Dynamiczny rozwój miast oraz zwiększenie zapotrzebowania na wodę skłaniają przedsiębiorców do poszukiwania dodatkowych źródeł zaopatrzenia w wodę, a także zapewnienia rezerwowych ujęć wód. Niejednokrotnie działania inwestycyjne zwracają się ku studniom, których w przeszłości nie włączono do eksploatacji lub eksploatacja została zaniechana. Należy jednak zwrócić uwagę, że mimo braku poboru wody w długim okresie czasu, w nieużytkowanych studniach zachodzi wiele procesów naturalnych, które wpływają negatywnie na ich konstrukcję oraz sprawność hydrauliczną (procesy starzenia).
Dynamika tych zjawisk jest bezpośrednio związana z lokalnymi warunkami hydrogeochemicznymi warstwy wodonośnej, jakością zastosowanych materiałów konstrukcyjnych, jak również z wiekiem studni. Dla oceny racjonalności włączenia (lub przywrócenia) do eksploatacji nieużytkowanych studni konieczne jest wykonanie w nich pełnej diagnostyki stanu technicznego, a przede wszystkim profilowań geofizycznych otworu, inspekcji TV oraz pompowań pomiarowych.
Badania te obrazują m.in. aktualny stan konstrukcji studni, wydajność eksploatacyjną, jakość wody, czy też umożliwiają opracowanie zaleceń dotyczących dalszej eksploatacji. Wyniki badań pozwalają zakwalifikować studnię do włączenia do eksploatacji, rekonstrukcji lub do likwidacji. Ponadto stanowią wiarygodną podstawę do analizy ekonomicznej przedsięwzięcia, zwłaszcza w zakresie poniesienia dodatkowych kosztów związanych z uruchomieniem studni.
Zwiększone zapotrzebowanie na wodę, powodowane dynamicznym rozwojem miast, stanowi wyzwanie dla przedsiębiorstw wodociągowych ujmujących wody podziemne. Zaspokojenie rosnących potrzeb odbiorców wiąże się z poborem wody równym tzw. „zdolności produkcyjnej” funkcjonujących ujęć wód podziemnych, a niekiedy nawet z wykorzystaniem awaryjnych ujęć wody.
Niejednokrotnie wieloletni brak inwestycji w zakresie zapewnienia rezerwowych ujęć wód podziemnych sprawia, iż brak jest studni rezerwowych, które mogą stanowić zabezpieczenie dostaw wody np. podczas sezonowych suszy lub konieczności wyłączenia studni z powodu awarii. W takich sytuacjach warte rozważenia jest przywrócenie do użytkowania istniejących studni, w których eksploatacja nie została rozpoczęta lub jej zaniechano.
Rozwiązanie takie może się okazać szczególnie opłacalne w przypadku studni ujmujących wody głębokich poziomów wodonośnych, o stabilnym składzie fizyko-chemicznym. Wykorzystując takie studnie udaje się uniknąć nie tylko znacznych nakładów finansowych na wykonanie otworu, ale również znacząco ograniczyć czas inwestycji, czyli włączenia studni do eksploatacji.
W latach 80. XX wieku rozpoznanie głębokich horyzontów wodonośnych prowadzono m.in. w rejonie Skierniewic, przy ul. Rawskiej. Odwiercone wówczas studnie miały stanowić źródło wody do zasilania wodociągu miejskiego, jednakże nie udało się ich włączyć do eksploatacji z powodów formalnych (brak prawa własności do działki, na której zlokalizowane są przedmiotowe studnie oraz brak infrastruktury przesyłowej, np. SUW).
1. Procesy zachodzące w nieeksploatowanych studniach
Otwory hydrogeologiczne, zarówno należące do sieci obserwacyjnej, jak i służące do poboru wód, podlegają wielu procesom fizycznym i chemicznym wpływającym na ich stan techniczny, a nierzadko na lokalne warunki ujmowanej warstwy wodonośnej, np. w wyniku kolmatacji strefy okołofiltrowej zmieniają się lokalne warunki filtracji [Macuda, Styrkowiec 2017]. W praktyce stosuje się pojęcie „starzenia studni”, które określa całość tych zjawisk.
Należy zaznaczyć, że również w przypadku studni nieeksploatowanych, zjawiska te również zachodzą, często uniemożliwiając ich uruchomienie i włączenie do eksploatacji. W dużej mierze zależą one od regionalnie wykształconego środowiska hydrogeochemicznego, jak również konstrukcji samej studni, gdzie niebagatelne znaczenie ma wytrzymałość zastosowanych materiałów, m.in. na korozję i ciśnienie górotworu.
