Trivellazione rotativa dei pozzi: panoramica della tecnologia di perforazione e delle attrezzature necessarie

Se una casa di campagna non può essere collegata all'acquedotto centrale, è necessario organizzare un sistema autonomo. La maggior parte dei proprietari preferisce realizzarlo basandosi su un pozzo, per la cui realizzazione vengono utilizzati diversi metodi. Esamineremo la perforazione rotativa dei pozzi – un'opzione molto promettente ma ancora poco conosciuta.

Nell'articolo che proponiamo sono descritti in dettaglio le sottigliezze della tecnologia rotativa e gli strumenti utilizzati. Vengono analizzati i vantaggi e gli svantaggi di questo metodo, e presentati i modi per realizzarlo nella pratica. I nostri consigli saranno utili ai proprietari attenti di terreni privati che desiderano controllare il lavoro dei perforatori.

Definizione di perforazione rotativa

Per cominciare, analizziamo cosa rappresenta esattamente la perforazione rotativa dei pozzi e quali sono le sue alternative? Uno dei metodi più comuni per la realizzazione di un pozzo di presa d'acqua è attualmente riconosciuto come la perforazione a coclea.

Tuttavia, la tecnologia a coclea non consente di attraversare gli strati rocciosi di base. La trivella elicoidale utilizzata nella perforazione a coclea non è in grado di frantumare il calcare. Eppure capita spesso che sia necessario perforare proprio in esso, poiché gli strati sovrastanti non presentano una portata stabile e sufficiente per lo sfruttamento.

La tecnologia di perforazione a carotaggio e a coclea non offre la possibilità di attraversare le rocce dure. Nel caso di realizzazione di un pozzo nel calcare, è più efficace ed economico utilizzare il metodo di perforazione rotativa.

Per questo la tecnologia rotativa, precedentemente utilizzata solo nel settore minerario, è stata introdotta nell'ambito della realizzazione di prese d'acqua private. Il suo elemento di lavoro è l'utensile di perforazione situato nella parte sul fondo del pozzo. Con l'utensile si distruggono terreni coesivi e non coesivi, e si frantumano le rocce dure del substrato.

L'estrazione della roccia frantumata viene effettuata mediante un fluido che viene inviato al fondo pozzo attraverso la colonna di perforazione o attraverso lo spazio anulare. Si tratta di due diversi metodi di perforazione, ciascuno dei quali sarà esaminato in dettaglio in seguito.

Il diametro dell'utensile di perforazione supera il diametro della colonna di perforazione, il che consente:

• ridurre il consumo energetico dell'intero processo di perforazione (la potenza viene utilizzata solo per far ruotare con forza la punta sul fondo, mentre le perdite per attrito della colonna di lavoro contro le pareti del pozzo sono ridotte al minimo);
• proteggere la maggior parte degli elementi della colonna di lavoro da danni, nonché le pareti del pozzo perforato dalla distruzione;
• creare pozzi di diametro considerevole (ad esempio, fino a 70 cm) a profondità estremamente elevate.

In questo modo si possono realizzare pozzi acquiferi, profondi 300 metri o più, cioè perforare opere di captazione per rifornire d'acqua aree di villeggiatura e villaggi.

Dunque, definizione: la perforazione rotativa è un metodo di scavo del pozzo in cui la forza sul taglierino sul fondo viene trasmessa dal rotatore attraverso la colonna di perforazione. Questa viene assemblata da aste – tubi d'acciaio stretti, che vengono collegati in successione man mano che si approfondisce nel terreno.

Per la pulizia del fusto e del fondo dai detriti, invece, viene utilizzata acqua in pressione. Grazie a questa soluzione, non è necessario smontare e rimontare continuamente la colonna di perforazione per estrarre le carote come nella perforazione a carotaggio.

Il fluido pompato nella perforazione risolve subito due importanti compiti: libera il percorso all'attrezzatura di perforazione per continuare i lavori e effettua il lavaggio del pozzo, necessario per preparare la captazione all'esercizio.

Vantaggi della tecnologia rotativa

Quali sono i vantaggi della perforazione rotativa rispetto alle possibili alternative? Sono diversi.

In primo luogo, utilizzando una punta rotativa, è possibile realizzare pozzi di grande diametro, in grado di soddisfare pienamente il fabbisogno idrico di più nuclei familiari contemporaneamente.

