CZ16280U1 - Kolona upravená k cementaci pro pažený zemní vrt - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká vrtů, především pro čerpání vody z větších hloubek. Jedná se o vrty, kde ve vrtu je vytvořeno pažení, utěsněné proti průniku vod jak v axiálním směru, tedy přes vrtem provrtané nepropustné vrstvy, tak i v radiálním směru, tedy z pažení do horniny nebo obráceně, pouze s výjimkou záměrného prostupu do pažení v místě, resp. v rozsahu hloubek, odpovídajících požadovanému odběru vody, resp. odčerpávání této vody. Zejména se jedná o pažení, vytvářená pro takové vrty, kde taková pažení mají formu kolony, sestavené z trubek, spuštěných do zemního vrtu.

Dosavadní stav techniky

V současnosti jsou známy vrty, též pro odběr vody, a to jak pitné vody, tak i vody kontaminované, kde se odčerpává taková voda z důvodu sanace kontaminovaných geologických vrstev. Takové vrty jsou vytvářeny následujícím způsobem. Vyvrtá se studna o potřebné hloubce, přičemž z důvodu ochrany čerpadla, pro možnost čerpání a pro možnost utěsnění se do vrtu spouští potrubí.

Takové potrubí, v současnosti používané, se vyrábí z nerezových slitin, kde je zaručena dlouhodobá odolnost proti vodě, včetně agresivních vod, případně i kontaminovaných kyselinami, apod. S tím jsou ovšem spojeny určité nevýhody. Především nerezové potrubí je poměrně drahé, což je závažnou vadou zejména v situaci, kdy je třeba hloubit vrty poměrně hluboké a současně ve velkém počtu. Dále vychází, za obvyklých požadavků na pevnost takového potrubí, u potrubí spouštěného do vrtu poměrně vysoká hmotnost. Proto v takovém případě je nutno používat jak k dopravě, tak i k manipulaci na místě montáže, především však ke spouštění postupně spojovaných kusů potrubí do vrtu, těžkou dopravní a manipulační techniku, což je velmi nákladné. Dále pak jsou tu problémy se spojováním nerezových trubek, neboť jejich svařování je náročné a jejich spojování šroubením je spojeno také s různými problémy, jako je nevhodný povrch obrobe25 né plochy na závitu nerezových trubek, nebo i problém s únosností a s těsností závitových spojů na nerezových trubkách. Naproti tomu je sice známo použití plastových trubek pro vedení vody, ovšem většina plastů nemá potřebnou odolnost a životnost v agresivním prostředí, jiné plasty zase nelze spolehlivě spojovat lepením, což je důvodem, proč dosud pro uvedené speciální účely nebylo plastů použito. U pažení, v provedení z plastových trubek, se vyskytuje zpravidla problém s odolností kolony, sestavené z trubek a spuštěné do vrtu, a to v situaci, kdy má dojít k zalití mezery mezi vnějším povrchem trubky, resp. podstatné části zmíněné kolony, a vnitřním povrchem vrtu, provedeného předtím v zemi do značné hloubky. Pokud se totiž cementace provádí po delších úsecích, působí do ztuhnutí cementové směsi na kolonu extrémní vnější tlak, který často způsobí i deformaci kolony, a to zpravidla s následkem nejen trvalého znehodnocení samotné kolony, ale i s následkem znehodnocení celého vrtu. Bezpečný je proto za srovnatelných podmínek jen postup s cementací mezery po malých úsecích, což je technologicky a tedy i ekonomicky nevýhodné.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody se v podstatné míře řeší a vytvoření technologicky i cenově výhodných paže40 ných vrtů, především do větších hloubek, se dosahuje při použití kolony upravené k cementaci pro pažený zemní vrt, podle předkládaného technického řešení, kde podstata spočívá v tom, že kolona, která je základem pro pažení pro uvedené vrty, sestává z polyetylénové, na tupo svařované trubky, opatřené dole pevným dolním uzávěrem a vykazující ve spodní části perforovanou filtrační zónu, nad kterou je provedena dočasná technologická zátka, přičemž na horním konci je trubka opatřena prozatímním horním uzávěrem. Pevný dolní uzávěr, vytvořený dole na nejnižší trubce, je s výhodou proveden jako polyetylénová eliptická deska, přivařená na šikmo seříznutý dolní konec trubky. Dočasná technologická zátka je s výhodou vytvořena jako natupo, a to příčně, mezi dílčí trubky kolony, vevařená rovná polyetylénová deska. Alternativně může být

