Rotačné vŕtanie studní: prehľad technológie vŕtania a potrebného vybavenia

Ak nie je možné pripojiť vidiecky dom k centrálnemu vodovodu, je potrebné zorganizovať autonómny systém. Väčšina majiteľov uprednostňuje zriadiť ho na základe studne, pri ktorej výstavbe sa používajú rôzne metódy. Pozrieme sa na rotačné vŕtanie studní – veľmi perspektívnu, ale zatiaľ málo známu možnosť.

V nami navrhovanom článku sú podrobne opísané jemnosti rotačnej technológie a používané nástroje. Sú rozobraté výhody a nevýhody tejto metódy, predstavené spôsoby jej realizácie v praxi. Naše rady prispejú šetrným majiteľom súkromných pozemkov, ktorí chcú skontrolovať prácu vŕtačov.

Definícia rotačného vŕtania

Na začiatok si rozoberieme, čo vlastne predstavuje rotačné vŕtanie studní a aké sú jeho alternatívy? Za jeden z najbežnejších spôsobov zriadenia vodozberného diela sa zatiaľ považuje skrutkové vŕtanie.

Avšak skrutková technológia neumožňuje prejsť skalné podložie. Skrutkový vrták používaný pri skrutkovom vŕtaní nie je schopný rozdrviť vápenec. A predsa sa často stáva, že je potrebné navŕtať práve do neho, pretože nadložné vrstvy sa nevyznačujú stabilným a dostatočným prietokom na prevádzku.

Jadrová a skrutková vŕtacia technológia neposkytuje možnosť prejsť skalné horniny. V prípade zriadenia studne vo vápenci je efektívnejšie a ekonomickejšie použiť rotačnú metódu vŕtania.

Preto sa rotačná technológia, používaná skôr len v banskom priemysle, začala zavádzať do oblasti zriadenia súkromných vodozberných stavieb. Jej pracovným prvkom je vrtné dláto nachádzajúce sa v čelbe studne. Pomocou vrtného dláta sa rozrušujú súdržné a nesúdržné zeminy, drvia sa skalné podložie.

Odvoz rozdrvenej horniny sa uskutočňuje pomocou kvapaliny, ktorá je privádzaná k čelbe cez pracovnú kolónu alebo cez medzikružný priestor. Sú to 2 rôzne spôsoby vŕtania, každý z nich bude podrobne preskúmaný ďalej.

Priemer vrtného dláta presahuje priemer pracovnej kolóny, čo umožňuje:

• snížiť energetické náklady na celý proces vŕtania (výkon sa tu spotrebúva priamo len na otáčanie vrtáka so silou na dne vrtu a straty trením pracovnej kolóny o steny vrtu sú minimalizované);
• chrániť väčšinu prvkov pracovnej kolóny pred poškodením, ako aj steny vyvŕtaného vrtu pred zničením;
• vytvárať pôsobivé priemerom vrty (napríklad do 70 cm) pri mimoriadne pôsobivých hĺbkach.

Týmto spôsobom možno formovať vodonosné vrty s hĺbkou 300 a viac metrov, t.j. vŕtať vodozásobné diela na zásobovanie vodou záhradkárskych oblastí a osád.

Takže definícia: vŕtanie rotačným princípom je taký spôsob vývoja vrtu, pri ktorom sa sila na vrták na dne prenáša od rotačného otáčača cez pracovnú kolónu. Tá sa skladá z tyčí – úzkych oceľových rúr, ktoré sa pripájajú postupne jedna k druhej podľa prehlbovania do zeme.

Ale pri čistení telesa diela a dna od kalu sa používa voda pod tlakom. Vďaka takémuto riešeniu nie je potrebné neustále rozoberať a skladať vrtnú kolónu na vyťahovanie jadra ako pri jadrovom vŕtaní.

Vtláčaná kvapalina do diela rieši hneď dve dôležité úlohy: uvoľňuje cestu vŕtaciemu náradiu na vykonávanie ďalších prác a vykonáva preplach vrtu, potrebný na prípravu vodozáberu na prevádzku.

Výhody rotačnej technológie

V čom sú výhody práve rotačného vŕtania oproti možným alternatívam? Je ich niekoľko.

Po prvé, pomocou rotačného vrtáka možno vytvárať vrty veľkého priemeru, ktoré dokážu v plnom rozsahu uspokojiť potreby vody niekoľkých domácností naraz.

Nie je tajomstvom, že vŕtanie je nákladný proces: vyžaduje špecializované vybavenie a proces musia kontrolovať a riadiť skúsení vŕtači. Napokon, činnosť súvisiaca s vŕtaním vrtov je licencovaná. Odtiaľ pramení aj jeho vysoká cena.

