Trong những năm gần đây, ở Việt Nam đã nghiên cứu và áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch (Reverse Circulation drilling – RCD) bằng ơm erlift (Airlift pump - AP) để khoan các giếng khai thác ngầm với mục đích tăng khả năng thu hồi nước trong tầng chứa nước.
Trang 1ẢNH H ỞNG KÍCH TH C MÙN KHOAN T I CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ KHOAN CÁC GIẾNG KHAI THÁC
N C NGẦM TRONG TRẦM TÍCH BỞ RỜI
NGUYỄN DUY TUẤN *
Influence of sludge size and solution to improve efficiency of reverse circulation drilling technology for water underground wells in sedimentary strata
Abstract: The paper present researches on influence of sludge
size on reverse circulaion drilling technology using airiift pump and some effective solutions for water underground wells in sedimentary strata
Trong những năm gần đ y, ở Vi t Nam đã
nghiên cứu và áp d ng công ngh khoan tuần
hoàn nghịch (Reverse Circulation drilling –
RCD) ằng ơm erlift (Airlift pump - AP) để
khoan các giếng khai thác nư c ngầm v i m c
đích tăng khả năng thu hồi nư c trong tầng
chứa nư c
Kết quả thực tế [ 2,3,4,8,9] cho thấy khi
khoan các giếng khai thác nư c ngầm đường
kính l n đến 550 mm-600 mm ằng công ngh
tuần hoàn nghịch đạt hi u quả cao hơn so v i
công ngh khoan tuần hoàn thuận; song cũng
có m t s nhược điểm khi khoan trong các địa
tầng trầm tích ở rời, liên kết yếu, lẫn cu i sỏi
kích thư c đến 50 mm-60 mm; hoặc các tầng
sét dẻo Vì vậy, vi c nghiên cứu các yếu t
ảnh hưởng t i công ngh khoan nghịch ằng
ơm AP khi khoan các giếng khai thác nư c
ngầm trong trầm tích ở rời và đề xuất các
giải pháp n ng cao hi u quả là rất cần thiết và
có ý nghĩa khoa học, thực tiễn
* Viện Công nghệ Khoan
ĐD: 0913537739
E-mail: tuannd.vk@gmail.com
2 ẢNH HƯỞNG KÍCH THƯỚC MÙN KHOAN TỚI HIỆU QUẢ CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT
Cũng như trong khoan tuần hoàn thuận, trong khoan tuần hoàn nghịch hàm lượng,hình dạng,kích thư c mùn khoan tạo thành trong quá trình khoan ph thu c vào tính chất cơ lý đất đá, kiểu d ng c phá h y đá và các yếu t công ngh khoan.Các hạt mùn khoan tạo thành trong quá trình khoan h a lẫn v i nư c rửa làm tăng hàm lượng pha rắn dẫn t i tăng kh i lượng riêng
nư c rửa trong giếng khoan và giảm vận t c cơ học khoan Khi hàm lượng pha rắn trong nư c rửa tăng từ 8 -36 vận t c cơ học giảm giảm
từ 2,2 m/h đến 1,3 m/h (hình 1) [7,8,9]
Hình 1 Ảnh hưởng của hàm lượng pha rắn
tới vận tốc cơ học khoan
Trang 2Kh i lượng mùn khoan tạo thành trong quá
trình khoan được xác đinh theo công thức sau:
m GK m
GK
2
785 , 0
(1) trong đó: Q m- kh i lượng mùn khoan tạo
thành trong m t đơn vị thời gian,m3
/h; D GK- đường kính giếng khoan,m; V m- vận t c cơ học
khoan,m/h K= 1,3-1,5- h s mở r ng thành
giếng khoan
Từ iểu thức (1) ta thấy khi tăng vận t c cơ
học khoan, kh i lượng mùn tăng theo; đặc i t
khi khoan các giếng đường kính l n khai thác
nư c ngầm trong địa tầng trầm tích liên kết yếu,
kém ền vững, ở rời lẫn cu i sỏi
Trong khoan tuần hoàn nghịch bằng ơm AP,
lưu lượng nư c rửa cần thiết để rửa sạch đáy
giếng khoan và vận chuyển mùn khoan lên bề
