Wiercenie rotacyjne studni: przegląd technologii wiercenia i niezbędnego sprzętu

Jeśli domu podmiejskiego nie można podłączyć do centralnego wodociągu, trzeba zorganizować system autonomiczny. Większość właścicieli woli urządzać go na bazie studni, w której wykonaniu stosuje się różne metody. Rozważymy wiercenie obrotowe studni – bardzo obiecującą, ale wciąż mało znaną opcję.

W zaproponowanym przez nas artykule szczegółowo opisano niuanse technologii obrotowej i stosowane narzędzia. Omówiono zalety i wady tej metody, przedstawiono sposoby jej praktycznej realizacji. Nasze porady przydadzą się zapobiegliwym właścicielom prywatnych działek, którzy chcą kontrolować pracę wiertników.

Definicja wiercenia obrotowego

Na początek przeanalizujmy, czym w ogóle jest wiercenie obrotowe studni i jakie są jego alternatywy? Jedną z najbardziej powszechnych metod budowy ujęcia wody jest nadal wiercenie ślimakowe.

Jednak technologia ślimakowa nie pozwala przebić się przez twarde skały macierzyste. Stosowane w wierceniu ślimakowym wiertło śrubowe nie jest w stanie rozkruszyć wapienia. A przecież często zdarza się, że trzeba wiercić właśnie w wapień, ponieważ położone wyżej warstwy nie charakteryzują się stabilnym i wystarczającym do eksploatacji wydatkiem.

Technologia wiercenia rdzeniowego i ślimakowego nie umożliwia przebicia skał twardych. W przypadku budowy studni w wapieniu bardziej efektywne i ekonomiczne jest zastosowanie metody wiercenia obrotowego.

Dlatego technologia obrotowa, stosowana wcześniej tylko w górnictwie, zaczęła być wdrażana w dziedzinie budowy prywatnych ujęć wody. Jej elementem roboczym jest świder znajdujący się w części przodkowej studni. Za pomocą świdra niszczone są grunty spoiste i niespoiste, kruszone są twarde skały macierzyste.

Usuwanie zaś zniszczonej skały odbywa się za pomocą cieczy, która jest podawana do przodka przez kolumnę roboczą lub przestrzeń pierścieniową. Są to 2 różne sposoby wiercenia, każdy z nich zostanie szczegółowo omówiony dalej.

Średnica świdra przekracza średnicę kolumny roboczej, co pozwala:

• zmniejszyć zużycie energii w całym procesie wiercenia (moc zużywana jest tutaj wyłącznie na obracanie świdra z siłą w dnie otworu, a straty spowodowane tarciem przewodu wiertniczego o ściany odwiertu są zminimalizowane);
• zabezpieczyć większość elementów przewodu wiertniczego przed uszkodzeniami, a także ściany wywierconego odwiertu przed zniszczeniem;
• tworzyć odwierty o imponującej średnicy (np. do 70 cm) przy bardzo dużych głębokościach.

W ten sposób można tworzyć studnie wodonośne o głębokości 300 i więcej metrów, tj. wiercić ujęcia wodne do zaopatrywania w wodę osiedli domków letniskowych i wsi.

Zatem definicja: wiercenie metodą obrotową to sposób wykonania odwiertu, w którym siła na świder w dnie otworu jest przekazywana z obrotowego obrotnika przez przewód wiertniczy. Składa się go z żerdzi – wąskich rur stalowych, które są łączone kolejno jedna za drugą w miarę zagłębiania się w ziemię.

Natomiast do oczyszczania pnia wyrobiska i dna otworu z urobku stosuje się wodę podawaną pod ciśnieniem. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie ma potrzeby ciągłego rozbierania i składania przewodu wiertniczego w celu wydobycia rdzenia, jak ma to miejsce w wierceniu rdzeniowym.

