___________________________________________________________________________
Metody pomiarów hydrogeologicznych
w głębokich otworach na przykładzie projektu I-More
Maciej PIKUŁA
1), Magdalena WORSA-KOZAK
2), Krzysztof CHUDY
1),
Artur
SZYMAŃSKI
1)1) KGHM CUPRUM sp. z o.o. – Centrum Badawczo-Rozwojowe, Wrocław;
e-mail: m.pikula@cuprum.wroc.pl; k.chudy@cuprum.wroc.pl; a.szymanski@cuprum.wroc.pl
2) Politechnika Wrocławska, Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii, Wrocław;
e-mail: magdalena.worsa-kozak@pwr.edu.pl
Streszczenie
Głębokie otwory, czyli takie o głębokości powyżej 500 m, stanowią zaledwie niecałe 7% wszystkich otworów zarejestrowanych w Centralnej Bazie Danych Geologicznych, prowadzo-nej przez Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badawczy. Pomiary hydro-geologiczne w takich otworach wiertniczych są dla hydrogeologów niemałym wyzwaniem. Problem stanowi nie tylko głębokość i średnica otworu, ale także warunki panujące w ujmo-wanej warstwie wodonośnej, czyli położenie zwierciadła wody, mineralizacja, temperatura i gęstość wody oraz zawartość substancji zwiększających właściwości korozyjne wody, a zwłaszcza chlorków. W zależności od głębokości zalegania zwierciadła wód podziemnych i konstrukcji otworu, przeprowadzenie w nim obserwacji monitoringowych może być skompli-kowane technicznie. Dodatkową trudnością cechują się pomiary w otworach pompowanych (studniach). W czasie próbnych pompowań w orurowaniu o niewielkiej średnicy trzeba zain-stalować pełne oprzyrządowanie, tak by umożliwić przeprowadzenie pompowania i jednocze-śnie zapewnić odpowiednią częstotliwość i dokładność pomiarów. W artykule opisano wady i zalety różnych metod wykonywania pomiarów hydrogeologicznych (położenia zwierciadła wody i jej parametrów fizykochemicznych) zarówno w otworach obserwacyjnych, jak i w otwo-rach pompowanych. Szczególną uwagę zwrócono na praktyczny aspekt zagadnienia. Przed-stawiono przykład kompleksowego wykorzystania różnych metod i różnych urządzeń do po-miarów hydrogeologicznych w oparciu o doświadczenia z projektu I-More. Bazując na prze-prowadzonych długotrwałych badaniach hydrogeologicznych z wykorzystaniem szeregu urządzeń pomiarowych, zarówno automatycznych, jak i manualnych, można jednoznacznie stwierdzić, że do prawidłowego wykonania pomiarów w głębokich otworach pompowanych w obecnych czasach niezbędna jest instalacja automatyki pomiarowej. Pomimo wielu zalet automatycznych czujników z rejestracją danych, dla wiarygodnej interpretacji i weryfikacji zgromadzonych wyników pomiarów, konieczne jest też prowadzenie systematycznych, ma-nualnych pomiarów kontrolnych.
Methods of hydrogeological measurements in deep boreholes
– the example of I-More Project
Abstract
Underground drill holes deeper than 500 m represent only 7% of all drill holes registered in Central Geological Database run by Polish Geological Institute – National Research Insti-tute. Carrying out hydrogeological measurements in that kind of drill holes is quite a chal-lenge for hydrogeologists. Not only the depth and hole diameter are the issues but also the conditions of the aquifer, such as groundwater table level, mineralization, water tempera-ture and dens-ity as well as content of substances which increase corrosive water proper-ties, especially in chlorides. Depending on the depth of water table and drill hole construc-tion, carrying out surveillance observations inside might be technically challenging. Fur-thermore, measurements in pumped-out holes (wells) are additionally difficult. During the test pumping in the low-diameter pipes full installation of the equipment is necessary in order to make pumping possible and to provide with proper frequency and accuracy of the measurements. In the following paper, advantages and disadvantages of different hydro-geological measuring methods (of water table location and physicochemical parameters) were described. The methods are applicable to both observatory holes and pumped holes. Particular interest has been paid to the practical aspect of the issue. An example of com-prehensive application of different hydrogeological measuring methods and equipment based on the experience gained during I-MORE project were presented. Due to conducted long-lasting hydrogeological research with application of a series of measuring equipment, both automatic and manual, one may clearly conclude that in order to carry out measure-ments in deep pumped-out holes in a proper way, nowadays it is necessary to install au-tomated measuring technology. Despite many advantages of auau-tomated data registering sensors, for the purpose of credible interpretation and verification of gathered measuring data, it is necessary to run manual controlling measurements regularly.
