1 Účely hlubinného vrtání a druhy vrtů
2 Způsoby provádění hlubinných vrtů
3 Vrtné zařízení
 

Způsoby hlubinného vrtání a druhy vrtů

1 Účely hlubinného vrtání a druhy vrtů

Hlubinné vrtání je oborem, který zasahuje do mnoha jiných oborů buď přímo, nebo nepřímo a tím se stává důležitým a nezbytným pro široký okruh technické činnosti. Hlavní funkce hlubinného vrtání spočívá v jeho spolupráci na hornické činnosti, a to

Pro tyto účely jsou vrty realizovány jak ze zemského povrchu, tak i z důlních děl.

Dalšími obory, kde je hlubinného vrtání dnes široce využíváno, je především stavebnictví, kde je zvláště patrný nárůst vrtných prací, a to jak z hlediska kvantitativního, tak i kvalitativního (zakládání staveb, injektáže, kotvy apod.) a také vodohospodářství. V posledním období je zřejmý rozvoj vrtných prací také v energetice (provádění vrtů pro tepelná čerpadla a další).

Hlubinný vrt je dlouhé důlní dílo, u něhož poměr (délka/průměr) má maximální velikost. Je hlouben většinou ve svislém směru, ale i ve vodorovném a ukloněném pod různými úhly od tížnice. Hlubinný vrt je prováděn pro účel:

Na základě tohoto rozdělení se vrty obecně člení na:

1. Vrty geologicko-průzkumné, jejichž cílem je získání geologických a geotechnických informací. Charakteristickým rysem je, že slouží jen po dobu vrtání, po ukončení nemá význam (může být i škodlivý), musí se likvidovat. Jsou to vrty. v geologickém průzkumu: mapovací, strukturní, opěrné, parametrické, pionýrské, regionálně-profilové, vyhledávací, obrysové apod. v hornictví: vyhledávací, orientační, sledné, ložiskové, zajišťovací, parametrické, testovací, vrty pro geomechanické účely apod.

2. Vrty provozně-technické, jejichž cílem je vytvoření otvorů, které po odvrtání mají sloužit určitému účelu. Charakteristickým rysem je, že svému účelu začínají sloužit až po dokončení vrtu. Jsou to vrty: v hornictví: těžební, větrací, zmražovací, injektážní, vtláčecí, jámové (velkoprůměrové), odvodňovací, degazační, základkové, hasicí, spojovací, záchranné, trhací, zplyňovací apod. ve stavebnictví: pilotové, mikropilotové, monitorovací, injektážní, spojovací, sanační, vrty pro kotvy apod. ve vodohospodářství: čerpací, pozorovací, balneologické, v energetice: vrty pro tepelná čerpadla, vrty pro využití geotermální energie.

  1. Vrty geologicko-průzkumné, jejichž cílem je získání geologických a geotechnických informací. Charakteristickým rysem je, že slouží jen po dobu vrtání, po ukončení nemá význam (může být i škodlivý), musí se likvidovat. Jsou to vrty:
    v geologickém průzkumu: mapovací, strukturní, opěrné, parametrické, pionýrské, regionálně-profilové, vyhledávací, obrysové apod.
    v hornictví: vyhledávací, orientační, sledné, ložiskové, zajišťovací, parametrické, testovací, vrty pro geomechanické účely apod.
  2. Vrty provozně-technické, jejichž cílem je vytvoření otvorů, které po odvrtání mají sloužit určitému účelu. Charakteristickým rysem je, že svému účelu začínají sloužit až po dokončení vrtu. Jsou to vrty:
    v hornictví: těžební, větrací, zmražovací, injektážní, vtláčecí, jámové (velkoprůměrové), odvodňovací, degazační, základkové, hasicí, spojovací, záchranné, trhací, zplyňovací apod.
    ve stavebnictví: pilotové, mikropilotové, monitorovací, injektážní, spojovací, sanační, vrty pro kotvy apod.
    ve vodohospodářství: čerpací, pozorovací, balneologické,
    v energetice: vrty pro tepelná čerpadla, vrty pro využití geotermální energie.