Vďaka svojmu tvaru a konštrukcii môže vrták pri rotačnom vŕtaní vytvárať vrty oveľa väčšieho priemeru ako skrutkové vrtáky a jadrová rúra.

Spojenie niekoľkých domácností na financovanie jedného spoločného vrtu pre susedné pozemky – je ekonomicky výhodný podnik. Na to je však potrebný významný debit. Vo väčšine prípadov ho vodonosné horizonty kvartérnych sedimentov (pieskov) nedokážu zabezpečiť.

Prirodzene, pre kolektívnu prevádzku je lepšie umiestniť vodozáberné dielo na vápenec. Z neho extrahované podzemné vody sa vyznačujú väčšou vodnatosťou a čistotou. Na debit vrtov na vápenec nemá najmenší vplyv množstvo spadnutých zrážok. To sa nedá povedať o vrtoch na piesok.

Po druhé, presviedčajú pomerne nízke energetické náklady. Pracovným prvkom pri rotačnom vŕtaní je vrták. Na rozdiel od skrutkového a jadrového vŕtania vrtný nástroj neinteraguje so stenami vyvŕtanej studne.

To znamená, že priamo s pôdou prichádza do kontaktu iba vrták, ktorého výška je zanedbateľne malá v porovnaní s výškou celej vrtnej kolóny. V dôsledku toho je tento spôsob vytvárania studní najrýchlejší – až 1 000 bežných metrov za mesiac!

Po tretie, kolektívnych objednávateľov priťahuje hĺbka vŕtania. Iba rotačným spôsobom možno vyvŕtať studňu zahlbenú do materských metamorfovaných a magmatických hornín, z ktorých trhlín možno čerpať vodu, ktorej zloženie je najvhodnejšie na pitné účely.

Najčastejšie sa z odberných vrtov s hĺbkou menej ako 30 m čerpá len technická voda. Na jej zloženie vplývajú blízke vodné plochy, odpadkami znečistené rieky, zrážky a jednoducho technické kvapaliny rozliate na zem. Skrutkový a jadrový vrták pomôžu získať len takýto odber.

Celá sada vrtného zariadenia sa ľahko montuje na jednej automobilovej platforme strednej nosnosti. Výrazne to zvyšuje technologickú úroveň procesu rotačného vŕtania, a tým aj jeho nížšiu cenu.

Navyše, rotačné vŕtanie umožňuje prejsť vrt v celej hĺbke bez prepínania na inú metódu. Pri vytváraní studne skrutkou sa napríklad v prípade potreby vyvŕtať balvan prechádza na úderno-lanovú metódu.

Na to sa z kmeňa vyberie skrutkový nástroj a na dno sa hádže vrták, kým sa balvan nerozbije. Potom sa dno očistí žiabovou lyžicou. Tá sa používa aj vtedy, ak je potrebné vyniesť na povrch vodou nasýtý piesok, ktorý sa v jadrovej rúre jednoducho neudrží.

Prax ukazuje, že studne vŕtané rotačnou metódou majú dlhšiu životnosť. Technologicky sa to vysvetľuje tým, že po inštalácii pažnice, ktorá tvorí steny studne, sa medzirúrový priestor dodatočne spevňuje.

Zariadenie na zriadenie studne

Najprv sa na povrchu nad studňou nainštaluje vertikálna konzola na neskoršie upevnenie vertikálnych článkov pracovnej kolóny. Prvý článok tohto vrtného hriadeľa je vybavený pracovným prvkom – vrtákom, ktorý môže mať rôzny formát v závislosti od kategórie horniny podľa vŕtateľnosti.

Samozrejme, na vŕtanie vodonosných studní sa používa kompaktnejšie zariadenie a budovanie uvedenej veže spravidla nie je potrebné.

Súprava vŕtacích nástrojov

Pri prehĺbení prvého článku, sviečky, naňho sa nasadzuje ďalší, nazývaný tyč, a tak ďalej. Dĺžka každého takéhoto bloku z rúr sa môže pohybovať od 20 do 50 m. Pre zjednodušenie formovania pracovnej kolóny je každá tyč vybavená kužeľovým závitom so zámkom.

Výsledkom je vytvorený vrtný nástroj, ktorý pozostáva z:

• pracovného vrtáka;
• vodiacej tyče;
• kolóny radových tyčí, spojených medzi sebou spojkami.

