Rotationsbohrung von Brunnen: Überblick über die Bohrtechnologie und erforderliche Ausrüstung
Wenn ein Landhaus nicht an die zentrale Wasserversorgung angeschlossen werden kann, muss ein autarkes System eingerichtet werden. Die meisten Eigentümer bevorzugen es, dieses auf Basis eines Brunnens zu errichten, bei dessen Erschließung verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Wir betrachten das Rotationsbohren von Brunnen – eine sehr vielversprechende, aber noch wenig bekannte Option.
In dem von uns vorgeschlagenen Artikel werden die Feinheiten der Rotationstechnologie und die verwendeten Werkzeuge detailliert beschrieben. Die Vor- und Nachteile dieser Methode werden erläutert, und es werden Wege zu ihrer praktischen Umsetzung vorgestellt. Unsere Ratschläge werden sparsamen Eigentümern von Privatgrundstücken nützlich sein, die die Arbeit der Bohrer überwachen möchten.
Inhalt des Artikels:
Definition des Rotationsbohrens
Lassen Sie uns zunächst klären, was das Rotationsbohren von Brunnen überhaupt ist und welche Alternativen es gibt? Als eine der gebräuchlichsten Methoden zur Errichtung einer Wasserfassungsanlage gilt derzeit das Schneckenbohren.
Allerdings erlaubt die Schneckenbohrtechnologie nicht, feste Felsgesteine zu durchdringen. Der bei Schneckenbohrungen verwendete Schneckenbohrer kann Kalkstein nicht zerstören. Und es kommt nicht selten vor, dass genau in ihn gebohrt werden muss, da die darüber liegenden Schichten keine stabile und für den Betrieb ausreichende Ergiebigkeit aufweisen.

Daher wurde die Rotationstechnologie, die zuvor nur im Bergbau eingesetzt wurde, in den Bereich der Errichtung privater Wasserfassungsanlagen eingeführt. Ihr Arbeitselement ist der im Bohrloch befindliche Meißel. Mit dem Meißel werden bindige und nichtbindige Böden zerstört und feste Gesteine zerkleinert.
Die Förderung des zerstörten Gesteins erfolgt mittels einer Flüssigkeit, die über die Arbeitskolonne oder den Ringraum an die Sohle geleitet wird. Dies sind zwei verschiedene Bohrmethoden, die beide im Folgenden ausführlich behandelt werden.
Der Durchmesser des Meißels übersteigt den Durchmesser der Arbeitsrohrtour, was Folgendes ermöglicht:
- die Energiekosten für den gesamten Bohrprozess reduzieren (die Leistung wird hier direkt nur zum Drehen des Meißels mit Kraft am Bohrlochgrund verbraucht, während die Reibungsverluste des Arbeitsstrangs an den Bohrlochwänden auf ein Minimum reduziert werden);
- die meisten Teile des Arbeitsstrangs vor Beschädigungen sowie die Wände des gebohrten Bohrlochs vor Zerstörung schützen;
- Bohrlöcher mit beachtlichem Durchmesser (z. B. bis zu 70 cm) bei extrem großen Tiefen erschaffen;
Auf diese Weise können Wasserbrunnen mit einer Tiefe von 300 Metern und mehr gebildet werden, d.h. Wasserentnahmebohrungen für die Wasserversorgung von Datschen und Siedlungen gebohrt werden.
Also, die Definition: Das Rotary-Bohrverfahren ist eine Methode zur Erschließung einer Bohrung, bei der die Kraft auf den Bohrmeißel an der Sohle vom rotierenden Drehkopf über die Arbeitskolonne übertragen wird. Diese wird aus Gestängen – schmalen Stahlrohren – zusammengesetzt, die nacheinander aneinandergefügt werden, je tiefer man in die Erde vordringt.
Bei der Reinigung des Bohrlochschachtes und der Bohrlochsohle von Schlamm wird unter Druck zugeführtes Wasser verwendet. Dank dieser Lösung ist es nicht erforderlich, den Bohrstrang ständig zu demontieren und zu montieren, um den Bohrkern zu entnehmen, wie beim Kernbohren.
