Metody wiercenia studni: zasady technologiczne i cechy głównych metod

Budowa studni ujęcia wody wiąże się z zastosowaniem różnych metod wiercenia. Gleby luźne i nasycone wodą usuwamy za pomocą ubijaka. Do wiercenia w formacjach ilastych i skalnych stosuje się metody wiercenia studni oparte na zasadzie rotacji i wibracji.

W pracy wykorzystywane są mechanizmy umożliwiające zagospodarowanie gleb różnego typu i na różnych głębokościach. Podpowiemy Ci, jak wybrać optymalną technologię wiercenia, która pozwoli szybko i bezbłędnie wykonać wykop pod urządzenie poboru wody.

Aby wizualnie zaprezentować oferowane przez nas informacje, tekst uzupełniono przydatnymi diagramami, zbiorami zdjęć i tutorialami wideo.

Rodzaje metod wiercenia

Wcześniej wiercono studnie wodonośne na własny użytek ręcznie. Był to proces pracochłonny i długotrwały, dlatego nie każdy właściciel działki czy domku mógł pochwalić się posiadaniem własnego źródła zaopatrzenia w wodę.

Stopniowo wiercenie zmechanizowane zastąpiło metody ręczne ze względu na znaczne ułatwienie i przyspieszenie procesu.

Obecnie prawie wszystkie studnie wodonośne wiercone są metodą zmechanizowaną, która polega na niszczeniu gleby, dostarczaniu jej na powierzchnię na jeden z dwóch sposobów: suchym, gdy odpady są usuwane ze studni za pomocą mechanizmów oraz hydraulicznym, gdy jest wypłukiwany wodą dostarczaną pod ciśnieniem lub grawitacyjnie.

Istnieją trzy główne metody wiercenia mechanicznego:

• Rotacyjny (gleba rozwija się przez rotację).
• Zaszokować (pocisk wiertniczy niszczy ziemię uderzeniami).
• Wibrujący (gleba jest rozwijana przez wibracje o wysokiej częstotliwości).

Metoda rotacyjna jest uważana za najbardziej produktywną, 3-5 razy wydajniejszą niż metoda uderzeniowa i 5-10 razy bardziej wydajną niż metoda wibracyjna. Ponadto metoda rotacyjna jest najtańsza i dostępna, często jest stosowana jako główna metoda wiercenia ręcznego.

Mechaniczne, rotacyjne metody wiercenia studni zastąpiły nieskuteczne metody ręczne

Z kolei metoda wiercenia obrotowego, szeroko stosowana do budowy studni wodnych, dzieli się na cztery główne rodzaje wiercenia:

• rdzeń;
• śruba;
• lina uderzeniowa;
• obrotowy.

Każdy rodzaj wiercenia obrotowego ma swoją własną charakterystykę i jest wykonywany za pomocą sprzętu specjalnie zaprojektowanego do tego celu. Przyjrzyjmy się bardziej szczegółowo tym rodzajom wierceń, określmy, jakie są ich różnice i jaką metodę należy zastosować w każdym konkretnym przypadku.

Specyfika wierceń rdzeniowych

Wiercenie rdzeniowe to mechaniczna metoda rotacyjna, podczas której wydobywa się glebę gliniastą lub gęstą piaszczystą w postaci cylindrycznego rdzenia. Wiertło rdzeniowe to grubościenna rura metalowa.

W górnej części wiertnicy rdzeniowej znajduje się urządzenie do mocowania żerdzi niezbędnych do przedłużenia przewodu wiertniczego. Poniżej znajduje się korona, której rodzaj dobiera się w zależności od kategorii wierconej gleby.

Podczas jazdy metodą rdzeniową gleba jest niszczona przez koronę w kształcie pierścienia. Wewnętrzna część rdzenia zachowała się w nieuszkodzonym stanie. Aby ułatwić proces wiercenia w twardych i półstałych iłach, iłach i skałach, do dolnego otworu doprowadzana jest płuczka wiertnicza.

