Bortforsling av kaxblandat vatten från borrningar via dagvattenledningar : riskanalys, karaktärisering av kaxvatten och reningsmetoder

Abstract (Swedish)

Vid anläggning av djupa borrhål med tryckluftsdriven sänkhammarborrning transporteras oundvikligen bortborrat berg blandat med grundvatten upp till markytan. I Sverige spolas kaxvattnet oftast ut i en cirka 10 m3 stor container för att de grövsta partiklarna ska sedimentera innan vattnet pumpas vidare. Efter grovavskiljning kan vattnet fortfarande innehålla höga halter av suspenderade partiklar. I den här studien undersöks vilka halter av partiklar som förekommer vid olika tidpunkter längs kaxhanteringskedjan, samt deras kornstorleksfördelning, vid borrning i olika bergarter. Studien fokuserar även på vilka tekniska och miljörelaterade problem som kan uppstå när vattnet tillförs dagvattennätet, samt vilka olika metoder vattnet kan renas med. De främsta problemen som kan uppstå bedöms vara avsättning av sediment i ledningarna respektive negativ påverkan i recipient. Risken för sedimentavsättning undersöktes genom att beräkna vattnets strömhastigheter och skjuvspänning mot rörens bottenytor vid olika flöden som antagits vara typiska för kaxvattnet. Vid vilken skjuvspänning partiklar av olika storlek börjar röra på sig, samt under vilka förhållanden de befinner sig i suspension undersöktes. Betydelsen av flockning inkluderades i riskbedömningen. Risken för flödeshämmande sedimentavsättning i ledningarna bedöms som låg, förutsatt att grovavskiljning sker på ett korrekt sätt och att ett tillräckligt stort utflöde upprätthålls. Vilken påverkan ett tillskott av suspenderade partiklar får i recipient bedöms variera betydligt från recipient till recipient. Olika ekosystem är anpassade efter olika förhållanden. Därmed är det snarare hur stor avvikelsen från bakgrundsvärdena är än den absoluta halten som avgör vilken påverkan kaxvattnet kan få. Ett fåtal olika arters känslighet för suspenderade partiklar har undersökts. Det verkar finnas en risk för negativ påverkan i vissa recipienter om sådana kaxvatten som undersökts i den här studien tillförs dagvattensystemet utan ytterligare rening än grovavskiljning i en sedimentationscontainer. Risken gäller främst naturligt klara recipienter med låg vattenföring, eller liten vattenvolym, som tillförs kaxvatten från många borrhål varje år. Studien indikerar också att påverkan från kaxvattnet är jämförbart med dagvattnets påverkan. Det är dock osäkert vilken ytterligare påverkan kaxvattnet kan få i recipienter som redan tillförts dagvatten i många år.

Abstract

When drilling a borehole using a down-the-hole hammer driven by pressurized air drill cuttings mixed with groundwater are unavoidably transported to the surface. In Sweden the most common practice is to flush the waste water out into a roughly 10 m3 container where the coarsest particles can settle before the water is pumped away. After separating the coarsest particles the waste water can still contain high concentrations of suspended particles. In this study the concentrations of suspended particles, as well as their grain size distribution, is examined at different points in time along the cuttings handling chain during ongoing drilling in different rock types. The study also examines any technical and environmental issues that may arise upon transferring the waste water to the storm drainage system, as well as what methods can be used to purify the water. The main issues that might arise are deemed to be deposition of sediment in the pipes and a negative impact in the recipient. The risk of sediment deposition was analyzed by calculating flow velocities and applied shear stress of the water in the pipes at different flow rates, assumed to be typical for drilling waste water. The critical shear stress when deposited particles of different sizes begin to move, as well as the conditions where they remain in suspension was determined. The impact of flocculation was also taken into account. The risk of flow detrimental sediment deposition is judged to be low, assuming that the coarse particles are indeed properly separated and that a high enough flow rate is maintained. The consequences of an increase in suspended particles in the recipient are deemed to vary considerably between different recipients. Ecosystems adapt to different conditions. Thus, it is the deviation from the background levels, rather than the absolute concentration that is crucial for determining the effect. The sensitivity to suspended particles of a few different species was investigated. There seems to be a risk that the drilling waste water may have a negative influence in some recipients if no further purification action is performed other than sedimentation of the coarsest particles in a single container. The risk mainly concerns naturally clear recipients with low flow rates or water volumes, which recieves waste water from many boreholes every year. However, it is uncertain what additional impact the drilling waste water may have on recipients already affected by years of storm water drainage.

