Foraj rotativ al puțurilor: prezentare a tehnologiei de foraj și a echipamentului necesar

Dacă o casă de la țară nu poate fi conectată la alimentarea centralizată cu apă, trebuie organizat un sistem autonom. Majoritatea proprietarilor preferă să îl amenajeze pe baza unui puț, în dezvoltarea căruia se folosesc diverse metode. Vom examina forajul rotativ al puțurilor – o variantă foarte promițătoare, dar încă puțin cunoscută.

În articolul propus de noi sunt descrise în detaliu subtilitățile tehnologiei rotative și instrumentele utilizate. S-au analizat avantajele și dezavantajele acestei metode, sunt prezentate modalitățile de implementare practică. Sfaturile noastre vor fi de folos proprietarilor chibzuiți ai terenurilor private, care doresc să controleze activitatea foratorilor.

Definiția forajului rotativ

Mai întâi, să analizăm ce reprezintă de fapt forajul rotativ al puțurilor și care sunt alternativele sale? Una dintre cele mai obișnuite metode de amenajare a excavației de captare a apei este recunoscută încă forajul cu melc.

Cu toate acestea, tehnologia cu melc nu permite traversarea rocilor de bază. Burghiul elicoidal folosit în forajul cu melc nu poate distruge calcarul. Și, deseori, se întâmplă că trebuie să forați exact în el, deoarece straturile superioare nu se disting printr-un debit stabil și suficient pentru exploatare.

Tehnologia de foraj cu carotă și cu melc nu oferă posibilitatea de a traversa roci stâncoase. În cazul amenajării unui puț în calcar, este mai eficient și mai economic să se folosească metoda de foraj rotativ.

Prin urmare, tehnologia rotativă, folosită anterior doar în industria minieră, a început să fie introdusă în domeniul amenajării construcțiilor private de captare a apei. Elementul său de lucru este burghiul aflat în partea de fund a puțului. Cu ajutorul burghiului se distrug solurile coeziate și necoezive, se sfărâmă rocile de bază.

Scoaterea rocii distruse se realizează cu ajutorul fluidului, care este furnizat la fund prin coloana de lucru sau prin spațiul anular. Acestea sunt 2 metode diferite de foraj, fiecare dintre acestea va fi analizată în detaliu mai departe.

Diametrul burghiului depășește diametrul coloanei de lucru, ceea ce permite:

• reducerea consumului de energie pe tot procesul de foraj (puterea este consumată direct doar pentru rotirea cu forță a sapei în talpă, iar pierderile prin frecarea coloanei de lucru de pereții sondei sunt reduse la minimum);
• protejarea majorității elementelor coloanei de lucru împotriva deteriorării, precum și a pereților sondei forate împotriva distrugerii;
• crearea de sonde cu diametru impresionant (de exemplu, până la 70 cm) la adâncimi extrem de mari.

În acest mod se pot forma sonde acvifere, cu adâncimea de 300 de metri și mai mult, adică se pot fora lucrări de captare a apei pentru alimentarea cu apă a zonelor de case de vacanță și a satelor.

Deci, definiția: forajul prin principiul rotativ este o metodă de dezvoltare a sondei în care forța asupra sapei din talpă este transmisă de la rotitorul rotativ prin coloana de lucru. Aceasta se asamblează din prăjini – țevi de oțel înguste, care se unesc succesiv una de alta pe măsură ce se adâncește în pământ.

În schimb, la curățarea trunchiului lucrării și a talpii de noroi se folosește apă trimisă sub presiune. Datorită acestei soluții, nu este necesară dezasamblarea și reasamblarea constantă a coloanei de foraj pentru extragerea carotelor, ca în forajul cu carotieră.

Lichidul injectat în lucrare rezolvă imediat două sarcini importante: eliberează calea echipajului de foraj pentru efectuarea lucrărilor ulterioare și efectuează spălarea sondei, necesară pentru pregătirea captării de apă pentru exploatare.

Avantajele tehnologiei rotative

Care sunt avantajele forajului rotativ față de posibilele alternative? Sunt mai multe.

În primul rând, folosind o sapă rotativă, se pot crea sonde de diametru mare, care vor putea satisface pe deplin nevoile de apă ale mai multor gospodării simultan.

