Borrningsmetoder för brunnar: tekniska principer och egenskaper hos de viktigaste metoderna

Konstruktionen av en vattenintagsbrunn innebär användning av olika borrningsmetoder.  Lösa och vattenmättade jordarter tas ut med hjälp av en läns. För genomborrning av ler- och bergarter används borrningsmetoder baserade på rotations- och vibrationsprincip.

I arbetet används mekanismer som gör det möjligt att bearbeta olika typer av jordarter på olika djup. Vi berättar hur du väljer den optimala borrtekniken för att snabbt och felfritt genomföra uttaget för vattenintagsanläggningen.

För en tydlig presentation av den information vi har föreslagit, kompletteras texten med användbara diagram, fotosamlingar och videoguider.

Typer av borrningsmetoder

Tidigare utfördes borrning av vattenbrunnar för personligt bruk huvudsakligen med manuell metod. Det var en arbetskrävande och långvarig process, så inte varje tomt- eller stugägare kunde skryta med att ha en egen vattenkälla.

Successivt ersatte mekaniserad borrning de manuella metoderna tack vare en betydande förenkling och snabbare process.

Idag borras nästan alla vattenbrunnar med mekaniserad metod, som bygger på att bryta jord och transportera den till ytan på ett av två sätt: torrt, när avfallet avlägsnas från brunnen med hjälp av mekanismer, och hydrauliskt, när det spolas ut med vatten som tillförs under tryck eller genom självflöde.

Man skiljer på tre huvudsakliga mekaniska borrningsmetoder:

• Roterande (jorden bearbetas genom rotation).
• Slagborrning (borrskottet bryter jorden med slag).
• Vibrationsborrning (jorden bearbetas med högfrekventa vibrationer).

Den roterande metoden anses vara mest produktiv, 3-5 gånger effektivare än slagborrning och 5-10 gånger effektivare än vibrationsborrning. Dessutom är den roterande metoden den billigaste och mest tillgängliga, och används ofta som den huvudsakliga metoden för manuell borrning.

Mekaniska rotationsmetoder för vattenborrning har ersatt ineffektiva manuella metoder

Rotationsborrning, som används i stor utsträckning för att anlägga vattenbrunnar, indelas i fyra huvudtyper:

• kärnborrning;
• skruvborrning;
• linborrning;
• roterande borrning.

Varje typ av rotationsborrning har sina egna egenskaper och utförs med specialutrustning. Låt oss titta närmare på dessa borrtyper, fastställa skillnaderna och vilken metod som ska användas i varje enskilt fall.

Specifikationer för kärnborrning

Kärnborrning är en mekanisk rotationsmetod där ler- eller tät sandjord utvinns i form av en cylindrisk kärna. Borrverktyget för kärnborrning består av ett tjockväggigt metallrör.

I toppen av kärnborrverktyget finns en anordning för anslutning av borrstänger som behövs för att förlänga borrkolonnen. Längst ner finns en krona, vars typ väljs beroende på vilken jordkategori som ska borras.

Vid borrning med kärnmetoden förstörs jorden av en ringformad krona. Den inre delen av kärnan förblir oförstörd. För att underlätta borrningen i hårda och halvhårda leror, leror, bergarter tillförs spolvätska till botten.

Vid kärnborrning förstörs inte jorden utan “borras ut” av kronan och fångas av kärnröret. Det borrade materialet lyfts till ytan som en kärna – en monolitisk cylindrisk pelare av berg

Slammet från botten avlägsnas ibland genom spolning – att pumpa in stora mängder vatten i borrhålet. Oftare ersätts spolning med blåsning av tryckluft från en kompressor inne i röret. Denna borrtyp gör det möjligt att borra brunnar till ett djup på upp till 1000 meter och med en diameter på 8 till 20 cm.

Mekanisk kärnborrning utförs med borriggar av typ ZIF, UGB, UKB, monterade på fordon som KAMAZ, KRAZ, skogstraktorer o.s.v. I varianten för handborrning förkortas kärnröret och kallas då klocka eller hylsa. Kärnröret är konstruktionsmässigt likt det sistnämnda, ett vardagsföremål som vänts upp och ner.