Die in die Bohrung eingepresste Flüssigkeit löst sofort zwei wichtige Aufgaben: Sie räumt den Weg für den Bohrstrang für die weiteren Arbeiten frei und führt die Bohrlochspülung durch, die zur Vorbereitung der Wasserentnahme auf den Betrieb erforderlich ist.
Vorteile der Rotationstechnologie
Worin liegen die Vorteile des Rotationsbohrens gegenüber möglichen Alternativen? Es gibt mehrere.
Erstens: Mit einem Rotationsmeißel können Bohrlöcher mit großem Durchmesser erstellt werden, die den Wasserbedarf mehrerer Haushalte vollständig decken können.
Es ist kein Geheimnis, dass Bohren ein kostspieliger Prozess ist: Er erfordert Spezialausrüstung, und der Prozess muss von erfahrenen Bohrern kontrolliert und gesteuert werden. Schließlich ist die Tätigkeit des Brunnenbohrens lizenzpflichtig. Daher auch der hohe Preis.

Die Zusammenlegung mehrerer Haushalte zur Finanzierung eines gemeinsamen Brunnens für angrenzende Grundstücke ist ein wirtschaftlich vorteilhaftes Unterfangen. Dafür ist jedoch eine beträchtliche Schüttung erforderlich. In den meisten Fällen können die Grundwasserleiter der quartären Ablagerungen (Sand) diese nicht liefern.
Natürlich ist es für den gemeinsamen Betrieb besser, den Wasserentnahmeschacht auf Kalkstein zu setzen. Das daraus gewonnene Grundwasser zeichnet sich durch eine höhere Wasserführung und Reinheit aus. Die Schüttung von Kalksteinbrunnen wird durch die Niederschlagsmenge nicht im Geringsten beeinflusst. Das kann man von Sandbrunnen nicht behaupten.
Zweitens überzeugen die relativ geringen Energiekosten. Das Arbeitselement beim Rotary-Bohrverfahren ist der Bohrmeißel. Aber im Gegensatz zum Schneckenbohren und Kernbohren hat das Bohrwerkzeug keinen Kontakt mit den Wänden des gebohrten Schachts.
Das heißt, nur der Meißel steht in direktem Kontakt mit dem Boden, dessen Höhe im Verhältnis zur Höhe der gesamten Bohrsäule vernachlässigbar gering ist. Folglich ist diese Methode der Brunnenherstellung die schnellste – bis zu 1000 laufende Meter pro Monat!
Drittens lockt die Bohrtiefe die Auftraggeber von Kollektivanlagen. Nur mit dem Rotary-Verfahren kann ein Brunnen gebohrt werden, der in metamorphe und magmatische Grundgesteine abgeteuft wird, aus deren Rissen Wasser gefördert werden kann, dessen Zusammensetzung am besten für Trinkwasserzwecke geeignet ist.
Meistens wird aus Wasserfassungsbauwerken mit einer Tiefe von weniger als 30 m nur Brauchwasser gefördert. Auf seine Zusammensetzung wirken sich nahe gelegene Gewässer, mit Müll verschmutzte Bäche, Niederschläge und einfach auf den Boden verschüttete Betriebsflüssigkeiten aus. Mit einer Schnecke und einem Kernrohr erhält man nur eine solche Wasserfassung.

Außerdem ermöglicht das Rotary-Bohren, die gesamte Teufe ohne Wechsel auf eine andere Bohrmethode zu durchfahren. Bei der Brunnenentwicklung mit einer Schnecke wird beispielsweise, falls ein Felsblock durchbohrt werden muss, auf das Seilschlagbohrverfahren zurückgegriffen.
Dazu wird der Schneckenbohrstrang aus dem Bohrloch entfernt und der Meißel auf die Sohle geworfen, bis der Felsbrocken zerschlagen ist. Dann wird die Sohle mit einem Bohrlochreiniger (Bailer) gereinigt. Derselbe wird auch verwendet, wenn wassergesättigter Sand an die Oberfläche gebracht werden muss, der in der Kernbohrkrone schlichtweg nicht gehalten wird.
Die Praxis zeigt, dass mit dem Rotary-Verfahren gebohrte Brunnen eine längere Nutzungsdauer haben. Technologisch erklärt sich dies dadurch, dass nach dem Einbau der Verrohrung, die die Brunnenwände bildet, der Ringraum zusätzlich verstärkt wird.