Największe znaczenie odgrywają procesy korozji, które mogą prowadzić do perforacji rur okładzinowych (umożliwiając mieszanie wód z różnych poziomów wodonośnych, w tym dopływ wód o niepożądanych parametrach fizykochemicznych) lub kolumny filtrowej (skutkując powstaniem znacznego zasypu w otworze studziennym).
Oba procesy mogą dyskwalifikować ponowne włączenie studni do eksploatacji. Uszkodzeniu mogą ulegać nie tylko stalowe rury okładzinowe i filtry studzienne, ale również wypełnienia przestrzeni pierścieniowej pomiędzy rurami lub między rurami a górotworem, izolujące poszczególne poziomy wodonośne [Baumann, Tholen 2001].
Istotne znaczenie ma także proces kolmatacji, a w otworach nieużytkowanych, również proces wytrącania związków i substancji mineralnych. Materiał ten może powodować kolmatację zarówno filtrów, jak również strefy okołootworowej, utrudniając tym samym dopływ wody do otworu.
Ponadto, wody podziemne, w zależności od lokalnych warunków, mogą stanowić środowisko o dużej aktywności mikroorganizmów, które zasiedlają elementy konstrukcyjne otworów, zwłaszcza filtr i strefę przyfiltrową, tworząc maty mikrobiologiczne lub inne błony biogenne, które ograniczają drożność otworu [Borkowski i in. 2013]. W niektórych przypadkach, znaczny rozwój mikroorganizmów w otworach studziennych może też wpływać na zmianę chemizmu wody oraz przyspieszać procesy korozji materiałów konstrukcyjnych [Rao i in. 2000].
2. Metodyka badań diagnostycznych
Z ekonomicznego punktu widzenia przed przystąpieniem do włączenia nieużytkowanej studni do eksploatacji konieczne jest wykonanie dokładnej diagnostyki jej stanu technicznego, a na kolejnym etapie ustalenie aktualnej wydajności i sprawności hydraulicznej ujęcia [Macuda, Styrkowiec 2016].
Pierwszym krokiem jest wykonanie inspekcji telewizyjnej otworu studziennego, pozwalającej stwierdzić m.in. głębokość rzeczywistą otworu, zgodność wykonania z dokumentacją archiwalną, drożność otworu czy też wizualnie ocenić stan techniczny rur okładzinowych i filtra. Informacje te są niezbędne do zaplanowania kolejnych działań w otworze, np. wykonania zabiegów instrumentacyjnych w celu usunięcia utraconych przedmiotów uniemożliwiających wykonanie dodatkowych badań diagnostycznych lub ograniczających prześwit otworu. W niektórych przypadkach samo badanie w drodze inspekcji TV może przesądzić o zasadności inwestycji, zwłaszcza w przypadku stwierdzenia występowania zasypu o dużej miąższości lub zaawansowanych wżerów korozyjnych rur okładzinowych.
Niemniej jednak, w starych nieeksploatowanych studniach, obecność bogato wykształconych pokryw inkrustacyjnych na ścianach orurowania często uniemożliwia jednoznaczną diagnostykę otworów wyłącznie na podstawie technik wizualnych. Poza tym, ocena stanu technicznego oparta wyłącznie na nich jest dość subiektywna. Konieczne jest zatem rozszerzenie programu badawczego o odpowiednio do tego celu zaadaptowane metody geofizyki otworowej, których celem jest przede wszystkim [Górka, Baumann 2013]:
- ocena ogólnego stanu technicznego orurowania;
- weryfikacja konstrukcji otworu i jej zgodności z projektem;
- ocena stopnia skorodowania/grubości ścianki rur okładzinowych;
- ocena wypełnienia i uszczelnienia przestrzeni pozarurowej;
- ocena wypełnienia przestrzeni pierścieniowej obsypką żwirową;
- wyznaczenie rozkładu dopływów wód do otworu
- ocena warunków fizykochemicznych;
- analiza strefowej wydajności otworu;
- analiza dopływu wód spoza ujmowanej warstwy wodonośnej;
- ocena piaszczenia studni;
- ocena stopnia kolmatacji filtra i strefy przyfiltrowej;
- ocena szczelności połączeń rur okładzinowych i kolumny filtrowej;
- weryfikacja zgodności profilu geologicznego z dokumentacją powykonawczą.
Ostatnim etapem badań jest przeprowadzenie pompowania pomiarowego [Dąbrowski i Przybyłek 2005] w celu ustalenia (udokumentowania) aktualnej wydajności i depresji eksploatacyjnej studni, które w ciągu długiego okresu czasu mogły ulec zmianie z uwagi na pogorszenie stanu technicznego otworu, jak również regionalnych zmian zasobów spowodowanych np. recesją przemysłu.
