Hoàn thiện công nghệ khoan bằng ống mẫu luồn tại vùng than quảng ninh

Để có thể áp dụng rộng rãi và có hiệu quả công nghệ khoan bằng OML tại vùng than Quảng Ninh, cần nghiên cứu sâu các hiện tượng phức tạp của trầm tích than và những đặc điểm của công nghệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ^

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LUẬN ÁN TIÉN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS HOÀNG DUNG

2 PGS.TS NGUYÊN XUÂN THẢO

HÀ NỘI - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong một công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Phạm Văn Nhâm

MỤC LỤC

TrangLỜI CAM ĐOANMỤCLỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

4.4 TÀI LIỆU THAM KHẢO

4.5 PHỤ LỤC SỐ 1: THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH PHỤ

LỤC SỐ 2: CỘT ĐỊA TẦNG Dự KIẾN LỖ KHOAN THỬ NGHIỆM PHỤ LỤC

SỐ 3: THIẾT KẾ THI CÔNG LỖ KHOAN KT 20 PHỤ LỤC SỐ 4: THIẾT ĐỒ

ĐỊA VẬT LÝ LỖ KHOAN KT 20

4.7 CMC 4.8 - Cacbua metin cellulose

4.9 CnB-5 4.10 - dụng cụ đo độ nhớt theo tiêu chuẩn của Nga

4.11 DCDMA 4.12 - Hiệp hội khoan kim cương Mỹ

4.13 DMC 4.14 - Tổng công ty Dung dịch khoan và hóa phẩm Dầu khí4.15 DVC 4.16 - đơn vị khối lượng phân tử

4.17 FCL 4.18 - Ferrochromlignosulphonat

4.19

GB3423-82 4.20 - tiêu chuẩn Quốc gia Trung Quốc

4.21 HRC 4.22 - độ cứng nền mũi khoan kim cương

4.23 JIS 4.24 - tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản

4.25 KGVX 4.26 - không gian vành xuyến

4.14 DTr.mk - đường kính trong mũi khoan

4.15 Do - đường kính thủy lực của kênh dẫn

4.16.d2 - đường kính ngoài của cần khoan

4.17.d3 - đường kính ngoài ống mẫu

4.18 n - độ nhớt cấu trúc dung dịch

4.19 n' - độ nhớt hiệu ứng của dung dịch

4.20 FL - độ thải nước của dung dịch theo theo tiêu chuẩn Mỹ4.21 FV - độ nhớt quy ước của dung dịch theo tiêu chuẩn chuẩn Mỹ4.22 g - Gia tốc trọng trường

4.30 L - chiều sâu lỗ khoan

4.31 l - chiều dài mép cắt của mỗi răng

4.32 X - hệ số kháng thủy lực

4.33 V - hệ số Poisson

4.34 MW - khối lượng riêng của dung dịch theo tiêu chuẩn Mỹ

4.35 M - tổng số điểm tiếp xúc

4.36 Mc - số lưỡi cắt làm việc đồng thời

4.37 m - số dãy răng đủ để bao hết hình vành khăn

4.38 mc - khối lượng mẫu sau khi ngâm

4.39 m - khối lượng mẫu trước khi ngâm

4.40 mth - tỷ lệ mẫu thu hồi

4.54 p - khối lượng riêng của dung dịch theo tiêu chuẩn Nga

4.55 pđđ - khối lượng riêng của đất đá

4.56.So - diện tích trung bình một điểm tiếp xúc

4.57 T - độ nhớt quy ước của dung dịch theo tiêu chuẩn Nga4.58 T - ứng suất kháng cắt

4.59.Trz - ứng suất tiếp tuyến

4.60 G (10 ) - ứng suất trượt tĩnh của dung dịch tiêu chuẩn Nga V

- số đọc trên máy đo OFITE Model 800

4.61 u - tốc độ trung bình của dòng chảy ở KGVX

4.62 uc - tốc độ trung bình dòng chảy ở KGVX giữa thành lỗ khoan và cần khoan4.63 V CH - tốc độ cơ học

4.64 Vđ, Vc - thể tích trước và sau trương nở

4.65 V H - tốc độ hiệp

4.66.Vit - thể tích theo tính toán lý thuyết

4.67.vtt - thể tích thực tế lỗ khoan ở đoạn xem xét

4.68.uo - tốc độ trung bình dòng chảy ở KGVX giữa thành lỗ khoan và ống mẫu4.69.ơk - ứng suất kéo

4.70.ơn - ứng suất nén

4.71.ơr - ứng suất theo hướng tâm

4.72.ơz - ứng suất chiều trục

4.73 YP - ứng suất trượt động của dung dịch theo tiêu chuẩn Mỹ W -

công suất phá hủy đất đá WN - Độ ẩm trương nở

4.74.DANH MỤC BẢNG

4.75 Trang

4.76

4.77

4.78 Bảng 3.6 Tiêu chuẩn chất lượng của TANNATHIN (Tiêu chuẩn RD CP 61-11) 59Bảng 3.7 Tiêu chuẩn và chất lượng Barit (API Speciíỉcation 13A- 2004) 60

Bảng 3.8 Tiêu chuẩn chất lượng của Na2CO3 (Tiêu chuẩn RD CP 61-11) 60

Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật yêu cầu cho hệ dung dịch Bentonite - Thạch cao nghiên cứu áp dụng cho khoan bằng OML tại vùng than 4.79 Quảng Ninh

61

4.80 B ảng 3.10 Thành phần, chức năng và liều lượng các hó a phẩm trong hệ 61 4.81 dung dịch B entonite - Thạch cao

61

4.82

4.83

4.84 Bảng 3.30 Công suất phá hủy đá tại đáy W (kW) với P - 9 kN; n - 250 4.85

4.86

4.87.DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

4.88 Trang4.89

4.91 Hình 3.22 - Kích thước dụng cụ mở rộng thành - Ộ79mm

9

4.92 MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

4.93 Trong 10 năm từ 2000 - 2010, sản lượng khai thác than hàng năm của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (Tập đoàn TKV) không ngừng tăng Năm

2000 sản lượng khai thác là 11 triệu tấn, năm 2010 sản lượng khai thác là 46,4 triệu tấn Cùng với đó, khối lượng khoan thăm dò hàng năm cũng tăng theo, đặc biệt là khoan sâu Năm 2002 khối lượng khoan thăm dò than của Tập đoàn TKV là 19.878 m, năm 2010 khối lượng khoan là 247.951 m; tổng khối lượng khoan từ 2002 - 2010 là 704.637 m

4.94 Trong quyết định phê duyệt quy hoạch phát triển ngành than đến năm 2020, xét triển vọng đến năm 2030 của Thủ tướng Chính phủ, nêu rõ:

4.95 “Đối với bể than Đông B ắc: đến hết năm 2015 hoàn thành việc thăm dò phần tài nguyên và trữ lượng than thuộc tầng trên mức -300 và một số khu vực dưới mức -300, đảm bảo đủ tài nguyên và trữ lượng than huy động vào khai thác trong giai đoạn đến năm 2020 Phấn đấu đến năm 2020 hoàn thành cơ bản công tác thăm dò đến đáy tầng than, đảm bảo đủ tài nguyên và trữ lượng than huy động vào khai thác trong giai đoạn 2021 - 2030”

4.96 Để hoàn thành mục tiêu và nhiệm vụ lớn như trên, đẩy nhanh khối lượng và tiến độ thăm dò nhằm mở rộng khai thác là nhiệm vụ quan trọng được ưu tiên hàng đầu của Tập đoàn TKV Từ năm 2011- 2014, Tập đoàn TKV đã thực hiện khối lượng khoan thăm dò than là 1.006.296 m (với sản lượng khoảng 200.000 m/năm) Dự kiến từ 2015 - 2020, sản lượng khoan thăm dò than thực hiện khoảng trên 300.000 m/năm, chủ yếu là khoan sâu dưới mức -300 Vì vậy, ngoài việc đầu tư thiết bị, mở rộng sản xuất, việc tăng năng suất khoan bằng cách áp dụng công nghệ khoan tiên tiến, trong đó có công nghệ khoan bằng ống mẫu luồn (OML) cho vùng than Qu ảng Ninh là giải pháp cần thiết, cấp bách của các đơn vị khoan thăm dò trong Tập đoàn TKV