Non è un segreto che la perforazione sia un processo costoso: richiede attrezzature specializzate e il controllo e la gestione del processo devono essere affidati a perforatori esperti. In fondo, l'attività di perforazione dei pozzi è soggetta a licenza. Da qui il suo costo elevato.

Grazie alla sua forma e alla sua struttura, la punta nella perforazione rotativa può realizzare pozzi di diametro molto maggiore rispetto alle trivelle a coclea e al carotiere.

Riunire più nuclei familiari per finanziare un pozzo comune per appezzamenti adiacenti è un'iniziativa economicamente vantaggiosa. Ma per questo è necessaria una portata significativa. Nella maggior parte dei casi, le falde acquifere dei depositi quaternari (sabbie) non sono in grado di garantirlo.

Naturalmente, per un utilizzo collettivo, è meglio realizzare il pozzo di captazione nel calcare. Le acque sotterranee che se ne estraggono sono caratterizzate da una maggiore abbondanza e purezza. La portata dei pozzi nel calcare non viene minimamente influenzata dalla quantità di precipitazioni. Lo stesso non si può dire dei pozzi nella sabbia.

In secondo luogo, convincono i costi energetici relativamente bassi. L'elemento di lavoro nella perforazione rotativa è il taglierino. Ma a differenza della perforazione a coclea e della perforazione a carotaggio, l'utensile di perforazione non interagisce con le pareti del pozzo perforato.

Cioè, solo lo scalpello entra direttamente in contatto con il terreno, la sua altezza è insignificante rispetto all'altezza dell'intera colonna di perforazione. Di conseguenza, questo metodo di formazione dei pozzi è il più veloce: fino a 1000 metri lineari al mese!

In terzo luogo, la profondità di perforazione attrae i clienti collettivi. Solo con il metodo rotativo è possibile perforare un pozzo scavato in rocce metamorfiche e magmatiche profonde, dalle cui fessure si può estrarre acqua la cui composizione è la più adatta per scopi potabili.

Il più delle volte, da pozzi di presa d'acqua profondi meno di 30 m si estrae solo acqua tecnica. La sua composizione è influenzata da specchi d'acqua vicini, fiumi ingombri di rifiuti, precipitazioni atmosferiche e semplicemente liquidi tecnici versati sul terreno. La coclea e il tubo carotiere possono fornire solo questo tipo di presa d'acqua.

L'intero set di attrezzature di perforazione può essere facilmente montato su un'unica piattaforma automobilistica di media portata. Ciò rende il processo di perforazione rotativa molto più tecnologicamente avanzato e, quindi, più economico.

Inoltre, la perforazione rotativa permette di completare lo scavo a tutta profondità senza passare ad un altro metodo di perforazione. Nello sviluppo di un pozzo con la coclea, ad esempio, in caso di necessità di perforare un masso, si ricorre al metodo a percussione con fune.

A tale scopo, si estrae dal tronco la sonda a coclea e si getta il taglierino sul fondo fino a frantumare il masso. Quindi si pulisce il fondo con la sonda a secchio. La stessa viene utilizzata se è necessario sollevare in superficie sabbia satura d'acqua, che in un tubo carotiere semplicemente non si trattiene.

La pratica dimostra che i pozzi perforati con il metodo rotativo hanno una vita operativa più lunga. Tecnologicamente ciò si spiega con il fatto che, dopo l'installazione della colonna di rivestimento che forma le pareti del pozzo, lo spazio anulare viene ulteriormente rinforzato.

Attrezzatura per la realizzazione del pozzo

Innanzitutto, sulla superficie sopra il pozzo viene installata una mensola verticale per il successivo fissaggio degli elementi verticali della colonna di lavoro. Il primo elemento di questo albero di perforazione è dotato dell'elemento operativo – lo scalpello, che può avere diversi formati, a seconda della categoria di roccia in base alla perforabilità.

Naturalmente, per la perforazione di pozzi acquiferi viene utilizzata un'attrezzatura più compatta e, di norma, non è necessaria la costruzione della torre indicata.

Set di strumenti di perforazione

Quando si approfondisce il primo elemento, la candela, su di esso viene inserito quello successivo, chiamato asta, e così via. La lunghezza di ciascun blocco di tubi può variare da 20 a 50 m. Per semplificare la formazione della colonna di lavoro, ogni asta è dotata di una filettatura conica con blocco.