Kärnborrning används i följande fall:

• prospektering av mineraltillgångar;
• borrning av prospekteringshål;
• anläggning av vattenbrunnar av alla djup, inklusive filterlösa brunnar i berggrunden.

För anläggning av privata vattenbrunnar används kärnborrning i vissa fall innan man påbörjar skruv- eller rotationsborrning, samtidigt som den fyller en prospekterande och förberedande roll.

Vid anläggning av privata brunnar används kärnborrning i kombination med linvajerborrning. Leriga lager genomborras med kärnrör. Lös sand, grus och stenblandning med sandfyllning som inte fastnar i kärnröret avlägsnas från borrhålet med håvning.

I fråga om effektivitet är kärnmetoden något sämre än skruvborrning för vattenbrunnar. Skruvborr går snabbare, men den kan inte helt rensa hålet från borrat material. De används sällan tillsammans. Men om så skulle ske, används skruvborr för de första metrarna.

Borrkronorna förstör inte marken utan skär försiktigt ut den längs omkretsen och bildar “pelare” – kärnor, genom att studera vilka man kan sammanställa en hydrologisk profil av området.

Använd utrustning och verktyg

Följande verktyg används för kärnborrning:

• borrkronor av diamant eller annat hårdmetallmaterial (stål, volfram, pobedit);
• kärnrör;
• rör för slamavledning;
• borrstänger som behövs för att förlänga borrhästen;
• kopplingar, övergångar mellan rör, spolpackning.

Vid borrning i berg slits borrkronan snabbt och måste bytas ut. Kronmaterialet är dyrt och tål enorma belastningar, diamantborrvarianter är vanligast.

Alla verktyg som används vid borrning måste vara koaxiala, d.v.s. vara exakt inriktade relativt borraxeln.

Teknik för kärnborrning

Huvudegenskapen hos kärnborrning är att man passerar genom bergmaterialet med fullständig bevarande i kärnröret. Det innebär att under borrningen skär kronan ringformigt genom marken, som allteftersom borrningen fortskrider trycks in i kärnröret och hålls kvar där på grund av sin egen täthet.

När det fyllda röret dras upp ur borrhålet, töms det på kärnan genom att knacka med en slägga.

Stegvis process för kärnborrning ser ut som följer:

• borrkronan fästs vid kärnröret;
• kärnröret fästs vid borrstänger som förlängs allt eftersom borrningen går djupare;
• den övre stången fästs i borrmaskinen;
• borrmaskinen roterar borrstången och “skruvar” den gradvis ner i marken;
• kärnröret fylls gradvis med kärna – jord som kilats fast i dess hålighet;
• efter att ha borrat 50 – 70 cm dras borrstången upp till ytan, stängerna kopplas bort en efter en tills kärnröret har dragits ut;
• röret töms på borrkaxet;
• den tömda borrsänkan sänks åter ner till botten, medan borrstången byggs på med stänger.

Åtgärderna utförs i beskriven ordning tills brunnen har öppnat akvifären och trängt 50 cm in i den underliggande vattentäta berggrunden.

Om fastställande av den övre akvifären inte är målet med borrningen, kan de övre lagren borras med spolning. I så fall pumpar pumpen spolvätska genom slangen in i rören. Vätskan för sedan ut det utborrade materialet till ytan.

Om syftet med brunnskonstruktionen inte är ett akviferlager i sandavlagringar, kan borrning fram till berggrunden utföras med spolning.

Tydliga fördelar och nackdelar

I jämförelse med slaglin- och rotationsborrning utförs kärnborrning ganska snabbt, vilket avsevärt minskar arbetstiden. Dess största nackdel – oförmåga att föra upp lösa jordar och vattenmättade grusavlagringar. Det går långsamt i berggrunden, för att borra genom stenblock krävs en mejsel.

