Foraj cu carotă a puțurilor: tehnologia și nuanțele executării lucrărilor

Una dintre cele mai productive și economice metode de realizare a excavațiilor miniere este forajul carotier al sondelor. Este utilizat în prospectarea zăcămintelor și în geologia inginerească. Mai mult, este cea mai simplă și rapidă modalitate de a obține acces la apele subterane pentru organizarea alimentării cu apă.

Totul despre specificul forajului carotier, instrumentele necesare pentru realizarea acestuia și particularitățile de aplicare le veți afla din articolul propus de noi.

Domeniul de aplicare al forajului carotier

Forajul carotier – o metodă care permite determinarea cu cea mai mare precizie a adâncimii de amplasare a acoperișului și a tălpii straturilor de sol, precum și a cotei adâncimii oglinzii apelor subterane.

Tehnologia de foraj carotier este utilizată pe scară largă în următoarele sectoare:

• Alimentarea cu apă în domeniul industrial și privat. Forarea sondelor pentru alimentarea privată cu apă, organizarea captării de apă pentru sate întregi sau cartiere urbane se realizează eficient prin foraj carotier datorită faptului că burghiul pătrunde ușor la adâncimi mari. Carotiera este capabilă să ridice practic orice rocă distrusă, cu excepția solurilor saturate cu apă și a celor afânate necoezive (nisipuri, pietriș, balast);
• Prospectarea geologică în industria minieră. La străpungerea rocii are loc un impact punctual asupra solului pe raza de rotație. Cu alte cuvinte, cu ajutorul carotierei, care constructiv seamănă cu o țeavă, se decupează un masiv integral de roci fără a le deteriora structura și starea.
• Construcții. Efectuarea de investigații inginerești-geologice pentru studierea proprietăților fizico-mecanice ale solurilor, starea rocilor. Tehnologia carotieră oferă posibilitatea de a identifica cu precizie înaltă nivelul apei subterane și de a preleva probe de apă pentru studierea agresivității acestora față de beton.

În cursul forajului carotier se extrage carota – o coloană de sol sau de straturi de sol adiacente. Carota se caracterizează printr-o structură naturală integrală, ceea ce asigură efectuarea unei analize complete a rocii studiate. Forarea cu țeavă carotieră permite determinarea cu cea mai înaltă precizie a adâncimii de zăcământ a rocii în scop de studiu.

Forarea carotieră a puțurilor asigură integritatea carotei extrase, ceea ce contribuie la studierea calitativă a rocii. În același timp, se efectuează cea mai calitativă curățare a fundului puțului de roca distrusă.

Utilizarea burghiului carotier în construcții ușurează și accelerează considerabil procesele. În orificiul pregătit cu burghiul carotier se bate ușor un pilon sau se montează o construcție prefabricată din beton armat. Forarea carotieră permite crearea de orificii cilindrice în construcții din cărămidă și beton.

Tehnologia de execuție a lucrărilor și echipamentul

Sunt cunoscute două metode de utilizare a burghiului carotier: lucrul cu alimentare cu lichid la fundul puțului sau pe uscat, adică fără soluție de foraj.

Forarea fără utilizarea soluției de foraj se aplică în cazul în care solurile necoezive sunt impregnate cu umiditate naturală într-o cantitate suficientă pentru avansare și extragere. De asemenea, apa nu se furnizează în trunchiul excavației la traversarea luturilor/argilelor fluid-plastice, moale-plastice și consistente, precum și a nisipurilor lutoase tari și plastice.

Lichidul se aplică obligatoriu la forarea rocilor dure și semidure. În absența apei, în acest caz, adâncirea are loc mult mai lent. În plus, crește semnificativ probabilitatea defectării premature a coroanei, motiv pentru care forarea pe uscat este considerată mai costisitoare.

Tehnologia forării carotiere a puțului cu spălare permite nu numai prelungirea duratei de viață a echipamentului de lucru, ci și eliberarea fundului puțului de roca distrusă în cel mai rapid și mai puțin laborios mod.