Alla fine si forma un attrezzo di perforazione composto da:

• dello scalpello di lavoro;
• dell'asta di guida;
• della colonna di aste ordinarie, collegate tra loro da giunti.

Il mantenimento della colonna di lavoro è effettuato mediante un giunto di rotazione, la cui rotazione è prodotta dal rotore. In base alla profondità di perforazione prevista e alle proprietà fisico-meccaniche del terreno, per formare l'elemento di guida si utilizzano aste standard o aste pesanti.

L'asta di guida, di regola, è un tubo pesante, perché le è affidata un'importante missione tecnologica. Attraverso di essa, il fluido di lavaggio arriva al fondo del pozzo verso lo scalpello, con il compito di rimuovere la roccia frantumata. E questo, a sua volta, pone requisiti ai giunti, il cui compito è sigillare i collegamenti tra gli elementi.

Non bisogna dimenticare che la pressione del liquido dipende direttamente dall'altezza della colonna formata (e non dalla sezione del tubo). Inoltre, se anche come fluido di lavaggio viene utilizzata acqua, ogni 10 metri la pressione aumenterà di 1 atmosfera.

Per confronto, vale la pena fare un esempio. La pressione di esercizio in una rete domestica di tubazioni in casa è di 10 atmosfere, mentre i tubi più resistenti sono progettati per una pressione di 20 atmosfere.

Solo che, mentre i sistemi domestici sono fissi e non si muovono, sull'asta di guida agisce una pressione pari al peso della colonna di perforazione. E questa deve anche trasmettere l'impulso rotatorio e la forza allo scalpello.

I giunti sono gli elementi più critici dell'asta, perché su di essi grava il peso di tutta la parte inferiore dell'asta adiacente, nonché il carico delle vibrazioni dinamiche e del movimento rotatorio impartito dal motore.

Ai giunti, come elementi strutturali della colonna di perforazione, vengono imposti i seguenti requisiti:

• devono garantire la tenuta del collegamento delle aste e sopportare una pressione del fluido fino a 100 atmosfere (per la pulizia del fondo pozzo con getto in pressione);
• devono essere resistenti all'usura, per non deteriorarsi a causa dell'attrito contro le pareti del pozzo;
• devono essere in grado di trasmettere il momento rotatorio dalla parte superiore della colonna di lavoro a quella inferiore e, infine, allo scalpello.

È estremamente importante che i giunti siano di qualità adeguata. Se anche uno solo di essi non regge il carico e la colonna di lavoro si rompe, recuperare la parte inferiore insieme allo scalpello sarà estremamente difficile. In termini di costi di capitale, a volte è più semplice perforare un nuovo pozzo nelle vicinanze piuttosto che recuperare l'asta di guida che si è staccata.

Utilizzo dell'acqua durante la perforazione

Il fluido che viene inviato al fondo pozzo è molto spesso semplice acqua. A volte, per stabilizzare il foro che attraversa terreni sciolti e incoerenti (sabbie, ghiaie, depositi di ciottoli), viene immessa nella perforazione una soluzione con additivi di perforazione. È necessario perché il rivestimento non viene installato nelle prime fasi di scavo.

L'acqua entra nella perforazione o sotto pressione all'interno dell'asta di trasmissione (e quindi il pompaggio avviene attraverso lo spazio anulare), o per gravità verso il basso attraverso lo spazio anulare, mentre l'eliminazione avviene attraverso la colonna di perforazione con una pompa di estrazione.

Si tratta di 2 diverse tecnologie di perforazione rotativa, le cui caratteristiche verranno illustrate di seguito.

La perforazione rotativa si distingue per la massima velocità di realizzazione di un pozzo per l'acqua. Contemporaneamente alla perforazione, si effettua il lavaggio del foro e la preparazione del pozzo per la futura messa in esercizio.

Tuttavia, qualunque sia il metodo utilizzato, il fluido impiegato nella perforazione necessita di essere purificato (per un successivo riutilizzo).

