Trivellazione a carotaggio dei pozzi: tecnologia e dettagli dell'esecuzione dei lavori

Uno dei metodi più produttivi ed economici per realizzare scavi minerari è la perforazione a carotaggio. Viene utilizzata nell'esplorazione dei giacimenti e nella geologia ingegneristica. Inoltre, è il modo più semplice e veloce per accedere alle acque sotterranee ai fini dell'approvvigionamento idrico.

Tutto sulle specifiche della perforazione a carotaggio, sugli strumenti necessari per la sua realizzazione e sulle caratteristiche di applicazione lo scoprirà dall'articolo che Le proponiamo.

Ambito di applicazione della perforazione a carotaggio

La perforazione a carotaggio è un metodo che consente di determinare con la massima precisione la profondità del tetto e del fondo degli strati del terreno, nonché la quota di profondità della falda freatica.

La tecnologia di perforazione a carotaggio è ampiamente utilizzata in settori come:

• Approvvigionamento idrico in ambito industriale e privato. La perforazione di pozzi per l'approvvigionamento idrico privato, l'organizzazione della captazione di interi villaggi o quartieri urbani viene effettuata efficacemente con la perforazione a carotaggio grazie al fatto che la trivella penetra facilmente a grandi profondità. L'attrezzatura di carotaggio è in grado di sollevare quasi qualsiasi roccia frantumata, ad eccezione dei terreni saturi d'acqua e sciolti incoerenti (sabbie, ghiaia, ciottoli);
• Esplorazione geologica nell'industria mineraria. Durante l'attraversamento della roccia, si verifica un'azione puntuale sul terreno lungo il raggio di rotazione. In altre parole, con un'attrezzatura che ricorda strutturalmente un tubo, si perfora un massiccio roccioso integro senza alterare la sua struttura e stato.
• Edilizia. Conduzione di indagini geotecniche per lo studio delle proprietà fisico-meccaniche dei terreni e dello stato delle rocce. La tecnologia a carotaggio offre la possibilità di individuare con elevata precisione la falda freatica e prelevare campioni d'acqua per studiarne l'aggressività nei confronti del calcestruzzo.

Durante la perforazione a carotaggio viene estratta una carota – un cilindro di terreno o di strati di terreno adiacenti. La carota è caratterizzata da una struttura naturale integra, che consente di effettuare un'analisi completa della roccia studiata. La perforazione con tubo carotiere permette di determinare con la massima precisione la profondità di giacitura della roccia ai fini dello studio.

La perforazione a carotaggio garantisce l'integrità della carota estratta, favorendo uno studio qualitativo della roccia. Contemporaneamente, si effettua una pulizia ottimale del fondo foro dalla roccia frantumata.

L'uso del carotiere in edilizia facilita e accelera notevolmente i processi. Nel foro preparato con la trivellazione a carotaggio, è facile infiggere un palo o installare una struttura prefabbricata in cemento armato. La perforazione a carotaggio consente di creare fori cilindrici in muratura e cemento.

Tecnologia di esecuzione dei lavori e attrezzature

Sono noti due metodi di utilizzo del carotiere: lavorazione con iniezione di fluido sul fondo foro o a secco, ovvero senza fango di perforazione.

La perforazione senza fango di perforazione viene utilizzata quando i terreni incoerenti sono impregnati di umidità naturale in quantità sufficiente per la perforazione e l'estrazione. L'acqua non viene immessa nel pozzo nemmeno durante l'attraversamento di argille/limi fluidoplastici, morbido-plastici e rigido-plastici, nonché di sabbie limose dure e plastiche.

Il fluido viene obbligatoriamente utilizzato nella perforazione di rocce dure e semidure. In assenza d'acqua, in questo caso, l'approfondimento avviene molto più lentamente. Inoltre, aumenta notevolmente la probabilità di guasto prematuro della corona, per cui la perforazione a secco è considerata più costosa.

La tecnologia di perforazione a carotaggio con lavaggio consente non solo di prolungare la vita dell'attrezzatura operativa, ma anche di liberare il fondo foro dalla roccia frantumata nel modo più rapido e meno faticoso.

