Perfuração helicoidal de poços: características da tecnologia e da ferramenta para perfuração manual e com máquina

A perfuração helicoidal de poços para água potável é atualmente o método mais popular para propriedades residenciais. Você pode construir um poço aquífero raso manualmente com uma broca de terra manual. Para facilitar o trabalho, muitas vezes são utilizadas pequenas sondas de perfuração motorizadas.

Vamos explicar por que esse método é tão popular. Analisaremos como ele difere de outros métodos de perfuração e em quais situações é eficaz. O artigo descreve detalhadamente a tecnologia helicoidal, a construção do equipamento de perfuração e as ferramentas usadas na perfuração manual e mecânica.

Especificidades da perfuração helicoidal

Um poço de perfuração é uma abertura cilíndrica na crosta terrestre, que, apesar de sua grande extensão, possui uma seção transversal pequena. O início é chamado de boca, a superfície lateral é chamada de paredes e o fundo da abertura é chamado de fundo do poço.

O método de perfuração ideal é escolhido com base na finalidade funcional do poço, diâmetro e profundidade necessários. É importante considerar as propriedades físicas e mecânicas dos solos a serem atravessados durante a formação da captação de água.

A viabilidade técnico-econômica da perfuração em condições específicas também influencia. Esta é uma etapa significativa no projeto de poços, durante a qual são determinadas as soluções tecnológicas básicas – o tipo de equipamento a ser usado e os regimes de perfuração.

A viabilidade técnico-econômica do método de perfuração helicoidal é determinada levando-se em conta a qualidade do poço, sua durabilidade, prazos de construção e também o custo

Ao projetar e posteriormente perfurar poços de captação, é essencial focar no uso de longo prazo. É importante a capacidade de manter uma vazão estável e permeabilidade constante da zona de fundo do poço por um longo período.

O processo de perfuração de poços inclui várias operações de trabalho:

1. Destruição do solo no fundo do poço, ou seja, separação de partículas da massa.
2. Transporte do solo removido para a superfície.
3. Preparação do poço para operação por meio de limpeza e estabilização do furo, além da realização de lavagem da captação de água.

A eficiência da perfuração depende diretamente das propriedades físicas e mecânicas naturais, a saber: densidade, porosidade, permeabilidade à água de solos não coesivos e consistência de solos argilosos coesivos.

A perfuração por rosca é recomendada para a abertura de poços com diâmetro de 60 mm a 200 mm, profundidade máxima de 80 m, em solos não coesivos e coesivos (categoria I-III de perfurabilidade). Para a abertura em rochas de dureza média (categoria IV-VI), não é recomendado o uso de broca helicoidal.

Para a perfuração de rochas caracterizadas por monoliticidade e ligações cristalinas entre partículas, este método não é adequado. Quanto mais consolidados forem os grãos minerais na rocha, maior será o trabalho necessário para sua destruição.

Vantagens e desvantagens do método

A variante helicoidal de perfuração é utilizada tanto na indústria quanto na construção civil, e também na perfuração manual de poços. Sua característica distintiva é a remoção da rocha desintegrada não por fluido de lavagem ou misturas gás-líquido especiais, mas diretamente pelas peças do equipamento helicoidal.

Distingue-se entre perfuração helicoidal vertical e horizontal orientada. O primeiro método é utilizado na construção de poços aquíferos, bem como para formar furos para estacas. O segundo é utilizado na instalação de redes de engenharia por método não destrutivo.

A perfuração rotativa em solos moles é a mais rápida e barata em comparação com outros métodos.

Este método proporciona simultaneamente alta velocidade de penetração em solos não rochosos até profundidades de 50-80 metros, permitindo formar imediatamente as paredes da escavação através da instalação de uma coluna de tubos de revestimento.

Outra vantagem é a extração do solo escavado para a superfície sem levantar a ferramenta. E mais: como a perfuração helicoidal não requer fluido de lavagem, é utilizada com sucesso em regiões áridas, bem como em períodos de baixas temperaturas.

Hoje, a perfuração com equipamentos helicoidais é utilizada:

• Para a construção de poços de captação individuais;
• Na construção de fundações com estacas helicoidais/perfuradas;
• Para instalação de cercas e postes de concreto armado;
• Na execução de instalação de redes por método não destrutivo;
• Para construção de poços rasos e fossas.

No entanto, há desvantagens. Com brocas helicoidais é impossível perfurar um poço em rochas de alta dureza. Durante a abertura em argilas siltosas duras e semiduras, argilas com camadas de calcário, podem surgir complicações, e na perfuração de rochas abrasivas observa-se um alto desgaste do equipamento de perfuração.

