Роторно сондиране на кладенци: преглед на технологията на сондиране и необходимото оборудване

Ако къща извън града не може да бъде свързана към централното водоснабдяване, трябва да се организира автономна система. Повечето собственици предпочитат да я изградят на базата на кладенец, при разработването на който се използват различни методи. Ще разгледаме роторното сондиране на кладенци – доста обещаващ, но все още малко познат вариант.

В предложената от нас статия са описани подробно тънкостите на роторната технология и използваните инструменти. Разгледани са предимствата и недостатъците на тази методика, представени са начините за нейното прилагане на практика. Нашите съвети ще бъдат полезни на рачителните собственици на частни парцели, които искат да контролират работата на сондажните екипи.

Определение на роторното сондиране

За начало нека разберем какво представлява роторното сондиране на кладенци и какви са неговите алтернативи? Един от най-обичайните методи за изграждане на водозахранно съоръжение все още се признава шнековото сондиране.

Въпреки това шнековата технология не позволява да се преминат скалистите коренни скали. Използваният при шнековото сондиране винтов бур не е в състояние да разруши варовика. А не рядко се случва да се наложи да се сондира точно в него, тъй като горните пластове не се отличават със стабилен и достатъчен за експлоатация дебит.

Колонковата и шнековата сондажна технология не предоставят възможност за преминаване на скалистите скали. В случай на изграждане на кладенец във варовик е по-ефективно и по-икономично да се използва роторният метод на сондиране.

Поради това роторната технология, използвана преди само в миннодобивната промишленост, започна да се внедрява в сферата на изграждане на частни водозахранни съоръжения. Нейният работен елемент е длетото, намиращо се в забойната част на кладенеца. С помощта на длетото се разрушават свързани и несвързани почви, раздробяват се скалисти коренни скали.

Извличането на разрушената скала се осъществява с помощта на течност, която се подава към забоя чрез работната колона или затръбното пространство. Това са 2 различни метода на сондиране, всеки от които ще бъде разгледан подробно по-нататък.

Диаметърът на длетото надвишава диаметъра на работната колона, което позволява:

• да се намалят енергийните разходи за целия процес на сондиране (мощността тук се изразходва директно само за завъртане със сила на длетото в забоя, а загубите от триене на работната колона в стените на сондажа се свеждат до минимум);
• да се предпази по-голямата част от елементите на работната колона от повреди, както и стените на пробурения сондаж от разрушаване;
• да се създават внушителни по диаметър сондажи (например до 70 см) при изключително големи дълбочини.

По този начин могат да се формират водоносни сондажи с дълбочина 300 и повече метра, т.е. да се пробиват водозахранни изработки за водоснабдяване на вилни зони и селища.

И така, определение: сондирането по роторен принцип е такъв начин за разработване на сондаж, при който усилието върху длетото в забоя се предава от роторния въртящ механизъм през работната колона. Тя се сглобява от щанги – тесни стоманени тръби, които се свързват последователно една с друга при задълбочаване в земята.

А при почистването на ствола на изработката и забоя от шлам се използва подадена под налягане вода. Благодарение на това решение не е необходимо постоянно да се разглобява и сглобява сондажната колона за извличане на керн, както при колонковото сондиране.

Нагнетяваната в изработката течност веднага решава две важни задачи: освобождава пътя на сондажния снаряд за извършване на по-нататъшни работи и извършва промивка на сондажа, необходима за подготовката на водозахващането за експлоатация.

Предимства на роторната технология

Какви са предимствата именно на роторното сондиране пред възможните алтернативи? Няколко са.

Първо, използвайки роторно длето, могат да се създават сондажи с голям диаметър, които в пълен обем могат да задоволят нуждите от вода на няколко домакинства наведнъж.

Не е тайна, че сондирането е скъп процес: за него е необходимо специализирано оборудване, а да контролират и управляват процеса трябва опитни сондажи. В крайна сметка дейността, свързана със сондиране на кладенци, е лицензирана. Оттам и високата му цена.

Благодарение на формата и конструкцията си, длетото при роторното сондиране може да формира сондажи с много по-голям диаметър от шнековите свредели и колонковата тръба

Обединяването на няколко домакинства за финансиране на един общ сондаж за съседни парцели – икономически изгодно начинание. Но за това е необходимо наличие на значителен дебит. В повечето случаи водоносните хоризонти на кватернерните наслаги (пясъци) не могат да го осигурят.

Естествено, за колективна експлоатация е по-добре водозахранната изработка да се постави върху варовик. Извличаните от него подземни води се характеризират с по-голяма водоносност и чистота. Върху дебита на сондажите върху варовик не оказва ни най-малко влияние количеството на падналите валежи. Което не може да се каже за сондажите в пясък.

