Forajul sondelor hidrogeologice – foraje de alimentare cu apa

1. Clasificarea forajelor hidrogeologice

Există mai multe criterii de clasificare:

1. după scop:

–        foraje de cercetare hidrogeologică (prospecţiune şi explorare);

–        foraje de exploatare;

–        foraje hidrogeologice pentru alimentare cu apă;

–        foraje hidrogeologice pentru asecare şi drenare;

–        foraje cu destinaţie specială (foraje de observaţie – urmăresc variaţia nivelului dinamic al apei şi sunt sonde cu diametru mic).

1. din punct de vedere constructiv:

–        sonde fără filtru – când acviferele sunt alcătuite din roci în care apa nu antrenează nisip (calcare, gresii);

–        sonde cu filtru pentru traversarea unor nisipuri acvifere. Coloana filtrantă poate fi unică (varianta cu pietriş mărgăritar), pierdută, combinată.

1. din punct de vedere al nivelului apeiîn sondă:

–        sonde de apă cu nivel liber (în acvifere fără presiune);

–        sonde de apă cu nivel ascendent (în acvifere cu presiune), cu nivel care urcă deasupra stratului acvifer;

–        sonde de apă cu nivel artezian, cu nivel care depăşeşte suprafaţa solului.

1. după modul şi gradul de de deschidere a stratului acvifer:

–        sonde de apă perfecte- sonda hidrodinamică perfectă are lungimea filtrului egală cu grosimea stratului şi în timpul extragerii fluidului nu există pierderi de presiune la intrarea apei din strat în sondă;

–        sonde de apă imperfecte

1. după modul de amplasare:

–        sonde de apă singulare, sunt sonde obişnuite, al căror scop este determinarea nivelului hidrostatic, a debitului specific şi a posibilităţilor de exploatare;

–        sonde de hidroobservaţii, au rol în determinarea nivelului hidrostatic, se tubează provizoriu cu diametru mic;

–        sonde centrale cu sateliţi, folosite pentru determinarea caracteristicilor hidrogeologice pentru mai multe orizonturi acvifere. Sonda centrală se execută în carotaj mecanic continuu, urmat de carotaj geofizic. Se tubează pentru orizontul acvifer apropiat de talpa sondei. Sateliţii se execută în sapă pentru orizonturile superioare.

–        grup de sonde hidrogeologice, se execută pentru a urmări raza de influenţă. Dintr-o sondă se extrage apa şi se urmăreşte evoluţia nivelului în celelalte sonde.

2. Săparea sondelor hidrogeologice

Pentru executarea găurilor de sondă la forajul hidrogeologic se pot folosi următoarele metode de foraj: manual, cu şnec, percutant şi rotativ.

Forajului rotativ aplicat la sonde hidrogeologice prezintă particularităţi în privinţa circulaţiei fluidului de foraj. Circulaţia poate fi directă şi inversă. Circulaţia directă se aplică la forajele cu diametru normal. Pentru săparea sondelor hidrogeologice cu diametru mare se utilizează circulaţia inversă (prin exhaustare, aerlift).

1. Circulaţia inversă prin exhaustare presupune absorbţia fluidului de foraj din interiorul garniturii de foraj cu ajutorul unei pompe centrifuge.
2. Circulaţia inversă prin aerlift constă în introducerea în interiorul prăjinilor de foraj a aerului sub presiune, prin ţevi de aer cu o anumită submergenţă. Aerul antrenează fluidul de foraj spre suprafaţă şi odată cu el şi detritusul. Prin capul hidraulic, special construit, se introduce aerul în ţevile de aer, care sunt în lichid pe o lungime stabilită. Metoda se aplică după ce s-a săpat o anumită adâncime din sondă (10-20m).

3. Construcţia sondelor hidrogeologice

Programul de construcţie al unei sonde hidrogeologice se face funcţie de acviferele ce urmează a fi exploatate.

Alegerea şi introducerea filtrului la nivelul acviferului şi punerea în producţie, este operaţiunea care stabileşte calitatea executării sondei. Adâncimea pozării filtrului se face după corelarea carotajului mecanic cu carotajul geofizic. Filtrele sunt confecţionate din burlane de foraj, din beton poros, material plastic, sârmă, sau tablă ştanţată.

