Rotacijsko vrtanje vodnjakov: pregled tehnologije vrtanja in potrebne opreme

Če podeželske hiše ni mogoče priključiti na centralno oskrbo z vodo, je treba organizirati avtonomni sistem. Večina lastnikov ga raje vzpostavi na podlagi vrtine, pri čemer se uporabljajo različne metode. Ogledali si bomo rotacijsko vrtanje vrtin – zelo obetavno, a še vedno malo znano možnost.

V predlaganem članku so podrobno opisane nianse rotacijske tehnologije in uporabljena orodja. Analizirane so prednosti in slabosti te metode, predstavljeni so načini njene praktične izvedbe. Naši nasveti bodo koristili skrbnim lastnikom zasebnih parcel, ki želijo nadzorovati delo vrtalcev.

Opredelitev rotacijskega vrtanja

Za začetek poglejmo, kaj sploh je rotacijsko vrtanje vrtin in kakšne so njegove alternative? Ena najbolj običajnih metod izdelave vodozbirne vrtine je še vedno polžasto vrtanje.

Vendar polžasta tehnologija ne omogoča prebijanja skalnatih matičnih kamnin. Vijak, ki se uporablja pri polžastem vrtanju, ne more uničiti apnenca. Pogosto se namreč zgodi, da je treba vrtati prav v apnenec, ker zgornje plasti nimajo stabilnega in zadostnega pretoka za obratovanje.

Kolonska in polžasta vrtalna tehnologija ne omogočata prebijanja skalnatih kamnin. Pri gradnji vrtine v apnencu je učinkoviteje in varčnejše uporabiti rotacijsko metodo vrtanja.

Zato se je rotacijska tehnologija, ki se je prej uporabljala le v rudarski industriji, začela uvajati na področje izdelave zasebnih vodozbirnih objektov. Njen delovni element je dleto, ki se nahaja v dnu vrtine. Z dletom se razbijajo vezana in nevezana tla, drobijo skalnate matične kamnine.

Izruvanje porušene kamnine poteka s pomočjo tekočine, ki se dovaja na dno skozi delovno kolono ali obkolonski prostor. To sta dve različni metodi vrtanja, od katerih bo vsaka podrobneje obravnavana v nadaljevanju.

Premer dleta presega premer delovne kolone, kar omogoča:

• zmanjšati porabo energije za celoten postopek vrtanja (moč se tukaj porabi neposredno le za obračanje s silo svedra v dnu vrtine, izgube zaradi trenja delovne kolone ob stene vrtine pa so zmanjšane na minimum);
• zaščititi večji del elementov delovne kolone pred poškodbami in stene izvrtane vrtine pred uničenjem;
• ustvarjati vrtine impresivnega premera (na primer do 70 cm) pri izjemno velikih globinah.

Na ta način lahko oblikujete vodonosne vrtine globine 300 metrov in več, torej vrtati vodozajemna dela za oskrbo z vodo počitniških območij in naselij.

Torej, definicija: vrtanje po rotorskem principu je način izdelave vrtine, pri katerem se sila na sveder v dnu prenaša od rotorskega vrtilnika preko delovne kolone. Sestavljajo jo iz palic – ozkih jeklenih cevi, ki se zaporedoma povezujejo druga z drugo glede na poglabljanje v zemljo.

Pri čiščenju stebla dela in dna vrtine pred usedlinami se uporablja voda pod tlakom. Zahvaljujoč tej rešitvi ni treba nenehno razstavljati in sestavljati vrtalne kolone za pridobivanje jedra kot pri kolonskem vrtanju.

Tekočina, črpana v delo, takoj rešuje dve pomembni nalogi: sprosti pot vrtalnemu orodju za nadaljnje delo in izvaja izpiranje vrtine, ki je potrebno za pripravo vodozajema na obratovanje.

Prednosti rotacijske tehnologije

Kakšne so prednosti rotorskega vrtanja pred možnimi alternativami? Teh je več.

Prvič, z uporabo rotorskega svedra lahko ustvarite vrtine velikega premera, ki bodo v celoti zadovoljile potrebe po vodi več gospodinjstev hkrati.

Ni skrivnost, da je vrtanje drag postopek: zahteva specializirano opremo, postopek pa morajo nadzorovati in upravljati izkušeni vrtalci. Navsezadnje je dejavnost, povezana z vrtanjem vrtin, licencirana. Od tod tudi njegova visoka cena.

