Metodi di perforazione dei pozzi: principi tecnologici e caratteristiche dei metodi principali

La realizzazione di un pozzo di captazione dell'acqua comporta l'applicazione di diversi metodi di perforazione. I terreni sciolti e saturi d'acqua vengono estratti con l'ausilio della benna a valvola. Per la perforazione di terreni argillosi e rocciosi si utilizzano metodi di perforazione basati sul principio rotativo e vibratorio.

Nei lavori vengono impiegati meccanismi che consentono di sviluppare terreni di vario tipo e a diverse profondità. Le spiegheremo come scegliere la tecnologia di perforazione ottimale, che consente di eseguire lo scavo in modo rapido e impeccabile per la realizzazione di un pozzo di captazione.

Per una chiara rappresentazione delle informazioni da noi proposte, il testo è integrato da utili schemi, raccolte fotografiche e guide video.

Tipi di metodi di perforazione

Precedentemente, la trivellazione di pozzi acquiferi per uso personale veniva effettuata principalmente con metodo manuale. Era un processo faticoso e lungo, quindi non ogni proprietario di un terreno o di una dacia poteva vantare la presenza di una propria fonte di approvvigionamento idrico.

Gradualmente, la perforazione meccanizzata ha sostituito i metodi manuali grazie al notevole alleggerimento e accelerazione del processo.

Oggi praticamente tutti i pozzi d'acqua vengono perforati con metodo meccanizzato, basato sulla rottura del terreno e sul suo trasporto in superficie in uno dei due modi: a secco, quando il terreno di scarto viene rimosso dal pozzo mediante meccanismi, e idraulico, quando viene lavato via dall'acqua immessa sotto pressione o per gravità.

Si distinguono tre metodi principali di perforazione meccanica:

• Rotativo (il terreno viene scavato per rotazione).
• Percussivo (l'utensile di perforazione rompe il terreno a colpi).
• Vibratorio (il terreno viene scavato mediante vibrazioni ad alta frequenza).

Il metodo rotativo è considerato il più produttivo, superando in efficienza quello percussivo di 3-5 volte e quello vibratorio di 5-10 volte. Inoltre, il metodo rotativo è il più economico e accessibile, e viene spesso utilizzato come metodo principale per la perforazione manuale.

I metodi meccanici di perforazione rotativa per i pozzi d'acqua hanno preso il posto dei metodi manuali poco efficaci.

A sua volta, il metodo di perforazione rotativa, ampiamente utilizzato per la costruzione di pozzi d'acqua, si suddivide in quattro tipi principali di perforazione:

• a carotaggio;
• a coclea;
• a percussione e fune;
• rotativo.

Ogni tipo di perforazione rotativa ha le sue caratteristiche e viene eseguita con attrezzature appositamente progettate. Esaminiamo questi tipi di perforazione più in dettaglio, individuiamo le loro differenze e quale metodo è necessario applicare in ogni caso specifico.

Specifiche della perforazione a carotaggio

La perforazione a carotaggio è un metodo meccanico rotativo in cui il terreno argilloso o sabbioso denso viene estratto sotto forma di carota cilindrica. L'utensile di perforazione per il carotaggio è costituito da un tubo metallico a pareti spesse.

Nella parte superiore dell'utensile di perforazione a carotaggio si trova un dispositivo per il collegamento delle aste necessarie per prolungare la colonna di perforazione. Nella parte inferiore – una corona, il cui tipo viene scelto in base alla categoria del terreno da perforare.

Durante la perforazione con il metodo a carotaggio, il terreno viene frantumato da una corona anulare. La parte interna della carota viene conservata intatta. Per facilitare il processo di perforazione in argille dure e semi-dure, argille, rocce dure, sul fondo del pozzo viene iniettato fluido di lavaggio.

Nella perforazione a carotaggio, il terreno non viene frantumato, ma viene “forato” dalla corona e catturato dal tubo carotiere. In superficie, la roccia perforata viene estratta sotto forma di carota – una colonna monolitica cilindrica di roccia.

