Odwierty geologiczne – cele oraz sposoby wiercenia

Odwierty geologiczne to podstawowy rodzaj badań terenowych, jakich wykonywaniem zajmuje się nasza firma, dlatego uznaliśmy że warto napisać coś więcej na ten temat. W tym poście, przedstawimy sposoby wykonywania odwiertów geologicznych, małośrednicowych, wykonywanych w celach badawczych, poszukiwawczych oraz na potrzeby geotechniki.

W jakim celu przeprowadza się małośrednicowe odwierty geologiczne

Ze względów geotechnicznych, znajomość geologii danego obszaru jest niezbędna do odpowiedniego zaklasyfikowania gruntu pod względem budowlanym. Ponadto, zwierciny pozyskane z otworu w trakcie wiercenia, dają możliwość przeprowadzenia dalszych badań, określających właściwości mechaniczne gruntu.

Informacje pozyskane z profilu geologicznego, włączając w to badania geotechniczne i analizy laboratoryjne, dają możliwość ustalenia w jaki sposób elementy środowiska gruntowo-wodnego będą wpływać na projektowaną konstrukcję budowlaną, która ma powstać na badanym obszarze.

Należy pamiętać, że każdy budynek lub inny obiekt budowlany posiada określone parametry konstrukcyjne, które muszą zostać dostosowane do podłoża gruntowego. W przeciwnym wypadku, może to grozić mniej lub bardziej poważnym uszkodzeniem nowo powstałego obiektu.

Odwierty geologiczne wykonuje się także w celach poszukiwawczych i eksploatacyjnych. Chodzi tutaj przede wszystkim o złoża surowców mineralnych tj. ropa naftowa czy gaz ziemny, oraz poszukiwanie i eksploatację zasobów wód podziemnych.

Jeżeli chodzi o wykonywanie odwiertów geologicznych dla celów naukowych, to badanie profilu gruntowego daje informacje na temat genezy badanego podłoża gruntowego tj. sposób deponowania się warstw osadów w środowisku gruntowo-wodnym, czy informacje stratygraficzne dotyczące poszczególnych okresów geologicznych. Pobrane podczas wiercenia próbki gruntu, mogą posłużyć do dalszych badań laboratoryjnych np. na potrzeby archeologiczne.

Czynniki decydujące o sposobie wiercenia

Sposób wykonania badań terenowych zazwyczaj jest uzależniony od dwóch czynników: ekonomicznego oraz logistycznego. Czasami zdarza się że zlecenie na wykonanie wiercenia jest na tyle specyficzne że dochodzą jeszcze inne czynniki jak np. czynnik technologiczny, który determinuje możliwości wykonania badania gruntu w określony sposób.

Czynnik ekonomiczny sprowadza się przeważnie do ilości i głębokości otworów które zostały wyznaczone do przewiercenia oraz odległości jaką musi pokonać wiertnica zanim znajdzie się w miejscu w którym ma zostać wykonane badanie.

Logistyka natomiast wiąże się ze sposobem transportu wiertnicy oraz warunkami terenowymi w miejscu w którym ma zostać przeprowadzone badanie, np. dostępność danego miejsca dla maszyny ze względu na jej gabaryty lub ciężar. Jeżeli teren badań jest gęsto zadrzewiony lub zabudowany, wiertnica ze względu na zbyt duży rozmiar może nie być w stanie przejechać do miejsca w którym ma zostać wykonane wiercenie. Często stanowi to czynnik decydujący o sposobie przeprowadzenia badania.

wiertnica przetransportowana od wykopu pod windę towarową
Wiertnica przetransportowana do wykopu pod windę towarową.

Sposoby wykonywania odwiertów geologicznych

W związku z wyżej wymienionymi czynnikami wpływającymi na sposób wykonywania odwiertów geologicznych, można wyróżnić wiercenia mechaniczne oraz ręcznie (okrętne). Mimo dużej powszechności ręcznego wykonywania odwiertów głównie ze względów ekonomicznych, ten typ wiercenia jest coraz bardziej wypierany na rzecz wierceń mechanicznych.

Wiercenia mechaniczne

Odwierty wykonywane w sposób mechaniczny można podzielić na dwie metody, udarową i obrotową. W dzisiejszych czasach, zdecydowanie częściej wykonuje się wiercenia mechaniczne metodą obrotową, ze względu na lepsze wartości techniczno-ekonomiczne tego sposobu wykonywania otworów. Poniżej, pokrótce omówię obydwie metody wiercenia.

