Roterend boren van putten: overzicht van boortechnologie en benodigde apparatuur

Als een buitenhuis niet kan worden aangesloten op de centrale watervoorziening, moet een autonoom systeem worden georganiseerd. De meeste eigenaren geven er de voorkeur aan dit te baseren op een put, voor de ontwikkeling waarvan verschillende methoden worden gebruikt. Wij zullen roterend boren van putten bekijken – een veelbelovend maar nog weinig bekend alternatief.

In het door ons voorgestelde artikel worden de fijne kneepjes van de roterende technologie en de gebruikte gereedschappen gedetailleerd beschreven. De voor- en nadelen van deze methode zijn geanalyseerd, manieren om deze in de praktijk te implementeren worden gepresenteerd. Onze tips zullen van pas komen voor zuinige eigenaren van privéterreinen die het werk van boorders willen controleren.

Definitie van roterend boren

Laten we eerst eens bekijken wat roterend boren van putten eigenlijk inhoudt en wat de alternatieven zijn. Een van de meest gebruikelijke methoden voor het aanleggen van een waterwinning wordt nog steeds schroefboren erkend.

Echter, schroeftechnologie laat niet toe om vaste gesteenten te doordringen. De bij schroefboren gebruikte spiraalboor is niet in staat kalksteen te verbrijzelen. En het komt vaak voor dat men juist daarin moet boren, omdat de bovenliggende lagen geen stabiel en voldoende debiet voor exploitatie hebben.

Kernboor- en schroefboortechnologie biedt niet de mogelijkheid om vaste gesteenten te doordringen. In het geval van het aanleggen van een put in kalksteen is het efficiënter en economischer om de roterende boormethode te gebruiken.

Daarom is de roterende technologie, voorheen alleen gebruikt in de mijnbouw, geïntroduceerd in de sector van particuliere waterwinningsinstallaties. Het werkelement is de beitel die zich in het boorgat van de put bevindt. Met behulp van de beitel worden samenhangende en niet-samenhangende gronden verbrijzeld, worden vaste gesteenten gebroken.

Het verwijderen van het gebroken gesteente gebeurt met behulp van een vloeistof die naar de bodem wordt gevoerd via de werkzuil of via de ringvormige ruimte. Dit zijn 2 verschillende boormethoden, die elk hierna in detail worden besproken.

De diameter van de beitel overschrijdt de diameter van de werkzuil, wat toelaat:

• de energieverbruik voor het volledige boorproces verminderen (het vermogen wordt hier alleen direct gebruikt voor het met kracht ronddraaien van de beitel in de bodem, en de verliezen door wrijving van de werkcolonne tegen de boorgatwand worden geminimaliseerd);
• het grootste deel van de elementen van de werkcolonne beschermen tegen beschadiging, en ook de wanden van het geboorde boorgat tegen vernietiging;
• indrukwekkende boorgaten creëren wat betreft diameter (bijvoorbeeld tot 70 cm) bij extreem indrukwekkende diepten.

Op deze manier kunnen waterhoudende boorgaten worden gevormd met een diepte van 300 meter of meer, dat wil zeggen waterwinningswerken worden geboord voor de watervoorziening van datsja-gebieden en nederzettingen.

Dus, definitie: boren volgens het roterende principe is een methode van boorgatontwikkeling waarbij de kracht op de beitel in de bodem wordt overgebracht van de roterende rotator via de werkcolonne. Deze wordt samengesteld uit stangen – smalle stalen buizen die opeenvolgend aan elkaar worden bevestigd naarmate men dieper de grond in gaat.

Bij het reinigen van de boorgatschacht en de bodem van boorafval wordt daarentegen onder druk toegevoerd water gebruikt. Dankzij deze oplossing is het niet nodig om de boorcolonne voortdurend te demonteren en weer op te bouwen om de kern te extraheren zoals bij kernboren.

De in de werkruimte geïnjecteerde vloeistof lost meteen twee belangrijke taken op: het maakt de weg vrij voor het boorgereedschap om verder werk te verrichten en het voert een spoeling van het boorgat uit, noodzakelijk om de waterwinning voor te bereiden op exploitatie.

Voordelen van roterende technologie

Wat zijn de voordelen van roterend boren ten opzichte van mogelijke alternatieven? Er zijn er meerdere.

Ten eerste kunnen met behulp van een roterende beitel boorgaten met een grote diameter worden gecreëerd, die volledig kunnen voorzien in de waterbehoeften van meerdere huishoudens tegelijk.