На второ място, убеждават сравнително малките енергийни разходи. Работният елемент при роторното сондиране е длетото. Но за разлика от шнековото и колонковото сондиране, сондажният инструмент не взаимодейства със стените на пробития сондаж.

Тоест, директно с почвата контактува само длетото, чиято височина е нищожно малка спрямо височината на цялата сондажна колона. Като следствие, този метод за формиране на сондажи е най-бързият – до 1000 линейни метра на месец!

На трето място, колективните клиенти привлича дълбочината на сондиране. Само чрез роторния метод може да се пробие сондаж, задълбочен в коренните метаморфни и магматични скали, от чиито пукнатини може да се изпомпва вода, чийто състав най-много подхожда за питейни цели.

Най-често от водовземните съоръжения с дълбочина под 30 м се добива само техническа вода. На нейния състав влияят разположените наблизо водоеми, задръстените с боклуци реки, атмосферните валежи, а и просто разлетите на земята технически течности. Шнекът и колонковата тръба ще помогнат да се получи само такъв водовзем.

Целият комплект сондажно оборудване лесно се монтира на една автомобилна платформа със средна товароподемност. Това прави процеса на роторно сондиране много по-технологичен, а следователно и по-евтин.

Освен това, роторното сондиране позволява да се премине изработката на пълна дълбочина без преминаване към друг метод на сондиране. При разработване на сондаж с шнек, например, в случай на необходимост да се пробие валун, се преминава към ударно-въжена методика.

За целта от ствола се извлича шнековият снаряд и се хвърля длетото на забоя, докато не разбият валуна. След това забоят се разчиства с желонка. С нея се ползват и ако трябва да се извади на повърхността водонаситен пясък, който в колонковата тръба просто не се задържа.

Практиката показва, че сондажите, пробити по роторен начин, имат по-дълъг експлоатационен срок. Технологично това се обяснява с това, че след инсталиране на обсадната колона, формираща стените на сондажа, затрубното пространство допълнително се укрепва.

Оборудване за изграждане на кладенец

Първоначално на повърхността над сондажа се инсталира вертикална конзола за по-нататъшно закрепване на вертикалните звена на работната колона. Първото звено на този сондажен вал е оборудвано с работен елемент – длето, което може да има различен формат, в зависимост от категорията на скалата по сондируемост.

Разбира се, за сондиране на водоносни сондажи се прилага по-компактно оборудване, и формирането на обозначената кула, като правило, не се изисква.

Комплект сондажни инструменти

Когато първото звено (свещта) се задълбочи, върху него се надява следващото, наречено штанга, и така нататък. Дължината на всеки такъв блок от тръби може да варира от 20 до 50 m. За да се опрости формирането на работната колона, всяка штанга е оборудвана с конична резба с ключалка.

В крайна сметка се формира сондажният снаряд, който се състои от:

• работно длето;
• водеща штанга;
• колона от обикновени щанги, свързани помежду си с муфи.

Задържането на работната колона се осъществява с помощта на вертлюг, чието въртене се произвежда от ротор. В зависимост от това колко дълбоко се предполага да се сондира, както и какви са физико-механичните свойства на почвата, за формиране на водещото звено се прилагат стандартни или утежнени щанги.

Водещата штанга, като правило, е утежнена тръба, защото на нея се възлага важна технологична мисия. През нея в забоя до длетото постъпва промивен разтвор, чиято задача е да измива раздробената скала. А това, от своя страна, поставя изисквания към муфтовите съединения, чиято задача е уплътняване на връзките между звената.

Не трябва да забравяме, че налягането на течността пряко зависи от височината на формирания стълб (и не зависи от сечението на тръбата). При това дори ако като промивен разтвор се използва вода, то на всеки 10 метра налягането ще нараства с 1 атмосфера.

За сравнение си струва да приведем пример. Работното налягане в битовата тръбопроводна мрежа в къщата е 10 атмосфери, а най-здравите тръби са проектирани за налягане от 20 атмосфери.

Само ако битовите системи са стационарни и не се движат, то върху водещата штанга се оказва налягане, равно на теглото на сондажната колона. А тя нали трябва да предава въртящ импулс и усилие на длетото.

Муфите са най-отговорните елементи на щангата, защото именно върху тях пада теглото на цялата долна част на съседната щанга, както и натоварването от динамични колебания и въртеливо движение, предадено от двигателя.

Към муфите като конструктивни елементи на сондажната колона се поставят следните изисквания, те:

• трябва да осигуряват херметичност на съединението на щангите и да издържат налягане на течността до 100 атмосфери (за почистване на забоя с напорна струя);
• трябва да са устойчиви на износване, за да не се повредят при триене о стените на сондажа;
• трябва да имат възможност да предават въртящ момент от горната част на работната колона на долната и, в крайна сметка, на длетото.

