Métodos de perfuração de poços: princípios tecnológicos e características dos principais métodos

A construção de um poço de captação de água envolve o uso de diferentes métodos de perfuração. Solos soltos e saturados de água são extraídos com o uso de uma concha de perfuração (bailer). Para a abertura em formações argilosas e rochosas, são utilizados métodos de perfuração de poços baseados no princípio rotativo e vibratório.

No trabalho, são empregados mecanismos que permitem escavar solos de diferentes tipos e em diferentes profundidades. Explicaremos como escolher a tecnologia de perfuração ideal para realizar a escavação de forma rápida e impecável para a construção de um poço de captação.

Para uma apresentação visual das informações que oferecemos, o texto é complementado com diagramas úteis, seleções de fotos e tutoriais em vídeo.

Tipos de métodos de perfuração

Anteriormente, a perfuração de poços aquíferos para uso pessoal era realizada principalmente manualmente. Era um processo demorado e trabalhoso, por isso nem todo proprietário de terreno ou casa de campo podia se orgulhar de ter sua própria fonte de abastecimento de água.

Gradualmente, a perfuração mecanizada substituiu os métodos manuais devido à significativa facilitação e aceleração do processo.

Hoje, praticamente todos os poços aquíferos são perfurados por métodos mecanizados, baseados na destruição do solo e na sua remoção para a superfície de uma das duas maneiras: a seco, quando o solo escavado é retirado do poço por mecanismos, e hidráulica, quando é lavado por água fornecida sob pressão ou por gravidade.

Distinguem-se três métodos principais de perfuração mecânica:

• Rotativo (o solo é escavado por rotação).
• Percurssão (a ferramenta de perfuração quebra o solo por impactos).
• Vibratório (o solo é escavado por vibrações de alta frequência).

O método rotativo é considerado o mais produtivo, sendo 3 a 5 vezes mais eficiente que o percussivo e 5 a 10 vezes mais que o vibratório. Além disso, o método rotativo é o mais barato e acessível, sendo frequentemente utilizado como método principal de perfuração manual.

Os métodos mecânicos rotativos de perfuração de poços de água substituíram os métodos manuais ineficientes.

Por sua vez, o método de perfuração rotativa, amplamente utilizado para a construção de poços de água, é dividido em quatro tipos principais:

• perfuração por testemunhagem;
• perfuração por trado helicoidal;
• perfuração por percussão com cabo;
• perfuração rotativa (com rotação da coluna).

Cada tipo de perfuração rotativa tem suas próprias características e é executado com equipamentos especialmente projetados para esse fim. Vamos examinar esses tipos de perfuração com mais detalhes, determinar suas diferenças e qual método deve ser aplicado em cada caso específico.

Especificidades da perfuração a testemunho

A perfuração por testemunhagem é um método mecânico rotativo no qual o solo argiloso ou arenoso denso é extraído na forma de testemunho cilíndrico. O conjunto de perfuração para testemunhagem consiste em um tubo metálico de parede espessa.

Na parte superior do conjunto de perfuração por testemunhagem, há um dispositivo para conectar as hastes necessárias para o prolongamento da coluna de perfuração. Na parte inferior, há uma coroa de perfuração, cujo tipo é escolhido de acordo com a categoria do solo a ser perfurado.

Na perfuração pelo método de testemunhagem, o solo é destruído por uma coroa anelar. A parte interna do testemunho é preservada intacta. Para facilitar o processo de perfuração em siltes argilosos duros e semiduros, argilas e rochas, um fluido de lavagem é injetado no fundo do poço.

Na perfuração por testemunhagem, o solo não é destruído, mas sim 'perfurado' pela coroa e capturado pelo tubo testemunhador. A rocha perfurada é extraída à superfície na forma de testemunho – uma coluna cilíndrica monolítica de rocha.

O resíduo do fundo do poço é às vezes removido por lavagem – injeção de grande quantidade de água no furo. Na maioria das vezes, a lavagem é substituída por sopro com ar comprimido fornecido por um compressor para dentro do tubo. Este tipo de perfuração permite perfurar poços com profundidade de até 1000 metros e diâmetro de 8 a 20 cm.