Wtłaczana do wyrobiska ciecz natychmiast rozwiązuje dwa ważne zadania: uwalnia drogę dla narzędzia wiertniczego do dalszych prac oraz przeprowadza płukanie odwiertu, niezbędne do przygotowania ujęcia wody do eksploatacji.

Zalety technologii obrotowej

Jakie są zalety wiercenia obrotowego w porównaniu z możliwymi alternatywami? Jest ich kilka.

Po pierwsze, używając świdra obrotowego, można tworzyć odwierty o dużej średnicy, które w pełni zaspokoją potrzeby wodne kilku gospodarstw domowych jednocześnie.

Nie jest tajemnicą, że wiercenie jest procesem drogim: wymaga specjalistycznego sprzętu, a proces musi być kontrolowany i zarządzany przez doświadczonych wiertaczy. Ostatecznie działalność związana z wierceniem studni jest licencjonowana. Stąd też jego wysoka cena.

Dzięki swojemu kształtowi i konstrukcji świder przy wierceniu obrotowym może tworzyć odwierty o znacznie większej średnicy niż świdry ślimakowe i rura rdzeniowa.

Połączenie kilku gospodarstw domowych w celu sfinansowania jednej wspólnej studni dla sąsiednich działek to przedsięwzięcie opłacalne ekonomicznie. Wymaga to jednak znacznego wydatku. W większości przypadków warstwy wodonośne osadów czwartorzędowych (piasków) nie są w stanie go zapewnić.

Naturalnie, do eksploatacji zbiorowej lepiej jest umieścić ujęcie wody na wapieniu. Wydobywane z niego wody podziemne charakteryzują się większą zasobnością i czystością. Na wydatek studni w wapieniu nie ma najmniejszego wpływu ilość opadów atmosferycznych. Czego nie można powiedzieć o studniach w piasku.

Po drugie, przekonują stosunkowo niewielkie nakłady energii. Elementem roboczym w wierceniu obrotowym jest świder. Ale w przeciwieństwie do wiercenia ślimakowego i wiercenia rdzeniowego, narzędzie wiertnicze nie oddziałuje ze ścianami wywierconego otworu.

To znaczy, bezpośrednio z gruntem kontaktuje się tylko świder, którego wysokość jest znikoma w stosunku do wysokości całego zestawu wiertniczego. W konsekwencji, ta metoda formowania odwiertów jest najszybsza – do 1000 metrów bieżących miesięcznie!

Po trzecie, odbiorców zbiorowych przyciąga głębokość wiercenia. Tylko metodą obrotową można wywiercić odwiert zagłębiony w podłożu metamorficznych i magmowych skał, ze szczelin których można czerpać wodę, której skład najlepiej nadaje się do celów pitnych.

Najczęściej z ujęć wodnych o głębokości mniejszej niż 30 m wydobywa się tylko wodę techniczną. Na jej skład wpływają pobliskie zbiorniki wodne, zaśmiecone śmieciami rzeki, opady atmosferyczne, a także po prostu rozlane na ziemię płyny techniczne. Ślimak i rura rdzeniowa pomogą uzyskać tylko takie ujęcie wody.

Cały zestaw urządzeń wiertniczych łatwo montuje się na jednej platformie samochodowej średniej ładowności. To czyni proces wiercenia obrotowego znacznie bardziej technologicznym, a więc i tańszym.

Ponadto wiercenie obrotowe pozwala na przebicie odwiertu na pełną głębokość bez przechodzenia na inną metodę wiercenia. Przy wykonaniu odwiertu ślimakiem, na przykład, w przypadku konieczności przewiercenia głazu, przechodzi się do metody udarowo-linowej.

W tym celu z przewodu usuwa się pocisk ślimakowy i opuszcza świder na dno otworu, aż do rozbicia głazu. Następnie dno otworu oczyszcza się żłóbkiem. Używa się go również, jeśli trzeba wynieść na powierzchnię nasycony wodą piasek, który w rurze rdzeniowej po prostu się nie trzyma.