Изключително важно е муфите да имат необходимото качество на изработка. Ако дори една от тях не издържи натоварването и работната колона бъде прекъсната, то изваждането на долната ѝ част заедно с длетото ще бъде изключително затруднително. По отношение на капиталовите разходи понякога е по-лесно да се пробие нов сондаж наблизо, отколкото да се извади открехнатата водеща штанга.

Използване на вода по време на сондиране

Течността, която се подава към забоя, най-често е обикновена вода. Понякога, за да се стабилизира стволът, който преминава през рохкави несвързани скали (пясъци, чакълести, гравийно-чакълести отложения), в кладенеца се подава разтвор със сондажни добавки. Така е необходимо, защото обсадната колона не се поставя в първите етапи на пробиването.

Водата постъпва в изработката или под налягане във водещата щанга (и тогава изпомпването става през задтръбното пространство), или гравитачно надолу през задтръбното пространство, а извеждането става през работната колона чрез изпомпваща помпа.

Това са 2 различни технологии на роторно сондиране, чиито особености ще бъдат разгледани по-долу.

Роторното сондиране се отличава с най-висока скорост на разработване на вододобивния кладенец. Едновременно със сондирането се извършва промивка на ствола и подготовка на изработката за предстоящата експлоатация.

Независимо кой метод се прилага, използваната в сондирането течност се нуждае от пречистване (за по-нататъшно приложение).

За това се използва следният комплекс оборудване:

• Амбар за съхранение на сондажния разтвор. (Ако се планира сондиране на плитък кладенец – в рамките на няколко десетки метра, може да се направи директно в земята, а като промивна течност се използва обикновена вода). Амбарът играе роля на акумулатор за промивната течност.
• Вибрационно сито. Промивният разтвор, издиган от кладенеца, носи частици от раздробената скала, които трябва да се отстранят. Най-ефективният начин е механичен, с използване на вибрационно сито.
• Утаител. След отстраняване на едрите частици скала, течността попада в утаител, за да се освободи от суспендираните частици, които се утаяват. При използване на вода като промивна течност, утаителят понякога също се изгражда директно в земята. Освен това, за разделяне на течни субстанции и отделяне на утайка се използва хидроциклон.
• Сондажна помпа. Именно тя осигурява циркулацията на промивния разтвор.
• Система от улеи. Те са необходими за движението на водата от точката на формиране на изработката до мястото на нейното пречистване.

Общо за разработване на кладенец по роторна технология са необходими следните механизми и оборудване:

1. Кула или конзола за сглобяване на сондажната колона от щанги и разглобяването ѝ след приключване на сондирането, както и талова система.
2. Двигател, осигуряващ въртенето на ротора.
3. Оборудване за течността. Механизми и устройства за осигуряване на циркулация на промивната течност и нейното пречистване (помпа; вибрационно сито; утаители и/или хидроциклон; амбар за съхранение на промивната течност; система от тръби и улеи).

За пробиване на плитки сондажи чрез роторен метод, целият изброен комплект оборудване е доста компактен (например, конзолната стрела е сгъваема). Това осигурява лесно разполагане на оборудването за сондиране на всяко място, удобно за извършване на сондажни работи и последваща експлоатация.

Два варианта на роторно сондиране

В зависимост от начина на подаване на промивната течност в забоя се различават 2 типа технология на роторно сондиране:

1. с директно подаване;
2. с обратно подаване.

Трябва да се отбележи, че течността, подавана в забоя, е предназначена не само за промиване и изнасяне на раздробената скала. Тя също така охлажда длетото, което силно се нагрява от триене. В случай на директно подаване на течност помпата създава излишно налягане.

Водата постъпва в забоя през технологичните отвори в длетото, „захваща“ раздробената скала и след това вече гравитачно по сондажа (т.е. през задтръбното пространство спрямо водещата щанга) постъпва на повърхността, където попада в очистителния комплекс (вибросито, хидроциклон).

Промивката може да бъде директна или обратна, от което ще зависят качествените характеристики на използваното оборудване, но принципната схема е валидна и за двете разновидности на технологията.

Технологията на обратно подаване предполага, че промивната течност постъпва към забоя гравитачно, спускайки се през сондажа, а обратно на повърхността разтворът с раздробения материал постъпва вече по тръбата на водещата щанга. Сондажната помпа в този случай създава отрицателно налягане именно в нея.

Въпреки привидната простота на двете технологии, нюансите тук са много повече, отколкото може да изглежда на пръв поглед. Затова изглежда целесъобразно да се спрем по-подробно на всяка от посочените технологии за сондиране.

Сондиране с директно подаване на промивна течност

Такава технология понякога още се нарича „директен воден поток“. Целесъобразно е да се използва в песъчливи, чакълести, трошенокаменни почви. Също така се прилага, ако дълбочината на водоносния хоризонт не надвишава 30 м. Именно тук в течността се добавят добавки, които увеличават нейната плътност и стабилност на ствола.