Popular Abstract (Swedish)

Bortforsling av vatten från borrningar via dagvattenledningar – riskanalys, karaktärisering av kaxvatten och reningsmetoder
Hur hanterar man tiotusentals liter sedimentblandat vatten i en tätbebyggd stadsmiljö, utan att störa människor eller miljön?
Ett av de vanligaste alternativen idag är att släppa ut det så kallade kaxvattnet i dagvattenledningarna. I den här studien undersöks vilka tekniska och miljörelaterade problem som skulle kunna uppstå och olika sätt vattnet kan renas i de fall där det behövs.
I Sverige är tryckluftsdriven hammarborrning är den vanligaste metoden för att anlägga djupa borrhål i berg. Under arbetets gång blåses bortborrat och finfördelat berg upp till ytan tillsammans med det grundvatten som finns naturligt i berggrunden. På ytan samlas kaxvattnet oftast upp i en container där de grövsta partiklarna avskiljs. Först därefter pumpas vattnet vidare ut i dagvattennätet. De främsta riskerna är att partiklarna fastnar i ledningarna och orsakar igensättning, samt att kaxvattnet orsakar störningar i miljön där dagvattnet går ut i naturen.
Analyser av prover före och efter container från borrningar i olika bergarter visar att alla partiklar större än cirka 0,063 till 0,2 mm kan avskiljas med en container. Övriga partiklar följer med ut i dagvattenledningarna. Mängden partiklar och mängden kaxvatten beror i huvudsak på hur fint bergarten sönderdelas och hur mycket vatten som finns i berggrunden. Det här innebär att både mängden kaxvatten och partikelhalten kan variera inom vida gränser.
Eftersom partiklarna är så små är de lätta att transportera genom ledningarna. Endast i de största ledningarna som undersökts riskerar de grövsta partiklarna att avsättas. I sådana ledningar transporteras stora mängder dagvatten varje gång det regnar. Skulle partiklar avsättas kommer de därför spolas vidare vid nästa regn.
Partiklarna i kaxvattnet är i stora drag samma som finns naturligt i jorden. Därmed transporteras sådana partiklar i mycket stora mängder naturligt i vattendrag ut i sjöar och hav. Mängder som vida överstiger vad som blåses upp ur borrhål runt om i Sverige. Däremot förekommer partiklarna i mycket högre koncentrationer i kaxvattnet. Ute i recipient kommer det finkorniga materialet därför att bidra till en ökad grumlighet. De grövsta partiklarna kan också lägga sig på botten. Hur olika ekosystem påverkas av det här beror helt på vilken typ av organismer det rör sig om. Vissa lever i grumligt vatten, vissa i klart. En del föredrar grusbottnar medan andra behöver finkornigare bottnar. Det som avgör kaxvattnets påverkan är alltså hur stor avvikelse från vad som förekommer naturligt i
varje recipient ett utsläpp leder till.
Studien visar att kaxvattnet späds ut så mycket i stora recipienter att det inte bör ge någon påverkan bortom den zon där blandningen sker. Vilka organismer som förekommer inom den zonen är redan påverkat av det vanliga dagvattenflödet. I recipienter med liten vattenvolym eller låg vattenföring
riskerar dock utsläpp av stora volymer av kaxvatten att leda till ökningar av grumligheten som ligger på nivåer där det kan finnas en risk för negativ påverkan. Ett betydligt större dataunderlag än vad som studerats i det här arbetet krävs dock för att kunna fastställa några tydliga gränser.

• author: Hjulström, Joakim
• supervisor: Olof Andersson; Mikael Calner; Johan Barth
• organization: Department of Geology
• alternative title: Disposal of groundwater mixed with drill cuttings through storm drainage pipes : risk assessment, characterization of drilling waste water and purification methods
• course: GEOR02 20132
• year: 2014
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: suspended particles, environmental impact, liquid solid separation, storm drainage, drilling waste water, flockning, miljöpåverkan, vattenrening, suspenderad substans, dagvatten, borrning, kaxvatten, flocculation
• publication/series: Examensarbeten i geologi vid Lunds universitet
• report number: 414
• language: Swedish
• additional info: Externa handledare Johan Barth, Geotec, Svenska Borrentreprenörers Branschorganisatio, Lund och Olof Andersson, Geostrata HB, Södra Sandby.
• id: 4519394
• date added to LUP: 2014-06-26 16:41:56
• date last changed: 2014-07-15 03:44:20