ZAKŁAD GEOLOGII I GEOFIZYKI JAROSŁAW MGŁOWSKI Ul. REJA

ZAKŁAD GEOLOGII I GEOFIZYKI
JAROSŁAW MGŁOWSKI
Ul. REJA 3 , 84-242 KĘBŁOWO
NIP 588-141-65-93
REGON 191158709
fax 58 5513722
tel. 600374504
e-mail: [email protected]
Załącznik nr. 1 do oferty z dn. 01.09.2012
str. 1-5
O ELEKTROHYDRODYNAMICZNEJ METODZIE (EHD) RENOWACJI STUDNI
Metoda EHD renowacji (dekolmatacji) studni została wprowadzona przez nas w oparciu o zupełnie odmienne
doświadczenia zastosowań przetworników elektromechanicznych służących jako źródła drgań typu „sparker”
do badań sejsmicznych na morzach (w geofizyce i oceanografii), a również efektu elektrohydraulicznego
urządzeń radzieckich przystosowanych już do czyszczenia filtrów studziennych. Przedtem doświadczalnie
zbadano efektywność wielu innych metod czyszczenia filtrów studziennych, w szczególności opartych o
zastosowanie materiałów wybuchowych (lont detonacyjny, proch strzelniczy) oraz wybuchu mieszanki wodoru
i tlenu ( uzyskanej elektrolizerem wody w studni). Próby wykazały nieporównywalnie największą efektywność
metody EHD. Nazwaliśmy ją tak dla odróżnienia od metody elektrohydraulicznej (EH), ponieważ łączy ona
cechy zarówno „sparkera” jak również metody EH.
Schemat ideowy metody EHD przedstawiono poniżej.
SCHEMAT REALIZACJI ELEKTROHYDRODYNAMICZNEJ (EHD) METODY
RENOWACJI STUDNI
str. 1
Na schemacie oznaczono
Z – źródło zasilana
R – opór formujący napięcie prądu ładowania
T – transformator
C – pojemność elektryczna (bateria kondensatorów)
P – prostownik
I – iskrownik powietrzny
IR - iskrownik roboczy (sparker)
Aparatura jest sterowana zdalnie, przewodowo, przy pomocy układu niskonapięciowych przekaźników.
W praktyce wykorzystuje się napięcia 20 000 – 50 000V oraz pojemności od 1 do 12 µF. iskrownik roboczy
przemieszany wzdłuż rury filtrowej (głównie). Rozładowania („wybuchy” lub „strzały”) następują z
częstotliwością od 30 do 70 razy w ciągu 1 minuty – w zależności od wysokości napięcia. Energia pojedynczego
impulsu (rozładowania) wyrażona w dżulach może być obliczona z zależności:
Przykładowo: kiedy napięcie U=30 kV i pojemność włączonych kondensatorów C=5µF, to energia pojedynczego
impulsu wynosi:
E[W sek = J] = 2,25 kJ (kilodżuli) = 2,25 kWsek = 0,000625 kWh
Zatem w 1 kWh (kilowatogodzinie) mieści się energia 1600 pojedynczych impulsów.
Jeśli np. filtr ma długość 15m i na 1m bieżący filtra przypadnie 1000 impulsów, to wówczas cały zabieg
wykonuje się kosztem następującej ilości energii wyrażonej w kilowatogodzinach:
E(z)=0,000625 kWh/imp. 1000imp./1m 15m = 9,375 kWh
Powinno budzić duże zdziwienie, że tak niewiele potrzeba energii dla wykonania pełnej renowacji studni.
Dzieje się tak dlatego, że czas trwania pojedynczego impulsu nie przekracza 40 µsek. Pożądane skutki osiąga
się dzięki temu, że energia elektryczna przekształca się pomiędzy elektrodami sparkera w różne inne jej
rodzaje, związane jest to z powstawaniem strumienia plazmy elektrycznej w ścieżce przebicia ładunku
elektrycznego, tzn. strumienia cząstek elementarnych. W pobliżu tej ścieżki następuje pełna atomizacja, w
szerszym otoczeniu – pełna jonizacja, szok termiczny (kilka tysięcy stopni Celcjusza), szokowa zmiana pola
elektromagnetycznego, silne promieniowanie gamma, ultrafioletowe, podczerwone, bardzo silna fala udarowa
i pełne odparowanie wody. Zasięg tych różnorodnych oddziaływań można regulować odległością pomiędzy
elektrodami sparkera.