A perfuração mecânica com sonda rotativa é realizada por sondas do tipo ZIF, UGB, UKB, montadas em veículos como KAMAZ, KrAZ, tratores florestais, etc. Na versão para perfuração manual, o tubo de sondagem é encurtado, denominado sino ou copo. Com este último, um utensílio doméstico virado de cabeça para baixo, o tubo de sondagem é estruturalmente semelhante.

A perfuração com sonda rotativa é utilizada nos seguintes casos:

• prospecção geológica de minerais;
• perfuração de poços exploratórios;
• construção de poços aquíferos de qualquer profundidade, incluindo poços sem filtro em rochas.

Para a construção de poços particulares de água, em alguns casos, o método de sonda rotativa é utilizado antes de iniciar a perfuração helicoidal ou rotativa, desempenhando um papel simultâneo de exploração e preparação.

Na construção de poços particulares, a perfuração com sonda rotativa é utilizada em conjunto com a percussão por cabo. As camadas argilosas são atravessadas com tubo de sondagem. As areias de compactação frouxa, cascalho e seixos com preenchimento arenoso, que não ficam retidos no tubo de sondagem, são extraídos do furo por baleamento.

Em termos de eficiência, o método de sonda rotativa é um pouco inferior ao método de perfuração helicoidal para poços de captação de água. A broca helicoidal perfura mais rápido, mas não permite liberar completamente o furo da rocha perfurada. Raramente são usados em conjunto. E se for o caso, a broca helicoidal passa pelos primeiros metros.

As coronas não destroem o solo, mas o cortam cuidadosamente ao redor do perímetro, formando “bastões” – testemunhos, cujo estudo permite compor um perfil hidrológico do terreno.

Equipamentos e ferramentas utilizados

Para a perfuração com sonda rotativa, são utilizadas as seguintes ferramentas:

• coronas de perfuração em diamante ou outro material de metal duro (aço, tungstênio, pobedita);
• tubo de sondagem;
• tubo de remoção de lama;
• hastes necessárias para o prolongamento da coluna de perfuração;
• conexões de manga, adaptadores entre tubos, selo de lavagem.

Ao perfurar em rochas, a coroa de perfuração se desgasta rapidamente e deve ser substituída. O material da coroa – caro, suporta cargas colossais, as variantes de perfuração com diamante são as mais difundidas.

Todas as ferramentas usadas no processo de perfuração devem estar alinhadas, ou seja, posicionadas exatamente em relação ao eixo de perfuração.

Tecnologia de perfuração a testemunho

A principal característica da perfuração com sonda rotativa – a passagem da rocha com sua preservação completa dentro do tubo de sondagem. Ou seja, durante a operação do equipamento de perfuração, a coroa destrói o solo em forma de anel, que à medida que se aprofunda é empurrado para dentro do tubo de sondagem e nele se mantém devido à sua própria densidade.

Ao retirar o tubo cheio do furo da escavação, ele é liberado do testemunho por meio de batidas com uma marreta.

O processo passo a passo da perfuração com sonda rotativa é o seguinte:

• a coroa de perfuração é conectada ao tubo de sondagem;
• o tubo de sondagem é conectado às hastes, que são estendidas à medida que se aprofunda;
• a barra superior é fixada na sonda de perfuração;
• a sonda gira a coluna de perfuração e gradualmente a “rosqueia” no solo;
• o tubo de testemunho gradualmente se enche de testemunho – solo preso em seu interior;
• após a perfuração de 50 – 70 cm, a coluna de perfuração é retirada à superfície, as barras são desconectadas uma a uma até que o tubo de testemunho seja extraído;
• o tubo é limpo do material perfurado;
• o conjunto vazio é novamente baixado ao fundo do poço, adicionando barras à coluna de perfuração.

As ações são realizadas na ordem descrita até que o poço atinja o aquífero e se aprofunde 50 cm na rocha impermeável subjacente.

Se a fixação do aquífero superior não é o objetivo da perfuração, as camadas superiores podem ser perfuradas com circulação. Neste caso, a bomba injeta o fluido de perfuração através da mangueira para dentro dos tubos. Em seguida, o fluido transporta o solo escavado para a superfície.

Se o objetivo da construção do poço não é o aquífero em depósitos arenosos, a perfuração até atingir rochas pode ser realizada com circulação

Vantagens e desvantagens significativas

Em comparação com os métodos de percussão e rotativo da perfuração mecânica, a perfuração de testemunho é bastante rápida, reduzindo significativamente o tempo de execução. Sua principal desvantagem – é a impossibilidade de elevar solos soltos e seixos saturados de água. Avança lentamente em rochas, sendo necessária uma broca para perfurar matacões.