Il detrito dal fondo viene talvolta rimosso mediante lavaggio – iniezione di una grande quantità d'acqua nel pozzo. Più spesso, il lavaggio viene sostituito da soffiaggio con aria compressa fornita dal compressore all'interno del tubo. Questo tipo di perforazione consente di perforare pozzi fino a 1000 metri di profondità e con diametro da 8 a 20 cm.

La trivellazione meccanica a carotaggio viene eseguita con impianti di perforazione di tipo ZIF, UGB, UKB, montati su veicoli come KAMAZ, KRAZ, trattori per skidding, ecc. Nella variante per la trivellazione manuale, il tubo carotiere viene accorciato e chiamato campana o bicchiere. A quest'ultimo, un oggetto di uso quotidiano capovolto a testa in giù, il tubo carotiere è strutturalmente simile.

La perforazione a carotaggio viene utilizzata nei seguenti casi:

• esplorazione geologica di minerali;
• perforazione di pozzi esplorativi;
• realizzazione di pozzi d'acqua di qualsiasi profondità, inclusi pozzi senza filtri in rocce dure.

Per la realizzazione di pozzi privati per acqua, in alcuni casi il metodo a carotaggio viene utilizzato prima di iniziare la trivellazione a coclea o rotativa, svolgendo contemporaneamente un ruolo esplorativo e preparatorio.

Nella realizzazione di pozzi privati, la perforazione a carotaggio viene utilizzata in combinazione con quella a percussione. Gli strati argillosi vengono attraversati con il tubo carotiere. Le sabbie a struttura non compatta, la ghiaia e i ciottoli con riempimento sabbioso, che non vengono trattenuti nel tubo carotiere, vengono estratti dal foro mediante sonda a secchia.

In termini di efficienza, il metodo a carotaggio è leggermente inferiore al metodo a coclea per la perforazione dei pozzi di presa d'acqua. Con la coclea si fora più velocemente, ma non permette di liberare completamente il foro dal terreno perforato. Vengono usati raramente in coppia. E se accade, con la coclea si superano i primi metri.

Le corone non distruggono il terreno, ma lo tagliano accuratamente lungo il perimetro, formando “colonnine” – carote, studiando le quali si può realizzare una sezione idrologica del sito.

Attrezzature e strumenti utilizzati

Per la perforazione a carotaggio vengono utilizzati i seguenti strumenti:

• corone di perforazione in diamante o altro materiale duro (acciaio, tungsteno, pobedit);
• tubo carotiere;
• tubo per lo scarico dei fanghi;
• aste necessarie per l'estensione della colonna di perforazione;
• giunti a manicotto, adattatori tra tubi, premistoppa di lavaggio.

Durante la perforazione in rocce dure, la corona di perforazione si consuma rapidamente e deve essere sostituita. Il materiale della corona – costoso, in grado di sopportare carichi enormi, le varianti diamantate hanno ottenuto la maggiore diffusione.

Tutti gli strumenti utilizzati nel processo di perforazione devono rispettare la coassialità, cioè essere posizionati esattamente rispetto all'asse di perforazione.

Tecnologia di trivellazione a carotaggio

La caratteristica principale della perforazione a carotaggio – l'attraversamento del terreno con la sua completa conservazione nel tubo carotiere. Cioè, durante il funzionamento dell'attrezzatura di perforazione, la corona distrugge il terreno ad anello, che man mano che si approfondisce viene spinto nel tubo carotiere e vi rimane grazie alla propria densità.

Quando si estrae il tubo pieno dal foro di perforazione, lo si libera dalla carota picchiando con una mazza.

