Hoàn thiện công nghệ khoan bằng ống mẫu luồn tại vùng than Quảng Ninh

Chữ viết tắt API - tiêu chuẩn chất lượng của viện dầu khí Mỹ 2004 CCK; KCCK - ký hiệu bộ ống mẫu luồn theo tiêu chuẩn của Nga CDDA - Hiệp hội khoan kim cương Canada CMC - Cacbua metin c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

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 chƣa từng đƣợc ai công bố trong một công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Phạm Văn Nhâm

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN BẰNG ỐNG MẪU LUỒN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 6

1.1 Đặc điểm về công nghệ khoan bằng ống mẫu luồn 6

1.2 Khoan bằng ống mẫu luồn trên thế giới 8

1.2.1 Tình hình áp dụng công nghệ khoan bằng ống mẫu luồn trên thế giới 8

1.2.2 Quá trình nghiên cứu chế tạo bộ ống mẫu luồn 10

1.3 Nghiên cứu áp dụng công nghệ khoan bằng OML ở Việt Nam 17

1.4 Kết luận 22

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, CÁC DẠNG PHỨC TẠP VÀ ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT, CÔNG NGHỆ KHOAN BẰNG OML TẠI VÙNG THAN QUẢNG NINH 23

2.1 Đặc điểm địa chất vùng than Quảng Ninh 23

2.1.1 Sét kết và sét than 23

2.1.2 Đá bột kết 24

2.1.3 Đá cát kết 25

2.1.4 Đá cuội - sạn kết 25

2.2 Các dạng phức tạp khi khoan bằng OML tại vùng than Quảng Ninh 28

2.2.1 Hiện tượng bó hẹp, chảy sệ thành lỗ khoan 28

2.2.2 Hiện tượng sập lở thành lỗ khoan 32

2.2.3 Nghiên cứu cơ chế sét trương nở gây ra phức tạp khi khoan

bằng OML tại vùng than Quảng Ninh 34

2.3 Đặc điểm kỹ thuật, công nghệ khi khoan bằng OML tại vùng than Quảng Ninh 42

2.3.1 Loại và chất lượng dung dịch 42

2.3.2 Đặc điểm cấu trúc bộ dụng khoan bằng OML 47

2.4 Kết luận 48

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ KHOAN BẰNG ỐNG MẪU LUỒN TẠI VÙNG THAN QUẢNG NINH 49

3.1 Hướng hoàn thiện công nghệ khoan bằng OML tại vùng than Quảng Ninh 49

3.2 Nghiên cứu điều chế hệ dung dịch cho khoan bằng OML trong điều kiện địa chất vùng than Quảng Ninh 50

3.2.1 Dung dịch ức chế và mục tiêu cần đạt được của hệ dung dịch nghiên cứu 50

3.2.2 Lựa chọn hệ dung dịch cho khoan bằng OML tại vùng than Quảng Ninh 53

3.2.3 Vai trò các hóa phẩm trong hệ dung dịch sét Bentonite – Thạch cao 55

3.2.4 Yêu cầu chỉ tiêu kỹ thuật đối với hệ dung dịch Bentonite – Thạch cao 60

3.2.5 Kết quả thí nghiệm trong phòng thí nghiệm 61

3.3 Nghiên cứu mở rộng kích thước KGVX để tăng khả năng lưu thông, tuần hoàn dung dịch 74

3.3.1 Luận giải về kích thước KGVX và tổn thất thủy lực trong khoan bằng OML khi sử dụng dung dịch sét 74

3.3.2 Nghiên cứu lựa chọn kích thước KGVX 82 CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 95

4.1 Mục đích và yêu cầu với khoan thử nghiệm 95

4.2 Điều kiện thử nghiệm 95

4.2.1.Thiết bị, dụng cụ khoan thử nghiệm 95

4.2.2 Lỗ khoan thử nghiệm 96

4.2.3 Thiết kế cấu trúc lỗ khoan: ( xem phụ lục số 3) 96

4.2.4 Áp dụng hệ dung dịch nghiên cứu để khoan thử nghiệm 97

4.2.5 Thiết kế chế độ khoan thử nghiệm 98

4.3 Kết quả thử nghiệm 98

4.3.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật 98

4.3.2 Đánh giá hiệu quả kinh tế 103

4.4 Kết luận 104

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106 DANH MỤC C NG TR NH Đ C NG Ố CỦA TÁC GIẢ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Chữ viết tắt