3. Konstrukcja otworów
Ujęcie przy ul. Rawskiej w Skierniewicach składa się z 4 otworów studziennych (I/1, I/2, I/3 oraz I/4) o głębokości ok. 595 m każdy. Według kart studni, w każdej z nich, od powierzchni terenu do głębokości kilku metrów, postawiono kolumnę wstępną o średnicy 28”, a następnie zainstalowano kolumny prowadnikowe f 20” w głębokości od 112,6 do 145,5 m.
Techniczne kolumny rur okładzinowych o średnicy 16” postawiono w stropie utworów dolnej kredy, tj. na głębokości od 442 do 444m i zacementowano w interwale kilkudziesięciu metrów nad butem rur. Kolumny filtrowe o średnicy 9 5/8” zainstalowano w studniach jako tracone, z kilkunastometrową zakładką rur nadfiltrowych w kolumnie rur technicznych 16”. W każdej z kolumn filtrowych zabudowano po 2 odcinki filtrów o średnicy 9 5/8”, wykonanych z perforowanych rur stalowych i owiniętych blachą z perforacją mostkową. W studni o numerze I/2, w kolumnie filtrowej, oprócz wymienionych filtrów, zainstalowano dodatkowo odcinek filtra o średnicy 6 5/8”. W każdej ze studni przestrzeń pierścieniową pomiędzy kolumną filtrową a ścianą otworu wypełniono obsypką żwirową o granulacji 1,4÷2,0 mm.
4. Wyniki badań diagnostycznych
Rozpoznanie stanu technicznego nieużytkowanych dotychczas studni, zlokalizowanych w Skierniewicach przy ul. Rawskiej przeprowadzono w kilku etapach. W pierwszej kolejności przeprowadzono wstępną diagnostykę za pomocą kamery TV, której wyniki pozwoliły wykluczyć konieczność wykonania prac instrumentacyjnych w badanych studniach i zaplanować kolejne, bardziej zaawansowane, badania geofizyczne. W skład zestawu badań weszły: profilowanie średnicy (PŚr), defektoskopia elektromagnetyczna (EMDS), segmentacyjne profilowanie gamma (SGL), profilowanie neutron-neutron (PNN), profilowanie gamma-gamma gęstościowe (PGGg), profilowanie zestawem sond produkcyjnych PL (przepływomierz, temperatura, przewodność, ciśnienie).
4.1. Inspekcja TV
Wykonanie przeglądu za pomocą kamery TV miało na celu sprawdzenie zgodności konstrukcji studni z dokumentacją archiwalną (w przypadku studni nr 4 odtworzono część jej konstrukcji), wizualne określenie stanu technicznego rur okładzinowych, aktualnej głębokości poszczególnych studni, jak również ocenę drożności otworów.
Wykonany przegląd studni potwierdził zgodność dokumentacji archiwalnej ze stanem faktycznym. Wizualnie, ściany rur okładzinowych nie wykazywały ognisk korozji, w żadnym z otworów nie zaobserwowano również zaawansowanych wżerów korozyjnych (rys. 1).
Połączenia poszczególnych odcinków rur okładzinowych również oceniono jako dobrze zachowane. W każdej z diagnozowanych studni (za wyjątkiem studni nr 1) stwierdzono występowanie zjawiska kolmatacji w postaci wytrąconego osadu mineralnego (rys. 2), który z reguły koncentrował się w przelocie zabudowy kolumny filtrowej. W przypadku gdy zastosowana była mniejsza średnica filtra, jak w studni nr 2, osad ten znacznie ograniczał drożność otworu.