Key words: hydrogeology, deep boreholes, hydrogeological measurements, I-More
Wprowadzenie
Pomiary hydrogeologiczne w otworach wiertniczych, a zwłaszcza pomiary położenia zwierciadła wód podziemnych, należą do podstawowych badań w hydrogeologii. Z pozoru są to też najprostsze do przeprowadzenia pomiary. Pozorność ta wynika przedewszystkimz faktu, że badaniatesązwyklewykonywanewotworachnajczęściej występujących, czyli o niewielkiej głębokości i płytko zalegającym zwierciadle wód, gdzie doskonale sprawdzają się zarówno tradycyjne metody pomiarowe (popularna „świstawka”, czy sonda elektryczna na kablu), jak i nowoczesne metody, oparte na szeroko dostępnych czujnikach ciśnieniowych (w bardziej zaawansowanych wersjach z bezprzewodową transmisją danych), sondach prędkości fali dźwiękowej (tzw. well sounder) czy miernikach laserowych. Dostępność głębokich otworów, czyli takich o głębokości powyżej 500 m, jest niewielka. Stanowią one niespełna 7% (13 004 szt.) wszystkich otworów zarejestrowanych w Centralnej Bazie Danych Geologicznych, prowadzonej przez Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badaw-czy, których w sumie jest 196 921 szt. (http://otworywiertnicze.pgi.gov.pl/ – stan na 31.10.2018 r.). Zdecydowana większość z tych 7% otworów jest wiercona w celach innych niż hydrogeologiczne i nie są w nich wykonywane praktycznie żadne tego typu badania. To sprawia, że doświadczenia w prowadzeniu długotrwałych i
rzetel-nych obserwacji hydrogeologiczrzetel-nych w głębokich otworach są niewielkie i często geolodzy nie mają nawet świadomości, że stopień trudności takich pomiarów jest wysoki.
Na poziom skomplikowania badań wpływa wiele czynników, z którymi nie spo-tkamy się w płytkich studniach i piezometrach, a mianowicie:
głębokość otworu – pociąga za sobą konieczność posiadania odpowiednie-go sprzętu do badań (mierniki z odpowiednio długimi, obciążonymi i wytrzy-małymi taśmami, linkami, kablami), co jednocześnie podnosi koszty realiza-cji badań. W takich otworach utrudniony jest pomiar jego głębokości, zasypu i ocena sprawności (niezbędny zakup sond ze specjalnymi tzw. czujnikami dna),
zmienna średnica otworu – głębokie otwory, przechodząc zazwyczaj przez co najmniej kilka horyzontów wodonośnych, ze względów technicznych wy-magają wielokrotnego zmniejszania średnicy rur osłonowych. To sprawia, że im głębiej prowadzimy badania, tym mniej mamy miejsca na instalację sprzętu badawczo-pomiarowego. Pojawiają się kwestie doboru odpowied-nich pomp oraz wyboru odpowiedodpowied-nich instrumentów pomiarowych, które po-zwolą na przeprowadzenie badań na danej głębokości,
położenie zwierciadła – podobnie jak w przypadku głębokości otworu, po-miar stanu zwierciadła wód podziemnych w podkenozoicznych poziomach wodonośnych może wymagać niestandardowego sprzętu i niestandardowe-go podejścia do wykonywania pomiarów, ze względu na znaczną głębokość jego zalegania (w rejonie monokliny przedsudeckiej od ok. 100 m w piętrze triasowym do ok. 500 m i głębiej w piętrze permskim). Główne problemy wy-nikają m.in. z przywierania taśm i linek mierniczych do ścianek otworów – przydatne są specjalne centralizatory bądź powlekanie taśm powłokami hy-drofobowymi,
specyficzny skład chemiczny i podwyższona gęstość wód w głębokich po-ziomach wodonośnych oraz wysoka temperatura wód w głębokich pozio-mach wodonośnych – konieczne jest dobranie odpowiednio wytrzymałego, odpornego na korozję i zasolenie sprzętu badawczo-pomiarowego oraz uwzględnianie poprawek gęstościowo-temperaturowych przy interpretacji wyników badań np. rurowym próbnikiem złoża (RPZ).
Problematyka prowadzenia obserwacji i badań hydrogeologicznych w głębokich otworach wiertniczych była poruszana niejednokrotnie w literaturze i poradnikach [7, 1, 8], jednak dość pobieżnie. W zależności od etapu, na jakim jest otwór (etap wier-cenia, etap likwidacji otworu, etap eksploatacji studni lub piezometru), i celu, w jakim badania są wykonywane (ustalenie parametrów hydrogeologicznych warstwy wodo-nośnej, monitoring położenia zwierciadła, pobieranie próbek wody do analiz), spoty-kamy się z różnymi komplikacjami w sprawnym i dokładnym przeprowadzeniu ba-dań.