mặt được xác định theo công thức sau:
v
Q 0,785 2 (2)
Trong đó: Q NR- lưu lượng nư c rửa cần thiết
để rửa sạch đáy giếng khoan và vận chuyển mùn
khoan lên ề mặt, m3
/s; d- đường kính trong
c a c t cần khoan, m; V v - vận t c d ng nư c
rửa vận chuyển mùn khoan lên bề mặt đất,m/s
Vận t c d ng nư c rửa vận chuyển mùn
khoan lên bề được xác định theo công thức sau:
) (u c
k
V v v (3)
trong đó: V v - vận t c d ng nư c rửa chảy
lên mặt đất,m/s; k v=1,1-1,3- h s tính t i vận
t c chuyển đ ng không đồng đều c a d ng nư c
rửa; u – vận t c lắng đọng c a hạt mùn do
trọng lực, m/s; c- vận t c cần thiết để nâng hạt
mùn, m/s
Vận t c lắng đọng c a hạt mùn khoan được
xác định theo công thức Y Meiz [9]:
12
,
1
2
m
h h
d
g
u
(4) trong đó d n- đường kính c a hạt mùn, m; -
h
,m- kh i lượng riêng c a hạt mùn khoan và
c a nư c rửa đã h a tr n v i mùn khoan,
g/cm3;g=9,8 m/s2 – gia t c trọng trường, m/s2
Thay giá trịg=9,8 m/s2 vào biểu thức (4) ta có:
m
h h
d u
(5) Trong thực tế, khi tính toán vận t c c a dòng hỗn hợp nư c rửa chảy lên bề mặt
thường lấy c =0,25u Khi đó iểu thức (3) có
dạng như sau:
u k u
u k
V v v( 0,25 )1,25 v (6)
Thay giá trị u từ biểu thức (5) vào biểu thức
(6) ta có:
m
h h v
V
(7)
Sự ph thu c u=f(dh ) và V v =f(d h ) trong cùng
m t môi trường nư c rửa có kh i lượng riêng
m
= 1,05 g/cm3 khi kích thư c và kh i lượng lượng riêng c a hạt mùn thay đổi được trình bày
ở hình 2 và hình 3
Từ các đồ thị (hình 2 và hình 3) ta thấy khi kích thư c và kh i lượng riêng c a hạt mùn khoan tăng thi vận t c lắng đọng c a hạt mùn khoan và vận t c chảy lên c a d ng nư c rửa vận chuyển mùn cũng tăng theo
Khi khoan các giếng khai thác nư c ngầm trong tầng cu i sỏi; các hạt cu i sỏi hình dạng, kích thư c khác nhau được vận chuyển lên mặt đất hầu như c n giữ được nguyên trạng, ít bị phá h y Chiều dài hạt l n nhất từ 40-50 mm; chiều r ng c a hạt l n nhất đạt t i 15-20 mm
Hình 2 Sự ph thuộc vận tốc lắng đọng vào kích thước và khối lượng riêng của hạt mùn
Trang 3Hình 3 Sự ph thuộc vận tốc dòng nước rửa
lên b mặt vào kích thước và khối lượng riêng
của hạt mùn
Hình 4 mô tả m t s hình ảnh thành phần và kích thư c các hạt sỏi lấy lên từ các giếng khai thác nư c ngầm trong địa tầng trầm tích ở rời ở vùng Nhơn Trạch- Đồng Nai khi áp d ng công ngh khoan tuần hoàn nghịch ằng ơm erlift Khi khoan trong tầng cát lẫn cu i sỏi, kích thư c các hạt nhỏ hơn 10 mm thường ão h a trong nư c rửa hoặc ở trạng thái lơ lửng Còn các hạt kích thư c l n hơn 10mm như cu i,sỏi thường lắng đọng ở phía dư i Mu n vận chuyển các hạt mùn khoan kích thư c l n 10
mm cần lựa chọn lưu lượng và vận t c d ng
nư c rửa t i đa mà ơm AP có thể đạt được
Hình 4 Hình ảnh và kích thước cuội sỏi lấy lên t các giếng khoan khai thác nước ngầm
trong địa tầng trầm tích bở rời ở Nhơn Trạch- Đồng Nai
Chính vì vậy, trong quá trình khoan, cần phải
duy trì vận t c chảy lên c a d ng hỗn hợp nư c
rửa trong c t cần khoan l n hơn vận t c lắng
đọng c a các hạt mùn khoan có kích thư c và
kh i lượng riêng l n nhất Nếu vận t c d ng
chảy lên nhỏ sẽ dẫn t i lắng đọng và tích t ở đáy
