskrider rörets vikt. Rörets hållfasthet är därför tillräcklig. 8.4. 7 Borrningsföreskrifter och brunnsritning Dimensioneringen avslutas med att man färdigställer en detalje­ rad byggnadsbeskrivning. Detta kommer att behandlas utförligt i kapitel 9. Beskrivningen beledsagas av en brunnsritning, där brunnens slutliga utseende redovisas. Exempel: En brunnsritning för vårt valda exempel redovisas i fig 8.24. 8.27 BRUNN Rb 7601 400 ID Rb 7601360 OD Skala 1:200 -KONTUR AV BORRÖR -FÖRLÄNGNINGSRÖR 0 360mm x 4mm STÅL SIS 2333 + 52.9 12.5mu MY 12.5 m u MY FILTERROR 0360mm + KONTINUERLIG SLITS 0.5mm STÅL SIS 2333 + 19.0 m ü MY H 21.0m u MY + 46.4 SUMPROR MED BOTTEN 0360 mm x 4mm STÅL SIS 2333 X-STAD KOMMUN RÖRBRUNN VID Rb760i 21.0 m u MY Fig 8.24 Brunnsritning. 8.28 9 BRUNNSBYGGNAD Det praktiska utförandet och byggandet av brunnar består av en rad olika moment. Borrningsmetod s kal i väljas, vilket har behandlats under kapitel 6. Utgående från borrningsmetod och filtertyp sätts filterrören och filtret på plats. Härefter följer flera moment för att färdigställa brunnen så att den ger maximal kapacitet, har liten risk för igensättning, korrosion, igensandning och ett bakteriefritt vatten. Slutligen skall brunnen testas för sitt arbetsområde. Brunnsbyggandet skall alltid följas av en dokumentation av utför­ da arbeten och brunnens utformning för att underlätta underhåll och reparation i framtiden. 9.1 Borrning I bästa fall har en borrning som syftar till att färdigställa en brunn föregåtts av en förundersökning som givit besked om lämp­ ligt brunnsläge och utformning av brunnen. Om så är fallet vet man också vilka jord- och berglager som skall genomborras och kan på grundval härav välja rätt borrmetod. Om så inte är fal­ let, vilket är alltför vanligt, kan man genom att använda geolog­ iska kartor, uppgifter från äldre borrningar i närheten etc bilda sig en någorlunda uppfattning om de hydrogeologiska förhål- 1 andena. Oavsett omfattning av förundersökningar är det väsentligt att kunna välja rätt borrmetod och rätt utrustning för varje enskilt fall - stora ekonomiska värden står på spel. 1 Sverige finns ett antal metoder tillgängliga. Dessa har beskri­ vits i kapitel 6 bl a med syfte att ge en samlad bild av vad som finns att tillgå på marknaden, men också för att visa de olika metodernas lämplighet vid varje borrningstillfälle. Tabell 9.1 ger en översikt av metoderna och deras användbarhet i olika geologiska miljöer. 9.1 14-P2 Tabell 9.1 översiktlig användbarhet (borrningsteknisk) av olika brunnsborrningsmetoder. De vanligaste konven­ tionella metoderna brunnsborrning Användbarhet Jordlager Lera/ Sand/ Sten- Silt Grus /jord Berglager Lösa Hårda form form Sprickiga form Linstötborrning med rör X X X (x) (x) utan rör X X X Rotationsborrning med direkts pol ning vatten/mudd X X (x) X (x) X 1uft/skum X X (x) (x) med omvänd spolning vatten/mudd X X (x) X (x) X Slående roterande borrn hammarborrning topphammare X X X sänkhammare X X X od/odex-borrning topphammare (x) X X (x) sänkhammare (X) X X (x) Enkel rördrivning X X (x) 9.? Sättning av filter och filterrör 9.2.1 Allmänt Filter och filterrör används för rörbrunnar i .jordlager samt för brunnar i uppsprucket berg. 9.2 9.2.2 Filterrör Efter vilken princip son filtret och filterröret placeras på plats beror i huvudsak på två'faktorer, nämligen - Borrningsmetod, dvs om foderrör används eller inte - Filtertyp, dvs grusfilter eller formationsfilter Om foderrör används kan följande metoder för placering av filterröret tillämpas^ 1 Foderröret borras till borrhålets totala längd varefter filterröret med eller utan förläng- ningsrör placeras genom foderröret. Foderröret dras sedan upp till filterrörets överkant eller längre, F i g 9.1 och Fi g 9.2. foder­ rör borr­ sko Fig 9.1 Foderrörsborrning av formationsfilterbrunn där foder­ röret dras upp och bildar förlängningsrör. 