API - tiêu chuẩn chất lượng của viện dầu khí Mỹ (2004) CCK; KCCK - ký hiệu bộ ống mẫu luồn theo tiêu chuẩn của Nga CDDA - Hiệp hội khoan kim cương Canada

CMC - Cacbua metin cellulose

CΠ -5 - dụng cụ đo độ nhớt theo tiêu chuẩn của Nga DCDMA - Hiệp hội khoan kim cương Mỹ

DMC - Tổng công ty Dung dịch khoan và hóa phẩm Dầu khí DVC - đơn vị khối lượng phân tử

FCL - Ferrochromlignosulphonat GB3423-82 - tiêu chuẩn Quốc gia Trung Quốc

HRC - độ cứng nền mũi khoan kim cương JIS - tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản KGVX - không gian vành xuyến

NEDO - Tổ chức phát triển Công nghệ và Năng lượng mới Nhật Bản

PAC LV - Polyanionic cellulose

RD CP 66-11 - tiêu chuẩn chất lượng của liên doanh dầu khí Vietsovpetro SADA - tiêu chuẩn Hiệp hội khoan kim cương Nam Phi

TANNATHIN - hóa phẩm dung dịch được biến tính từ than nâu TCXDVN 326-2004 - tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam - 2004

D o - đường kính thủy lực của kênh dẫn

d 2 - đường kính ngoài của cần khoan

d 3 - đường kính ngoài ống mẫu

η - độ nhớt cấu trúc dung dịch

η' - độ nhớt hiệu ứng của dung dịch

FL - độ thải nước của dung dịch theo theo tiêu chuẩn Mỹ

FV - độ nhớt quy ước của dung dịch theo tiêu chuẩn chuẩn Mỹ

L - chiều sâu lỗ khoan

l - chiều dài mép cắt của mỗi răng

λ - hệ số kháng thủy lực

ν - hệ số Poisson

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

M - tổng số điểm tiếp xúc

M c - số lưỡi cắt làm việc đồng thời

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

mc - khối lượng mẫu sau khi ngâm

mđ - khối lượng mẫu trước khi ngâm

mth - tỷ lệ mẫu thu hồi

μ - độ nhớt động lực

n - tốc độ vòng quay NQ; HQ - ký hiệu bộ ống mẫu luồn theo tiêu chuẩn DCDMA

ρ - khối lượng riêng của dung dịch theo tiêu chuẩn Nga

ρ đđ - khối lượng riêng của đất đá

S o - diện tích trung bình một điểm tiếp xúc

T - độ nhớt quy ước của dung dịch theo tiêu chuẩn Nga

τ - ứng suất kháng cắt

τ rz - ứng suất tiếp tuyến

θ (10’) - ứng suất trượt tĩnh của dung dịch tiêu chuẩn Nga

V - số đọc trên máy đo OFITE Model 800

υ - tốc độ trung bình của dòng chảy ở KGVX

υ c - tốc độ trung bình dòng chảy ở KGVX giữa thành lỗ khoan và cần khoan

V CH - tốc độ cơ học

Vđ, Vc - thể tích trước và sau trương nở

V H - tốc độ hiệp

V lt - thể tích theo tính toán lý thuyết

V tt - thể tích thực tế lỗ khoan ở đoạn xem xét

υ o - tốc độ trung bình dòng chảy ở KGVX giữa thành lỗ khoan và ống mẫu

σk - ứng suất kéo

σn - ứng suất nén

σ r - ứng suất theo hướng tâm

σz - ứng suất chiều trục

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

W - công suất phá hủy đất đá

WN - Độ ẩm trương nở

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Kích thước bộ ống mẫu luồn tiêu chuẩn DCDMA 11

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật bộ OML KCCK- 95 và VAS-2 13

Bảng 1.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật khoan bằng OML ở vùng than Quảng Ninh 18 Bảng 1.4 Tổng hợp các vụ sự cố 20