Além disso, há uma limitação de profundidade. Construir um poço com mais de 80 metros de profundidade por este método é muito difícil.

Tecnologia de perfuração vertical

O helicoide é um tubo de perfuração de alta resistência com uma espiral enrolada, que funciona como um transportador helicoidal vertical. Sob ação da carga axial, a parte ativa do equipamento de perfuração penetra na rocha e a destrói por corte e soltura. Simultaneamente, a broca helicoidal transporta o solo escavado para a espiral do helicoide.

O processo de limpeza do poço ocorre continuamente e em paralelo com a destruição da rocha. O solo separado do fundo do poço cai sobre a rosca que gira em alta velocidade.

Sob a ação das forças centrífugas, o solo solto sobe pelas pás da coluna de perfuração. A subida ocorre devido ao deslizamento em espiral, já que o atrito do solo contra a rosca é menor do que contra as paredes do poço.

Assim, a rocha destruída é transportada em estado triturado do fundo do poço até a superfície e é expelida pela boca do poço. Durante o transporte sem dificuldades, o solo preenche 30-40% do volume total do espaço entre as espiras.

Os parâmetros da coluna de rosca devem garantir a rápida elevação de toda a massa de solo destruída pela rosca. No entanto, durante a perfuração, parte do solo solto cai de volta no fundo do poço. Por isso, ao realizar a perfuração com rosca, é necessária uma limpeza mais intensa do furo e, ao final, é obrigatória a lavagem.

Perfuração horizontal direcionada com fuso helicoidal

Na instalação de tubulações de engenharia de várias finalidades funcionais sob obstáculos (rodovias, ferrovias, florestas), utiliza-se a perfuração horizontal direcionada com rosca.

Na fase inicial dos trabalhos, são escavadas duas valas – a de partida (de trabalho) e a de recebimento. Elas devem estar no mesmo nível do poço projetado. Depois disso, o equipamento necessário é descido e montado na vala de trabalho.

Para a perfuração com rosca na direção horizontal, são utilizadas unidades de grande porte com um rotador de perfuração móvel de alto torque.

Esse equipamento possui um grande curso de avanço e é equipado com uma cabeça de perfuração resistente ao desgaste em aço de alta liga. Nele também está instalado uma sonda para monitoramento da perfuração. Ao receber sinais no monitor, o operador controla o andamento do processo e pode ajustar a direção do movimento, bem como o ângulo de inclinação da cabeça de perfuração.

Quando a rosca entra na vala de recebimento, ou seja, no ponto final de acordo com o projeto, a broca é removida. Em seu lugar, são fixados um alargador e o tubo. Depois disso, a rotação das pás é acionada no sentido inverso para puxar o tubo para dentro do poço pronto. Ao término dos trabalhos de perfuração, a unidade de rosca é retirada da vala de partida.

O método sem vala permite a instalação de tubos sob comunicações abaixo do nível do lençol freático por até 80 m. Todas as operações complexas são realizadas sem a escavação trabalhosa de valas, o que possibilita minimizar o tempo de execução e reduzir os custos financeiros.

A principal vantagem da instalação sem vala é a economicidade. Além disso, para apoiar a estabilidade da escavação pronta, não é necessário usar bentonita ou outros polímeros.

Características da perfuração em diferentes solos

Parâmetros tecnológicos básicos da perfuração de poços – carga axial e frequência de rotação do parafuso do transportador helicoidal. Ao aumentar a carga, inevitavelmente a velocidade de avanço também aumenta, o que pode levar à ocorrência de várias situações de emergência.

Portanto, é essencial garantir que o volume de rocha separado pelo sem-fim por unidade de tempo não exceda a capacidade do transportador. Caso contrário, formam-se obstruções nas espiras.

A velocidade da perfuração helicoidal depende diretamente das propriedades do solo, da profundidade e do diâmetro do poço, do número de rotações da coluna, da carga axial no fundo do poço, da configuração da ferramenta utilizada para a destruição da rocha.

Geralmente, rochas argilosas plásticas, areias soltas e de densidade média são perfuradas sem aplicação forçada de carga axial. A ferramenta helicoidal penetra no solo sob seu próprio peso, bem como devido à força de reação gerada quando a rocha escavada é transportada para a boca da perfuração cilíndrica.

Cargas axiais de até 5 kN são geralmente aplicadas durante a perfuração inicial do poço, ao perfurar em areias siltosas duras, argilas siltosas, argilas, argilitos, siltitos. A frequência de rotação da coluna não deve exceder 1,7-3,3 s^-1.