Praktyka pokazuje, że odwierty wykonane metodą obrotową mają dłuższy okres eksploatacji. Technologicznie tłumaczy się to tym, że po zainstalowaniu kolumny rur okładzinowych, formującej ściany odwiertu, przestrzeń pierścieniową dodatkowo umacnia się.

Sprzęt do budowy studni

Na początku na powierzchni nad odwiertem instaluje się pionowy wspornik do dalszego mocowania pionowych członów kolumny roboczej. Pierwszy człon tego wału wiertniczego wyposażony jest w element roboczy – świder, który może mieć różny format, w zależności od kategorii skały pod względem wiercalności.

Oczywiście, do wiercenia odwiertów wodonośnych stosuje się bardziej kompaktowe wyposażenie, i formowanie wspomnianej wieży z reguły nie jest wymagane.

Zestaw narzędzi wiertniczych

Podczas zagłębiania pierwszego ogniwa, świecy, na nią nakłada się następne, nazywane żerdzią, i tak dalej. Długość każdego takiego bloku z rur może wynosić od 20 do 50 m. Dla uproszczenia formowania kolumny roboczej każda żerdź jest wyposażona w stożkowy gwint z zamkiem.

W rezultacie powstaje zestaw wiertniczy, który składa się z:

• roboczego świdra;
• żerdzi wiodącej;
• kolumny żerdzi szeregowych, połączonych ze sobą złączkami.

Utrzymanie kolumny roboczej odbywa się za pomocą wertyluga, którego obrót jest realizowany przez rotor. W zależności od przewidywanej głębokości wiercenia oraz fizyczno-mechanicznych właściwości gruntu, do formowania ogniwa wiodącego stosuje się standardowe lub obciążone żerdzie.

Żerdź wiodąca z reguły jest rurą obciążoną, ponieważ spełnia ważną misję technologiczną. Przez nią do przodka (dna otworu) do świdra dostaje się płuczka wiertnicza, której zadaniem jest wypłukiwanie rozdrobnionej skały. To z kolei stawia wymagania złączkom, których zadaniem jest uszczelnienie połączeń między ogniwami.

Nie należy zapominać, że ciśnienie cieczy zależy bezpośrednio od wysokości formowanego słupa (i nie zależy od przekroju rury). Co więcej, nawet jeśli jako płuczkę wiertniczą stosuje się wodę, to co każde 10 metrów ciśnienie wzrasta o 1 atmosferę.

Dla porównania warto podać przykład. Ciśnienie robocze w domowej sieci wodociągowej wynosi 10 atmosfer, a najwytrzymalsze rury są zaprojektowane na ciśnienie 20 atmosfer.

Tylko że systemy domowe są stacjonarne i się nie poruszają, natomiast na żerdź wiodącą wywierane jest ciśnienie równe ciężarowi kolumny wiertniczej. A ona przecież musi jeszcze przekazywać impuls obrotowy i siłę na świder.

Złączki to najbardziej odpowiedzialne elementy żerdzi, ponieważ to na nie przypada ciężar całej dolnej części sąsiedniej żerdzi, a także obciążenie od drgań dynamicznych i ruchu obrotowego przekazywanego przez silnik.

Do złączek jako elementów konstrukcyjnych kolumny wiertniczej stawia się następujące wymagania:

• muszą zapewniać szczelność połączeń żerdzi i wytrzymywać ciśnienie cieczy do 100 atmosfer (do oczyszczania przodka strumieniem ciśnieniowym);
• muszą być odporne na zużycie, aby nie ulegać zniszczeniu podczas tarcia o ściany odwiertu;
• muszą mieć możliwość przekazywania momentu obrotowego z górnej części kolumny roboczej na dolną, a w końcu na świder.