Het is geen geheim dat boren een kostbaar proces is: er is gespecialiseerde apparatuur voor nodig en de controle en het beheer van het proces moeten worden uitgevoerd door ervaren boormeesters. Bovendien is de activiteit van het boren van boorgaten vergunningplichtig. Vandaar de hoge prijs.

Dankzij zijn vorm en constructie kan de beitel bij roterend boren boorgaten vormen met een veel grotere diameter dan schroefboren en kernborenbuizen.

Het samenvoegen van meerdere huishoudens om één gemeenschappelijk boorgat voor aangrenzende percelen te financieren is een economisch voordelige onderneming. Maar hiervoor is een aanzienlijk debiet vereist. In de meeste gevallen kunnen watervoerende lagen van Kwartaire afzettingen (zand) dit niet leveren.

Natuurlijk is het voor collectieve exploitatie beter om de waterwinningsput op kalksteen te plaatsen. Het daaruit gewonnen grondwater wordt gekenmerkt door een grotere waterrijkdom en zuiverheid. Op het debiet van boorgaten in kalksteen heeft de hoeveelheid neerslag geen enkele invloed. Dat kan niet gezegd worden van boorgaten in zand.

Ten tweede overtuigen de relatief lage energiekosten. Het werkelement bij roterend boren is de beitel. Maar in tegenstelling tot schroef- en kernboren, heeft het boorgereedschap geen interactie met de wanden van de geboorde put.

Dat wil zeggen, alleen de beitel heeft direct contact met de grond, waarvan de hoogte verwaarloosbaar klein is in verhouding tot de hoogte van de gehele boorkolom. Bijgevolg is deze methode voor het vormen van putten de snelste – tot 1000 strekkende meter per maand!

Ten derde trekt de boordiepte collectieve opdrachtgevers aan. Alleen met de rotatiemethode kan een put worden geboord die diep in metamorfe en stollingsgesteenten is verzonken, uit de scheuren waarvan water kan worden gepompt waarvan de samenstelling het meest geschikt is voor drinkdoeleinden.

Meestal wordt uit waterwinningswerken met een diepte van minder dan 30 m alleen technisch water gewonnen. De samenstelling ervan wordt beïnvloed door nabijgelegen waterlichamen, met afval vervuilde rivieren, neerslag, en gewoonweg op de grond gemorste technische vloeistoffen. Een schroef en een kernbuis kunnen alleen zo'n waterwinning opleveren.

Het hele set boorapparatuur kan eenvoudig worden gemonteerd op een enkel voertuigplatform met gemiddeld laadvermogen. Dit maakt het roterende boorproces veel technologischer en daardoor ook goedkoper.

Bovendien maakt roterend boren het mogelijk om de put over de volledige diepte te boren zonder over te schakelen op een andere boormethode. Bij het boren van een put met een schroef, bijvoorbeeld, wordt bij het moeten boren van een kei overgestapt op de slagkabelmethode.

Hiervoor wordt de schroefboor uit de schacht gehaald en wordt de beitel op de bodem geworpen totdat de kei is verbrijzeld. Vervolgens wordt de bodem schoongemaakt met een schepbeker. Deze wordt ook gebruikt als men met water verzadigd zand naar de oppervlakte moet brengen, dat in de kernbuis simpelweg niet wordt vastgehouden.

De praktijk leert dat putten die met de rotatiemethode zijn geboord een langere levensduur hebben. Technologisch wordt dit verklaard doordat na het plaatsen van de mantelbuis, die de wanden van de put vormt, de ruimte achter de buis extra wordt versterkt.

Apparatuur voor het aanleggen van een put

In eerste instantie wordt op het oppervlak boven de put een verticale console geplaatst voor de verdere bevestiging van de verticale schakels van de werkkolom. De eerste schakel van deze booras is uitgerust met een werkelement – de beitel, die een verschillende vorm kan hebben, afhankelijk van de boorbaarheidscategorie van het gesteente.

Natuurlijk wordt voor het boren van waterhoudende putten compactere apparatuur gebruikt en is het oprichten van de genoemde boortoren doorgaans niet nodig.

Set boorgereedschap

Bij het verdiepen van de eerste schakel, de kaars, wordt de volgende, die een stang wordt genoemd, erop geplaatst, enzovoort. De lengte van elk dergelijk blok van buizen kan variëren van 20 tot 50 m. Om de vorming van de werkcolonne te vereenvoudigen, is elke stang voorzien van een conische schroefdraad met een vergrendeling.