Najbardziej wiarygodną i metodycznie poprawną metodą, pozwalającą obliczyć parametry hydrogeologiczne warstwy wodonośnej, jest próbne pompowanie w hy-drowęźle. Polega ono na prowadzeniu badań i obserwacji w otworze pompowanym oraz obserwacji w oddalonych od niego otworach piezometrycznych [1]. Podczas próbnych pompowań obserwowane są m.in takie parametry, jak: wydajność pom-powania, położenie zwierciadła wody, temperatura wody, podstawowe parametry fizykochemiczne wypompowywanej wody (pH, Eh, REDOX). Badania, polegające na gwałtownej zmianie ciśnienia (np. Paramex czy rurowy próbnik złoża), z uwagi na
ich krótkotrwałość, a co za tym idzie – ograniczony przestrzennie wpływ, są często wykorzystywane do określania parametrów hydrogeologicznych warstwy wodono-śnej w pojedynczych otworach – punktowo.
Najbardziej popularnym narzędziem do pomiarów głębokości położenia zwiercia-dła, zwłaszcza pomiarów jednorazowych w płytkich otworach, są nadal urządzenia manualne z sygnałem akustycznym (tzw. świstawki) lub dźwiękowo-świetlnym (son-dy elektryczne). W głębokich otworach poje(son-dyncze badania w czasie wiercenia wy-konuje się też za pomocą mechanicznych rejestratorów ciśnienia i temperatury (tzw. badania rurowym próbnikiem złoża). W ostatnich latach do pomiarów hydrogeolo-gicznych na coraz szerszą skalę stosuje się jednak elektroniczne, automatyczne rejestratory ciśnienia hydrostatycznego w otworze, z możliwością pomiaru wybra-nych parametrów fizykochemiczwybra-nych wody w otworze lub na wylocie z przewodu pompy (np. w czasie pompowania). Pozwalają one na regularne, precyzyjne monito-rowanie położenia zwierciadła wody często z automatycznym zapisem danych lub ich bezprzewodową transmisją. Mierzona w otworze wartość ciśnienia jest sumą ciśnień słupa wody ponad urządzeniem pomiarowym oraz ciśnienia atmosferyczne-go. W celu wyeliminowania wpływu wahań ciśnienia atmosferycznego na uzyskiwa-ne wartości, dokonuje się kompensacji ciśnienia.
W przypadku pomiarów wydajności pompownia zastosowanie znajduje szereg różnych metod o mniejszej (przeliczenia z pracy pomp, przelewy, cele przepływowe, mierzenie poziomu w zbiornikach) lub większej dokładności (wodomierze śrubowe, wirnikowe, elektromagnetyczne czy też ultradźwiękowe lub mierniki radarowe).
Niniejszy artykuł przedstawia studium przypadku – doświadczenia autorów z prowadzenia pomiarów automatycznych i manualnych podczas badań hydrogeo-logicznych w głębokich otworach w rejonie monokliny przedsudeckie. Badania reali-zowane były w ramach projektu I-More – „Innowacyjne metody udostępnienia głębo-kich złóż rud miedzi” – w ramach przedsięwzięcia CuBR.
1.
Pomiary hydrogeologiczne w głębokich otworach wiertniczych –
urządzenia pomiarowe
W czasie próbnych pompowań zasadniczo mamy do czynienia z 3 fazami pomiarów w różnych typach otworów (otwór pompowany, otwory obserwacyjne) – przed roz-poczęciem pompowania, w trakcie pompowania oraz po zakończeniu pompowania na etapie stabilizacji zwierciadła wody.
Pomiary wykonywane podczas hydrogeologicznych badań w głębokich otworach, z uwagi na specyficzny przebieg badań i stosowany sprzęt badawczy, wymagają odpowiednio dobranych urządzeń pomiarowych. Średnice otworów głębokich, w których były prowadzone badania w ramach projektu I-More, w zależności od otworu i głębokości ujmowanej warstwy wodonośnej wahały się od 9 do 5 cali, tem-peratura wód w badanych horyzontach wodonośnych dochodziła do 37 stopni Cel-sjusza, przewodnictwo elektryczne właściwe do 10 mS/cm, a stężenie chlorków oscylowało ok. 50 000 mgCl
-/dm3. Takie warunki wymusiły zastosowanie urządzeń o wysokiej odporności na temperaturę i korozję. Na dobór urządzeń pomiarowych miało również wpływ spodziewane ciśnienie słupa wody, od którego wielkości zale-żał dobór odpowiedniego zakresu pomiarowego urządzeń.