Em frequências mais altas, ocorrem vibrações internas, devido às quais as seções da coluna de perfuração podem perder a conexão. Como resultado, a ferramenta de perfuração permanecerá no fundo do poço, sendo praticamente impossível recuperá-la, o que significa que será necessário perfurar uma nova perfuração. Já em baixas frequências, o transporte do solo escavado para a superfície é muito difícil.

Com o aumento da dureza das rochas, as cargas axiais são aumentadas. A perfuração em solos cascalhosos e pedregosos, argilas siltosas congeladas, areias saturadas de água, siltitos com inclusões de quartzo é realizada com carga axial de 8-10 kN na broca e frequência de rotação da coluna de 1,3-2,2 s^-1.

Seixos e rochas com inclusão de blocos não são perfurados pelo método helicoidal. Esses fragmentos arredondados de rochas duras são destruídos com uma broca e trazidos à superfície com uma concha.

A perfuração em areias de diferentes densidades e graus de saturação de água, depósitos de cascalho e pedra britada é realizada em altas rotações e, simultaneamente, as paredes da perfuração são reforçadas com tubos de revestimento.

A perfuração helicoidal em argilas mole-plásticas e fluido-plásticas é frequentemente complicada pela formação de obstruções. Quando as partículas de argila aderem à ferramenta helicoidal, o aprofundamento do poço é interrompido e o transporte da rocha escavada para a superfície é muito dificultado.

Para evitar isso, a velocidade de perfuração é reduzida ao mínimo possível, a coluna é movimentada para cima e para baixo e água é adicionada ao poço. Além disso, nessa situação, ajuda o levantamento periódico da ferramenta de perfuração à superfície e a limpeza da argila siltosa aderida.

Ferramentas para perfuração helicoidal

As ferramentas para perfuração por trado de poços são diferenciadas pelo número de voltas e pela geometria da parte cortante. Para perfuração em solos arenosos e argilosos duros e semiduros, frequentemente são usados equipamentos de perfuração cuja borda é equipada com insertos de corte adicionais.

Na maioria das vezes, para a perfuração de poços de captação de água para particulares, utiliza-se apenas um trado inicial sem quaisquer acréscimos, pois a perfuração será em rochas sedimentares coesivas e não coesivas. Ao aprofundar, a ferramenta é simplesmente estendida com hastes de perfuração.

Neste caso, o equipamento é retirado do poço a cada 0,5 – 0,7 m para limpar a broca e o fundo do poço da rocha triturada. Esta é uma opção de perfuração mais econômica, porém mais trabalhosa.

Para perfurar matacões e seixos que podem ser encontrados em solos sedimentares, utiliza-se o método de percussão com cabo. Geralmente, usa-se um cinzel feito de aço ferramenta. Esta broca afiada na extremidade inferior é “lançada” com força no fundo do poço até que a “barreira sólida” seja destruída.

Após a destruição do seixo ou matacão, os fragmentos são trazidos à superfície com um balde (tubo de testemunhagem) ou bailer. Em seguida, retoma-se o método com trado. Na maioria das vezes, para a perfuração do poço, é necessário utilizar vários métodos de perfuração em conjunto.

Na perfuração de areias soltas e argilas moles, são utilizados equipamentos de perfuração com trado com pás voltadas para o fundo do poço em um ângulo de 30-60º, e para perfuração em rochas argilosas coesivas – 90º.

Estruturalmente, o trado consiste em um tubo ou uma barra/haste contínua longa com uma espiral enrolada.

Esta espiral é obtida enrolando uma fita de aço de alta resistência com diâmetro de 5-7 mm em um mandril helicoidal. Ela é esticada no tubo/haste e depois soldada.

Quanto maior o diâmetro do tubo base, menor a capacidade de transporte do trado. No entanto, o diâmetro do produto longo é limitado pela resistência mecânica do trado e pela tecnologia de sua fabricação.

Atualmente, são fabricados dois tipos de trados:

• Com orifício central, ou seja, ocos;
• Pesados – sem orifício.

Para minimizar o desgaste do transportador helicoidal ao perfurar em rochas abrasivas, uma tira de aço é enrolada na borda externa ou uma camada de metal é depositada na superfície.

Em altas velocidades de perfuração com trado, um adaptador especial com enrolamento de dois fios de aço em tira é fixado sobre o equipamento. Com isso, a maior parte da rocha cai no transportador helicoidal sem ser triturada.

Na extremidade do tubo com espiral enrolada, são obrigatoriamente soldados elementos de conexão. Existem dois tipos de conexão para trados: sem rosca e com rosca. No primeiro caso, os trados são conectados por acoplamentos e mantidos por pinos metálicos com travas; no segundo caso, pelo método de aparafusamento.