La forarea cu soluție de foraj, viteza de adâncire crește considerabil. Cel mai adesea, această metodă se aplică la forarea puțurilor de adâncime semnificativă. Aceasta permite executarea lucrărilor în cel mai scurt timp, cu un risc minim de deteriorare a coroanei.

De asemenea, apa sub presiune înaltă este furnizată la fundul puțului în procesul de dezvoltare a puțului în soluri afânate necoezive, dacă prelevarea carotei nu este o sarcină. Cu jetul de apă, în acest caz, se spală pur și simplu fundul puțului, eliberând trunchiul excavației de solul distrus.

Principiul metodei carotiere

Elementul principal la forarea carotieră este piesa de tăiere distructivă, montată pe talpa țevii carotiere. Se numește coroană. Pentru străpungerea rocilor dure se folosesc coroane speciale, echipate cu tăișuri de diamant.

Coroanele – elemente de tăiere interschimbabile, care se înșurubează pe marginea inferioară a țevii carotiere. În procesul de forare, acestea trebuie schimbate de mai multe ori.

Tocmai coroana diamantată asigură o trecere aproape fără obstacole a burghiului la adâncime mare în timpul săpăturii puțurilor de captare a apei în calcar. Adică, la dezvoltarea sondelor adâncite în roci de bază, în fisurile cărora, ca urmare a condensării milenare, s-au format rezervele de apă subterană cea mai pură.

Coroanele de foraj se înlocuiesc în cel mai simplu mod – se îndepărtează piesa uzată și se înșurubează o coroană nouă pe țeava de carotaj.

Roca este tăiată cu ajutorul coroanei, care se rotește la turații înalte. Viteza de rotație a burghiului poate fi reglată în funcție de densitatea solului excavat. Coroana “decupează” solul doar pe marginea unui cilindru specific, a cărui parte centrală este presată în țeava de carotaj.

Pentru extragerea carotei, instalația de foraj este ridicată la suprafață. Solul captat este literalmente suflat din burghiul de carotaj printr-un jet de aer introdus în partea superioară a țevii. Procesul de suflare este accelerat prin lovirea instalației cu un baros.

În procesul de foraj cu carotaj, segmentul conic de rocă forat este împins în țeava de carotaj. Pentru extragerea acestuia, instalația de carotaj este scoasă din puț prin demontarea coloanei de prăjini de foraj. Carota este suflată și scoasă prin lovire din țeavă.

Burghiele de carotaj au o productivitate mai mare la străbaterea rocilor dure decât dălțile matriceale și cele cu conuri. Acest lucru se datorează vitezei mari de rotație a burghiului, datorită căreia se reduce gradul efortului aplicat la excavare.

În plus, dălțile distrug complet roca, care va trebui “scosă” cu o lingură (bailer) sau să se introducă apă sub presiune pentru spălarea frontului. De fapt, va trebui să se parcurgă de două sau chiar de trei ori același segment: mai întâi să se distrugă, apoi să se curețe. Tehnologia de carotaj permite parcurgerea și curățarea frontului dintr-o singură operațiune.

Mașini și instalații de foraj

Alegerea mașinii sau a instalației de foraj este determinată de destinația sondei și de diametrul acesteia. Popularitatea metodei de foraj cu carotaj determină producția de instalații și mașini de foraj în întreaga lume. Tractoare grele, camioane și vehicule de teren sunt potrivite pentru instalațiile destinate forajului de explorare.

Utilizarea tractoarelor grele cu șenile permite efectuarea lucrărilor de foraj cu carotaj a sondelor în zone cu teren accidentat, mlăștinire superficială, relief instabil.

Cel mai adesea, echipamentul de foraj este montat pe automobile clasice ale mărcilor MAZ, KAMAZ, Ural. Cu toate acestea, există variante de montare și pe utilaje mai ușoare, care sunt utilizate pentru forarea puțurilor de apă în construcții private.

La forarea manuală rotativă, tubul de carotaj este înlocuit de predecesorul său istoric – paharul. Acest dispozitiv reprezintă o variantă scurtată a tubului de carotaj, cu o muchie ascuțită la talpă. Paharul se înșurubează manual sau cu ajutorul unui motobur în pământ și se extrage la suprafață tot ceea ce s-a îngrămădit în el.