Il processo passo passo della perforazione a carotaggio si presenta come segue:

• la corona di perforazione viene collegata al tubo carotiere;
• il tubo carotiere viene collegato alle aste, che vengono estese man mano che si approfondisce;
• L'asta superiore viene fissata nella perforatrice;
• La perforatrice ruota la colonna di perforazione e gradualmente la “avvita” nel terreno;
• Il tubo carotiere si riempie gradualmente di carota – terreno incastrato nella sua cavità;
• Dopo una perforazione di 50 – 70 cm, la colonna di perforazione viene estratta in superficie, le aste vengono scollegate una dopo l'altra fino a quando non viene estratta la carotiera;
• Il tubo viene liberato dalla roccia perforata;
• Il carotiere vuoto viene nuovamente calato sul fondo, prolungando la colonna di perforazione con le aste.

Le operazioni vengono eseguite nell'ordine descritto fino a quando il pozzo non raggiunge la falda acquifera e non si approfondisce di 50 cm nella roccia impermeabile sottostante.

Se la fissazione dell'orizzonte acquifero superiore non è l'obiettivo della perforazione, gli strati superiori possono essere trivellati con lavaggio. In questo caso, una pompa invia il fluido di lavaggio attraverso un tubo all'interno delle colonne. Quindi il fluido trasporta il terreno scavato in superficie.

Se lo scopo della realizzazione del pozzo non è una falda acquifera in depositi sabbiosi, la perforazione fino al raggiungimento di rocce dure può essere effettuata con circolazione di fango.

Importanti vantaggi e svantaggi

Rispetto al metodo a percussione con cavo e al metodo rotatorio di perforazione meccanica, la perforazione a carotaggio viene eseguita abbastanza rapidamente, riducendo notevolmente i tempi di lavoro. Il suo principale svantaggio – l'impossibilità di sollevare terreni sciolti e ghiaie sature d'acqua. Procede lentamente nelle rocce dure e per attraversare massi è necessario uno scalpello.

Tra i vantaggi della perforazione a carotaggio si includono:

• elevata produttività e possibilità di perforare pozzi con profondità superiore a 100 m;
• riduzione dei carichi sull'attrezzatura di perforazione grazie alla frantumazione della roccia argillosa, paragonabile a un'operazione di taglio;
• possibilità di utilizzare una perforatrice mobile di dimensioni compatte.

La trivellazione a carotaggio – uno dei metodi più rapidi per lo sviluppo di scavi di captazione d'acqua. Un pozzo in sabbia con il suo uso può essere completato in una giornata lavorativa. Uno scavo di captazione sviluppato manualmente richiederà molto più tempo.

Caratteristiche della perforazione a spirale

Questo tipo di perforazione è oggi il più utilizzato per la realizzazione di pozzi d'acqua nelle proprietà private. La caratteristica della perforazione a coclea è che la roccia perforata viene completamente rimossa dal foro del pozzo senza l'ausilio di attrezzature aggiuntive. Il metodo ricorda l'avvitamento, permettendo di perforare in profondità e allo stesso tempo rimuovere il terreno indesiderato.

L'utensile utilizzato per la perforazione si chiama coclea. È costituito da un'asta metallica con pale. Avvitandosi nel terreno, la coclea frantuma la roccia, che si accumula sulle sue pale. A causa della specificità del design, la coclea non può liberare completamente il fondo dai detriti. Pertanto viene utilizzata principalmente per perforare gli strati superiori.

La trivellazione con coclea – un metodo rapido ed economico, che non richiede la realizzazione di un serbatoio per il fluido di lavaggio

La trivellazione con coclea non richiede grandi sforzi né costi finanziari, quindi il campo di applicazione di questo metodo è abbastanza ampio: pozzi di esplorazione geologica, posa di condotte, realizzazione di pozzi trivellati e in parte trivellazione per acqua.

Attualmente viene utilizzato attivamente per la realizzazione di pozzi abissini, per non infiggere completamente il pozzo a punta nel terreno compatto, ma per agevolare leggermente il processo di immersione del fusto nella roccia precedentemente frantumata.

Il metodo è adatto per la realizzazione di pozzi acquiferi fino a 30 m di profondità in terreni soffici e sciolti, e fino a 20 m in terreni mediamente compatti. Dopo la perforazione con coclea e l'installazione del rivestimento, il fusto del pozzo viene obbligatoriamente pulito con una cazzuola dal terreno non estratto.