Ausrüstung für den Brunnenbau
Zunächst wird über dem Brunnen an der Oberfläche ein vertikaler Ausleger zur weiteren Befestigung der vertikalen Glieder des Arbeitsstrangs aufgestellt. Das erste Glied dieser Bohrwelle ist mit einem Arbeitselement – dem Meißel – ausgestattet, das je nach Bohrbarkeitskategorie des Gesteins unterschiedliche Formate aufweisen kann.

Bohrwerkzeug-Set
Beim Einbringen des ersten Gliedes, der Kerze, wird das nächste, Gestänge genannt, aufgesetzt, und so weiter. Die Länge jedes solchen Rohrblocks kann zwischen 20 und 50 m variieren. Um die Bildung des Arbeitsstrangs zu vereinfachen, ist jedes Gestänge mit einem konischen Gewinde mit Schloss ausgestattet.
Letztendlich entsteht ein Bohrstrang, der aus Folgendem besteht:
- einem Arbeitsmeißel;
- einem Leitgestänge;
- einer Säule von Reihengestängen, die durch Kupplungen miteinander verbunden sind.
Das Halten des Arbeitsstrangs erfolgt mit einem Drehkopf, dessen Drehung vom Rotor erzeugt wird. Je nach der geplanten Bohrtiefe und den physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Bodens werden für die Bildung des Leitglieds Standard- oder Schwerstangen verwendet.
Das Leitgestänge ist in der Regel ein Schwerrohr, da ihm eine wichtige technologische Aufgabe zukommt. Durch es gelangt die Spülflüssigkeit zum Meißel in das Bohrloch, deren Aufgabe es ist, das zerkleinerte Gestein auszuspülen. Dies wiederum stellt Anforderungen an die Kupplungsverbindungen, deren Aufgabe es ist, die Verbindungen zwischen den Gliedern abzudichten.
Man sollte nicht vergessen, dass der Flüssigkeitsdruck direkt von der Höhe der gebildeten Säule abhängt (und nicht vom Rohrquerschnitt). Selbst wenn als Spülflüssigkeit Wasser verwendet wird, steigt der Druck alle 10 Meter um 1 Atmosphäre.
Zum Vergleich sei ein Beispiel angeführt. Der Betriebsdruck in einem häuslichen Rohrleitungsnetz beträgt 10 Atmosphären, und die robustesten Rohre sind für einen Druck von 20 Atmosphären ausgelegt.
Während jedoch Haushaltsanlagen stationär sind und sich nicht bewegen, wird auf das Leitgestänge ein Druck ausgeübt, der dem Gewicht des Bohrstrangs entspricht. Und dieser muss ja auch noch das Drehmoment und die Kraft auf den Meißel übertragen.

An Kupplungen als konstruktive Elemente des Bohrstrangs werden folgende Anforderungen gestellt. Sie:
- müssen die Dichtheit der Gestängeverbindungen gewährleisten und einem Flüssigkeitsdruck von bis zu 100 Atmosphären standhalten (zur Reinigung des Bohrlochgrundes mit einem Druckstrahl);
- müssen verschleißfest sein, damit sie bei Reibung an den Bohrlochwänden nicht unbrauchbar werden;
- müssen in der Lage sein, das Drehmoment vom oberen Teil des Arbeitsstrangs auf den unteren Teil und letztlich auf den Meißel zu übertragen.
Es ist äußerst wichtig, dass die Kupplungen eine angemessene Ausführungsqualität aufweisen. Wenn auch nur eine von ihnen der Belastung nicht standhält und der Arbeitsstrang reißt, ist es äußerst schwierig, den unteren Teil samt Meißel zu bergen. Vom Kapitalaufwand her ist es manchmal einfacher, ein neues Bohrloch daneben zu bohren, als das abgetrennte Leitgestänge zu bergen.
Verwendung von Wasser während des Bohrens
Die Flüssigkeit, die zum Bohrlochgrund gefördert wird, ist meistens normales Wasser. Manchmal wird in das Bohrloch eine Spülung mit Bohrspülungsadditiven eingebracht, um den Bohrlochschaft zu stabilisieren, der durch lockere, nicht bindige Gesteine (Sand, Kies, Schotter, Kieselschotter) verläuft. Das ist notwendig, da in den ersten Phasen des Bohrens keine Verrohrung eingesetzt wird.