A conexão rosqueada das brocas helicoidais à coluna de perfuração permite mecanizar sua conexão e desconexão durante as operações de descida e subida, ao fornecer fluido para o fundo do poço. Mas há uma desvantagem significativa: a rotação reversa das brocas helicoidais não é possível neste caso. Por isso, a conexão sem rosca tornou-se mais difundida.

Equipamentos de perfuração especiais geralmente incluem um conjunto de brocas helicoidais de diferentes diâmetros.

As mais eficazes são as brocas helicoidais com um orifício central através do qual ar ou água é fornecido ao fundo do poço. Isso permite reduzir o atrito da rocha contra a superfície do transportador helicoidal.

Brocas helicoidais ocas com conexão rosqueada são utilizadas na perfuração com sopro, para bombear água durante a escavação de poços cilíndricos na crosta terrestre, para instalação de cargas em poços geofísicos, para injeção de concreto em furos para estacas. Também podem ser usadas como revestimento.

Na perfuração com fundo contínuo, o canal central é bloqueado por uma ferramenta de perfuração em um cabo.

Visão geral dos equipamentos de perfuração

Para a perfuração helicoidal, são utilizados tanto ferramentas manuais quanto equipamentos mecanizados. O mais simples em construção é a broca de terra manual. Consiste em uma haste/tubo com uma lâmina helicoidal e uma alça em T rigidamente fixada.

Uma ferramenta de perfuração desse tipo é aparafusada no solo como um saca-rolhas. Durante a escavação, é estendida com hastes. As brocas de terra manuais são fabricadas desmontáveis para facilitar o transporte em veículos de passeio. Isso também permite alterar o comprimento da coluna de perfuração helicoidal.

Com uma ferramenta manual, é possível fazer furos de até 2 metros de profundidade com diâmetro não superior a 20 centímetros. Existem também motobrocas com acionamento a gasolina ou elétrico. Sua construção inclui um transportador helicoidal, ou seja, uma broca helicoidal, e um motor com redutor. A rotação do eixo do motor proporciona o movimento da broca.

Usando uma ferramenta motorizada com hastes de perfuração para extensão, é possível perfurar poços de até 25 metros de profundidade. Com diâmetro de até 30 centímetros, é utilizado para instalação de postes de iluminação pública, montagem de postes de cercas, poços de inspeção de fundações e base do solo.

A perfuração de poços de água em propriedades residenciais e a criação de furos de grande diâmetro para fundações de estacas são realizadas por sondas portáteis de pequeno porte ou sondas de perfuração em veículos móveis.

Os agregados móveis são máquinas de pequeno porte com motor elétrico ou a gasolina. Com eles, é possível perfurar rapidamente um poço para casa de campo e preparar um grande número de buracos para postes de diversas finalidades funcionais.

Frequentemente, essas sondas de perfuração são fabricadas como um reboque para automóveis de passeio, para facilitar o transporte até o local de trabalho.

Na construção civil e industrial, para a formação de escavações de grande profundidade e diâmetro, utiliza-se equipamento especializado de rosca sem-fim fixado em veículos móveis – caminhões, tratores.

É utilizado na instalação de suportes de linhas de transmissão de alta tensão e postes de iluminação pública, na montagem de cercas de estádios, complexos esportivos, instalações industriais, aeródromos. Além disso, com o uso de sondas de perfuração helicoidais em veículos móveis, constroem-se cortinas de estacas-pranchas e instalam-se estacas helicoidais.

Vídeo útil sobre o tema

Perfuração helicoidal de poço de captação de água com profundidade de 20 m em propriedade particular:

Neste vídeo é demonstrada a tecnologia de perfuração helicoidal horizontal para passagem de dutos sob uma rodovia:

Execução de estacas com hélice contínua de grande diâmetro e canal central. Para os trabalhos, utiliza-se a sonda de perfuração Bauer BG-30 e uma bomba de concreto estacionária de alto desempenho Liebherr:

O método helicoidal proporciona altas taxas de perfuração de poços. O avanço da perfuração e a remoção do solo escavado da frente de corte até a boca do poço ocorrem simultânea e continuamente, economizando tempo, esforço dos perfuradores e recursos investidos no projeto. Por isso, o método de perfuração helicoidal é popular.

Por favor, deixem comentários no formulário abaixo. Contem se já tiveram que usar uma ferramenta helicoidal manual ou perfurar com uma sonda de pequeno porte utilizando uma hélice. Compartilhem detalhes técnicos que possam ser úteis para os visitantes do site.