Perfuração por testemunho de poços: tecnologia e nuances da execução dos trabalhos

Um dos métodos mais produtivos e econômicos de formação de escavações é a sondagem por testemunho. É utilizado na exploração de jazidas e na geologia de engenharia. Além disso, é a maneira mais simples e rápida de obter acesso a águas subterrâneas para organizar o abastecimento de água.

Você aprenderá tudo sobre as especificidades da sondagem por testemunho, as ferramentas necessárias para sua execução e as características de aplicação no artigo que oferecemos.

Âmbito de aplicação da sondagem por testemunho

A sondagem por testemunho é um método que permite determinar com maior precisão a profundidade do teto e da base das camadas de solo, bem como a cota do nível do lençol freático.

A tecnologia de sondagem por testemunho é amplamente aplicada nos seguintes setores:

• Abastecimento de água nos setores industrial e privado. A perfuração de poços para abastecimento particular de água, a organização de captação de água para vilas inteiras ou bairros urbanos é realizada eficientemente por sondagem por testemunho, devido ao fato de a broca penetrar facilmente em grandes profundidades. O conjunto de testemunho é capaz de elevar praticamente qualquer rocha destruída, exceto solos saturados e não coesos (areias, cascalho, seixos);
• Prospecção geológica na indústria de mineração. Ao perfurar a rocha, ocorre uma ação pontual no solo ao longo do raio de rotação. Em outras palavras, com o conjunto que construtivamente se assemelha a um tubo, é perfurado um maciço rochoso íntegro, sem perturbação de sua estrutura e estado.
• Construção civil. Realização de estudos geotécnicos para investigar as propriedades físico-mecânicas dos solos, o estado das rochas. A tecnologia por testemunho oferece a possibilidade de identificar com alta precisão o nível do lençol freático e coletar amostras de água para estudar sua agressividade em relação ao concreto.

Durante a sondagem por testemunho, é extraído o testemunho – uma coluna de solo ou camadas de solo adjacentes. O testemunho caracteriza-se por sua estrutura natural íntegra, o que permite uma análise abrangente da rocha estudada. A perfuração com tubo de testemunho permite determinar com a maior precisão a profundidade da rocha para estudo.

A perfuração com testemunhagem garante a integridade do testemunho extraído, o que contribui para o estudo qualitativo da rocha. Ao mesmo tempo, é realizada a limpeza mais eficaz do fundo do poço da rocha fragmentada.

O uso da broca de testemunhagem na construção facilita e acelera significativamente os processos. No orifício preparado pela perfuração com testemunhagem, é fácil cravar uma estaca ou montar uma estrutura pré-moldada de concreto armado. A perfuração com testemunhagem permite criar furos cilíndricos em estruturas de tijolo e concreto.

Tecnologia de execução dos trabalhos e equipamentos

Conhecem-se dois métodos de uso da broca de testemunhagem: trabalho com injeção de fluido no fundo do poço ou a seco, ou seja, sem lama de perfuração.

A perfuração sem uso de lama de perfuração é aplicada no caso em que os solos não coesivos estão saturados com umidade natural em quantidade suficiente para a penetração e extração. A água também não é injetada no furo durante a penetração em argilas e siltes de consistência fluida, mole e rígida, e em areias siltosas duras e plásticas.

O fluido é obrigatoriamente utilizado na perfuração de rochas duras e semiduras. Na ausência de água, neste caso, o aprofundamento ocorre muito mais lentamente. Além disso, a probabilidade de falha prematura da coroa aumenta significativamente, razão pela qual a perfuração a seco é considerada mais cara.

A tecnologia de perfuração com testemunhagem com lavagem permite não só prolongar a vida útil do equipamento de trabalho, mas também libertar o fundo do poço da rocha fragmentada da forma mais rápida e menos trabalhosa.

Na perfuração com lama de perfuração, a velocidade de penetração aumenta significativamente. Este método é mais frequentemente aplicado na perfuração de poços de grande profundidade. Isso permite realizar os trabalhos no menor tempo possível, com risco mínimo de danos à coroa.

Além disso, água a alta pressão é injetada no fundo do poço durante a perfuração em solos não coesivos soltos, se a extração do testemunho não for o objetivo. Neste caso, o jato de água simplesmente lava o fundo do poço, liberando o furo do solo fragmentado.

Princípio do método por testemunho

O elemento principal na perfuração com testemunhagem é a peça de corte destrutiva, instalada na base do tubo testemunheiro. Esta peça é chamada de coroa. Para penetrar rochas duras, são usadas coroas especiais equipadas com pastilhas de diamante.