Coloana filtrantă este coloana de burlane perforată în dreptul acviferului. Ea poate fi: unică, combinată, cu filtru mobil şi pierdută.

Coloana filtrantă unică este o coloană egală ca dimensiune cu adâncimea sondei şi diametrul filtrului egal cu al coloanei de prelungire.

Coloana filtrantă combinată, are lungimea egală cu adâncimea sondei, iar diametrul filtrului este mai mic decât al coloanei de prelungire.

Coloana filtrantă cu filtru mobil este coloana la care, în în interiorul coloanei filtrante unice sau combinate se introduce un alt filtru.

Coloana filtrantă „pierdută” are lungimea mai mică decât adâncimea sondei şi nu ajunge la suprafaţă, doar în interiorul coloanei de burlane tubate anterior. Izolarea celor două coloane se face cu un dispozitiv de etanşare. Coloanele filtrante se confecţionează din burlane , PVC, rar ciment poros.

Coloana filtrantă este alcătuită din: filtru, decantor, coloana de prelungire. Anexele coloanei filtrante sunt dispozitivele de etanşare (la coloane filtrante pierdute), dispozitive de lansare (la coloane filtrante pierdute), dispozitive de protecţie şi centrorii.

Filtrele sunt elementul cel mai important al coloanei filtrante deoarece influenţează calitatea şi cantitatea apei, precum şi buna exploatare a sondei. Cele mai utilizate sunt filtrele din burlane metalice: simple, cu ţesătură metalică şi cu pietriş mărgăritar, precum si material plastic slituit.

Filtrele simple se confecţionează din burlane metalice, în varianta cu şliţuri, cu fantă, şi se dimensionează funcţie de granulometria orizontului acvifer, sau de diametrul pietrişului mărgăritar introdus în spatele filtrului.

Filtre cu ţesătură metalică se confecţionează cu ţesătură metalică aleasă corespunzător analizei granulometrice a nisipului acvifer. Se foloseşte un burlan carcasă, în care se execută perforaţii cu secţiune circulară, sau dreptunghiulară. Se matisează burlanul cu sârmă la 2-3 cm. Se îmbracă apoi burlanul cu ţesătura metalică aleasă şi se înfăşoară peste ea sârmă, pentru a o proteja la transport şi la introducerea în sondă. Spirele se cositoresc să nu existe riscul desfacerii lor în timpul diverselor operaţii.

Filtre cu pietriş mărgăritar se realizează în sondă, sau la suprafaţă (se introduce pietriş mărgăritar între două filtre simple, metalice, concentrice). Pentru filtrele executate în gaura de sondă, se introduce pietrişul de la suprafaţă în spatele coloanei filtrante, în circuit ascendent sau descendent.

Decantorul este partea inferioară a coloanei filtrante şi este construit în scopul decantării nisipului intrat în sondă. Este format dintr-un burlan neperforat, solidar cu carcasa filtrului. Forma lui depinde de roca pe care se aşează (închis la partea inferioară, dacă se aşează pe nisip, deschis, dacă se aşează pe marnă), metoda de foraj şi adâncimea forajului.

Coloana de prelungire este coloana de burlane care se găseşte deasupra ultimului filtru şi care ajunge la suprafaţă, sau 10m în interiorul altei coloane, în cazul coloanelor filtrante pierdute.

Anexele coloanei filtrante:

Dispozitivul de etanşare se foloseşte la coloanele filtrante pierdute pentru etanşarea spaţiului dintre coloana filtrantă şi coloana definitivă.

Dispozitiv pentru protecţia coloanei filtrante se utilizează pentru inchiderea coloanei filtrante la forajele de hidroobservaţii.

Cap de coloană pentru sonde cu nivel artezian permite dirijarea apei ieşite la suprafaţă.

Niplu de cimentare se utilizează la sondele la care este necesară cimentarea deasupra filtrului pentru a izola acviferele superioare.

Cap de cimentare este folosit pentru executarea operaţiei de cimentare şi asigură legătura cu agregatul de cimentare.

Centrori pentru burlane se folosesc pentru obţinerea unui inel de ciment, sau de pietriş mărgăritar corespunzător.

