Metody wiercenia odwiertów: zasady technologiczne i cechy charakterystyczne głównych metod

Budowa studni ujęcia wody wiąże się z zastosowaniem różnych metod wiercenia. Grunty luźne i nasycone wodą są wydobywane za pomocą łyżki wiertniczej. Do przebijania się przez grunty gliniaste i skalne stosuje się metody wiercenia oparte na zasadzie obrotowej i wibracyjnej.

W pracy są wykorzystywane mechanizmy umożliwiające opracowywanie gruntów różnych typów i na różną głębokość. Opowiemy Państwu, jak dobrać optymalną technologię wiercenia, która pozwoli szybko i bezbłędnie wykonać wyrobisko do budowy ujęcia wody.

Dla przejrzystego przedstawienia zaproponowanych przez nas informacji tekst został uzupełniony przydatnymi schematami, zestawami zdjęć i poradnikami wideo.

Rodzaje metod wiercenia

Wcześniej wiercenie studni wodonośnych do użytku osobistego odbywało się głównie metodą ręczną. Był to proces pracochłonny i długotrwały, dlatego nie każdy właściciel działki lub domku letniskowego mógł pochwalić się własnym źródłem zaopatrzenia w wodę.

Stopniowo wiercenie zmechanizowane wyparło metody ręczne dzięki znacznemu ułatwieniu i przyspieszeniu procesu.

Obecnie praktycznie wszystkie studnie wodonośne są wiercone metodą zmechanizowaną, która opiera się na niszczeniu gruntu i wydobywaniu go na powierzchnię jedną z dwóch metod: suchą, gdy zużyty grunt jest usuwany ze studni za pomocą mechanizmów, oraz hydrauliczną, gdy jest wypłukiwany wodą pod ciśnieniem lub grawitacyjnie.

Wyróżnia się trzy główne metody wiercenia mechanicznego:

• Obrotowy (grunt jest opracowywany przez obrót).
• Uderzeniowy (wiertło niszczy grunt uderzeniami).
• Wibracyjny (grunt jest opracowywany przez drgania wysokiej częstotliwości).

Metoda obrotowa uważana jest za najbardziej wydajną, przewyższającą pod względem efektywności metodę uderzeniową 3-5 razy i wibracyjną 5-10 razy. Ponadto metoda obrotowa jest najtańsza i najbardziej dostępna, często stosowana jako podstawowa metoda wiercenia ręcznego.

Mechaniczne obrotowe metody wiercenia studni wodnych zastąpiły mało efektywne ręczne metody

Z kolei obrotowa metoda wiercenia, szeroko stosowana przy budowie studni wodnych, dzieli się na cztery podstawowe rodzaje wiercenia:

• rdzeniowe;
• ślimakowe;
• uderzeniowo-linowe;
• rotorowe.

Każdy rodzaj wiercenia obrotowego ma swoje cechy charakterystyczne i jest wykonywany przy użyciu specjalnie do tego przeznaczonego sprzętu. Przyjrzyjmy się tym rodzajom wiercenia bardziej szczegółowo, określmy, czym się różnią i jaką metodę należy zastosować w każdym konkretnym przypadku.

Specyfika wiercenia rdzeniowego

Wiercenie rdzeniowe – mechaniczna metoda obrotowa, podczas której grunt gliniasty lub gęsty piaszczysty jest wydobywany w postaci rdzenia o cylindrycznym kształcie. Osprzęt wiertniczy do wiercenia rdzeniowego stanowi grubościenna metalowa rura.

Na górze osprzętu wiertniczego do wiercenia rdzeniowego znajduje się urządzenie do mocowania żerdzi, niezbędnych do przedłużania kolumny wiertniczej. Na dole – koronka, której rodzaj dobiera się w zależności od kategorii gruntu przeznaczonego do wiercenia.

Przy przewiercaniu metodą rdzeniową grunt jest niszczony przez pierścieniową koronkę. Wewnętrzna część rdzenia pozostaje przy tym w stanie niezniszczonym. Aby ułatwić proces wiercenia w twardych i półtwardych glinach, iłach, skałach, do przodka podawany jest płyn płuczący.

