Rotationsboring af brønde: oversigt over boreteknik og nødvendigt udstyr

Hvis et landsted ikke kan tilsluttes den centrale vandforsyning, skal der etableres et autonomt system. De fleste ejere foretrækker at basere det på en brønd, som udvikles ved hjælp af forskellige metoder. Vi vil se på rotationsboring af brønde – en yderst lovende, men endnu lidet kendt mulighed.

I den artikel, vi har foreslået, beskrives detaljeret finesserne ved rotationsteknologien og de anvendte værktøjer. Fordelene og ulemperne ved denne metode gennemgås, og metoder til dens praktiske anvendelse præsenteres. Vores råd vil være nyttige for driftige grundejere, der ønsker at kontrollere borearbejdets gang.

Definition af rotationsboring

For det første, lad os se på, hvad rotationsboring af brønde egentlig er, og hvad er alternativerne? En af de mest almindelige metoder til at etablere en vandindtagsåbning er fortsat skrueboring.

Imidlertid tillader skrueteknologien ikke at bore gennem hårde grundfjeld. Den i skrueboring anvendte skruebor er ikke i stand til at nedbryde kalksten. Men det sker ofte, at man netop skal bore ned i kalksten, fordi de overliggende lag ikke har en stabil og tilstrækkelig vandydelse til driften.

Kerneboring og skrueboringsteknologi giver ikke mulighed for at bore gennem hårde bjergarter. Ved etablering af en brønd i kalksten er det mere effektivt og økonomisk at anvende rotationsboring.

Derfor er rotationsteknologien, tidligere kun anvendt i minedriftsindustrien, nu begyndt at blive indført i etableringen af private vandindtagsanlæg. Dens arbejdselement er en mejsel placeret i brøndens bund. Med mejselen nedbrydes kohesive og ikke-kohesive jordarter, og hårde grundfjeld knuses.

Udtagningen af den knuste bjergmasse sker ved hjælp af en væske, som tilføres bunden gennem borestrengen eller ringrummet. Dette er 2 forskellige boremetoder, som hver især vil blive behandlet detaljeret senere.

Diameteren af boremejselen overstiger diameteren af borestrengen, hvilket gør det muligt:

• reducere energiforbruget til hele boreprocessen (strømmen bruges her kun direkte til at dreje boret med kraft i bunden, og friktionstabet af borestrengen mod borehullets vægge minimeres);
• beskytte størstedelen af borestrengens elementer mod skader samt borehullets vægge mod ødelæggelse;
• skabe boringer med imponerende diameter (f.eks. op til 70 cm) ved ekstremt imponerende dybder.

På denne måde kan man danne vandførende boringer med en dybde på 300 meter eller mere, dvs. bore vandindtagsarbejder til at forsyne sommerhusområder og bebyggelser med vand.

Altså, definitionen: rotaryboring er en metode til brøndudvikling, hvor kraften på boret i bunden overføres fra rotary-rotatoren gennem borestrengen. Den samles af stænger – smalle stålrør, der forbindes sekventielt til hinanden efterhånden som man graver sig dybere ned i jorden.

Men ved rensning af borehullets skakt og bund fra skæringsrester anvendes vand, der tilføres under tryk. Takket være denne løsning er det ikke nødvendigt konstant at adskille og samle borestrengen for at udvinde kerne som i kernedrilling.

Den injicerede væske løser straks to vigtige opgaver: den rydder vejen for boreværktøjet til at udføre yderligere arbejde og udfører brøndskylning, som er nødvendig for at forberede vandindtaget til drift.

Fordele ved rotationsteknologi

Hvad er fordelene specifikt ved rotaryboring i forhold til mulige alternativer? Der er flere.

For det første kan man ved at bruge en rotaryborekrone skabe boringer med stor diameter, som fuldt ud kan dække vandbehovet for flere husstande på én gang.