V závislosti na členění vrtů, tedy geologickém záměru, se rozlišují určité kategorie technických hledisek při hloubení vrtu. Jsou to zejména:

2 Způsoby provádění hlubinných vrtů

Rozdílnost způsobů rozpojování horniny různými druhy vrtných nástrojů neumožňuje vytvořit jednotné, obecné teorie vrtání hornin. Proto se vytvořily teorie vrtání pro jednotlivé druhy nástrojů, např. teorie vrtání valivými dláty a teorie vrtání řeznými nástroji apod.

Při teoretickém rozboru kteréhokoliv procesu vrtání je nutné mít především jasno o druhu, tvaru a stavu vrtného nástroje a o režimu vrtání, který bude použít. Vrtný nástroj se během vrtání může měnit jen co do tvaru (otěrem), a to bez možnosti zásahu obsluhy, kdežto režim vrtání lze regulovat podle vlastního uvážení. Proto správná klasifikace způsobů vrtání, která by byla spolehlivým podkladem pro teoretický rozbor, musí vycházet z režimu vrtání.

Režim vrtání je dán přítlakem, otáčkami a proplachem. Každá z těchto složek je samostatně regulovatelná, nezávisle na složkách ostatních. Cílem všech teoretických rozborů i provozních zkoušek je zjistit, která kombinace těchto režimových složek je nejvýhodnější.

Hlavní složkou režimu vrtání je přítlak; může být stálý, kmitavý, příklepný a nárazový. V každém z uvedených případů má podstatný vliv na vnikání pracovního orgánu vrtného nástroje (břitu) do horniny, protože velikost přítlaku na břit rozhoduje o hloubce vniknutí břitu do horniny.

Stálý přítlak je vyvozován buď zátěžkami nebo hydraulickým či jiným podávacím zařízením. Jeho velikost se v závislosti na čase mění jen málo a pomalu. Naproti tomu kmitavý přítlak je výslednicí stálého přítlaku s rázy vibračního zařízení, které v jedné poloze zvětšuje a v opačné poloze zmenšuje hodnotu stálého přítlaku; při tom tyto změny probíhají velmi rychle, takže jsou velmi účinné. Podobný průběh má i příklepný přítlak, který vzniká součtem stálého přítlaku s účinkem úderníku; jednotlivé údery se projeví místním zvýšením stálého přítlaku. Nárazový přítlak je znám od nárazových způsobů vrtání a vyznačuje se tím, že se mění od nuly po maximum a zpět, při čemž mezi jednotlivými údery jsou značné přestávky.

Druhou velmi důležitou složkou režimu vrtání je proplach vrtu. Je jím řízen odnos rozpojené horninové drti z čelby vrtu, od vrtného nástroje, na povrch. Proplach lze členit podle druhu cirkulace na přímý nebo nepřímý, velikosti průtoku (l/min) a druhu výplachu (kapalný, pěnový, plynný).

Klasifikaci způsobů hlubinného vrtání uvádí tabulka č. 1. Vychází z charakteru přívodu mechanické (přítlak na vrtný nástroj) a hydraulické (proplach vrtu pro odnos vrtné drtě) energie k čelbě vrtu, kde je realizován rozpojovací proces hornin při hlubinném vrtání.

Tabulka č. 1: Způsoby hlubinného vrtání
  1. Vrtání náběrné je charakterizováno tím, že používá nástrojů, které horninu nejen rozrušují, ale i vynášejí z vrtu. Patří mezi nejjednodušší vrtací metody, určené především pro zeminy a měkké horniny. Používá se zvláště ve stavebnictví a vodohospodářství.
  2. Vrtání šnekové (obr. 1) je svým charakterem obdobné předchozímu. Použití je výhodné zejména v plastických materiálech. Vrtným nástrojem je talířový spirálový vrták. Přehrát video