Nu este un secret că forajul este un proces costisitor: necesită echipamente specializate, iar procesul trebuie controlat și gestionat de foratori experimentați. În cele din urmă, activitatea legată de forarea sondelor este licențiată. De aici și prețul său ridicat.

Datorită formei și construcției sale, sapa la forajul rotativ poate forma sonde cu un diametru mult mai mare decât burghiele elicoidale și tubul carotier

Asocierea mai multor gospodării pentru finanțarea unei singure sonde comune pentru parcele adiacente – o întreprindere economic avantajoasă. Dar pentru aceasta este necesar un debit semnificativ. În majoritatea cazurilor, acviferele din depozitele cuaternare (nisipuri) nu pot asigura acest lucru.

Desigur, pentru exploatarea colectivă, este mai bine să amplasați lucrarea de captare a apei pe calcar. Apele subterane extrase din acesta se caracterizează printr-o abundență și puritate mai mari. Debitul sondelor pe calcar nu este influențat în niciun fel de cantitatea de precipitații căzute. Ceea ce nu se poate spune despre sondele pe nisip.

În al doilea rând, conving costurile energetice relativ mici. Elementul de lucru în forajul rotativ este dalta. Dar, spre deosebire de forajul cu melc și forajul carotier, unealta de foraj nu interacționează cu pereții sondei forate.

Adică, doar dalta contactează direct solul, a cărei înălțime este neglijabil de mică în raport cu înălțimea întregii coloane de foraj. Prin urmare, această metodă de formare a sondelor este cea mai rapidă – până la 1000 de metri liniari pe lună!

În al treilea rând, profunzimea forajului atrage clienții colectivi. Numai prin metoda rotativă se poate fora o sondă adâncită în roci metamorfice și magmatice de bază, din ale căror fisuri se poate extrage apă, a cărei compoziție este cea mai potrivită pentru scopuri potabile.

Cel mai adesea, din lucrările de captare cu adâncime mai mică de 30 m se extrage doar apă tehnică. Compoziția sa este influențată de corpurile de apă din apropiere, de râurile pline de gunoi, de precipitațiile atmosferice și, pur și simplu, de lichidele tehnice vărsate pe sol. Melcul și tubul carotier vor ajuta la obținerea doar a unui astfel de captaj.

Întregul set de echipamente de foraj se montează ușor pe o singură platformă auto de capacitate medie. Acest lucru face ca procesul de foraj rotativ să fie mult mai tehnologic și, implicit, mai ieftin.

Mai mult, forajul rotativ permite parcurgerea excavației la adâncimea maximă fără a trece la o altă metodă de foraj. La dezvoltarea unei sonde cu melcul, de exemplu, în caz de necesitate de a fora un bolovan, se recurge la metoda cu cablu de percuție.

Pentru aceasta, se extrage trenul de foraj cu melc din trunchiul sondei și se aruncă dalta pe talpă până când bolovanul este spart. Apoi, talpa se curăță cu o lingură de foraj. Se folosește de aceasta atunci când este necesar să se aducă la suprafață nisipul saturat cu apă, care în mod obișnuit nu se reține în tubul carotier.

Practica arată că sondele forate prin metoda rotativă au o durată de exploatare mai lungă. Din punct de vedere tehnologic, acest lucru se explică prin faptul că, după instalarea coloanei de tubaj, care formează pereții sondei, spațiul anular este consolidat suplimentar.

Echipamentul pentru amenajarea puțului

La început, la suprafață, deasupra sondei, se instalează o consolă verticală pentru fixarea ulterioară a verigilor verticale ale coloanei de lucru. Prima verigă a acestui arbore de foraj este echipată cu elementul de lucru – dalta, care poate avea diferite formate, în funcție de categoria de forabilitate a rocii.

Desigur, pentru forajul sondelor acvifere se utilizează echipamente mai compacte, iar formarea turnului menționat, de regulă, nu este necesară.

Set de instrumente de foraj

La adâncirea primei verigi, a lumânării, următoarea, numită bară, se așază pe ea și așa mai departe. Lungimea fiecărui astfel de bloc de țevi poate varia între 20 și 50 m. Pentru a simplifica formarea coloanei de lucru, fiecare bară este echipată cu un filet conic cu încuietoare.

În final, se formează un ansamblu de foraj, care constă din:

• burghiu de lucru;
• bară de ghidare;
• coloană de bare obișnuite, conectate între ele prin mufe.

