CZ298169B6 - Zpusob a zarízení k provádení kontroly technického stavu a funkcnosti hydrogeologických vrtu a studní - Google Patents

Abstract

Zpusob kontroly technického stavu a funkcnosti hydrogeologických vrtu a studní z hlediska technického, geologického, hydrogeologického a tektonickéhospocívá v tom, ze se provede merení metodou termometrie, fotometrie, rezistivimetrie, gama gama karotáze, kavernometrie a gama karotáze vrtu spolecnes pouzitím vrtné optické kamery. Zarízení pro kontrolu technického stavu a funkcnosti hydrogeologických vrtu a studní, zabudované do jednoho terénního vozidla se skládá z nejméne sesti povrchových panelu (3), zvlástního bloku (6) pro vrtnou kameru (7) a nejméne sesti karotázních sond (4) a jedné vrtné kamery (7) pro príjem optického signálu. Sondy (4) a vrtná kamera (7) jsou prostrednictvím spojky (5) pripojeny na koncovku kabelu (2).

Description

⁵ Oblast techniky

Návrh se týká způsobu kontroly technického stavu a funkčnosti vrtů pomocí geofyzikálních zařízení a vrtné kamery, které slouží pro sledování skutečného stavu starých i nových vrtů a studní. Toto zjištění je zásadní informací pro rozhodnutí, zda vrt či studnu nadále využívat, využívat 10 podmíněně, po opravě, kterou navrhneme, či zdaje naopak nutno vrt či studnu opustit, případně zlikvidovat.

Dosavadní stav techniky

Do dnešní doby byly kontroly funkčnosti vrtů prováděny po mocí vrtné televizní kamery. Jen v ojedinělých a zvláštních případech bylo používáno geofyzikální měření ve vrtu (karotáž). Televizní kamera podává jen optický obraz a neříká nic o proudění vody ve vrtu ani o prostoru vně pažnice. Naopak geofyzikální měření může tyto údaje poskytnout, ale bez optického obrazu. Jen 20 ve zcela ojedinělých případech bylo odděleně použito jak vrtné televize, tak i karotáže. Při oddělené aplikaci karotáže, byť by byl použit i optimální soubor metod, a vrtné televize bez vzájemné koordinace může uniknout pozornosti množství zásadních informací o vrtu. Podle našich zkušeností to bývá až 50 % důležitých informací. Geofyzikální měření ve vrtech (karotáž), jak už bylo zmíněno, bylo používáno za účelem zjišťování funkčnosti vrtů sporadicky. Bylo to dosud pouze 25 jednak v případech, kdy ve vrtech s jílovým výplachem bylo nutno lokalizovat utržené vrtné nářadí a jednak vzácně v případech, kdy bylo nutno posoudit akutní nebezpečí, kdy bylo pravděpodobné, že vrtem dochází k výraznému proudění vody dolů a tím k odvodnění celé oblasti. V několika vrtech byla provedena v posledních letech i karotáž pro celkové posouzení funkčnosti vrtů. Použité metody se přitom měnily v různých vrtech; metodika nebyla sjednocena a hledal se 30 optimální soubor metod a nebyla použita ani vrtná televize.

Podstata vynálezu

Uvedený problém způsobu kontroly technického stavu a funkčnosti vrtů řeší vynález, jehož podstatou je provedení kombinace metod geofyzikálního měření ve vrtech a vrtné televizní kamery, přičemž se provádí metoda termometrie, fotometrie, rezistivimetrie v aplikaci metody ředění označené kapaliny, případně i v aplikací metody konstantního čerpání resp. konstantního nálevu, případně průtokometrie, metoda gama gama karotáž, kavemometrie a metoda gama karotáž a kontrola vrtnou optickou kamerou. Všechna tato měření ve vrtech jsou prováděna hloubkově spojitě.

Každá z metod sleduje určitý parametr ve vrtu.

Nový způsob umožňuje komplexní pohled na vrt nebo stud u z hlediska technického, hydrogeologického, geologického i tektonického. Podává tak komplexní a objektivní informaci o technickém stavu a funkčnosti vrtu či studny.