4.97 Tuy nhiên, ngay từ khi áp dụng công nghệ khoan bằng OML vào vùng than Quảng Ninh đã gặp khó khăn do các hiện tượng phức tạp như trương nở, chảy sệ làm thu

1

hẹp đường kính hoặc sập lở thành lỗ khoan, gây sự cố kẹt bộ dụng cụ dẫn đến giảm năng suất và hiệu quả khoan Đây là nguyên nhân khiến cho công nghệ khoan bằng OML là công nghệ khoan tiên tiến nhưng khi áp dụng vào vùng than Quảng Ninh lại bộc lộ vấn đề bất cập, mặc dù tốc độ hiệp khá cao nhưng năng suất tháng - máy lại thấp (do thường gặp phải

sự cố kẹt mút bộ dụng cụ), vấn đề tồn tại này chưa được nghiên cứu giải quyết triệt để

4.98 Để có thể áp dụng rộng rãi và có hiệu quả công nghệ khoan bằng OML tại vùng than Quảng Ninh, cần nghiên cứu sâu các hiện tượng phức tạp của trầm tích than và những đặc điểm của công nghệ khoan bằng OML, từ đó lựa chọn giải pháp hợp lý để hoàn thiện công nghệ, nhằm nâng cao năng suất và hiệu quả khoan Xuất phát từ các ý tưởng nêu

trên và yêu cầu thực tế, đề tài: “Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khoan bằng ống mẫu luồn tại vùng than Quảng Ninh " mang tính thời sự, c ó ý nghĩa thực tiễn và khoa học, mang

lại hiệu quả kinh tế cho công tác thăm dò vùng than Quảng Ninh

2 Mục đích và đối tượng nghiên cứu của luận án

4.99 Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu hoàn thiện công nghệ, làm hạn chế sự cố kẹt bộ dụng cụ khoan, nhằm tăng năng suất và hiệu quả khoan bằng OML tại vùng than Quảng Ninh

4.100.Đối tượng nghiên cứu của luận án là đặc điểm địa chất của trầm tích than Quảng Ninh và đặc điểm kỹ thuật công nghệ khoan bằng OML

3 Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu của luận án

4.101.- Nghiên cứu các yếu tố, các hiện tượng phức tạp về địa chất và đặc điểm của công nghệ khoan bằng OML để tìm hướng giải quyết những điểm bất cập khi áp dụng vào vùng than Quảng Ninh;

- Lựa chọn giải pháp, hoàn thiện công nghệ để phù hợp với điều kiện địa chất vùng than Quảng Ninh;

- Thử nghiệm sản xuất và đánh giá kết quả nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập, nghiên cứu, phân tích tài liệu liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu của đề tài;

1

- Thử nghiệm trong điều kiện thực tế; quan trắc và thu thập số liệu thực tế để kiểm tra, đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm;

- Phân tích và xử lý số liệu quan trắc thực nghiệm bằng phương pháp toán xác suất thống kê

và hàm Excel

5 Cơ sở tài liệu của luận án

4.102.Luận án được xây dựng trên cơ sở các công trình nghiên cứu của chính tác giả bằng các số liệu theo dõi, thống kê từ thực tế sản xuất Trên cơ sở các nghiên cứu đã được công bố trong các tạp chí khoa học, các Tuyển tập khoa học của Trường Đại học Mỏ - Địa chất, các sáng kiến cải tiến kỹ thuật, các báo cáo tổng kết ở các đơn vị thăm dò địa chất trong Tập đoàn TKV

4.103.Luận án sử dụng kết quả của các đề tài nghiên cứu về công nghệ khoan bằng OML, nghiên cứu các hệ dung dịch khoan vùng Quảng Ninh, cùng với các tài liệu nghiên cứu ở nước ngoài và các tài liệu kỹ thuật của các hãng cung cấp dịch vụ khoan bằng OML vào Việt Nam

6 Các luận điểm bảo vệ

- Sử dụng hệ dung dịch ức chế sét (hệ dung dịch Bentonite - Thạch cao) để khoan bằng OML tại vùng than Quảng Ninh là phù hợp, thích ứng với điều kiện địa chất và công nghệ khoan;

- Lựa chọn mũi khoan đường kính ngoài 78,5 mm để khoan với bộ ống mẫu NQ, cho phép tăng kích thước không gian vành xuyến (KGVX), giảm tổn thất thủy lực (TL); giảm hiện tượng thu hẹp đường kính lỗ khoan do vỏ sét, do trương nở, chảy sệ thành lỗ khoan gây nên

7 Điểm mới về khoa học của luận án

4.104.Lần đầu tiên trong lĩnh vực khoan thăm dò than đã:

- Nghiên cứu hệ dung dịch ức chế phù hợp với công nghệ khoan bằng OML trong địa tầng phức tạp vùng than Quảng Ninh;

- Nghiên cứu các giải pháp giảm tổn thất thủy lực, giảm nguy cơ kẹt mút bộ dụng cụ khi khoan bằng OML trong địa tầng sét trương nở

1

8 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

4.105.Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu áp dụng hệ dung dịch Bentonite - Thạch cao

ức chế trương nở sét kết hợp với sử dụng mũi khoan Ộ78,5 mm để khoan với bộ OML kiểu

NQ trong điều kiện địa tầng phức tạp ở vùng than Quảng Ninh không chỉ khắc phục hiện tượng trương nở, chảy sệ thành lỗ khoan do điều kiện địa tầng, mà còn cải thiện khe hở giữa thành lỗ khoan và bộ OML, nâng cao hiệu quả khoan và chất lượng lỗ khoan; Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học, luận chứng để lựa chọn công nghệ khoan hợp lý bằng bộ OML ở vùng than Quảng Ninh và ở các mỏ khoáng sản ở Việt nam c điều kiện tương tự

4.106.Ý nghĩa thực tiễn: Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lựa chọn các thông số dung dịch ức chế sét phù hợp với địa tầng than và các thông số chế độ khoan hợp lý để khoan bằng OML tại vùng Quảng Ninh

9 Cấu trúc và khối lượng của luận án

4.107.Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận và kiến nghị, phụ lục và danh mục tài liệu tham khảo Toàn bộ nội dung luận án được trình bày trong 111 trang, trong đó phần viết gồm 106 trang, 50 bảng biểu, 36 hình vẽ và đồ thị, 57 tài liệu tham khảo

10 Lời cảm ơn

4.108.Luận án được hoàn thành tại Bộ môn Khoan - Khai thác, Khoa Dầu khí Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của:

4.109.PGS.TS Hoàng Dung - Trường Đại học Mỏ - Địa chất;

4.110.PGS.TS Nguyễn Xuân Thảo - Viện Công nghệ khoan - Hội công nghệ Khoan - Khai thác Việt Nam

4.111.Quá trình làm luận án, tác giả luôn nhận được sự hướng dẫn tận tình của các cán bộ hướng dẫn khoa học, của các chuyên gia, các nhà khoa học và các đồng nghiệp

4.112.Tác giả chân thành cảm ơn các thày hướng dẫn, các nhà khoa học, các bạn

bè đồng nghiệp trong và ngoài Trường Đại học Mỏ - Địa chất

4.113.Chân thành cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ, tạo điều kiện của Trường Đại học

Mỏ - Địa chất, phòng Đào tạo sau đại học, Khoa Dầu khí, Bộ môn Khoan - Khai thác

1

4.114.Chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã động viên, khích

lệ, giúp đỡ để tác giả hoàn thành bản luận án của mình

4.115.Tác giả mong nhận được những ý kiến đó ng gó p để hoàn thiện và nâng cao kiến thức của bản thân

4.116 Xin trân trọng cảm ơn!

1

4.117 CHƯƠNG 1

4.118 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN

BẰNG ỐNG MẪU LUỒN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.1 Đặc điểm về công nghệ khoan bằng ống mẫu luồn

4.119 Phương pháp khoan bằng OML là phương pháp khoan thăm dò lấy mẫu lõi tiên tiến trên thế giới Ngoài việc tăng năng suất, phương pháp khoan bằng OML còn đạt được tỷ lệ mẫu cao (> 90%), đáp ứng được yêu cầu cao cho điều tra, đánh giá, thăm dò các