    Obr. 1: Vrtná souprava MVS 1 se spirálovým vrtákem ϕ 90 mm
  3. Vrtání vibrační se používá pro hloubení vrtů v sypkých materiálech, spraších, píscích, které se vyznačují velmi nízkou stabilitou stěn vrtů. Tento způsob vrtání využívá skutečnosti, že sypké látky nabývají při kmitočtu cca 1 000 – 2 000 kmitů za minutu tekutosti jako kapalina. Vrtný nástroj se pak do nich ponořuje. Vrtná kolona plní i funkci pažnic a materiál z vrtu se odstraňuje drapáky. Funkci vibrátoru plní dva protisměrné otáčivé excentry.
  4. Vrtání lanové je prakticky nejstarším používaným způsobem vrtání. Výhodně se jím vrtalo do hloubek 300 – 400 m. Vzhledem k nutnosti odstraňování rozrušené horniny pomocí kalovky nelze této metody použít v suchých píscích, štěrcích a porézních horninách. Principem tohoto způsobu je nárazové vrtání.
  5. Vrtání pensylvánské (obr. 2) je obdobou předchozího způsobu vrtání. Je nejdokonalejší a nejrozšířenější ze všech modifikací lanového vrtání.
    obr. 2: Vrtná souprava užívaná ve 30. a 40. letech 20. stol. v USA
  6. Vrtání rotarové (obr. 3) zaznamenalo od roku 1900, kdy bylo poprvé použito, velký rozvoj a dosáhlo značného stupně dokonalosti, kterým se může vykázat už jen vrtání jádrové. Rotarové vrtání je v současné době téměř nejuniverzálnější metodou pro různé účely. Jeho užití je soustředěno především na vrtání hlubokých a velmi hlubokých vrtů a pak zejména na vrtání vrtů na ropu, zemní plyn a vodu. Je symbolem právě pro vrtné práce v naftovém průmyslu. Všechny rekordní hloubky v hlubinném vrtání byly dosaženy tímto způsobem. Racionální použití tohoto způsobu je uváděno již od 500 m.

    Obr. 3: Rotarová vrtná souprava BIR 7585
  7. Vrtání jádrové (obr. 4) je rovněž vrtání rotační, přičemž jeho technický vývoj je ovlivňován především kvalitou a rychlostí získávání dokonalých, přímých geologických podkladů – horninových vzorků - vrtných jader. Charakteristickým vrtným nástrojem je vrtná korunka.

    Obr. 4: Jádrová vrtná souprava firmy Hilty
    Přehrát video Přehrát video
  8. Vrtání s ponornými pohony. Při klasickém rotačním způsobu vrtání z povrchu se velká část pohonné energie spotřebuje na jalovou rotaci vrtných trubek, na překonávání tření o stěny atd. Kromě toho je soutyčí namáháno všemi druhy namáhání, takže dochází někdy k jeho deformaci i k lomu. Odstranění tohoto problému vedlo ke konstrukci a použití ponorných pohonů, kde vrtací zařízení – ponorný pohon, je umístěn přímo nad vrtným nástrojem a vrtné trubky jsou bez rotace a slouží k proudění výplachu k ponornému pohonu.
  9. Rotačně-příklepné vrtání využívá na rozpojení horniny současné působení rotace a dynamických rázů, vyvozovaných vrtacími kladivy a to povrchovými a ponornými. Povrchová vrtací kladiva (obr. 5) dosahují podstatně menších vrtných postupů než předchozí způsoby vrtání. Mají pneumatický pohon a používají se pro vrtání krátkých vývrtů pro trhací práce při razicích a dobývacích pracích. Naopak pro vrtání hlubinných vrtů dosáhla většího uplatnění ponorná vrtací kladiva (obr. 6). Jako energetické medium se zde používá kapalina nebo stlačený vzduch.
    obr. 5: Souprava Sandvik DX800 využívající