Das Wasser gelangt entweder unter Druck im Inneren der Leitgestänge in die Bohrung (dann erfolgt die Abpumpung durch den Ringraum), oder es fließt durch Schwerkraft durch den Ringraum nach unten, und die Entfernung erfolgt dann durch die Arbeitskolonne mit einer Abpumppumpe.
Dies sind zwei verschiedene Technologien des Rotarybohrens, deren Besonderheiten im Folgenden erläutert werden.

Unabhängig von der angewandten Methode muss die beim Bohren verwendete Flüssigkeit gereinigt werden (für die weitere Verwendung).
Hierfür wird folgende Ausrüstungskombination verwendet:
- Behälter zur Aufbewahrung der Bohrspülung. (Falls geplant ist, ein flaches Bohrloch zu bohren – im Bereich von wenigen Dutzend Metern kann er direkt im Erdreich angelegt werden, und als Spülflüssigkeit wird gewöhnliches Wasser verwendet). Der Behälter dient als Speicher für die Spülflüssigkeit.
- Vibrosieb. Die aus dem Bohrloch aufsteigende Spülflüssigkeit enthält Partikel des zerkleinerten Gesteins, die entfernt werden müssen. Die effektivste Methode ist die mechanische mit Hilfe eines Vibrosiebs.
- Absetzbecken. Nach dem Entfernen großer Gesteinspartikel gelangt die Flüssigkeit in ein Absetzbecken, um sich von den suspendierten Partikeln zu befreien, die ausfallen. Bei Verwendung von Wasser als Spülflüssigkeit wird das Absetzbecken manchmal auch direkt im Erdreich angelegt. Darüber hinaus wird ein Hydrozyklon zur Trennung flüssiger Substanzen und zur Abscheidung von Feststoffen eingesetzt.
- Bohrpumpe. Sie sorgt für die Zirkulation der Spülflüssigkeit.
- Rinnensystem. Es wird benötigt, um das Wasser von der Stelle der Bohrschachtbildung zur Stelle der Reinigung zu leiten.
Insgesamt werden für die Erschließung einer Bohrung mit Rotary-Technologie folgende Mechanismen und Geräte benötigt:
- Bohrturm oder Ausleger zum Zusammenbau des Bohrstrangs aus Gestängen und zum Zerlegen nach Beendigung des Bohrens sowie ein Flaschenzugsystem.
- Motor, der die Drehung des Rotors gewährleistet.
- Spülausrüstung. Mechanismen und Vorrichtungen zur Sicherstellung der Zirkulation der Spülflüssigkeit und ihrer Reinigung (Pumpe; Vibrosieb; Absetzbecken und/oder Hydrozyklon; Tank zur Lagerung der Spülflüssigkeit; Rohr- und Rinnensystem).
Für das Rotary-Bohren von flachen Bohrlöchern ist die gesamte aufgeführte Ausrüstung sehr kompakt (z. B. ist der Ausleger klappbar). Dies ermöglicht eine einfache Platzierung der Bohrausrüstung an jedem Ort, der für die Bohrarbeiten und den späteren Betrieb geeignet ist.
Zwei Varianten des Rotationsbohrens
Je nach Art der Zuführung der Spülflüssigkeit in das Bohrloch werden zwei Arten der Rotary-Bohrtechnik unterschieden:
- mit direkter Zuführung;
- mit umgekehrter Zuführung.
Es ist zu beachten, dass die in das Bohrloch eingebrachte Flüssigkeit nicht nur zum Spülen und Abtransportieren des zerkleinerten Gesteins dient. Sie kühlt auch den Meißel, der durch die Reibung stark erhitzt wird. Bei direkter Zuführung erzeugt die Pumpe einen Überdruck in der Flüssigkeit.
Das Wasser gelangt durch die im Bohrmeißel vorhandenen technischen Öffnungen in das Bohrloch, «nimmt» das zerkleinerte Gestein auf und fließt dann durch die Schwerkraft im Bohrloch (d.h. durch den Ringraum in Bezug auf die Leitstange) an die Oberfläche, wo es in die Reinigungsanlage (Vibrosieb, Hydrozyklon) gelangt.