- Phương pháp khoan bằng OML lấy mẫu bằng cách kéo ống chứa mẫu (ống trong) luồn bên trong cột cần khoan bằng cáp và hệ thống thiết bị, dụng cụ chuyên dụng (overshot) Nhờ kéo ống chứa mẫu bằng cáp, nên giảm được thời gian phụ trợ, tăng thời gian khoan thuần túy, tăng tốc độ hiệp khoan (VH), đặc biệt là không phải kéo cần và có thể khoan liên tục cho đến khi mòn mũi khoan mới kéo toàn bộ cột cần khoan lên mặt đất để thay mũi khoan, nhờ vậy

mà năng suất khoan khá cao Đây là điểm khác cơ bản và là ưu điểm so với các phương pháp khoan khác

- Khe hở giữa thành lỗ khoan và cần khoan hẹp nên bộ dụng cụ làm việc ổn định, hạn chế được

độ cong lỗ khoan, nhưng đồng thời cũng tăng tổnthất thủy lực trong hệ tuần hoàn dung dịch Đây là nhược điểm cơ bản của phương pháp khoan bằng OML khi áp dụng vào khoan trong địa tầng phức tạp, mềm yếu và không đồng nhất

4.121.Cấu trúc và sơ đồ lắp ráp bộ ống mẫu luồn trình bày ở hình 1.1 [11], [15], [23], [28], [36], [40], [46], [51]

6- Ống chuyển tiếp (định tâm ống ngoài)

7- Ống chuyển tiếp (ống chứa vòng đỡ)

1.2 Khoan bằng ống mẫu luồn trên thế giới

4.128.Hiện nay, hầu hết các nước trên thế giới đều áp dụng phương pháp khoan bằng OML để thăm dò khoáng sản rắn, nhất là thăm dò khoáng sản kim loại, bởi tính ưu việt như

đã nêu trên

4.129.Giai đoạn đầu từ năm 1955 - 1960, khoan bằng OML áp dụng để khoan những

lỗ khoan sâu trung bình từ 600 - 900 m, địa tầng đất đá ổn định cấp VI

- VIII theo độ khoan, cho phép sử dụng nước lã để rửa lỗ khoan Giai đoạn này, công nghệ khoan bằng OML còn nhiều hạn chế, năng suất khoan thấp (300 -350 m/thg.máy) Theo các chuyên gia của hãng Boart Longyear (Hoa Kỳ), nguyên nhân làm hạn chế phạm vi áp dụng

và năng suất thấp là do:

- Độ bền của mũi khoan thấp, tuổi thọ trung bình đạt 18m/mũi, cao nhất đạt 40m/mũi

- Tổn thất thủy lực lớn (áp suất bơm >12 MPa) khi khoan các lỗ khoan sâu trên 800m, trong điều kiện địa chất phức tạp [20]

4.130.Giai đoạn từ năm 1970 - 1980, là giai đoạn nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc mũi khoan để nâng cao tuổi thọ và khả năng áp dụng trong đất đá có độ cứng và tính chất cơ lý khác nhau Nhờ đó mà khối lượng khoan bằng OML ở một số nước như Hoa Kỳ, Canada đã chiếm tới 55 - 60 % khối lượng khoan thăm dò khoáng sản rắn Ở Hoa Kỳ: khối lượng khoan bằng OML hàng năm chiếm từ 50 - 55 % (chủ yếu khoan bằng bộ ống NQ và HQ); Chiều sâu

lỗ khoan từ 370 - 620 m; năng suất đạt cao nhất 1050 m/thg.máy (trong điều kiện địa chất thuận lợi) và thấp nhất 380 m/thg.máy (trong điều kiện địa chất phức tạp như: nứt nẻ, sập lở thành lỗ khoan, ) Tỷ lệ mẫu trung bình đạt 96

- 97%

4.131.Ở Mỹ, khi khoan các lỗ khoan bằng OML trong điều kiện địa chất phức tạp thường sử dụng dung dịch sét c ó độ nhớt từ 21-25s (dụng cụ đo CnB-5), khối lượng riêng 1,05 - 1,1 g/cm3, sử dụng NaOH, CMC và các polimer để giảm độ thải nước và độ dày vỏ sét Theo tổng kết của Hiệp hội khoan kim cương của Hoa Kỳ (DCDMA), ở các vùng miền Đông Hoa Kỳ: từ 10 ^ 15% các lỗ khoan bằng OML sử dụng dung dịch sét; còn miền Tây tới

60 % [20], [25].

4.132.Ở Canada, năng suất trung bình một ca: ở chiều sâu 150 m là 17 m/ca; ở chiều sâu lớn hơn là 15 m/ca, năng suất kỷ lục đạt 36 m/ca (8h) và 54 m/ca (12h), tỷ lệ mẫu than đạt 80 ^ 90 % Dung dịch khoan sử dụng là dung dịch ít sét, điều chế từ sét bột Bentonite và gia công bằng các hóa phẩm như lignin, NaOH để đạt được các thông số: Khối lượng riêng 1,01 ^ 1,02 g/cm3; độ nhớt 18 ^ 20 s (dụng cụ đo CnB-5); độ thải nước 8 cm3/30ph; pH = 9 [16]

4.133.Từ 1990 đến nay là giai đoạn cải tiến và hoàn thiện cấu trúc bộ OML để khoan sâu và mở rộng phạm vi áp dụng Hiện nay, ở Canada đã khoan bằng OML để thăm dò tới chiều sâu 3535 m (sử dụng bộ OML cỡ NQ và HQ) Đây là lỗ khoan bằng OML sâu kỷ lục: thời gian thi công là 183 ngày, trong đó thời gian cho khoan là 152ngày; Ở khoảng chiều sâu

từ 2500 ^ 3000m năng suất khoan đạt 50 m/ngày-đêm; tỷ lệ mẫu trung bình đạt 87 % [28]

4.134.Ở Nga và các nước SNG đã sử dụng bộ ống mẫu luồn kiểu CCK-59, CCK-76

để khoan thăm dò khoáng sản kim loại (sâu 1200 ^ 1500 m), và bộ ống kiểu KCCK-76, KCCK-95 để khoan thăm dò than (sâu tới 2000 m) Theo báo cáo của Bộ Địa chất Liên bang Nga, năng suất khoan bằng OML ở các vùng mỏ không giống nhau mà phụ thuộc nhiều vào điều kiện địa chất phức tạp của mỏ và chiều sâu lỗ khoan Khi khoan các lỗ khoan sâu từ

1200 ^ 1500 m ở mỏ than vùng Kuzbax, năng suất đạt 440 m/thg.máy; tuổi thọ mũi khoan đạt

40 m/mũi (cát kết hạt thô, mài mòn cao, độ khoan X - XI) Khoan quặng kim loại ở vùng Krasnojark (sâu 600 ^ 800 m), năng suất đạt 612 m/thg.máy (cao nhất đạt 870 m/thg.máy); tuổi thọ mũi khoan đạt 185 m/mũi [43], [55]

4.135.Ở Nhật Bản sử dụng bộ ống mẫu VAS-2 để khoan thăm dò sâu từ 1000 ^ 1500

m Đối với điều kiện địa chất phức tạp sử dụng dung dịch ít sét, điều chế từ sét bột Bentonite cùng với một số phụ gia và có các thông số: khối lượng riêng 1,03 ^ 1,05 g/cm3; độ nhớt 19 ^

22 s (dụng cụ đo CnB-5) Tốc độ cơ học đạt từ 1,67 ^ 1,73 m/h, tuổi thọ mũi khoan từ 150 ^

200 m/mũi khoan

4.136.Từ thực tế khoan bằng OML, các chuyên gia nhận thấy:

- Năng suất tăng từ 1,5 ^ 2 lần so với phương pháp khoan truyền thống;

- Tăng tỷ lệ mẫu khoan do sử dụng bộ ống mẫu luồn cấu trúc tương tự ống mẫu kép;

- Giảm sức lao động do giảm số lần kéo thả [42], [44], [48]

4.137.Bộ ống mẫu luồn đầu tiên được được Boart Longyear nghiên cứu và chế tạo từ năm 1947 - 1953 Đến năm 1955 đã khoan thử nghiệm thành công ở lỗ khoan sâu 1400 m (bằng bộ ống NX đường kính 76,2 mm) tại mỏ than Bắc Kentucky Sau đó, B oart Longyear