Najtrudniejsze pod względem technicznym i ze względu na wysokie ryzyko uszkodzenia urządzeń są pomiary wykonywane w otworze pompowanym. Zainsta-lowana wewnątrz pompa wraz z rurociągiem odprowadzającym wodę i kablem zasi-lającym ogranicza miejsce w otworze i możliwości swobodnego prowadzenia ob-serwacji. Podczas pomiarów w otworze pompowanym nierzadko dochodzi do uszkodzenia np. kabla transmitującego dane. W takiej sytuacji, aby nie przerywać badania i zapewnić ciągłość obserwacji, zaleca się stosowanie rurek piezometrycz-nych zapuszczapiezometrycz-nych wraz z pompą do otworu, umożliwiających bezinwazyjną wy-mianę wadliwego sprzętu. Łatwiejszy dostęp do warstwy wodonośnej i większe moż-liwości zastosowania różnorodnych urządzeń pomiarowych są w otworach piezome-trycznych, specjalnie dostosowanych do częstych obserwacji hydrogeologicznych.
Przy realizacji projektu I-More do pomiaru położenia zwierciadła wody oraz tem-peratury w otworze pompowanym stosowano elektroniczne sondy hydrostatyczne z pomiarem ciągłym. Wykonywanie próbnych pompowań w głębokich otworach wiertniczych niekiedy wywołuje w otworze depresję rzędu kilkuset metrów, co wy-maga stosowania rejestratorów o zwiększonej dopuszczalnej głębokości zanurzenia. Podczas realizacji próbnych pompowań dla projektu I-More w otworze pompowa-nym jako podstawowe urządzenie pomiarowe położenia zwierciadła wody (pomiar ciśnienia hydrostatycznego) stosowano sondę pomiarową z możliwością pomiaru słupa cieczy do 500 m (tabela 1).
Tabela 1. Charakterystyka podstawowej sondy pomiarowej stosowanej podczas próbnych pompowań w otworze pompowanym
Table 1. Description of the primary sensor applied during pumping tests in the pumping well
Parametr Zakres wartości
błąd podstawowy (ciśnienie) 0,2÷0,3% zakresu podstawowego błąd podstawowy (temperatura) 0,2÷0,3% /10 °C
zakres temperatur pracy (temperatura medium) -25÷40 °C
Sonda została zainstalowana w otworze ponad pompą i przytwierdzona wraz z kablem transmisyjnym do rurociągu odprowadzającego wodę. Wyniki pomiarów przesyłane były bezpośrednio z rejestratora za pomocą kabla do aparatury kontrolno-pomiarowej w postaci sygnału elektrycznego.
Poza wymienionymi parametrami mierzonymi w otworze, analizowano również podstawowe parametry wypompowywanej wody na wylocie z rurociągu na po-wierzchnię: pH, potencjał redox, przewodność elektrolityczną właściwą oraz tempe-raturę. Wartość pH oraz redox podczas badań mierzona była za pomocą dwupara-metrowych elektrod cyfrowych. Przewodność elektrolityczna wody złożowej pompo-wanej podczas badań mierzona była za pomocą czujników indukcyjnych. Urządze-nia te charakteryzuje odporność na korozję i zanieczyszczeUrządze-nia. Temperatura me-dium na wypływie mierzona była przy pomocy głowicowych przetworników tempera-tury. Opisane parametry są wyświetlane w czasie rzeczywistym oraz rejestrowane w bazie danych z możliwością ich późniejszego przeglądania oraz eksportowania.
W otworze pompowanym zainstalowano również rejestrator awaryjny, który przewidziano do prowadzenia pomiarów w czasie stabilizacji zwierciadła wody w otworze w wypadku przerwania pomiarów za pomocą sondy podstawowej (reje-strator o mniejszym zakresie mierzonych wahań – zainstalowany wyżej niż sonda podstawowa, zaprogramowany na prowadzenie pomiarów bez transmisji danych). Dodatkowo zamontowano też rurki piezometryczne, w celu zapewnienia możliwości bezpiecznego wykonywania manualnych pomiarów kontrolnych (bez ryzyka zablo-kowania czy urwania świstawki) oraz ewentualnej awaryjnej instalacji zamiennika rejestratora podstawowego (ryc. 2).