Termometrie - přesné měření teploty ve vrtu. Podle anomálií na teplotní křivce je možno usuzo50 vat a místa přítoků i na proudění vody vně pažnice.

' ^Fotometrie - měření stupně mechanického zakalení vody. Určuje i hranici kalu u dna vrtů. Metoda ředění spočívá v označení vody ve vrtu většinou po mocí Na Cl, čímž dojde ke snížení měrného elektrického odporu ve vrtu. V různých časech po úpravě je registrována série rezistivimetriekých záznamů. Tam, kde ve vrtu dochází k proudění vody, se postupně označená voda ředí vodou přitékající z propustných puklin. Podle charakteru a rychlosti změn je možno určit místa přítoků a velikost proudění vody vrtem.

Princip metody čerpání resp. nálevu je podobný, po úpravě vody je z vrtu čerpána voda s konstantní vydatností (resp. do vrtu nalévána voda). Snížením hydrostatického tlaku dojde k přitékání vody z propustných puklin do vrtu (resp. zvýšením tlaku je voda zatlačována do propustných puklin). Týká se to i těch puklin, kde k proudění za přírodních podmínek nedochází. Z charakteru změn na rezistivimetrických křivkách registrovaných v průběhu čerpání (resp. nálevu) lze přesně zjistit propustné pukliny ve vrtu. Tato metoda navíc umožňuje výpočet koeficientu filtrace a dílčích vydatností jednotlivých puklin. Průtokometrie - slouží ke zjišťování intenzivního vertikálního proudění vody ve vrtu. Vrtulka rotuje v proudu vody protékající vrtem, počet otáček za jednotku časuje úměrný rychlosti takového proudění.

Gama gama karotáž - principem metody je jev zvaný Cormptonův rozptyl. Hornina je ozařována zdrojem gama záření -izotopem ^,37Cs umístěným na konci sondy, intenzita rozptýleného gama záření přicházejícího k detektoru v sondě z horniny je nepřímo úměrná hustotě prostředí. Metoda tak slouží ke zjišťování otevřených puklin vně výstroje, ke zjišťování zapažnicové cementace, k odlišení míst se zapažnicovým obsypem a míst s absencí tohoto obsypu, ke zjištění paty vnější pažnicové kolony. Obsypem bývá zpravidla tříděný říční štěrk.

Kavemometrie - slouží ke zjišťování skutečného vnitřního průměru vrtu, nerovností na pažnicích, ke zjišťování změn průměru vrtu a výstroje, k identifikaci cizorodých předmětů ve vrtu tříramennou sondou.

Gama karotáž - referenční metoda, která slouží k základnímu rozčlenění horninového profilu vrtu z hlediska zastoupení jílovitých a písčitých hornin na základě registrování přírodního gama záření hornin. To je způsobeno v běžných horninách izotopem ⁴⁰K, který je součástí jílů a žul. Naopak v pískovcích je obsah radioaktivních minerálů velice nízký.

Všechna uvedená geofyzikální měření jsou předběžně zpracována. Přitom se ukáže, která místa jsou nějak geofyzikálně zajímavá z hlediska technického stavu vrtu.

Poté je do vrtu spuštěna vrtná optická kamera. Kamera je otočná ve vertikální i horizontální ose, s možností zaostřování, změnou osvitu i s možností zpomalení či zastavení pohybu kamery kdekoliv ve vrtu. Pozornost je soustředěna právě do míst geofyzikálně zajímavých, kde je provedeno velice detailní sledování, aby bylo odhaleno, co je příčinou indikované anomálie a jak dané místo ve skutečnosti vypadá. Kamera je digitální s možností přímého zápisu optického obrazu do počítače nebo DVD nebo CD. Při běžných kontrolách vrtů televizními kamerami bez koordinace s karotáží až doposud taková místa, která jsou z hlediska funkčnosti vrtu zásadní, unikala pozornosti, neboť na ně nebyl kladen důraz. Například praskliny v pažnici, kterými d o vrtu může přitékat voda o nevhodných vlastnostech, mohou být optickou kamerou velmi snadno přehlédnuty.