Podczas wiercenia rdzeniowego gleba nie ulega zniszczeniu, lecz zostaje „przewiercona” koroną i przechwycona przez rurę rdzeniową. Wywiercona skała wydobywana jest na powierzchnię w postaci rdzenia – monolitycznej cylindrycznej kolumny skały

Szlam z przodka czasami usuwa się metodą płukania – wtłaczając do szybu kopalni dużą ilość wody. Najczęściej płukanie zastępuje się przedmuchem sprężonym powietrzem dostarczanym przez sprężarkę umieszczoną w rurze.Ten rodzaj wierceń pozwala na wiercenie studni o głębokości do 1000 metrów i średnicy od 8 do 20 cm.

Wiercenia mechaniczne rdzeniowe wykonujemy przy użyciu wiertnic typu ZIF, UGB, UKB, montowanych na pojazdach typu KAMAZ, KrAZ, skiderach itp. W wersji dla wiercenie ręczne Rura rdzeniowa jest skrócona i nazywana dzwonem lub szkłem. Rura rdzeniowa jest strukturalnie podobna do ostatniego, odwróconego przedmiotu gospodarstwa domowego.

Wiercenie rdzeniowe stosuje się w następujących przypadkach:

• geologiczne poszukiwania surowców mineralnych;
• wiercenie studni poszukiwawczych;
• budowa studni wodonośnych o dowolnej głębokości, w tym studni bezfiltrowych w skałach.

Dla urządzenia prywatne studnie w niektórych przypadkach metodę rdzeniową stosuje się przed rozpoczęciem wierceń ślimakowych lub obrotowych, pełniąc jednocześnie rolę poszukiwawczą i przygotowawczą.

Przy budowie studni prywatnych wiercenie rdzeniowe stosuje się w połączeniu z wierceniem udarowym. Warstwy gliny przepuszczane są przez rurę rdzeniową. Luźne piaski, żwiry i otoczaki z wypełniaczem piaskowym, które nie pozostają w rurze rdzeniowej, usuwane są z szybu poprzez zhelonizację.

Pod względem wydajności metoda rdzeniowa jest nieco gorsza od metody ślimakowej wiercenia studni ujęcia wody. Świder wierci szybciej, ale nie pozwala na całkowite uwolnienie wału od przewierconej skały. Rzadko używa się ich w parach. A jeśli tak się stanie, to pierwsze kilka metrów zostanie pokryte ślimakiem.

Korony nie niszczą gleby, ale ostrożnie przecinają ją na obwodzie, tworząc „kolumny” - rdzenie, badając, które można utworzyć sekcję hydrologiczną terenu

Używany sprzęt i narzędzia

Do wiercenia rdzeniowego stosowane są następujące narzędzia:

• wiertła wykonane z diamentu lub innego materiału węglikowego (stal, wolfram, pobedit);
• rura rdzeniowa;
• rura do usuwania osadu;
• pręty potrzebne do przedłużenia przewodu wiertniczego;
• złącza złączne, adaptery pomiędzy rurami, dławik płuczący.

Podczas wiercenia w formacjach skalnych wiertło szybko się zużywa i należy je wymienić. Materiał korony jest drogi i wytrzymuje ogromne obciążenia, najbardziej rozpowszechnione są opcje wiercenia diamentowego.

Wszystkie narzędzia używane podczas wiercenia muszą być wyrównane, tj. znajdować się dokładnie względem osi wiercenia.

Technologia wiercenia rdzeniowego

Główną cechą wierceń rdzeniowych jest przejście skały z jej całkowitym zachowaniem w rurze rdzeniowej. Te. Podczas pracy sprzętu wiertniczego korona niszczy ziemię w pierścieniu, który w miarę zagłębiania się jest wciskany w rurę rdzeniową i utrzymywany w niej dzięki własnej gęstości.

Podczas usuwania napełnionej rury z szybu kopalni, uwalnia się ją z rdzenia poprzez ostukanie młotem.

