Rotační vrtání studní: přehled technologie vrtání a potřebného vybavení

Pokud není možné připojit venkovský dům k centrálnímu vodovodu, je třeba zorganizovat autonomní systém. Většina vlastníků dává přednost zřízení na základě studny, při jejímž budování se používají různé metody. Prozkoumáme rotační vrtání studní – velmi perspektivní, ale zatím málo známou variantu.

V námi navrženém článku jsou podrobně popsány nuance rotační technologie a používané nástroje. Jsou rozebrány výhody a nevýhody této metody a představeny způsoby její realizace v praxi. Naše rady se hodí pečlivým majitelům soukromých pozemků, kteří chtějí kontrolovat práci vrtných mistrů.

Definice rotačního vrtání

Nejprve si rozebereme, co vlastně rotační vrtání studní představuje a jaké jsou jeho alternativy? Za jednu z nejběžnějších metod zřízení vodárenského díla je zatím považováno šnekové vrtání.

Avšak šneková technologie neumožňuje projít skalní pevné horniny. Používaný šnekový vrták není schopen rozrušit vápenec. A přitom se často stává, že je třeba zvlášť do něj zavrtat, protože nadložní vrstvy nemají stabilní a pro provoz dostatečný výnos.

Jádrová a šneková vrtná technologie neposkytují možnost projít skalní horniny. V případě zřízení studny na vápenec je efektivnější a ekonomičtější použít rotační metodu vrtání.

Proto se rotační technologie, dříve používaná pouze v těžebním průmyslu, začala zavádět do oblasti zřizování soukromých vodárenských zařízení. Jejím pracovním prvkem je vrtné dláto umístěné v čelbě studny. Pomocí dláta se rozrušují soudržné i nesoudržné zeminy a drtí skalní pevné horniny.

Odtěžba rozrušené horniny se provádí pomocí kapaliny, která je přiváděna k čelbě přes pracovní kolonu nebo mezikruží. Jde o 2 různé způsoby vrtání, každý z nich bude podrobně popsán dále.

Průměr dláta převyšuje průměr pracovní kolony, což umožňuje:

• snížit energetickou spotřebu celého procesu vrtání (výkon se zde spotřebovává přímo jen na protáčení vrtáku se silou v čelbě, a ztráty třením vrtné kolony o stěny vrtu jsou minimalizovány);
• chránit většinu prvků pracovní kolony před poškozením a stěny vyvrtaného vrtu před zničením;
• vytvářet vrt s působivým průměrem (například až 70 cm) při extrémně značných hloubkách.

Tímto způsobem lze vytvářet vodonosné vrty o hloubce 300 a více metrů, tj. vrtat vodárenské vrty pro zásobování vodou chatových oblastí a obcí.

Takže definice: vrtání rotačním principem je takový způsob vytváření vrtu, při kterém se síla na vrták v čelbě přenáší od rotačního rotátoru přes pracovní kolonu. Ta se sestavuje z tyčí – úzkých ocelových trubek, které se postupně připojují jedna k druhé s postupujícím prohlubováním do země.

Při čištění vrtného kmene a čelby od kalu se používá voda dodávaná pod tlakem. Díky tomuto řešení není nutné neustále rozebírat a skládat vrtnou kolonu pro těžbu jádra jako při jádrovém vrtání.

Kapalina vháněná do vrtu okamžitě řeší dva důležité úkoly: uvolňuje cestu vrtné soupravě pro další práce a provádí proplach vrtu, nezbytný pro přípravu vodního zdroje k provozu.

Výhody rotační technologie

V čem spočívají výhody právě rotačního vrtání oproti možným alternativám? Je jich několik.

Zaprvé, pomocí rotačního vrtáku lze vytvářet vrty o velkém průměru, které plně uspokojí potřeby vody hned několika domácností.

Není tajemstvím, že vrtání je nákladný proces: vyžaduje specializované vybavení a řídit a kontrolovat proces musí zkušení vrtmistři. Koneckonců činnost spojená s vrtáním studní je licencovaná. Odtud jeho vysoká cena.