Bảng 2.1 Tính chất cơ lý đá vùng than Quảng Ninh 26

Bảng 2.2.Thành phần khoáng vật của mẫu lõi khoan 34

Bảng 2.3 Thành phần hóa học của mẫu lõi 35

Bảng 2.4 Thông số dung dịch được điều chế từ sét nguyên khai 43

Bảng 2.5 Thông số dung dịch điều chế từ sét Bentonite 43

Bảng 2.6 Bảng kết quả phân tích dung dịch đang áp dụng khoan thăm dò vùng than Quảng Ninh 44

Bảng 2.7 Thông số dung dịch Polymer 45

Bảng 2.8 Đặc điểm kỹ thuật bộ ống mẫu luồn NQ, HQ 47

Bảng 3.1 Tiêu chuẩn chất lượng của Bentonite (TCXDVN 326-2004) 55

Bảng 3.2 Tiêu chuẩn chất lượng của Thạch cao (Tiêu chuẩn RD CP 61-11) 56

Bảng 3.3 Tiêu chuẩn chất lượng của FCL (Tiêu chuẩn RD CP 61-11) 57

Bảng 3.4 Tiêu chuẩn chất lượng của PAC- LV (Tiêu chuẩn RD CP 61-11) 58 Bảng 3.5 Tiêu chuẩn chất lượng của NaOH (Tiêu chuẩn RD CP 61-11) 58

Bảng 3.6 Tiêu chuẩn chất lượng của TANNATHIN (Tiêu chuẩn RD CP 61-11) 59 Bảng 3.7 Tiêu chuẩn và chất lượng Barit (API Specification 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 Quảng Ninh 61

ảng 3.10 Thành phần, chức năng và liều lượng các h a phẩm trong hệ 61

dung dịch entonite - Thạch cao 61

Bảng 3.11 Kết quả phân tích các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ dung dịch nền 62 Bảng 3.12 Ảnh hưởng hàm lượng entonite đến độ nhớt dung dịch 63 Bảng 3.13 Ảnh hưởng của hàm lượng NaOH đến độ pH của dung dịch 64 Bảng 3.14 Ảnh hưởng của hàm lượng arit đến khối lượng riêng dung dịch 65 Bảng 3.15 Ảnh hưởng của hàm lượng Thạch cao đến nồng độ ion Ca++ 66 Bảng 3.17 Ảnh hưởng hàm lượng PAC - LV đến độ thải nước và độ dày

vỏ sét 68 Bảng 3.18 Ảnh hưởng hàm lượng TANNATHIN đến độ thải nước dung

dịch 69 Bảng 3.19 Kết quả đánh giá hệ dung dịch Bentonite – Thạch cao 70 Bảng 3.20 Kết quả đánh giá hệ dung dịch khoan ở các mức ρ khác nhau 71 Bảng 3.21 Khả năng thu hồi mẫu lõi của hệ dung dịch nghiên cứu

(cutting recovery) 72 Bảng 3.22 Khả năng trương nở của mẫu trong dung dịch 74 Bảng 3.23 Bảng tổng hợp thông số bơm rửa khi khoan OML cỡ NQ 78 Bảng 3.24 Tốc độ dòng chảy ở KGVX giữa thành lỗ khoan và cần khoan

(υc), giữa thành lỗ khoan và ống mẫu (υo) 79 Bảng 3.25 Số Reynolds và chế độ chảy dòng nước rửa ở KGVX giữa

thành lỗ khoan và cần khoan 79 Bảng 3.26 Số Reynolds và chế độ chảy dòng nước rửa ở KGVX giữa

thành lỗ khoan và ống mẫu 79 Bảng 3.27 Đường kính lỗ khoan cỡ NQ sau khi bị thu hẹp do vỏ sét 80 Bảng 3.28 Tổn thất TL trong trường hợp đường kính lỗ khoan cỡ NQ bị

thu hẹp do vỏ sét (0 ÷ 1,5 mm) ở chiều sâu lỗ khoan 1000 m, ρ = 1,1 g/cm3 81 Bảng 3.29 Tổn thất TL ở lỗ khoan 1000 m, p1 (Q = 40l/ph) và p2 (Q = 70

l/ph) 83

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

(v/ph) 87 Bảng 3.31 Tốc độ cơ học: VCH (m/h) với P - 9 kN; n - 250 v/ph; Hr = 2500