Till fördelarna med kärnborrning hör:

• hög produktivitet och möjlighet att borra brunnar djupare än 100 m;
• minskad belastning på borrutrustningen genom att lera bryts på ett sätt som liknar att skära ut den;
• möjlighet att använda en mobil borrigg med kompakta mått.

Kärnborrning – en av de snabbaste metoderna för att utveckla vattenuttagsbrunnar. En sandbrunn med denna metod kan borras på en arbetsdag. En manuellt grävd vattenuttagsbrunn tar mycket längre tid.

Egenskaper för skruvborrning

Denna borrtyp används idag oftast vid konstruktion av vattenbrunnar på privata fastigheter. Det speciella med skruvborrning är att det utborrade materialet avlägsnas helt från borrhålet utan extra utrustning. Metoden påminner om att skruva, den gör det möjligt att borra på djupet och samtidigt avlägsna oönskad jord.

Verktyget som används för borrning kallas skruv. Det är en metallstång med blad. När skruven skruvas ner i marken bryter den jorden, som fastnar på bladen. På grund av konstruktionens specifikation är det omöjligt att helt rensa botten från avfall med en skruv. Därför används den främst för att borra de övre lagren.

Borrning med skruv – en snabb och billig metod som inte kräver anordnande av en reservoar för spolningsvätska

Borrning med skruv kräver varken stor ansträngning eller stora finansiella kostnader, därför är användningsområdet för denna metod ganska brett: geologiska undersökningsborrningar, dragning av ledningar, anläggning av borrade pålar och delvis borrning efter vatten.

Den används nu aktivt för att anlägga abessiniska brunnar, för att inte helt driva ner nålsbrunnen i tät jord, utan istället underlätta processen att sänka ner skaftet i den förutbrutna berggrunden.

Metoden lämpar sig för att borra vattenförande brunnar med djup upp till 30 m i mjuk och lös jord och upp till 20 m i medeldens jord. Efter framdrivning med skruv och installation av foderrör rengörs brunnsskaftet med ett slagborr från den icke utvunna bergmassan.

Skruv är absolut olämplig för arbete i berggrund! Den används för partiell framdrivning av brunnar upp till 120 m, och metoden kombineras då med andra: roterande, slag-lina, kärnborrning.

Använd utrustning och verktyg

Skruvborrning utförs med en borrigg vars huvudelement är ett skruvformat borrverktyg tillverkat av höghållfast metall. Borrstången förlängs efterhand som man går djupare med skruvar av samma storlek.

I satsen används ibland bladmejslar som behövs för att passera lösa bergarter, samt mejslar med runda eller konformade huvuden för att bearbeta hårda bergarter.

En borrigg baserad på ett fordon utrustat med en kraftfull motor – optimalt alternativ för borrning på svårtillgängliga och avlägsna platser.

De flesta moderna borriggar är utrustade med ihåliga borrhylsor försedda med reversibla lås som förhindrar att verktyget rör sig i motsatt riktning.

Skärdelarna på skruven kyls under borrningen av den jord som bearbetas, och den bearbetade bergmassan lyfts uppåt längs spiralerna. Detta gör att borrningen kan genomföras utan avbrott, vilket avsevärt minskar tids- och energikostnaderna för att skapa en vattenförande brunn.

Teknik för skruvborrning

Efter att gången, vars djup är 1,5–2,0 m, har utförts, dras skruven upp och foderrör installeras i borrhålet. Diametern på vattenbrunnen som borras med skruv är 50–200 mm och beror på storleken på det använda verktyget.

Foderrör förhindrar att brunnsväggarna rasar in. Detta är särskilt viktigt för lösa, sammanhängande jordar, därför har borrare en regel: vid borrning i sandiga leror och lerjordar använd skruvar med blad vinklade 30–60º, och vid borrning i tätt packad sand används verktyg med blad vinklade 90º.

Vid en mindre lutning på skruvens spiralvarv för skruven upp mer lös avfallsmassa till ytan.