Con la perforazione con fango, la velocità di approfondimento aumenta notevolmente. Questo metodo viene spesso utilizzato per perforare pozzi di notevole profondità. Ciò consente di completare i lavori in tempi brevissimi con il minimo rischio di danni alla corona.

Inoltre, l'acqua ad alta pressione viene immessa sul fondo foro durante lo sviluppo del pozzo in terreni sciolti e incoerenti, se la carotaggio non è l'obiettivo. In questo caso, il getto d'acqua lava semplicemente il fondo foro, liberando il pozzo dal terreno frantumato.

Principio del metodo a carotaggio

L'elemento principale nella perforazione a carotaggio è l'utensile da taglio distruttivo montato sulla base del tubo carotiere. Si chiama corona. Per la perforazione di rocce dure vengono utilizzate corone speciali dotate di taglienti diamantati.

Le corone – sono elementi taglienti intercambiabili che vengono avvitati al bordo inferiore del tubo carotiere. Durante la perforazione, è necessario sostituirle più volte.

È proprio la corona diamantata a garantire un passaggio quasi senza ostacoli della trivella a grande profondità durante lo scavo di pozzi di captazione in calcare. Cioè, durante la perforazione di pozzi approfonditi nelle rocce madri, nelle cui fessure si sono formate, a seguito di una condensazione secolare, le riserve di acqua sotterranea più pura.

Le corone di perforazione vengono cambiate nel modo più semplice: si rimuove il componente usurato e si avvita una nuova corona sul tubo carotiere.

La roccia viene tagliata mediante una corona che ruota ad alta velocità. La velocità di rotazione della trivella può essere regolata in base alla densità del terreno da scavare. La corona “taglia” il terreno solo lungo il bordo di un particolare cilindro, la cui parte centrale viene spinta nel tubo carotiere.

Per estrarre la carota, l'utensile di perforazione viene sollevato in superficie. Il terreno catturato viene letteralmente soffiato fuori dal carotiere mediante un getto d'aria immesso nella parte superiore del tubo. Il processo di soffiaggio viene accelerato battendo l'utensile con una mazza.

Durante il processo di perforazione a carotaggio, il segmento conico di roccia perforata viene spinto nel tubo carotiere. Per la sua estrazione, l'utensile carotiere viene rimosso dal foro smontando la batteria di aste di perforazione. La carota viene soffiata e battuta fuori dal tubo.

I carotieri, nell'attraversamento di rocce dure, hanno una maggiore produttività rispetto alle matrici e ai triconi. Ciò è dovuto all'elevata velocità di rotazione della trivella, che riduce lo sforzo applicato per lo scavo.

Inoltre, le punte distruggono completamente la roccia, che dovrà essere “asportata” con un cucchiaio o si dovrà immettere acqua in pressione per lavare il fondo. In pratica, si dovrà percorrere due o addirittura tre volte lo stesso tratto: prima distruggere, poi pulire. La tecnologia a carotaggio consente di attraversare e pulire il fondo in un'unica operazione.

Macchine e impianti di perforazione

La scelta della macchina o dell'impianto di perforazione è determinata dalla destinazione del pozzo e dal suo diametro. La popolarità del metodo di perforazione a carotaggio determina la produzione di impianti e macchine di perforazione in tutto il mondo. Trattori pesanti, camion e fuoristrada sono adatti per gli impianti destinati alla perforazione esplorativa.

L'utilizzo di pesanti trattori cingolati consente di eseguire lavori di perforazione a carotaggio in aree con strade dissestate, ristagni superficiali e terreno instabile.

Il più delle volte l'attrezzatura di perforazione viene montata su autocarri classici dei marchi MAZ, KAMAZ, Ural. Tuttavia, esistono anche opzioni di montaggio su veicoli più leggeri, utilizzati per la perforazione di pozzi d'acqua nell'edilizia privata.