Det er ingen hemmelighed, at boring er en dyr proces: der kræves specialiseret udstyr, og erfarne boremestre skal kontrollere og styre processen. I sidste ende er aktiviteten forbundet med brøndboring licenspligtig. Derfor den høje pris.

Takket være sin form og konstruktion kan borekronen ved rotaryboring danne boringer med en meget større diameter end skruebor og kernetagningsrør.

Sammenslutning af flere husstande for at finansiere en fælles brønd for tilstødende grunde – er en økonomisk fordelagtig virksomhed. Men dette kræver et betydeligt ydelsesniveau. I de fleste tilfælde kan grundvandsmagasiner i kvartære aflejringer (sand) ikke levere dette.

Naturligvis er det bedre for kollektiv drift at placere vandindtaget på kalksten. Det grundvand, der udvindes derfra, er karakteriseret ved større vandrigdom og renhed. Ydelsen af boringer i kalksten påvirkes ikke det mindste af mængden af nedbør. Hvad man ikke kan sige om boringer i sand.

For det andet overbeviser de relativt små energiomkostninger. Arbejdselementet ved roterende boring er boremejselen. Men i modsætning til skrueboring og kerneboring interagerer boreværktøjet ikke med væggene i den borede brønd.

Det vil sige, at det kun er boremejselen, der har direkte kontakt med jorden, og dens højde er ubetydelig i forhold til højden af hele borestrengen. Som følge heraf er denne metode til brønddannelse den hurtigste – op til 1000 løbende meter om måneden!

For det tredje tiltrækker boredybden kollektive kunder. Kun ved roterende boring kan man bore en brønd, der er nedsænket i metamorfe og magmatiske grundfjeld, fra hvis sprækker man kan hente vand, hvis sammensætning er bedst egnet til drikkevand.

Oftest udvindes der kun teknisk vand fra vandindtagsarbejder med en dybde på under 30 m. Dets sammensætning påvirkes af nærliggende vandområder, affaldsfyldte åer, nedbør og simpelthen spildte tekniske væsker på jorden. Skruebor og kerneslange kan kun give en sådan vandindtag.

Hele sættet af boreudstyr monteres nemt på en enkelt lastbilplatform med mellemstor lastekapacitet. Dette gør den roterende boreproces langt mere teknologisk, og dermed også billigere.

Derudover gør roterende boring det muligt at gennemføre boringen i fuld dybde uden at skifte til en anden boremetode. Ved udvikling af en brønd med skruebor, for eksempel, hvis det er nødvendigt at bore en stenblok, skifter man til slagline-metoden.

Til dette formål trækker man skrueapparatet ud af skaftet og kaster boremejselen ned i borebunden, indtil man har knust stenen. Derefter renser man borebunden med en bailer. Denne bruges også, hvis man skal hente vandmættet sand op til overfladen, som simpelthen ikke holdes fast i kerneslangen.

Praksis viser, at brønde boret med roterende metode har en længere levetid. Teknisk forklares dette ved, at efter installation af foringsrøret, der danner brøndens vægge, forstærkes det ringformede rum yderligere.

Udstyr til brøndinstallation

Først installeres en lodret konsol på overfladen over brønden til yderligere fastgørelse af de lodrette led i arbejdsstrengen. Det første led i denne boreaksel er udstyret med en boremejsel, som kan have forskellige formater afhængigt af bjergartens borkategori.

Naturligvis anvendes der mere kompakt udstyr til boring af vandholdige brønde, og opførelsen af det nævnte tårn er som regel ikke nødvendig.

Sæt af boreværktøjer

Når det første led, flammen, sænkes ned, sættes det næste, kaldet stangen, på, og så videre. Længden af hver sådan blok af rør kan variere fra 20 til 50 m. For at lette dannelsen af arbejdssøjlen er hver stang udstyret med konisk gevind med lås.

Som resultat dannes en borerig, som består af:

• arbejdshammer;
• føringsstang;
• søjle af almindelige stænger, forbundet med muffer.