Coronas – elementos de corte substituíveis que são aparafusados na borda inferior do tubo testemunheiro. Durante o processo de perfuração, elas precisam ser trocadas várias vezes.

Exatamente a coroa de diamante proporciona a passagem praticamente sem obstáculos da broca a grandes profundidades durante a perfuração de poços de captação de água em calcário. Ou seja, ao desenvolver poços profundos em rochas matrizes, em cujas fissuras, devido à condensação secular, se formaram reservas de água subterrânea mais pura.

As coroas de perfuração são trocadas da forma mais simples – remove-se a peça desgastada e rosqueia-se uma nova coroa no tubo de testemunho.

A rocha é cortada com a coroa, girando em alta rotação. A velocidade de rotação da broca pode ser ajustada de acordo com a densidade do solo. A coroa “corta” o solo apenas na borda de um cilindro peculiar, cuja parte central é pressionada para dentro do tubo de testemunho.

Para extrair o testemunho, o conjunto de perfuração é elevado à superfície. O solo capturado é literalmente soprado para fora do tubo de testemunho por um jato de ar introduzido na parte superior do tubo. O processo de sopro é acelerado batendo no conjunto com uma marreta.

No processo de perfuração por testemunho, o segmento cônico de rocha cortado é empurrado para dentro do tubo de testemunho. Para sua extração, o conjunto de testemunho é retirado do furo desmontando a coluna de hastes de perfuração. O testemunho é soprado e martelado para fora do tubo.

As brocas de testemunho, ao atravessar rochas duras, têm maior produtividade do que as brocas de matriz e de roletes. Isso se deve à alta velocidade de rotação da broca, o que reduz o esforço aplicado na escavação.

Além disso, as brocas destroem completamente a rocha, que precisará ser “retirada” com um balde ou com água pressurizada para limpeza do fundo do poço. Na prática, será necessário passar duas ou até três vezes pelo mesmo trecho: primeiro destruir, depois limpar. A tecnologia de testemunho permite passar e limpar o fundo do poço em uma única operação.

Máquinas e sondas de perfuração

A escolha da máquina ou equipamento de perfuração é determinada pela finalidade do poço e seu diâmetro. A popularidade do método de perfuração por testemunho impulsiona a produção de equipamentos de perfuração em todo o mundo. Tratores pesados, caminhões e veículos off-road são adequados para equipamentos destinados à perfuração de exploração.

O uso de tratores de esteiras pesados permite realizar trabalhos de perfuração por testemunho em áreas com falta de estradas, alagamento superficial e relevo instável.

Na maioria das vezes, o equipamento de perfuração é montado em veículos clássicos das marcas MAZ, KAMAZ, Ural. No entanto, existem opções de montagem em veículos mais leves, que são utilizados para perfuração de poços de água na construção particular.

Na perfuração rotativa manual, a tubulação de testemunho é substituída por seu predecessor histórico – o copo. Este dispositivo é uma versão encurtada da tubulação de testemunho com uma borda afiada na base. O copo é girado manualmente ou com o uso de um motor de perfuração no solo e tudo o que se acumula dentro dele é trazido à superfície.

Para a mecanização da perfuração manual de poços rasos e formação de covas para instalação de cercas e postes de linhas de transmissão, são utilizados motores a gasolina e elétricos. Eles transmitem movimentos rotativos à broca helicoidal ou à tubulação de testemunho.

Equipamentos para perfuração e revestimento de poços

Na execução da perfuração com testemunho, é necessário equipamento que permita trabalhar em profundidade, desenvolver e extrair os mais diversos tipos de rochas. Durante a execução dos trabalhos, deve ser garantido o içamento periódico do material fragmentado pela ferramenta até a superfície.

Conjunto padrão de ferramentas de perfuração

Para a execução de trabalhos de qualidade, é necessário:

• Ferramentas de testemunho. São utilizadas tanto para perfuração horizontal quanto para abertura de furos verticais. Com tubos de testemunho padrão, é possível realizar perfuração em ângulos de até 45 graus. Ferramentas de testemunho de paredes finas podem ser usadas exclusivamente para perfuração horizontal sem vala na instalação de utilidades.
• Coroas de perfuração. São ferramentas que destroem a rocha, com as quais a tubulação de testemunho é equipada para facilitar o corte do testemunho na rocha. Para perfuração de solos sedimentares coesivos e não coesivos, são utilizadas coroas de latão. Para perfuração de rochas, formação de furos em concreto, asfalto, paredes de tijolo, são produzidas coroas de metal duro com pastilhas de diamante.
• Tubos de revestimento de aço. São necessários para revestir a escavação – formar o poço, feito simultaneamente com seu aprofundamento. Seu diâmetro é igual ao diâmetro do poço. O revestimento para captação de água é selecionado antecipadamente, baseando-se no diâmetro do tubo de testemunho e da bomba que se planeja operar no poço.
• Hastes de perfuração. São tubos estreitos que são rosqueados entre si. São usados para estender a coluna de perfuração. Simplificando, eles são aparafusados sequencialmente ao topo do tubo de testemunho para que o movimento rotativo possa ser transmitido em profundidade maior que a altura da ferramenta. Altura do tubo de testemunho + altura da coluna de hastes de perfuração = profundidade da escavação.
• Adaptadores. São necessários para garantir a união de conexões roscadas de diâmetros diferentes, que estão presentes nas hastes de perfuração, rotadores, retentores de lavagem e outros componentes.
• Tampões de lavagem e retentores. Com a ajuda deles, garante-se a elevação do solo destruído à superfície, caso não seja necessária a extração de um testemunho inteiro. Nesse caso, água é injetada no fundo do poço, que, sob pressão, lava o solo destruído para a superfície.
• Brocas. São utilizadas para aprofundar o furo do poço nos locais mais difíceis para a broca de testemunhagem. Ao empregar brocas, às vezes passa-se da perfuração rotativa para a percussão com cabo.

O instrumento apresentado é um conjunto padrão para realizar perfuração pela tecnologia de testemunhagem. Em alguns casos, dependendo da complexidade do desenvolvimento, podem ser necessários instrumentos e equipamentos adicionais.

Ao aprofundar a escavação, uma coluna de hastes de perfuração é aparafusada sequencialmente à extremidade superior do tubo de testemunhagem. Para extrair o conjunto de testemunhagem à superfície, a coluna é desaparafusada haste por haste.

Características construtivas do tubo de testemunho

A característica estrutural do conjunto na perfuração com testemunhagem é determinada pela máxima preservação da integridade do testemunho e consiste no arranjo anular ao redor da passagem livre. Uma das características mais importantes é o coeficiente de extração do testemunho. É definido como a razão entre o diâmetro do testemunho e o diâmetro externo da ferramenta.

A ferramenta para perfuração com testemunhagem é padronizada, diferenciando-se principalmente pelo diâmetro. Pelas características construtivas, os tubos de testemunhagem são classificados em simples e duplos. Os conjuntos simples, destinados ao trabalho em condições geológicas normais, são excelentes para o desenvolvimento de poços de captação de água.

A ferramenta dupla com tubo interno não rotativo é usada apenas em exploração geológica. É necessária para extrair amostras de rochas que se desintegram facilmente sob a influência de vários fatores. Permite coletar uma amostra em sua estrutura natural, com a porcentagem natural de minerais úteis e ganga.

Na coleta de amostras para estudos geotécnicos, na exploração geológica e na perfuração de furos para instalação de suportes de linhas de transmissão de energia, utiliza-se o tubo de testemunhagem simples.

Todos os tubos de testemunhagem são projetados para uso de sopro, injeção de fluido de perfuração no fundo do poço e lavagem do poço. Sua extremidade superior possui um orifício técnico através do qual é feito o bombeamento de água ou jato de ar.

Especificidades da parte cortante do conjunto

Qualquer coroa é apresentada na forma de um anel com rosca na parte superior, necessária para fixação ao tubo de testemunhagem, e pastilhas de corte localizadas na extremidade inferior. As pastilhas podem ser inteiriças ou soldadas a esta peça metálica cortante.

Na perfuração com testemunhagem, usam-se as seguintes coroas:

• Metal duro – de dentes finos, nervurado.
• Diamante – impregnados e de pequenos diamantes.

Os elementos de corte de metal duro são projetados para perfuração de terrenos “moles”. Com eles, é realizada a perfuração de todos os tipos de rochas argilosas de qualquer consistência, rochas semiduras, areias com pouca umidade e úmidas de compactação densa e média densidade. Para perfuração em arenitos e margas, são utilizadas coroas com dentes de tungstênio-cobalto.

Coroas de dentes finos são projetadas para perfuração de rochas de dureza média e baixa abrasividade. Elas são equipadas com dentes de seção octogonal ou quadrada. Com a disposição dos dentes em diferentes alturas, também se obtém um fundo de poço em degraus, cujas vantagens foram descritas acima.