Udržiavanie pracovnej kolóny sa uskutočňuje pomocou točne, ktorej otáčanie vykonáva rotor. V závislosti od toho, ako hlboko sa plánuje vŕtať, ako aj od fyzikálno-mechanických vlastností pôdy, sa na formovanie vodiaceho článku používajú štandardné alebo ťažké tyče.

Vodiaca tyč je spravidla ťažkou rúrou, pretože na ňu je vložená dôležitá technologická misia. Cez ňu do dna vrtu k vrtáku prúdi výplachový roztok, ktorého úlohou je vymývať rozdrvenú horninu. A to zase kladie požiadavky na spojkové spoje, ktorých úlohou je tesniť spoje medzi článkami.

Netreba zabúdať, že tlak kvapaliny priamo závisí od výšky formovaného stĺpca (a nezávisí od prierezu rúry). Pritom aj keď sa ako výplachový roztok používa voda, tak každých 10 metrov tlak stúpne o 1 atmosféru.

Pre porovnanie stojí uviesť príklad. Pracovný tlak v domovej potrubnej sieti v dome je 10 atmosfér, a najpevnejšie rúry sú dimenzované na tlak 20 atmosfér.

Lenže ak sú domové systémy stacionárne a nehýbu sa, tak na vodiacu tyč pôsobí tlak rovný hmotnosti vrtnej kolóny. A ona ešte musí prenášať rotačný impulz a silu na vrták.

Spojky sú najzodpovednejšie prvky tyče, pretože práve na ne pripadá hmotnosť celej spodnej časti susednej tyče, ako aj zaťaženie od dynamických kmitov a rotačného pohybu, ktorý je prenášaný motorom.

Na spojky ako konštrukčné prvky vrtnej kolóny sa kladú nasledujúce požiadavky, ktoré:

• musia zabezpečovať tesnosť spojenia tyčí a odolávať tlaku kvapaliny do 100 atmosfér (na čistenie dna vrtu tlakovým prúdom);
• musia byť odolné voči opotrebeniu, aby sa nestali nepoužiteľnými pri trení o steny vrtu;
• musia mať možnosť prenášať rotačný moment z hornej časti pracovnej kolóny na spodnú a nakoniec na vrták.

Je mimoriadne dôležité, aby spojky mali náležitú kvalitu prevedenia. Ak aspoň jedna z nich nevydrží zaťaženie a pracovná kolóna sa roztrhne, tak vybrať jej spodnú časť spolu s vrtákom bude veľmi ťažké. Z hľadiska kapitálových nákladov je niekedy jednoduchšie vyvŕtať nový vrt vedľa, ako vyberať uvoľnenú vodiacu tyč.

Použitie vody počas vŕtania

Kvapalina, ktorá sa privádza k čelu, je najčastejšie obyčajná voda. Niekedy sa na stabilizáciu vrtu prechádzajúceho sypkými nesúdržnými horninami (piesky, štrkovité, štrkovo-okruhliakové nánosy) do vrtu vháňa roztok s vrtnými prísadami. Je to potrebné, pretože pažnica sa neinštaluje v prvých fázach vŕtania.

Voda vstupuje do diela buď pod tlakom vnútri vodiacej tyče (a vtedy sa odčerpávanie uskutočňuje cez medzikružný priestor), alebo samospádom nadol cez medzikružný priestor, pričom odstránenie sa už uskutočňuje cez pracovnú kolónu odčerpávacím čerpadlom.

Sú to 2 rôzne technológie rotačného vŕtania, ktorých vlastnosti budú uvedené nižšie.

Rotačné vŕtanie sa vyznačuje najvyššou rýchlosťou budovania vodárenskej studne. Súčasne s vŕtaním sa vykonáva preplach vrtu a príprava diela na budúcu prevádzku.

Avšak bez ohľadu na to, ktorá metóda sa použije, všade používaná vrtná kvapalina vyžaduje čistenie (pre ďalšie použitie).

Na tento účel sa používa nasledujúci komplex zariadení:

• Zásobník na vrtný výplach. (Ak sa plánuje hĺbiť plytký vrt – v rámci niekoľkých desiatok možno ho zriadiť priamo v zemi a ako preplachovacia kvapalina sa používa obyčajná voda). Zásobník plní funkciu akumulátora pre preplachovaciu kvapalinu.
• Vibračné sito. Preplachovací roztok zdvíhaný z vrtu nesie častice rozdrvenej horniny, ktoré je potrebné odstrániť. Najúčinnejší spôsob je mechanický, s použitím vibračného sita.
• Usadzovacia nádrž. Po odstránení hrubých častíc horniny sa kvapalina dostane do usadzovacej nádrže, aby sa zbavila suspendovaných častíc, ktoré vypadávajú ako sediment. Pri použití vody ako preplachovacej kvapaliny sa usadzovacia nádrž tiež niekedy buduje priamo v zemi. Okrem toho sa na oddelenie kvapalných substancií a separáciu sedimentu používa hydrocyklón.
• Vrtné čerpadlo. Práve ono zabezpečuje cirkuláciu preplachovacieho roztoku.
• Systém žľabov. Sú potrebné na pohyb vody od miesta tvorby diela k miestu jeho čistenia.