giếng hoặc tạo thành các nút, i tà trong cần
khoan g y cản trở cho chuyển đ ng c a d ng
hỗn hợp nư c rửa Đ y là m t trong các nguyên
nh n cơ ản làm giảm hi u quả khoan giếng
Kết quả nghiên cứu chuyển đ ng c a hạt
mùn khoan trong d ng nư c rửa [8,9] cho thấy
mu n đưa hạt mùn khoan lên bề mặt, vận t c
d ng nư c rửa phải l n hơn vận t c lắng đọng
c a hạt mùn trong d ng nư c rửa (hình 5a)
Nếu vận t c d ng nư c rửa nhỏ hơn vận t c lắng đọng thì hạt mùn có xu hư ng chuyển
đ ng xu ng dư i (hình 5b); nếu vận t c dòng
nư c rửa bằng vận t c lắng đọng c a hạt mùn thì hạt mùn ở trạng thái lơ lửng trong nư c rửa (hình 5c)
Hình 5 Sơ đồ quan hệ giữa vận tốc V v
và vận tốc u
Trang 4a Hạt mùn chuyển đ ng lên phía trên: V và v
c l n hơn u;
b Hạt mùn chuyển đ ng xu ng phía dư i:
v
V và c nhỏ hơn u
c Hạt mùn lơ lửng trong nư c rửa: V và v u
bằng nhau;
Hình 6.Mô phỏng sự chuyển động của các
hạt mùn khoan c kích thước và khối lượng
ri ng khác nhau trong dòng nước rửa
Các hạt mùn khoan trong nư c rửa có kích
thư c và kh i lượng riêng khác nhau, chúng sẽ
chuyển đ ng v i vận t c khác nhau; các hạt
mùn kích thư c nhỏ, kh i lượng riêng nhỏ sẽ
chuyển đ ng v i vận t c nhanh hơn các hạt mùn
có kích thư c và kh i lượng riêng l n Hình 6
mô phỏng sự chuyển đ ng c a các hạt mùn
khoan có kích thư c và kh i lượng riêng khác
nhau trong d ng nư c rửa Nếu lưu lượng và
vận t c d ng nư c rửa không đ l n đ để vận
chuyển các hạt khoan kích thư c l n thì sẽ x y
ra hi n tượng lắng đọng, vón c c,tạo nút trong
c t cần khoan, g y khó khăn cho d ng nư c rửa
vận chuyển mùn khoan lên ề mặt Do đó, khi
tính toán lưu lượng và vận t c d ng nư c rửa để
vận chuyển các hạt mùn khoan lên bề mặt cần
tính cho các hạt mùn có kích thư c và kh i
lượng riêng l n nhất
3 GIẢI NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG BƠM AP CHO CÁC GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM TRONG TRẦM TÍCH BỞ RỜI
Cũng như công ngh khoan tuần thuận, hi u quả công ngh khoan tuần hoàn nghịch được đánh giá ởi các chỉ tiêu tiến đ khoan và chất lượng giếng khoan khai thác nư c ngầm
Tiến đ khoan và chất lượng giếng khoan không chỉ ph thu c tính chất cơ lý đá, địa tầng khoan qua mà c n ph thu c vào chế đ công ngh khoan, vào chất lượng nư c rửa, phương pháp và chế đ ơm rửa như lưu lượng nư c rửa,vận t c vận chuyển mùn khoan lên ề mặt
Đặc điểm c a công ngh khoan các giếng khai thác nư c ngầm là khoan các giếng đường kính l n và yêu cầu hạn chế t i mức t i đa tầng chứa nư c ị nhiễm n, các khe nứt dẫn nư c không ị lấp nhét ởi mùn khoan,vỏ sét dung dich Vì vậy khi khoan các giếng khoan khai thác nư c ngầm thường được khuyến cáo sử
d ng nư c lã Khi sử d ng nư c lã để rửa giếng khoan, vận t c cơ học trung ình khoan trong địa tầng trầm tích mềm, ởi rời tăng từ 23 đến 29,5 so v i công ngh khoan tuần hoàn thuận dùng dung dịch sét để rửa giếng khoan và lưu lượng nư c trung ình m t giếng tăng từ 11 đến 39 [3,4]
Trong công ngh khoan tuần hoàn nghịch ằng ơm AP, lưu lượng nư c rửa chảy lên từ