Díky svému tvaru a konstrukci může vrták při rotačním vrtání vytvářet vrty mnohem většího průměru než šnekové vrtáky a jádrová trubka.

Spojení několika domácností k financování jednoho společného vrtu pro sousední pozemky – ekonomicky výhodný podnik. K tomu je však zapotřebí značné vydatnosti. Ve většině případů vodonosné horizonty kvartérních uloženin (písků) ji nemohou zajistit.

Přirozeně, pro kolektivní provoz je lepší vodárenský vrt zřídit na vápenec. Podzemní vody z něj odebírané se vyznačují větší vydatností a čistotou. Na vydatnost vrtů na vápenec nemá sebemenší vliv množství srážek. To se nedá říci o vrtech na písek.

Za druhé, přesvědčují relativně nízké energetické náklady. Pracovním prvkem při rotačním vrtání je vrták. Ale na rozdíl od šnekového a jádrového vrtání, vrtný nástroj neinteraguje se stěnami vyvrtané studny.

To znamená, že přímo s půdou kontaktuje pouze vrták, jehož výška je zanedbatelná vzhledem k výšce celé vrtné kolony. V důsledku toho je tato metoda tvorby studní nejrychlejší – až 1000 běžných metrů za měsíc!

Zatřetí, kolektivní zákazníky přitahuje hloubka vrtání. Pouze rotační metodou lze vyvrtat studnu zahloubenou do matečných metamorfovaných a magmatických hornin, z jejichž trhlin lze čerpat vodu, jejíž složení nejvíce vyhovuje pitným účelům.

Nejčastěji se z vodárenských děl o hloubce menší než 30 m získává pouze technická voda. Na její složení mají vliv blízké vodní plochy, řeky znečištěné odpadky, atmosférické srážky, a prostě i rozlité technické kapaliny na zem. Šnekové a jádrové vrtání pomůže získat pouze takový vodárenský vrt.

Celá sestava vrtného zařízení se snadno montuje na jedné automobilové platformě střední nosnosti. Díky tomu je proces rotačního vrtání mnohem technologičtější, a tedy i levnější.

Kromě toho rotační vrtání umožňuje projít dílo do plné hloubky bez přechodu na jinou metodu vrtání. Při vývoji studny šnekovým vrtáním se například v případě potřeby provrtání balvanu přechází a přistupuje k úderně lanové metodě.

K tomu se z kmene vyjme šnekový nástroj a hodí se vrták na dno, dokud nerozbijí balvan. Poté se dno vyčistí žlábkem. Téhož se používá, pokud je třeba vyzvednout na povrch vodou nasycený písek, který se v jádrové trubce jednoduše neudrží.

Praxe ukazuje, že studny vyvrtané rotační metodou mají delší životnost. Technologicky je to vysvětlováno tím, že po instalaci pažnicové kolony, která tvoří stěny studny, se mezikruží dodatečně zpevňuje.

Zařízení pro zřízení studny

Nejprve se na povrchu nad studnou nainstaluje vertikální konzola pro další upevnění vertikálních článků pracovní kolony. První článek tohoto vrtného hřídele je vybaven pracovním prvkem – vrtákem, který může mít různý formát v závislosti na kategorii horniny podle vrtatelnosti.

Samozřejmě, pro vrtání vodonosných studní se používá kompaktnější zařízení a formování uvedené věže zpravidla není nutné.

Sada vrtných nástrojů

Při zahloubení prvního článku, svíčky, se na něj nasazuje další, nazývaný tyč, a tak dále. Délka každého takového bloku z trubek se může pohybovat od 20 do 50 m. Pro zjednodušení tvorby pracovní kolony je každá tyč vybavena kuželovým závitem se zámkem.

V důsledku toho je vytvořen vrtný nástroj, který se skládá z:

• pracovního vrtáku;
• vodicí tyče;
• kolony běžných tyčí spojených mezi sebou spojkami.