Durante la perforazione rotativa manuale, il tubo di carotaggio viene sostituito dal suo predecessore storico – la tazza. Questo attrezzo è una versione accorciata del tubo di carotaggio con un bordo affilato alla base. La tazza viene avvitata nel terreno manualmente o con un motoperforatore, e si estrae in superficie tutto ciò che vi è penetrato.

Per la meccanizzazione della perforazione manuale di pozzi poco profondi e la formazione di buche per l'installazione di recinzioni e supporti di linee elettriche, vengono utilizzati motori a benzina ed elettrici. Essi trasmettono il movimento rotatorio alla coclea o al tubo carotiere.

Attrezzature per la perforazione e la sistemazione dei pozzi

Nell'esecuzione della perforazione a carotaggio, è necessaria un'attrezzatura che consenta di lavorare in profondità, sviluppare ed estrarre i più vari tipi di rocce. Durante i lavori, deve essere garantito il sollevamento periodico in superficie del materiale frantumato dall'utensile.

Set standard di strumenti di perforazione

Per un'esecuzione di qualità dei lavori sono necessari:

• Utensili a carotaggio. Vengono utilizzati sia per la perforazione orizzontale che per la realizzazione di scavi verticali. Con i tubi carotieri standard è possibile effettuare perforazioni con inclinazione fino a 45 gradi. Gli utensili a carotaggio a parete sottile possono essere utilizzati esclusivamente per la perforazione orizzontale senza scavo nella posa di reti di servizi.
• Corone. Sono strumenti che frantumano la roccia, con cui viene dotato il tubo carotiere per facilitare il taglio della carota nella roccia. Per la perforazione di terreni sedimentari coesivi e non coesivi si utilizzano corone in ottone. Per la perforazione di rocce dure, la creazione di fori in cemento, asfalto, muri di mattoni, vengono prodotte corone in metallo duro con taglienti diamantati.
• Tubi di rivestimento in acciaio. Sono necessari per il rivestimento dello scavo – la formazione del pozzo, eseguita contemporaneamente al suo approfondimento. Il loro diametro è uguale al diametro del pozzo. Il rivestimento per la captazione dell'acqua viene scelto in anticipo, basandosi sul diametro del tubo carotiere e della pompa che si prevede di utilizzare nel pozzo.
• Aste di perforazione. Sono tubi stretti che vengono avvitati tra loro. Vengono utilizzati per prolungare la colonna di perforazione. In parole semplici, vengono avvitati uno dopo l'altro alla sommità del tubo carotiere per poter trasmettere il movimento rotatorio a una profondità maggiore dell'altezza dell'utensile. Altezza del tubo carotiere + altezza della colonna di aste di perforazione = profondità dello scavo.
• Adattatori. Sono necessari per garantire l'unione di connessioni filettate di diametro diverso, presenti sulle aste di perforazione, rotatori, premistoppa di lavaggio e altri componenti.
• Tappi di lavaggio e premistoppa. Permettono di sollevare in superficie il terreno disgregato, qualora non sia necessario prelevare una carota integra. In questo caso, viene immessa acqua nel fondo foro, che spazza via sotto pressione il terreno disgregato portandolo in superficie.
• Scalpelli. Vengono utilizzati per approfondire il foro del pozzo nei punti più difficili da penetrare per la sonda a carotaggio. A volte, con l'impiego dello scalpello si passa dalla perforazione rotativa a quella a percussione con fune.

L'attrezzatura presentata costituisce un set standard per la perforazione con tecnica a carotaggio. In alcuni casi, a seconda della complessità del lavoro, potrebbero essere necessari strumenti e attrezzature aggiuntive.

Mentre si approfondisce lo scavo, alla sommità del tubo carotiere si avvita in sequenza una colonna di aste di perforazione. Per estrarre l'attrezzatura di carotaggio in superficie, la colonna viene svitata asta per asta.

Caratteristiche costruttive del tubo carotiere

La caratteristica strutturale dell'attrezzo nel carotaggio è determinata dalla massima conservazione dell'integrità della carota e consiste in una disposizione anulare attorno al passaggio libero. Uno dei parametri più importanti è il coefficiente di recupero della carota. Viene definito come il rapporto tra il diametro della carota e il diametro esterno dello strumento.

