Rotationsborrning av brunnar: översikt över borrteknik och nödvändig utrustning

Om ett fritidshus inte kan anslutas till det centrala vattenförsörjningen, måste man organisera ett autonomt system. De flesta ägare föredrar att basera det på en brunn, i utvecklingen av vilken olika metoder används. Vi kommer att titta på roterande borrning av brunnar – ett mycket lovande men ännu relativt okänt alternativ.

I vår artikel beskrivs i detalj nyanserna av roterande borrteknik och de verktyg som används. Fördelarna och nackdelarna med denna metod analyseras, och sätt att implementera den i praktiken presenteras. Våra tips kommer att vara användbara för noggranna ägare av privata tomter som vill övervaka borrarnas arbete.

Definition av roterande borrning

Låt oss först analysera vad roterande brunnsborrning actually är och vilka dess alternativ är. En av de mest vanliga metoderna för att anlägga en vattenintagsbrunn anses fortfarande vara skruvborrning.

Men skruvtekniken tillåter inte passage genom berggrunden. Den skruvborr som används vid skruvborrning kan inte krossa kalksten. Och det händer ofta att man måste borra just i den, eftersom de överliggande lagren inte har en stabil och tillräcklig flödeshastighet för drift.

Kärnborrning och skruvborrningsteknik ger inte möjlighet att passera bergarter. Vid anläggning av en brunn i kalksten är det mer effektivt och ekonomiskt att använda roterande borrningsmetod.

Därför har den roterande tekniken, som tidigare endast användes inom gruvindustrin, börjat introduceras inom området för privata vattenintagsanläggningar. Dess arbetsdel är en borrmejsel som befinner sig i brunnens botten. Med hjälp av borrmejseln förstörs kohesiva och icke-kohesiva jordar, och berggrunden krossas.

Upptagningen av det krossade berget sker med hjälp av vätska som tillförs botten via arbetskolonnen eller ringutrymmet. Detta är två olika borrmetoder, som var och en kommer att behandlas i detalj nedan.

Borrmejselns diameter överstiger arbetskolonnens diameter, vilket möjliggör:

• minska energiförbrukningen för hela borrningsprocessen (strömmen används här endast för att vrida med kraft på borrhuvudet i botten, och förlusterna från friktion av arbetskolonnen mot borrhålsväggarna minimeras);
• skydda de flesta delarna av arbetskolonnen från skador, samt borrhålsväggarna från förstörelse;
• skapa imponerande diameter på hål (till exempel upp till 70 cm) vid extremt imponerande djup.

På detta sätt kan man bilda vattenförande borrhål, på 300 meters djup eller mer, dvs. borra vattenintagsbrunnar för vattenförsörjning av sommarstugeområden och byar.

Så, definition: borrning enligt rotorningsprincipen är ett sätt att utveckla ett borrhål där kraften på borrhuvudet i botten överförs från en roterande rotator genom arbetskolonnen. Den monteras av stänger – smala stålrör som fogas samman efter varandra i takt med att djupet ökar.

Men för rengöring av borrhålets schakt och botten från slam används vatten som tillförs under tryck. Tack vare denna lösning behöver man inte ständigt montera isär och sätta ihop borrkolonnen för att utvinna kärna som vid kärnborrning.

Vätskan som pumpas in i brunnen löser omedelbart två viktiga uppgifter: den frigör vägen för borrverktyget för fortsatt arbete och utför spolning av borrhålet, vilket är nödvändigt för att förbereda vattenintaget för drift.

Fördelar med roterande borrteknik

Vilka är fördelarna med just roterande borrning jämfört med möjliga alternativ? Det finns flera.

För det första, med ett roterande borrhuvud kan man skapa borrhål med stor diameter som fullt ut kan tillgodose vattenbehoven för flera hushåll på en gång.

Det är ingen hemlighet att borrning är en dyr process: den kräver specialiserad utrustning, och erfarna borrare måste övervaka och styra processen. I slutändan är verksamhet som rör borrning av brunnar licensbelagd. Därav dess höga pris.

Tack vare sin form och konstruktion kan borrhuvudet vid roterande borrning skapa borrhål med mycket större diameter än skruvborrar och kärnrör

Att slå samman flera hushåll för att finansiera en gemensam brunn för angränsande tomter – en ekonomiskt fördelaktig verksamhet. Men detta kräver en betydande avkastning. I de flesta fall kan vattenförande lager i kvartära avlagringar (sand) inte tillhandahålla det.

Självklart är det bättre att placera en vattenintagsbrunn för kollektiv användning på kalksten. Grundvattnet som utvinns därifrån kännetecknas av högre vattenrikedom och renhet. Påverkan av nederbörd har ingen som helst effekt på avkastningen från brunnar i kalksten. Det kan man inte säga om brunnar i sand.