Uiteindelijk wordt er een boorgereedschap gevormd dat bestaat uit:

• een werkboorbeitel;
• een aandrijfstang;
• een kolom van gewone stangen die onderling met koppelingen zijn verbonden.

Het vasthouden van de werkcolonne gebeurt met behulp van een draaikoppeling, waarvan de rotatie door een rotor wordt uitgevoerd. Afhankelijk van hoe diep er geboord moet worden en wat de fysisch-mechanische eigenschappen van de grond zijn, worden voor de vorming van de aandrijfschakel standaard of verzwaarde stangen gebruikt.

De aandrijfstang is in de regel een verzwaarde buis, omdat er een belangrijke technologische taak aan wordt toegewezen. Via deze stang komt er spoelvloeistof naar de boorput bij de beitel, met als taak het uitspoelen van het verbrijzelde gesteente. Dit stelt op zijn beurt eisen aan de koppelverbindingen, met als taak het afdichten van de verbindingen tussen de schakels.

Men mag niet vergeten dat de vloeistofdruk direct afhangt van de hoogte van de gevormde kolom (en niet van de doorsnede van de buis). Zelfs als er water als spoelvloeistof wordt gebruikt, zal de druk elke 10 meter met 1 atmosfeer toenemen.

Ter vergelijking is het goed een voorbeeld te geven. De werkdruk in een huishoudelijk leidingnet in een huis bedraagt 10 atmosfeer, en de sterkste buizen zijn ontworpen voor een druk van 20 atmosfeer.

Alleen als huishoudelijke systemen stationair zijn en niet bewegen, wordt er op de aandrijfstang een druk uitgeoefend die gelijk is aan het gewicht van de boorkolom. En deze moet immers ook nog het rotatie-impuls en de kracht op de beitel overbrengen.

Koppelingen zijn de meest kritieke elementen van de stang, omdat zij het gewicht van het gehele onderste deel van de aangrenzende stang dragen, evenals de belasting van dynamische trillingen en de rotatiebeweging die door de motor wordt overgebracht.

Aan koppelingen als constructieve elementen van de boorkolom worden de volgende eisen gesteld, zij:

• moeten de dichtheid van de stangverbinding waarborgen en een vloeistofdruk tot 100 atmosfeer weerstaan (voor het reinigen van de boorput met een drukreiniger);
• moeten slijtvast zijn, zodat ze niet onbruikbaar worden door wrijving tegen de wanden van het boorgat;
• moeten in staat zijn het rotatiemoment over te brengen van het bovenste deel van de werkcolonne naar het onderste en uiteindelijk naar de beitel.

Het is uiterst belangrijk dat de koppelingen van de juiste kwaliteit zijn. Als ook maar één van hen de belasting niet kan weerstaan en de werkcolonne breekt, dan zal het uiterst moeilijk zijn om het onderste deel samen met de beitel eruit te halen. Qua kapitaalkosten is het soms eenvoudiger om een nieuw boorgat naast te boren dan om de losgeraakte aandrijfstang eruit te halen.

Gebruik van water tijdens het boren

De vloeistof die naar het boorgat wordt gevoerd, is meestal gewoon water. Soms wordt er, om de boorput te stabiliseren die door losse, onsamenhangende gesteenten (zand, grind, kiezelafzettingen) gaat, een oplossing met booradditieven in de put gepompt. Dit is nodig omdat er in de eerste fasen van het boren geen bekleding wordt geplaatst.

Het water komt de schacht binnen, hetzij onder druk in de aandrijfstang (en dan vindt de afpomping plaats via de ringruimte), hetzij door zwaartekracht naar beneden door de ringruimte, en de verwijdering gebeurt vervolgens via de werkzuil door een afpomppomp.

Dit zijn twee verschillende rotatieboor-technologieën, waarvan de kenmerken hieronder worden besproken.

Rotatieboren kenmerkt zich door de hoogste snelheid bij het ontwikkelen van een waterwinningsput. Gelijktijdig met het boren wordt de boorput gespoeld en wordt de schacht voorbereid op de toekomstige exploitatie.

Welke methode ook wordt toegepast, de bij het boren gebruikte vloeistof moet altijd worden gereinigd (voor verder gebruik).