Wiercenia metodą udarową

Ta metoda wykonywania odwiertów geologicznych jest jedną z najstarszych, jej początki sięgają do 3000 lat wstecz, pierwsze tego typu odwierty wg. historyków przeprowadzono w starożytnych Chinach. Jak napisałem powyżej, obecnie ten sposób wiercenia należy do rzadkości. Znacznie szybciej i łatwiej jest wykonać odwiert przy użyciu wiertnicy wrzecionowej z napędem obrotowym niż metodą udarową.

Wiercenie udarowe polega na kruszeniu skał w podłożu za pomocą udarów świdra, który jest podnoszony, a następnie opuszczany z odpowiednio dużą prędkością na dno otworu. W ten sposób świder pogłębia otwór. Urobek powstały w wyniku wiercenia, co jakiś czas trzeba usuwać z otworu wiertniczego za pomocą specjalnej łyżki zapuszczanej na linie.

Świder jest zapuszczany do otworu na przewodzie w postaci liny. Kiedyś, zamiast liny stosowano także przewód rurowy, jednak proces ten był znacznie wolniejszy niż przy wykorzystaniu liny. Z tego względu udarowe wiercenie otworu na linie całkowicie wyparło używanie do tego celu przewodu rurowego.

Wiercenie metodą obrotową

Otwory wykonywane w celach geologicznych, badawczych czy poszukiwawczych, z reguły są wiercone za pomocą wiertnic małośrednicowych, techniką rdzeniową, pozwalającą na uzyskanie rdzenia gruntu w postaci słupka badanego gruntu lub skały. Otwory o większych średnicach, wykonuje się przeważnie dla celów związanych z górnictwem naftowym lub eksploatacją wód podziemnych z poziomów wodonośnych znajdujących się na dużych głębokościach.

Wiercenia wykonywane metodą obrotową to obecnie najpowszechniejszy sposób wykonywania odwiertów geologicznych. Wiertnica, pomimo swoich gabarytów które czasami bywają kłopotliwe jest niezastąpionym narzędziem jeżeli chodzi o odwierty przekraczające głębokość kilku metrów. Inwestycje pod obiekty budowlane tj. hale produkcyjne, większe budynki mieszkalne lub duże obiekty przemysłowe wymagają dosyć głębokich wierceń, czasami sięgających nawet 20 metrów.

wiercenie obrotowe przy użyciu palownicy
Wiercenie mechaniczne metodą obrotową przy użyciu palownicy.

Ponadto, w przypadku wiercenia mechanicznego otwory mogą być zarurowane. Rury stosujemy gdy zachodzi potrzeba aby odciąć zalegające płytko poziomy wód gruntowych. Rurowanie otworu jest także konieczne w przypadku pobierania próbek gruntu o nienaruszonej strukturze tzw. NNS, w celu przeprowadzenia dokładniejszej analizy badanego podłoża gruntowego.

Dokładność badania gruntu za pomocą 1,5 – 2 metrowych żerdzi wiertniczych jest dużo większa niż przy odwiertach ręcznych. Na podstawie tak długiego rdzenia gruntu wyciągniętego z otworu, można z większą dokładnością i łatwością zinterpretować warunki panujące w podłożu. Dla porównania, świdry okienkowe za pomocą których często wierci się ręcznie, pozwalają na wyciągnięcie ok. 30 cm urobku.

Jeżeli chodzi o wiercenia mechaniczne obrotowe, to należy tutaj wspomnieć o wierceniach rdzeniowych. Tego typu odwierty wykonuje się w przypadku podłoża skalistego. Aby wykonać wiercenie rdzeniowe potrzebna jest specjalna koronka wiertnicza która umożliwia przecięcie skał oraz pobór próbek gruntu o nienaruszonej strukturze.

Przy wierceniu otworów normalnośrednicowych lub większych metodą obrotową np. dla potrzeb eksploatacyjnych, można zastosować płuczkę wiertniczą. Płuczka wiertnicza stanowi medium ciekłe, które wtłacza się do otworu wiertniczego. Zastosowanie płuczki wiertniczej znacznie przyspiesza proces wiercenia otworu. Ponadto, płuczka wiertnicza umożliwia:

  • oczyszczanie świdra ze zwiercin
  • sprawne i szybkie pozbycie się zwiercin z otworu
  • zabezpieczenie ścian otworu przed osypywaniem poprzez wywieranie ciśnienia
  • chłodzenie i smarowanie narzędzia wiercącego
  • ochronę naturalnej przepustowości skał

Jeżeli chodzi o praktykę w przypadku wykonywania odwiertów małośrednicowych dla potrzeb poszukiwawczych lub geotechnicznych, z reguły wierci się na sucho, bez użycia płuczki wiertniczej.