Proces wiercenia rdzeniowego krok po kroku wygląda następująco:

• wiertło jest połączone z rurą rdzeniową;
• rura rdzeniowa jest połączona z prętami, które zwiększają się w miarę pogłębiania;
• górny pręt jest zamocowany w platformie wiertniczej;
• wiertarka obraca przewód wiertniczy i stopniowo „wkręca” go w ziemię;
• rura rdzeniowa jest stopniowo wypełniana rdzeniem - gleba zakleszcza się w jej zagłębieniu;
• po wierceniu 50 - 70 cm przewód wiertniczy wyciąga się na powierzchnię, żerdzie kolejno odłącza się, aż do usunięcia rdzenia;
• rura jest wolna od wywierconej skały;
• opróżniony pocisk ponownie opuszcza się na dno, przedłużając przewód wiertniczy za pomocą prętów.

Czynności prowadzi się w opisanej kolejności, aż odwiert przeniknie do warstwy wodonośnej i wniknie na głębokość 50 cm w znajdującą się pod spodem wodoodporną skałę.

Jeśli celem wykopów nie jest mocowanie górnej warstwy wodonośnej, można to zrobić w górnych warstwach wiercić z płukaniem. W tym przypadku pompa rozprowadza roztwór płuczący przez wąż do rur. Roztwór następnie wydobywa wydobytą ziemię na powierzchnię.

Jeżeli celem budowy studni nie jest warstwa wodonośna w osadach piaszczystych, wiercenie do skał można prowadzić z płukaniem

Mocne zalety i wady

W porównaniu do metod wiercenia mechanicznego udarowo-linowego i obrotowego, wiercenie rdzeniowe przebiega dość szybko, co znacznie skraca czas pracy. Jego główną wadą jest brak możliwości podnoszenia luźnej gleby i kamyków nasyconych wodą. Porusza się powoli w skałach, wymagając dłuta do penetracji głazów.

Zalety wiercenia rdzeniowego obejmują:

• wysoka produktywność i możliwość wiercenia studni o głębokości ponad 100 m;
• zmniejszenie obciążeń urządzeń wiertniczych na skutek zniszczenia skały ilastej, porównywalne z jej wycięciem;
• możliwość zastosowania mobilnej wiertnicy o kompaktowych wymiarach.

Wiercenia rdzeniowe są jedną z najszybszych metod zagospodarowania wyrobisk ujęcia wody. Za jego pomocą można wywiercić studnię piaskową w ciągu jednego dnia roboczego. W budowie ręczne pobieranie wody zajmie znacznie więcej czasu.

Cechy wiercenia ślimakowego

Ten rodzaj wierceń jest dziś najczęściej stosowany przy budowie studni wodonośnych w prywatnych gospodarstwach domowych. Szczególną cechą wierceń ślimakowych jest to, że wydobywana skała jest całkowicie usuwana z miejsca odwiertu bez użycia dodatkowego sprzętu. Metoda przypomina wkręcanie i pozwala na dowiercenie się do odpowiedniej głębokości i jednoczesne usunięcie niepotrzebnego gruntu.

Narzędzie używane do wiercenia nazywa się świdrem. Jest to metalowy pręt z ostrzami. Wkręcając się w ziemię, ślimak niszczy skałę zalegającą na jego ostrzach. Ze względu na specyficzną konstrukcję ślimaka, nie jest możliwe całkowite uwolnienie przodka z wysypu. Dlatego stosuje się go głównie do penetracji górnych warstw.

Wiercenie świdrem jest metodą szybką i niedrogą, niewymagającą organizowania zbiornika na płyn płuczący

Wiercenie świdrem nie wymaga dużego wysiłku i kosztów finansowych, dlatego zakres stosowania tej metody jest dość szeroki: odwierty poszukiwawcze geologiczne, układanie komunikacji, budowa studni wierconych i częściowo wiercenie w wodzie.

Obecnie jest aktywnie wykorzystywany do budowy studni abisyńskich, aby nie całkowicie wbić igłę w gęsty grunt, ale nieco ułatwić proces zanurzenia szybu w wcześniej zniszczoną skałę.

Metoda ta nadaje się do wykonywania studni wodonośnych o głębokości do 30 m na glebach miękkich i sypkich oraz do 20 m na glebach średniogęstych. Po wierceniu świdrem i zamontowaniu obudowy należy oczyścić odwiert z niewydobytej skały za pomocą tłoka.