Роторното сондиране се характеризира с поетапно намаляване на диаметъра на пробивания сондаж. С други думи, първо се пробива сондаж с най-голям диаметър, след това той се обсажда с тръба, а пръстеновидното пространство между външната повърхност на тръбата и стената на сондажа през технологичните отвори се запълва с циментов разтвор.

След това сондажът продължава със свредел с по-малък размер. След това отново обсаждане и новият участък има още по-малък диаметър и т.н. Колкото по-рядко трябва да се „отвлича“ внимание за циментиране на кладенеца, толкова по-голяма е производителността на сондажа, което в крайна сметка се отразява в общата цена на процеса и на кладенеца като цяло.

Освен това, твърде честото обсаждане води до това, че ефективният диаметър на кладенеца (този диаметър, който разкрива водоносния слой) силно намалява. Така че „директният воден поток“ се характеризира с това, че при този начин на формиране кладенецът може да не се обсажда до 100 метра.

Основното налягане на промивната течност се създава от помпата вътре в водещата щанга, а затръбното пространство течността с елементи от счупена скала запълва гравитачно, без да разрушава стените на кладенеца с прекомерно налягане.

Схема на сондиране с директно подаване на промивна течност. Нейното подаване в забоя се осъществява по тръбата на водещата щанга, а на повърхността се издига гравитачно

Има обаче и минуси на този метод на сондиране. По-специално, твърде дългият необсаден участък води до това, че във водоносните хоризонти попадат фино дисперсни глинести частици, което може значително да намали и забави притока на вода в разработката от водоносния пласт.

Тези частици тук играят ролята на своеобразни запушалки на порите и микроканалите в скалата, през които се процежда вода. Ето защо процедурата по обсаждане, извършвана по време на сондирането, е необходима за запазване на по-нататъшната производителност на кладенеца като цяло.

Сондиране с обратно подаване на промивна течност

При този метод на управление на подаването на течност стволът и забоят се почистват най-добре. Помпата тук не впръсква течността в забоя, а напротив – засмуква я обратно, а това води до това, че скоростта на формиране на кладенеца със свредел се увеличава с порядък и още няколко пъти в сравнение с директното промиване.

Самият кладенец не се подлага на замърсяване от глинести включения с потока на подаваната промивна течност. Все пак помпата засмуква нагоре всичко, което може да се съдържа в нея. Между другото, тук вече няма практически смисъл от допълнителни добавки, затова като същата тази промивна течност се използва чиста вода.

Схема на обратно промиване при роторно сондиране. Подаването става гравитачно през затръбното пространство, а обратно шламът се изтегля от помпата по тръбата на водещата щанга

И така, нека обобщим плюсовете на сондирането с обратен воден поток:

• скоростта на сондиране се увеличава (в сравнение с директния воден поток) до 15 пъти;
• Водоносният хоризонт не се задръства от глинести частици и прахообразни песъчинки от долните, още необсадени нива на сондажа;
• Благодарение на качественото отваряне на водоносния хоризонт, сондажът не се нуждае от допълнителна подготовка за експлоатация – може веднага да се монтира вътрешната обсадна колона с филтър и да се пусне изпомпването с помпа;
• Като работна течност се използва проста (а следователно и евтина) вода.

Въпреки това, при този метод съществува и съществен недостатък. Той изисква привличане на скъпо оборудване, което в крайна сметка води до значително поскъпване на целия процес на сондиране като цяло.

Затова сондирането с «обратен воден поток» се извършва само в онези случаи, когато сондажът е проектиран за експлоатация от няколко домакинства наведнъж. Но в случай, че сондажът е проектиран за индивидуална експлоатация, то много по-разумно е използването на технологията за роторно сондиране с пряк воден поток.

Изводи и полезно видео по темата

Видео #1. Нагледна демонстрация на процеса на роторно сондиране по стъпки:

Видео #2. Анализ на роторната технология и принципите на изграждане на сондажа:

Видео #3. Циркулация на водата при провеждане на роторно сондиране:

Ситуацията с наличието и дълбочината на залягане на водоносните хоризонти може да се различава значително от място на място (а на някои места те изобщо ги няма, като например на остров Мадейра).

При проектирането на сондажа и избора на оптимален метод на роторно сондиране трябва да се използват наличните карти на проучените водоносни хоризонти. Това ще Ви помогне да спестите значителни средства и време.

Разкажете за Вашия опит в разработката на сондаж по роторна технология. Споделете технологичните нюанси, които ще бъдат полезни за посетителите на сайта. Оставяйте, моля, коментари в блок-формата, разположена по-долу, публикувайте снимки и задавайте въпроси по темата на статията.