Pentru mecanizarea forării manuale a puțurilor de mică adâncime și formarea gropilor pentru instalarea gardurilor și stâlpilor de linii electrice, se utilizează motoare pe benzină și electrice. Acestea transmit mișcări de rotație șnecului sau tubului de carotaj.

Echipament pentru înaintare și amenajare a sondelor

La realizarea forării cu carotaj este necesar un echipament care să permită efectuarea lucrărilor la adâncime, dezvoltarea și extragerea celor mai diverse tipuri de roci. În timpul executării lucrărilor, trebuie asigurată ridicarea periodică la suprafață a materialului distrus de dispozitiv.

Setul standard de unelte de foraj

Pentru executarea de calitate a lucrărilor, este necesar:

• Dispozitive de carotaj. Se utilizează atât pentru forarea orizontală, cât și pentru săparea excavațiilor verticale. Cu ajutorul tuburilor de carotaj standard este posibilă efectuarea forării sub un unghi de până la 45 de grade. Dispozitivele de carotaj cu pereți subțiri pot fi utilizate exclusiv doar pentru forarea orizontală fără șanț la instalarea comunicațiilor.
• Coronițe. Acesta este un instrument de distrugere a rocilor cu care este echipat tubul de carotaj pentru a facilita tăierea carotelor din rocă. Pentru forarea solurilor sedimentare coezive și necoezive se utilizează coronițe din alamă. Pentru săparea rocilor dure, formarea găurilor în beton, asfalt, perete de cărămidă, se produc coronițe din carbură cu incisivi diamantați.
• Țevi de tubaj din oțel. Sunt necesare pentru tubarea excavației – formarea coloanei puțului, realizată simultan cu adâncirea acestuia. Diametrul lor este egal cu diametrul puțului. Tubajul pentru captarea apei se alege din timp, în funcție de diametrul tubului de carotaj și al pompei care urmează să fie exploatată în puț.
• Prăjini de foraj. Acestea sunt țevi înguste care se înșurubează între ele. Se utilizează pentru prelungirea coloanei de foraj. Mai simplu spus, ele se înșurubează succesiv la vârful tubului de carotaj pentru a-i putea transmite mișcarea de rotație la o adâncime mai mare decât înălțimea dispozitivului. Înălțimea tubului de carotaj + înălțimea coloanei de prăjini de foraj = adâncimea excavației.
• Subițe de adaptare. Sunt necesare pentru asigurarea îmbinării conexiunilor filetate de diametre diferite, prezente pe prăjinile de foraj, rotatoare, prese de spălare și alte componente.
• Dopuri de spălare și presetupă. Cu ajutorul lor se asigură ridicarea la suprafață a solului deranjat, dacă nu este necesară prelevarea unei carote integrale. În acest caz, pe talpa sondei se introduce apă care, sub presiune, spală solul deranjat la suprafața zilei.
• Dălți. Acestea sunt utilizate pentru adâncirea găurii sondei în locurile cele mai dificile pentru traversarea burghiului carotier. La utilizarea dălții, uneori se trece de la forajul rotativ la cel percutant-cablu.

Instrumentul prezentat reprezintă un set standard pentru efectuarea forajului prin tehnologia carotieră. În cazuri particulare, în funcție de complexitatea exploatării, pot fi necesare instrumente și echipamente suplimentare.

La adâncirea excavației, la partea superioară a țevii carotiere se înșurubează succesiv o coloană de prăjini de foraj. Pentru extragerea dispozitivului carotier la suprafață, coloana se desface prăjină cu prăjină.

Particularitățile construcției țevii carotiere

Particularitatea constructivă a dispozitivului la forajul carotier este determinată de păstrarea maximă a integrității carotei și constă în dispunerea inelară în jurul unui pasaj liber. Una dintre cele mai importante caracteristici este considerată coeficientul de prelevare a carotei. Acesta se definește ca raportul dintre diametrul carotei și diametrul exterior al instrumentului.