A questo scopo viene utilizzata la seguente attrezzatura:

• Vasca per lo stoccaggio del fango di perforazione. (Se si prevede di perforare un pozzo poco profondo – entro qualche decina di metri – può essere realizzata direttamente nel terreno, e come fluido di circolazione si utilizza acqua comune). La vasca funge da serbatoio per il fluido di circolazione.
• Vaglio vibrante. Il fluido di circolazione sollevato dal pozzo trasporta particelle di roccia frantumata che devono essere rimosse. Il metodo più efficace è quello meccanico, con l'uso del vaglio vibrante.
• Vasca di decantazione. Dopo la rimozione delle particelle grossolane di roccia, il fluido entra nella vasca di decantazione per eliminare le particelle sospese che precipitano. Quando si utilizza acqua come fluido di lavaggio, la vasca di decantazione talvolta viene realizzata direttamente nel terreno. Inoltre, per separare le sostanze liquide e separare il sedimento, viene utilizzato un idrociclone.
• Pompa di perforazione. È questa a garantire la circolazione del fluido di circolazione.
• Sistema di canali. Sono necessari per il movimento dell'acqua dal punto di formazione del pozzo al luogo di depurazione.

In totale, per la realizzazione di un pozzo con la tecnica rotativa sono necessari i seguenti meccanismi e attrezzature:

1. Torre o console per l'assemblaggio della colonna di perforazione da aste e per il suo smontaggio al termine della perforazione, nonché un sistema di tagle.
2. Motore che assicura la rotazione del rotore.
3. Apparecchiature per il fluido. Meccanismi e dispositivi per garantire la circolazione del fluido di perforazione e la sua pulizia (pompa; vaglio vibrante; vasche di sedimentazione e/o idrociclone; vasca di stoccaggio del fluido di perforazione; sistema di tubazioni e canali).

Per la trivellazione rotativa di pozzi poco profondi, l'intera attrezzatura elencata è molto compatta (ad esempio, il braccio a sbalzo è pieghevole). Ciò garantisce la facilità di posizionamento dell'attrezzatura di perforazione in qualsiasi luogo conveniente per le operazioni di trivellazione e la successiva messa in servizio.

Due varianti della perforazione rotativa

A seconda del metodo di alimentazione del fluido di lavaggio nel fondo pozzo si distinguono 2 tipi di tecnologia di trivellazione rotativa:

1. a mandata diretta;
2. a mandata inversa.

Va notato che il fluido immesso nel fondo pozzo non serve solo per lavare e trasportare la roccia frantumata. Raffredda anche la punta del trapano, che si riscalda fortemente a causa dell'attrito. Nel caso della mandata diretta del fluido, la pompa ne crea una pressione in eccesso.

L'acqua entra nel fondo pozzo attraverso i fori tecnologici presenti nella punta, «raccoglie» la roccia frantumata e poi per gravità lungo il pozzo (cioè, attraverso lo spazio anulare rispetto all'asta di perforazione) arriva in superficie, dove entra nel complesso di pulizia (vaglio vibrante, idrociclone).

Il lavaggio può essere diretto o inverso, da cui dipenderanno le caratteristiche qualitative dell'attrezzatura utilizzata, ma lo schema di principio è valido per entrambe le varianti della tecnologia

La tecnologia a mandata inversa prevede che il fluido di lavaggio raggiunga il fondo pozzo per gravità, scendendo attraverso il pozzo, mentre il fango con il materiale frantumato risale in superficie attraverso il tubo dell'asta di manovra. La pompa di trivellazione in questo caso crea una pressione negativa proprio in esso.

Nonostante l'apparente semplicità di entrambe le tecnologie, le sfumature sono molte di più di quanto possa sembrare a prima vista. Pertanto, sembra opportuno soffermarsi su ciascuna delle tecnologie di trivellazione menzionate in modo più dettagliato.

Perforazione con alimentazione diretta del fluido di lavaggio

Questa tecnologia è talvolta chiamata anche «flusso d'acqua diretto». È opportuno utilizzarla in terreni sabbiosi, ghiaiosi, pietrosi. Viene utilizzata anche se la profondità della falda acquifera non supera i 30 m. È proprio qui che vengono aggiunti additivi al fluido per aumentarne la densità e la stabilità del pozzo.

La perforazione rotativa è caratterizzata dalla riduzione progressiva del diametro del foro praticato. In altre parole, si perfora un pozzo del diametro maggiore, poi viene rivestito con un tubo, e lo spazio anulare tra la superficie esterna del tubo e la parete del pozzo viene riempito con malta cementizia attraverso i fori tecnologici.