W otworach obserwacyjnych (piezometrach) zainstalowano rejestratory, standar-dowo wyposażone w piezorezystywny, ceramiczny czujnik ciśnienia oraz czujnik temperatury. Wersje rozbudowane mają również wbudowane sondy do pomiaru przewodnictwa elektrolitycznego wody, jednak w tym przypadku nie były stosowane. Podstawowe parametry użytych czujników przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 2. Podstawowe parametry najbardziej popularnych rejestratorów ciśnienia z wbudowaną pamięcią
Table 2. Basic parameters of the most common automated sensors used for water level measures in observation wells and shallow pumping wells
Parametr Zakres wartości, opis parametrów
średnica 18÷22 mm
długość 88÷159 mm
ciężar 45÷129 g
mierzone wartości ciśnienie, temperatura
zakres pomiarów 1,5 m do 200 m
dokładność pomiarów ciśnienia 0,05-0,10% pełnej skali interwał pomiędzy pomiarami 0,5 s do 99 h maksymalny czas nieprzerwanego
prowadzenia pomiarów przy okre-ślonej częstości opróbowania
Wbudowana pamięć 48 000 pomiarów Wbudowana pamięć 72 000 pomiarów Wbudowana pamięć 120 000 pomiarów Pomiar co 1 s 13 h 20 min 20 h 33 h 20 min Pomiar co 1 min 33 d 8 h 50 d 83 d 7 h Pomiar co 1 godz. 5,5 roku ponad 8 lat 13 lat 8 mies.* Pomiar co 1 dobę 131 lat* 197 lat* 328 lat* Żywotność wbudowanej baterii 5-10 lat
* wartości teoretyczne (ilość pomiarów ograniczona żywotnością wbudowanej baterii) Montaż urządzeń w otworach wykonano przy użyciu nierozciągliwych kabli optycz-nych i linek kewlarowych. Uzyskane pomiary ciśnienia hydrostatycznego w otworze są sumą ciśnień: słupa wody ponad sondą oraz ciśnienia atmosferycznego. W celu „oczyszczenia” uzyskiwanych wyników z wpływu zmian ciśnienia atmosferycznego, dokonuje się jego kompensacji. Kompensacja barometryczna może odbywać się:
automatycznie, przy pomocy kapilary wentylującej, łączącej rejestrator ciśnie-nia z powietrzem atmosferycznym (specjalne sondy z kapilarą, których nie stosowano w projekcie),
na późniejszym etapie, w oparciu o zapis wartości ciśnienia atmosferyczne-go za pomocą dodatkoweatmosferyczne-go rejestratora (tzw. barostacja, ryc. 1).
Ryc. 1. Obudowa piezometru P1-Wm z zainstalowanymi rejestratorami – ciśnienia wody w otworze oraz ciśnienia atmosferycznego
Figure 1. The observation-well P1-Wm with sensors installed inside - water level sensor and air pressure sensor
Do pomiaru wydajności próbnego pompowania w trakcie projektu I-More stosowano przepływomierze elektromagnetyczne, z możliwością transmisji danych. Pomiar odbywał się na zasadzie indukcji elektromagnetycznej Faradaya (w przewodniku – cieczy – poruszającym się w polu elektromagnetycznym indukowana jest siła elek-tromotoryczna). Indukowane na przeciwległych elektrodach pomiarowych napięcie jest proporcjonalne do prędkości przepływu. Jeżeli znamy średnicę wewnętrzną czujnika pomiarowego, możemy obliczyć objętość strumienia przepływającej cieczy. W tabeli 3 przedstawiono podstawowe parametry przepływomierzy elektromagne-tycznych, stosowanych podczas realizacji projektu I-More (ryc. 3).
Opisane urządzenia pozwalają dokładnie rejestrować zmiany wydajności w cza-sie zachodzące podczas próbnego pompowania. Umożliwia to późniejszą korelację zmierzonej wydajności z obserwowaną wartością depresji w otworze. Ogromną przewagą tego typu rozwiązań w stosunku do stosowanych powszechnie w prze-szłości przepływomierzy mechanicznych jest znacznie większa dokładność zmie-rzonych wartości przepływu i wyższa częstość wykonywanych pomiarów, a także możliwość transmisji i eksportu danych pomiarowych oraz odporność na uszkodze-nie urządzenia pomiarowego, wynikające np. z obecności ziaren piasku w wypom-powywanej wodzie lub innych zanieczyszczeń.
Ryc. 2. Schemat instalacji urządzeń pomiarowych w otworze pompowanym Figure 2. The scheme of measuring devices location in pumping-well
Tabela 3. Charakterystyka przepływomierzy elektromagnetycznych używanych w projekcie Table 3. Description of electromagnetic flowmeters parameters used within project I-More
Parametr Charakterystyka
zakres średnic nominalnych DN 15÷2000 mm dokładność pomiarów 0,2÷0,4% wartości mierzonej temperatura medium (wody) -40÷70 °C (zależnie od użytych materiałów)
ciśnienie medium (wody) 0,01÷100 bar (zależnie od użytych materiałów) zakres przepływów 0,15÷113 000 m3/h (zależnie od średnicy) interwał czasu pomiędzy pomiarami od około 1 s
Ryc. 3. Pomiar wydajności pompowania za pomocą przepływomierza elektromagnetycznego. Widoczny kabel zasilający, kabel transmitujący dane, manometr
Figure 3. Pumping-test efficiency measurement with usafe of an electromagnetic flowmeter. Visible power cable, data transmission cable, pressure gauge
2.