Przy wierceniu rdzeniowym grunt nie jest niszczony, lecz “wywiercany” koronką i chwytany przez rurę rdzeniową. Na powierzchnię wywiercona skała jest wydobywana w postaci rdzenia – monolitycznego cylindrycznego słupa skały

Urobek z przodka jest czasami usuwany przez płukanie – wtłaczanie do wyrobiska dużej ilości wody. Najczęściej płukanie zastępuje się przedmuchem sprężonym powietrzem, dostarczanym przez kompresor do wnętrza rury. Ten typ wiercenia pozwala na wiercenie studni o głębokości do 1000 metrów i średnicy od 8 do 20 cm.

Wiercenie mechaniczne rdzeniowe wykonuje się za pomocą wiertnic typu ZIF, UGB, UKB montowanych na pojazdach KAMAZ, KRaZ, ciągnikach zrywkowych itp. W wariancie dla ręcznego wiercenia rurę rdzeniową skraca się, nazywając ją dzwonem lub kubkiem. Z tym ostatnim, odwróconym do góry dnem przedmiotem codziennego użytku, konstrukcyjnie podobna jest rura rdzeniowa.

Wiercenie rdzeniowe stosuje się w następujących przypadkach:

• poszukiwanie geologiczne surowców mineralnych;
• wiercenie otworów badawczych;
• wykonywanie studni wodonośnych o dowolnej głębokości, w tym studni bezfiltrowych w skałach litych.

Do wykonywania prywatnych studni na wodę w niektórych przypadkach metoda rdzeniowa jest stosowana przed rozpoczęciem wiercenia ślimakowego lub obrotowego, pełniąc jednocześnie rolę rozpoznawczą i przygotowawczą.

W budowie prywatnych studni wiercenie rdzeniowe stosuje się w połączeniu z udarowo-linowym. Warstwy gliniaste przechodzi się rurą rdzeniową. Piaski o luźnym zagęszczeniu, żwir i otoczaki z wypełniaczem piaszczystym, które nie zatrzymują się w rurze rdzeniowej, usuwa się z otworu za pomocą czerpakowania.

Pod względem efektywności metoda rdzeniowa nieco ustępuje ślimakowej metodzie wiercenia studni ujęć wodnych. Ślimakiem wierci się szybciej, ale nie pozwala on całkowicie oczyścić otworu z wywierconej skały. Rzadko stosuje się je w parze. A jeśli już, to ślimakiem przechodzi się pierwsze kilka metrów.

Korony nie niszczą gruntu, lecz starannie wycinają go na obwodzie, tworząc “słupki” – rdzenie, badając które można sporządzić przekrój hydrologiczny działki

Używane urządzenia i narzędzia

Do wiercenia rdzeniowego stosuje się następujące narzędzia:

• korony wiertnicze z diamentu lub innego materiału supertwardego (stal, wolfram, pobedit);
• rura rdzeniowa;
• rura do odprowadzania szlamu;
• żerdzie potrzebne do przedłużania kolumny wiertniczej;
• złącza muftowe, przejściówki między rurami, dławnica płuczkowa.

Podczas wiercenia w skałach litych korona wiertnicza szybko się zużywa i podlega wymianie. Materiał korony jest kosztowny, wytrzymuje ogromne obciążenia; największe rozpowszechnienie zyskały diamentowe warianty wiertnicze.

Wszystkie narzędzia stosowane w procesie wiercenia muszą spełniać wymogi współosiowości, tj. być ustawione równo względem osi wiercenia.

Technologia wiercenia rdzeniowego

Główna cecha wiercenia rdzeniowego – przejście skały z jej całkowitym zachowaniem w rurze rdzeniowej. To znaczy podczas pracy sprzętu wiertniczego korona pierścieniowo niszczy grunt, który w miarę zagłębiania jest wpychany do rury rdzeniowej i utrzymywany w niej dzięki własnej gęstości.

Podczas wyjmowania wypełnionej rury z otworu wykopu, opróżnia się ją z rdzenia przez opukiwanie młotem.