Zaradi svoje oblike in konstrukcije lahko sveder pri rotorskem vrtanju oblikuje vrtine veliko večjega premera kot polžasti vrtalniki in kolonska cev

Združitev več gospodinjstev za financiranje ene skupne vrtine za sosednje parcele – je ekonomsko ugoden podvig. Toda za to je potrebna znatna izdatnost. V večini primerov vodonosni horizonti kvartarnih usedlin (peskov) tega ne morejo zagotoviti.

Seveda je za skupno uporabo bolje postaviti vodozajemno delo na apnenec. Podzemne vode, pridobljene iz njega, so bolj vodnate in čiste. Na izdatnost vrtin v apnencu nimajo nobenega vpliva količine padavin. Česar ne moremo reči za vrtine v pesku.

Drugič, prepričujejo razmeroma nizki energetski stroški. Delovni element pri rotacijskem vrtanju je sveder. Toda v nasprotju s polžastim in jedrnim vrtanjem, vrtalno orodje ne prihaja v stik s stenami izvrtane vrtine.

To pomeni, da je v neposrednem stiku z zemljino samo sveder, katerega višina je zanemarljivo majhna v primerjavi z višino celotne vrtalne kolone. Posledično je ta način oblikovanja vrtin najhitrejši – do 1000 tekočih metrov na mesec!

Tretjič, skupinske naročnike pritegne globina vrtanja. Samo z rotacijskim načinom je mogoče izvrtati vrtino, poglobljeno v trdne metamorfne in magmatske kamnine, iz razpok katerih je mogoče črpati vodo, katere sestava je najbolj primerna za pitne namene.

Najpogosteje iz vodnih vrtin globine manj kot 30 m pridobivajo le tehnično vodo. Na njeno sestavo vplivajo bližnja vodna telesa, z odpadki zamašene reke, atmosferske padavine in preprosto razlite tehnične tekočine na zemljo. Polžasta svedra in jedrna cev pomagata dobiti le takšen vodni vir.

Celoten komplet vrtalne opreme se preprosto namesti na enotno avtomobilsko ploščad srednje nosilnosti. To naredi proces rotacijskega vrtanja veliko bolj tehnološki, in s tem tudi cenejši.

Poleg tega rotacijsko vrtanje omogoča, da se predel izvrta do polne globine brez prehoda na drug način vrtanja. Pri razvijanju vrtine s polžastim svedrom se na primer, če je treba izvrtati balvan, preide na udarno-vrvno metodo.

V ta namen iz stebla izvlečejo polžasto svedrno orodje in vržejo sveder na dno vrtine, dokler ne razbijejo balvana. Nato dno vrtine očistijo s sipalico. Uporabljajo jo tudi, če je treba na površje dvigniti z vodo nasičen pesek, ki se v jedrni cevi preprosto ne zadrži.

Praksa kaže, da imajo vrtine, izvrtane z rotacijskim načinom, daljšo življenjsko dobo. Tehnološko se to pojasnjuje s tem, da se po namestitvi zaščitne kolone, ki oblikuje stene vrtine, prostor med cevmi dodatno utrdi.

Oprema za izdelavo vrtine

Najprej se na površini nad vrtino namesti navpična konzola za nadaljnje pritrjevanje navpičnih členov delovne kolone. Prvi člen tega vrtalnega droga je opremljen z delovnim elementom – svedrom, ki ima lahko različne oblike, odvisno od kategorije kamnine glede na vrtljivost.

Seveda se za vrtanje vodonosnih vrtin uporablja bolj kompaktna oprema in oblikovanje omenjenega stolpa praviloma ni potrebno.

Komplet vrtalnega orodja

Pri poglabljanju prvega člena, sveče, se nanj namesti naslednji, imenovan drog, in tako naprej. Dolžina vsakega takega bloka cevi lahko znaša od 20 do 50 m. Za poenostavitev oblikovanja delovne kolone je vsak drog opremljen s stožčastim navojem z zaklepom.

Posledično se oblikuje vrtalni nastavek, ki ga sestavljajo:

• delovnega dleta;
• vodilnega droga;
• kolone navadnih drogov, med seboj povezanih s spojkami.