O rzeczywistych kosztach wykonania zabiegu renowacji EHD decydują zupełnie inne czynniki.
Uwagi o istocie metody EHD renowacji studni
Metoda EHD ma określoną wartość rynkową tylko wówczas, kiedy całość pracy obejmuje zarówno prace
terenowe jak i opracowanie wyników obejmujące prognozę dalszej eksploatacji studni i zalecenia, w których
wskazuje się konkretną pompę dla optymalnej eksploatacji oraz warunki bezawaryjnej pracy studni i pompy w
czasie ok. 10-12 lat.
Dlatego mówiąc o wartości metody EHD należy mieć na uwadze zarówno usunięcie skutków kolmatacji,
wartość aparatury i metodyki prac polowych jak i wartość całej metodyki badań studni, opisu jej działania oraz
prognozowania zmian parametrów studni i parametrów eksploatacji konkretnymi pompami (ze wskazaniem
szczegółowych uwarunkowań ich bezawaryjnej pracy).
str. 2
Sposób renowacji studni głębinowych metodą
elektrohydrodynamiczna (EHD) –krótki opis metody
Renowacja studni rozumiana jest tutaj jako dekolmatacja filtra studziennego i strefy wokół filtrowej w
warstwie wodonośnej oraz inne oddziaływanie na tę strefę, które poprawia drożność przepływów w ośrodku
porowatym.
Renowację rozumiemy tu jako działanie usuwające skutki kolmatacji chemicznej (i biologicznej), a również –
kolmatacji mechanicznej.
W przypadku kolmatacji mechanicznej metoda nie zawsze jest skuteczna, jeśli pompowanie oczyszczające (po
renowacji) wykonywane jest nie wystarczająco energicznie (zbyt małą wydajnością).
Czynnikiem sprawczym kolmatacji chemicznej (i biologicznej) jest sam fakt istnienia studni (otwarcie i
napowietrzenie warstwy wodonośnej). Przyczyna kolmatacji mechanicznej jest zwykłe nie spełnienie warunku
poprawnej eksploatacji określanego relacją:
- oznacza tu wydajność eksploatacyjną pompy (maksymalną, czyli dla najniższego ciśnienia
jej
pracy),
- wydajność dopuszczalną, która jest funkcją czasu (zwykle malejącą).
Jeśli powyższa reakcja jest odwrócona, to zbyt duża wydajność pompowania powoduje „zaciągnięcie” frakcji
pylastych w kierunku do studni (wśród nich i iłów będących w wodonoścu). Zmniejsza to drożność przepływów
w ośrodku porowatym wokół studni i powoduje duże obniżenie wydajności jednostkowej aż do
uniemożliwienia opłacalnej eksploatacji. Dalsze niewłaściwe pompowanie studni prowadzi do zerwania
uszczelki żwirowej pomiędzy rurą filtrową i cembrową (eksploatacyjną), co powoduje wtargnięcie piasku
złożowego do studni budującego narastający zasyp studni. Często jest tak, że silne zakolmatowanie powoduje
tzw. „zrywanie lustra wody” i wówczas praca pompy w warunkach „suchobiegu” prowadzi albo do zerwania
całego agregatu pompowego albo do jego rozkręcenia się i zerwania silnika. Bywa, że w jednej studni jest
nawet kilka zerwanych pomp.