-1 CZ 16280 Ul výhodné, jestliže dočasná technologická zátka je vytvořena jako vnitřní příruba v trubce kolony, doplněná navařenou a/nebo přišroubovanou a/nebo přinýtovanou zaslepovací deskou. Případně ještě, alternativně, může s výhodou být dočasná technologická zátka vytvořena ve formě zpětné klapky, s kuželovým nebo kulovým akčním členem, spočívajícím shora na otvoru ve vnitřní pří5 rubě, upevněné v trubce kolony, přičemž na akčním členu je vytvořena část, upravená pro uchopení a vyzvednutí akčního členu směrem vzhůru. Výhodné je také, jestliže trubka je opatřena, alespoň v oblasti filtrační zóny, distančními výstupky. S výhodou jsou distanční výstupky vytvořeny na této trubce odspodu po alespoň 90 % délky té části trubky, která se spouští do zemního vrtu v té spodní oblasti, kde tento zemní vrt vykazuje nerozšířený průměr. Distanční výstupky ío jsou s výhodou provedeny jako na tupo v radiálním směru navařená křídla, mající lichoběžníkový tvar, kde k trubce doléhá delší strana lichoběžníku. Distanční výstupky jsou výhodně umístěny na trubce vždy po obvodě, v pravidelných bočních odstupech, a to v počtu 3 až 4 distanční výstupky v jedné výškové úrovni, přičemž odstup, ve směru osy trubky, mezi jednotlivými místy s distančními výstupky je 1 až 10 metrů.

Tím se dosáhne vytvoření paženého vrtu, použitelného pro čerpání pitné i kontaminované a dokonce i agresivní vody, příkladně s obsahem kyselin, přičemž způsob vytváření takového pažení je relativně rychlý a levný a současně životnost i spolehlivost funkce takového paženého vrtu je velmi vysoká. Současně se tak dosahuje i funkce s dlouhodobě stabilní filtrací, která se na jedné straně minimálně zanáší a přitom velmi účinně chrání čerpadlo ve vrtu před opotřebením od prů20 chodu nezfiltrovaných abrazivních částic. Především pak konstrukce kolony s dočasnou technologickou zátkou umožní před cementací vrtu, resp. mezery mezi kolonou a vnitřním povrchem vrtu, natlakovat kolonu tak, že proti hydrostatickému vnějšímu tlaku na kolonu, trvajícímu do vytvrzení cementové směsi, je postaven vnitřní přetlak, čímž se zabráni deformaci trubek kolony, a to i při cementaci poměrně dlouhých úseků v jediném technologickém kroku. Důsledkem je potom podstatné zkrácení celkové doby cementace, a to při zachování plného zabezpečení kolony proti deformaci. Vnější distanční výstupky, vedle vodicí a centrační funkce při spouštění kolony do zemního vrtu, při vhodné jejich výšce a tuhosti, napomáhají, vedle natlakování kolony zevnitř, ještě i zvenčí, opřením o stěny vrtu, stabilizovat polohu a tvar kolony při cementaci mezery mezi kolonou a stěnami vrtu.

Přehled obrázků na výkresech

Předkládané technické řešení je dále podrobněji popsáno a vysvětleno na příkladném provedení, též s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je, v příčném svislém řezu, patrný vrt s pažením v podobě kolony z polyetylénových trubek, ve shodě s předkládaným technickým řešením, dále pak na obr. 2 je v detailu, v příčném svislém řezu, část trubky s dočasnou technologickou zátkou ve variantě s vevařenou deskou, na obr. 3 je, opět v příčném svislém řezu, část trubky s dočasnou technologickou zátkou, nyní ve variantě s uzavírací deskou, přišroubovanou k vnitřní přírubě, načež na obr. 4 je ještě, opět v příčném svislém řezu, část trubky s dočasnou technologickou zátkou, nyní ve variantě s uzavírací deskou ve formě zpětné klapky s kuželovým akčním členem a konečně na obr. 5 je, opět v příčném svislém řezu, část trubky s dočasnou technologickou zát40 kou, nyní ve variantě s uzavírací deskou ve formě zpětné klapky s kulovým akčním členem.