Com o uso de coroas nervuradas, melhora-se a circulação do fluido de lavagem devido à expansão do diâmetro do poço.

Coroas nervuradas são projetadas para perfuração de rochas duras de abrasividade média. Os dentes dessas coroas consistem em uma barra de aço cilíndrica ou prismática com inserto de metal duro. Além disso, mesmo no desgaste da coroa, a eficiência do seu trabalho não diminui.

As coroas com dentes de diamante são projetadas para perfuração de rochas rochosas e semirochosas de alta abrasividade.

Para aumentar a resistência e melhorar as propriedades abrasivas, diamantes técnicos são prensados em sua matriz fundida durante o processo de fabricação. Ultimamente, os cristais naturais são frequentemente substituídos por artificiais.

O número de nervuras é determinado pela construção da coroa e seu diâmetro – pode ser de três a seis. Pode-se acelerar o processo de destruição da rocha deslocando as nervuras para cima em relação à face da coroa. Dessa forma, garante-se um fundo de poço escalonado e facilita-se a passagem do fluido de lavagem.

Tubos para revestimento do poço

Tanto os tubos de testemunhagem quanto os tubos de revestimento de aço são fabricados de acordo com a GOST 51682-2000. Em exploração geológica e geologia de engenharia, são usados para evitar o desmoronamento do solo no fundo do poço, o que não permitiria entender a que profundidade uma camada geológica substitui a outra.

Na construção de poços de captação de água, os tubos de revestimento formam as paredes do poço. Na coluna de revestimento montada a partir deles, é inserida outra coluna de tubos, a coluna de produção. Atualmente, ela é geralmente montada em plástico. A coluna de produção é equipada com um filtro para reter grãos de areia e cascalho fino durante o bombeamento.

As tubulações de revestimento com conexão de nipple são as mais comuns. Elas têm rosca interna em um lado e rosca externa no outro. A coluna de tubos roscados é montada de forma extremamente simples e rápida.

Tanto os tubos de testemunho quanto os de revestimento são fornecidos com rosca, externa em uma extremidade e interna na outra. Isso permite montar a coluna de revestimento de forma rápida e simples. Os tamanhos das roscas são padronizados – qualquer tubo de revestimento pode servir como tubo de testemunho, bastando aparafusar uma coroa e um topo.

Existem tubos de revestimento projetados para conexões soldadas. No setor privado, eles não são usados devido ao processo trabalhoso de montagem da coluna.

Tanto os tubos de revestimento quanto os de testemunho são fabricados em aço grau 45 com grupo de resistência 'K'. Para aumentar a resistência ao desgaste superficial, as extremidades dos tubos são temperadas. Dependendo do equipamento de perfuração utilizado e do diâmetro da bomba submersível, em poços de captação privados são usados tubos com diâmetro de 100 a 200 mm.

Etapas da sondagem por testemunho

Antes do início dos trabalhos, é necessário estudar o plano cadastral e preparar a superfície de trabalho. É preciso garantir o acesso desimpedido ao local de perfuração tanto para a própria sonda quanto para o veículo com fluido de lavagem.

O próximo passo será cavar um poço com volume de pelo menos 2 m³ – isso evitará a necessidade de usar um reservatório adicional. O poço é destinado ao escoamento de águas subterrâneas e fluido de lavagem gasto. Para instalar a parte principal da coluna, é necessário perfurar o solo.

Em seguida, é feita a conexão da coroa escolhida com o tubo de testemunho e a seleção dos tubos de revestimento, que serão emendados à medida que a profundidade aumenta. A sonda deve ser firmemente fixada, após o que a perfuratriz é acionada.

A tecnologia de testemunhagem com lavagem do fundo do poço com água permite liberar a coluna de perfuração da rocha triturada da maneira mais simples e rápida.

À medida que a profundidade aumenta e o tubo de testemunho se enche, ele é periodicamente içado à superfície e limpo do solo capturado pela ferramenta durante a perfuração. Em seguida, a broca, livre do testemunho, pode ser novamente imersa no furo do poço para continuar a perfuração.

Para içar a coluna de perfuração, composta pelo conjunto de testemunhagem e hastes, ela é desmontada. Ou seja, as hastes são separadas uma a uma até que o tubo de testemunho seja removido do poço.

A melhor opção para a perfuração de poço por particulares é a perfuração por testemunhagem, acompanhada de lavagem. Neste caso, não é necessário coletar amostras. O importante é formar rapidamente o furo e limpá-lo do cascalho. Ao mesmo tempo, realiza-se a preparação da escavação para a futura operação.