Instrumentul pentru forajul carotier este standardizat, diferențiindu-se în principal doar prin diametru. Din punct de vedere constructiv, țevile carotiere se clasifică în simple și duble. Dispozitivele simple, destinate lucrului în condiții geologice obișnuite, sunt excelente pentru realizarea sondelor de captare a apei.

Instrumentul dublu cu țeavă interioară nerotitoare se utilizează numai în prospecțiunile geologice. Este necesar pentru extragerea probelor de rocă care se distrug ușor sub acțiunea diverșilor factori. Acesta permite prelevarea unei probe în stare naturală, cu conținutul natural procentual de minerale utile și rocă sterilă.

În prelevarea probelor pentru cercetări geotehnice, în prospecțiunile geologice și forarea găurilor pentru instalarea stâlpilor de linii electrice aeriene se utilizează țeava carotieră simplă.

Toate țevile carotiere sunt proiectate pentru utilizarea suflării, alimentării cu fluid de foraj pe talpă și spălării sondei. Partea lor superioară este prevăzută cu un orificiu tehnologic prin care se realizează injectarea apei sau a unui jet de aer.

Specificația părții tăietoare a carotierei

Orice coroană se prezintă sub formă de inel cu filet în partea superioară, necesar pentru înșurubarea pe țeava carotieră, și cu dălți situate pe partea inferioară. Dălțile pot fi monobloc sau sudate pe această piesă metalică tăietoare.

La forajul carotier se utilizează următoarele coroane:

• Carburi – cu tăișuri fine, nervurate.
• Diamantate – impregnate și cu diamante fine.

Elementele de tăiere din carburi sunt destinate forării terenurilor “moi”. Cu ajutorul lor se efectuează forarea tuturor tipurilor de roci argiloase de orice consistență, rocilor semistâncoase, nisipurilor cu umiditate scăzută și umede, de compactitate densă și medie. Pentru traversarea gresiilor și marnelor se utilizează coroane cu dălți din carbură de wolfram-cobalt.

Cu tăișuri fine coroane sunt destinate forării rocilor de duritate medie și abrazivitate redusă. Sunt echipate cu dălți cu secțiune octogonală sau pătrată. Prin dispunerea dălților la diferite înălțimi se obține, de asemenea, treptarea frontului de forare, ale cărei avantaje au fost menționate anterior.

Cu ajutorul coroanelor nervurate se asigură îmbunătățirea circulației fluidului de spălare prin lărgirea diametrului sondei.

Nervurate coroane sunt destinate forării rocilor dure de abrazivitate medie. Dălțile acestor coroane sunt formate dintr-o bară de oțel cilindrică sau prismatică cu o inserție din carbură. În acest caz, chiar și în cazul uzurii coroanei, eficiența sa de lucru nu scade.

Coroanele cu dălți diamantate sunt destinate forării rocilor dure și semidure de abrazivitate ridicată.

Pentru a crește rezistența și a îmbunătăți proprietățile abrazive, în masa sa turnată, în timpul procesului de producție, se introduc prin presare diamante tehnice. Recent, cristalele naturale sunt adesea înlocuite cu cele cultivate artificial.

Numărul nervurilor este determinat de construcția coroanei și de diametrul acesteia – pot fi de la trei până la șase. Accelerarea procesului de distrugere a rocii poate fi obținută prin deplasarea în sus a nervurilor față de fața coroanei. Astfel, se asigură un front de forare treptat și se facilitează trecerea fluidului de spălare.

Țevi pentru tubarea coloanei sondei

Atât țevile de carotaj, cât și cele de tubaj din oțel sunt fabricate conform GOST 51682-2000. În explorarea geologică și în geologia inginerească, acestea sunt utilizate pentru a preveni prăbușirea solului pe frontul de forare, ceea ce nu ar permite să se înțeleagă la ce adâncime un strat geologic este înlocuit de altul.

În amenajarea lucrărilor de captare a apei, țevile de tubaj formează pereții sondei. În coloana de tubaj asamblată din acestea se introduce o altă coloană, cea de exploatare, de țevi. În prezent, aceasta este cel mai des asamblată din plastic. Coloana de exploatare este prevăzută cu un filtru pentru reținerea particulelor de nisip și a pietrișului fin în timpul pompării.