Příklad provedení technického řešení

Na obr. 1 je znázorněn vrt 6, opatřený již pažením v podobě polyetylénové trubky 60, kde pažení sestává z odkalovací zóny 61, z filtrační zóny 62 a z plné zóny 63. Dno pažení je provedeno jako zaslepení polyetylénové trubky 60 dolním pevným uzávěrem 611, provedeným jako deska elip45 tického tvaru, přivařená na tavném principu na šikmo seříznutý dolní konec polyetylénové trubky 60. Mimořádně důležitá a výhodná je existence dočasné technologické zátky 631, vevařené do trubky 60 v průběhu jejího navařování a spouštěni, a to na spodním konci plné zóny 63. Tato dočasná technologická zátka 631 slouží k uzavření trubky 60 pro natlakování během cementace mezikruží a následně je odvrtána. Další varianty dočasné technologické zátky 631, ve shodě s

-2CZ 16280 Ul předkládaným technickým řešením, jsou patrné z obr. 3, kde je vešroubovaná deska, z obr. 4, kde je použita k tomuto účelu forma zpětné klapky kuželové, a z obr. 5, kde je použita forma zpětné klapky s kulovým akčním členem. Ke kontrole tlaku a k uzavření trubky 60 pro zmíněné natlakování je ještě na horním konci nejvyšší trubky 60 navařen dočasný horní uzávěr 632, který obsa5 huje tlakoměr a uzavírací ventil, přičemž posledně jmenované součástky jsou obvyklé konstrukce a nejsou na výkrese pro jednoduchost znázorněny. Tento dočasný horní uzávěr 632 se také po skončené cementaci mezikruží odřezává. V tomto příkladném provedení je vytvořen zemní vrt o průměru 500 mm, v horních 20 metrech navíc rozšířený na průměr 1000 mm. Horní zvětšený průměr je předběžně pažen ocelovým pláštěm 9 a jinak trubky 60, které tvoří pažení vrtu 6 po ío celé jeho délce, mají zde vnější průměr 250 mm a tloušťku stěny 23 mm, čímž vnitřní průměr vychází s rezervou na svary, apod., na 200 mm. Celá trubka 60 je opatřena distančními výstupky 601, v podobě lichoběžníkových v radiálním směru na vnější povrch trubky 60 na tupo navařených křídel, a to podélně v odstupech 6 m, přičemž v každé takovéto výškové úrovni jsou vytvořeny, obvodově vždy po 90 úhlových stupních, 4 takovéto distanční výstupky 601, které jsou provedeny z polyetylénu, z desky o tloušťce 6 mm, přičemž jejich lichoběžníkový tvar vytváří zkosení pro usnadnění spouštění o náběžném úhlu 45 úhlových stupňů.

Funkce zařízení, v příkladném provedení, při vytváření paženého vrtu, ve shodě s předkládaným technickým řešením, je následující. Nejprve se vyvrtá běžnou vrtací soupravou zemní vrt 6, dále se z úložiště na vrtném pracovišti ručně, nebo s lehkou mechanizací, odebírají trubky 60, vyro20 bene z polyetylénu, pomocí svěrky se navěšují na zdvihací lano lehké vrtné věže, načež se zdvihají do výše a do svislé polohy, spouštějí se ke spojovacímu a svářecímu ústrojí, zde se, s výjimkou první trubky 60, svářejí vždy s předchozí trubkou 60, načež se spouštějí do vrtu 6, přičemž jako první se spouštějí trubky 60 s odkalovacím, dole zaslepeným prostorem, dále pak trubky 60 s filtračními štěrbinami na stěnách, tvořícími současně filtrační zónu 62, a konečně trubky 60 s plnými stěnami, přičemž první z trubek 60 s plnými stěnami je dole opatřena dočasnou technologickou zátkou 631, provedenou jako zaslepení uvedené trubky 60 vevařenou kruhovou deskou, a poslední z plných trubek 60 je nahoře opatřena prozatímním horním uzávěrem 632, kde po spuštění celého potrubí se toto potrubí do výše, přesahující výši filtračních otvorů, obsypává štěrkem, načež po natlakování na přetlak, o velikosti zde konkrétně 0,5 MPa, se provádí zalití prostoru okolo potrubí směsí 10 vody a cementu, načež nakonec, po ztvrdnutí této směsi, se uvolní natlakování, odřezává se prozatímní horní uzávěr 632, běžnou vrtnou technikou se prořezává dočasná technologická zátka 631, tedy kruhová vevařená deska, potrubí se promývá vodou a nakonec se do potrubí spouští čerpací armatura, zde neznázoměná. Před pažením vrtu 6 polyetylénovými trubkami 60 se provádí v horní části vrtu 6 pažení ocelovými vložkami, které tak vytvoří ocelový plášť 9, a to v rozsahu vrtu 6, provedeném předtím o větším průměru. Zalití směsí JO cementu s vodou se provádí postupně, a to v krocích o výšce 50 metrů. Před spouštěním se všechny trubky 60 opatří distančními vnějšími výstupky 601. Natlakování potrubí před cementací mezikruží, tedy prostoru mezi polyetylénovým svařeným a do vrtu 6 spuštěným potrubím, se zde provádí při zaplnění potrubí vodou, a to pochopitelně od dočasné technologické zátky 631 vzhůru. Postup je upraven pro varianty dočasné technologické zátky, znázorněné na obr. 4 a obr. 5 tak, že místo prořezávání, resp. odvrtání zátky 631 se provede její uchopení za naznačené oko, nebo jinou ekvivalentní uchopovací úpravu, a zátka se vytáhne vzhůru, přičemž se z celé kolony nahoře vyjme. Ve variantě podle obr. 3 se provede odvrtání jako u varianty dle obr. 2.