Pomiary hydrogeologiczne w głębokich otworach wiertniczych –
transmisja danych
Dane z nowoczesnych urządzeń pomiarowych mogą być transmitowane na bie-żąco bezpośrednio do urządzeń analitycznych. Przesył danych może się odbywać za pomocą kabli optycznych lub przez systemy telemetryczne (radiowo, sieć GSM, RFiD, Bluetooth). Sondy pomiarowe, mające wbudowaną pamięć, umożliwiają zapis danych i ich późniejszy odczyt z urządzenia za pośrednictwem kabli optycznych lub transmiterów. Tego typu rozwiązania mają jednak tę wadę, że przy rzadkich
odczy-tach okresowych ewentualna awaria urządzenia jest wykrywana dopiero w momen-cie odczytania i przeglądania zaimportowanych z urządzenia danych. Dane są gro-madzone w pamięci komputera, a ich eksport jest możliwy w postaci np. plików tek-stowych.
W czasie realizacji projektu I-More transmisja danych była realizowana przede wszystkim z wykorzystaniem kabli optycznych. Wyniki pomiarów w czasie próbnego pompowania były transmitowane i analizowane online, natomiast rezultaty pomiarów w otworach obserwacyjnych oraz w fazie stabilizacji zwierciadła były odczytywane okresowo z częstotliwością malejącą wraz z upływem czasu od zakończenia pom-powania.
3.
Znaczenie pomiarów manualnych
W przeszłości pomiary podczas próbnych pompowań wykonywano wyłącznie ma-nualnie. Pomiary te ze względu na swój charakter są działaniem czasochłonnym, kosztownym i mniej dokładnym niż poprawnie wykonane pomiary za pomocą reje-stratorów elektronicznych. Doskonale sprawdzają się przy pomiarach jednorazo-wych lub też o niskiej częstotliwości, natomiast w czasie próbnych pompowań na-stręczają one wiele problemów. Główne trudności, jakie napotykano w czasie pro-wadzenia obserwacji o wysokiej częstotliwości pomiarów, to m.in. przywieranie ta-śmy pomiarowej do ścian otworu, problemy z odbiorem dźwięku z gwizdka tradycyj-nego, zwieranie przewodu ze względu na wysokie zasolenie wody i konieczność częstego czyszczenia sondy w przypadku świstawek elektronicznych, zaplątanie i/lub urwanie sondy wskutek zablokowania w otworze, problemy z dochowaniem wymaganej częstotliwości pomiarów ze względu na głębokość otworu i konieczność częstego czyszczenia sond, co z kolei przekłada się na błędy interpretacyjne wyni-ków.
Brak powyższych problemów, a co za tym idzie – brak ograniczeń w częstości wykonywania pomiarów za pomocą sond ciśnieniowych pozwala odejść od obowią-zujących dotychczas zaleceń prowadzenia pomiarów z malejącą częstotliwością w miarę upływu czasu od rozpoczęcia badania [2] i prowadzić pomiary ze stałą, wysoką częstotliwością.
Pomimo oczywistej przewagi cyfrowych rejestratorów ciśnienia słupa wody w otworze nad metodami manualnymi, duże znaczenie podczas wykonywania po-miarów za pomocą tych rejestratorów mają tradycyjne okresowe kontrolne pomiary (ryc. 4), które pozwalają na wyeliminowanie błędów, wynikających z wadliwego montażu urządzenia pomiarowego (np. zaczepienie się lub splątanie linki kewlaro-wej – ryc. 5) lub z nieuwzględnienia wartości gęstości wody w otworze, gdy jej war-tość odbiega od 1 g/dm3 (ryc. 6). Pomiary manualne w projekcie I-More były wyko-nywane za pomocą świstawki elektrycznej z sygnałem dźwiękowo-świetlnym.
Manualne pomiary kontrolne są możliwe, gdy mamy swobodny dostęp do otworu – jest to znacznie utrudnione w otworze pompowanym (z uwagi na zainstalowaną pompę wraz z rurociągiem, przewodem zasilającym i aparaturą pomiarową) lub wręcz niemożliwe podczas badań wykonywanych za pomocą rurowego próbnika złoża (odizolowanie próbnika za pomocą pakera).