Držení pracovní kolony se provádí pomocí otočné hlavice, jejíž rotace je prováděna rotorem. V závislosti na tom, jak hluboko se předpokládá vrtání, a také na fyzikálně-mechanické vlastnosti půdy, se pro formování vodicího článku používají standardní nebo zatížené tyče.

Vodicí tyč je zpravidla zatížená trubka, protože na ni je kladen důležitý technologický úkol. Skrze ni přichází do čela vrtu k vrtáku výplachový roztok, jehož úkolem je vymývání rozdrcené horniny. A to zase klade požadavky na spojková spojení, jejichž úkolem je těsnění spojů mezi články.

Nezapomínejme, že tlak kapaliny přímo závisí na výšce tvořeného sloupce (a nezávisí na průřezu trubky). Přitom i když se jako výplachový roztok používá voda, tak každých 10 metrů tlak vzroste o 1 atmosféru.

Pro srovnání stojí uvést příklad. Pracovní tlak v domovní potrubní síti v domě činí 10 atmosfér, a nejsilnější trubky jsou dimenzovány na tlak 20 atmosfér.

Jenže pokud jsou domovní systémy stacionární a nepohybují se, pak na vodicí tyč působí tlak rovný hmotnosti vrtné kolony. A ta přece musí dále přenášet rotační impuls a sílu na vrták.

Spojky jsou nejdůležitější prvky tyče, protože právě na ně připadá hmotnost celé spodní části sousední tyče, stejně jako zatížení od dynamických kmitů a rotačního pohybu sděleného motorem.

Na spojky jako konstrukční prvky vrtné kolony jsou kladeny následující požadavky, že:

• musí zajišťovat těsnost spojení tyčí a vydržet tlak kapaliny až 100 atmosfér (pro čištění čela vrtu tlakovým proudem);
• musí být odolné vůči opotřebení, aby se nestaly nepoužitelnými při tření o stěny vrtu;
• musí mít možnost přenášet točivý moment z horní části pracovní kolony na spodní a nakonec na vrták.

Je nesmírně důležité, aby spojky měly odpovídající kvalitu provedení. Pokud alespoň jedna z nich nevydrží zatížení a pracovní kolona bude přetržena, pak bude extrémně obtížné vyndat její spodní část spolu s vrtákem. Z hlediska kapitálových nákladů je někdy jednodušší vyvrtat nový vrt vedle, než vytahovat uvolněnou vodicí tyč.

Použití vody během vrtání

Kapalina, která se přivádí ke dnu vrtu, je nejčastěji obyčejná voda. Někdy se do vrtu přivádí roztok s vrtnými přísadami, aby se stabilizoval vrt procházející sypkými nesoudržnými horninami (písky, štěrkovité, štěrkopískové sedimenty). Je to nutné, protože se v prvních fázích vrtání neosazuje pažnice.

Voda vstupuje do vrtu buď pod tlakem uvnitř vodicí tyče (a pak je čerpání prováděno skrz mezikruží), nebo samospádem dolů skrz mezikruží, přičemž odstraňování probíhá přes pracovní kolonu odčerpávajícím čerpadlem.

Jedná se o 2 různé technologie rotačního vrtání, jejichž vlastnosti budou popsány níže.

Rotační vrtání se vyznačuje nejvyšší rychlostí výstavby vodárenské studny. Souběžně s vrtáním probíhá proplachování vrtu a příprava díla na budoucí provoz.

Ať už je použit jakýkoli způsob, kapalina používaná při vrtání všude vyžaduje čištění (pro další použití).

K tomu se používá následující soubor zařízení:

• Jímka pro skladování vrtného výplachu. (Pokud se plánuje vrtat mělkou studnu – v řádu několika desítek metrů, lze jímku zřídit přímo v zemi a jako proplachovací kapalina se používá obyčejná voda). Jímka slouží jako zásobník pro proplachovací kapalinu.
• Vibrační síto. Proplachovací výplach vynášený ze studny obsahuje částice rozbité horniny, které je třeba odstranit. Nejúčinnější způsob je mechanický, za použití vibračního síta.
• Usazovací nádrž. Po odstranění velkých částic horniny se kapalina dostane do usazovací nádrže, aby se zbavila suspendovaných částic, které se usazují. Při použití vody jako proplachovací kapaliny se usazovací nádrž někdy také zřizuje přímo v zemi. Kromě toho se k oddělení kapalných substancí a oddělení sedimentu používá hydrocyklón.
• Vrtné čerpadlo. Právě to zajišťuje cirkulaci proplachovacího výplachu.
• Systém žlabů. Jsou potřebné pro pohyb vody od místa tvorby vrtu k místu jeho čištění.