MPa 90 Bảng 3.32 Thông số kỹ thuật mũi khoan - 78,5 và dụng cụ mở rộng thành - 79 92 Bảng 4.1 Thiết kế thông số chế độ khoan thử nghiệm 98 Bảng 4.2 Tổng hợp kết quả áp suất bơm rửa ở lỗ khoan thử nghiệm KT 20 99 Bảng 4.3 Tổng hợp áp suất bơm rửa các lỗ khoan OML vùng Quảng Ninh 99 Bảng 4.4 Tổng hợp kết quả thử nghiệm ở lỗ khoan KT 20 – Hà Ráng 101 Bảng 4.5 Thông số chế độ khoan OML đường kính mũi khoan 78,5 mm 103 Bảng 4.6 Tổng hợp chi phí trực tiếp cho lỗ khoan (số liệu nghiệm thu) 104

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Cấu tạo và sơ đồ lắp ráp bộ ống mẫu luồn 7

Hình 1.2 Bộ ống mẫu luồn tạo rãnh xoắn ở bề mặt ống mẫu ngoài 16

Hình 1.3 Mũi khoan hai tầng rãnh thoát nước để khoan bằng OML 16

Hình 2.1 Mẫu lõi khoan của lỗ khoan CGH 161- PA Khe Chàm II-IV- 2013; 24

( chiều sâu lấy mẫu từ 574 m - 580 m) 24

Hình 2.2 Hình ảnh cấu trúc khoáng sét dưới kính hiển vi (mẫu lỗ khoan TK9) 24

Hình 2.3 Cột địa tầng lỗ khoan CGH 165 – Phương án Khe Chàm II-IV 27

Hình 2.4 Sự trương nở của tầng sét than 31

Hình 2.5 Mẫu lõi khoan lỗ khoan HR79 (từ 447 - 553 m) 32

Hình 2.6 Sự sập lở của tầng sét than gây mở rộng đường kính lỗ khoan 33

Hình 2.7 Ảnh rơnghen của mẫu lõi lỗ khoan CGH165 36

Hình 2.8 Ảnh rơnghen của mẫu lõi lỗ khoan HR145 37

Hình 2.9 Ảnh rơnghen của mẫu lõi lỗ khoan HR79-PA mỏ Hà Ráng 38

Hình 2.10 Cấu tạo mạng tinh thể của khoáng sét: 39

Hình 2.11 Sơ đồ tương tác phân tử của khoáng sét 41

Hình 3.1 Sự biến đổi từ sét Natri thành sét Calxi 54

Hình 3.2 Cấu trúc của Ferrochromlignosulfonat 56

Hình 3.3 Công thức hóa học và cấu trúc phân tử của PAC- LV 57

Hình 3.4 Cấu trúc phân tử của NaOH 58

Hình 3.5 Công thức hóa học của BaSO4 và quặng Barit nguyên khai 59

Hình 3.6 Ảnh hưởng của hàm lượng entonite đến độ nhớt của dung dịch 63 Hình 3.7 Ảnh hưởng của hàm lượng NaOH đến độ pH 64

Hình 3.8 Ảnh hưởng của hàm lượng arit đến khối lượng riêng của dung dịch 65

Hình 3.9 Ảnh hưởng của hàm lượng Thạch cao đến nồng độ ion Ca++ 66

Hình 3.10 Ảnh hưởng của hàm lượng FCL đến độ nhớt của dung dịch 67

Hình 3.11 Ảnh hưởng hàm lượng PAC-LV đến độ thải nước và độ dày vỏ sét 68

Hình 3.12 Ảnh hưởng hàm lượng TANNATHIN đến độ thải nước dung dịch 69

Hình 3.13 Biến đổi độ nhớt; độ thải nước; độ dày vỏ sét theo khối lượng riêng 71

Hình 3.14 Hình ảnh mẫu thu hồi được sau khi ngâm trong dung dịch 73

Hình 3.15: Biều đồ thí nghiệm đánh giá khả năng thu hồi 73

Hình 3.16 Tổn thất TL ở KGVX khi đường kính lỗ khoan bị thu hẹp do vỏ sét 81

Hình 3.17 Ảnh hưởng của kích thước KGVX đến tổn thất TL (khi giữ nguyên đường kính cần khoan), p1: khi Q = 40 l/ph); p2 : khi Q = 70 l/ph 84