Ślimak absolutnie nie nadaje się do pracy w obszarach skalistych! Służy do częściowego wiercenia studni do 120 m, przy czym metoda ta jest łączona z innymi: obrotowymi, udarowymi, rdzeniowymi.

Zaangażowany sprzęt i narzędzia

Wiercenie ślimakowe odbywa się za pomocą wiertnicy, której głównym elementem jest narzędzie wiertnicze typu śrubowego wykonane z metalu o dużej wytrzymałości. W miarę zagłębiania się przewód wiertniczy jest rozszerzany za pomocą ślimaków o jednakowej wielkości.

W zestawie czasami znajdują się bity łopatkowe, które są niezbędne do przejścia luźnych skał, a także bity z główkami okrągłymi lub stożkowymi, stosowane do zagospodarowywania twardych skał.

Wiertnica oparta na pojeździe wyposażonym w mocny silnik to najlepsza opcja do wiercenia w trudno dostępnych i odległych miejscach

Większość nowoczesnych wiertnic wyposażona jest w wydrążone zespoły wyposażone w odwracalne blokady, które zapobiegają przemieszczaniu się narzędzia w przeciwnym kierunku.

Podczas wiercenia części tnące świdra są chłodzone przez rozwiniętą glebę, a rozwinięta skała unosi się spiralnie. Pozwala to na prowadzenie wierceń bez przestojów, znacznie redukując czas i koszty energii wykonania studni wodonośnej.

Technologia wiercenia ślimakowego

Po zakończeniu penetracji, której głębokość wynosi 1,5 - 2,0 m, świder jest usuwany i obudowa. Średnica studni czerpalnej wierconej świdrem wynosi 50 - 200 mm i zależy od wielkości użytego narzędzia.

Zawaleniu się ścian studni zapobiegają rury osłonowe. Jest to szczególnie ważne w przypadku gruntów sypkich, niespoistych, dlatego wiertnicy kierują się zasadą: przy wierceniu glin ił piaszczystych należy używać świderów z ostrzami ustawionymi pod kątem 30 - 60°, a przy wierceniu piasku gęstego narzędzi z ostrzami ustawionymi pod kątem o 90°.

Przy mniejszym nachyleniu zwojów spirali świdra, większa część odłączonego zrzutu jest wynoszona przez świder na powierzchnię.

Wiercenie ślimakowe nie wymaga użycia płuczki wiertniczej, skała wytworzona za pomocą świdra wynoszona jest na powierzchnię na ostrzach narzędzia

Plusy i minusy używania świdra

Metoda wiercenia świdrowego pozwala na wykonanie studni tak szybko, jak to możliwe, pod warunkiem prawidłowego dobrania wielkości świdra i kąta nachylenia świdra.

Zalety wiercenia ślimakowego obejmują:

• gleba wypływa na powierzchnię natychmiast podczas wiercenia;
• duża prędkość zagłębiania się w ziemię bez przestojów technologicznych;
• nie ma potrzeby przepłukiwania odwiertu;
• do wiercenia wewnątrz domu (w piwnicy) można zastosować kompaktowy świder lub świder ręczny;
• nie ma konieczności podnoszenia pierwszego ogniwa na powierzchnię i demontażu/montażu przewodu wiertniczego jak w przypadku metody rdzeniowej.

Za główną wadę wiercenia ślimakowego można uznać brak możliwości pracy na glebach luźnych i bardzo twardych, ale jednocześnie świder jest idealnym narzędziem do wiercenia na glebach gliniastych, mieszanych (glina i glina piaszczysta) oraz miękkich gliniastych.

Kolejną wadą ograniczającą zastosowanie świdra do budowy studni wodonośnych jest konieczność stosowania metody uderzeniowej do oczyszczania szybu z zwałowanej skały.

Podobieństwo ślimak - cewka Szeroko stosowany w wierceniu ręcznym. W ten sam sposób niszczy skałę i chwyta ją ostrzami, aby wydobyć ją w górę.