Hospodářská využitelnost

Pažené zemní vrty a zařízení k jejich vytváření, podle předkládaného technického řešení jsou použitelné především pro vytváření více hlubších vrtů, příkladně o hloubce několika set metrů, a to pro odčerpávání kontaminovaných vod z podzemí. Použití je ovšem možné i pro vrty, použité jako studny na pitnou vodu.

Claims (8)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Kolona upravená k cementaci, pro pažený zemní vrt, vyznačená tím, že kolona, která je základem pro pažení pro zemní vrt (6), sestává z polyetylénové, na tupo svařované trubky (60), opatřené dole pevným dolním uzávěrem (611) a vykazující v dolní části alespoň

   5 perforovanou filtrační zónu (62), nad kterou je provedena dočasná technologická zátka (631), přičemž na horním konci je trubka (60) opatřena prozatímním horním uzávěrem (632).
2. 2. Kolona upravená k cementaci, podle nároku 1, vyznačená tím, že pevný dolní uzávěr (611), vytvořený dole na nejnižší trubce (60), je s výhodou proveden jako polyetylénová eliptická deska, přivařená na šikmo seříznutý dolní konec trubky (60).

   ío
3. 3. Kolona upravená k cementaci, podle nároků 1 a 2, vyznačená tím, že dočasná technologická zátka (631) je vytvořena jako natupo, a to příčně, mezi dílčí trubky kolony, vevařená rovná polyetylénová deska.
4. 4. Kolona upravená k cementaci, podle nároků 1 a 2, vyznačená tím, že dočasná technologická zátka (631) je vytvořena jako vnitřní příruba (6311) v trubce (60) kolony, dopl15 něná navařenou a/nebo přišroubovanou a/nebo přinýtovanou zaslepovací deskou (6312).
5. 5. Kolona upravená k cementaci, podle nároků 1 a 2, vyznačená tím, že dočasná technologická zátka (631) je vytvořena ve formě zpětné klapky, s kuželovým nebo kulovým akčním členem (6313), spočívajícím shora na otvoru ve vnitřní přírubě (6311), upevněné v trubce (60) kolony, přičemž na akčním členu (6313) je vytvořena část (63130), upravená pro

   20 uchopení a vyzvednutí akčního členu (6313) směrem vzhůru.
6. 6. Kolona upravená k cementaci, podle nároků laž5, vyznačená tím, že trubka (60) je opatřena, alespoň v oblasti filtrační zóny (62), vnějšími distančními výstupky (601).
7. 7. Kolona upravená k cementaci, podle nároku 6, vyznačená tím, že distanční výstupky (601) jsou vytvořeny na trubce (60) odspodu po alespoň 90 % délky té části trubky (60),

   25 která se spouští do zemního vrtu (6) v té spodní oblasti, kde tento zemní vrt (6) vykazuje nerozšířený průměr.
8. 8. Kolona upravená k cementaci, podle nároků 6a 7, vyznačená tím, že distanční výstupky (601) jsou provedeny jako na tupo v radiálním směru navařená křídla, mající lichoběžníkový tvar, kde k trubce doléhá delší strana lichoběžníku.

   30 9. Kolona upravená k cementaci, podle nároků 6 až 8, vyznačená tím, že distanční výstupky (601) jsou umístěny na trubce vždy po obvodě, v pravidelných bočních odstupech, a to v počtu 3 až 4 distanční výstupky (601) v jedné výškové úrovni, přičemž odstup, ve směru osy trubky (60), mezi jednotlivými místy s distančními výstupky (631) je 1 až 10 metrů.