L'utensile per la perforazione a carotaggio è standardizzato e si differenzia principalmente per il diametro. In base alle caratteristiche costruttive, i tubi carotieri si classificano in semplici e doppi. Le attrezzature semplici, progettate per lavorare in condizioni geologiche normali, sono ideali per la realizzazione di pozzi di captazione.

L'utensile doppio con tubo interno non rotante viene utilizzato solo in geologia applicata. Serve per estrarre campioni di roccia che si distruggono facilmente sotto l'azione di vari fattori. Permette di prelevare un campione nella sua struttura naturale, con il contenuto percentuale originario di minerali utili e di sterile.

Per il prelievo di campioni in indagini geotecniche, in geologia applicata e nella perforazione di fori per la posa di supporti di linee elettriche, si utilizza un tubo carotiere semplice.

Tutti i tubi carotieri sono progettati per l'uso di soffiaggio, immissione di fango di perforazione sul fondo e lavaggio del pozzo. La loro sommità è dotata di un foro tecnico attraverso il quale viene iniettata acqua o un getto d'aria.

Specifiche della parte tagliente dell'attrezzatura

Ogni corona è realizzata a forma di anello con una filettatura sulla parte superiore, necessaria per l'avvitamento al tubo carotiere, e con taglienti situati sull'estremità inferiore. I taglienti possono essere monolitici o saldati a questo elemento metallico tagliente.

Nella perforazione a carotaggio si utilizzano le seguenti corone:

• In metallo duro – a piccoli taglienti, alettate.
• Diamantate – impregnate e a piccoli diamanti.

Gli elementi taglienti in metallo duro sono progettati per la perforazione di terreni “molli”. Con il loro ausilio si effettua la perforazione di tutti i tipi di rocce argillose di qualsiasi consistenza, rocce semi-compatte, sabbie a bassa e alta umidità di densità compatta e media. Per la penetrazione in arenarie e marne si utilizzano corone con taglienti in tungsteno-cobalto.

Le corone a piccoli taglienti sono destinate alla perforazione di rocce di media durezza e bassa abrasività. Sono equipaggiate con taglienti a sezione ottagonale o quadrata. Disponendo i taglienti a diverse altezze si ottiene anche una gradinatura del fondo, i cui vantaggi sono stati precedentemente esposti.

Grazie alle corone a coste si garantisce un miglioramento della circolazione del fluido di lavaggio grazie all'espansione del diametro del pozzo.

Le corone alettate sono destinate alla perforazione di rocce dure di media abrasività. I taglienti di queste corone sono costituiti da una barretta cilindrica o prismatica in acciaio con inserto in metallo duro. Inoltre, anche in caso di usura della corona, l'efficienza del suo lavoro non diminuisce.

Le corone con taglienti diamantati sono destinate alla perforazione di rocce dure e semi-dure di elevata abrasività.

Per aumentare la resistenza e migliorare le proprietà abrasive, nel suo corpo fuso vengono pressati diamanti tecnici durante il processo di produzione. Negli ultimi tempi, i cristalli naturali vengono spesso sostituiti con quelli sintetici.

Il numero di coste è determinato dalla progettazione della corona e dal suo diametro – può variare da tre a sei. Si può accelerare il processo di frantumazione della roccia spostando le coste verso l'alto rispetto alla superficie frontale della corona. In questo modo si garantisce un fronte di scavo a gradini e si facilita il passaggio del fluido di lavaggio.

Tubi per il rivestimento del pozzo

Sia i tubi carotieri che quelli di rivestimento in acciaio sono prodotti secondo GOST 51682-2000. In geologia esplorativa e in geologia ingegneristica, vengono utilizzati per prevenire il crollo del terreno sul fronte di scavo, che impedirebbe di capire a quale profondità uno strato geologico viene sostituito da un altro.

Nell'allestimento di pozzi di presa d'acqua, i tubi di rivestimento formano le pareti del pozzo. Nella colonna di rivestimento assemblata con essi, viene immersa un'altra colonna di tubi, quella di esercizio. Oggi viene spesso assemblata in plastica. La colonna di esercizio è dotata di un filtro per trattenere granelli di sabbia e ghiaia fine durante il pompaggio.