As vantagens da perfuração de testemunho incluem:

• alta produtividade e a possibilidade de perfurar poços com profundidade superior a 100 m;
• redução das cargas no equipamento de perfuração devido à destruição da rocha argilosa, comparável ao seu corte;
• possibilidade de uso de sonda móvel de dimensões compactas.

A perfuração de testemunho – é um dos métodos mais rápidos para desenvolver captações de água. Um poço em areia pode ser perfurado em um dia de trabalho. Uma captação de água desenvolvida manualmente levará muito mais tempo.

Características da perfuração helicoidal

Este tipo de perfuração é hoje o mais utilizado na construção de poços aquíferos em propriedades particulares. A característica da perfuração helicoidal é que o solo escavado é completamente removido do poço sem a necessidade de equipamento adicional. O método lembra um rosqueamento, permitindo perfurar em profundidade e remover simultaneamente o solo indesejado.

A ferramenta usada para perfuração chama-se trado. Consiste em uma haste metálica com lâminas. Ao se rosquear no solo, o trado quebra a rocha, que fica retida em suas lâminas. Devido à especificidade da construção, o trado não pode limpar completamente o fundo do poço dos detritos. Por isso, é usado principalmente para perfurar as camadas superiores.

A perfuração com trado – é um método rápido e barato que não requer a construção de um reservatório para fluido de perfuração

A perfuração com trado não requer grandes esforços e custos financeiros, portanto o campo de aplicação deste método é bastante amplo: poços de prospecção geológica, instalação de utilidades, construção de estacas perfuradas e parcialmente perfuração de poços de água.

Atualmente, é amplamente utilizado para a instalação de poços abissínios, para não cravar completamente o poço agulha em solo denso, mas sim facilitar ligeiramente o processo de imersão do tubo na rocha previamente desagregada.

O método é adequado para a exploração de poços aquíferos com profundidade de até 30 m em solos moles e soltos, e de até 20 m em solos de média densidade. Após a perfuração com trado e instalação do revestimento, o poço é obrigatoriamente limpo com uma balde para remover o material não extraído.

O trado não é absolutamente adequado para trabalhar em rochas! É utilizado para perfuração parcial de poços de até 120 m, sendo este método combinado com outros: rotativo, percussão com cabo, testemunhagem.

Equipamentos e ferramentas envolvidos

A perfuração por trado é realizada com uma sonda de perfuração, cujo elemento principal é a ferramenta de perfuração do tipo helicoidal, feita de metal de alta resistência. A coluna de perfuração é alongada, à medida que avança, com trados de igual tamanho.

Às vezes, são utilizadas brocas de lâminas no conjunto, necessárias para atravessar solos soltos, bem como brocas com cabeças redondas ou cônicas, usadas para desenvolver rochas duras.

Sonda de perfuração baseada em veículo equipado com motor potente – opção ideal para perfuração em locais de difícil acesso e remotos.

A maioria das sondas de perfuração modernas são equipadas com ferramentas ocas, com travas reversíveis que impedem o movimento da ferramenta na direção oposta.

As partes cortantes do trado durante a perfuração são resfriadas pelo solo que está sendo desenvolvido, e o material escavado é elevado ao longo das espirais. Isso permite realizar a perfuração sem paradas, reduzindo significativamente o tempo e os custos energéticos para a criação de um poço aquífero.

Tecnologia de perfuração helicoidal

Após a execução da perfuração, cuja profundidade é de 1,5 – 2,0 m, a broca helicoidal é removida e no poço são instalados tubos de revestimento. O diâmetro do poço de captação, perfurado com a broca helicoidal, é de 50 – 200 mm e depende do tamanho da ferramenta utilizada.

O desmoronamento das paredes do poço é evitado pelos tubos de revestimento. Isso é especialmente importante para solos soltos não coesos, portanto, entre os perfuradores existe uma regra: usar na perfuração de areias argilosas e argilas siltosas brocas helicoidais com lâminas inclinadas a 30 – 60º, e na perfuração de areias compactadas, ferramentas com lâminas a 90º.