Die Technologie der umgekehrten Zuführung bedeutet, dass die Spülflüssigkeit durch Schwerkraft in das Bohrloch gelangt, indem sie durch das Bohrloch absteigt, während die Lösung mit dem zerkleinerten Material durch das Rohr der Leitstange zurück an die Oberfläche gelangt. Die Bohrpumpe erzeugt in diesem Fall einen Unterdruck in der Leitstange.
Trotz der scheinbaren Einfachheit beider Technologien gibt es hier weit mehr Nuancen, als es auf den ersten Blick scheint. Daher erscheint es sinnvoll, jede der genannten Bohrtechniken genauer zu betrachten.
Bohren mit direkter Spülflüssigkeitszufuhr
Diese Technologie wird manchmal auch als "direkter Wasserstrom" bezeichnet. Sie eignet sich für sandige, kiesige und schotterhaltige Böden. Sie wird auch verwendet, wenn die Tiefe des Grundwasserleiters 30 m nicht überschreitet. Hier werden der Flüssigkeit Additive zugesetzt, die ihre Dichte und die Stabilität des Bohrlochs erhöhen.
Das Rotarybohren ist durch eine schrittweise Verringerung des Durchmessers des gebohrten Bohrlochs gekennzeichnet. Mit anderen Worten, es wird zuerst ein Bohrloch mit dem größten Durchmesser gebohrt, dann wird es mit einem Rohr verrohrt, und der Ringraum zwischen der Außenfläche des Rohrs und der Bohrlochwand wird durch die technischen Öffnungen mit Zementmörtel gefüllt.
Danach wird das Bohren mit einem kleineren Bohrer fortgesetzt. Dann wieder eine Verrohrung, und der neue Abschnitt hat einen noch kleineren Durchmesser und so weiter. Je seltener man sich mit dem Zementieren des Bohrlochs „ablenken“ muss, desto höher ist die Bohrleistung, was sich letztlich in den Gesamtkosten des Prozesses und des Bohrlochs niederschlägt.
Außerdem führt eine zu häufige Verrohrung letztlich dazu, dass der effektive Bohrlochdurchmesser (der Durchmesser, der den wasserführenden Horizont erschließt) stark abnimmt. Der „direkte Wasserdurchfluss“ zeichnet sich dadurch aus, dass das Bohrloch bei dieser Bildungsweise bis zu 100 Meter nicht verrohrt werden muss.
Der Hauptdruck der Spülflüssigkeit wird durch die Pumpe innerhalb der Leitstange erzeugt, und der Ringraum wird von der Flüssigkeit mit den zerkleinerten Gesteinspartikeln durch die Schwerkraft gefüllt, ohne die Bohrlochwand durch Überdruck zu beschädigen.

Allerdings hat diese Bohrmethode auch Nachteile. Insbesondere führt ein zu langer unverrohrter Abschnitt dazu, dass fein dispergierte Tonpartikel in die Grundwasserleiter gelangen, was den Wasserzufluss aus dem Grundwasserleiter in die Bohrung erheblich verringern und verlangsamen kann.
Diese Partikel spielen hier die Rolle von eigenartigen Stopfen für Poren und Mikrokanäle im Gestein, durch die Wasser sickert. Daher ist die während des Bohrprozesses durchgeführte Verrohrung notwendig, um die weitere Produktivität des gesamten Bohrlochs zu erhalten.
Bohren mit umgekehrter Spülflüssigkeitszufuhr
Bei dieser Methode der Flüssigkeitszufuhr werden Bohrlochschacht und Bohrlochsohle am besten gereinigt. Die Pumpe drückt hier die Flüssigkeit nicht in die Bohrlochsohle, sondern saugt sie im Gegenteil zurück, was dazu führt, dass die Geschwindigkeit der Bohrlocherstellung mit dem Meißel im Vergleich zur direkten Spülung um eine Größenordnung und um ein Vielfaches steigt.
Das Bohrloch selbst wird nicht durch Toneinschlüsse im Strom der zugeführten Spülflüssigkeit verunreinigt. Denn die Pumpe saugt alles nach oben, was darin enthalten sein könnte. Übrigens haben zusätzliche Additive hier keinen praktischen Sinn mehr, daher wird als Spülflüssigkeit reines Wasser verwendet.