Celkem jsou pro výstavbu studny rotační technologií potřeba následující mechanismy a zařízení:

1. Věž nebo konzola pro montáž vrtné kolony z tyčí a její demontáž po dokončení vrtání, a také kladkostrojový systém.
2. Motor, který zajišťuje otáčení rotoru.
3. Zařízení pro kapalinu. Mechanismy a zařízení pro zajištění cirkulace proplachovací kapaliny a jejího čištění (čerpadlo; vibrační síto; usazovací nádrže a/nebo hydrocyklón; jímka pro skladování proplachovací kapaliny; systém trubek a žlabů).

Pro rotační vrtání mělkých vrtů je celá uvedená sada zařízení velmi kompaktní (například rameno konzoly je sklopné). To zajišťuje snadné umístění vrtného zařízení na libovolném místě vhodném pro provádění vrtných prací a následný provoz.

Dvě varianty rotačního vrtání

V závislosti na způsobu přivádění proplachovací kapaliny do dna vrtu se rozlišují 2 typy technologie rotačního vrtání:

1. s přímým přívodem;
2. s obráceným přívodem.

Je třeba poznamenat, že kapalina přiváděná do dna vrtu není určena pouze k proplachování a vynášení drcené horniny. Zároveň také ochlazuje vrtací korunku, která se třením silně zahřívá. V případě přímého přívodu kapaliny vytváří čerpadlo její přetlak.

Voda vstupuje do dna vrtu technologickými otvory v korunce, „uchopí“ rozdrcenou horninu a dále samospádem po vrtu (tedy přes mezikruží vzhledem k vedoucí tyči) stoupá na povrch, kde se dostává do čistícího komplexu (vibrační síto, hydrocyklon).

Proplachování může být přímé nebo obrácené, na čemž budou záviset kvalitativní charakteristiky používaného zařízení, ale principiální schéma platí pro obě varianty technologie.

Technologie obráceného přívodu předpokládá, že proplachovací kapalina přitéká ke dnu vrtu samospádem, sestupuje vrtem, zatímco zpět na povrch roztok s rozdrceným materiálem putuje trubkou vedoucí tyče. Vrtné čerpadlo v tomto případě vytváří podtlak právě v ní.

Navzdory zdánlivé jednoduchosti obou technologií je zde mnohem více nuancí, než by se na první pohled mohlo zdát. Proto se jeví jako vhodné zastavit se u každé z uvedených technologií vrtání podrobněji.

Vrtání s přímým přívodem promývací kapaliny

Tato technologie se někdy také nazývá „přímý vodní tok“. Je vhodné ji použít v písčitých, štěrkovitých, kamenitých půdách. Také se používá, pokud hloubka zvodnělé vrstvy nepřesahuje 30 m. Právě zde se do kapaliny přidávají přísady, které zvyšují její hustotu a stabilitu vrtu.

Rotační vrtání se vyznačuje postupným snižováním průměru vrtaného vrtu. Jinými slovy, nejprve se vrtá vrt největšího průměru, poté se paží trubkou a prstencový prostor mezi vnějším povrchem trubky a stěnou vrtu se skrz technologické otvory vyplňuje cementovou maltou.

Dále se vrtání provádí již menším vrtákem. Poté opět pažení a nový úsek má ještě menší průměr atd. Čím méně je třeba se „odvádět“ od cementování vrtu, tím větší je produktivita vrtání, což se nakonec projeví v celkových nákladech procesu a vrtu jako celku.