För det andra övertygar de relativt låga energikostnaderna. Arbetsverktyget vid rotationsborrning är en borrkrona. Men till skillnad från skruvborrning och kärnborrning interagerar borrverktyget inte med väggarna i det borrade hålet.

Det vill säga, endast borrkronan har direkt kontakt med marken, och dess höjd är försumbar i förhållande till hela borrsträngens höjd. Som ett resultat är denna metod för att bilda brunnar den snabbaste – upp till 1000 löpmeter per månad!

För det tredje lockar borrdjupet kollektiva beställare. Endast med rotationsmetoden kan man borra en brunn som är nedförd i berggrundens metamorfa och magmatiska bergarter, från vars sprickor man kan pumpa vatten vars sammansättning är mest lämplig för dricksvattenändamål.

Oftast utvinns endast processvatten från vattenintag med ett djup på mindre än 30 m. Dess sammansättning påverkas av närliggande vattendrag, nedskräpade bäckar, nederbörd och helt enkelt utspillda vätskor på marken. Skruv och kärnrör kan endast ge ett sådant vattenintag.

Hela uppsättningen av borrutrustning monteras enkelt på en enda bilplattform med medelstor lastkapacitet. Detta gör rotationsborrningsprocessen mycket mer tekniskt avancerad och därmed billigare.

Dessutom möjliggör rotationsborrning att man kan gå igenom hela djupet utan att byta till en annan borrmetod. Vid utveckling av en brunn med skruv, till exempel, om man behöver borra genom en stor sten, övergår man till en slag-linmetod.

För detta tas skruvborren ur borrhålet och man släpper borrmejseln på botten tills stenen är krossad. Sedan rensas botten med en bailer. Samma bailer används om man behöver ta upp vattenmättad sand som helt enkelt inte hålls kvar i kärnröret.

Praktiken visar att brunnar borrade med rotationsmetoden har en längre livslängd. Tekniskt sett förklaras detta av att efter installation av mantelröret som bildar brunnsväggarna förstärks utrymmet mellan rören ytterligare.

Utrustning för att anlägga en brunn

Först installeras en vertikal konsol ovanför brunnen på ytan för att senare fästa vertikala segment av arbetskolonnen. Det första segmentet av denna borrsträng är utrustad med ett arbetsverktyg – borrkronan, som kan ha olika format beroende på bergartens borrbarhetskategori.

Naturligtvis används mer kompakt utrustning för borrning av vattenbrunnar, och bildandet av den nämnda borrtornet krävs vanligtvis inte.

Uppsättning borrverktyg

Vid nedsänkning av den första länken, ett rör, monteras nästa, kallad stång, och så vidare. Längden på varje sådan rörblock kan variera från 20 till 50 m. För att förenkla bildandet av arbetskolonnen är varje stång utrustad med konisk gänga med lås.

Resultatet blir en borrsträng som består av:

• arbetsborrkrona;
• drivstång;
• kolonn av vanliga stänger sammanfogade med kopplingar.

Arbetskolonnen hålls av en svivel som roteras av en rotor. Beroende på hur djupt man planerar att borra och jordens fysikaliska och mekaniska egenskaper används standard- eller tungstänger för att bilda drivlänken.

Drivstången är vanligtvis ett tungt rör eftersom den har en viktig teknisk uppgift. Genom den förs borrslam till botten till borrkronan, vars uppgift är att spola bort krossat berg. Detta ställer i sin tur krav på kopplingarna, som har till uppgift att täta förbanden mellan länkarna.

Man får inte glömma att vätsketrycket är direkt beroende av höjden på den bildade pelaren (och beror inte på rörets tvärsnitt). Även om vatten används som borrslam, kommer trycket att öka med 1 atmosfär var 10:e meter.

För jämförelse kan man ge ett exempel. Arbetstrycket i ett hushålls vattenledningsnät är 10 atmosfärer, och de starkaste rören är konstruerade för ett tryck på 20 atmosfärer.

Men medan hushållssystem är stationära och inte rör sig, utsätts drivstången för ett tryck som motsvarar vikten av borrkolonnen. Och den måste dessutom överföra rotationsimpuls och kraft till borrkronan.

Kopplingar är de mest kritiska delarna av stången eftersom de bär vikten av hela den nedre delen av den intilliggande stången, samt belastningen från dynamiska vibrationer och rotationsrörelser som överförs av motorn.

Följande krav ställs på kopplingar som konstruktionselement i borrkolonnen: de

• måste säkerställa täthet i stångförbanden och tåla vätsketryck upp till 100 atmosfärer (för rengöring av botten med tryckstråle);
• måste vara slitstarka för att inte förstöras vid friktion mot borrhålsväggarna;
• måste kunna överföra vridmoment från den övre delen av arbetskolonnen till den nedre och slutligen till borrkronan.