Niezwykle ważne jest, aby złączki miały odpowiednią jakość wykonania. Jeśli przynajmniej jedna z nich nie wytrzyma obciążenia i kolumna robocza ulegnie zerwaniu, wyciągnięcie jej dolnej części wraz ze świdrem będzie niezwykle trudne. Pod względem nakładów kapitałowych czasem łatwiej jest wywiercić nowy odwiert obok, niż wyciągać odczepioną żerdź wiodącą.

Wykorzystanie wody w trakcie wiercenia

Płyn, który jest podawany do dna odwiertu, to najczęściej zwykła woda. Czasami, aby ustabilizować przewód wiertniczy przechodzący przez luźne, niespoiste grunty (piaski, osady żwirowe, kamieniste), do odwiertu podaje się roztwór z dodatkami wiertniczymi. Jest to konieczne, ponieważ na początkowych etapach wiercenia nie stosuje się rur osłonowych.

Woda wpływa do odwiertu albo pod ciśnieniem wewnątrz przewodu wiertniczego (i wtedy wypompowywanie następuje przez przestrzeń pierścieniową), albo grawitacyjnie w dół przez przestrzeń pierścieniową, a usuwanie następuje przez kolumnę roboczą za pomocą pompy odciągającej.

Są to 2 różne technologie wiercenia obrotowego, których szczegóły zostaną omówione poniżej.

Wiercenie obrotowe charakteryzuje się najwyższą prędkością opracowywania studni ujęciowej. Równocześnie z wierceniem przeprowadza się płukanie przewodu i przygotowanie wyrobiska do przyszłej eksploatacji.

Jednak niezależnie od stosowanej metody, płyn używany w wierceniu wszędzie wymaga oczyszczenia (do dalszego zastosowania).

W tym celu wykorzystuje się następujący zestaw urządzeń:

• Zbiornik do przechowywania płuczki wiertniczej. (Jeśli planuje się wiercić płytką studnię – w granicach kilkudziesięciu metrów – można go urządzić bezpośrednio w ziemi, a jako płyn płuczący stosuje się zwykłą wodę). Zbiornik pełni rolę akumulatora dla płynu płuczącego.
• Sito wibracyjne. Płyn płuczący wydobywany z odwiertu niesie ze sobą cząstki rozdrobnionej skały, które należy usunąć. Najskuteczniejszym sposobem jest mechaniczny, z użyciem sita wibracyjnego.
• Osadnik. Po usunięciu dużych cząstek skały płyn trafia do osadnika, aby pozbyć się zawieszonych cząstek opadających na dno. W przypadku stosowania wody jako płynu płuczącego, osadnik również czasami buduje się bezpośrednio w ziemi. Ponadto do separacji substancji ciekłych i oddzielania osadu stosuje się hydrocyklon.
• Pompa wiertnicza. To właśnie ona zapewnia cyrkulację płynu płuczącego.
• System rynien. Są one potrzebne do przepływu wody od miejsca formowania wyrobiska do miejsca jej oczyszczania.

Ogółem do opracowania studni metodą obrotową potrzebne są następujące mechanizmy i urządzenia:

1. Wieża lub konsola do montażu kolumny wiertniczej z rur nośnych i demontażu po zakończeniu wiercenia, a także układ linowy.
2. Silnik, zapewniający obrót wirnika.
3. Urządzenia do cieczy. Mechanizmy i urządzenia do zapewnienia cyrkulacji płynu płuczącego i jego oczyszczania (pompa; sito wibracyjne; osadniki i/lub hydrocyklon; zbiornik do przechowywania płynu płuczącego; system rur i rynien).

Do wiercenia obrotowego płytkich odwiertów cały wymieniony zestaw sprzętu jest bardzo kompaktowy (na przykład wysięgnik wspornika jest składany). Zapewnia to łatwość rozmieszczenia sprzętu wiertniczego w dowolnym dogodnym miejscu do prowadzenia prac wiertniczych i późniejszej eksploatacji.