Charakterystyka wiercenia obrotowego

Wiercenie obrotowe to metoda wiercenia rotacyjno-wibracyjnego, w której niszczenie gruntu odbywa się za pomocą wiertła wbijanego w dno studni przez wirnik wiertnicy. Wirnik obraca się z silnika samochodowego lub oddzielnie zainstalowanego silnika elektrycznego za pośrednictwem wału napędowego.

Powstałą glebę wypłukuje się z szybu studni za pomocą płukania bezpośredniego lub wstecznego. Roztwór płuczący może być dostarczany grawitacyjnie lub za pomocą przepompowni.

Większość studni artezyjskich wierci się metodą wiercenia obrotowego: za pomocą wiertła obracanego za pomocą rotora, a następnie przepłukiwania studni i mocowania rur osłonowych.

Wiercenie obrotowe służy do zagospodarowania gruntów skalistych i półskalistych przy budowie studni głębinowych do 150 m. Wiertnica obrotowa z odpowiednio dobraną koronką i obciążonymi rurami wiertniczymi dobrze radzi sobie z formacjami skalnymi.

Eksperci od wiercenia zalecają stosowanie tej metody wiercenia pod następującymi warunkami:

1. Sekcja hydrogeologiczna terenu została dość dobrze zbadana. Wiadomo, że trzeba będzie przewiercić skały. Znany jest poziom występowania strefy wodonośnej w podłożu skalnym.
2. Wody gruntowe mają ciśnienie charakterystyczne dla studni artezyjskich
3. Istnieje możliwość nieprzerwanego dostarczania wody technicznej do płukania studni.

W regionach południowych wiercenia obrotowe można prowadzić przez cały rok, jednak w klimacie północnym stosowanie tej metody jest ograniczone ze względu na możliwość zamarznięcia płuczki wiertniczej.

Używany sprzęt i narzędzia

Wiercenie obrotowe studni wodonośnych odbywa się za pomocą ramy lub wieży kratowej, na której umieszczone są urządzenia dźwigowe i inne elementy wiertnicy. Wieża umożliwia podnoszenie i opuszczanie przewodów wiertniczych do studni.

Wiertnica obrotowa obejmuje:

• wieża ramowa lub kratowa;
• silnik napędowy;
• wirnik i przewód wiertniczy;
• urządzenia pompujące i układ oczyszczania cieczy płuczącej;
• urządzenia dźwigowe, przewody ciśnieniowe, obrotowe, uszczelki itp.

Wiertnice samobieżne wykorzystują silnik spalinowy pojazdu jako silnik, na bazie którego zlokalizowany jest kompleks wiertniczy. W tym przypadku moc silnika reguluje prędkość narzędzia wiertniczego.

Źródłem energii dla wiertnicy obrotowej może być stacjonarny lub mobilny silnik elektryczny, samochodowy silnik spalinowy lub generatory.

Wirnik za pomocą przekładni przekazuje obrót na rurę napędową, która z kolei przekazuje je na główne narzędzie wiertnicze – koronkę.Dłuto może mieć różne kształty i jest wykonane z materiałów o dużej wytrzymałości: kompozytów, stali diamentowanej itp.

Do każdego rodzaju gleby dobierany jest specjalny rozmiar i kształt świdra, zapewniając w ten sposób wysoką wydajność i szybkość penetracji.

Wyjątkowość technologii rotorowej

Wiercenie obrotowe studni wodnych odbywa się w trzech etapach:

1. Niszczenie skały za pomocą dłuta.
2. Wydobycie zniszczonej skały na powierzchnię za pomocą strumienia wtłaczanej wody.
3. Wzmocnienie ścian studni rurami osłonowymi.

Usuwanie zniszczonej gleby odbywa się poprzez mycie wsteczne lub bezpośrednie. Wybór metody płukania zależy od konkretnych warunków: głębokości studni, rodzaju gleby, dostępności wymaganej ilości wody płuczącej.