Hiervoor wordt de volgende uitrusting gebruikt:

• Bassin voor opslag van boorvloeistof. (Als men een ondiepe put plant te boren – tot enkele tientallen meters – kan men dit direct in de grond aanleggen, en als spoelvloeistof wordt gewoon water gebruikt.) Het bassin fungeert als accumulator voor de spoelvloeistof.
• Trilzeef. De uit de put opgehaalde spoelvloeistof bevat deeltjes van gebroken gesteente die verwijderd moeten worden. De meest efficiënte methode is mechanisch, met gebruik van een trilzeef.
• Bezinktank. Na het verwijderen van de grote gesteentedeeltjes komt de vloeistof in de bezinktank om de zwevende deeltjes, die neerslaan, te verwijderen. Bij gebruik van water als spoelvloeistof wordt de bezinktank soms ook direct in de grond aangelegd. Daarnaast wordt voor het scheiden van vloeibare stoffen en het afscheiden van bezinksel een hydrocycloon gebruikt.
• Boorpomp. Deze zorgt voor de circulatie van de spoelvloeistof.
• Gotensysteem. Deze zijn nodig om het water te verplaatsen van het punt waar de schacht wordt gevormd naar de plaats van reiniging.

In totaal zijn voor de ontwikkeling van een put met rotatietechnologie de volgende mechanismen en uitrusting nodig:

1. Toren of hijskraan voor het monteren van de boorkolom uit stangen en het demonteren ervan na het boren, evenals een takelsysteem.
2. Motor die de rotatie van de rotor verzorgt.
3. Vloeistofuitrusting. Mechanismen en apparaten voor het waarborgen van de circulatie van de spoelvloeistof en de reiniging ervan (pomp; trilzeef; bezinktanks en/of hydrocycloon; bassin voor opslag van spoelvloeistof; systeem van leidingen en goten).

Voor rotair boren van ondiepe putten is de volledige vermelde set apparatuur zeer compact (bijvoorbeeld de giek van de console is inklapbaar). Dit zorgt voor een eenvoudige plaatsing van de boorapparatuur op elke locatie die geschikt is voor het uitvoeren van boorwerkzaamheden en de daaropvolgende exploitatie.

Twee varianten van roterend boren

Afhankelijk van de manier waarop de spoelvloeistof naar de bodem wordt gevoerd, zijn er twee typen rotairbortechnologie:

1. met directe toevoer;
2. met omgekeerde toevoer.

Het is belangrijk op te merken dat de vloeistof die naar de bodem wordt gevoerd, niet alleen bedoeld is voor het spoelen en afvoeren van het gebroken gesteente. Ze koelt ook de boorbeitel, die door wrijving sterk verhit raakt. Bij directe toevoer creëert de pomp een overdruk van de vloeistof.

Water komt de bodem binnen via de technische openingen in de boorbeitel, 'pakt' het gebroken gesteente op en stroomt vervolgens door de zwaartekracht via de put (dat wil zeggen, via de ringvormige ruimte ten opzichte van de geleidestang) naar de oppervlakte, waar het in het reinigingssysteem terechtkomt (trilzeef, hydrocycloon).

Spoeling kan direct of omgekeerd zijn, wat van invloed is op de kwaliteitskenmerken van de gebruikte apparatuur, maar het principeschema geldt voor beide techniekvarianten.

De technologie van omgekeerde toevoer houdt in dat de spoelvloeistof door de zwaartekracht naar de bodem stroomt, langs de put omlaag, terwijl de oplossing met het gebroken materiaal via de geleidestangbuis terug naar de oppervlakte komt. De boorpomp creëert in dit geval een onderdruk in die buis.

Ondanks de schijnbare eenvoud van beide technologieën, zijn er meer nuances dan op het eerste gezicht lijkt. Daarom is het raadzaam om elk van deze boortechnieken in meer detail te bespreken.

Boren met directe toevoer van spoelvloeistof

Deze technologie wordt soms ook wel 'directe waterstroom' genoemd. Het wordt aanbevolen voor gebruik in zand-, grind- en puinbodems. Ook wordt het toegepast wanneer de diepte van de watervoerende laag niet meer dan 30 m bedraagt. Juist hier worden additieven aan de vloeistof toegevoegd die de dichtheid en stabiliteit van de boorput verhogen.

Rotair boren kenmerkt zich door een stapsgewijze vermindering van de diameter van de te boren put. Met andere woorden, eerst wordt de put met de grootste diameter geboord, vervolgens wordt deze verbuisd met een pijp, en de ringvormige ruimte tussen het buitenoppervlak van de pijp en de wand van de put wordt via technische openingen gevuld met cementmortel.

Vervolgens wordt het boren voortgezet met een kleinere beitel. Daarna weer bekleding, en het nieuwe traject heeft een nog kleinere diameter, enzovoort. Hoe minder vaak men 'afgeleid' hoeft te worden door het cementeren van de put, hoe hoger de boorproductiviteit, wat uiteindelijk tot uiting komt in de totale kosten van het proces en de put als geheel.