Etapowy proces wiercenia rdzeniowego wygląda następująco:

• koronę wiertniczą łączy się z rurą rdzeniową;
• rura rdzeniowa łączy się z żerdziami, które są przedłużane w miarę pogłębiania;
• górny pręt jest mocowany w wiertnicy;
• wiertnica obraca kolumnę wiertniczą i stopniowo “wkręca” ją w grunt;
• rura rdzeniowa stopniowo wypełnia się rdzeniem – gruntem zakleszczonym w jej wnętrzu;
• po przejściu 50 – 70 cm kolumna wiertnicza jest wydobywana na powierzchnię, pręty są kolejno odłączane aż do wyjęcia rury rdzeniowej;
• rura jest opróżniana z wywierconej skały;
• opróżniony zestaw jest ponownie opuszczany na dno otworu, przedłużając kolumnę wiertniczą prętami.

Czynności są wykonywane w opisanej kolejności, dopóki otwór nie odsłoni warstwy wodonośnej i nie zagłębi się na 50 cm w niżej leżącą skałę nieprzepuszczalną.

Jeśli uchwycenie górnej warstwy wodonośnej nie jest celem wiercenia, górne warstwy można wiercić z płuczką. W tym przypadku pompa tłoczy roztwór płuczkowy przez wąż do wnętrza rur. Następnie roztwór wynosi wywiercony grunt na powierzchnię.

Jeśli celem wykonania otworu nie jest warstwa wodonośna w osadach piaszczystych, wiercenie do osiągnięcia skał może być prowadzone z płuczką

Istotne zalety i wady

W porównaniu z metodą udarowo-linową i obrotową wiercenie rdzeniowe jest dość szybkie, znacznie skracając czas prac. Jego główną wadą jest niemożność wydobycia luźnych gruntów i nasyconych wodą żwirów. Wolno postępuje w skałach, do przebicia głazów potrzebne jest dłuto.

Do zalet wiercenia rdzeniowego zalicza się:

• wysoką wydajność i możliwość wiercenia otworów o głębokości ponad 100 m;
• zmniejszenie obciążeń sprzętu wiertniczego poprzez niszczenie skały gliniastej, porównywalne z jej wycinaniem;
• możliwość zastosowania mobilnej wiertnicy o kompaktowych wymiarach.

Wiercenie rdzeniowe to jedna z najszybszych metod wykonywania ujęć wody. Otwór w piasku przy jego użyciu można wykonać w jeden dzień roboczy. Ręcznie wykonane ujęcie wody zajmie znacznie więcej czasu.

Cechy wiercenia ślimakowego

Ten typ wiercenia jest dziś najczęściej używany przy wykonywaniu studni wodonośnych w gospodarstwach prywatnych. Cechą wiercenia świdrowego jest to, że wydobywana skała jest całkowicie usuwana z otworu bez użycia dodatkowego sprzętu. Metoda przypomina wkręcanie, umożliwia wiercenie na głębokość i jednoczesne usuwanie zbędnego gruntu.

Narzędzie używane do wiercenia nazywa się ślimak. Jest to metalowy pręt z łopatkami. Wkręcając się w grunt, ślimak niszczy skałę, która zatrzymuje się na jego łopatkach. Ze względu na specyfikę konstrukcji za pomocą ślimaka nie można całkowicie oczyścić dna otworu z urobku. Dlatego stosuje się go głównie do przebijania górnych warstw.

Wiercenie za pomocą ślimaka – szybki i niedrogi sposób, nie wymagający organizacji zbiornika na płuczkę wiertniczą

Wiercenie z użyciem ślimaka nie wymaga dużego wysiłku i nakładów finansowych, dlatego zakres zastosowania tej metody jest dość szeroki: wiercenia geologiczne, układanie sieci, wykonywanie pali wierconych oraz częściowo wiercenie studni wodnych.

Obecnie jest aktywnie stosowany do wykonywania studni abisyńskich, aby nie wbijać całkowicie igły studziennej w gęsty grunt, a jedynie nieco ułatwić proces zanurzania kolumny we wcześniej zniszczoną skałę.

Metoda nadaje się do wykonywania studni wodnych o głębokości do 30 m w gruntach miękkich i sypkich oraz do 20 m w średnio zwięzłych. Po przejściu ślimakiem i zamontowaniu obudowy, kolumna studni musi być oczyszczona łyżką wiertniczą z niewybranej skały.