Renowacja studni metodą EHD bez dodatkowych innych specjalnych zabiegów sprawia, że ulegają destrukcji
produkty utleniania składników wody blokujące przestrzenie porowe wodonośca i filtra. „Kolmatant” ulega
takiemu rozdrobnieniu, że usunięcie go na zewnątrz przez pompowane wody („na wylew”) ze studni jest
możliwe nawet pompą o niewielkiej wydajności. Dobrze wykonane pompowanie oczyszczające (po zabiegu
EHD) prowadzi zwykle do odzyskania pierwotnej wydajności jednostkowej q (można je nawet zwiększyć
usuwając zakolmatowanie wstępne spowodowane procesem wiercenia studni). Jeśli nie obserwuje się w czasie
pompowanie oczyszczającego wyprowadzenia na zewnątrz substancji kolmatujących (i jeśli nastąpiła
odbudowa wydajności jednostkowej q), należy to interpretować w ten sposób, że nastąpiła mechaniczna
destrukcja kolmatanta zwiększająca przepływy, ale że sam kolmatant pozostał w warstwie jako trwały składnik
ziarnisty ją budujący.
str. 3
Skutki renowacji EHD
A. Skutki renowacji EHD dla wydajności studni
Skutkiem zabiegu EHD, którego oczekuje użytkownik studni, jest odbudowa lub ogólniej – poprawa (bo może
dotyczyć nowych studni) wydajności studni. Jeśli są odpowiednie dane w postaci dokumentacji powykonawczej
studni ( często również książki eksploatacji), to w oparciu o wyniki pompowań przed i po renowacji, możliwa
jest długoterminowa prognoza dalszych zmian parametrów studni po renowacji oraz optymalnej eksploatacji
tej studni.
B. Skutki EHD dla uzdatniania wody
Dla rozważań dotyczących tego problemu wygodnie jest przyjąć następujący schemat (pomimo jego
oczywistości):
Woda
111
1

Studnia = filtr żwirowy

2
 rurociąg
3

Stacja wodociągowa
4

sieć
5
1 Zadaniem całego systemu wodociągowego jest dostarczenie odpowiednio czystej wody do sieci wodociągowej.
Realizację tego zadania wykonuje się wg schematu przedstawionego powyżej. Poszczególne jego elementy
maja wpływ na jakość wody.
1. Pierwotne źródło wody w warstwie wodonośnej, z której ją pobiera studnia oznaczono na schemacie cyfrą
„1” („woda”). Jest to woda w tej warstwie, przed napływem do strefy oddziaływania studni na ta warstwę.
Jeśli po odwierceniu studni woda miała parametry umożliwiające jej użytkowanie, to najprawdopodobniej ma
je nadal – odpowiednio daleko od studni.
2. Studnia = filtr żwirowy. Studnia w istocie stanowi szeroki (otwarty) filtr żwirowy z wyodrębnioną
przestrzenią (rura filtrowa) przeznaczoną tylko dla wody. Ten filtr najczęściej nigdy nie jest czyszczony przez
cały czas eksploatacji studni. Budują go: filtr, osypka żwirowa oraz strefa wokół filtrowa w warstwie
wodonośnej o promieniu – na ogół – od kilku do kilkudziesięciu metrów. Ośrodek porowaty tworzący warstwę
wodonośną tworzy więc filtr żwirowy, na którym w miarę upływu czasu eksploatacji studni odkłada się coraz
więcej nierozpuszczalnych związków żelaza, manganu, ewentualnie i innych. Jeśli ten filtr jest silnie obciążony
tymi związkami, to woda złożowa nawet nie wymagająca uzdatniania (blok1), po przepływie przez studnię
(blok2) staje się wodą zanieczyszczoną i wymaga uzdatniania. Jeśli w stacji wodociągowej były filtry
wystarczające do skutecznego oczyszczania wody, to po pewnym czasie zadanie tych filtrów jest utrudnione, a
z czasem – wręcz niemożliwe i należy je rozbudować, aby zachować zdolność przepływową stacji. Działanie
latami eksploatowanej studni można porównać do specjalnie zainstalowanego zbiornika z filtrem żwirowym,
przez który przepływa duża ilość wody (napowietrzonej), a który nie był nigdy płukany.