Dwa warianty wiercenia obrotowego

W zależności od sposobu podawania płynu płuczącego na dno odwiertu rozróżnia się 2 typy technologii wiercenia obrotowego:

1. z podawaniem bezpośrednim;
2. z podawaniem odwrotnym.

Należy zauważyć, że płyn podawany na dno odwiertu służy nie tylko do płukania i wynoszenia kruszonej skały. Chłodzi również świder, który mocno nagrzewa się od tarcia. W przypadku podawania bezpośredniego pompa wytwarza nadciśnienie płynu.

Woda wpływa na dno odwiertu przez otwory technologiczne w świdrze, „podchwytuje” rozkruszoną skałę, a następnie grawitacyjnie przez odwiert (to znaczy przez przestrzeń za rurą w stosunku do żerdzi napędowej) trafia na powierzchnię, gdzie dostaje się do kompleksu czyszczącego (sito wibracyjne, hydrocyklon).

Płukanie może być bezpośrednie lub odwrotne, od czego będą zależeć cechy jakościowe używanego sprzętu, ale schemat zasadniczy jest słuszny dla obu odmian technologii

Technologia podawania odwrotnego zakłada, że płyn płuczący dopływa do dna odwiertu grawitacyjnie, opadając przez odwiert, a z powrotem na powierzchnię roztwór z rozkruszonym materiałem trafia już przez rurę żerdzi napędowej. Pompa wiertnicza w tym przypadku wytwarza podciśnienie właśnie w niej.

Mimo pozornej prostoty obu technologii, niuansów jest tutaj znacznie więcej, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Dlatego wydaje się celowe omówienie każdej z wymienionych technologii wiercenia bardziej szczegółowo.

Wiercenie z bezpośrednim podawaniem płuczki

Tę technologię czasami nazywa się „bezpośrednim przepływem wody”. Należy ją stosować w gruntach piaszczystych, żwirowych, tłuczniowych. Stosuje się ją również, jeśli głębokość warstwy wodonośnej nie przekracza 30 m. To właśnie w tym przypadku do płynu dodaje się dodatki, które zwiększają jego gęstość i stabilność otworu.

Wiercenie obrotowe charakteryzuje się stopniowym zmniejszaniem średnicy wykonywanego odwiertu. Innymi słowy, najpierw wierci się odwiert o największej średnicy, następnie jest on zarurowywany rurą, a przestrzeń pierścieniowa między zewnętrzną powierzchnią rury a ścianą odwiertu przez otwory technologiczne wypełniana jest zaczynem cementowym.

Następnie wiercenie kontynuuje się już za pomocą mniejszego świdra. Następnie ponownie obsadzanie, a nowy odcinek ma jeszcze mniejszą średnicę itd. Im rzadziej trzeba „odrywać się” od cementowania odwiertu, tym większa wydajność wiercenia, co ostatecznie przekłada się na całkowity koszt procesu i odwiertu jako całości.

Ponadto zbyt częste obsadzanie prowadzi ostatecznie do tego, że efektywna średnica odwiertu (ta średnica, która odsłania warstwę wodonośną) znacznie się zmniejsza. Otóż „bezpośredni przepływ wody” charakteryzuje się tym, że odwiert przy takiej metodzie formowania można nie obsadzać aż do 100 metrów.

Główne ciśnienie płuczki wiertniczej jest wytwarzane przez pompę wewnątrz przewodu wiertniczego, a przestrzeń pierścieniową ciecz z elementami pokruszonej skały wypełnia grawitacyjnie, nie niszcząc nadmiernym ciśnieniem ścian odwiertu.

Schemat wiercenia z bezpośrednim podawaniem płuczki wiertniczej. Jej podawanie do dna odwiertu odbywa się przez rurę przewodu wiertniczego, a na powierzchnię unosi się już grawitacyjnie.

Jednak ta metoda wiercenia ma również wady. W szczególności zbyt długi nieobudowany odcinek powoduje, że do warstw wodonośnych dostają się drobnozdyspergowane cząstki ilaste, co może znacznie zmniejszyć i spowolnić dopływ wody do wyrobiska z warstwy wodonośnej.