Hold af arbejdssøjlen sker ved hjælp af en svirvel, hvis rotation udføres af roteren. Afhængigt af hvor dybt det er planlagt at bore, samt hvilke fysisk-mekaniske egenskaber jorden har, anvendes standard eller tunge stænger til dannelse af føringsleddet.

Føringsstangen er som regel et tungt rør, fordi den har en vigtig teknologisk opgave. Gennem den tilføres borevæske til borehullet til hammeren, hvis opgave er at skylle knust sten ud. Dette stiller krav til muffeforbindelserne, hvis opgave er at tætne samlingerne mellem leddene.

Man må ikke glemme, at væsketrykket direkte afhænger af højden på den dannede søjle (og ikke af rørets tværsnit). Hvis der endda bruges vand som borevæske, vil trykket stige med 1 atmosfære for hver 10 meter.

Til sammenligning kan man nævne et eksempel. Arbejdstrykket i et husholdningsvandledningsnet i et hus er 10 atmosfærer, og de stærkeste rør er designet til et tryk på 20 atmosfærer.

Men hvor husholdningssystemer er stationære og ikke bevæger sig, påvirkes føringsstangen af et tryk svarende til vægten af borekolonnen. Og den skal jo også overføre rotationsimpuls og kraft til hammeren.

Mufferne er de mest kritiske elementer på stangen, fordi de bærer vægten af hele den nedre del af den tilstødende stang samt belastningen fra dynamiske vibrationer og rotationsbevægelse fra motoren.

Til mufferne som konstruktionselementer i borekolonnen stilles følgende krav, de:

• skal sikre tæthed i stangforbindelserne og modstå væsketryk op til 100 atmosfærer (til rensning af borehullet med trykstråle);
• skal være slidstærke for ikke at blive ubrugelige ved friktion mod brøndvæggene;
• skal kunne overføre rotationsmoment fra den øverste del af arbejdssøjlen til den nederste og i sidste ende til hammeren.

Det er yderst vigtigt, at mufferne har tilstrækkelig kvalitet. Hvis blot én af dem ikke kan holde til belastningen, og arbejdssøjlen bliver revet i stykker, vil det være ekstremt vanskeligt at få den nederste del sammen med hammeren op. Med hensyn til kapitalomkostninger er det nogle gange lettere at bore en ny brønd i nærheden end at få den løsnede føringsstang op.

Brug af vand under boring

Væsken, som tilføres til bunden, er oftest almindeligt vand. Nogle gange, for at stabilisere borehullet, der passerer gennem løse, uforbundne bjergarter (sand, grus, grus-, sten- og rullestensaflejringer), tilfører man en opløsning med boreadditiver til brønden. Det er nødvendigt, fordi foringsrør ikke sættes i de første faser af gennemboringen.

Vandet kommer ind i brønden enten under tryk inde i føringsstangen (og så sker pumpningen gennem ringrummet) eller ved tyngdekraften nedad gennem ringrummet, og fjernelsen sker derefter gennem arbejdssøjlen med en udpumpningspumpe.

Det er 2 forskellige teknikker inden for roterende boring, hvis særtræk vil blive gennemgået nedenfor.

Roterende boring kendetegnes ved den højeste hastighed for udvikling af en vandindvindingsbrønd. Samtidig med boringen foretages gennemskylning af borehullet og forberedelse af brønden til den kommende drift.

Men uanset hvilken metode der anvendes, skal væsken, der bruges i boringen, overalt renses (til videre anvendelse).