ên trong c t cần khoan ph thu c vào nhiều yếu t , trong đó yếu t lưu lượng khí truyền vào uồng h a tr n khí (HTK), chiều s u nhấn chìm uồng HTK trong giếng khoan, đường kính trong c a c t cần khoan là các yếu t cơ ản
Vì vậy, vi c tính toán lưu lượng nư c rửa hợp lý
và lưu lượng khí tương ứng đảm ảo lưu lượng
ơm cần thiết theo yêu cầu rửa sạch và vận chuyển các hạt mùn khoan kích thư c khác nhau lên ề mặt nhằm m c đích n ng cao vận
t c cơ học khoan và chất lượng giếng khai thác
Trang 5nư c ngầm là m t trong các i n pháp n ng cao
hi u quả khoan giếng
Từ các kết quả nghiên cứu và thực tiễn [
3,4,5,7,8,9] các chuyên gia thấy rằng để n ng
cao hi u quả công ngh khoan tuần hoàn nghịch
ằng ơm AP cho khoan các giếng đường kính
l n khai thác nư c ngầm trong địa tầng trầm
tích ở rời lẫn cu i sỏi kích thư c khác nhau
cần áp d ng m t s i n pháp đồng như sau :
1 Khi khoan các giếng khai thác nư c ngầm
đường kính l n 550 mm trong địa tầng trầm tích
ở rời lẫn cu i sỏi, lưu lượng ơm và lưu lượng
khí nén tương ứng đảm ảo lưu lượng ơm theo
yêu cầu rửa sạch đáy giếng và vận chuyển mùn
khoan lên ề mặt cần được tính theo phương
pháp sau [ 6,8,9]:
Lưu lượng ơm AP xác định theo công thức:
2,5 1
5,3
AP
Lưu lượng khí nén để n ng hỗn hợp nư c rửa
lên ề mặt được xác định theo công thức sau:
2,5 1,5
1
5
K
Trong đó: Q AP- lưu lượng ơm c a ơm
AP,m3/s; Q - lưu lượng khí tương ứng v i lưu K
lượng ơm AP để n ng hỗn hợp nư c rửa lên ề
mặt, m3
/s; D 1 – đường kính trong trong c a c t
cần khoan, m; - h s nhấn chìm uồng h a
tr n khí (HTK) được xác định theo công thức:
0
h h H
h o- chiều cao n ng c t hỗn hợp nư c rửa tính
từ mực nư c đ ng t i mi ng ng n ng, m; h-
chiều s u nhấn chìm uồng h a tr n so v i mực
nư c đ ng, m; H= ho + h- chiều cao n ng c t
hỗn hợp nư c rửa tính từ uồng HTK đến mi ng
ng n ng
Vận t c chảy lên c a d ng hỗn hợp nư c
rửa ở ên trong c t cần khoan được xác định
như sau:
1
1, 27Q AP Q K
V
D
Trong đó: V - vận t c chảy lên c a d ng hỗn 1
hợp nư c rửa ở ên trong c t cần khoan, m/s;
Vận t c chảy lên c a d ng hỗn hợp nư c rửa ở ên trong c t cần khoan cần thỏa mãn điều ki n:
u V
trong đó u – vận t c lắng đọng c a hạt mùn khoan (m/s) được xác định theo công thức (5);
V v - vận t c c a dòng hỗn hợp nư c rửa chảy lên bề mặt,m/s
2 Lựa chọn kích thư c c t cần khoan phù hợp v i điều ki n khoan, phù hợp v i lưu lượng
ơm rửa theo yêu cầu làm sạch đáy giếng và vận chuyển các hạt mùn khoan có kích thư c khác nhau lên ề mặt
Khi khoan các giếng khai thác nư c ngầm trong địa tầng đá trầm tích liên kết yếu, ở rời lẫn cu i sỏi kích thư c khác nhau, đường kính trong c a cần khoan được xác định từ công thức (8,9) như sau :
1
1,129
D
D1- đường kính trong c a c t cần khoan,m Đồng thời, đường kính trong c a c t cần khoan cần phải thỏa mãn điều ki n sau:
h
d
D1 (1,52) (14) Kinh nghi m thực tế cho thấy vận t c chảy lên c a d ng hỗn hợp nư c rửa trong c t cần khoan khi khoan trong các địa tầng trầm tích ở rời, liên kết yếu có lẫn sỏi cu i cần đạt t i giá trị
từ 6-8 m/s [2,4,6,8]
Đường kính trong c a ng dẫn khí được tính theo công thức:
2 2
1 4 1,129
V
Q V
Q
2
V - vận t c d ng khí, m/s; theo kinh nghi m