Bovendien leidt te frequente bekleding er uiteindelijk toe dat de effectieve diameter van de put (de diameter die de watervoerende laag ontsluit) sterk afneemt. De 'directe waterstroom' wordt er dus door gekenmerkt dat de put bij deze vormingsmethode tot 100 meter niet hoeft te worden bekleed.

De hoofddruk van de spoelvloeistof wordt gecreëerd door de pomp in de geleidestang, en de ringvormige ruimte vult de vloeistof met elementen van gebroken gesteente door zwaartekracht, zonder de putwanden met overdruk te beschadigen.

Schema van boren met directe toevoer van spoelvloeistof. De toevoer naar de boorvloer gebeurt via de pijp van de geleidestang, en aan de oppervlakte stijgt het op door zwaartekracht.

Echter heeft deze boormethode ook nadelen. In het bijzonder leidt een te lang onbekleed traject ertoe dat fijnverdeelde kleideeltjes in de watervoerende horizonten terechtkomen, wat de watertoevoer naar de winning uit de watervoerende laag aanzienlijk kan verminderen en vertragen.

Deze deeltjes fungeren hier als een soort stoppen voor poriën en microkanalen in het gesteente, waar water doorheen sippelt. Daarom is de tijdens het boren uitgevoerde bekledingsprocedure noodzakelijk om de toekomstige productiviteit van de put als geheel te behouden.

Boren met omgekeerde toevoer van spoelvloeistof

Bij deze methode van vloeistoftoevoerregeling worden de boorschacht en de boorvloer het beste gereinigd. De pomp perst hier de vloeistof niet in de boorvloer, maar zuigt het juist terug, wat ertoe leidt dat de snelheid van putvorming met de beitel met een orde van grootte en nog meerdere keren toeneemt in vergelijking met directe spoeling.

De put zelf wordt niet vervuild door klei-insluitsels met de stroom van de toegevoerde spoelvloeistof. De pomp zuigt immers alles op wat erin kan zitten. Trouwens, er is hier geen praktisch nut meer voor extra additieven, dus wordt zuiver water gebruikt als spoelvloeistof.

Schema van omgekeerde spoeling bij roterend boren. De toevoer gebeurt door zwaartekracht via de ringvormige ruimte, en terug wordt het slib door de pomp opgezogen via de pijp van de geleidestang.

Laten we de voordelen van boren met omgekeerde waterstroom samenvatten:

• de boorsnelheid neemt (in vergelijking met directe waterstroom) tot 15 keer toe;
• de watervoerende laag raakt niet verstopt met kleideeltjes en siltzandkorrels uit de lagere, nog niet-omklede niveaus van de boorput;
• Dankzij de kwalitatieve ontsluiting van de watervoerende laag hoeft de boorput niet extra te worden voorbereid voor gebruik; u kunt meteen de binnenste buiskolom met filter plaatsen en de pompproef starten.
• Als werkvloeistof wordt gewoon (en dus goedkoop) water gebruikt.

Niettemin heeft deze methode ook een aanzienlijk nadeel. Het vereist het gebruik van dure apparatuur, wat uiteindelijk leidt tot een aanzienlijke kostenverhoging van het hele boorproces.

Daarom wordt boren met 'omgekeerde watercirculatie' alleen uitgevoerd wanneer de put is ontworpen voor gebruik door meerdere huishoudens tegelijk. Maar als de put is ontworpen voor individueel gebruik, is het veel redelijker om de technologie van roterend boren met directe watercirculatie te gebruiken.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Video #1. Duidelijke demonstratie van het roterend boorproces stap voor stap:

Video #2. Analyse van de roterende technologie en de principes van putontwikkeling:

Video #3. Watercirculatie tijdens het roterend boren:

De situatie met betrekking tot de aanwezigheid en diepte van watervoerende lagen kan sterk variëren van plaats tot plaats (en op sommige plaatsen zijn ze er helemaal niet, zoals op het eiland Madeira).

Bij het ontwerpen van de boorput en het kiezen van de optimale methode van roterend boren, dient u de beschikbare kaarten van onderzochte watervoerende lagen te gebruiken. Dit helpt u aanzienlijk geld en tijd te besparen.

Vertel ons over uw ervaring met het ontwikkelen van een put met roterende technologie. Deel technologische nuances die nuttig kunnen zijn voor bezoekers van de site. Laat alstublieft reacties achter in het onderstaande blokformulier, plaats foto's en stel vragen over het onderwerp van het artikel.