4. Valorificarea forajelor hidrogeologice

Forajele hidrogeologice sunt utilizate pentru drenarea şi asecarea apelor subterane, precum şi pentru utilizarea apelor subterane în scopuri industriale sau alimentare. Debitul unei sonde poate scădea din motive variate. Exceptându-le pe cele privind posibilităţile acviferului, alte cauze pot fi: conţinutul mare de coloizi în noroiul de foraj, cantităţi mari de nisip, care poate colmata filtrul, depunerile de săruri, care micşorează orificiile.

Punerea în producţie a unei sonde se face în trei etape: decolmatarea, denisiparea şi pompările experimentale.

Decolmatarea este prima fază de punere în producţie pentru sondele la care acviferul a fost traversat cu noroi de foraj.

La sondele pentru apă, dacă acviferul nu a fost traversat cu fluid de foraj, nu este necesară operaţia. La sondele arteziene schimbarea noroiului cu apă este suficientă. La sondele cu nivel liber sau la cele cu nivel ascensional se schimbă noroiul cu apă şi se extrage apa din sondă prin lăcărit. Prin această operaţie se obţine o denivelare sub nivelul hidrostatic, se crează o diferenţă de presiune, condiţie necesară fluxului de apă spre sondă. Dacă aceste operaţii nu dau rezultate se trece la pistonare.

Operaţiile componente ale decolmatării sunt :

Spălare interioară şi exterioară a filtrului pentru eliminarea noroiului de foraj din sondă. Se introduce apă curată prin prăjini, care iese prin parte inferioară a decantorului şi prin spatele coloanei filtrante. Circuitul prin spatele coloanei filtrante se execută până la obţinerea apei curate în circuit şi nu mai mult, deoarece apa va pătrunde în acvifer.

Lăcăritul este operaţia care constă în extragerea apei din sondă cu ajutorul unei linguri, introdusă în coloana filtrantă cu ajutorul unui cablu. Lingurile de lăcărit sunt confecţionate din burlane cu supapă în formă de disc, sau bilă. Lungimea lor este de 1,5-2m. Se introduce lingura în filtru, chiar şi atunci când nivelul apei este mult mai sus, pentru a desfunda mai uşor filtrele prin aspiraţie provocată în dreptul lor.

Pistonarea se excută prin coborârea în sondă a unui piston, care prin mişcări de urcare şi coborâre curăţă filtrul. La ridicarea pistonului se crează o depresiune şi apa pătrunde în sondă, iar la pătrundere are loc o presiune asupra coloanei de apă, care pătrunde în acvifer.

Denisiparea este a doua fază de punere în producţie şi presupune pomparea în care particulele mici de nisip sunt extrase şi eliminate din stratul de apă, iar particulele mari rămân în jurul filtrului formând filtru natural. Acest filtru natural va proteja ulterior, la pompările de exploatare şi experimentale, filtrul introdus în sondă.

Denisiparea se face cu ajutorul instalaţiei aerlift, la care utilajele principale sunt compresorul şi pompa de aer comprimat (Mamuth).

Pomparea experimentală şi testarea au acelaşi scop şi anume determinarea debitului în funcţie de denivelare, urmărindu-se în acelaşi timp nivelul apei în sondele vecine, pentru determinarea razei de influenţă. Pomparea şi testarea şi se fac prin metode diferite (aerlift şi submersibile). Parametrii obţinuţi sunt folosiţi în stabilirea tipului de pompă submersibilă utilizată pentru exploatare.

Operaţiile din timpul testării sunt următoarele:

• deschiderea pompării – se fac probe cu pompa submersibilă pentru cunoaşterea debitului şi a denivelării circa 24 ore.
• Testarea de eficacitate – se excută 4 reprize a 6 ore, cu debite diferite, dar constante la o denivelare şi egală ca durată. După fiecare denivelare se fac măsurători pentru restabilirea nivelului hidrostatic.
• Testarea de performanţă – se pompează 100 de ore cu debit maxim al utilajului pentru stabilirea regimului de curgere. După terminarea testării de performanţă se fac măsurători privind revenirea nivelului hidrostatic.

Pentru punerea în producţie a unor sonde de alimentare cu apă potabilă, se recoltează probe de apă pentru analize fizico-chimice şi bacteriologice.