Com uma menor inclinação das espiras da hélice do auger, o auger carrega mais rejeito não coeso para a superfície.

A perfuração helicoidal não requer o uso de fluido de lavagem; a rocha desagregada pela broca é trazida à superfície nas lâminas da ferramenta.

Prós e contras do uso de trado helicoidal

O método de perfuração helicoidal permite realizar a instalação do poço o mais rápido possível, desde que o tamanho da broca e o ângulo de inclinação da broca tenham sido escolhidos corretamente.

As vantagens da perfuração helicoidal incluem:

• o solo é elevado à superfície imediatamente durante o processo de perfuração;
• alta velocidade de penetração no solo sem paradas técnicas;
• não há necessidade de lavar o furo do poço;
• com uma unidade helicoidal compacta ou uma broca helicoidal manual, é possível perfurar dentro de casa (no porão);
• não há necessidade de içar a primeira seção para a superfície e desmontar/montar a coluna de perfuração como no método de testemunhagem.

A principal desvantagem da perfuração helicoidal pode ser considerada a impossibilidade de trabalhar em solos soltos e muito duros, mas ao mesmo tempo, a broca helicoidal é a ferramenta ideal para perfuração em solos argilosos siltosos, misturados (argila e areia argilosa) e argilosos moles.

Outra desvantagem que limita o uso da broca helicoidal para a construção de poços aquíferos é a necessidade de aplicar o método de percussão com cabo para limpar o furo do material escavado.

Um similar da broca helicoidal – o trado é amplamente utilizado na perfuração manual. Ele também destrói a rocha e a captura com suas lâminas para extraí-la para cima.

Caracterização da perfuração rotativa

A perfuração rotativa é um método de perfuração rotativo-vibratório, no qual a destruição do solo é realizada por meio de uma broca movida no fundo do poço pelo rotor da sonda de perfuração. O rotor gira a partir do motor do veículo ou de um motor elétrico instalado separadamente, através de um eixo de transmissão.

O solo desagregado é removido do poço pelo método de circulação direta ou reversa. O fluido de lavagem pode ser fornecido por gravidade ou por estação de bombeamento.

A maioria dos poços artesianos é perfurada usando o método de perfuração rotativa: com o auxílio de uma broca de perfuração, girada por um rotor, seguida pela lavagem do poço e pela fixação de tubos de revestimento.

A perfuração rotativa é aplicada para desenvolver solos rochosos e semirochosos na construção de poços profundos de até 150 m. Uma sonda rotativa com uma broca adequadamente selecionada e tubos de perfuração pesados lida muito bem com formações rochosas.

Os especialistas em perfuração recomendam usar este método de perfuração sob as seguintes condições:

1. O perfil hidrogeológico do local está suficientemente estudado. Sabe-se que será necessário perfurar rochas. O nível da zona aquífera nas rochas de base é conhecido.
2. A água subterrânea possui uma pressão característica dos poços artesianos.
3. Há a possibilidade de fornecimento ininterrupto de água técnica para a lavagem do poço.

Nas regiões sul, a perfuração rotativa pode ser realizada durante todo o ano, enquanto no clima do norte o uso deste método é limitado devido à possibilidade de congelamento do fluido de lavagem.

Equipamentos e ferramentas aplicados

A perfuração rotativa de poços aquíferos é realizada com o uso de uma torre de estrutura ou treliça, na qual estão localizados os equipamentos de elevação e os demais elementos da sonda. A torre permite levantar e abaixar as colunas de perfuração no poço.

A sonda rotativa inclui:

• torre de estrutura ou treliça;
• motor com acionamento;
• rotor e coluna de perfuração;
• equipamento de bombeamento e sistema de limpeza do fluido de lavagem;
• equipamento de elevação, linha de pressão, swivel, selos, etc.

Em unidades autopropelidas, o motor de combustão interna do veículo é usado como motor, sobre o qual o complexo de perfuração está montado. Neste caso, a potência do motor regula a rotação da ferramenta de perfuração.

Como fonte de energia para a sonda rotativa, pode ser usado um motor elétrico fixo ou móvel, o motor de combustão interna do veículo ou geradores.

O rotor, por meio de um mecanismo de engrenagem, transmite a rotação ao tubo de perfuração principal, que por sua vez a transmite à ferramenta principal de perfuração – a broca. A broca pode ter diferentes formas e é feita de materiais de alta resistência: compósitos, aço com revestimento de diamante, etc.