Skruvborrning kräver ingen spolvätska; den bergart som bearbetats med borrkronan förs upp till ytan på verktygets blad.

För- och nackdelar med användning av skruv

Skruvborrningsmetoden gör det möjligt att installera en brunn så snabbt som möjligt, förutsatt att skruvens storlek och borrkronans lutningsvinkel har valts korrekt.

Fördelarna med skruvborrning inkluderar:

• jord lyfts upp till ytan omedelbart under borrningen;
• hög hastighet vid inträngning i jord utan tekniska stopp;
• inget behov av att spola borrhålet;
• med en kompakt skruvborrigg eller handskruv kan man borra inne i huset (i källaren);
• inget behov av att lyfta upp den första delen och demontera/montera borrsträngen som vid kärnborrning.

Den största nackdelen med skruvborrning är att det inte går att arbeta i lösa och mycket hårda jordar, men samtidigt är skruven ett idealiskt verktyg för borrning i lerjordar, blandjordar (lera och sandig lera) och mjuka leriga jordar.

En annan nackdel som begränsar användningen av skruv för vattenbrunnar är behovet av att använda slag- och linmetoden för att rensa borrhålet från avfallsberg.

En liknande skruv – spiralborr används ofta vid handborrning. Den krossar också berg och fångar upp det med sina blad för att föra upp det till ytan.

Karakteristik av roterande borrning

Rotorborrning är en metod för rotations- och vibrationsborrning där jorden bryts med hjälp av en borrkrona som drivs i borrhålets botten av borriggens rotor. Rotorn drivs av bilmotorn eller en separat installerad elmotor via en drivaxel.

Den borrade jorden sköljs ur borrhålet med direkt eller omvänd spolning. Spolvätskan kan tillföras både med självtryck och med en pumpstation.

De flesta artesiska brunnar borras med rotationsborrning: med hjälp av en borrmejsel som roteras av en rotor, följt av spolning av brunnen och montering av foderrör.

Rotationsborrning används för att bearbeta berg- och halvbergsfasta jordarter vid anläggande av djupa brunnar upp till 150 m. En rotationsborrigg med rätt vald borrmejsel och tunga borrsträngar klarar utmärkt av bergformationer.

Borrexperter rekommenderar att denna borrmetod används under följande förhållanden:

1. Den hydrogeologiska sektionen av platsen är tillräckligt väl studerad. Det är känt att bergformationer ska borras. Nivån på den vattenförande zonen i berggrunden är känd.
2. Grundvattnet har det tryck som är typiskt för artesiska brunnar
3. Det finns möjlighet till oavbruten leverans av processvatten för spolning av brunnen.

I södra regioner kan rotationsborrning utföras året runt, medan användningen av denna metod i nordligt klimat är begränsad på grund av risken för att spolvätskan fryser.

Använd utrustning och verktyg

Rotationsborrning av vattenförande brunnar utförs med ett ram- eller gallertorn, på vilket lyftutrustning och andra delar av borriggen är placerade. Tornet gör det möjligt att lyfta och sänka borrsträngar i brunnen.

En rotationsborrigg består av:

• ram- eller gallertorn;
• motor med drivning;
• rotor och borrsträng;
• pump- och reningssystem för spolvätska;
• lyftutrustning, tryckledning, svängel, packningar m.m.

I självgående riggar används bilens förbränningsmotor som motor, på vilken borriggen är monterad. I detta fall regleras borrverktygets varvtal av motorns kraft.

Som energikälla för en rotationsborrigg kan en stationär eller mobil elmotor, bilens förbränningsmotor eller generatorer användas

Rotorn överför via en kugganordning rotation till drivröret, som i sin tur överför det till huvudborrverktyget – borrmejseln. Borrmejseln kan ha olika former och tillverkas av högpresterande material: kompositer, stål med diamantbeläggning m.m.

För varje jordart väljs en specifik storlek och form på borrmejseln, vilket säkerställer hög effektivitet och borrhastighet.