Hình 3.18 Quan hệ giữa đường kính mũi khoan và công suất tiêu hao tại đáy 87

Hình 3.19 Đồ thị quan hệ giữa đường kính mũi khoan và tốc độ cơ học khoan 90

Hình 3.20 Hình ảnh mũi khoan -78,5 và dụng cụ mở rộng thành – 79 91

Hình 3.21 - Kích thước mũi khoan – ϕ78,5mm 93

Hình 3.22 - Kích thước dụng cụ mở rộng thành – ϕ79mm 93

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

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 đ , 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

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:

“Đối với bể than Đông 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”

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

đ c công nghệ khoan bằng ống mẫu luồn (OML) cho vùng than Quảng Ninh là giải pháp cần thiết, cấp bách của các đơn vị khoan thăm dò trong Tập đoàn TKV

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

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 đ 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 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

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

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

- 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;

- 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

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

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

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

8 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

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 ϕ78,5 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

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

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 đ phần viết gồm 106 trang, 50 bảng biểu, 36 hình vẽ

và đồ thị, 57 tài liệu tham khảo

10 Lời cảm ơn

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:

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

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

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

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

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

CHƯƠNG 1 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

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 mỏ khoáng sản

So với phương pháp khoan kim cương truyền thống, công nghệ khoan bằng OML (Wireline Drilling) có những đặc điểm khác biệt và một số ưu điểm vượt trội như sau:

- Cột cần khoan (Wireline Rods) được chế tạo nối trực tiếp cần với cần, tạo thành cột cần phẳng cả bề mặt trong và mặt ngoài;

- Bộ ống mẫu (Wireline core barrel) là dạng ống mẫu kép Ống ngoài nối với cần khoan, tiếp nhận tải trọng chiều trục và mômen quay truyền cho mũi khoan phá huỷ đá; ống trong là ống chứa mẫu (không quay) được treo và ngắt chuyển động quay nhờ “vai tỳ” và “bộ đầu ống mẫu” Vì vậy, cho phép nâng cao tỷ lệ mẫu;

- 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 tổn

thất 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

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]

Hình 1.1 Cấu tạo và sơ đồ lắp ráp bộ ống mẫu luồn

Bộ ống trong:

1- Bộ đầu ống trong 2- Ống trong

3- Vành chặn hom chèn 4- Hom chèn mẫu

5- Cốc đ n mẫu

Bộ ống ngoài:

6- Ống chuyển tiếp (định tâm ống ngoài) 7- Ống chuyển tiếp (ống chứa vòng đỡ)

8- Vòng đỡ (vai tỳ) 9- Ống ngoài 10- Vòng định tâm ống trong

11- Dụng cụ mở rộng 12- Mũi khoan

7- Mũi

1.2 Khoan bằng ống mẫu luồn trên thế giới

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

1.2.1 Tình hình áp dụng công nghệ khoan bằng ống mẫu luồn trên thế giới

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]

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 c độ cứng và tính chất cơ lý khác nhau Nhờ đ 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%

Ở Mỹ, khi khoan các lỗ khoan bằng OML trong điều kiện địa chất phức tạp thường sử dụng dung dịch sét c độ nhớt từ 21÷25s (dụng cụ đo CΠ -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]

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 CΠ -5); độ thải nước 8 cm3/30ph; pH = 9 [16]

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 đ 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]

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]

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 CΠ -5) Tốc độ

cơ học đạt từ 1,67 ÷ 1,73 m/h, tuổi thọ mũi khoan từ 150 ÷ 200 m/mũi khoan

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]

1.2.2 Quá trình nghiên cứu chế tạo bộ ống mẫu luồn

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 đ , 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); Тоne Воring, 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 c điều kiện địa chất khác nhau

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: “G 3423-82 Standard” Mỗi hãng sản xuất theo tiêu chuẩn riêng, nhưng nói chung đều giống nhau các kích thước cơ bản Boart Longyear sản xuất các bộ OML cơ tiêu chuẩn gồm:

- Kiểu1: Kích thước bộ ống mẫu tiêu chuẩn cỡ AQ, BQ, NQ, HQ và

- 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 lượng riêng và độ nhớt cao Bộ ống kiểu CHD có một số đặc điểm khác bộ ống mẫu tiêu chuẩn như: 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]