Det är ytterst viktigt att kopplingarna har rätt utförandekvalitet. Om bara en av dem inte håller för belastningen och arbetskolonnen bryts, blir det extremt svårt att få upp den nedre delen tillsammans med borrkronan. När det gäller kapitalkostnader är det ibland enklare att borra ett nytt hål i närheten än att få loss den lossnade drivstången.

Användning av vatten under borrning

Vätskan som tillförs botten är oftast vanligt vatten. Ibland för att stabilisera borrhålet som går genom lösa, okonsoliderade bergarter (sand, grus, stenar) tillförs en lösning med borrtillsatser i brunnen. Det är nödvändigt eftersom man inte sätter foder i de första borrningsstadierna.

Vatten tillförs utrymmet antingen under tryck inuti borrstången (och då sker pumpningen genom ringutrymmet), eller genom självfall nedåt genom ringutrymmet, och avlägsnandet sker sedan genom arbetskolonnen med en pump.

Detta är två olika tekniker för rotationsborrning, vars egenskaper kommer att behandlas nedan.

Rotationsborrning kännetecknas av den högsta hastigheten för utveckling av en vattenintagsbrunn. Samtidigt med borrningen utförs spolning av borrhålet och förberedelse av utrymmet för framtida drift.

Oavsett vilken metod som används, behöver den vätska som används vid borrningen rening (för vidare användning).

För detta används följande utrustningskomplex:

• Bassäng för lagring av borrvätska. (Om man planerar att borra en grund brunn – inom några tiotal meter kan man anordna direkt i marken, och som spolvätska används vanligt vatten). Bassängen fungerar som en ackumulator för spolvätskan.
• Vibrationssikt. Spollösningen som pumpas upp från brunnen bär med sig partiklar av krossat berg som måste avlägsnas. Det mest effektiva sättet är mekaniskt, med användning av en vibrationssikt.
• Sedimenteringsbassäng. Efter avlägsnande av stora stenpartiklar hamnar vätskan i en sedimenteringsbassäng för att bli av med suspenderade partiklar som faller till botten. När vatten används som spolvätska bygger man ibland sedimenteringsbassängen direkt i marken. Dessutom används en hydrocyklon för att separera flytande substanser och avskilja sediment.
• Borrpump. Det är den som säkerställer cirkulationen av spolvätskan.
• Rännsystem. De behövs för att leda vatten från punkten där utrymmet formas till platsen för dess rening.

Totalt behövs följande maskiner och utrustning för att utveckla en brunn med rotationsteknik:

1. Borrttorn eller konsol för montering av borrkolonnen av stänger och demontering efter avslutad borrning, samt ett taljessystem.
2. Motor som säkerställer rotationen av rotorn.
3. Vätskeutrustning. Maskiner och anordningar för att säkerställa cirkulation av spolvätska och dess rening (pump; vibrationssikt; sedimenteringsbassänger och/eller hydrocyklon; bassäng för lagring av spolvätska; system av rör och rännor).

När du borrar grunda brunnar med rotormetoden är hela den listade utrustningssatsen mycket kompakt (till exempel är konsolarmen fällbar). Detta gör det enkelt att placera borrutrustningen på en plats som är lämplig för borrarbetet och efterföljande drift.

Två varianter av roterande borrning

Beroende på hur du tillför spolvätskan till borrhålet finns det två typer av rotorborrningsteknik:

1. med direkt tillförsel;
2. med omvänd tillförsel.

Du bör notera att vätskan som tillförs borrhålet inte bara är avsedd för att tvätta och transportera bort krossat berg. Den kyler också borrkronan, som blir mycket het av friktion. Vid direkt tillförsel av vätska skapar pumpen ett övertryck.

Vatten kommer in i borrhålet genom de tekniska hålen i borrkronan, 'fångar upp' det krossade berget och flödar sedan via självfall upp genom brunnen (dvs. genom ringrummet i förhållande till ledarstången) till ytan, där det når reningskomplexet (vibrerande sikt, hydrocyklon).

Spolningen kan vara direkt eller omvänd, vilket påverkar de kvalitativa egenskaperna hos den utrustning du använder, men grundschemat gäller för båda teknikvarianterna.

Vid omvänd tillförsel kommer spolvätskan till borrhålet via självfall, den sjunker ner genom brunnen, och tillbaka till ytan kommer lösningen med krossat material genom ledarstångens rör. Borrpumpen skapar i detta fall ett undertryck i röret.

Trots den uppenbara enkelheten hos båda teknikerna finns det många fler nyanser än vad som kan verka vid första anblicken. Därför är det lämpligt att du går igenom var och en av de nämnda borrteknikerna mer i detalj.