Cele mai răspândite sunt țevile de tubaj cu conexiune prin nipple. Acestea au pe o parte filet interior, iar pe cealaltă – filet exterior. Coloana sondei din țevi filetate se montează extrem de simplu și rapid.

Atât țevile de carotaj, cât și cele de tubaj sunt prevăzute cu filet, la un capăt exterior, la celălalt interior. Acest lucru permite asamblarea rapidă și simplă a coloanei de tubaj. Dimensiunile filetelor sunt standardizate – orice țeavă de tubaj poate servi ca țeavă de carotaj, fiind suficient să i se atașeze o coroană și un vârf.

Există țevi de tubaj destinate îmbinărilor sudate. În sectorul privat nu se folosesc din cauza procesului laborios de asamblare a coloanei.

Atât țevile de tubaj, cât și cele de carotaj sunt fabricate din oțel marca 45 cu grupa de rezistență «K». Pentru a spori rezistența la uzură superficială, capetele țevilor sunt călite. În funcție de echipamentul de foraj utilizat și de diametrul pompei submersibile, în construcția sondelor private de captare a apei se folosesc țevi cu diametrul de la 100 la 200 mm.

Etapele forajului carotier

Înainte de începerea lucrărilor, trebuie studiat planul cadastral și pregătită suprafața de lucru. Este necesar să se asigure accesul neîngrădit la locul de foraj atât pentru instalația de foraj propriu-zisă, cât și pentru mașina cu fluid de spălare.

Următorul pas va fi săparea unei gropi cu un volum de cel puțin 2 mc – acest lucru va evita necesitatea utilizării unui rezervor suplimentar. Groapa este destinată evacuării apelor subterane și a fluidului de spălare uzat. Pentru instalarea părții principale a coloanei, este necesară perforarea solului.

Apoi se realizează îmbinarea coroanei alese cu țeava de carotaj și selectarea țevilor de tubaj, care vor fi extinse pe măsură ce se avansează în adâncime. Instalația trebuie fixată sigur, după care se pornește mașina de forat.

Tehnologia de forare cu carotieră cu spălarea fundului sondei cu apă permite eliberarea coloanei sondei de roca sfărâmată în cel mai simplu și rapid mod.

Pe măsură ce se înaintează în adâncime și burghiul de carotaj se umple, se efectuează ridicarea periodică a acestuia la suprafață și curățarea de pământul captat de unealtă în timpul forării. Apoi, burghiul eliberat de carotă poate fi din nou introdus în orificiul sondei pentru a continua forarea.

Pentru ridicarea la suprafață, coloana de prăjini de foraj, formată din carotieră și prăjini, se demontează. Adică se separă succesiv prăjină după prăjină până când se scoate din coloană țeava de carotaj.

Optima variantă pentru dezvoltarea unei sonde de către persoane fizice este forajul tubular, însoțit de spălare. Nu este necesar să se preleveze probe în acest caz. Principalul lucru este formarea rapidă a puțului și curățarea acestuia de nămol. În același timp, se efectuează pregătirea excavației pentru exploatarea viitoare.

Pentru spălare se poate folosi orice apă, fiind perfect potrivită apa dintr-un iaz sau râu din apropiere. Forajul se poate efectua și pe uscat, dacă se sapă o sondă de nisip. De obicei, în acest caz, sunt suficiente câteva găleți de apă ca fluid de foraj, doar pentru răcirea sculei pe talpă.

Conform tehnologiei tubulare, se realizează forarea găurilor în structuri de beton și beton armat, fundații și pereți de cărămidă.

La lucrul în nisipuri afânate și slab umede, pentru consolidarea pereților găurii, se recomandă adăugarea de sticlă lichidă sau masă argiloasă în fluidul de lucru. În orice caz, la traversarea unui orizont cu structură instabilă, consolidarea pereților sondei cu țevi de tubaj este justificată.