Zařízení pro měření karotáze současně s použitím vrtné kamery, zabudované do jednoho terénního vozidla je nové a spočívá v tom, že se skládá z nejméně šesti povrchových panelů, zvláštního bloku pro vrtnou kameru a nejméně šesti karotážních sond registrujících fyzikální parametry prostředí ve vrtu jako jsou teplota vody, stupeň zakalení vody, měrný elektrický odpor vody ve vrtu, intenzitu rozptýleného gama záření, měření skutečného vnitřního průměru vrtu, intenzity přírodního gama záření hornin, případně průtok vody ve vrtu, a jedné sondy pro příjem optického signálu vrtné kamery, sondy jsou prostřednictvím spojky připojeny na koncovku kabelu._____

-2CZ ζνβίον BĎ

Podobná zařízení jsou používána běžně pro karotážní měření. Nová je kombinace uspořádání šesti povrchových panelů, zvláštního bloku pro vrtnou kameru a nejméně šesti karotážních sond a vrtné kamery pro příjem optického signálu.

Nová je kombinace karotážních, metod a vrtné televize a rovněž zvolená kombinace jednotlivých karotážních metod, která spolu s vrtnou televizí jediná může dodat ucelený obraz o technickém stavu vrtu a jeho funkčnosti.

Právě komplexnost přístupu k řešení problému dvěma nezávislými a vzájemně se doplňujícími metodikami: geofyzikální a optickou kontrolou při použití ideální kombinace geofyzikálních metod (viz výše) zaručuje skutečně reálný a zevrubný pohled na sledovaný vrt.

Předkládaný návrh umožňuje objektivní posouzení funkčnosti vrtu a doporučení jeho dalšího využívání. Tímto doporučením může být buď vrt zlikvidovat a vyhloubit místo něj nový, nebo naopak nadále vrt či studnu využívat beze změn (s odhadem doby, po kterou bude ještě možno vrt či studnu možno využívat), nebo využívat po opravě. V doporučení je specifikován způsob takové opravy daného vrtu či studny.

Předkládaný návrh tak vede k velkým úsporám finančních prostředků. Někdy je možno finančně poměrně nenáročným zásahem vrt či studnu opravit namísto toho, aby byla vyhloubena nová, drahá studna či vrt. Kromě toho je známo, že vyhledání místa pro umístění vrtu je geologicky i organizačně náročné a výsledek bývá nejistý, takže někdy i drahé vrtání nenahradí vrt stávající, který je přitom snadno opravitelný. Vrtání je pák nutno zopakovat, čímž dochází k násobení finančních prostředků.

Významnou úsporou je i to, že oba systémy (karotáž i kamera) fungují na jediné aparatuře zabudované v karotážním vozidle. Doposud se měření realizovala dvěma nezávislými vozidly se zabudovanými aparaturami. Rovněž měření v rámci jediné aparatury vede ke snížení finančních nákladů.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 znázorňuje výsledky karotážního měření metodou gama gama karotáže, kavemometrie, fotometrie, termometrie a gama karotáže.

Obr. 2 znázorňuje výsledky karotážního měření metodou ředění označené kapaliny a metodou čerpání.

Obr. 3 znázorňuje zařízení umístěné v terénním vozidle.

Příklady provedení vynálezu

Na uvedeném příkladu je názorně vidět, jak se metody vzájemně doplňují, což vede k vytvoření reálného obrazu o technickém stavu vrtu a jeho funkčnosti.

Jednotlivé použité metody jsou popsány v záhlaví sloupečků. Geofyzikální projev jednotlivých metod je rovněž patrný z obrázku.

Pomocí gama gama karotáže (křivka č.l) byly zjištěny úseky bez obsypu vně pažnice (č. 105, 107, 108), byly rozlišeny úseky s kvalitní (č, 103) a nekvalitní (č. 104) zapažnicovou cementací (jen „částečná cementace“). Metoda rovněž umožnila zjištění spodního konce („paty“) vnější ocelové pažnice.