Cząstki te pełnią tu rolę swoistych zatyczek porów i mikrokanałów w skale, przez które przesiąka woda. Dlatego wykonywana w trakcie wiercenia procedura obsadzania jest niezbędna do zachowania dalszej wydajności odwiertu jako całości.

Wiercenie z odwrotnym podawaniem płuczki

Przy takiej metodzie sterowania podawaniem cieczy, otwór wiertniczy i dno odwiertu są oczyszczane najlepiej. Pompa tutaj nie wciska cieczy do dna, a wręcz przeciwnie – zasysa ją z powrotem, co prowadzi do tego, że prędkość kształtowania odwiertu świdrem wzrasta o rząd wielkości i jeszcze kilkukrotnie w porównaniu z bezpośrednim płukaniem.

Sam odwiert nie ulega zanieczyszczeniu domieszkami ilastymi z przepływem podawanej płuczki wiertniczej. Pompa zasysa bowiem do góry wszystko, co może się w niej znajdować. Nawiasem mówiąc, nie ma już praktycznego sensu stosowanie dodatkowych domieszek, dlatego jako samej płuczki wiertniczej używa się czystej wody.

Schemat płukania odwrotnego przy wierceniu obrotowym. Podawanie odbywa się grawitacyjnie przez przestrzeń pierścieniową, a z powrotem zwierciny są wyciągane pompą przez rurę przewodu wiertniczego.

Podsumujmy zatem zalety wiercenia z odwrotnym przepływem wody:

• prędkość wiercenia wzrasta (w porównaniu z bezpośrednim przepływem wody) nawet do 15 razy;
• warstwa wodonośna nie jest zanieczyszczana cząstkami gliny i pylastymi ziarenkami piasku z niższych, jeszcze nieobudowanych poziomów odwiertu;
• dzięki jakościowemu udostępnieniu warstwy wodonośnej, odwiertu nie trzeba dodatkowo przygotowywać do eksploatacji, można od razu zainstalować wewnętrzną kolumnę okładzinową z filtrem i uruchomić pompowanie pompą;
• jako cieczy roboczej używa się zwykłej (a więc i taniej) wody.

Niemniej jednak, metoda ta ma również istotną wadę. Wymaga ona zaangażowania kosztownego sprzętu, co ostatecznie prowadzi do znacznego wzrostu kosztów całego procesu wiercenia.

Dlatego wiercenie «odwrotnym przepływem wody» wykonuje się tylko wtedy, gdy odwiert jest przeznaczony do eksploatacji przez kilka gospodarstw domowych. Natomiast w przypadku, gdy odwiert jest przeznaczony do indywidualnej eksploatacji, znacznie rozsądniejsze jest zastosowanie technologii wiercenia rotacyjnego z bezpośrednim przepływem wody.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Wideo #1. Wizualna demonstracja procesu wiercenia rotacyjnego krok po kroku:

Wideo #2. Analiza technologii rotacyjnej i zasad urządzania odwiertu:

Wideo #3. Cyrkulacja wody podczas wiercenia rotacyjnego:

Sytuacja z dostępnością i głębokością warstw wodonośnych może się znacznie różnić w zależności od miejsca (a gdzieś ich w ogóle nie ma, jak na wyspie Madera).

Przy projektowaniu odwiertu i wyborze optymalnej metody wiercenia rotacyjnego należy korzystać z istniejących map zbadanych warstw wodonośnych. Pomoże to Państwu zaoszczędzić znaczne środki i czas.

Proszę podzielić się swoim doświadczeniem w budowie odwiertu metodą rotacyjną. Proszę podzielić się niuansami technologicznymi, które przydadzą się odwiedzającym stronę. Proszę zostawiać komentarze w znajdującym się poniżej bloku formularza, zamieszczać zdjęcia i zadawać pytania na temat artykułu.