Susținerea coloanei de lucru se realizează cu ajutorul unui cap de foraj, a cărui rotație este produsă de un rotor. În funcție de adâncimea la care se intenționează forarea, precum și de proprietățile fizico-mecanice ale solului, pentru formarea verigii principale se folosesc bare standard sau bare grele.

Bara de ghidare, de regulă, este o țeavă grea, deoarece i se atribuie o misiune tehnologică importantă. Prin ea, în talpă și la burghiu, ajunge fluidul de spălare, a cărui sarcină este de a spăla roca sfărâmată. Și acest lucru, la rândul său, impune cerințe asupra îmbinărilor prin mufe, a căror sarcină este etanșarea conexiunilor dintre verigi.

Nu trebuie uitat că presiunea lichidului depinde direct de înălțimea coloanei formate (și nu depinde de secțiunea transversală a țevii). În acest caz, chiar dacă se utilizează apă ca fluid de spălare, la fiecare 10 metri presiunea va crește cu 1 atmosferă.

Pentru comparație, merită să dăm un exemplu. Presiunea de lucru în rețeaua de conducte casnice dintr-o casă este de 10 atmosfere, iar cele mai rezistente țevi sunt proiectate pentru o presiune de 20 de atmosfere.

Numai că sistemele casnice sunt staționare și nu se mișcă, în timp ce asupra barei de ghidare se exercită o presiune egală cu greutatea coloanei de foraj. Și aceasta, la rândul său, trebuie să transmită momentul de rotație și forța către burghiu.

Mufele sunt cele mai critice elemente ale barei, deoarece tocmai asupra lor revine greutatea întregii părți inferioare a barei adiacente, precum și sarcina din vibrațiile dinamice și mișcarea de rotație transmisă de motor.

Mufelor, ca elemente constructive ale coloanei de foraj, li se impun următoarele cerințe:

• trebuie să asigure etanșeitatea îmbinării barelor și să reziste la o presiune a lichidului de până la 100 de atmosfere (pentru curățarea tălpii cu un jet sub presiune);
• trebuie să fie rezistente la uzură, pentru a nu se deteriora la frecarea de pereții sondei;
• trebuie să aibă capacitatea de a transmite momentul de rotație de la partea superioară a coloanei de lucru la partea inferioară și, în cele din urmă, la burghiu.

Este extrem de important ca mufele să aibă calitatea corespunzătoare de execuție. Dacă cel puțin una dintre ele nu suportă sarcina și coloana de lucru este ruptă, atunci scoaterea părții inferioare a acesteia împreună cu burghiul va fi extrem de dificilă. În ceea ce privește costurile de capital, uneori este mai simplu să forați o sondă nouă în apropiere, decât să recuperați bara de ghidare desprinsă.

Utilizarea apei în timpul forajului

Lichidul care este alimentat la talpă este, de cele mai multe ori, apă obișnuită. Uneori, pentru a stabiliza coloana care traversează roci afânate necoezive (nisipuri, pietriș, depozite de pietriș și bolovăniș), în sondă se introduce o soluție cu aditivi de foraj. Este necesar, deoarece tubajul nu se instalează în primele etape de săpare.

Apa pătrunde în excavație fie sub presiune în interiorul prăjinii de antrenare (și atunci pompare are loc prin spațiul anular), fie prin curgere gravitațională în jos prin spațiul anular, iar eliminarea se face prin coloana de lucru cu o pompă de extracție.

Acestea sunt 2 tehnologii diferite de foraj rotativ, ale căror particularități vor fi analizate mai jos.

Forajul rotativ se caracterizează prin cea mai mare viteză de dezvoltare a unei sonde de captare a apei. Concomitent cu forajul se realizează spălarea coloanei și pregătirea excavației pentru exploatarea viitoare.

Oricare ar fi metoda aplicată, fluidul utilizat în foraj pretutindeni necesită purificare (pentru utilizare ulterioară).