-3CL ÍVOIOV Bt)

Kavernometrie (křivka č.2) odhalila prasklou pažnici a rovněž nárůsty (zřejmě rzi - jak později určí vrtná televize) na vnitřní stěně pažnice. Určila rovněž přesně hloubku přechodu mezi pažnicemi o různém průměru (31,3 m). Již z kombinace těchto dvou metod vyplývá jedna zvláštnost 5 a sice, že spodní hranice intervalu s chybějícím obsypem (č. 108) se nápadně shoduje s místem prasklé pažnice (77 m). Už to napovídá, že právě touto prasklinou pravděpodobně v průběhu času docházelo k postupnému sesypávání obsypu dovnitř do vnitřního prostoru vrtu. Úzký interval chybějícího obsypu v hloubce 23 až 24 m (č. 105) je rovněž vysvětlitelný; je totiž těsně pod hranicí cementu (č, 104). V průběhu času, jak dochází k sesedání obsypu, dochází zároveň 10 k oddělování horní hranice obsypu od spodní hranice cementace. Tento jev bývá typický pro staré vrty a studny. Prostřední interval s chybějícím obsypem 54 až 58 m (č. 107) vznikl zřejmě v důsledku excentricky umístěné pažnice vzhledem k ose vrtu v době naplňování prostoru vně pažnice obsypem. Poslední metodou v daném sloupečku je fotometrie (křivka č.3). Jak je na křivce patrné, od hloubky 77 m dolů je voda ve vrtu slabě až středně silně zakalena. Zajímavé je, 15 že se hloubka, od níž směrem dolů je voda zakalena, shoduje s místem prasklé pažnice. Jako by od této hloubky dolů nedocházelo ve vrtu k žádné cirkulaci vody. Pokud proudění vody totiž ve vrtu po delší dobu existuje, bývá v tomto interval u voda naprosto čirá. Tuto domněnku ověří další metody. Ty jsou popsány v následujícím textu. Fotometrie dále ukazuje, že od hloubky

93,5 m je ve vrtu usazen kal a snad i smíchaný s obsypem (č. 109), který do vrtu pronikl praskli20 nou v hloubce 77 m.

Termometrie (křivka č.4) popisuje přesně průběh teploty s hloubkou. Ten má v případě, že ve vrtu k žádnému proudění nedochází, průběh geotermického gradientu (tj. teplota více méně pravidelně stoupá směrem dolů). Anomální průběh teploty s hloubkou naznačuje, že ve vrtu 25 dochází k proudění vody. V daném případě má teplotní křivka průběh teplotního gradientu jen ve spodní části vrtu, v úseku 77 až 100 m. V tomto úseku tedy pravděpodobně k žádnému proudění nedochází. Výše je teplota konstantní. Takový průběh teploty může znamenat pouze to, že do vrtu v hloubce 77 m prasklinou přitéká voda z horniny a proudí vzhůru. V hloubce cca 31 m je na křivce patrná malá anomálie a v hloubce 21 m anomálie výrazná, kde dochází k výrazné změně 30 teploty. To je jasně místo, kde proudící voda opouští vrt. Ještě o něco výše má teplotní křivka opět průběh geotermického gradientu (v tomto úseku voda neproudí). K další změně teploty dochází na hladině vody (vzduch zpravidla mívá teplotu odlišnou od vody ve vrtu).