Borrning med direkt tillförsel av spolvätska

Denna teknik kallas ibland även 'direkt vattenflöde'. Det är lämpligt att du använder den i sand-, grus- och stenjordar. Den används också om djupet på den vattenförande horisonten inte överstiger 30 meter. Det är här som tillsatser tillsätts i vätskan för att öka dess densitet och stabilisera borrhålsväggen.

Rotorborrning kännetecknas av en gradvis minskning av diametern på det borrade hålet. Med andra ord borras först brunnen med största diameter, därefter fodras den med ett rör, och ringrummet mellan rörets yttre yta och brunnsväggen fylls med cementbruk genom tekniska hål.

Därefter fortsätter borrningen med en mindre borr. Sedan följer ytterligare en fodring, och den nya sektionen har en ännu mindre diameter och så vidare. Ju mer sällan man behöver 'störas' av cementering av brunnen, desto högre blir borrproduktiviteten, vilket i slutändan påverkar den totala kostnaden för processen och brunnen som helhet.

Dessutom leder för frekvent fodring till att brunnens effektiva diameter (den diameter som faktiskt öppnar det vattenförande lagret) minskar kraftigt. 'Direkt vattenflöde' kännetecknas av att brunnen vid denna bildningsmetod inte behöver fodras upp till 100 meter.

Huvudtrycket från spolvätskan skapas av pumpen inuti drivstången, och ringrummet fylls med vätska och krossade bergpartiklar genom självflöde, utan att skada brunnsväggarna med övertryck.

Schema för borrning med direkt tillförsel av spolvätska. Vätskan tillförs botten via drivstångens rör och stiger upp till ytan genom självflöde

Denna borrmetod har dock även nackdelar. Speciellt leder en alltför lång ofodrad sektion till att finkorniga lerpartiklar tränger in i de vattenförande horisonterna, vilket kan avsevärt minska och fördröja vatteninflödet till brunnen från det vattenförande lagret.

Dessa partiklar fungerar som proppar för porer och mikrokanaler i berget, genom vilka vatten sipprar. Därför är fodringsproceduren under borrningen nödvändig för att bevara brunnens framtida produktivitet i sin helhet.

Borrning med omvänd tillförsel av spolvätska

Vid denna metod för vätskekontroll rengörs schaktet och botten bäst. Pumpen trycker inte in vätskan i botten utan suger i stället tillbaka den, vilket gör att borrningens hastighet ökar med en tiopotens och flera gånger jämfört med direkt spolning.

Själva brunnen utsätts inte för förorening av lerinblandningar med flödet av spolvätskan. Pumpen suger nämligen upp allt som kan finnas i den. För övrigt finns det ingen praktisk mening med ytterligare tillsatser här, så som spolvätska används rent vatten.

Schema för omvänd spolning vid roterande borrning. Tillförseln sker genom självflöde via ringrummet, och borrkaxet dras tillbaka av pumpen genom drivstångens rör.

Sammanfattningsvis, fördelarna med borrning med omvänt vattenflöde:

• borrhastigheten ökar (jämfört med direkt vattenflöde) upp till 15 gånger;
• akvifären förorenas inte av lerpartiklar och siltiga sandkorn från de nedre, ännu ofodrade nivåerna i borrningen;
• tack vare en bra öppning av akvifären behöver inte brunnen förberedas ytterligare för drift, man kan direkt installera den inre foderröret med filter och starta pumpning;
• som arbetsvätska används vanligt (och därmed billigt) vatten.

Men denna metod har också en betydande nackdel. Den kräver dyr utrustning, vilket i slutändan leder till att hela borrningsprocessen blir mycket dyrare.

Därför utförs borrning med 'omvänt vattenflöde' endast i de fall då brunnen är avsedd för flera hushåll. Men om brunnen är avsedd för enskilt bruk, är det mycket mer förnuftigt att använda roterande borrning med direkt vattenflöde.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Video #1. Tydlig demonstration av roterande borrning steg för steg:

Video #2. Genomgång av roterande teknik och principer för brunnskonstruktion:

Video #3. Vattencirkulation vid roterande borrning:

Situationen med förekomst och djup av akviferer kan variera kraftigt från plats till plats (och på vissa ställen finns de inte alls, som på ön Madeira).

Vid projektering av brunnen och val av optimal metod för roterande borrning bör man använda befintliga kartor över utforskade akviferer. Detta hjälper dig att spara betydande pengar och tid.

Berätta om din erfarenhet av att utveckla en brunn med roterande teknik. Dela med dig av tekniska detaljer som kan vara användbara för besökare på webbplatsen. Lämna gärna kommentarer i blockformuläret nedan, lägg upp bilder och ställ frågor om artikelns ämne.