Z reguły gospodarstwa prywatne stosują technologię siewu bezpośredniego, która obejmuje następujące etapy:

• wbijanie w ziemię wiertła o dużej średnicy;
• obrót świdra pod wpływem wirnika;
• montaż rur wiertniczych i montaż rur obciążonych pomiędzy nimi a wiertłem;
• usuwanie gleby odpadowej pod ciśnieniem cieczy za pomocą pompy;
• montaż rury osłonowej zapobiegającej wpadaniu gleby do studni;
• wiercenie kawałkiem o mniejszej średnicy i powtarzanie całego cyklu.

Podczas płukania wstecznego gleba jest usuwana ze studni rurami przewodu wiertniczego, a płyn płuczący wlewa się pomiędzy ściany studni a rury.

Woda spływa grawitacyjnie do przygotowanego wcześniej zbiornika, gdzie zostaje oczyszczona z gleby i mułu, a następnie wraca do przewodu wiertniczego po nową porcję skały płonnej.

W niektórych przypadkach podczas wykonywania wierceń obrotowych nie stosuje się płukania bezpośredniego lub odwrotnego, lecz przedmuch powietrzem pod ciśnieniem wytworzonym za pomocą sprężarki

Zalety i wady wiercenia obrotowego

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

Ponadto ta metoda wiercenia ma następujące zalety:

• wysoka jakość otwarcia warstwy wodonośnej w podłożu skalnym;
• możliwość wykonania studni o dużej średnicy do 200 cm;
• duża prędkość wiercenia, niskie zużycie energii.

Istotną wadą wiercenia obrotowego jest konieczność zorganizowania płukania studni.

Jaką metodę wiercenia wybrać?

Wszystkie rozważane metody wiercenia mechanicznego są szeroko stosowane przy budowie studni wodonośnych.

Podsumowując, możemy powiedzieć, że:

1. Do penetracji plastycznych gleb gliniastych zaleca się wiercenie rdzeniowe.Metoda rdzeniowa nadaje się do budowy większości wyrobisk ujęcia wody, a w razie potrzeby stosuje się ją w połączeniu z metodą uderzeniową.
2. Wiercenie ślimakowe ma podobny zakres jak metoda rdzeniowa. Różni się od niego słabą jakością czyszczenia odwiertu i wymaga obowiązkowego użycia ubijaka lub długotrwałego płukania studni przed operacją.
3. Wiercenie obrotowe jest najlepszą opcją do wiercenia studni w glebach skalistych.

Koszt opracowania odwiertu przy użyciu określonej metody wiercenia w dużej mierze zależy od użytego sprzętu, a także od kategorii wiertliwości wierconych skał.

Prawidłowo wybrana metoda wiercenia studni pomoże nie tylko skrócić czas wiercenia, ale także pozwoli na bezproblemową obsługę źródła wody w przyszłości

Możesz przeczytać o tym, jak zrobić wiertnicę własnymi rękami w innym popularny artykuł nasza strona.

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Wideo nr 1. Wykazanie zasady klasycznego wiercenia rdzeniowego z ekstrakcją rdzenia za pomocą ciśnienia wody:

Wideo nr 2. Cechy wiercenia studni za pomocą świdra:

Wideo nr 3. Wiercenie rdzeniowe studni z płukaniem dna i montażem podwójnej obudowy, której część zewnętrzna wykonana jest z rur stalowych, a część wewnętrzna z polimeru:

Wiercenie studni wodonośnej jest procesem pracochłonnym. Od poprawności wybranej metody wiercenia zależy nie tylko szybkość ustawienia autonomicznego źródła wody, ale także koszty finansowe.

Pierwszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę przy wyborze metody wiercenia, jest rodzaj gleby i głębokość warstwy wodonośnej. Na podstawie tych parametrów możesz wybrać najlepszą opcję, która pozwoli szybko i niedrogo wywiercić studnię.

Chcesz podzielić się historią wiercenia studni na własnej posesji lub przydatnymi informacjami na temat artykułu? Proszę o pozostawienie komentarzy w bloku poniżej. Tutaj możesz zadać pytanie lub wskazać kontrowersyjne punkty w tekście.