Ślimak kategorycznie nie nadaje się do pracy w skałach litych! Jest używany do częściowego wiercenia studni do 120 m, przy czym metoda ta jest łączona z innymi: obrotową, udarowo-linową, rdzeniową.

Zaangażowane urządzenia i narzędzia

Wiercenie ślimakowe wykonuje się wiertnicą, której głównym elementem jest narzędzie wiertnicze typu śrubowego, wykonane z wysokowytrzymałego metalu. Kolumnę wiertniczą w miarę pogłębiania przedłuża się ślimakami o jednakowym rozmiarze.

W zestawie czasami stosuje się świdry łopatkowe, niezbędne do przechodzenia przez grunty sypkie, a także świdry z okrągłymi lub stożkowymi głowicami, używane do wiercenia w twardych skałach.

Wiertnica na podwoziu samochodu wyposażonego w mocny silnik – optymalne rozwiązanie do wiercenia w trudno dostępnych i odległych miejscach.

Większość nowoczesnych wiertnic wyposażona jest w puste żerdzie z zamkami odwracalnymi, które uniemożliwiają ruch narzędzia w przeciwnym kierunku.

Części tnące ślimaka podczas wiercenia są chłodzone przez urabiany grunt, a urobiona skała jest wynoszona do góry po spiralach. Pozwala to prowadzić wiercenie bez przerw, znacznie zmniejszając nakłady czasowe i energetyczne na wykonanie studni wodnej.

Technologia wiercenia ślimakowego

Po wykonaniu przejścia o głębokości 1,5 – 2,0 m, świder jest wyciągany, a w otworze instalowane są rury osłonowe. Średnica studni wodnej wywierconej za pomocą świdra wynosi 50 – 200 mm i zależy od rozmiaru używanego narzędzia.

Zawalenie ścian odwiertu zapobiegają rury osłonowe. Jest to szczególnie ważne w przypadku luźnych, niespójnych gruntów, dlatego wiertacze mają zasadę: podczas przejścia przez gliny piaszczyste i gliny zwięzłe stosować świdry z ustawieniem łopatek pod kątem 30 – 60º, a podczas wiercenia w piaskach o zwartej strukturze narzędzie z łopatkami pod kątem 90º.

Przy mniejszym nachyleniu zwojów spirali świdra, świder wynosi na powierzchnię więcej niespójnego urobku.

Wiercenie ślimakowe nie wymaga użycia płuczki wiertniczej; urobek opracowany za pomocą świdra jest wynoszony na powierzchnię na łopatkach narzędzia.

Plusy i minusy stosowania ślimaka

Metoda wiercenia ślimakowego umożliwia wykonanie odwiertu najszybciej, pod warunkiem że rozmiar świdra i kąt nachylenia świdra zostały dobrane prawidłowo.

Do zalet wiercenia ślimakowego należą:

• grunt jest wydobywany na powierzchnię bezpośrednio w trakcie wiercenia;
• wysoka prędkość zagłębiania w grunt bez przystanków technologicznych;
• brak konieczności płukania otworu wiertniczego;
• kompaktową wiertnicą ślimakową lub ręcznym świdrem można wiercić wewnątrz domu (w piwnicy);
• brak konieczności podnoszenia na powierzchnię pierwszego ogniwa i rozkładania/składania kolumny wiertniczej, jak w metodzie rdzeniowej.

Główną wadą wiercenia ślimakowego jest niemożliwość pracy w gruntach sypkich i bardzo twardych, ale jednocześnie świder jest idealnym narzędziem do wiercenia w gruntach gliniastych, mieszanych (glina i glina piaszczysta) oraz miękkich gruntach ilastych.

Kolejną wadą ograniczającą stosowanie świdra do wykonywania studni wodonośnych jest konieczność zastosowania metody udarowo-linowej do oczyszczenia otworu z urobku.

Podobieństwo świdra – wężownicy jest szeroko stosowane w wierceniu ręcznym. Ono również niszczy skałę i chwyta ją łopatkami w celu wydobycia na powierzchnię.