La coclea non è assolutamente adatta per lavorare in rocce dure! Viene utilizzata per la perforazione parziale di pozzi fino a 120 m, e questo metodo viene combinato con altri: rotativo, a percussione con cavo, a carotaggio.

Attrezzature e strumenti impiegati

La trivellazione a coclea viene eseguita con un impianto di perforazione il cui elemento principale è uno strumento di perforazione a vite, realizzato in metallo ad alta resistenza. La colonna di perforazione viene via via allungata con coclee di uguale dimensione man mano che si scende in profondità.

Nel kit vengono talvolta utilizzate trivelle a palette, necessarie per attraversare terreni sciolti, nonché trivelle con teste rotonde o coniche, impiegate per la lavorazione di rocce dure.

Un impianto di perforazione su base veicolare, dotato di un motore potente – la soluzione ottimale per la trivellazione in luoghi difficili da raggiungere e isolati.

La maggior parte degli impianti di perforazione moderni sono dotati di aste cave con chiavistelli reversibili, che impediscono il movimento dell'utensile in direzione inversa.

Le parti taglienti della coclea durante la perforazione vengono raffreddate dal terreno in lavorazione, mentre la roccia asportata viene sollevata lungo le spirali. Ciò consente di effettuare la perforazione senza interruzioni, riducendo notevolmente i tempi e i costi energetici per la realizzazione di un pozzo acquifero.

Tecnologia della perforazione a spirale

Dopo aver eseguito la perforazione, la cui profondità è di 1,5 – 2,0 m, la coclea viene estratta e nel pozzo vengono installati tubi di rivestimento. Il diametro di un pozzo di captazione trivellato con coclea è di 50 – 200 mm e dipende dalla dimensione dell'utensile utilizzato.

I tubi di rivestimento prevengono il crollo delle pareti del pozzo. Ciò è particolarmente importante per terreni sciolti e incoerenti, pertanto i perforatori seguono la regola: utilizzare durante la perforazione di terreni sabbiosi e argillosi eliche con pale inclinate a 30 – 60º, e durante la perforazione di sabbie compatte, utensili con pale a 90º.

Con una minore inclinazione delle spire dell'elica, l'elica porta in superficie una maggiore quantità di materiale incoerente di scarto.

La perforazione a elica non richiede l'uso di fluido di lavaggio; la roccia frantumata dal scalpello viene portata in superficie sulle pale dell'utensile.

Pro e contro dell'impiego della coclea

Il metodo di perforazione a elica consente di realizzare un pozzo nel modo più rapido possibile, a condizione che le dimensioni dell'elica e l'angolo di inclinazione del scalpello siano stati scelti correttamente.

Tra i vantaggi della perforazione a elica si includono:

• il terreno viene portato in superficie immediatamente durante la perforazione;
• elevata velocità di penetrazione nel terreno senza fermate tecniche;
• non è necessario effettuare il lavaggio del foro del pozzo;
• con un compatto impianto a elica o con un'elica manuale è possibile perforare all'interno di una casa (in cantina);
• non è necessario portare in superficie il primo elemento e smontare/rimontare la colonna di perforazione come nel metodo a carotaggio.

Il principale svantaggio della perforazione a elica è l'impossibilità di lavorare su terreni granulari e molto duri, ma allo stesso tempo l'elica è uno strumento ideale per la perforazione in terreni argillosi, misti (argilla e sabbia) e argille morbide.

Un altro svantaggio che limita l'uso dell'elica per la realizzazione di pozzi d'acqua è la necessità di utilizzare il metodo a percussione con fune per pulire il foro dal materiale di scarto.

Un simile della coclea – il serpente è ampiamente utilizzato nella trivellazione manuale. Esso allo stesso modo distrugge la roccia e la afferra con le sue pale per estrarla in superficie.