Para cada tipo de solo, um tamanho e forma específicos de broca são selecionados, garantindo assim alta eficiência e velocidade de perfuração.

Particularidades da tecnologia rotativa

A perfuração rotativa de poços de água é realizada em três etapas:

1. Destruição da rocha com uma broca.
2. Remoção da rocha destruída para a superfície por um fluxo de água injetada.
3. Reforço das paredes do poço com tubos de revestimento.

A remoção do solo destruído é realizada por lavagem reversa ou direta. A escolha do método de lavagem depende das condições específicas: profundidade do poço, tipo de solo, disponibilidade do volume necessário de água de lavagem.

Geralmente, em propriedades particulares, utiliza-se a tecnologia de perfuração com lavagem direta, que inclui as seguintes etapas:

• aprofundamento de uma broca de grande diâmetro no solo;
• rotação da broca sob a ação do rotor;
• instalação de tubos de perfuração e montagem de tubos pesados entre eles e a broca;
• remoção do solo residual por pressão de líquido com auxílio de bomba;
• montagem do tubo de revestimento para evitar o desmoronamento do solo dentro do poço;
• perfuração com broca de menor diâmetro e repetição de todo o ciclo.

Na lavagem reversa, o solo é removido do poço através dos tubos da coluna de perfuração, e o fluido de lavagem é derramado entre as paredes do poço e os tubos.

A água flui por gravidade para um reservatório previamente preparado, onde ocorre sua limpeza de solo e lama, e retorna à coluna de perfuração para uma nova porção de rocha residual.

Em alguns casos, na perfuração rotativa, não se utiliza lavagem direta ou reversa, mas sim sopro de ar sob pressão, criado por meio de um compressor.

Vantagens e desvantagens da perfuração rotativa

A principal vantagem do método rotativo é a possibilidade de perfurar poços profundos com captação de água em calcário fraturado.

Além disso, este método de perfuração possui as seguintes vantagens:

• alta qualidade de abertura do aquífero em rochas matrizes;
• possibilidade de construir poço de grande diâmetro até 200 cm;
• alta velocidade de perfuração, baixo consumo de energia.

Uma desvantagem significativa da perfuração rotativa é a necessidade de organizar a lavagem do poço.

Qual método de perfuração escolher?

Todos os métodos de perfuração mecânica considerados são amplamente utilizados para a construção de poços de água.

Resumindo, pode-se dizer que:

1. A perfuração por testemunho é adequada para a abertura em solos argilosos plásticos. O método de testemunho é adequado para a construção da maioria das captações de água, e, se necessário, é usado em conjunto com a perfuração por percussão e cabo.
2. A perfuração com trado é semelhante ao método de sonda rotativa em termos de aplicação. Diferencia-se pela limpeza de baixa qualidade do furo, exigindo o uso obrigatório de balde de limpeza ou lavagem prolongada do poço antes da operação.
3. A perfuração rotativa é a opção ideal para a abertura de poços em solos rochosos.

O custo da perfuração do poço utilizando um ou outro método depende muito do equipamento usado, bem como das categorias de rochas perfuradas quanto à sua perfurabilidade.

Um método de perfuração de poço bem escolhido ajudará não apenas a reduzir o tempo de perfuração, mas também permitirá a operação futura da fonte de água sem problemas

Sobre como construir uma sonda de perfuração caseira, você pode ler em outro artigo popular do nosso site.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Vídeo #1. Demonstração do princípio da perfuração rotativa clássica com extração de testemunho por pressão de água:

Vídeo #2. Características da perfuração de poço com trado:

Vídeo #3. Perfuração rotativa de poço com lavagem do fundo e instalação de revestimento duplo, cuja parte externa é feita de tubos de aço e a parte interna de tubos poliméricos:

A perfuração de um poço aquífero é um processo trabalhoso. Da correta escolha do método de perfuração depende não apenas a velocidade de construção da fonte autônoma de água, mas também os custos financeiros.

A primeira coisa a considerar ao escolher o método de perfuração é o tipo de solo e a profundidade do aquífero. Com base nesses parâmetros, você poderá escolher a opção ideal, que permitirá perfurar o poço de forma rápida e barata.

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