Năm 1958, các chuyên gia Nga ở bộ môn Khoan thăm dò -Trường 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

CCK-3M ở Liên đoàn thăm dò Địa chất Aktiubinsk Cấu trúc của bộ ống luồn

CCK-3M tương tự như 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 đường kính 76 mm và 92 mm; năng suất khoan tăng 25 ÷ 30 % so với phương pháp khoan kim cương truyền thống, nhưng giá thành mét khoan không giảm do chi phí nhiều cho chế tạo dụng cụ và cứu chữa sự cố [47]

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 đ 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 chiều sâu khác nhau [50]

ộ ống mẫu luồn do các hãng sản xuất đều c cấu tạo tương tự như

nhau Chỉ khác ở một vài chi tiết như chốt định vị và bộ phận báo tín hiệu

1.2.3 Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khoan bằng OML trên thế giới

Từ thực tiễn các chuyên gia [20], [40], [42], [48] đã khẳng định phương pháp khoan bằng OML có nhiều ưu điểm như: tăng tốc độ khoan; tăng tỷ lệ mẫu; lỗ khoan ít bị cong lệch do khe hở giữa đường kính cần khoan và đường kính lỗ khoan nhỏ (tỷ lệ 0,85 ÷ 0,93); giảm sức lao động cho công nhân khoan Bên cạnh ưu điểm, phương pháp khoan bằng OML cũng c những nhược điểm như tổn thất thủy lực lớn, đặc biệt khi khoan qua địa tầng phức tạp như trương nở, chảy sệ, … đòi hỏi sử dụng dung dịch có khối lượng riêng

và độ nhớt cao

Các nghiên cứu tập trung hoàn thiện khoan bằng OML theo hướng 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, thường tập trung vào lựa chọn hệ dung dịch sao cho chứa ít pha rắn, độ thải

nước nhỏ, vỏ sét mỏng và c 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 đ , 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 đ đòi hỏi phải sử dụng dung dịch sét có ρ = 1,15 ÷ 1,2 g/cm3;

T = 26 ÷ 30s (dụng cụ đo CΠ -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)

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật bộ OML KCCK- 95 và VAS-2[23]

vị

Bộ ống

Các thông số Đơn

vị

Bộ ống

Đường kính ngoài dụng cụ mở rộng thành “ 98,4 82

3- Giai đoạn thứ ba: Từ giữa những năm 1980 đến nay, một số hãng

của Hoa Kỳ và Bỉ đã chế tạo bộ OML thế hệ thứ ba có những khác biệt là giảm bề rộng tiết 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

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

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

Ở giai đoạn đầu, việc áp dụng khoan bằng OML nhằm mục đích giải quyết vấn đề tăng năng suất và tỷ lệ mẫu [51], [56] Trong các điều kiện địa

chất 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 một số hạn chế, đ 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 Тоne Воring, Koken Boring, оart 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]

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

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:

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

a ) b) Hình 1.2 Bộ ống mẫu luồn tạo rãnh xoắn ở bề mặt ống mẫu ngoài a- Cấu tạo rãnh xoắn; b- Cấu trúc bộ OML rãnh xoắn

Khi sử dụng bộ OML c 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 ССК-76-ГДРС (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

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

a) b)

Hình 1.3 Mũi khoan hai tầng rãnh thoát nước để khoan bằng OML

a- Hình dạng; b- Cấu trúc; 1,2- Rãnh thoát nước

1- chi tiết xoắn 2- Dụng cụ mở rộng thành 3- mũi khoan;

4- Ống mẫu luồn

D LK - đường kính cánh xoắn

D CK - đường kính ống mẫu a- khoảng cách cánh xoắn

t z - bước xoắn

h b - chiều dày cánh xoắn b- chiều rộng cánh xoắn α- góc nâng cánh xoắn

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, đ là do đã tăng được lưu lượng bơm rửa lên từ 60 ÷ 80 l/ph (thường từ 40 ÷ 60 l/ph) [36]

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

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 đ , 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

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

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 11.500 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]

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

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

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 đ 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 đ , 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

OML (m)

Tỷ lệ so với tổng khối lượng (%)