    obr. 6: Vrtná souprava firmy Orteco využívající ponorných vrtacích kladiv Atlas Copco
  10. Tryskové vrtání využívá k rozpojování hornin energie proudu výplachové kapaliny, která vytváří tlakový náraz na horninu, rozrušuje ji a současně ji odstraňuje z čelby. Tento způsob vrtání je vlastně formou rozpojování hornin hydromonitorem, známou zejména z uplatnění v uhelném hornictví.
  11. Protiproudové vrtání (counterflush) je charakterizováno kombinací rotačního vrtání s nepřímým proplachem vrtu. Dalším rysem je průběžné jádrování s hydraulickým výnosem jádra a minimální kolmatace zájmových produktivních horizontů. Nejlépe se osvědčuje v jílech a slínech, nehodí se pro vrtání ve štěrkových horninách.
  12. Rychlorázové vrtání bylo vyvinuto z nárazového vrtání se soutyčím, kdy byla dodržena zásada, že nárazové vrtání má být spojeno s nepřímým proplachem vrtu. Tato zásada plyne ze skutečnosti, že tak velké úlomky hornin, které vznikají při nárazovém vrtání, mohou být bez dalšího drcení a tedy ztráty energie, vynášeny jen nepřímým proplachem.
  13. Sací vrtání je moderním prvkem ve způsobech hloubení vrtů, využívaném zejména v hydrogeologii, inženýrské geologii a stavebnictví při vrtání málo zpevněných materiálů. Vrtná kolona plní rovněž funkci i pažnicové kolony. Rozrušený materiál hornin a zemin je spolu s výplachem odčerpáván z vrtu.

3 Vrtné zařízení

Vrtným zařízením se označuje určitý komplex zařízení, způsobilý k provádění hlubinných vrtů. Skládá se ze dvou hlavních částí:

  1. vrtné soupravy, zahrnující v sobě veškeré povrchové strojní zařízení (obr. 7) (motory, čerpadla, vrátek, věž apod.). Charakterizují techniku při provádění vrtných prací. Konstrukční skladba všech vrtných souprav má tolik společných znaků, že je lze probrat společně; Přehrát video

    obr. 7: Povrchové strojní zařízení vrtné soupravy LOC 400 (vlevo výplachové hospodářství, vpravo čerpadla, motory, uprostřed těžní věž)
  2. vrtného nářadí, zahrnující veškeré nástroje a pomocná zařízení pracující ve vrtu (dláta, korunky, jádrováky, zátěžky, vrtné trubky, pažnice, havarijní nářadí a nástroje). Z vrtného nářadí se sestavuje vrtná kolona (obr. 8), přizpůsobená daným podmínkám a způsobu vrtání. Z pažnic se sestavuje pažnicová kolona, určená k výztuži vrtu a jeho ochraně. Přehrát video

    obr. 8: Vrtná kolona vytěžená z vrtu (valivé dláto, rozšiřovač, vrtná tyč)

K vrtnému zařízení náleží rovněž pomocné nářadí, které zahrnuje všechny nástroje určené k manipulaci s vrtným nářadím (klíče, elevátory, svěry apod.).

Provedení vrtu tvoří určitý uzavřený cyklus prací, tvořený schematicky následujícími etapami:

  1. lokalizace vrtu, tj. vytýčení vrtného bodu a určení plochy pro daný typ vrtné soupravy;
  2. přípravné práce, tj. úprava terénu pro vrtnou soupravu, stavba základů a šachty, výstavba přístupové cesty, stavba vodovodu, elektrického přívodu apod.;
  3. montáž vrtné soupravy, tj. montáž vrtné věže (stožáru), veškeré základní a pomocné zařízení, dále strojovny a navrtání šikmé, pomocné kolony;
  4. vlastní vrtání vrtu, tj. hloubení projektovaných intervalů pro jednotlivé kolony pažnic, odebírání horninových jader, provádění elektrokarotážních prací, případně testerů;
  5. izolace vrstev, tj. zapouštění projektovaných pažnicových kolon a jejich zacementování, montáž ústí vrtu;
  6. osvojení vrtu (čerpací zkoušky), tj. perforace pažnic, vyvolání přítoku ložiskového média, výzkum vrtu, předání vrtu do těžby nebo k výzkumným účelům, resp. likvidace vrtu;
  7. demontáž vrtné soupravy, tj. práce prováděné částečně v opačném pořadí podle 3. Etapy;
  8. likvidační práce, tj. likvidace nebo úprava základů, výplachových kališť, rekultivace okolí vrtu a vrácení pronajatých ploch.