thực tế, khi tính toán đường kính ng dẫn khí cần đảm ảo V nhỏ hơn 10 m/s , nêu l n hơn sẽ 2
x y ra hi n tượng trượt khí khi n ng c t hỗn hợp nư c rửa lên ề mặt [ 8,9]
3 Sử d ng nư c lã để rửa giếng khoan nhằm
m c đích hạn chế tầng chứa nư c ị nhiễm n, các khe nứt dẫn nư c không ị lấp nhét ởi mùn khoan,v.v để tăng khả năng thu hồi nư c
Trang 64 Tăng khả năng phá h y và nghiền đất đá ở
đáy giếng để tạo các hạt mùn khoan kích thư c
nhỏ ằng cách sử d ng cho ng khoan có đặc
tính kỹ thuật phù hợp v i tính chất đất đá, kết
hợp v i áp d ng chế đ công ngh khoan hợp lý
để tăng vận t c khoan và chất lượng giếng
Các giải pháp nêu trên là các giải pháp cơ
ản để n ng cao hi u quả công ngh khoan tu n
hoàn nghịch ằng ơm AP cho các giếng khai
thác nư c ngầm trong địa tầng trầm tích liên kết
yếu ở rời, lẫn cu i sỏi
KẾT LUẬN
Từ các kết quả nghiên cứu ở trên ta có thể rút
ra m t s kết luận cơ ản như sau:
1 Khi khoan các giếng khai thác nư c ngầm
trong trầm tích liên kết yếu bở rời lẫn cu i sỏi ;
mùn khoan tạo thành trong quá trình khoan
thường lẫn cu i sỏi kích thư c khác nhau đã g y
khó khăn phức tạp cho vi c rửa sạch giếng
khoan làm ảnh hưởng t i hi u quả khoan và
chất lượng giếng
2 Để tăng khả năng rửa sạch giếng và vận
chuyển các hạt mùn khoan kích thư c khác
nhau lên ề mặt cần phải áp d ng m t s i n
pháp sau : a/ tính toán lưu lượng ơm và lưu
lượng khí nén tương ứng đảm ảo rửa sạch đáy
giếng và vận chuyển mùn khoan lên ề mặt b/
lựa chọn kích thư c d ng khoan, kích thư c
c t cần khoan phù hợp v i điều ki n khoan, phù
hợp v i lưu lượng ơm rửa theo yêu cầu để làm
sạch đáy giếng và vận chuyển các hạt mùn
khoan có kích thư c khác nhau lên ề mặt
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Báo cáo kết quả khoan thăm d kết hợp khai thác nư c dư i đất khu CN Nhơn Trạch 5 tại huy n Nhơn Trạch-tỉnh Đồng Nai Vi n Công ngh Khoan-2015
2 Báo cáo kết quả hoàn công giếng Công trình: Nhà máy nư c ngầm Tuy Hạ, công suất 22.000 m3/ng-đêm; KCN Nhơn Trạch 1- Huy n Nhơn Trạch – Tỉnh Đồng Nai-2015
3 Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Thế Vinh; nghiên cứu công ngh khoan tuần hoàn nghịch bằng ơm Erlift để khoan các giếng khai thác nư c ngầm ở Nhơn Trạch- Đồng Nai Tạp chí Địa Kỹ thuật s 2-2016; tr.3-8
4 Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Xu n Thảo Kết quả áp d ng công ngh khoan tuần hoàn ngược trong các giếng khai thác nư c dư i đất ở Nhơn Trạch- Đồng Nai Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ- Địa chất s 54/04-2016, tr 62-65
5 Douglas Joseph Reinemann , A theoretical and experimental study of airlift pumping and aeration with reference to aquacultural; A thesis Cornell University 1987
6 Drilling technique manual, Wirth Maschen-und Bohrgerate –Fabrik Gmbh; Germal-1981
7.Ground Water Manual U.S Department of Inferior- Washington,1980
8 Xu Liu Wan Air Lift Reverse Circulation Drilling Technique in Water Well Construction Institute of Exploration Techniques China Academy of Geosciences, Beijing 2004
9 Башкатов Д.Н; Драхлис С.Л.и др
оборудовании скважин на иоду М Недра- 1988
Người phản biện: GS.TS TRƯƠNG BIÊN