đã sản suất các bộ ống kích thước AX (47,6 mm), BX (59,6 mm), NX (75,7 mm) khoan từ trên mặt đất và bộ ống AX-U khoan trong hầm lò Năm 1965, sau khi nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc bộ ống và dụng cụ đi kèm, hãng sản xuất một loạt bộ ống mẫu xêri AQ, BQ, NQ, HQ

và PQ để khoan từ trên mặt đất và AQ-U, BQ-U, NQ-U, HQ-U và PQ-U để khoan trong hầm

lò Từ năm 1960 đến nay, ngoài Boart Longyear, các hãng khác như: JKS Boyles (Canada); Djoi, Christensen, Acker Drill (Hoa Kỳ); Atlas Copco (Thụy Điển); Tone Boring, Koken Boring, Yoshida Boring Machine (Nhật Bản); Diamond Boart (Bỉ); Smit (Anh); một số Công

ty khoan thăm dò ở Nga, Trung Quốc, Balan, Bungari, tích cực nghiên cứu, sản xuất các bộ OML để khoan các mỏ khoáng sản rắn có điều kiện địa chất khác nhau

4.138.Các hãng đều sản xuất theo tiêu chuẩn DCDMA (tiêu chuẩn của Hiệp hội khoan kim cương Hoa Kỳ) hoặc tiêu chuẩn CDDA (tiêu chuẩn của Hiệp hội khoan kim cương Canada) Hãng Tone Boring sản xuất theo tiêu chuẩn JIS (tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản) Nam Phi sản suất theo tiêu chuẩn SADA (tiêu chuẩn của Hiệp hội khoan kim cương Nam Phi) Trung Quốc sản xuất theo tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc: “GB3423-82 Standard” Mỗi hãng sản xuất theo tiêu chuẩn riêng, nhung nói chung đều giống nhau các kích thuớc cơ bản Boart Longyear sản xuất các bộ OML cơ tiêu chuẩn gồm:

4.139 - Kiểul: Kích thuớc bộ ống mẫu tiêu chuẩn cỡ AQ, BQ, NQ, HQ và PQ (xem bảng 1.1) [34], [35]

4.141 - Kiểu 2: Bộ ống mẫu thành dày kiểu CHD để khoan trong các điều kiện địa chất phức tạp, cần sử dụng dung dịch sét có khối luợng riêng và độ nhớt cao Bộ ống kiểu CHD có một số đặc điểm khác bộ ống mẫu tiêu chuẩn nhu: chiều dày cần khoan tăng từ

16 ^ 37 %; bề rộng tiết diện mũi khoan tăng 18 ^ 32 %; khe hở giữa ống mẫu trong và ống ống ngoài tăng 7 ^ 33 % [33], [41]

4.142 Năm 1958, các chuyên gia Nga ở bộ môn Khoan thăm dò -Truờng Đại học Thăm dò Địa chất Mat-xcơ-va bắt đầu nghiên cứu chế tạo các dụng cụ khoan bằng OML Đầu năm 1960 đã sản xuất và thử nghiệm bộ ống mẫu luồn

4.143.3M ở Liên đoàn thăm dò Địa chất Aktiubinsk Cấu trúc của bộ ống luồn 3M tuơng tự nhu cấu trúc bộ ống mẫu luồn xeri Q của Boart Longyear Từ năm 1964 đến năm 1965 đã khoan 4500 m bằng bộ ống CCK-3M đuờng kính 76 mm và 92 mm; năng suất khoan tăng 25 ^ 30 % so với phuơng pháp khoan kim cuơng truyền thống, nhung giá thành mét khoan không giảm do chi phí nhiều cho chế tạo dụng cụ và cứu chữa sự cố [47]

4.144.Năm 1971, ở Nga đã sản xuất và thử nghiệm thành công bộ ống mẫu luồn KCCK-76 ở liên đoàn địa chất Archomgologia Năm 1974, trên cơ sở các kết quả nghiên cứu

và thử nghiệm, viện VITR của Nga đã chế tạo bộ ống mẫu luồn CCK-76 và kết thúc thử nghiệm vào năm 1975 Tiếp theo đó đã chế tạo bộ ống mẫu luồn CCK-59 và CCK-46 để khoan thăm dò khoáng sản kim loại ở các lỗ khoan c ó chiều sâu khác nhau [50]

4.145.B ộ ống mẫu luồn do các hãng sản xuất đều có cấu tạo tuơng tự nhu nhau Chỉ khác ở một vài chi tiết nhu chốt định vị và bộ phận báo tín hiệu

4.146.Từ thực tiễn các chuyên gia [20], [40], [42], [48] đã khẳng định phuơng pháp khoan bằng OML có nhiều uu điểm nhu: tăng tốc độ khoan; tăng tỷ lệ mẫu; lỗ khoan ít bị cong lệch do khe hở giữa đuờng kính cần khoan và đuờng kính lỗ khoan nhỏ (tỷ lệ 0,85 ^ 0,93); giảm sức lao động cho công nhân khoan Bên cạnh uu điểm, phuơng pháp khoan bằng OML cũng có những nhuợc điểm nhu tổn thất thủy lực lớn, đặc biệt khi khoan qua địa tầng phức tạp nhu truơng nở, chảy sệ, đòi hỏi sử dụng dung dịch có khối luợng riêng và độ nhớt cao

4.147.Các nghiên cứu tập trung hoàn thiện khoan bằng OML theo huớng sau:

- Cải tiến cấu trúc bộ ống mẫu và mũi khoan để nhằm mục đích giảm tổn thất thủy lực khi khoan trong điều kiện địa chất phức tạp

- Nghiên cứu hệ dung dịch phù hợp với công nghệ khoan bằng OML, thuờng tập trung vào lựa chọn hệ dung dịch sao cho chứa ít pha rắn, độ thải nước nhỏ, vỏ sét mỏng và c ó khả năng ức chế các tầng sét trương nở [19], [27], [29], [30]

1.2.3.1 Về nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc bộ ống mẫu luồn

1- Giai đoạn thứ nhất: từ năm 1953 - 1973, đây là giai đoạn hoàn thiện cấu trúc bộ OML và bộ

chụp vớt Khi đó, các bộ OML sản xuất theo kích thước tiêu chuẩn, thường để khoan sâu đến

1500 m trong các điều kiện địa chất ổn định: độ cứng đất đá cấp VI - X; có thể sử dụng nước

lã, polimer để khoan; cho phép khoan với tốc độ vòng quay lớn (600 ^ 800 v/ph) Tốc độ hiệp tăng từ 2 ^ 3 lần, năng suất đạt cao nhất 1150 m/thg.máy (tăng 230%), tỷ lệ mẫu đạt 90%

2- Giai đoạn thứ hai: Từ 1970 đến 1980 Để mở rộng phạm vi áp dụng, một số nước như Hoa

Kỳ, Nhật Bản, Nga đã chế tạo các bộ OML thế hệ mới (thế hệ thứ 2) có các khác biệt: tăng chiều dày đế mũi khoan từ 16 mm lên18 mm; khe hở giữa ống ngoài và ống trong tăng từ 4 ^

5 mm, khe hở giữa thành lỗ khoan và cột cần khoan tăng từ 5 ^ 7 mm; tăng chiều dày các đầu nối cần khoan từ 1 ^ 2 mm Các bộ ống thế hệ 2 được áp dụng để khoan các lỗ khoan sâu trong điều kiện địa chất phức tạp như nứt nẻ, sập lở, trương nở, sệ thành lỗ khoan, khi đó đòi hỏi phải sử dụng dung dịch sét có p = 1,15 ^ 1,2 g/cm3; T = 26 ^ 30s (dụng cụ đo CnB-5) Đặc trưng cho thế hệ thứ 2 là bộ ống mẫu KCCK-76, KCCK-95 (Nga) và bộ ống mẫu VAS-2 (Nhật Bản) - (bảng 1.2)

4.139.604.140

3- Giai đoạn thứ ba: Từ giữa những năm 1980 đên nay, một số hãng của Hoa Kỳ và Bỉ đã chê

tạo bộ OML thê hệ thứ ba có những khác biệt là giảm bề rộng tiêt diện mũi khoan và khe hở thủy lực Các bộ ống này được áp dụng trong các điều kiện địa chất đơn giản để cạnh tranh với khoan kim cương tốc độ vòng quay lớn

4.149.Trong những năm gần đây, để khoan các lỗ khoan thăm dò sâu, đòi hỏi sử dụng dung dịch sét, Boart Longyear sản xuất bộ ống mẫu luồn có đường kính mũi khoan 101

mm, cần khoan 69,9 mm để tăng khe hở giữa thành lỗ khoan và cần khoan Hiệu quả sử dụng

bộ ống này cho thấy không có hiện tượng tạo “nút piston” trong các tầng kém bền vững, không phát hiện tăng áp suất máy bơm trong quá trình khoan [20], [46], [53]