Til dette formål anvendes følgende udstyrskompleks:

• Beholder til opbevaring af borevæske. (Hvis man planlægger at bore en lavvandet brønd – inden for nogle få tiere meter kan man anlægge den direkte i jorden, og som skyllevæske bruges almindeligt vand.) Beholderen fungerer som en akkumulator for skyllevæsken.
• Vibrationssigte. Skyllevæsken, der hæves fra brønden, indeholder partikler af knust bjergart, som skal fjernes. Den mest effektive metode er mekanisk, ved hjælp af vibrationssigte.
• Sedimentationstank. Efter fjernelse af store bjergartspartikler kommer væsken ind i sedimentationstanken for at slippe af med suspenderede partikler, der falder som bundfald. Når vand bruges som skyllevæske, anlægges sedimentationstanken også nogle gange direkte i jorden. Derudover anvendes en hydrocyklon til adskillelse af flydende stoffer og bundfald.
• Borepumpe. Det er den, der sikrer cirkulation af skyllevæsken.
• Rendesystem. De er nødvendige for bevægelse af vand fra det punkt, hvor brønden dannes, til stedet for rensning.

I alt til udvikling af en brønd ved roterende teknologi kræves følgende mekanismer og udstyr:

1. Boretårn eller konsol til samling af borestrengen af stænger og demontering efter afsluttet boring, samt taljesystem.
2. Motor, der sørger for rotation af rotoren.
3. Udstyr til væske. Mekanismer og anordninger til at sikre cirkulation af skyllevæsken og dens rensning (pumpe; vibrationssigte; sedimentationstanke og/eller hydrocyklon; beholder til opbevaring af skyllevæske; system af rør og render).

Til rotaryboring af lavvandede brønde er hele det nævnte udstyrssæt meget kompakt (f.eks. er konsolarmen foldbar). Dette sikrer nem placering af boreudstyret på ethvert sted, der er bekvemt til borearbejde og efterfølgende drift.

To varianter af rotationsboring

Afhængigt af metoden til tilførsel af skyllevæske til bunden skelnes der mellem 2 typer rotaryboringsteknologi:

1. med direkte tilførsel;
2. med omvendt tilførsel.

Det skal bemærkes, at væsken, der tilføres bunden, ikke kun er beregnet til at skylle og fjerne knust bjerg. Den køler også boret, som bliver meget varmt af friktion. Ved direkte væsketilførsel skaber pumpen overtryk.

Vandet kommer ind i bunden gennem borets teknologiske huller, 'samler' den knuste bjergart og strømmer derefter ved selvtryk gennem brønden (dvs. gennem ringrummet i forhold til lederstangen) til overfladen, hvor det kommer ind i et renseanlæg (vibrationssi, hydrocyklon).

Skylning kan være direkte eller omvendt, hvilket vil påvirke kvalitetsegenskaberne for det anvendte udstyr, men det principielle diagram gælder for begge teknologivarianter.

Teknologien med omvendt tilførsel indebærer, at skyllevæsken strømmer til bunden ved selvtryk, ned gennem brønden, mens opløsningen med knust materiale strømmer tilbage til overfladen gennem lederstangens rør. Borepumpen skaber i dette tilfælde undertryk i den.

På trods af den tilsyneladende enkelhed i begge teknologier, er der mange flere nuancer, end man umiddelbart skulle tro. Derfor synes det hensigtsmæssigt at se nærmere på hver af de nævnte boreteknologier.

Boring med direkte tilførsel af skyllevæske

Denne teknologi kaldes også nogle gange for 'direkte vandgennemstrømning'. Det er hensigtsmæssigt at bruge den i sandede, grusede og knuste stenjorde. Den anvendes også, hvis dybden af det vandførende lag ikke overstiger 30 m. Det er her, der tilsættes additiver til væsken for at øge dens densitet og borestabilitet.

Rotaryboring er kendetegnet ved en gradvis reduktion af brøndens diameter. Med andre ord bores først en brønd med den største diameter, derefter foringsrøres den med et rør, og ringrummet mellem rørets yderside og brøndvæggen fyldes gennem teknologiske huller med cementmørtel.

Derefter fortsætter boringen med en mindre borekrone. Derefter igen foring, og den nye sektion har en endnu mindre diameter osv. Jo sjældnere man behøver at 'afbryde' for at cementere borehullet, desto større er boreeffektiviteten, hvilket i sidste ende afspejles i de samlede omkostninger for processen og brønden som helhed.