Para a lavagem, pode-se usar qualquer água, sendo perfeitamente adequada a de um lago ou rio próximo. A perfuração também pode ser feita a seco, se estiver sendo desenvolvido um poço em areia. Normalmente, neste caso, bastam alguns baldes de água como fluido de perfuração apenas para resfriar a ferramenta no fundo.

A tecnologia de perfuração por testemunhagem é usada para perfurar furos em estruturas de concreto e concreto armado, fundações e paredes de tijolos.

Ao trabalhar em areias soltas e com baixa umidade, para reforçar as paredes do furo, recomenda-se adicionar vidro líquido ou massa argilosa à solução de trabalho. Em qualquer caso, ao passar a broca por um horizonte com estrutura instável, será justificado reforçar as paredes do poço com tubos de revestimento.

Características tecnológicas do processo

Durante o aprofundamento, é possível ajustar a velocidade de rotação da broca. Deve-se notar que a broca atravessa facilmente camadas de rochas sedimentares em baixas rotações. No entanto, ao atravessar rochas cristalinas, é necessário aumentar a velocidade de rotação. Com o método de perfuração por testemunhagem, é possível atravessar camadas de diferentes composições e qualquer dureza.

É necessário considerar o fato de que a sonda de perfuração deve estar localizada em uma plataforma horizontal preparada e nivelada. O ângulo de perfuração pode ser ajustado se o diâmetro do furo do poço não exceder 1 metro. Em seguida, a verticalidade da escavação é mantida pela coluna de revestimento.

Os tubos de revestimento podem ser reutilizados se forem retirados da escavação imediatamente após a perfuração. O tubo de testemunhagem é uma ferramenta reutilizável, o que não se pode dizer das coroas. Para perfuração em horizonte sedimentar, são necessárias pelo menos duas, ou até mais. Ao construir um poço em calcário, é impossível prever com precisão o número de coroas desgastadas.

Para prolongar a vida útil da coroa diamantada após sua instalação ou substituição, é necessário tratar o fundo do poço com uma broca. Esta medida aumentará significativamente a velocidade de perfuração.

A sonda de perfuração pode ser montada em veículos de alta capacidade de carga ou em equipamentos especiais de esteira no caso de trabalhos em terrenos acidentados. Equipamentos móveis mais leves podem ser usados para perfurar poços de água pelo método de testemunhagem.

Vantagens e desvantagens do método por testemunho

Graças à ação pontual da coroa em seu raio, garante-se um corte preciso e a extração à superfície de um testemunho inteiro. A tecnologia é aplicável para perfuração de rochas até a categoria XII, podendo trabalhar tanto perpendicularmente quanto em ângulo.

Um dos indicadores mais importantes do método de perfuração rotativa é a alta produtividade e velocidade de perfuração.

Além disso, podem-se destacar as seguintes vantagens:

• O volume de perfuração no caso de aplicação de fluido de lavagem ou água técnica é de 85%;
• A introdução de emulsões ativas na solução de trabalho permite manter as paredes do poço em seu estado original;
• Graças à redução das cargas axiais devido ao fato de que a rocha não é destruída completamente, consegue-se uma redução dos custos energéticos.
• O método permite trabalhar com qualquer tipo de rocha, incluindo basálticas e graníticas.
• Ao utilizar uma perfuratriz móvel desmontável, é possível realizar trabalhos em locais de difícil acesso.

Juntamente com as vantagens, a perfuração rotativa de poços também tem suas desvantagens:

• Ao trabalhar em rochas fraturadas, frequentemente ocorre o emperramento do testemunho, o que leva à necessidade de extrair o tubo para retirá-lo.
• Ao atravessar rochas duras, devido ao superaquecimento e agarramento, a coroa se desgasta rapidamente. Para evitar isso, é necessário usar fluido de resfriamento e reduzir a velocidade de avanço. Consequentemente, a velocidade de perfuração diminui.
• A pequena seção de perfuração (até 200 mm) não permite o uso de bombas submersíveis potentes.

Ao desenvolver poços para água, no caso de aplicação de solução argilosa na abertura da camada, há grande probabilidade de assoreamento do aquífero.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Vídeo 1. Etapa inicial da perfuração de poço pelo método rotativo:

Vídeo 2. Perfuração rotativa de poço em rocha granítica:

O início dos trabalhos de perfuração rotativa de poço deve ser precedido por um cálculo econômico. A observância das normas de segurança e das regras de operação do equipamento minimiza o risco de falha, garantindo assim alta eficiência de trabalho, velocidade de perfuração e redução dos custos econômicos.

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