Fassen wir die Vorteile des Bohrens mit umgekehrtem Wasserdurchfluss zusammen:
- Die Bohrgeschwindigkeit steigt (im Vergleich zum direkten Wasserdurchfluss) um bis zum 15-fachen;
- Der Grundwasserleiter wird nicht durch Tonpartikel und staubförmige Sandkörner aus den unteren, noch unverrohrten Bohrlochabschnitten verschmutzt;
- Dank der qualitativ hochwertigen Erschließung des Grundwasserleiters muss das Bohrloch nicht zusätzlich für den Betrieb vorbereitet werden; man kann sofort die innere Verrohrung mit Filter installieren und die Pumpenförderung starten;
- Als Arbeitsflüssigkeit wird einfaches (und damit günstiges) Wasser verwendet.
Dennoch weist diese Methode einen erheblichen Nachteil auf. Sie erfordert den Einsatz teurer Ausrüstung, was letztlich zu einer deutlichen Verteuerung des gesamten Bohrprozesses führt.
Daher wird das Bohren mit ‚Gegenstromwasser‘ nur dann durchgeführt, wenn das Bohrloch für den Betrieb durch mehrere Haushalte ausgelegt ist. Wenn das Bohrloch jedoch für den individuellen Betrieb ausgelegt ist, ist es viel sinnvoller, die Technologie des Rotary-Bohrens mit Direktstromwasser einzusetzen.
Fazit und nützliche Videos zum Thema
Video #1. Anschauliche Demonstration des Rotary-Bohrprozesses Schritt für Schritt:
Video #2. Analyse der Rotary-Technologie und der Prinzipien der Brunnenanlage:
Video #3. Wasserzirkulation beim Rotary-Bohren:
Die Situation hinsichtlich des Vorhandenseins und der Tiefe von Grundwasserleitern kann von Ort zu Ort stark variieren (und an manchen Orten gibt es überhaupt keine, wie auf der Insel Madeira).
Bei der Planung eines Bohrlochs und der Auswahl der optimalen Rotary-Bohrmethode sollten Sie die vorhandenen Karten erkundeter Grundwasserleiter verwenden. Dies hilft Ihnen, erhebliche Kosten und Zeit zu sparen.
Erzählen Sie von Ihren Erfahrungen bei der Entwicklung eines Bohrlochs mit Rotary-Technologie. Teilen Sie technologische Nuancen, die für die Besucher der Website nützlich sind. Hinterlassen Sie bitte Kommentare in dem untenstehenden Blockformular, fügen Sie Fotos hinzu und stellen Sie Fragen zum Thema des Artikels.

Sie schreiben zu Recht, dass das Rotary-Bohrverfahren ziemlich teuer ist. Daraus ergibt sich die Frage – ist es möglich, weiche Schichten mit etwas Günstigerem zu durchbohren, zum Beispiel mit einer Schnecke, und den Rotary-Einsatz erst ab dem Kalkstein zu verwenden? Sind solche Maßnahmen sinnvoll oder lässt sich dadurch nichts einsparen?
Wenn Sie nach einer günstigen Methode suchen, empfehle ich, das Hydrobohren von Wasserbrunnen in Betracht zu ziehen. Die Methode ist erprobt, praktisch jeder Hausbesitzer kann die notwendige Ausrüstung besorgen. Hier ist, was Sie dafür benötigen:
– zerlegbarer Rahmen aus Metall;
– Wasserpumpe (sorgt für den Druck im System);
– Schläuche zur Wasserzufuhr;
– Bohrer (Erkundungs- oder Flügelbohrer);
– Motor zur Kraftübertragung auf den Bohrer;
– Winde;
– zugehörige Bohrwerkzeuge;
– Bohrgestänge zur Bildung der Säulen;
– Steuergerät;
– Drehkopf zur gleitenden Befestigung der Teile.
Auf diese Weise können Sie Brunnen bis zu 30 Metern ohne besondere Erfahrung bohren. Für eine Tiefe unterhalb dieser Marke sind bereits entsprechende praktische Kenntnisse erforderlich.
Das Bohren in Kalkstein sollte besser mit dem Seil-Schlag-Verfahren durchgeführt werden.