Kromě toho příliš časté pažení nakonec vede k tomu, že efektivní průměr vrtu (průměr, který otevírá zvodněnou vrstvu) se výrazně snižuje. Takže „přímý vodní tok“ se vyznačuje tím, že vrt při tomto způsobu jeho vytváření není třeba pažit až do 100 metrů.

Hlavní tlak promývací kapaliny je vytvářen čerpadlem uvnitř vodicí tyče, a mezikruží kapalina s úlomky horniny vyplňuje samospádem, aniž by nadměrným tlakem ničila stěny vrtu.

Schéma vrtání s přímým přívodem promývací kapaliny. Její přívod ke dnu vrtu je uskutečňován trubkou vodicí tyče, a na povrch stoupá již samospádem.

Tento způsob vrtání má však i nevýhody. Zejména příliš dlouhý nepažený úsek vede k tomu, že do zvodněných horizontů pronikají jemnozrnné jílovité částice, což může výrazně snížit a zpomalit přítok vody do výkopu ze zvodněné vrstvy.

Tyto částice zde hrají roli jakýchsi zátek pórů a mikrokanálů v hornině, kterými prosakuje voda. Proto je pažení prováděné během vrtání nezbytné pro zachování další produktivity vrtu jako celku.

Vrtání se zpětným přívodem promývací kapaliny

Při této metodě řízení přívodu kapaliny se vrtný kmen a dno vrtu čistí nejlépe. Čerpadlo zde kapalinu do dna nevhání, ale naopak – odsává ji zpět, což vede k tomu, že rychlost tvorby vrtu vrtákem vzrůstá o řád a ještě několikanásobně ve srovnání s přímým promýváním.

Samotný vrt není znečišťován jílovitými příměsemi s proudem přiváděné promývací kapaliny. Čerpadlo totiž nasává nahoru vše, co může obsahovat. Mimochodem, zde již není žádný praktický význam v dalších přísadách, proto se jako ona promývací kapalina používá čistá voda.

Schéma zpětného promývání při rotačním vrtání. Přívod jde samospádem přes mezikruží, a zpět je kal vytahován čerpadlem trubkou vodicí tyče.

Shrňme tedy výhody vrtání se zpětným vodním tokem:

• rychlost vrtání vzrůstá (ve srovnání s přímým vodním tokem) až 15krát;
• vodonosná vrstva není znečišťována jílovými částicemi a prachovými zrnky písku z nižších, dosud neopažených úrovní vrtu;
• díky kvalitnímu otevření vodonosné vrstvy není třeba vrt dále připravovat k provozu, lze ihned instalovat vnitřní pažnicovou kolonu s filtrem a spustit čerpání;
• jako pracovní kapalina se používá obyčejná (a tedy i levná) voda.

Tato metoda má nicméně i podstatnou nevýhodu. Vyžaduje nasazení drahého zařízení, což v důsledku vede k výraznému zdražení celého procesu vrtání.

Proto se vrtání „zpětným vodním tokem“ provádí pouze v případech, kdy je vrt navržen pro provoz hned několika domácnostmi. V případě, že je vrt určen pro individuální provoz, je mnohem rozumnější použít technologii rotačního vrtání s přímým vodním tokem.

Závěry a užitečné video k tématu

Video č. 1. Názorná ukázka procesu rotačního vrtání krok za krokem:

Video č. 2. Rozbor rotační technologie a principů zařízení vrtu:

Video č. 3. Cirkulace vody při provádění rotačního vrtání:

Situace ohledně výskytu a hloubky uložení vodonosných vrstev se může místo od místa výrazně lišit (a někde vůbec nejsou, jako na ostrově Madeira).

Při navrhování vrtu a výběru optimálního způsobu rotačního vrtání je vhodné použít dostupné mapy prozkoumaných vodonosných vrstev. To Vám pomůže ušetřit značné finance a čas.

Podělte se o své zkušenosti s vývojem vrtu pomocí rotační technologie. Sdělte technologické nuance, které budou užitečné pro návštěvníky webu. Zanechávejte prosím komentáře v blokovém formuláři níže, vkládejte fotografie a pokládejte dotazy k tématu článku.