4.2. Badania geofizyczne
Przeprowadzone w studniach badania geofizyczne miały na celu uzupełnienie wyników inspekcji telewizyjnej w szczególności o ilościowe analizy stanu technicznego kolumny rur osłonowych 16” i 20”, weryfikację wypełnienia przestrzeni pierścieniowej kamieniem cementowych poza kolumną 16” oraz wyznaczenie rozkładu dopływów wód do części czynnej filtra. Badania objęły 3 studnie: I/2, I/3 oraz I/4. Szczegółowe analizy pozyskanych danych geofizycznych zawierają przekazane zamawiającemu sprawozdania [Górka, Voss 2014], natomiast przeprowadzone w studniach badania geofizyczne podsumować można w następujący sposób:
- wg badań EMDS, we wszystkich analizowanych studniach, kolumny rur okładzinowych 16” nie wykazują znacznych odchyleń od referencyjnych wartości grubości ścianek (maks. ok. 2,5 mm). Miejscowe wahania ograniczają się jednak w wielu przypadkach do całych odcinków rur i są zatem uwarunkowane materiałowo, wskazując na pierwotne niewielkie zmiany grubości ścianki już na etapie realizacji prac wiertniczych (rys. 3). Jest to zapewne spowodowane zabudową odcinków kolumn rur okładzinowych o nominalnie różnych grubościach ścianek lub/i dodatkowo tolerancją materiałową dla rur wiertniczych. Względem pomiaru EMDS nie ma jednak dowodów na lokalne uszkodzenia rur f 16”, które uniemożliwiałyby włączenie studni do eksploatacji;
- według badań SGL, PGGg oraz PNN, we wszystkich analizowanych studniach brak jest wypełnienia przestrzeni pierścieniowej pomiędzy kolumnami rur f 16 i 20” do buta kolumny 20” (a w przypadku otworu I/2 nieco głębiej, do ok. 17 m poniżej buta rur 20”). Odczyty PNN wskazują, że do tej głębokości przestrzeń pomiędzy rurami wypełniona jest wodą. Poniżej tego poziomu wartości gęstości stają się bardziej jednorodne, a odczyty poszczególnych sond wskazują na to, że przestrzeń wypełniona jest stosunkowo zwarcie materiałem na bazie cementu. Znaczy to, że zaczyn cementowy we wszystkich studniach zatłoczono wyżej niż planowano, przez co kolumna rur f 16” we wszystkich otworach zacementowana jest w dłuższym interwale niż udokumentowano to w kartach otworów. Z przyczyn ekonomicznych nie prowadzono natomiast badań związania cementu do kolumny rur na bazie technik akustycznych. Na podstawie pomiarów SGL brak jest za to wskazań na decentryczne położenie kolumny rur f 16” w obrębie odwiertu, co należy uznać za prawidłowe wykorzystanie prowadników kolumny i centralizatorów.
- warunki hydrodynamiczne w otworach mogły zostać ocenione jedynie w ograniczonym stopniu, jako że podczas realizacji tej części zadania wszystkie otwory zaczęły piaszczyć i w efekcie uległy zasypaniu do głębokości odpowiednio: I/2 do 449,9 m, I/3 do 520,0 m, I/4 do 420,7 m. Prędkość formowania się zasypu była badana w otworze I/3 i w jego środkowej strefie filtra wynosiła nawet do 10 m słupa piasku w przeciągu 15 min. Zasypywanie wystąpiło przy niewielkiej wydajności pompowania (maks. 42 m3/h), co świadczy o znacznym skorodowaniu i uszkodzeniu na filtrach blachy z wytłoczonymi mostkami.
Podsumowując powyższe, we wszystkich studniach stwierdzono, że biorąc pod uwagę zarówno stan techniczny kolumny rur okładzinowych f 16” i 20”, jak i wypełnienie przestrzeni pierścieniowej poza kolumną f 16”, badane studnie są w stanie technicznym umożliwiającym pobór wód podziemnych. Jednakże biorąc pod uwagę stan techniczny kolumny filtrowej (w tym formowanie się zasypu), w celu włączenia ich do eksploatacji, konieczna jest rekonstrukcja odcinka filtrowego.
4.3. Pompowania pomiarowe
Z uwagi na zasypanie otworów na odcinku filtrowym podczas wstępnych pompowań dla celów geofizycznych, wykonanie kilkustopniowych pompowań diagnostycznych o wyższej wydajności okazało się niemożliwe i bezprzedmiotowe [Rodzoch 2014]. Analizy parametrów hydrogeologicznych studni po części możnaby przeprowadzić przy wykorzystaniu danych z pompowań przeprowadzonych podczas realizacji badań geofizycznych, niemniej jednak zaznaczyć należy, że pompowania te były stosunkowo krótkotrwałe i miały o wiele mniejszą wydajność niż oczekiwana przez użytkownika.
5. Podsumowanie prac diagnostycznych
Zakładany cel przeprowadzonych badań w studniach przy ul. Rawskiej w Skierniewicach został w pełni zrealizowany. Wykonana diagnostyka (inspekcja TV + badania geofizyczne) wykazała, że w obecnym stanie technicznym studnie nie nadają się do eksploatacji, niemniej jednak dobry stan techniczny kolumny rur okładzinowych sprawia, że ich rekonstrukcja, polegająca wyłącznie na wymianie filtra, jest całkowicie zasadna. Zgodnie ze sprawozdaniem sporządzonym przez nadzór geologiczny [Rodzoch 2014], jest to niewątpliwie niższy koszt niż odwiercenie nowych studni. Bez realizacji badań diagnostycznych, poprawna ocena dalszego postępowania byłaby niemożliwa do wykonania.