Particularități tehnologice ale procesului

În timpul avansării, este posibilă reglarea vitezei de rotație a burghiului. Trebuie remarcat că straturile de roci sedimentare sunt ușor străbătute de burghiu la turații joase. În schimb, la traversarea rocilor de bază, este necesară mărirea vitezei de rotație. Prin forajul tubular se pot traversa straturi de compoziție variată și de orice duritate.

Trebuie să se țină cont de faptul că instalația de foraj trebuie amplasată pe o platformă pregătită, nivelată și orizontală. Unghiul de foraj poate fi reglat atunci când diametrul găurii de sondă nu depășește 1 metru. Apoi, verticalitatea excavației este menținută de coloana de tubaj.

Țevile de tubaj pot fi reutilizate dacă sunt extrase din excavație imediat după forare. Țeava tubulară – este o sculă reutilizabilă, spre deosebire de coroanele de foraj. Pentru forarea în orizontul sedimentar, sunt necesare cel puțin două, sau chiar mai multe. La construirea unei sonde de calcar, este imposibil de prezis cu exactitate numărul de coroane uzate.

Pentru a prelungi durata de viață a coroanei diamantate după instalarea sau înlocuirea acesteia, fundul sondei trebuie prelucrat cu o daltă. Această măsură va crește semnificativ viteza de forare.

Instalația de foraj poate fi montată pe un vehicul cu capacitate mare de ridicare sau pe un utilaj special pe șenile, în cazul efectuării lucrărilor în condiții de relief dificil. Echipamentul mobil mai ușor poate fi utilizat la forarea tubulară a sondelor de apă.

Avantaje și dezavantaje ale metodei carotiere

Datorită acțiunii punctiforme a coroanei de-a lungul razei sale, se asigură tăierea atentă și extragerea la suprafață a miezului solid. Tehnologia este aplicabilă pentru forarea rocilor de până la categoria XII, putând lucra atât perpendicular, cât și în unghi.

Unul dintre cei mai importanți indicatori ai metodei coloanei este productivitatea ridicată și viteza de forare.

Pe lângă aceasta, se pot evidenția următoarele avantaje:

• Volumul de forare în cazul utilizării fluidului de spălare sau a apei tehnice este de 85%;
• Introducerea de emulsii active în soluția de lucru permite menținerea pereților sondei în starea lor originală;
• Datorită reducerii sarcinilor axiale, deoarece roca nu este distrusă în mod continuu, se realizează o scădere a costurilor energetice.
• Metoda permite lucrul cu orice tip de roci, inclusiv bazaltice și granitice.
• Atunci când se utilizează o mașină mobilă de asamblare, este posibilă efectuarea lucrărilor în locuri greu accesibile.

Alături de avantaje, forarea coloanei prezintă și dezavantajele sale:

• La lucrul în roci fisurate, apare adesea blocarea miezului, ceea ce duce la necesitatea extragerii țevii pentru a-l scoate.
• La traversarea rocilor dure, din cauza supraîncălzirii și a blocării, coroana se tocește rapid. Pentru a evita acest lucru, este necesară utilizarea fluidului de răcire și reducerea vitezei de avans. În consecință, viteza de forare scade.
• Secțiunea mică (până la 200 mm) de forare nu permite utilizarea unor pompe submersibile puternice.

La dezvoltarea sondelor de apă în cazul utilizării soluției de argilă la deschiderea stratului, există o probabilitate mare de colmatare a stratului acvifer.

Concluzii și material video util pe această temă

Video 1. Etapa inițială a forării unei sonde prin metoda coloanei:

Video 2. Forarea coloanei a unei sonde în rocă granitică:

Începerea lucrărilor de forare coloană trebuie precedată de un calcul economic. Respectarea normelor de siguranță și a regulilor de exploatare a echipamentelor minimizează riscul de defectare, asigurând astfel o eficiență ridicată a muncii, viteza de forare și reducerea costurilor economice.

Doriți să împărtășiți subtilitățile tehnologiei coloanei cunoscute doar de dumneavoastră? Dispuneți de informații utile pe tema articolului? Vă rugăm să scrieți comentarii în formularul bloc de mai jos, să adresați întrebări și să publicați fotografii pe tema articolului.