Vzdrževanje delovne kolone poteka s pomočjo vrtljivega obešalnika, katerega vrtenje izvaja rotor. Glede na to, kako globoko naj bi vrtali, in kakšne so fizikalno-mehanske lastnosti tal, se za oblikovanje vodilnega člena uporabljajo standardni ali obteženi drogi.

Vodilni drog je praviloma obtežena cev, ker mu je dodeljena pomembna tehnološka naloga. Skozenj v vrtino do dleta priteče izpirna tekočina, katere naloga je izpiranje zdrobljene kamnine. To pa postavlja zahteve glede spojnih povezav, katerih naloga je tesnjenje povezav med členi.

Ne smemo pozabiti, da je tlak tekočine neposredno odvisen od višine oblikovanega stebra (in ni odvisen od prereza cevi). Pri tem, če se celo kot izpirna tekočina uporablja voda, bo vsakih 10 metrov tlak narasel za 1 atmosfero.

Za primerjavo naj navedemo primer. Delovni tlak v gospodinjskem cevovodnem omrežju v hiši znaša 10 atmosfer, najbolj trpežne cevi pa so zasnovane za tlak 20 atmosfer.

Le če so gospodinjski sistemi stacionarni in se ne premikajo, pa na vodilni drog deluje sila, enaka teži vrtalne kolone. In ta mora še vedno prenašati vrtilni impulz in silo na dleto.

Spojke so najbolj odgovorni elementi droga, ker na njih nosijo težo celotnega spodnjega dela sosednjega droga, pa tudi obremenitev zaradi dinamičnih nihanj in vrtilnega gibanja, ki ga povzroča motor.

Za spojke kot konstrukcijske elemente vrtalne kolone veljajo naslednje zahteve:

• morajo zagotavljati tesnost povezave drogov in prenašati tlak tekočine do 100 atmosfer (za čiščenje vrtine s tlačnim curkom);
• morajo biti odporne proti obrabi, da ne postanejo neuporabne zaradi trenja ob stene vrtine;
• morajo imeti možnost prenašati vrtilni moment z zgornjega dela delovne kolone na spodnji del in na koncu na dleto.

Izredno pomembno je, da so spojke ustrezne kakovosti izdelave. Če vsaj ena ne prenese obremenitve in se delovna kolona pretrga, bo izvleči njen spodnji del skupaj z dletom izredno težavno. Po kapitalskih stroških je včasih lažje izvrtati novo vrtino v bližini, kot pa izvleči odtrgani vodilni drog.

Uporaba vode med vrtanjem

Tekočina, ki se dovaja na dno vrtine, je najpogosteje navadna voda. Včasih se za stabilizacijo stebla, ki poteka skozi rahle nevezane kamnine (pesek, prod in gramozno-prodne usedline), v vrtino dovaja raztopina z vrtalnimi dodatki. To je potrebno, ker se obloge ne nameščajo v prvih fazah vrtanja.

Voda vstopa v vrtino bodisi pod tlakom znotraj vodilne palice (in takrat poteka črpanje skozi obročni prostor), bodisi samotežno navzdol skozi obročni prostor, odstranjevanje pa poteka skozi delovno kolono s črpalno črpalko.

To sta 2 različni tehnologiji rotacijskega vrtanja, katerih značilnosti bodo obravnavane v nadaljevanju.

Rotacijsko vrtanje se odlikuje po najvišji hitrosti razvoja vodnjaka za zajem vode. Hkrati z vrtanjem poteka izpiranje stebla in priprava vrtine za prihodnje obratovanje.

Vendar ne glede na to, katera metoda se uporablja, povsod uporabljena tekočina pri vrtanju potrebuje čiščenje (za nadaljnjo uporabo).

Za to se uporablja naslednji sklop opreme:

• Jama za shranjevanje vrtalne raztopine. (Če nameravate vrtati plitvo vrtino – v obsegu nekaj deset metrov, jo je mogoče urediti neposredno v zemlji, kot izplakovalna tekočina pa se uporablja navadna voda). Jama deluje kot akumulator za izplakovalno tekočino.
• Vibracijsko sito. Izplakovalna raztopina, dvignjena iz vrtine, nosi delce zdrobljene kamnine, ki jih je treba odstraniti. Najbolj učinkovit način je mehanski, z uporabo vibracijskega sita.
• Usedalnik. Po odstranitvi velikih delcev kamnine tekočina vstopi v usedalnik, da se znebi suspendiranih delcev, ki padajo na dno. Pri uporabi vode kot izplakovalne tekočine se usedalnik včasih prav tako zgradi neposredno v zemlji. Poleg tega se za ločevanje tekočih substanc in ločitev usedline uporablja hidrociklon.
• Vrtalna črpalka. Prav ta zagotavlja kroženje izplakovalne raztopine.
• Sistem žlebov. Potrebni so za premikanje vode od točke oblikovanja vrtine do mesta njenega čiščenja.