Wiercenia ręczne (wiercenia okrętne)

Wiercenia ręczne to najprostsza z metod wykonywania odwiertów geologicznych. W związku z tym że siłą napędową jest tutaj siła ludzka, wiercenia ręczne stosuje się w przypadku gruntów sypkich lub miękkich, tj. piaski, piaski gliniaste. Kilkadziesiąt lat temu, wiercenie okrętne było bardzo częstą metodą wykonywania odwiertów geologicznych. W przypadku wiercenia ręcznego do większych głębokości powszechnie stosowany był trójnóg, którego zadaniem było ułatwienie zapuszczania oraz wyciągania przewodu wiertniczego z otworu.

Tego typu sposób wiercenia miał powszechne zastosowanie głównie w celach eksploatacji wód podziemnych lub badania gruntu pod budowę. W dzisiejszych czasach, wiercenie otworów w sposób ręczny, charakteryzuje się bardzo niskimi wartościami techniczno-ekonomicznymi.

Zestaw ręczny do wykonywania odwiertów geologicznych razem z trójnogiem i wyciągarką.

Odwierty okrętne wykonuje się za pomocą ręcznego zestawu wiertniczego bez trójnoga. Przykładowy zestaw do wiercenia ręcznego składa się ze świdra, dokręcanych żerdzi oraz klucza pokrętnego który pełni rolę uchwytu. Najczęściej stosowanym rodzajem świdra w przypadku wierceń ręcznych jest świder rurowy.

Podczas wiercenia otworu, ostrze świdra zagłębia się w grunt, przy odpowiednim nacisku osiowym oraz prędkości obrotowej. Im luźniejsza skała tym szczelina świdra rurowego do której kierowane są zwierciny powinna być większa. W przypadku gruntów spoistych lub średniospoistych tj. gliny czy iły, lepiej sprawdza się świder spiralny, którego ostrze łatwiej zagłębia się w dno otworu.

Z reguły, wiercenie ręczne bez użycia trójnoga oraz wyciągarki, pozwala wiercić do głębokości ok. 5 metrów. Rzadko zdarzają się sytuacje w których podłoże gruntowe pozwala na wykonanie ręcznego odwiertu do większych głębokości.

Przykłady świdrów do wiercenia ręcznego (z lewej świder spiralno rurowy, z prawej świder talerzowy), źródło: Gonet A., Macuda J., 1995 – Wiertnictwo hydrogeologiczne, Wyd. AGH Kraków.

Ilość metrów jaką się uda przewiercić ręcznie w danym miejscu, zależy w dużej mierze od warunków gruntowo-wodnych, w tym ewentualnych przeszkód napotkanych podczas wiercenia otworu. Chodzi tutaj głównie o kamienie czy jakieś pozostałości po starych zabudowaniach np. cegły lub gruz, na które możemy natrafić podczas wiercenia w nasypach niekontrolowanych. 

Niestety, tego typu przeszkody nie należą do rzadkości, istnieje szansa że kamień na który natrafiliśmy podczas wiercenia, uda się usunąć za pomocą specjalnej łyżki do usuwanie zwiercin z kabłąkiem, jednak nie zawsze jest to możliwe.

W przypadku wiercenia ręcznego duże znaczenie ma nie tylko sam grunt, ale także wysokość zwierciadła wód gruntowych. Jeżeli woda jest płytko to urobek może po prostu “spływać” ze świdra.

W przypadku bardzo trudnych warunków gruntowo-wodnych dla odwiertów ręcznych tj. grunty kamieniste, twarde gliny, czy płytkie zwierciadło wód gruntowych, wiercenie ręczne może być bardzo czasochłonnym i uciążliwym procesem, a czasami nawet niemożliwym do zrealizowania.

Obecnie, odwierty geologiczne wykonywane ręcznie to metoda wiercenia która ze względów ekonomicznych jest najczęściej stosowana w małych firmach, zajmujących się geotechniką lub innymi dziedzinami z zakresu geologii. Wiercenie ręczne jest stopniowo wypierane przez wiercenia o charakterze mechanicznym. Pamiętajmy jednak, że w niektórych sytuacjach wiercenie ręczne jest jedyną metodą na wykonanie odwiertu geologicznego ze względów logistycznych.

Literatura:

  • Gonet A., Macuda J., 1995 – Wiertnictwo hydrogeologiczne, Wyd. AGH Kraków;
  • Szostak L., 1989 – Wiertnictwo, Wyd. Geologiczne Warszawa;
  • Poloczek G., Wyra A., 2007 – Prowadzenie prac wiertniczych różnymi technikami wiertniczymi, Wyd. ITEE, Radom;
  • Pisarczyk S., 2005 – Mechanika gruntów. OWPW, Warszawa.

Chcesz sprawdzić grunt przed budową domu? Dzwoń!

781 007 800

Dodaj komentarz