W świetle planów zaopatrzenia miasta Skierniewice w wodę z utworów dolnokredowych, wykonane badania diagnostyczne studni I/1, I/2, I/3 oraz I/4 stają się zatem kluczowe dla podejmowania przez władze miasta decyzji co do celowości i możliwości tego typu działań przy wykorzystaniu istniejącej infrastruktury.
6. Wnioski
Wzrastające regionalnie zapotrzebowanie miast na wodę wymaga przede wszystkim od przedsiębiorstw wodociągowych racjonalnej gospodarki dostępnymi zasobami, jak również prowadzenia strategii zapewnienia rezerwowych ujęć wód na czas zjawisk ekstremalnych, jak np. sezonowe susze. Nieużytkowane dotychczas otwory studzienne, będące w dobrym stanie technicznym, mogą być dobrym rozwiązaniem dla uzupełnienia niedoborów w dostawach wody. Dla oceny racjonalności włączenia ich do eksploatacji konieczne jest wykonanie kompletnej diagnostyki studni – począwszy od przeglądu kamerą TV, poprzez szczegółowe badania geofizyczne konstrukcji studni oraz w końcowym etapie określenie parametrów hydrogeologicznych i zaleceń co do jej pracy.
Szczegółowa diagnostyka otworów studziennych pozwala nie tylko racjonalnie zaplanować koszty inwestycyjne w zakresie wykonawstwa nowych jak i włączenia do eksploatacji istniejących i niewykorzystywanych dotychczas ujęć wód, ale również zakwalifikować studnie w złym stanie technicznym do rekonstrukcji lub likwidacji, tak aby nie stanowiły potencjalnego źródła zanieczyszczenia warstw wodonośnych w obrębie ujęcia.
7. Literatura
[1] Baumgart E., Flizikowski J., 2010: Nieużytkowane studnie – recyrkulacja zagrożeń, Inżynieria i aparatura chemiczna, nr 5, 18-19.
[2] Baumann K., Tholen M., 2001: Mängel an Brunnen und Grundwassermessstellen, bbr Wasser, Kanal, Rohrleistungsbau, 1/2001, 24-34, Verlagsgesellschaft Rudolf Müller, Köln.
[3] Borkowski A., Dobrzyński D., Kowalczyk P., Wolicka D., 2013: Analiza mikrobiologiczna i molekularna dla zrozumienia zjawisk w porzuconym otworze studziennym, Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego 456, 39-44.
[4] Dąbrowski S., Przybyłek J., 2005: Metodyka próbnych pompowań w dokumentowaniu zasobów wód podziemnych. Ministerstwo Środowiska, Warszawa.
[5] Górka T., Baumann K., 2013: Ocena zagrożeń wód podziemnych na podstawie kontrolnych pomiarów stanu technicznego otworów hydrogeologicznych przy wykorzystaniu metod geofizyki otworowej. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego, 456, 173-178.
[6] Górka T., Voss T., 2014: Sprawozdanie z badań geofizycznych studni głębinowej I/4 w Skierniewicach, niepublikowane.
[7] Macuda J., Styrkowiec E., 2016: The technical and technological aspects of commissioning a new intake wells, AGH Drilling, Oil, Gas, vol. 33, no. 3.
[8] Macuda J., Styrkowiec E., 2017: Many years’ extraction of groundwater in the context of established usable groundwater reserves, AGH Drilling, Oil, Gas, vol. 34, nr 2 (2017), s. 419-426.
[9] Rao R.S., Sairam T.N., Viswanthan B., Nair K.V.K., 2000: Carbon steel corrosion by iron oxidising and sulphate reducing bacteria in freshwater cooling system, Corrosion Since, 42, 1417–1431.
[10] Rodzoch A., 2014: Sprawozdanie z wykonania badań diagnostycznych studni dolnokredowych przy ul. Rawskiej w Skierniewicach, niepublikowane.
[11] Styrkowiec E., 2013: Opinia stanu technicznego studni nr I/1, I/2, I/3, I/4 zlokalizowanych przy ul. Rawskiej w Skierniewicach, niepublikowane.
[12] Dokumentacja archiwalna studni przy ul. Rawskiej w Skierniewicach.
dr Tomasz Górka, Bohrlochmessung – Storkow GmbH Sp. z.o.o. Oddział w Polsce
mgr inż. Ewa Styrkowiec, Zakład Wodociągów i Kanalizacji Sp. z o.o. w Łodzi
dr hab. inż. Jan Macuda, prof. AGH, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie,Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu
źródło: Technologia Wody 4/2018