Sở dĩ năng suất khoan bằng OML ngày càng giảm là do: gần đây, Tập đoàn TKV mở rộng diện sản xuất, tăng sản lượng khai thác, vì vậy, lỗ khoan ngày càng khoan sâu và địa tầng phức tạp hơn, dẫn đến thường xảy ra kẹt bộ dụng cụ, khiến cho năng suất giảm, đây cũng là nguyên nhân khiến cho khối lượng khoan bằng OML giảm dần

Ở Đồng bằng Sông Hồng từ năm 2001, Tập đoàn TKV phối hợp với Tổ chức NEDO - Nhật 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

+ 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

đ 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

Bảng 1.4 Tổng hợp các vụ sự cố [5], [6], [14]

Năm

Công ty Địa chất Mỏ - VINACOMIN

Công Ty CP khoan & DVKT

KT Mỏ

Số lỗ khoan bằng OML(lk)

Số vụ kẹt (vụ)

Số lỗ khoan bằng OML(lk)

Số vụ kẹt (vụ)

Địa tầng LK NV-TD3-TIX tương 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

Lỗ khoan NV-TD3-TIX khoan bằng OML cỡ NQ H a phẩm điều chế dung dịch Polymer - Bentonite (tính theo tỷ lệ 1m3

dung dịch điều chế) gồm: Nước; + 3% sét bột 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: ρ = 1,04 ÷ 1,06 g/cm3

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 và các tầng chứa nước ngầm

Thực tế thi công ở lỗ khoan NV-TD3-TIX cho thấy, sử dụng dung dịch Polimer - Bentonite phù hợp với điều kiện địa chất lỗ khoan Lỗ khoan kết thúc ở chiều sâu 950 m, thời gian khoan 79 ngày, năng suất đạt 380 m/thg.máy Trong quá trình thi công, không xuất hiện sập lở, trương nở, chảy

sệ thành lỗ khoan; tỷ lệ mẫu đạt 85 ÷ 96%; độ lệch lỗ khoan tại chiều sâu 940

m là 5030’

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

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

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 h 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: ρ = 1,05 ÷ 1,07 g/cm3

; T = 21 ÷ 22 s (dụng cụ đo CΠ -5); B

= 9 cm3/30ph; K > 1,5 mm;  = 0,32.10-2MPa;  = 1%

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;

+ 30 kg KCl, để tăng khối lượng riêng lên 1,1 ÷ 1,11 g/cm3; độ nhớt tăng đến

23 ÷ 25 s Khi đ áp suất máy bơm thường ở mức 7 ÷ 9 MPa, kh kiểm soát

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 50

30’; 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

CHƯƠNG 2 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

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 thượng, 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 h a đá đặc trưng cho phức hệ thực vật Hòn Gai, dầy từ 3000 - 4000 m [1]

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 thường là các tập hạt thô đến hạt nhỏ như cuội kết, sạn kết, đến cát kết Càng gần các vỉa than là tập hạt mịn như bột kết, trực tiếp ở vách, trụ vỉa than là sét kết, sét than Đặc trưng như vậy được lặp đi, lặp lại theo vỉa than

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

2.1.1 Sét kết và sét than

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 c tác động ngoại lực; khi bão hoà nước trở nên dẻo, giới hạn bền kéo không lớn hơn 5,4 MPa Sét kết

và sét than thường 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 thường phân

bố không đều, c 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

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

Hình 2.1 Mẫu lõi khoan của lỗ khoan CGH 161- PA Khe Chàm II-IV- 2013;

( chiều sâu lấy mẫu từ 574 m - 580 m)

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

than Xi măng gắn kết là sét – sericit, kiểu xi măng cơ sở hoặc lấp đầy Đá bột kết thường nằm xen kẽ và hay gặp gần sát vách, trụ vỉa than Đá bột kết phân lớp không đều và độ bền nén phụ thuộc vào đặc điểm 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)

2.1.3 Đá cát kết

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

2.1.4 Đá cuội - sạn kết

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

tả ở bảng 2.1; Cột địa tầng điển hình (phức tạp, sự cố) vùng than Quảng Ninh

xem hình 2.3

Bảng 2.1 Tính chất cơ lý đá vùng than Quảng Ninh [1]

Vùng than