1.2.3.2 Về nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khoan bằng ống mẫu luồn

4.150.Công nghệ khoan bằng ống mẫu luồn đã được các chuyên gia Nga như: Ishaev M.I; Morozov I.T; Onishin V.P; Gorshkov L.K; Muzaparov, và các chuyên gia của các Hãng B oart Longyear, Djoi, Christensen, Acker Drill (Hoa Kỳ); Atlas Copco (Thụy sĩ); Tone Boring, Koken Boring, (Nhật Bản); Diamond Boart, Crailius (Bỉ); Smit (Anh), nghiên cứu hoàn thiện

Các thông số

4.151.Ở giai đoạn đầu, việc áp dụng khoan bằng OML nhằm mục đích giải quyêt vấn đề tăng năng suất và tỷ lệ mẫu [51], [56] Trong các điều kiện địachất thuận lợi, khoan bằng OML có nhiều ưu điểm vượt trội so với phương pháp khoan kim cương truyền thống Song, khi khoan sâu, trong các điều kiện địa chất phức tạp, khoan bằng OML cũng c ó một số hạn chế, đó là: khe hở giữa thành lỗ khoan và cột cần khoan hẹp dẫn tới hạn chế sử dụng dung dịch sét hoặc các dung dịch có khối lượng riêng và độ nhớt cao Không gian vành xuyến (KGVX) hẹp dẫn tới làm tăng áp suất bơm và tạo áp suất dư ở khoảng KGVX, phá hủy sự cân bằng và ổn định của thành lỗ khoan Sự tăng quá mức áp suất thủy động lực trong khoảng KGVX thường gây ra sự sập lở thành lỗ khoan Chính vì vậy, để khoan các lỗ khoan sâu hơn 1000 m, qua các địa tầng phức tạp bằng dung dịch sét, một số hãng như Tone Boring, Koken Boring, B oart Longyear đã chế tạo bộ OML với khe hở giữa cần khoan và thành lỗ khoan tăng tới 60% so các bộ ống mẫu tiêu chuẩn [22], [34], [36].

4.152.Khi nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc bộ ống mẫu để phù hợp với công nghệ khoan trong các địa tầng phức tạp, các chuyên gia đã nghiên cứu tăng khe hở KGVX theo hai hướng [16], [17]: giảm đường kính cần khoan và giữ nguyên đường kính mũi khoan tiêu chuẩn; hoặc tăng đường kính mũi khoan đến một giới hạn nhất định mà không thay đổi đường kính cần khoan Khi tăng đường kính mũi khoan, các chuyên gia nhận thấy kinh tế và khả thi hơn Song cả hai phương pháp đều dẫn tới tăng dao động ngang, ảnh hưởng tới độ bền của cần khoan và ảnh hưởng xấu tới quá trình phá hủy đá của mũi khoan

4.153.Khi nghiên cứu chuyển động của dòng nước rửa trong khe hở KGVX, cũng như chuyển động của dòng chảy ở vùng cận đáy, các chuyên gia [51], [53], [56] đã đề xuất các giải pháp tăng khả năng lưu thông và vận chuyển mùn khoan ở vùng đáy lỗ khoan như sau:

4.154.1- Sử dụng bộ ống mẫu tạo rãnh xoắn ở mặt ngoài ống mẫu (hình 1.2)

1- chi tiết xoắn

2- Dụng cụ mở rộng thành

3- mũi khoan;

4- Ong mẫu luồn.

4.155.D LK - đường kính cánh xoắn DCK- đường kính ống mẫu a- khoảng cách cánh xoắn tz- bước xoắn hb- chiều dày cánh xoắn b- chiều rộng cánh xoắn a- góc nâng cánh xoắn

4.157.Hình 1.2 Bộ ông mâu luồn tạo rãnh xoăn ở bê mặt ông mâu ngoài

4.159 a- Câu tạo rãnh xoắn; b- Câu trúc bộ OML rãnh xoắn

4.160.Khi sử dụng bộ OML c ó tạo rãnh xoắn đã cho phép khoan các lỗ khoan sâu tới 1500 ^ 2000 m Kết quả thực tế khi khoan các lỗ khoan bằng bộ OML kiểu CCK-76-r^PC (CCK-76-GDRS) ở mỏ than Salki (Nga) cho thấy tuổi thọ mũi khoan tăng 15%, tốc độ cơ học tăng 10% và tổn thất thủy lực giảm 36 ^ 43% so với khoan bằng bộ OML CCK-76 tiêu chuẩn

4.161.2- Sử dụng mũi khoan c ó hai tầng rãnh thoát nước (hình1.3)

4.162.Kết quả sử dụng mũi khoan hai tầng rãnh thoát nước ở Công ty Shandun - Trung Quốc cho thấy: tốc độ cơ học trong đất đá cấp VIII ^ IX, ở độ sâu 1000 ^ 1100 m đã đạt 2,4 m/h, đó là do đã tăng được lưu lượng bơm rửa lên từ 60 ^ 80 l/ph (thường từ 40 ^ 60 l/ph) [36].

I 3 Nghiên cứu áp dụng công nghệ khoan bằng OML ở Việt Nam

4.163.Ở Việt Nam, năm 1992 khoan thử nghiệm ở lỗ khoan HL-35 sâu 470 m bằng

bộ ống KCCK 76 tại mỏ than Hà Lầm [7] Sau đó, được sự chỉ đạo của Tổng cục Địa chất Việt Nam (nay là Tổng cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam), một số Đơn vị thực hiện công tác thăm dò địa chất như Liên đoàn Địa chất 9 (nay là Công ty Địa chất Mỏ), Liên đoàn Địa chất Intergeo, Trung tâm Kỹ thuật và Công nghệ Địa chất (Công ty cổ phần Khoan và Dịch

vụ kỹ thuật khai thác Mỏ), đã nhập các bộ ống mẫu luồn kiểu NQ và HQ của Boart Longyear để khoan thăm dò ở các mỏ kim loại Chợ Điền; Núi Pháo; mỏ vàng Bồng Miêu,

mỏ đồng Sin Quyền và thăm dò than ở vùng Quảng Ninh, đồng bằng Sông Hồng

4.164.Năm 2000 Công ty Cổ phần Khoan và DVKT KT Mỏ áp dụng công nghệ khoan bằng OML để khoan thăm dò mỏ chì - kẽm ở Núi Pháo, năng suất đạt 350^400 m/thg.máy, (cao nhất đạt 520 m/thg.máy); tỷ lệ mẫu đạt 95 ^ 96% Trong khi khoan kim cương truyền thống ở mỏ Núi Pháo đạt từ 170 ^ 200 m/thg.máy; tỷ lệ mẫu đạt 75 ^ 82% Như vậy, trong cùng một điều kiện địa chất - mỏ, năng suất khoan bằng OML tăng từ 1,5 - 2 lần

4.165.Năm 2010 Công ty Cổ phần Khoan và DVKT KT Mỏ áp dụng công nghệ khoan bằng OML ở mỏ đồng Sin Quyền - Lào Cai: khối lượng khoan

II 500 m; chiều sâu trung bình từ 500 ^ 600 m (sâu nhất 800 m); các lỗ khoan đều thiết kế khoan nghiêng 680 từ trên mặt đất; năng suất khoan đạt 470 m/thg.máy, (cao nhất 550 m/thg.máy); tỷ lệ mẫu đạt 97 ^ 98% [12]

4.166.Kết quả khoan ở Núi Pháo và Sin Quyền khẳng định tính ưu việt của công nghệ khoan bằng OML trong thăm dò khoáng sản kim loại ở Việt Nam

4.167.Đối với vùng than Quảng Ninh, sau thành công bước đầu ở LK HL35, một thời gian dài công nghệ khoan bằng OML không được nghiên cứu áp dụng do đường kính mẫu khoan KCCK-76 không phù hợp với quy phạm thăm dò than ở Việt Nam Năm 1997, Xí

nghiệp Địa chất 906 đã quay trở lại áp dụng khoan bằng OML bằng bộ ống mẫu NQ và HQ ở

lỗ khoan MK135 - Mạo Khê nhưng không đem lại hiệu quả mong muốn, do cột cần khoan bị kẹt