În acest scop se utilizează următorul complex de echipamente:

• Bazinul pentru depozitarea fluidului de foraj. (Dacă se planifică forarea unei sonde de mică adâncime – de ordinul a câteva zeci de metri, se poate amenaja direct în pământ, iar ca fluid de spălare se folosește apă obișnuită). Bazinul joacă rolul de acumulator pentru fluidul de spălare.
• Site vibrant. Fluidul de spălare ridicat din sondă poartă particule de rocă sfărâmată, care trebuie îndepărtate. Cel mai eficient mod este cel mecanic, prin utilizarea sitului vibrant.
• Decantor. După îndepărtarea particulelor mari de rocă, fluidul ajunge în decantor pentru a scăpa de particulele în suspensie care precipită. La utilizarea apei ca fluid de spălare, decantorul este uneori construit direct în pământ. În plus, pentru separarea substanțelor lichide și separarea sedimentului se utilizează hidrociclonul.
• Pompă de foraj. Tocmai aceasta asigură circulația fluidului de spălare.
• Sistem de jgheaburi. Acestea sunt necesare pentru deplasarea apei de la punctul de formare a excavației la locul de purificare.

În total, pentru dezvoltarea unei sonde prin tehnologia rotativă sunt necesare următoarele mecanisme și echipamente:

1. Turn sau consolă pentru asamblarea coloanei de foraj din prăjini și dezasamblarea acesteia la finalizarea forajului, precum și sistemul de talie.
2. Motor care asigură rotația rotorului.
3. Echipament pentru fluid. Mecanisme și dispozitive pentru asigurarea circulației fluidului de spălare și purificarea acestuia (pompă; site vibrant; decantoare și/sau hidrociclon; bazin pentru depozitarea fluidului de spălare; sistem de țevi și jgheaburi).

Pentru forarea cu metoda rotativă a puțurilor de mică adâncime, întregul set de echipamente enumerate este foarte compact (de exemplu, brațul consolei este pliabil). Aceasta asigură ușurința amplasării echipamentului de foraj în orice loc convenabil pentru efectuarea lucrărilor de foraj și exploatare ulterioară.

Două variante de foraj rotativ

În funcție de metoda de alimentare a fluidului de spălare în fundul găurii, se disting 2 tipuri de tehnologie de foraj rotativ:

1. cu alimentare directă;
2. cu alimentare inversă.

Trebuie remarcat faptul că fluidul alimentat în fundul găurii este destinat nu numai pentru spălarea și eliminarea rocii sfărâmate. De asemenea, răcește dalta, care se încălzește puternic prin frecare. În cazul alimentării directe, pompa creează o presiune excesivă a acestuia.

Apa intră în fundul găurii prin orificiile tehnologice din dalta, «preia» roca sfărâmată și apoi, prin gravitație, prin puț (adică prin spațiul dintre țeavă și peretele puțului în raport cu tija de antrenare) ajunge la suprafață, unde intră în complexul de curățare (sită vibratoare, hidrociclon).

Spălarea poate fi directă sau inversă, de care vor depinde caracteristicile calitative ale echipamentului utilizat, dar schema de principiu este valabilă pentru ambele variante ale tehnologiei.

Tehnologia de alimentare inversă presupune că fluidul de spălare ajunge la fundul găurii prin gravitație, coborând prin puț, iar înapoi la suprafață, soluția cu material sfărâmat ajunge prin țeava tijei de antrenare. Pompa de foraj în acest caz creează o presiune negativă tocmai în aceasta.

În ciuda simplității aparente a ambelor tehnologii, există mult mai multe nuanțe decât pare la prima vedere. Prin urmare, se consideră oportun să ne oprim asupra fiecăreia dintre tehnologiile de foraj menționate mai detaliat.

Foraj cu alimentare directă a fluidului de spălare

Această tehnologie este uneori numită «curent direct de apă». Este recomandabil să fie utilizată în soluri nisipoase, pietrișoase, de piatră spartă. De asemenea, se aplică dacă adâncimea stratului acvifer nu depășește 30 m. Tocmai aici se adaugă în fluid aditivi care îi măresc densitatea și stabilitatea coloanei.

Forajul rotativ se caracterizează prin reducerea treptată a diametrului puțului realizat. Cu alte cuvinte, mai întâi se forează puțul cu cel mai mare diametru, apoi acesta este îmbrăcat cu o țeavă de tubaj, iar spațiul inelar dintre suprafața exterioară a țevii și peretele puțului, prin orificiile tehnologice, se umple cu mortar de ciment.

În continuare, forajul se realizează cu o sapă de dimensiuni mai mici. Apoi se face din nou tubajul, iar noul sector are un diametru și mai mic, ș.a.m.d. Cu cât este mai rar nevoia de a „întrerupe” forajul pentru cimentarea sondei, cu atât productivitatea forajului este mai mare, ceea ce se reflectă în costul total al procesului și al sondei în ansamblu.