Gama karotáž (křivka č.5) posloužila k rozčlenění a interpretaci horninového profilu (viz č. 110). 35 V daném vrtu se vyskytují prachovité jílovce (čárkovaná šrafa) vyznačující se vysokými gama aktivitami a naopak také pískovce (tečkovaná šrafa). Pro ně je typická nízká gama aktivita. Pískovce bývají pro vodu propustné (jsou to kolektory podzemní vody), zatímco jílovce bývají nepropustné (tzv. hydraulické izolátory). Obě hlavní anomálie na teplotě jsou v hloubkách, kde jsou pískovce. To je logické; v pískovcích lze očekávat propustné polohy. Ale teplotní anomálie 40 v hloubce 31 m je v úseku jílovců, které bývají zpravidla nepropustné. Zde by propustná poloha být neměla. V komentáři k předchozím křivkám bylo řečeno, že pomocí kavernometrie byl zjištěn přechod mezi pažnicemi o různém průměru, a to v hloubce 31,3 m. Tato hloubka se shoduje s hloubkou anomálie na teplotě. Další metody osvětlily tuto zvláštní koincidenci.

Metoda ředění (křivky Č. 6 až 13) ukázala, že ve vrtu dochází skutečně v hloubce 76,5 až 77,5 m k přítoku vody. Byl zjištěn i další přítok, a to v hloubce 73 až 74 m. Pomocí metody ředění bylo dokázáno, že voda přitékající do vrtu v hloubce 76,5 až 77,5 m a 73 až 74 m proudí vrtným stvolem vzhůru. Byla na základě porovnání křivek spočtena i přesně vydatnost tohoto proudění. Dále bylo zjištěno, že všechna voda opouští vnitřní prostor vrtu právě v hloubce 31,3 m. Nyní tedy při 50 porovnání všech metod docházíme k jasnému vysvětlení teplotních anomálií v hloubkách 21 m a 31 m. Voda tedy v hloubce 31 m opouští vnitřní prostor vrtu (viz metoda ředění křivky č.6 až 13) v místě přechodu mezi pažnicemi o různém průměru (viz kavernometrie č.2) a teče dál směrem vzhůru vně pažnice (viz termometrie Č.4). Do horní vrstvy pískovců (viz gama karotáž č.5) vtéká v hloubce 21 m (viz termometrie č.2). Takové proudění až do horní vrstvy pískovců jí

-4umožňuje neúplná zapažnicová cementace (č. 104) v tomto úseku (viz gama gama karotáž č. 1). Horní poloha pískovců přitom měla být právě cementací oddělena od dalších propustných poloh ve střední a spodní části vrtu. Ve spodní částí vrtu (od 77,5 m níže) skutečně k žádnému proudění vody za přírodních podmínek nedochází (viz metoda ředění č.6 až 13, termometrie č.4 a foto5 metrie č.3). Není však vyloučeno, že i v tomto intervalu může existovat přítok vody. Vždyť vrstvu pískovců v hloubce 88,5 až 91,5 m odhalila gama karotáž (č.5).

Metodou čerpání (křivky č. 14 až 18), kdy bylo z vrtu čerpáno s konstantní vydatností 0,5 1/s (a došlo ke snížení hladiny vody od S=10 cm a tudíž i ke snížení hydrostatického tlaku ve vrtu), 10 byly ověřeny oba přítoky (73 až 74 m a 76,5 až 77,5 m) a i netěsnost v místě přechodu mezi pažnicemi (31,3 m). Byl však iniciován i další přítok v hloubce 89 až 91,5 m (ve spodní poloze pískovců), v němž za přírodních podmínek k žádnému měřitelnému proudění nedochází. Z geofyzikálního projevu křivek zaregistrovaných během metody čerpání je možno spočítat i koeficienty filtrace pro jednotlivé propustné polohy.

Skutečná konstrukce vrtu s vyznačením proudění vody je znázorněna v pravém sloupci na obrázku.