Successivamente, la perforazione continua con una punta di dimensioni inferiori. Poi si procede nuovamente con il rivestimento e il nuovo tratto ha un diametro ancora più piccolo, e così via. Quanto meno spesso è necessario 'distrarsi' per la cementazione del pozzo, tanto maggiore è la produttività della perforazione, il che si riflette sul costo complessivo del processo e del pozzo.

Inoltre, un rivestimento troppo frequente porta a una forte riduzione del diametro effettivo del pozzo (il diametro che intercetta la falda acquifera). Ebbene, il 'flusso diretto' si caratterizza per il fatto che, con questo metodo di realizzazione, il pozzo può non essere rivestito fino a 100 metri.

La pressione principale del fluido di perforazione viene creata dalla pompa all'interno dell'asta di perforazione, mentre lo spazio anulare viene riempito per gravità dal fluido con frammenti di roccia frantumata, senza danneggiare le pareti del pozzo con pressione eccessiva.

Schema di perforazione con alimentazione diretta del fluido di lavaggio. Il suo invio al fondo pozzo avviene attraverso il tubo dell'asta di perforazione, mentre risale in superficie per gravità.

Tuttavia, questo metodo di perforazione presenta anche degli svantaggi. In particolare, un tratto non rivestito troppo lungo porta all'infiltrazione di particelle argillose finemente disperse nelle falde acquifere, il che può ridurre e rallentare significativamente l'afflusso di acqua nell'opera di scavo dalla falda acquifera.

Queste particelle agiscono come tappi dei pori e dei microcanali nella roccia attraverso cui l'acqua filtra. Pertanto, la procedura di rivestimento eseguita durante la perforazione è necessaria per preservare la futura produttività del pozzo nel suo complesso.

Perforazione con alimentazione inversa del fluido di lavaggio

Con questo metodo di controllo del flusso del fluido, il pozzo e il fondo vengono puliti al meglio. La pompa qui non spinge il fluido nel fondo, ma al contrario lo risucchia, e ciò porta a un aumento della velocità di formazione del pozzo con la punta di un ordine di grandezza e anche di più rispetto al lavaggio diretto.

Il pozzo stesso non subisce contaminazione da inclusioni argillose con il flusso del fluido di lavaggio iniettato. Infatti, la pompa risucchia in superficie tutto ciò che può essere contenuto in esso. Tra l'altro, non vi è più alcun senso pratico nell'aggiungere additivi, quindi come fluido di lavaggio viene utilizzata semplice acqua.

Schema di lavaggio inverso nella perforazione rotativa. L'alimentazione avviene per gravità attraverso lo spazio anulare, mentre i detriti vengono aspirati dalla pompa attraverso il tubo dell'asta di perforazione.

Quindi, riassumiamo i vantaggi della perforazione con flusso d'acqua inverso:

• la velocità di perforazione aumenta (rispetto al flusso diretto) fino a 15 volte;
• la falda acquifera non viene intasata da particelle argillose e granelli di sabbia polverosa provenienti dai livelli inferiori del pozzo ancora non rivestiti;
• grazie all'apertura di qualità della falda acquifera, il pozzo non necessita di ulteriore preparazione per l'esercizio; è possibile installare immediatamente la colonna di rivestimento interna con filtro e avviare il pompaggio con la pompa;
• come fluido di lavoro viene utilizzata acqua semplice (e quindi economica).

Tuttavia, questo metodo presenta anche un notevole svantaggio. Richiede l'impiego di attrezzature costose, il che porta a un significativo aumento del costo dell'intero processo di perforazione.

Perciò, la perforazione a 'circolazione inversa' viene eseguita solo nei casi in cui il pozzo è destinato all'uso da parte di più famiglie. Ma nel caso in cui il pozzo sia destinato all'uso individuale, è molto più ragionevole utilizzare la tecnologia di perforazione rotativa a circolazione diretta.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Video #1. Dimostrazione chiara del processo di perforazione rotativa passo dopo passo:

Video #2. Analisi della tecnologia rotativa e dei principi di allestimento del pozzo:

Video #3. Circolazione dell'acqua durante la perforazione rotativa:

La situazione riguardante la presenza e la profondità delle falde acquifere può variare notevolmente da un luogo all'altro (e in alcuni punti non esistono affatto, come sull'isola di Madeira).

Nella progettazione del pozzo e nella scelta del metodo ottimale di perforazione rotativa, è opportuno utilizzare le mappe disponibili delle falde acquifere esplorate. Questo La aiuterà a risparmiare notevoli risorse e tempo.

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