9.3 Fig 9.2 Foderrörsborrning, där foderröret dragits upp men ej utnyttjats som förlängningsrör. rusfilter 1 terror foderrör längningsrör centreringsbygel Foderröret drivs ned till den nivå där filter­ röret skall börja. Filterröret placeras i foder­ röret och den fortsatta borrningen görs med ex- centerkrona eller genom spolning. Metoden an­ vänds då det kan vara svårt att dra upp foder­ röret, Fig 9.3. 9.4 ///=/M=y//=&r -77Z^7Z^77^77^77^777=W Foderrör Filterrör som löper efter borrkronan Borrkrona Fig 9.3 Placering av filterrör under borrningens gång. Om foderrörsborrning ej används kan följande metoder tillämpas: 3 Borrningen utförs till fullt djup varefter fil­ terröret och förlängningsröret placeras i borr­ hålet, Fig 9.4. Fig 9.4 Borrning utan foderrör till fullt djup. 9.5 4 Förlängm'ngsrör med filterrör spolas ned till önskat djup. Används främst för grunda brunnar med små dimensioner, t ex spetsrörbrunnar. Om brunnen utförs med grusfilter placeras filterröret enligt metod 1 och 3 eventuellt med metod 2. Formationsfilterbrunnar kan utföras med samtliga metoder. 9.2.3 Filterfyllning Filterfyllningen, dvs grusfiltret placeras efter det att filter­ röret centrerats på plats och samtidigt som foderröret dras upp. Centreringen av filterröret är ett mycket viktigt moment då risken finns att man fär delar av brunnen med inget eller tunt lager av filtergrus. Under drift kan då sand komma att pumpas från formationen. Filtergruset skall placeras i små portioner så att en jämn packning erhålls. För att förhindra att olika kornstorlekar separeras under arbetet väljer man ett filtergrus med litet ol i kformighetstal dgg/^g- I huvudsak kan man skilja mellan tre olika förfaranden för att placera grusfiltret på pl ats. - Ftt rör törs ned till den nivå där gruset skall placeras. Medan grus fylls på flyttas foderröret successivt uppåt, Fig 9.5. - Gruset släpps frcån markytan. Detta är ej att föredra då separering av kornstorlekarna lätt fås (tyngre partiklar sjunker fortare än lätta partiklar), Fig 9.6. - Gruset spolas ned med vatten under tryck. Metoden används främst vid djupa brunnar. 9.6 Fig 9.5 Placering av grusfilter via ett rör. Fig 9.6 Placering av grusfilter från markytan. 9.7 Grusfiltret placeras i nivå ca 60 cm över den översta slitsen. Häröver läggs en tätmassa, eller finkornigare filtermaterial varefter det ursprungliga markmaterialet återfylls. Avståndet mellan den översta slitsen och överliggande finkorniga jord­ lager bör vara minst 60 cm. Eventuellt kan grusfiltret över slitsnivå minska i kornstorlek successivt för att ansluta till högre belägna jordarter. I Fig 9.7 visas en principskiss på grusfiltrets placering med tätning (se även fig 8.17). '///~//£et///= Finkornig formation Grovkornig formation Grusfi l te r 9.7 Placering av grusfilter och tätning. 9.8 9.3 Rensningsmetoder 9.3.1 Allmänt För att en brunn skall ge maximal kapacitet måste den rensas. Brunnen rensas när den är nysått, dvs ännu ej tagen i drift. Detta görs för att - Ta bort den igensättning som uppstår närmast brunnen vid borrningen - öka akviferens permeabili tet närmast brunnen genom att öppna eller förstora passager i formationen så att vattnet kan transporteras friare - Förhindra sandinträngning i brunnen Efter en tids drift sjunker ofta kapaciteten på grund av igensätt­ ning i akviferen och brunnen. Den ursprungliga kapaciteten kan då helt eller delvis återfås genom att brunnen rensas. Idag utnyttjas i Sverige huvudsakligen två effektiva renspump- ningsmetoder för brunnar i jord: Manschettpumpning och