Le tubazioni di rivestimento con giunzione a nipplo sono le più diffuse. I tubi hanno filettatura interna da un lato e filettatura esterna dall'altro. La colonna di perforazione con tubi filettati si assembla in modo estremamente semplice e veloce.

Sia i tubi carotieri che quelli di rivestimento sono dotati di filettatura, esterna su un'estremità e interna sull'altra. Ciò consente di assemblare rapidamente e facilmente la colonna di rivestimento. Le dimensioni delle filettature sono unificate: qualsiasi tubo di rivestimento può fungere da tubo carotiere, basta avvitare la corona e la testa.

Esistono tubi di rivestimento progettati per giunzioni saldate. Nel settore privato non vengono utilizzati a causa del processo di assemblaggio della colonna che richiede molta manodopera.

Sia i tubi di rivestimento che quelli di carotaggio sono realizzati in acciaio grado 45 con gruppo di resistenza «K». Per aumentare la resistenza all'usura superficiale, le estremità dei tubi vengono temprate. In base all'attrezzatura di perforazione utilizzata e al diametro della pompa sommersa nella realizzazione di pozzi privati, si utilizzano tubi con diametro da 100 a 200 mm.

Fasi della perforazione a carotaggio

Prima di iniziare i lavori, è necessario studiare il piano catastale e preparare la superficie di lavoro. È necessario garantire un accesso senza ostacoli al sito di perforazione sia per la macchina perforatrice che per il veicolo con il fluido di lavaggio.

Il passo successivo sarà lo scavo di una fossa di volume non inferiore a 2 m³ – ciò eviterà la necessità di utilizzare un serbatoio aggiuntivo. La fossa è destinata allo scarico delle acque sotterranee e del fluido di lavaggio esausto. Per installare la parte principale della colonna, è necessario perforare il terreno.

Successivamente si esegue il collegamento della corona scelta con il tubo di carotaggio e la selezione dei tubi di rivestimento, che verranno aggiunti man mano che si approfondisce. L'attrezzatura deve essere fissata saldamente, dopodiché si avvia la perforatrice.

La tecnologia a carotiere con lavaggio del fondo con acqua consente di liberare la colonna di perforazione dalla roccia frantumata nel modo più semplice e rapido.

Man mano che si approfondisce e il carotiere si riempie, si esegue il suo sollevamento periodico in superficie e la pulizia dal terreno catturato dall'utensile durante la perforazione. Successivamente, il carotiere liberato dalla carota può essere nuovamente immerso nel foro del pozzo per continuare la perforazione.

Per il sollevamento, la colonna di aste di perforazione, composta dall'attrezzatura a carotiere e dalle aste, viene smontata. Si separano cioè un'asta dopo l'altra fino a estrarre il tubo carotiere dalla colonna.

L'opzione ottimale per la perforazione di pozzi da parte di privati è considerata la perforazione a carotaggio, accompagnata da lavaggio. In questo caso non è necessario prelevare alcun campione. L'importante è formare rapidamente il foro e pulirlo dai detriti. Contemporaneamente, viene eseguita la preparazione dello scavo per la futura operatività.

Per il lavaggio si può usare qualsiasi acqua, va bene quella di un laghetto o di un fiume vicino. La perforazione può essere eseguita anche a secco, se si sta realizzando un pozzo nella sabbia. Di solito in questo caso bastano un paio di secchi d'acqua come fango di perforazione solo per raffreddare l'utensile sul fondo.

Con la tecnologia a carotaggio si esegue la perforazione di fori in strutture in cemento armato, fondazioni e muri in mattoni.

Quando si lavora in sabbie sciolte e poco umide, per rinforzare le pareti del foro si consiglia di aggiungere vetro liquido o massa argillosa al fluido di perforazione. In ogni caso, durante il passaggio della trivella attraverso uno strato con struttura instabile, sarà giustificato il rinforzo delle pareti del pozzo con tubi di rivestimento.