Charakterystyka wiercenia obrotowego

Wiercenie rotacyjne to metoda wiercenia obrotowo-wibracyjnego, w którym niszczenie gruntu odbywa się za pomocą świdra napędzanego w dnie odwiertu przez rotor wiertnicy. Rotor obraca się od silnika samochodu lub osobno zamontowanego silnika elektrycznego za pośrednictwem wału napędowego.

Urobek jest wypłukiwany z szybu odwiertu metodą płukania bezpośredniego lub odwrotnego. Płuczka może być dostarczana zarówno grawitacyjnie, jak i za pomocą pompy.

Większość studni artezyjskich wierci się metodą wiercenia rotacyjnego: za pomocą świdra wiertniczego obracanego przez rotor, a następnie płukania studni i mocowania rur okładzinowych.

Wiercenie rotacyjne stosowane jest do opracowywania gruntów skalistych i półskalistych przy budowie głębokich studni do 150 m. Rotacyjna platforma wiertnicza z odpowiednio dobranym świdrem i obciążonymi rurami wiertniczymi doskonale radzi sobie z formacjami skalistymi.

Specjaliści od wierceń zalecają stosowanie tej metody wiercenia przy zachowaniu następujących warunków:

1. Przekrój hydrogeologiczny terenu został dostatecznie zbadany. Wiadomo, że wiercić będzie się w skałach. Znany jest poziom występowania strefy wodonośnej w skałach macierzystych.
2. Woda podziemna posiada charakterystyczne dla studni artezyjskich ciśnienie (napor).
3. Istnieje możliwość nieprzerwanej dostawy wody technicznej do płukania studni.

W regionach południowych wiercenie rotacyjne można prowadzić przez cały rok, natomiast w klimacie północnym zastosowanie tej metody jest ograniczone ze względu na możliwość zamarzania płuczki wiertniczej.

Stosowane urządzenia i narzędzia

Wiercenie rotacyjne studni wodonośnych realizowane jest z użyciem wieży ramowej lub kratowej, na której znajduje się sprzęt podnoszący i pozostałe elementy platformy wiertniczej. Wieża umożliwia podnoszenie i opuszczanie kolumn wiertniczych do studni.

W skład platformy wiertniczej typu rotacyjnego wchodzi:

• wieża ramowa lub kratowa;
• silnik z napędem;
• rotor i kolumna wiertnicza;
• urządzenia pompowe i system oczyszczania płuczki wiertniczej;
• sprzęt podnoszący, przewód ciśnieniowy, swivel, dławnice itd.

W samojezdnych platformach jako silnik wykorzystywany jest silnik spalinowy pojazdu, na bazie którego umieszczono kompleks wiertniczy. W tym przypadku mocą silnika regulowane są obroty narzędzia wiertniczego.

Jako źródło energii dla rotacyjnej platformy wiertniczej może służyć stacjonarny lub mobilny silnik elektryczny, silnik spalinowy pojazdu, generatory.

Rotor za pomocą mechanizmu zębatego przekazuje obrót na rurę napędową, która z kolei przekazuje go na główne narzędzie wiertnicze – świder. Świder może mieć różne kształty i jest wykonany z materiałów o wysokiej wytrzymałości: kompozytów, stali z powłoką diamentową itp.

Dla każdego rodzaju gruntu dobiera się odpowiedni rozmiar i kształt świdra, zapewniając tym samym wysoką efektywność i prędkość wiercenia.

Osobliwość technologii obrotowej

Wiercenie obrotowe odwiertów wodnych odbywa się w trzech etapach:

1. Niszczenie skały za pomocą dłuta.
2. Wynoszenie zniszczonej skały na powierzchnię strumieniem tłoczonej wody.
3. Wzmacnianie ścian odwiertu rurami okładzinowymi.

Wynoszenie zniszczonego gruntu odbywa się poprzez płukanie odwrotne lub bezpośrednie. Wybór metody płukania zależy od konkretnych warunków: głębokości odwiertu, rodzaju gruntów, dostępności niezbędnej objętości wody płuczącej.