Celkovo sú na budovanie vrtu rotačnou technológiou potrebné nasledujúce mechanizmy a zariadenia:

1. Veža alebo konzola na zostavenie vrtnej kolóny z tyčí a jej rozobratie po ukončení vŕtania, ako aj kladkostrojový systém.
2. Motor, zabezpečujúci otáčanie rotora.
3. Zariadenie pre kvapalinu. Mechanizmy a zariadenia na zabezpečenie cirkulácie preplachovacej kvapaliny a jej čistenie (čerpadlo; vibračné sito; usadzovacie nádrže a/alebo hydrocyklón; zásobník na preplachovaciu kvapalinu; systém rúr a žľabov).

Pre rotačné vŕtanie plytkých vrtov je celá uvedená súprava zariadení veľmi kompaktná (napríklad rameno konzoly je skladacie). To zabezpečuje jednoduchosť umiestnenia vŕtacieho zariadenia na akomkoľvek mieste vhodnom na vykonávanie vŕtacích prác a následnú prevádzku.

Dva varianty rotačného vŕtania

V závislosti od spôsobu prívodu výplachovej kvapaliny do dna vrtu rozlišujeme 2 typy technológie rotačného vŕtania:

1. s priamym prívodom;
2. so spätným prívodom.

Treba poznamenať, že kvapalina privádzaná do dna vrtu nie je určená len na preplachovanie a vynášanie drvenej horniny. Taktiež chladí vrtnú korunku, ktorá sa silne zahrieva trením. V prípade priameho prívodu kvapaliny čerpadlo vytvára jej nadmerný tlak.

Voda vstupuje do dna vrtu cez technologické otvory vo vrtnej korunke, „zachytáva“ rozdrvenú horninu a ďalej už samospádom po vrte (teda cez medzikružný priestor vzhľadom na vodiacu tyč) prúdi na povrch, kde sa dostáva do čistiaceho komplexu (vibračné sito, hydrocyklón).

Preplachovanie môže byť priame alebo spätné, od čoho budú závisieť kvalitatívne charakteristiky používaného zariadenia, ale principiálna schéma platí pre obe varianty technológie.

Technológia spätného prívodu znamená, že výplachová kvapalina prúdi k dnu vrtu samospádom, klesajúc cez vrt, zatiaľ čo späť na povrch roztok s rozdrveným materiálom prúdi už po rúre vodiacej tyče. Vrtné čerpadlo v tomto prípade vytvára podtlak práve v nej.

Napriek zdanlivej jednoduchosti oboch technológií je tu oveľa viac nuáns, ako by sa na prvý pohľad mohlo zdať. Preto sa javí účelné zastaviť sa pri každej z uvedených technológií vŕtania podrobnejšie.

Vŕtanie s priamym prívodom výplachovej kvapaliny

Túto technológiu niekedy nazývajú aj „priamy vodný tok“. Je vhodné ju používať v piesočnatých, štrkovitých, štrkovitých pôdach. Používa sa tiež, ak hĺbka vodonosnej vrstvy nepresahuje 30 m. Práve tu sa do kvapaliny pridávajú prísady, ktoré zvyšujú jej hustotu a stabilitu vrtu.

Rotačné vŕtanie je charakterizované postupným znižovaním priemeru vŕtaného vrtu. Inými slovami, najprv sa vŕta vrt najväčšieho priemeru, potom sa vystuží rúrou a medzikružný priestor medzi vonkajším povrchom rúry a stenou vrtu sa cez technologické otvory vyplní cementovou maltou.

Ďalej vŕtanie pokračuje už menším vrtákom. Potom opäť pažnica a nový úsek má ešte menší priemer atď. Čím menej často treba „odvádzať pozornosť“ na cementovanie vrtu, tým väčšia je produktivita vŕtania, čo sa v konečnom dôsledku prejaví na celkových nákladoch procesu a vrtu ako celku.