Caratteristiche della perforazione rotativa

La perforazione rotativa è un metodo di perforazione rotovibrante, in cui il terreno viene frantumato tramite uno scalpello messo in movimento sul fondo del pozzo dal rotore dell'impianto di perforazione. Il rotore viene azionato dal motore dell'automezzo o da un motore elettrico separato tramite un albero di trasmissione.

Il terreno frantumato viene rimosso dal foro del pozzo mediante lavaggio diretto o inverso. Il fluido di lavaggio può essere alimentato sia per gravità che tramite una stazione di pompaggio.

La maggior parte dei pozzi artesiani viene perforata utilizzando il metodo di perforazione rotativa: mediante una punta rotante azionata da un rotore, seguita dal lavaggio del pozzo e dall'installazione dei tubi di rivestimento.

La perforazione rotativa viene utilizzata per scavare terreni rocciosi e semirocciosi nella realizzazione di pozzi profondi fino a 150 m. Una perforatrice rotativa con una punta adeguatamente selezionata e aste di perforazione pesanti gestisce eccellentemente le formazioni rocciose.

Gli esperti perforatori raccomandano di utilizzare questo metodo di perforazione alle seguenti condizioni:

1. La sezione idrogeologica del sito è stata studiata sufficientemente. È noto che si dovrà perforare in rocce dure. È noto il livello della falda acquifera nelle rocce madre.
2. L'acqua sotterranea presenta la pressione tipica dei pozzi artesiani.
3. È disponibile la possibilità di fornitura ininterrotta di acqua tecnica per il lavaggio del pozzo.

Nelle regioni meridionali, la perforazione rotativa può essere effettuata tutto l'anno, mentre nei climi settentrionali l'uso di questo metodo è limitato a causa del possibile congelamento del fluido di perforazione.

Attrezzature e strumenti applicati

La perforazione rotativa dei pozzi acquiferi viene effettuata utilizzando una torre a telaio o a traliccio, sulla quale sono posizionati l'attrezzatura di sollevamento e gli altri elementi dell'impianto di perforazione. La torre consente di sollevare e abbassare le colonne di perforazione nel pozzo.

L'impianto di perforazione di tipo rotativo comprende:

• torre a telaio o a traliccio;
• motore con sistema di trasmissione;
• rotore e colonna di perforazione;
• apparecchiatura di pompaggio e sistema di pulizia del fluido di perforazione;
• attrezzatura di sollevamento, condotta di pressione, testa di rotazione, tenute, ecc.

Negli impianti semoventi, come motore viene utilizzato il motore a combustione interna dell'autocarro su cui è montato il complesso di perforazione. In questo caso, la potenza del motore regola la velocità di rotazione dell'utensile di perforazione.

Come fonte di energia per l'impianto di perforazione rotativa può essere utilizzato un motore elettrico fisso o mobile, il motore a combustione interna dell'autocarro, generatori.

Il rotore, tramite un dispositivo dentato, trasmette la rotazione al tubo di trascinamento, che a sua volta la trasmette all'utensile di perforazione principale – la punta. La punta può avere forme diverse ed è realizzata con materiali ad alta resistenza: compositi, acciaio con rivestimento diamantato, ecc.

Per ogni tipo di terreno si sceglie una dimensione e forma specifica della punta, garantendo così elevata efficienza e velocità di perforazione.

Particolarità della tecnologia rotativa

La perforazione rotativa dei pozzi d'acqua si svolge in tre fasi:

1. Distruzione della roccia mediante scalpello.
2. Trasporto della roccia distrutta in superficie tramite flusso d'acqua in pressione.
3. Rinforzo delle pareti del pozzo con tubi di rivestimento.

Il trasporto del terreno distrutto avviene mediante lavaggio inverso o diretto. La scelta del metodo di lavaggio dipende dalle condizioni specifiche: profondità del pozzo, tipo di terreno, disponibilità del volume d'acqua di lavaggio necessario.