Jeśli taki zbiornik ustawić na wejściu do stacji wodociągowej, to woda wypływająca ze stacji nie może być
czysta. I tak się dzieje rzeczywiście. Dowodzą tego obserwowane zmiany składu chemicznego wody surowej
(pobranej ze studni). Dowodzą też tego praktyczne obserwacje na wszystkich wodociągach, jak i liczne opisy
zmian w literaturze. Jest charakterystycznym, że nie zaobserwowano nigdzie zmian zawartości zanieczyszczeń
wody o kierunku odwrotnym, tzn. aby wody początkowo zawierające ponadnormatywne ich ilości po jakimś
czasie traciły swoje obciążenie i stały się wodami czystymi (w znaczeniu wymagań użytkowych).
3. „Rurociąg” – element schematu oznaczony cyfrą „3”. Przy większych jego długościach, dużej ilości redukcji
średnic, kolan, rozgałęzień (np. trójników), może on być też źródłem zanieczyszczeń wody – zwłaszcza, gdy jest
od lat wykorzystywany i nie był czyszczony, tym bardziej, kiedy zbudowany jest ze skorodowanych rur
stalowych lub azbestowo-cementowych. Takim zanieczyszczeniom sprzyja też duże oddalenie studni od stacji
wodociągowej (duża powierzchnia wewnętrzna rurociągu).
str. 4
4. Stacja wodociągowa – oznaczona cyfrą „4” na schemacie. Jeśli nie jest wyposażona w filtry dla oczyszczania
wody i jeśli w początkowym okresie eksploatacji studni lub całego ujęcia, woda surowa nie wymagała
uzdatniania, to wówczas renowacja studni metodą EHD jest zabiegiem celowym i rokującym pożądany efekt,
tzn. przywrócenie sytuacji pierwotnej. Oznacza to możliwość uniknięcia budowy filtrów dla uzdatniania wody
(rozbudowy stacji wodociągowej). Jednocześnie powinno to doprowadzić do obniżenia kosztów eksploatacji
(pompowania). Należy wtedy rozważyć celowość oczyszczenia rurociągu – elementu „3” schematu. Często
można to zrobić również metodą EHD tą samą aparaturą.
5. Sieć – oznaczona numerem „5” ostatni blok schematu może być też źródłem specyficznych zanieczyszczeń
wody nie wynikających z awarii tej sieci lub jej otwarcia dla innych niż pochodzących ze stacji wodociągowej
wód. Źródłem żelaza (bo o nim tu mowa) zanieczyszczającego wodę w sieci są same rury – jeśli nastąpił w nich
rozwój bakterii żelazowych. W Iławie uporano się z tym problemem napowietrzając przez jakiś czas wodę, co
skutecznie uśmierciło anaerobowe bakterie, w Gdyni wymieniono cały stosunkowo długi odcinek rurociągu
wykonanego z materiału szczególnie podatnego na działanie tych bakterii.
Podsumowanie
Metoda EHD może (i powinna) mieć zastosowanie w ogólnie formułowanym zadaniu poboru i uzdatnianiu
wody. Jej przydatność dla rozwiązywania problemów w każdym przypadku może być różna. W wielu
przypadkach, dla rozwiązań podstawowych zadań np. kiedy jest to usuwanie barwy z warstw trzeciorzędu z
węglem brunatnym, metoda EHD będzie nieprzydatna. Ale nawet wówczas, jeśli studnie są stare, to może się
okazać pomocną, obniżającą progi trudności dla filtrów w SUW powodując wstępne obniżenie stopnia
zanieczyszczeń wody. Są jednak sytuacje, kiedy sam zabieg EHD wykonany w studniach i ewentualnie w
rurociągu łączącym je ze stacją wodociągową, będzie w zupełności wystarczającym i powinien zapewnić dobrą
jakościowo wodę na przewidywalny okres czasu (jeśli zachowały się archiwalne analizy wody surowej można
dokonać porównania).
Referencje
Przy zastosowaniu metody renowacji EHD zostało przywróconych do eksploatacji ponad 300 studni .
Metoda była skuteczna w 99% przypadków. Dokumenty potwierdzające do wglądu na życzenie.
Metodę EHD opracowano i wdrożono do użytku w Zakładzie Geologii i Geofizyki Wojciech Rossa.
str. 5