4.168.Năm 2002, Công ty Địa chất Mỏ tiếp tục áp dụng công nghệ khoan bằng OML tại lỗ khoan CS 3003 mỏ Cọc Sáu (khoan: HQ, NQ), đã thu được một số kết quả khả quan: năng suất 350 m/thg.máy; tỉ lệ mẫu > 90%; độ cong < 1o/100 m Từ đó đến nay, hàng năm các đơn vị thuộc Tập đoàn TKV như Công ty Địa chất Mỏ, Công ty Cổ phần Khoan và DVKT KT Mỏ, đã dành một phần khối lượng khoan thăm dò than để khoan bằng OML: năng suất đạt từ 300 ^ 350 m/thg.máy; tỷ lệ mẫu > 90%; độ cong lỗ khoan < 1o/100 m, trong trường hợp địa chất thuận lợi năng suất đạt 500 ^ 600 m/thg.máy Trong khi đó, khoan kim cương truyền thống: năng suất đạt từ 200 ^ 250 m/thg.máy; tỷ lệ mẫu < 80% Các chỉ tiêu kỹ thuật khoan bằng OML ở vùng than Quảng Ninh tổng hợp ở bảng 1.3 [5], [6], [14]

4.171.Ở Đồng bằng Sông Hồng từ năm 2001, Tập đoàn TKV phối hợp với Tổ chức

4.141.Bảng 1.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật khoan băng OML ở vùng than Quảng Ninh

4.142.Nă

m

4.143.Khối lượng khoan

4.144.Năng suất (m/thg.máy)

4.146.K.lg khoan bằng

OML (m)

4.147 Tỷ lệ so với tổng khối

NEDO - Nhật B ản, khoan 19 lỗ khoan bằng OML (Khối lượng khoảng 20.000 m) Năm

2010 Công ty Keeper Resources International đã khoan 05 lỗ khoan bằng OML chiều sâu từ

500 ^ 1200 m tại lô MVHN-02KT vùng Hưng Yên Năng suất đạt từ 400 ^ 450 m/thg.máy (cao nhất đạt 600 m/thg.máy); tỷ lệ mẫu đạt 94 ^ 97%

4.172.Từ kết quả thực tế các chuyên gia [6], [7], [9], [12], [14] đã kết

4.173.luận:

- Khoan b ằng OML đạt năng suất và chất lượng cao trong các điều kiện:

4.174.+ Địa tầng đất đá khu mỏ ổn định, đồng nhất (khoan khoáng sản kim loại), ít nứt nẻ, cho phép sử dụng nước lã hoặc dung dịch ít sét để khoan;

4.175.+ Áp dụng chế độ khoan hợp lý, mũi khoan c ó độ bền cao để giảm thời gian kéo thả cột cần khoan, tăng thời gian khoan thuần túy;

4.176.+ Thiết bị khoan đồng bộ như máy khoan kiểu: HDX-6; CS3001, ;

- Khi khoan trong điều kiện địa chất phức tạp vùng than Quảng Ninh thường xảy ra hiện tượng trương nở, chảy sệ làm thu hẹp đường kính lỗ khoan và hậu quả thường dẫn đến sự cố kẹt bó mút bộ dụng cụ (xem bảng 1.4) Khi đó cần sử dụng dung dịch ức chế sét, đồng thời mở rộng đường kính lỗ khoan để tăng khả năng lưu thông tuần hoàn dung dịch

4.181.Số vụ kẹt (vụ)

4.182.Số lỗ khoan bằng OML(lk)

nghiên cứu hệ dung dịch cho khoan bằng OML ở vùng than Quảng Ninh: Dung dịch ít sét: điều chế từ sét bột Bentonite; Dung dịch Polymer - Bentonite Dung dịch Polymer - Bentonite đuợc thử nghiệm tại 02 lỗ khoan:

4.179 1- Lỗ khoan NV-TD3-TIX - Mỏ Khe Chàm II-IV:

4.180 Địa tầng LK NV-TD3-TIX tuơng đối ổn định, ít nứt nẻ, không vò nhàu

và phay phá Chiều dày các lớp bột kết, cát kết, cuội kết chiếm 94% trong cột địa tầng; chiều dày các lớp sét, sét kết chiếm 4% , còn lại là các vỉa than

4.181 Lỗ khoan NV-TD3-TIX khoan bằng OML cỡ NQ Hóa phẩm điều chế dung dịch Polymer - Bentonite (tính theo tỷ lệ 1m3 dung dịch điều chế) gồm: Nuớc; + 3% sét bột B entonite ; + 1,5% Polyacrinamit thuỷ phân; + 0,8% CMC; + 0,5% Na2CO3; + 0,2% Torqfree; + 0,7 lít Liqui-pol Sau khi điều chế dung dịch đạt các thông số: p = 1,04 ^ 1,06 g/cm3; T = 20 ^ 22 s (dụng cụ đo CnB-5); B = 9 cm3/30ph; K > 1,5 mm; 0 = 0,35.10-2 MPa;

n = 1% Kết quả sử dụng dung dịch cho thấy: độ nhớt, khối luợng riêng, độ thải nuớc của dung dịch thuờng bị thay đổi Độ nhớt hạ thấp 18 ^ 20 s; độ thải nuớc tăng 13 ^ 15 cm3/30ph;

độ dày vỏ sét K = 2 ^ 3 mm, nhất là khi khoan qua các tầng sét kết agilit, bột kết liên kết yếu

4.183.2 - Lỗ khoan NV- TD6 - TIX - Mỏ Khe Chàm II-IV:

4.184.Địa tầng LK NV- TD6 - TIX phức tạp hơn ở LK NV-TD3-TIX: lỗ khoan NV- TD6 - TIX cắt qua 20 vỉa than với tổng chiều dày bằng 4% chiều dầy địa tầng; cấu tạo vỉa phức tạp: vỉa mỏng, kẹp các lớp sét than; tổng chiều dày các lớp bột kết, cát kết, cuội kết chiếm 91%; chiều dày các lớp sét chiếm 5% Tại chiều sâu 383,8 m gặp đứt gẫy, đất đá vò nhàu, cứng mềm xen kẽ

4.185.Lỗ khoan NV- TD6 - TIX khoan bằng OML cỡ HQ qua đới đứt gẫy, phay phá

đến chiều sâu 400 m Từ chiều sâu 400 m, chuyển khoan cỡ NQ đến kết thúc lỗ khoan ở chiều sâu 900 m Các hó a phẩm điều chế dung dịch Polymer - Bentonite (tính theo tỷ lệ 1 m3 dung dịch) gồm: Nước; + 5% sét bột Bentonite; + 1% Polyacrinamit thuỷ phân; + 1% CMC

và 0,2% Na2CO3; + 0,2% Torqfree; + 0,7 lít Liqui-pol; + 30 kg KCl Sau khi điều chế, dung dịch đạt các thông số: p = 1,05 ^ 1,07 g/cm3; T = 21 ^ 22 s (dụng cụ đo CnB-5); B = 9 cm3/30ph; K > 1,5 mm; e = 0,32.10-2MPa; n = 1%

4.186.Khi khoan qua đới đứt gẫy, phay phá từ 382 ^ 387 m, xuất hiện hiện tuợng mùn lắng đọng nhiều ở đáy lỗ khoan Chiều dày lớp mùn dao động từ 0,5 ^ 0,7 m; thành lỗ khoan bị sập lở ở độ sâu 384 ^ 385 m, xảy ra hiện tượng tuần hoàn dung dịch không đều và

áp suất bơm rửa tăng 6 ^ 8 MPa Để khoan qua tầng phay phá, đã bổ sung thêm 3% sét Bentonite; + 0,1% Polyacrinamit thuỷ phân; + 1% CMC và 0,5% Na2CO3; + 0,5% Torqfree; + 0,7 lít Liqui-pol;

4.187.+ 30 kg KCl, để tăng khối lượng riêng lên 1,1 ^ 1,11 g/cm3; độ nhớt tăng đến 23 ^ 25

s Khi đó áp suất máy bơm thường ở mức 7 ^ 9 MPa, khó kiểm soát

4.188.Kết quả thử nghiệm ở lỗ khoan NV- TD6 - TIX cho thấy dung dịch Polymer - Bentonite còn nhiều hạn chế trong điều kiện địa chất phức tạp, năng suất khoan đạt 225 m/thg.máy; tỷ lệ mẫu 85 ^ 92%; độ lệch lỗ khoan tại chiều sâu 880 m là 5030 ; lỗ khoan bị kẹt ở chiều sâu 850 m