În plus, tubajul prea frecvent duce în cele din urmă la o reducere semnificativă a diametrului efectiv al sondei (diametrul care deschide stratul acvifer). Astfel, „curgerea directă” se caracterizează prin faptul că, în acest mod de formare, sonda poate să nu fie tubată până la 100 de metri.

Presiunea principală a fluidului de spălare este creată de pompa din interiorul tijei de antrenare, iar spațiul anular este umplut prin curgere gravitațională de fluidul cu elemente de rocă sfărâmată, fără a distruge pereții sondei prin presiune excesivă.

Schema forajului cu alimentare directă a fluidului de spălare. Alimentarea acestuia în talpă se face prin țeava tijei de antrenare, iar la suprafață se ridică prin curgere gravitațională.

Cu toate acestea, această metodă de foraj are și dezavantaje. În special, un sector prea lung netubat duce la pătrunderea particulelor fine de argilă în orizonturile acvifere, ceea ce poate reduce și încetini semnificativ debitul de apă în sonda din stratul acvifer.

Aceste particule joacă rolul unor dopuri ale porilor și microcanalelor din rocă, prin care se infiltrează apa. Prin urmare, procedura de tubaj efectuată în timpul forajului este necesară pentru menținerea productivității ulterioare a sondei în ansamblu.

Foraj cu alimentare inversă a fluidului de spălare

În această metodă de gestionare a alimentării cu fluid, coloana și talpa sondei se curăță cel mai bine. Pompa aici nu împinge fluidul în talpă, ci dimpotrivă – îl aspiră înapoi, iar acest lucru duce la o creștere a vitezei de formare a sondei cu sapa cu un ordin de mărime și chiar de câteva ori în comparație cu spălarea directă.

Sonda în sine nu este supusă contaminării cu incluziuni argiloase aduse de fluxul fluidului de spălare. La urma urmei, pompa aspiră la suprafață tot ce poate conține. Apropo, aici nu mai există niciun sens practic în aditivi suplimentari, așa că drept fluid de spălare se utilizează apă curată.

Schema spălării inverse la forajul rotativ. Alimentarea se face prin curgere gravitațională prin spațiul anular, iar înapoi, nămolul este extras de pompă prin țeava tijei de antrenare.

Așadar, să rezumăm avantajele forajului cu curgere inversă a apei:

• viteza de foraj crește (în comparație cu curgerea directă a apei) de până la 15 ori;
• acviferul nu este înfundat cu particule argiloase și nisipuri prafoase din nivelele inferioare, încă neîntubate ale sondei;
• datorită deschiderii calitative a acviferului, sonda nu necesită pregătire suplimentară pentru exploatare, putând instala imediat coloana interioară de tubaj cu filtru și porni pomparea cu pompa;
• ca fluid de lucru se utilizează apă simplă (deci și ieftină).

Cu toate acestea, această metodă prezintă și un dezavantaj semnificativ. Necesită utilizarea unor echipamente costisitoare, ceea ce duce în final la o scumpire considerabilă a întregului proces de forare.

De aceea, forarea cu «circulație inversă» se realizează numai în cazurile în care sonda este destinată exploatării de către mai multe gospodării. În cazul în care sonda este destinată exploatării individuale, este mult mai rațional să se utilizeze tehnologia de forare rotativă cu circulație directă.

Concluzii și material video util pe această temă

Video #1. Demonstrație vizuală a procesului de forare rotativă pas cu pas:

Video #2. Analiza tehnologiei rotative și a principiilor de amenajare a sondei:

Video #3. Circulația apei în timpul forării rotative:

Situația privind prezența și adâncimea acviferelor poate varia mult de la un loc la altul (iar în unele locuri nu există deloc, ca pe insula Madeira).

La proiectarea sondei și alegerea metodei optime de forare rotativă, trebuie utilizate hărțile existente ale acviferelor explorate. Acest lucru vă va ajuta să economisiți resurse și timp considerabile.

Povestiți-ne despre experiența dumneavoastră în dezvoltarea unei sonde prin tehnologia rotativă. Împărtășiți nuanțele tehnologice care vor fi utile vizitatorilor site-ului. Vă rugăm să lăsați comentarii în formularul de mai jos, să încărcați fotografii și să adresați întrebări pe tema articolului.