Po rámcovém vyhodnocení všech uvedených karotážních metod je do vrtu spuštěna vrtná tele20 vizní kamera. Měření se detailně soustředí především na všechna místa, kde byly zjištěny ve vrtu nějaké zvláštnosti. TV kamerou je například zjištěno, jak vypadá přechod mezi pažnicemi v hloubce 31,3 m, jakého druhu jsou nárůst na vnitřní stěně pažnice v hloubkách 45 až 50 m a 59,6 až 62,2 m (zda se jedná o rez a pokud ano, v jakém stupni koroze je dané místo), dále jak vypadá místo prasklé pažnice v hloubce 77 m. V tomto vrtu bylo rovněž zjištěno, že voda ve 25 spodní části vrtu je slabě až středně silně zakalena koloniemi železitých bakterií, kterým se zpravidla daří v úsecích bez cirkulace podzemní vody. Dole na dně je usazen jemný kal smíchaný se zrnky štěrčíkového obsypu (který se sem nasypal z praskliny v pažnici v hloubce 77 ni). Kromě toho byly televizní kamerou ve vrtu přesně zjištěny úseky plné (Č. 100 a 101) a perforované pažnice (č. 102) a byl posouzen aktuální stav perforace (č. 102).

Jak vyplývá z předchozího textu, jednotlivé karotážní metody i televizní inspekce ve vrtu se všechny vzájemně doplňují. Vynecháním jediné metody z tohoto optimálního komplexu metod bychom přišli o řadu informací a především o vzájemné souvislostí mezi geologickou stavbou, hydrodynamikou, konstrukcí vrtu a jeho technických nedostatků. Shrnuto: funkčnosti vrtu.

Na závěr je navrženo, jak postupovat v daném případě při opravě vrtu.

Všechna měření byla provedena zařízením pro měření karotáže s použitím vrtné kamery které bylo zabudováno do terénního vozidla. Zařízení se skládá z vrátkové části 1 se speciálním kabe40 lem 2, z nejméně šesti-povrchových panelů 3, zvláštního bloku 6 pro vrtnou kameru 7 a nejméně šesti karotážních sond 4 registrujících fyzikální parametry prostředí ve vrtu jako jsou teplota vody, stupeň zakalení vody, měrný elektrický odpor vody ve vrtu, případně průtok vody ve vrtu, intenzitu rozptýleného gama záření, měření skutečného vnitřního průměru vrtu, intenzity přírodního gama záření hornin a jedné sondy - vrtné kamery 7 pro příjem optického signálu. Sondy 4 ⁴⁵ a 7 jsou prostřednictvím spojky 5 připojeny na koncovku kabelu 2 a propojeny s povrchovými kabely.

Průmyslové využití

Předkládaný návrh slouží k objektivnímu posouzení technického stavu a funkčnosti vrtu či stud“ ' hyfa to jakstarýčh, tak i nových vrtů či studní, a to z hlediska technického, geologického, hydrogeologického i tektonického. Výsledkem je doporučení k dalšímu využívání vrtu či studně.

Claims (4)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob kontroly technického stavu a funkčnosti hydrogeologických vrtů a studní z hlediska technického, geologického, hydrogeologického a tektonického, vyznačující se t í m , že se provede měření metodou termometrie, fotometrie, rezistivimetrie, gama gama karotáže, kavernometrie a gama karotáže vrtu společně s použitím vrtné optické kamery.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tí m , že rezistivimetrie se provede v aplikaci metody ředění označené kapaliny a/nebo v aplikaci metody konstantního čerpání respektive konstantního nálevu.

3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se provede měření průtoku vody vrtem v průběhu celé délky vrtu.

4. Zařízení pro kontrolu, technického stavu a funkčnosti hydrogeologických vrtů a studní, zabudované do jednoho terénního vozidla, vyznačující se tím, že se skládá z vrátkové části (1) se speciálním kabelem (2), z nejméně šesti povrchových panelů (3), zvláštního bloku (6) pro vrtnou kameru (7) a nejméně šesti karotážních sond (4) registrujících fyzikální parametry prostředí ve vrtu jako jsou teplota vody, stupeň zakalení vody, měrný elektrický odpor vody ve vrtu, případně průtok vody ve vrtu, intenzitu rozptýleného gama záření, měření skutečného vnitřního průměru vrtu, intenzity přírodního gama záření hornin, a vrtné kamery (7) pro příjem optického signálu, přičemž sondy (4) a vrtná kamera (7) jsou prostřednictvím spojky (5) připojeny, na koncovku kabelu (2).