1.4 Kết luận

- Khoan bằng OML đã được áp dụng từ lâu trên thế giới, là phương pháp khoan tiên tiến, có nhiều ưu điểm, đang được áp dụng rộng rãi để khoan thăm dò khoáng sản rắn ở hầu hết các nước có nền kinh tế phát triển;

- Ở Việt Nam, để nâng cao năng suất và hiệu quả thăm dò, nhiều đơn vị thăm dò đã tích cực áp dụng và rất thành công trong khoan thăm dò khoáng sản kim loại, năng suất đạt khá cao;

- Trong khoan thăm dò than vùng than Quảng Ninh, nhiều đơn vị trong Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam đã tích cực áp dụng Tuy nhiên, việc áp dụng lại chưa được nghiên cứu một cách hệ thống, bài bản Đặc biệt là sử dụng hệ dung dịch có các thông số như: khối lượng riêng; độ nhớt; ứng suất trượt tĩnh, chưa tương thích với địa tầng và đặc

điểm công nghệ khoan bằng OML (KGVX hẹp), dẫn tới xảy ra nhiều sự cố kẹt bó mút bộ dụng cụ, giảm năng suất khoan, tăng chi phí vật tư, thời gian cứu chữa kéo dài.

4.189.CHƯƠNG 2

4.190.ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, CÁC DẠNG PHỨC TẠP VÀ ĐẶC ĐIỂM

KỸ THUẬT, CÔNG NGHỆ KHOAN BẰNG OML

TẠI VÙNG THAN QUẢNG NINH

2.1 Đặc điểm địa chất vùng than Quảng Ninh

4.191.Lịch sử phát triển địa chất than Việt Nam có 3 thời kỳ thành tạo các mỏ than: Permi muộn (P3), Trias muộn (T3 n - r) và Paleogen - Neogen (E3 - N1) Bể than Quảng Ninh thuộc Hệ Trias, thống thuợng, bậc Nori - Reti hệ tầng Hòn Gai (T3n - r.hg), diện tích phân bố khoảng 1100 km2 Thành phần chủ yếu là các thành tạo lục địa và vũng vịnh gồm cuội kết, sạn kết, cát kết, bột kết, sét kết, sét than chứa các vỉa than antracit, tính phân nhịp

rõ, chứa thực vật hó a đá đặc trung cho phức hệ thực vật Hòn Gai, dầy từ 3000 - 4000 m [1]

4.192.Địa tầng có sự phân bố và chuyển tiếp của các lớp nham thạch theo quy luật chung của quá trình thành tạo trầm tích Các lớp nham thạch phân bố xa vỉa than thuờng là các tập hạt thô đến hạt nhỏ nhu cuội kết, sạn kết, đến cát kết Càng gần các vỉa than là tập hạt mịn nhu bột kết, trực tiếp ở vách, trụ vỉa than là sét kết, sét than Đặc trung nhu vậy đuợc lặp đi, lặp lại theo vỉa than

4.193.Địa tầng một nhịp trầm tích gồm các tầng đá sau:

2.1.1 Sét kết và sét than

4.194.Sét kết và sét than màu xám đến xám đen, chiếm tỷ lệ thấp trong cột địa tầng Thành phần sét và sericit chiếm từ 60 ^ 70%, còn lại là silic, than và vật chất than Ngoài ra, còn có muscovit, thạch cao và xác thực vật; giới hạn bền nén của sét kết dao động từ 10 ^ 40 MPa; độ cứng theo Protodjakonov f = 1 ^ 4; đá phân lớp mỏng, dễ bị phá huỷ, vò nhàu khi

có tác động ngoại lực; khi bão hoà nuớc trở nên dẻo, giới hạn bền kéo không lớn hơn 5,4 MPa Sét kết và sét than thuờng nằm sát vỉa than và tạo thành vách, trụ hoặc nằm kẹp giữa vỉa than, đôi khi còn gặp ở các mặt phân lớp giữa các lớp đá Sét thuờng phân bố không đều,

c ó nơi chiều dày khoảng 1,5 m; ở mỏ Mạo Khê sét than còn phân bố dạng thấu kính dày tới

7 m; các mỏ than Mông Dương, Khe Chàm chiều dày lớp sét than chỉ khoảng vài chục cm

4.195.Từ các kết quả nghiên cứu chỉ tiêu cơ lý của sét kết, sét than cho thấy sét kết,

sét than c ó độ ẩm từ 0,5 đến 3,56 %; độ bền biến đổi phụ thuộc vào địa tầng từng khu mỏ Kết quả nghiên cứu các mẫu sét kết, sét than cho thấy mẫu sét thường bở rời, dẻo và ngậm nước, dễ biến dạng (hình 2.1)

4.196

4.197.Hình 2.1 Mâu lõi khoan của lô khoan CGH161- PA Khe Chàm II-IV- 2013;

4.198.( chiều sâu lấy mâu từ 574 m - 580 m)

4.199.Từ hình ảnh cấu trúc khoáng sét của mẫu lõi khoan tầng sét dưới kính hiển vi (hình 2.2) cho thấy: các tinh thể không liên kết thành mạch bền vững mà liên kết thành từng nhóm, dễ hình thành các hốc làm giảm lực liên kết

4.210

4.211

phân lớp: khi phân lớp mỏng có kẹp các chỉ than, độ bền nén từ 15 ^ 60 MPa; khi phân lớp dày, độ bền nén 60 ^ 120 MPa (như ở mỏ Khe Chàm, mỏ Mông Dương).

4.203.Đá cát kết là đá phổ biến, chiếm tới 50% trong cột địa tầng Đá cát kết màu xám nâu đến xám trắng, thành phần thạch anh chiếm từ 50 ^ 80 %, còn lại là quarzít, silic và các thành phần khác Xi măng gắn kết chủ yếu là sét sericit, sét silic và carbonate, Kiểu xi măng cơ sở lấp đầy hoặc tiếp xúc Theo cỡ hạt, đá cát kết chia thành ba loại: cát kết hạt mịn, cát kết hạt trung bình và cát kết hạt thô, cấu tạo dạng khối Độ bền nén dao động từ 80 ^ 130 MPa

4.204.Đá cuội - sạn kết màu xám tro, xám nâu hoặc xám trắng, chiếm từ 3 ^ 15 % trong cột địa tầng, thành phần chủ yếu là cuội thạch anh, kích thước từ 0,4 ^ 4 cm; phân lớp dày hoặc không phân lớp Thành phần xi măng gắn kết là sét silic, hoặc carbonate Giới hạn bền nén dao động từ 80 ^ 140 MPa Vùng mỏ Cao Sơn - Khe Chàm có dải đá cuội kết độ

bền đạt tới 200 MPa Tóm lại:

1 Địa tầng chứa than vùng Quảng Ninh là địa tầng trầm tích không đồng nhất, tính chất cơ lý thay đổi với giãn cách lớn, độ cứng không đồng đều

2 Các trầm tích sét kết, sét than có độ bền kém, độ ẩm cao, dễ bị bão hoà khi gặp nước Vì vậy, dễ xảy ra hiện tượng trương nở, sập lở, thu hẹp hoặc mở rộng đường kính lỗ khoan Ngoài ra còn gặp các đứt gẫy, đất đá bị bào mòn và chuyển tiếp đột ngột Những yếu tố này gây nhiều phức tạp khi áp dụng công nghệ khoan OML Đặc tính cơ lý đá đặc trưng cho từng vùng mô tả ở bảng 2.1; Cột địa tầng điển hình (phức tạp, sự cố) vùng than Quảng Ninh xem hình 2.3

Mạo khê 4.231.2,65 4.232.15,7-38,2 4.233 4.234.4.235.