Di solito, nelle proprietà private si utilizza la tecnologia di perforazione con lavaggio diretto, che comprende le seguenti fasi:

• affondamento nel terreno di uno scalpello di grande diametro;
• rotazione dello scalpello sotto l'azione del rotore;
• installazione dei tubi di perforazione e montaggio dei tubi pesanti tra questi e lo scalpello;
• rimozione del terreno di scarto mediante pressione del fluido con l'ausilio di una pompa;
• montaggio del tubo di rivestimento per prevenire il cedimento del terreno all'interno del pozzo;
• perforazione con uno scalpello di diametro minore e ripetizione dell'intero ciclo.

Nel lavaggio inverso, il terreno viene trasportato fuori dal pozzo attraverso i tubi della colonna di perforazione, mentre il fluido di lavaggio viene versato tra le pareti del pozzo e i tubi.

L'acqua fluisce per gravità in un serbatoio pre-preparato, dove viene depurata dal terreno e dal fango, e ritorna nella colonna di perforazione per un nuovo carico di roccia di scarto.

In alcuni casi, nella perforazione rotativa, non si utilizza il lavaggio diretto o inverso, ma la soffiatura ad aria compressa generata da un compressore.

Vantaggi e svantaggi della perforazione rotativa

Il principale vantaggio del metodo rotativo è la possibilità di perforare pozzi profondi con prelievo d'acqua in calcari fratturati.

Inoltre, questo metodo di perforazione presenta i seguenti vantaggi:

• elevata qualità di apertura della falda acquifera nelle rocce madri;
• possibilità di realizzare pozzi di grande diametro fino a 200 cm;
• elevata velocità di perforazione, bassi costi energetici.

Un notevole svantaggio della perforazione rotativa è la necessità di organizzare il lavaggio del pozzo.

Quale metodo di perforazione scegliere?

Tutti i metodi di perforazione meccanica esaminati sono ampiamente utilizzati per la realizzazione di pozzi d'acqua.

Riassumendo, si può dire che:

1. La perforazione a carotaggio è consigliabile per l'avanzamento in terreni argillosi plastici. Il metodo a carotaggio è adatto per la realizzazione della maggior parte delle opere di presa d'acqua; se necessario, viene utilizzato in combinazione con la perforazione a percussione e fune.
2. La perforazione a coclea è simile al metodo a carotaggio per ambito di applicazione. Se ne differenzia per la pulizia di scarsa qualità del pozzo e richiede l'uso obbligatorio di una sonda a pistone o un lavaggio prolungato del pozzo prima dell'utilizzo.
3. La perforazione rotativa è l'opzione ottimale per la perforazione di pozzi in terreni rocciosi.

Il costo dello sviluppo del pozzo utilizzando un metodo di perforazione piuttosto che un altro dipende in gran parte dall'attrezzatura utilizzata e dalle categorie di rocce attraversate in base alla loro perforabilità.

Un metodo di perforazione del pozzo scelto correttamente non solo aiuterà a ridurre i tempi di perforazione, ma consentirà anche di utilizzare la fonte d'acqua in futuro senza problemi.

Su come realizzare una perforatrice fai-da-te, potrete leggere in un altro articolo popolare del nostro sito.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Video n.1. Dimostrazione del principio della classica perforazione a carotaggio con estrazione del campione mediante pressione dell'acqua:

Video n.2. Caratteristiche della perforazione del pozzo con coclea:

Video n.3. Perforazione a carotaggio del pozzo con lavaggio del fondo e installazione di doppio rivestimento, la cui parte esterna è realizzata con tubi in acciaio, quella interna con tubi polimerici:

La perforazione di un pozzo d'acqua è un processo laborioso. Dalla correttezza del metodo di perforazione scelto dipendono non solo la velocità di realizzazione di una fonte d'acqua indipendente, ma anche i costi finanziari.

La prima cosa a cui prestare attenzione nella scelta del metodo di perforazione è il tipo di terreno e la profondità della falda acquifera. Sulla base di questi parametri, potrà scegliere l'opzione ottimale che le permetterà di perforare il pozzo in modo rapido ed economico.

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