Ryc. 4. Manualny pomiar kontrolny równoległy z odczytem danych z rejestratora ciśnienia Figure 4. Manual control measure parallel to downloading data from the sensor
Ryc. 5. Korekta błędu pomiaru położenia zwierciadła w otworze, wynikającego z niewłaściwe-go montażu urządzenia pomiaroweniewłaściwe-go (splątanie linki w otworze – dotyczy rejestratorów
mon-towanych na lince kewlarowej – brak możliwości transmisji pomiarów bezpośrednio z otworu i stwierdzenia wadliwego montażu na bieżąco)
Figure 5. Correction of the water level caused by inappropriate installation of the sensor – entanglement of the kevlar line (no possibility to check this out before downloaded data)
Ryc. 6. Korekta błędu pomiaru położenia zwierciadła w otworze, wynikającego z nieuwzględnienia gęstości wody w otworze (przy gęstości wody rzędu 1,05 g/dm3 błąd uwidacznia się podczas próbnego pompowania, przy znacznych wahaniach zwierciadła wody
w otworze)
Figure 6. Correction of the water level caused by omission of different density of water – (visible at density of 1,05 g/dm3 during high water table amplitudes while well is pumped)
Istotnym aspektem, wpływającym na uzyskiwane wyniki pomiarów w otworze pompowanym podczas próbnych pompowań, jest lokalizacja rejestratora. Rejestra-tor nie powinien znajdować się w bezpośrednim sąsiedztwie pompy i części robo-czej filtra/odsłoniętego interwału. Taka lokalizacja urządzenia pomiarowego, w miej-scu, gdzie ma miejsce intensywny przepływ wody, podczas pracy pompy zawyża wartość ciśnienia rejestrowanego w otworze w stosunku do rzeczywistej wartości ciśnienia hydrostatycznego słupa wody ponad urządzeniem pomiarowym i prowadzi do przekłamania danych oraz ich późniejszej interpretacji.
4.
Badanie za pomocą rurowego próbnika złoża (RPZ)
Badania rurowym próbnikiem złoża (RPZ) często są projektowane zamiast tradycyj-nych próbtradycyj-nych pompowań. O ile badania te dostarczają nam informacji o warunkach panujących w warstwie wodonośnej w danym miejscu i w danym czasie, o tyle nie są w stanie oddać reakcji warstwy wodonośnej na działanie długotrwałych czynni-ków, które decydują np. o późniejszym zawodnieniu kopalni podziemnej. Dlatego też wyniki badań poziomów wodonośnych wykonane za pomocą rurowych próbników złoża, z uwagi na ich krótkotrwały charakter, są orientacyjne i stanowią bardzo dobry wstęp do badań właściwych – próbnego pompowania – pozwalając na doszczegó-łowienie wymagań technicznych dla sprzętu badawczego (m.in. pomp, czujników, wydajności na poszczególnych stopniach pompowania).
Podczas badań RPZ wykonywane są pomiary wartości ciśnienia w otworze oraz temperatury. Obecnie powszechnie stosuje się wgłębne rejestratory ciśnienia, opar-te na sensorach piezoelektrycznych (kwarcowych) oraz piezorezystancyjnych. Są to rejestratory ciśnienia i temperatury, zaprojektowane głównie do pracy w otworach naftowo-gazowych, dlatego znajdują również zastosowanie m.in. w monitorowaniu procesu szczelinowania skał zbiornikowych, testach iniekcyjnych, testach produk-cyjnych, optymalizacji procesu wydobycia. Z uwagi na powyższe zastosowania reje-stratorów, omawiane rejestratory są przystosowane do pracy w środowisku o rela-tywnie wysokiej temperaturze i ciśnieniu (tabela 4). Rejestratory te są również prze-znaczone do pracy w środowisku korozyjnym ze względu na obecność siarkowodo-ru i dwutlenku węgla.
W czasie wykonywania badań rurowym próbnikiem złoża rejestratory są umiesz-czane w pojemniku, wchodzącym w skład zestawu próbnika (ryc. 7).
Tabela 4. Parametry piezoelektrycznych i piezorezystywnych rejestratorów ciśnienia, stosowanych podczas badań RPZ w ramach projektu I-More
Table 4. Description of piezoelectric and piezoresistive pressure sensors used for Drill Stem tests during I-More project
Parametr Charakterystyka
Rejestrator piezoelektryczny maksymalne ciśnienie zewnętrzne 1361 atm (20 ksi)
dokładność pomiarów ciśnienia ±0,02% zakresu pomiarów maksymalna temperatura 200 °C
dokładność pomiarów temperatury ±0,15 °C
interwał pomiarowy od 1 sekundy do 1 godziny
pojemność pamięci wewnętrznej urządzenia od 500 000 do 1 000 000 pomiarów, zależnie od trybu pracy urządzenia zakres pomiaru czas, ciśnienie, temperatura
Rejestrator piezorezystywny
maksymalne ciśnienie zewnętrzne 1293÷1565 atm (19-23 ksi) dokładność pomiarów ciśnienia ±0,05% zakresu pomiarów maksymalna temperatura 177 °C
dokładność pomiarów temperatury ±0,2 °C
interwał pomiarowy od 1 sekundy do 1 godziny pojemność pamięci wewnętrznej urządzenia 500 000 pomiarów
Ryc. 7. Przykładowy schemat zestawu rurowego próbnika złoża Figure 7. Schematic construction of Drill Stem Test (DST) set
Podsumowanie
Doświadczenia z realizacji projektu I-More pokazują, że w badaniach hydrogeolo-gicznych, prowadzonych w głębokich otworach wiertniczych, zdecydowaną przewa-gę mają nowoczesne metody i urządzenia, co jednak nie eliminuje wykorzystania narzędzi tradycyjnych. Ich rola jednakże uległa zmianie z narzędzi podstawowych na narzędzia uzupełniające i kontrolne. Niewątpliwą zaletą pomiarów za pomocą sond elektronicznych jest praktyczny brak ograniczeń co do częstotliwości wykony-wania pomiarów i ich dokładność. Ograniczeniem jest jedynie pojemność wbudowa-nej pamięci, co wymaga wykonywania okresowych odczytów. Pomiary ciągłe dają możliwość korelowania tempa i rodzaju reakcji warstwy wodonośnej na zmiany wy-dajności podczas próbnych pompowań oraz obrazują tempo rozwoju leja depresji, wywołanego pompowaniem. Umożliwiają też zaobserwowanie zjawisk, które są trudne do wychwycenia przy mniejszej częstotliwości pomiarów, cechującej pomiary manualne.