Okrem toho príliš častá pažnica nakoniec vedie k tomu, že efektívny priemer vrtu (priemer, ktorý odkrýva vodonosnú vrstvu) sa výrazne zníži. Takže „priamy vodný tok“ sa vyznačuje tým, že vrt pri tomto spôsobe jeho vytvárania nemusí byť pažený až do 100 metrov.

Hlavný tlak výplachovej kvapaliny vytvára čerpadlo vo vnútri vodiacej tyče a medzipažnicový priestor vyplňuje kvapalina s úlomkami horniny samospádom, bez ničenia stien vrtu nadmerným tlakom.

Schéma vŕtania s priamym prívodom výplachovej kvapaliny. Jej prívod do dna vrtu sa uskutočňuje rúrou vodiacej tyče a na povrch stúpa samospádom

Táto metóda vŕtania má však aj nevýhody. Konkrétne príliš dlhý nepažený úsek vedie k tomu, že do vodonosných horizontov prenikajú jemné ílové častice, čo môže výrazne znížiť a spomaliť prítok vody do vrtu z vodonosného súvrstvia.

Tieto častice tu zohrávajú úlohu akýchsi zátok pórov a mikrokanálov v hornine, cez ktoré presakuje voda. Preto je postup paženia vykonávaný počas vŕtania nevyhnutný na zachovanie ďalšej produktivity vrtu ako celku.

Vŕtanie so spätným prívodom výplachovej kvapaliny

Pri tomto spôsobe riadenia prívodu kvapaliny sa kmeň a dno vrtu čistia najlepšie. Čerpadlo tu kvapalinu do dna vrtu nevytláča, ale naopak – nasáva ju späť, čo vedie k tomu, že rýchlosť vytvárania vrtu vrtákom narastá o rád a ešte niekoľkonásobne v porovnaní s priamym výplachom.

Samotný vrt nie je vystavený znečisteniu ílovými primesami s prúdom dodávanej výplachovej kvapaliny. Veď čerpadlo nasáva hore všetko, čo sa v nej môže nachádzať. Mimochodom, tu už nie je žiadny praktický zmysel v ďalších prísadách, preto sa ako samotná výplachová kvapalina používa čistá voda.

Schéma spätného výplachu pri rotačnom vŕtaní. Prívod ide samospádom cez medzipažnicový priestor a späť sa kal vytahuje čerpadlom rúrou vodiacej tyče

Takže zhrňme výhody vŕtania so spätným vodným tokom:

• rýchlosť vŕtania sa zvyšuje (v porovnaní s priamym vodným tokom) až 15-krát;
• vodonosná vrstva sa nezanáša ílovitými časticami a prachovými zrnkami piesku z nižších, ešte neobložených úrovní vrtu;
• vďaka kvalitnému otvoreniu vodonosnej vrstvy nie je potrebné vrt dodatočne pripravovať na prevádzku, možno ihneď nainštalovať vnútornú pažnicovú kolónu s filtrom a spustiť odčerpávanie čerpadlom;
• ako pracovná kvapalina sa používa jednoduchá (a teda aj lacná) voda.

Napriek tomu má táto metóda aj podstatnú nevýhodu. Vyžaduje si nasadenie nákladného zariadenia, čo v konečnom dôsledku vedie k výraznemu predraženiu celého procesu vŕtania ako takého.

Preto sa vŕtanie «spätným vodným tokom» uskutočňuje len v tých prípadoch, keď je vrt navrhnutý na prevádzku hneď niekoľkými domácnosťami. V prípade, že je vrt určený na individuálnu prevádzku, je oveľa rozumnejšie použiť technológiu rotačného vŕtania s priamym vodným tokom.

Závery a užitočné video k téme

Video #1. Názorná ukážka procesu rotačného vŕtania po krokoch:

Video #2. Rozbor rotačnej technológie a princípov zriadenia vrtu:

Video #3. Cirkulácia vody pri rotačnom vŕtaní:

Situácia s výskytom a hĺbkou uloženia vodonosných vrstiev sa môže na rôznych miestach výrazne líšiť (a niekde nie sú vôbec, ako na ostrove Madeira).

Pri projektovaní vrtu a výbere optimálneho spôsobu rotačného vŕtania by ste mali použiť existujúce mapy preskúmaných vodonosných vrstiev. To vám pomôže ušetriť značné prostriedky a čas.

Povedzte nám o svojich skúsenostiach s vývojom vrtu rotačnou technológiou. Podeľte sa o technologické nuansy, ktoré sa budú hodiť návštevníkom stránky. Zanechajte, prosím, komentáre v blokovom formulári nižšie, umiestnite fotografie a pýtajte sa otázky k téme článku.