Skupaj so za razvoj vrtine po rotacijski tehnologiji potrebni naslednji mehanizmi in oprema:

1. Stolp ali konzola za sestavljanje vrtalne kolone iz palic in njeno razstavljanje po končanem vrtanju, ter sistem talij.
2. Motor, ki zagotavlja vrtenje rotorja.
3. Oprema za tekočino. Mehanizmi in naprave za zagotavljanje kroženja izplakovalne tekočine in njeno čiščenje (črpalka; vibracijsko sito; usedalniki in/ali hidrociklon; jama za shranjevanje izplakovalne tekočine; sistem cevi in žlebov).

Za rotacijsko vrtanje plitvih vrtin je celoten navedeni komplet opreme zelo kompakten (na primer, konzolna roka je zložljiva). To zagotavlja enostavnost namestitve opreme za vrtanje na katerem koli mestu, primernem za izvajanje vrtalnih del in kasnejšega obratovanja.

Dve različici rotacijskega vrtanja

Glede na način dovajanja izpiralne tekočine v dno vrtine ločimo dva tipa tehnologije rotornega vrtanja:

1. z direktnim dovajanjem;
2. z obratnim dovajanjem.

Treba je omeniti, da tekočina, ki se dovaja v dno vrtine, ni namenjena le izpiranju in odnašanju drobljene kamnine. Prav tako hladi sveder, ki se močno segreva zaradi trenja. V primeru direktnega dovajanja tekočina črpalka ustvarja presežni tlak tekočine.

Voda vstopa v dno vrtine skozi tehnološke odprtine v svedru, 'pobere' drobljeno kamnino in nato po vrtini gravitacijsko (to je skozi obročni prostor glede na vodilno palico) prihaja na površje, kjer pride v čistilni sistem (vibracijsko sito, hidrociklon).

Izpiranje je lahko direktno ali obratno, od česar bodo odvisne kvalitativne značilnosti uporabljene opreme, vendar principialna shema velja za obe različici tehnologije.

Tehnologija obratnega dovajanja pomeni, da izpiralna tekočina prihaja do dna vrtine gravitacijsko, spuščajoč se skozi vrtino, nazaj na površje pa raztopina z drobljenim materialom prihaja po cevi vodilne palice. Vrtalna črpalka v tem primeru ustvarja negativni tlak ravno v njej.

Kljub navidezni preprostosti obeh tehnologij je tu veliko več nians, kot se morda zdi na prvi pogled. Zato se zdi smiselno podrobneje obravnavati vsako od navedenih tehnologij vrtanja.

Vrtanje z neposrednim dovajanjem izplakovalne tekočine

To tehnologijo včasih imenujejo tudi 'direktni vodotok'. Smiselno jo je uporabljati v peščenih, prodnatih, drobljenih tleh. Prav tako se uporablja, če globina vodonosnega horizonta ne presega 30 m. Prav tu se tekočini dodajajo dodatki, ki povečujejo njeno gostoto in stabilnost stebra.

Rotacijsko vrtanje je značilno po postopnem zmanjševanju premera vrtine. Z drugimi besedami, najprej se izvrta vrtina največjega premera, nato se oplašči s cevjo, obročni prostor med zunanjo površino cevi in steno vrtine pa se skozi tehnološke odprtine zapolni s cementno malto.

Nato se vrtanje nadaljuje že s svedrom manjšega premera. Nato ponovno oblaganje, novi odsek pa ima še manjši premer in tako naprej. Čim redkeje je treba izvajati cementiranje vrtine, tem večja je produktivnost vrtanja, kar se na koncu izraža v skupni ceni postopka in vrtine kot celote.