Zazwyczaj w gospodarstwach prywatnych stosuje się technologię wiercenia z płukaniem bezpośrednim, która obejmuje następujące etapy:

• zagłębienie w grunt dłuta o dużej średnicy;
• obracanie dłuta pod wpływem wirnika;
• instalacja rur wiertniczych i montaż rur obciążonych między nimi a dłutem;
• usuwanie zużytego gruntu ciśnieniem cieczy za pomocą pompy;
• montaż rury okładzinowej, aby zapobiec osypywaniu się gruntu wewnątrz odwiertu;
• wiercenie dłutem o mniejszej średnicy i powtórzenie całego cyklu.

Przy płukaniu odwrotnym grunt jest wynoszony z odwiertu rurami kolumny wiertniczej, a ciecz płucząca wlewana jest pomiędzy ściany odwiertu a rury.

Woda samoczynnie wpływa do wstępnie przygotowanego zbiornika, gdzie następuje jej oczyszczenie z gruntu i szlamu, i wraca do kolumny wiertniczej po nową porcję zużytej skały.

W niektórych przypadkach przy wierceniu obrotowym stosuje się nie płukanie bezpośrednie lub odwrotne, ale przedmuch powietrzem pod ciśnieniem wytworzonym za pomocą kompresora.

Zalety i wady wiercenia obrotowego

Główną zaletą metody obrotowej jest możliwość wiercenia głębokich odwiertów z poborem wody w spękanym wapieniu.

Ponadto ta metoda wiercenia ma następujące zalety:

• wysoka jakość udostępnienia warstwy wodonośnej w skałach litych;
• możliwość wykonania odwiertu o dużej średnicy do 200 cm;
• wysoka prędkość wiercenia, niewielkie zużycie energii.

Istotną wadą wiercenia obrotowego jest konieczność zorganizowania płukania odwiertu.

Którą metodę wiercenia wybrać?

Wszystkie omówione metody wiercenia mechanicznego są szeroko stosowane do wykonywania odwiertów wodnych.

Podsumowując, można stwierdzić, że:

1. Wiercenie rdzeniowe jest wskazane do drążenia w plastycznych gruntach gliniastych. Metoda rdzeniowa nadaje się do wykonywania większości ujęć wodnych, w razie potrzeby stosowana jest w połączeniu z wierceniem udarowo-linowym.
2. Wiercenie ślimakowe pod względem zastosowania jest podobne do metody rdzeniowej. Różni się od niej słabym oczyszczaniem otworu oraz wymaga obowiązkowego użycia łyżki lub długotrwałego płukania studni przed eksploatacją.
3. Wiercenie obrotowe – optymalny wariant do przewiercania otworów studni w gruntach skalistych.

Koszt wykonania studni przy użyciu danej metody wiercenia w dużej mierze zależy od zastosowanego sprzętu, a także od kategorii przewiercanych skał pod względem wiercalności.

Prawidłowo wybrana metoda wiercenia studni pomoże nie tylko zmniejszyć nakład czasowy na wiercenie, ale także umożliwi w przyszłości bezproblemową eksploatację źródła wody.

O tym, jak samodzielnie wykonać wiertnicę, mogą Państwo przeczytać w innym popularnym artykule na naszej stronie.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Wideo #1. Demonstracja zasady klasycznego wiercenia rdzeniowego z wydobyciem rdzenia za pomocą ciśnienia wody:

Wideo #2. Specyfika wiercenia studni ślimakiem:

Wideo #3. Wiercenie rdzeniowe studni z płukaniem przodka i montażem podwójnej obudowy, której zewnętrzna część wykonana jest z rur stalowych, a wewnętrzna z polimerowych:

Wiercenie studni wodonośnej – proces pracochłonny. Od poprawności wybranej metody wiercenia zależy nie tylko szybkość wykonania autonomicznego źródła wody, ale także koszty finansowe.

Pierwszą rzeczą, na którą warto zwrócić uwagę przy wyborze metody wiercenia, jest typ gruntu i głębokość występowania warstwy wodonośnej. Na podstawie tych parametrów będą Państwo mogli wybrać optymalny wariant, który pozwoli szybko i niedrogo przewiercić studnię.

Czy chcą Państwo podzielić się historią wiercenia studni na własnej działce lub użytecznymi informacjami na temat artykułu? Prosimy o pozostawienie komentarzy w bloku poniżej. Tutaj można również zadać pytanie lub wskazać na kontrowersyjne kwestie w tekście.