jetspol- ning. Metoderna kan kombineras med kemisk rensning. För rensning av bergborrade brunnar utnyttjas bl a pumpning, sprängning och högtryckspumpning. En mekanisk rensning skall för att vara effektiv skapa en fram- och återgående rörelse i brunnsfiltret så att igensättningspro- dukterna "rycks" loss från formation. Om rensningen utförs genom att enbart pumpa brunnen tills klart vatten erhålls kommer inte alla fina partiklar från brunnen och formationen att rensas bort p g a att bryggor bildas mellan jordkornen som förhindrar vidare transport av partiklar mot brunnen. Rensningen med manschett bör utföras på en del av filtret i taget, t ex sektioner om ca 1 meter. Om rensningen utförs på ett långt filter i ett steg blir 9.9 den anbringade kraften liten per längdenhet och brunnens effekti­ vitet kominer att ökas i begränsad omfattning av rensningen. Rensning med tryckluft är idag mycket vanligt. Då detta används måste man vara noggrann med att luft aldrig får tillföras brun­ nen i den slitsade filterdelen. Detta för att förhindra att luft tränger in i akviferen och sätter igen porerna. 9.3.2 Brunnar i jord Rensningsförfarandet har olika syften vid brunnar med formations­ filter respektive grusfilter. Ett formationsfilter skapas genom att pumpa finare partiklar från formationen in i brunnen och sedan uppfordra dem. På så sätt bildas en zon med hög permeabi- 1 i tet närmast filterröret. Vid utnyttjande av grusfilter placeras ett material med hög permeabi 1 i tet närmast filterröret varför finare material i någon större mängd ej behöver pumpas ut för att få bra flödesförhållanden. Man måste dock rensa bort den vägg av fina partiklar som bildats under borrningen. Då denna tätande hinna är belägen utanför grusfiltret kan problem uppstå att få bort den helt om grusfiltret är för tjockt. Manschettpumpning Manschettpumpning används för att rensa brunnar med perforerade eller kontinuerliga slitsar. Utrustningen består bl a av en renspumpningsmanschett, se fig 9.8, som avdelar ett stycke av filterröret, vanligtvis 0.5 m. Tryckluft är kopplat till manschetten och pumpningen tillgår så att den vilande vattenpe­ laren i brunnen lyfts upp mot markytan på grund av lufttillskot­ tet, dvs samma princip som för en mammutpump. När vattenpelaren når markytan släpps trycket varvid vattnet faller tillbaka ner i brunnen. Förfarandet upprepas flera gånger, på detta sätt er­ hålls en fram- och återgående vattenrörelse genom filterröret och bryggor av finkorniga partiklar bryts ned, Fig 9.9. Strävan är att de finkorniga partiklarna och eventuella igensättningar närmast och i grusfiltret skall avlägsnas, Fig 9.10. 9.10 Fig 9.8. Renspumpningsmanschett. Fig 9.9 Nedbrytning av bryggor mellan kornen med en fram- och återgående vattenrörelse. 9.11 Formation F i Iterrör ---------- Grusfilter Fig 9.10 Grusfilter efter renspumpning. Renspumpningen drivs så långt på varje nivå att ett klart vatten erhål 1s. Tryckiuftpumpningen fordrar, för att vara effektiv, ett viss mottryck vid luftinsläppet. Den vilande vattenpelaren ovanför manschetten bör därför vara minst två gånger större än avståndet från vilande vattenyta till utloppet, Fig 9.11. .vatten och sand H » 2 H » . ~7T T- X X X X Fig 9.11 Rensning med manschett. 9.12 Jetspolning Vid jetspolning spolas filterröret inifrån med vatten under högt tryck. Vattnet tillförs spol munstycken, som roterar inuti brunnen för att hela filterröret skall rensas, Fig 9.12. Spol trycket bör vara så högt att en vattenhastighet på ca 40-65 m/sek erhål les ur munstyckena, enligt tabell 9.1. En låg hastighet bör hållas om rensningen utförs i närheten av ett känsligt jordlager som t ex lera. Samtidigt med spolningen skall en vattenmängd som är ca 50% större än spoImängden pumpas ur brunnen. Med det upppumpa­ de vattnet förs finkornigt material från formationen. På så vis bildas ett naturligt filter närmast brunnen med en kornstorlek som slitsvidden närmast filterröret. Kornstorleksfördelningen liknar sedan modermaterialet mer ju längre ut från filterröret man går. Normalt är det utbildade filtret ca 10 cm tjockt vid en väl utförd rensning, Fig 9.13. Fig 9.12 Jetspolning. 