Wysoka dokładność czujników znacząco podnosi też wiarygodność obliczonych parametrów hydrogeologicznych badanych poziomów wodonośnych oraz umożliwia weryfikację modeli numerycznych filtracji wód podziemnych.
Dzięki realizacji projektu I-More „Innowacyjne metody udostępnienia głębokich złóż rud miedzi” przewiduje się ewentualną możliwość zastosowania omówionych technik pomiarowych podczas głębienia szybów – w monitorowaniu i optymalizacji procesu odwodnienia i mrożenia górotworu.
Elektroniczne rejestratory parametrów wody podziemnej, zapewniające ciągły pomiar, znajdują jednak znacznie szersze zastosowanie, daleko wykraczające poza obsługę polowych badań hydrogeologicznych. Opisany w artykule sprzęt obecnie już znajduje zastosowanie w sieci monitoringu wód podziemnych w rejonie oddzia-ływania kopalń KGHM Polska Miedź S.A. na monoklinie przedsudeckiej, gdzie uzy-skiwane pomiary stanowią nieocenione źródło danych dla potrzeb oceny wpływu poszczególnych poziomów wodonośnych na stopień zawodnienia wyrobisk górni-czych, jak i określania wpływu drenażu górniczego na odrębne poziomy wodonośne.
Doświadczenia w projekcie uczą także, że nigdy nie można w 100% polegać na jednym źródle informacji, dlatego w parze z pomiarami automatycznymi zawsze powinny iść kontrolne pomiary manualne, których regularne wykonywanie pozwala na eliminację mogących pojawiać się błędów.
Praca została sfinansowana z funduszy projektu współfinansowanego przez NCBiR i KGHM Polska Miedź S.A. pt.: IMore – „Innowacyjne metody udostępnienia głębokich złóż rud miedzi” (nr CuBR/I/1/NCBiR/2014) w ramach przedsięwzięcia CuBR.
Bibliografia
[1] Dąbrowski S., Przybyłek J., 2005, Metodyka próbnych pompowań w dokumentowaniu zasobów wód podziemnych – Poradnik metodyczny, Ministerstwo Środowiska, Warsza-wa.
[2] Gonet A., Macuda J., Zawisza L., Duda R., Porwisz J., 2011, Instrukcja obsługi wierceń hydrogeologicznych, Wydawnictwa AGH, Kraków 2011.
[3] Karta katalogowa produktu: Shortline – Shortest tool in its class. Canada Tech (rejestra-tor piezorezystywny).
[4] Karta katalogowa produktu: Quartz QM 200 – Canada Tech’s flagship memory tool. Ca-nada Tech (rejestrator piezoelektryczny).
[5] Karta katalogowa produktu: Inteligentne sondy głębokości SG-25.Modbus i SG- -25S.Modbus. Aplisens SA.
[6] Karta katalogowa produktu: Czujnik przepływomierza elektromagnetycznego SIEMENS MAG3100 oraz MAG3100 HT. Siemens sp. z o.o.
[7] Kostrz J., 2014, Głębienie szybów, SEP Kraków.
[8] Porowski A., Oleksiewicz M., Becker R., Kaczorek T., Miller R., Włoch A., 2017, Bez-pompowa dyskretna technika opróbowania hydrogeologicznego głębokich piezometrów, otworów wiertniczych i studni: ewaluacja terenowa i rekomendacje, Hydrogeologia (2017),
s. 26-35, Wydawnictwo Stowarzyszenia Hydrogeologów Polskich, Sosnowiec. [9] http://otworywiertnicze.pgi.gov.pl/ (dostęp 31.10.2018 r.)