Poleg tega prepogosto oblaganje na koncu povzroči, da se efektivni premer vrtine (tisti premer, ki odpira vodonosno plast) močno zmanjša. Tako je 'direktni vodotok' označen s tem, da vrtine pri takšnem načinu oblikovanja ni treba oblagati vse do 100 metrov.

Glavni tlak izplakovalne tekočine ustvarja črpalka znotraj pogonske palice, obodni prostor pa tekočina z delci zdrobljene kamnine polni gravitacijsko, ne da bi s prekomernim tlakom poškodovala stene vrtine.

Shema vrtanja z direktnim dovajanjem izplakovalne tekočine. Dovajanje v vrtino poteka po cevi pogonske palice, na površje pa se dviga gravitacijsko.

Vendar ima ta način vrtanja tudi slabosti. Zlasti predolg neobložen odsek povzroči, da v vodonosne plasti vstopijo drobno dispergirani glineni delci, kar lahko bistveno zmanjša in upočasni dotok vode v vrtino iz vodonosne plasti.

Ti delci tu igrajo vlogo nekakšnih zapor za pore in mikrokanalov v kamnini, skozi katere pronica voda. Zato je postopek oblaganja med vrtanjem potreben za ohranitev nadaljnje produktivnosti vrtine kot celote.

Vrtanje z obratnim dovajanjem izplakovalne tekočine

Pri takšni metodi upravljanja dovajanja tekočine se vrtina in dno najbolje očistita. Črpalka tu ne potiska tekočine v dno, ampak nasprotno – jo sesa nazaj, kar povzroči, da se hitrost oblikovanja vrtine s svedrom poveča za red velikosti in še večkrat v primerjavi z direktnim izpiranjem.

Sama vrtina ni izpostavljena onesnaženju z glinenimi vključki s tokom dovedene izplakovalne tekočine. Črpalka namreč posesa na površje vse, kar je v njej. Mimogrede, tu ni več nobenega praktičnega smisla za dodatne dodatke, zato se kot izplakovalna tekočina uporablja čista voda.

Shema obratnega izpiranja pri rotacijskem vrtanju. Dovajanje poteka gravitacijsko skozi obodni prostor, nazaj pa mulj izvleče črpalka po cevi pogonske palice.

Torej, povzemimo prednosti vrtanja z obratnim vodotokom:

• hitrost vrtanja se poveča (v primerjavi z direktnim vodotokom) do 15-krat;
• vodonosni horizont se ne zamaši z glinenimi delci in prašnatimi peski iz spodnjih, še neobsaženih ravni vrtine;
• Zahvaljujoč kakovostnemu odpiranju vodonosnega horizonta vrtine ni treba dodatno pripravljati za obratovanje; lahko takoj namestimo notranjo obložno kolono s filtrom in zaženemo črpanje s črpalko;
• Kot delovna tekočina se uporablja navadna (in s tem tudi poceni) voda.

Kljub temu ima ta metoda tudi pomembno pomanjkljivost. Zahteva uporabo drage opreme, kar na koncu povzroči znatno podražitev celotnega postopka vrtanja.

Zato se vrtanje s 'povratnim vodnim tokom' izvaja le v primerih, ko je vrtina zasnovana za obratovanje več gospodinjstev hkrati. Toda če je vrtina zasnovana za individualno uporabo, je veliko bolj smiselno uporabiti tehnologijo rotacijskega vrtanja z neposrednim vodnim tokom.

Zaključki in koristen video na to temo

Video #1. Nazorna demonstracija postopka rotacijskega vrtanja po korakih:

Video #2. Analiza rotacijske tehnologije in načel ureditve vrtine:

Video #3. Kroženje vode pri izvajanju rotacijskega vrtanja:

Razmere glede prisotnosti in globine vodonosnih horizontov se lahko zelo razlikujejo od kraja do kraja (ponekod jih sploh ni, kot na otoku Madeira).

Pri načrtovanju vrtine in izbiri optimalnega načina rotacijskega vrtanja je treba uporabiti obstoječe karte raziskanih vodonosnih horizontov. To vam bo pomagalo prihraniti znatna sredstva in čas.

Povejte o svojih izkušnjah pri razvoju vrtine z rotacijsko tehnologijo. Delite tehnične podrobnosti, ki bodo koristne obiskovalcem spletnega mesta. Prosimo, puščajte komentarje v spodnjem blok-obrazcu, objavljajte fotografije in postavljajte vprašanja o temi članka.