Hòn Gai 4.236.2,44 4.237.17,2-40,4 4.238.2,94 4.239.28,304.240

Cẩm Phả 4.241 2

,44-2,69 4.242.19,9-33,0 4.243 4.244.4.245

Mạo khê 4.257.2,56 4.258.24,5-66,3 4.259.9,8 4.260.32,04.261

Hòn Gai 4.262.2,57 4.263.32,0-61,5 4.264.6,7 4.265.31,224.266

Cẩm Phả 4.267 2

,44-2,74 4.268.57,5 4.269.8,42 4.270.30,04.271

Mạo khê 4.283.2,63 4.284.68,6-107,8 4.285.10,5 4.286.32,04.287

Hòn Gai 4.288 2

,53-2,61 4.289.88,9 4.290.13,7 4.291.32,34.292

Cẩm Phả 4.293.2,64 4.294.103,0 4.295.12,3 4.296.28,64.297

Cẩm Phả 4.319.2,63 4.320.131,5 4.321.15,2 4.322.33,24.323

4.328

CáSé

CáSé

4950

5252

Th

an 510.0

779080888

i

s l i t

Ềĩ

u

mm

STSB

ột kế

888831.00

t kế

t Sé

t S

CS

22213

00216

00232

22

I540550

H

Cuội kết5

605666

5Cát kết

89090091092090

8

CSé

t kế

t Th

an Sé

Bộ

t kế

t C

888898.90

904.40 909.0

949.60 955.009

3

330

3

63064

0Bột kết

Cát kết Bộ

t 666.00Cát kết

1020103010401050

CCBộ

t CCC

111029111

Hình 2.3 Cột địa tầng lỗ khoan CGH165 - Phương án Khe Chàm II-IV

2.2 Các dạng phức tạp khi khoan bằng OML tại vùng than Quảng Ninh

4.244.Từ thực tế cho thấy các lỗ khoan áp dụng công nghệ khoan bằng OML tại vùng than Quảng Ninh thường bị kẹt bó mút bộ dụng cụ, tỷ lệ kẹt mút càng tăng khi khoan các lỗ khoan càng sâu và địa tầng càng phức tạp, chứa nhiều lớp sét kết, sét than xen kẹp

4.245.Các chuyên gia [7], [8], [11], [10] đang đưa ra các ý kiến để lý giải về nguyên nhân gây ra các sự cố Từ các kết quả thực tế, kết hợp phân tích lý thuyết, có thể kết luận các nguyên nhân chính gây nên kẹt dụng cụ khoan khi áp dụng công nghệ khoan bằng OML ở vùng Quảng Ninh là:

- Về địa chất do đất đá không ổn định, đặc biệt là tầng sét kết, sét than và tầng than rất mềm yếu, khi thấm nước bị trương nở mạnh gây mất ổn định thành lỗ khoan, thu hẹp đường kính (bó kẹt) Sau đ sập lở, tạo hang hốc trên thành lỗ khoan, dẫn đến cấu trúc lỗ khoan rất phức tạp trong thi công

- Về kỹ thuật và công nghệ: do khe hở KGVX giữa thành lỗ khoan và cột cần khoan nhỏ (1,4 ^ 3,55 mm) Khi khoan ở vùng than Quảng Ninh, do cần phải sử dụng dung dịch sét để giữ ổn định thành lỗ khoan và cân bằng áp suất vỉa, nên đã tạo ra vỏ sét càng thu hẹp KGVX, làm giảm khả năng lưu thông, tuần hoàn dung dịch, thường dẫn tới hậu quả kẹt “bó mút” bộ dụng cụ

4.246.Như đã nêu trên, địa tầng chứa than vùng Quảng Ninh là địa tầng trầm tích c ó đặc điểm xen kẹp, không đồng nhất Các lớp sét kết, sét than thường mềm yếu gây nhiều hiện tượng phức tạp, các hiện tượng phức tạp này là nguyên nhân dẫn đến sự cố kẹt mút bộ dụng

cụ khi áp dụng công nghệ khoan bằng OML

4.247.Hiện tượng b hẹp, chảy sệ thành lỗ khoan thường xuất hiện khi khoan qua các tầng sét kết, sét than, các tầng đá liên kết yếu mà thành phần gắn kết chủ yếu là sét sericit, sét silic và carbonate cùng các vật chất hữu cơ nhạy cảm với nước Nguyên nhân là do khi tiếp xúc với nước tách ra từ dung dịchkhoan, các tầng sét sẽ hấp phụ nước, gây trương nở, làm co thắt đường kính lỗ khoan, làm mất tuần hoàn dung dịch, gây kẹt mút, kẹt bó, tạo hiệu ứng

“piston” trong lỗ khoan

4.248.Sự trương nở của trầm tích sét thay đổi trong giới hạn rộng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thành phần khoáng vật, mức độ phân tán của sét; quá trình trao đổi và tác động bởi các yếu tố như: thành phần hó a học của hệ dung dịch khoan; nhiệt độ và áp suất thủy tĩnh trong lỗ khoan [8]

4.249.Theo quan điểm của các chuyên gia [42], [49], sự ổn định của thành lỗ khoan được đánh giá bằng chỉ số k:

4.250.(2-1)4.251 Trong đó: k - hệ số ổn định;

4.252 Vtt - thể tích thực tế lỗ khoan ở đoạn

xem xét; V lt - thể tích theo tính toán lý thuyết

4.253.Nếu k = 1, thành lỗ khoan ổn định; nếu k > 1, thành lỗ khoan kém ổn định (sập lở); nếu k < 1 lỗ khoan mất ổn định (trương nở, thu hẹp đường kính).

4.254.Ngoài ra, hiện tượng bó hẹp, chảy sệ thành lỗ khoan còn do tác động của áp lực địa tầng Dưới tác động của áp lực địa tầng, các tầng sét bị nén ép và biến dạng, đó là nguyên nhân làm bó hẹp thành lỗ khoan

4.255.Ở trạng thái tĩnh, tầng sét bao quanh thành lỗ khoan ở chiều sâu z, cách tâm lỗ

khoan một khoảng cách r và chịu các lực tác dụng [42], [48], [49]:

4.256 Trong đó: ơz - ứng suất chiều trục;

4.257.ơr - ứng suất hướng

tâm; p - hệ số áp lực hông;

4.258.Trz - ứng suất tiếp tuyến

ơ

z yo - z ơr fi- ơ z p Jo .z

Trz = 0

z

r

(2-2)(2-3)(2-4)

4.259 P=V;

(2-5)4.260 1 -V

4.261 V - hệ số Poisson; y o - trọng lượng thể tích của đá Sau khi khoan qua tầng sét (góc nội ma sát u = 0), giá trị các ứng suất tại tầng sét được xác định như sau:

4.263 r 0

4.264.(2-7)4.265 Ĩ0 z c-ơ r 0

4.266 rg = r0e 2c (2- 8)

4.267.Trong đó: ơz; ơ r - ứng suất chiều trục và hướng tâm;

4.268 Trz - ứng suất tiếp tuyến;

4.269 ơn - ứng suất theo phương ngang;

4.270 ơro - ứng suất chiều trục tại thành lỗ khoan;

4.271 rg - bán kính giới hạn vùng biến dạng chảy phía ngoài thành lỗ khoan;4.272 ro - bán kính lỗ khoan;

4.273 c - cường độ lực liên kết.

4.274 Giá trị hệ số V thay đổi tùy theo từng loại đá, đối với sét từ 0,35 ^ 0,40; cát kết từ 0,15 ^ 0,20; đá cacbonát từ 0,25 ^ 0,30

4.275 Áp suất hướng tâm hoặc áp suất vách p v = p.ơr là thành phần chính gây

ra mất ổn định thành lỗ khoan và thường được cân bằng bởi áp suất thủy tĩnh của cột dung

dịch trong lỗ khoan p tt = g.po z (po - khối lượng riêng của dung dịch; g - gia tốc trọng

trường) Vì vậy, sử dụng dung dịch có trọng lượng riêng lớn là điều rất cần thiết khi khoan trong trầm tích than Quảng Ninh

4.276.Sự bó hẹp thành lỗ khoan được thể hiện ở hình 2.4 - kết quả đo địa vật lý lỗ khoan

NB98 Lỗ khoan NB 98 được thiết kế và thi công khoan bằng

2c

ln ( \ r+1

4.277.OML NQ - Ộ75,8 mm Theo kết quả đo địa vật lý ở đoạn từ 280 m đến 305 m, đường kính lỗ khoan bị thu hẹp còn 69,9 mm.

4.278 Hình 2.4 Sự trương nở của tầng sét than Sự trương nở,

chảy sệ của tầng sét thường diễn ra theo thời gian Ban đầu, khi khoan qua tầng sét các hiện tượng phức tạp chưa xảy ra, nhưng dầnX:

> sộ

oU

'

S

t 3v

Sơ đồ đo địa vật lý đoạn từ 280m đến 305m

( Mô tả sự bó hẹp đ-ờng kính khi