Det säregna med roterande teknik

Rotationsborrning för vattenbrunnar sker i tre steg:

1. Bergförstöring med hjälp av borrmejsel.
2. Transport av krossad sten till ytan med ett flöde av injekterat vatten.
3. Förstärkning av brunnsväggarna med foderör.

Transport av krossad jord sker genom omvänd eller direkt spolning. Valet av spolningsmetod beror på specifika förhållanden: brunnens djup, jordtyp, tillgång på erforderlig mängd spolningsvatten.

Som regel används i privata hushåll tekniken med direkt spolning, som omfattar följande steg:

• nedsänkning av borrmejsel med stor diameter i marken;
• rotation av borrmejseln under rotorns inverkan;
• installation av borrrör och montering av tyngre rör mellan dem och mejseln;
• avlägsnande av använt jord med hjälp av pumpad vätska;
• montering av foderör för att förhindra jordras inuti brunnen;
• borrning med mejsel av mindre diameter och upprepning av hela cykeln.

Vid omvänd spolning transporteras jorden ut från brunnen genom borrstångens rör, medan spolningsvätskan fylls mellan brunnsväggarna och rören.

Vattnet rinner själv till en förberedd reservoar där det renas från jord och slam, och återvänder till borrstången för en ny omgång av använt material.

I vissa fall används vid rotationsborrning inte direkt eller omvänd spolning, utan luftblåsning under tryck från en kompressor.

Fördelar och nackdelar med roterande borrning

Den främsta fördelen med rotationsmetoden är möjligheten att borra djupa brunnar med vattenuttag i sprucken kalksten.

Dessutom har denna borrmetod följande fördelar:

• hög kvalitet vid öppning av vattenförande lager i urberg;
• möjlighet att anlägga brunnar med stor diameter upp till 200 cm;
• hög borrhastighet, låg energiförbrukning.

En betydande nackdel med rotationsborrning är behovet av att organisera spolning av brunnen.

Vilken borrningsmetod ska du välja?

Alla de behandlade mekaniska borrmetoderna används i stor utsträckning för att anlägga vattenbrunnar.

Sammanfattningsvis kan man säga att:

1. Kärnborrning är lämplig för framdrift i plastiska lerjordar. Kärnmetoden passar för de flesta vattenintagsarbeten, och används vid behov tillsammans med slaglinborrning.
2. Skruvborrning är tillämpningsmässigt lik kärnborrning. Den skiljer sig genom dålig rengöring av borrhålet och kräver obligatorisk användning av en muddshåv eller långvarig spolning av borrhålet före drift.
3. Rotationsborrning – det optimala alternativet för att borra borrhål i berggrund.

Kostnaden för att utveckla en brunn med en viss borrmetod beror till stor del på vilken utrustning som används samt på kategorierna av genomträngda bergarter med avseende på borrbarhet.

En korrekt vald borrmetod hjälper inte bara att minska tidsåtgången för borrning utan gör det också möjligt att i framtiden använda vattenkällan utan problem.

Om hur man gör en borrigg själv kan du läsa i en annan populär artikel på vår webbplats.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Video #1. Demonstration av principen för klassisk kärnborrning med kärnutvinning med vattentryck:

Video #2. Egenskaper vid skruvborrning av brunn:

Video #3. Kärnborrning av brunn med spolning av botten och installation av dubbelfodring, där den yttre delen är av stålrör och den inre av polymerrör:

Borrning av en vattenförande brunn – en arbetsintensiv process. Av hur väl borrmetoden väljs beror inte bara hastigheten för att anlägga en autonom vattenkälla utan även de finansiella kostnaderna.

Det första man bör tänka på vid val av borrmetod är jordtyp och djupet för det vattenförande lagret. Utifrån dessa parametrar kan du välja det optimala alternativet som gör att du kan borra brunnen snabbt och billigt.

Vill du dela med dig av en historia om att borra en brunn på din egen tomt eller användbar information om artikelns ämne? Lämna gärna kommentarer i blocket nedan. Här kan du också ställa en fråga eller påpeka kontroversiella punkter i texten.