9.13 Tabell 9.1 Spoltryck och vattenmängder vid jetspolning. Spol tryck p (bar)7,5 10 15 20 Munstycke 0 (mm) V (m/s) Q (l/s) V (m/s) Q (l/s) V (m/s) Q (l/s) V (m/s) Q (l/s) 5 40 0.8 45 0.9 55 1.1 65 1.2 6 40 1.1 45 1.3 55 1.5 65 1.8 9 40 2.5 45 2.9 55 3.4 65 4.0 12.5 40 4.8 45 5.5 55 6.6 65 7.7 Om spol ningen utförs med en viss vattenvolym som cirkuleras via en bassäng, bör volymen pä bassängen vara så stor att en stor del av finpartiklarna från det upp-pumpade vattnet hinner sjunka. Nedanstående tabell anger bassängens vattenvolym, V, som funktion av spolmängden Q i tabell 9.1. Tabell 9.2 Q l/s 1 2 4 8 V m3 4 8 16 32 Hed denna volym bör partiklar större än ca 0,05 mm sjunka i bassängen. Vattendjupet på bassängen bör vara ca 1,5 meter. Helst bör bassängen utformas lång och smal så att avståndet mellan in- och utlopp blir stort. Inloppet bör gå via en makadam­ bädd så att vattenstrålen fördelas i bassängkant. Utloppet bör ligga så högt som möjligt. Bassängen skall vara en behållare eller utformas med täta sidor och botten så att finpartiklar från markhorisonten inte rasar eller trängerin i bassängen. En förutsättning för att jetspolning skall vara effektiv är att filterröret har kontinuerliga hydrauliskt väl utformade slitsar. I detta fall är metoden effektiv och kan användas både till grus- och formationsfi 1terbrunnar. 9.14 Formation mé&ïM °*KO.° o‘& ° <2: » 7 RSI S (m2/m'm2) S, (m2/m'm2) a s (m) sdim ^ snax ^ s (m) sw W T (m/s) T (m2/s) u 2 Tg0 (m 7s) Brunnsradie Effektiv brunnsradie Ryznar stability index Magas ins koefficient Elastisk magasinskoefficient. Avsänkning Dimensionerande avsänkning Största tillåtna avsänkning Tilläggsavsänkning på grund av skineffekt Avsänkning i en uttagsbrunn Transmissivitet Transmissivitet för öppet grundvattenmagasin Transmissivitet som med 80% sannolikhet T (m2/s) överskrides bestämd från siktkurva Sannolik transmissivitet bestämd från skikt­ Tsc kurva Transmissivitet hos den del av lagerföl,iden som täcks av brunnsfi 1tret t (mm) t (s, min) Slitsöppning i filterrör Pumpningstid t (min) Tidpunkt för skärning mellan avsänkningskurva och tidsaxeln i halvlogaritmisk avbildning t , of Teoretisk tidpunkt för skärning mellan avsänkningskurva och tidsaxeln i halvlogarit­ misk avbildning TDS (mg/1) U Total salthalt 01ikformighetstal u Hjälpparameter för brunnsfunktionen v (m/s) v (m/s) c Darcy's fl ödeshastighet Kritisk slitshastighet 2 Vf (m/s) W (u) x (m) z (m) Y (kg/m2's2) Bruttohastighet över filterrörets mantelyta Brunnsfunktionen Längdkoordinat Höjdkoordinat Tunghet Y As (m) Dimensions!ös brunnsmagasinsfaktor Avsänkning per tidsdekad i halvlogaritmisk avbildning e 5p n Skinfaktor Pseudoskinfaktor Brunnens effektivitetstal, pumpens verknings­ grad e H (yS/cm) X Dimensionslös tid Vattnets ledningsförmåga Brunnens slankhetstal y (Pa's) Dynamisk viskositet, P 3Dimensionslös radie, densitet (kg/m ) a Dimensionslös avsänkning 3 Denna rapport hänför sig till forskningsanslag 780436-5 från Statens råd för byggnadsforskning till Chalmers Tekniska Högskola, VA-Teknik, Göteborg. V <4 R42: 1984 ISBN 91-540-4108-2 Art.nr: 6704042 Abonnemangsgrupp: V. Anläggningsteknik Distribution: Svensk Byggtjänst, Box 7853 103 99 Stockholm Statens råd för byggnadsforskning, Stockholm Cirkapris: 60 kr exkl moms