Desuden fører for hyppig foring til, at den effektive diameter af brønden (den diameter, som åbner vandførende lag) reduceres betydeligt. Så 'direkte vandstrøm' er kendetegnet ved, at brønden med denne konstruktionsmetode ikke behøver foring op til 100 meter.

Hovedtrykket af skyllevæsken skabes af pumpen inde i drejestangen, og ringrummet uden for foringsrøret fyldes med væske og knust bjergartsmateriale ved gravitation, uden at beskadige brøndvæggene med overtryk.

Skema for boring med direkte tilførsel af skyllevæske. Væsken tilføres til bunden gennem drejestangen, og den stiger op til overfladen ved gravitation.

Dog har denne boremetode også ulemper. Især fører en for lang uføret sektion til, at fint dispergerede lerpartikler trænger ind i vandførende horisonter, hvilket kan reducere og forsinke vandtilstrømningen til udvindingen fra vandførende lag betydeligt.

Disse partikler fungerer som en slags propper for porer og mikrokanaler i bjergarten, som vandet siver igennem. Derfor er foringsprocessen under boring nødvendig for at bevare brøndens fremtidige ydeevne som helhed.

Boring med omvendt tilførsel af skyllevæske

Ved denne metode til styring af væsketilførsel renses borehullet og bunden bedst. Pumpen presser ikke væsken ned i bunden, men suger den i stedet tilbage, hvilket fører til, at borekronehastigheden ved dannelse af brønden stiger med en størrelsesorden og endda flere gange sammenlignet med direkte skylning.

Selve brønden udsættes ikke for forurening af lerholdige indeslutninger med strømmen af skyllevæske. Pumpen suger jo alt op, hvad der kan være i den. Forresten er der her ikke længere nogen praktisk mening med yderligere tilsætningsstoffer, så derfor bruges rent vand som skyllevæske.

Skema for omvendt skylning ved rotorboring. Tilførslen sker ved gravitation gennem ringrummet, og slammet trækkes tilbage af pumpen gennem drejestangen.

Så lad os opsummere fordelene ved boring med omvendt vandstrøm:

• borehastigheden stiger (sammenlignet med direkte vandstrøm) op til 15 gange;
• grundvandsmagasinet tilstoppes ikke af lerpartikler og siltkorn fra de nederste, endnu uforede niveauer af borehullet;
• takket være en kvalitativ åbning af grundvandsmagasinet behøver borehullet ikke yderligere forberedelse til drift; man kan straks installere den indre foringsrør med filter og starte pumpning med en pumpe;
• Som arbejdsvæske anvendes almindeligt (og dermed billigt) vand.

Dog har denne metode også en væsentlig ulempe. Den kræver dyrt udstyr, hvilket i sidste ende fører til en betydelig fordyrelse af hele boreprocessen.

Derfor udføres boring med 'omvendt vandstrøm' kun i tilfælde, hvor borehullet er beregnet til drift af flere husstande på én gang. Men hvis borehullet er beregnet til individuel drift, er det langt mere fornuftigt at bruge roterboringsteknologi med direkte vandstrøm.

Konklusioner og nyttig video om emnet

Video #1. Visuel demonstration af roterboring trin for trin:

Video #2. Gennemgang af roterteknologi og principper for borehulskonstruktion:

Video #3. Vandcirkulation under roterboring:

Situationen med tilgængeligheden og dybden af grundvandsmagasiner kan variere meget fra sted til sted (og nogle steder findes de slet ikke, som på øen Madeira).

Ved design af borehullet og valg af den optimale metode til roterboring bør man bruge eksisterende kort over udforskede grundvandsmagasiner. Dette vil hjælpe dig med at spare betydelige penge og tid.

Fortæl om din erfaring med at udvikle et borehul ved hjælp af roterteknologi. Del tekniske nuancer, der vil være nyttige for webstedets besøgende. Efterlad venligst kommentarer i blokformularen nedenfor, upload billeder og stil spørgsmål om emnet for artiklen.