Caratteristiche tecnologiche del processo

Durante il processo di approfondimento è possibile regolare la velocità di rotazione della trivella. Va notato che la trivella supera facilmente gli strati di rocce sedimentarie a bassi regimi. Invece, nella traversata di rocce cristalline è necessario aumentare la velocità di rotazione. Con il metodo di perforazione a carotaggio è possibile attraversare strati di diversa composizione e qualsiasi durezza.

Bisogna considerare che l'impianto di perforazione deve essere posizionato su un'area preparata, livellata e orizzontale. L'angolo di penetrazione può essere regolato se il diametro del foro del pozzo non supera 1 metro. Successivamente, la verticalità dello scavo viene mantenuta con la colonna di rivestimento.

I tubi di rivestimento possono essere riutilizzati se vengono estratti dallo scavo subito dopo la penetrazione. Il tubo carotiere – è un attrezzo riutilizzabile, cosa che non si può dire delle corone. Per la perforazione in uno strato sedimentario ne servono almeno due, o anche di più. Quando si realizza un pozzo nel calcare, è impossibile prevedere con precisione il numero di corone consumate.

Per prolungare la vita della corona diamantata, dopo la sua installazione o sostituzione, è necessario trattare il fondo del pozzo con uno scalpello. Questa misura aumenterà significativamente la velocità di penetrazione.

L'impianto di perforazione può essere montato su veicoli con elevata capacità di carico o su macchinari speciali cingolati in caso di lavori in terreni difficili. È possibile utilizzare attrezzature mobili più leggere per la perforazione a carotaggio di pozzi d'acqua.

Vantaggi e svantaggi del metodo a carotaggio

Grazie all'azione puntuale della corona sul suo raggio, si ottiene un taglio preciso e la risalita in superficie di una carota integra. La tecnologia è applicabile per la perforazione di rocce fino alla categoria XII, e si può lavorare sia perpendicolarmente che in diagonale.

Uno degli indicatori più importanti del metodo a carotaggio è considerato l'elevata produttività e velocità di perforazione.

Inoltre, si possono evidenziare i seguenti vantaggi:

• Il volume di perforazione in caso di utilizzo di fluido di lavaggio o acqua tecnica è dell'85%;
• L'introduzione di emulsioni attive nella soluzione di lavoro consente di mantenere le pareti del pozzo nello stato originale;
• Grazie alla riduzione dei carichi assiali, poiché la roccia non viene distrutta in modo continuo, si ottiene una riduzione dei costi energetici.
• Il metodo consente di lavorare con qualsiasi roccia, inclusi basalto e granito.
• Utilizzando una macchina mobile componibile, è possibile eseguire lavori in luoghi difficilmente accessibili.

Accanto ai vantaggi, la perforazione a carotaggio presenta anche i suoi svantaggi:

• Durante il lavoro in rocce fratturate, si verifica spesso l'inceppamento del carotaggio, che richiede l'estrazione del tubo per rimuoverlo.
• Nel attraversare rocce dure, a causa del surriscaldamento e dell'impigliamento, la corona si smussa rapidamente. Per evitare ciò, è necessario utilizzare un liquido refrigerante e ridurre la velocità di avanzamento. Di conseguenza, la velocità di perforazione diminuisce.
• La piccola sezione di perforazione (fino a 200 mm) non consente l'uso di pompe sommerse potenti.

Nello sviluppo di pozzi per acqua, in caso di utilizzo di soluzione argillosa durante l'apertura della falda, c'è un'alta probabilità di interramento della falda acquifera.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Video 1. Fase iniziale della perforazione di un pozzo con metodo a carotaggio:

Video 2. Perforazione a carotaggio di un pozzo in roccia granitica:

L'inizio dei lavori di perforazione a carotaggio deve essere preceduto da un calcolo economico. Il rispetto delle norme di sicurezza e delle regole di funzionamento delle attrezzature riduce al minimo il rischio di guasto, garantendo così un'elevata efficienza di lavoro, velocità di perforazione e riduzione dei costi economici.

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