Ảnh hưởng kích thước mùn khoan tới công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift và giải pháp nâng cao hiệu quả khoan các giếng khai thác nước ngầm trong trầm tích bở rời

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 22 ẢNH 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 1. ĐẶT VẤN ĐỀ* 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 nƣ c ngầm v i m c đích tăng khả năng thu hồi nƣ c trong tầng chứa nƣ c. Kết quả thực tế [ 2,3,4,8,9] cho thấy khi khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm đƣờng 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 nhƣợc điểm khi khoan trong các địa tầng trầm tích ở rời, liên kết yếu, lẫn cu i sỏi kích thƣ c đến 50 mm-60 mm; hoặc các tầng sét dẻo. Vì vậy, vi c nghiên cứu các yếu t ảnh hƣởng t i công ngh khoan nghịch ằng ơm AP khi khoan các giếng khai thác nƣ 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 HƢỞNG KÍCH THƢỚC MÙN KHOAN TỚI HIỆU QUẢ CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT Cũng nhƣ trong khoan tuần hoàn thuận, trong khoan tuần hoàn nghịch hàm lƣợng,hình dạng,kích thƣ 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 nƣ c rửa làm tăng hàm lƣợng pha rắn dẫn t i tăng kh i lƣợng riêng nƣ c rửa trong giếng khoan và giảm vận t c cơ học khoan. Khi hàm lƣợng pha rắn trong nƣ 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 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 23 Kh i lƣợng mùn khoan tạo thành trong quá trình khoan đƣợc xác đinh theo công thức sau: mGK mGK m VkD VD kQ 2 2 785,0 4   (1) trong đó: mQ - kh i lƣợng mùn khoan tạo thành trong m t đơn vị thời gian,m3/h; GKD - đƣờng kính giếng khoan,m; mV - 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 lƣợng mùn tăng theo; đặc i t khi khoan các giếng đƣờng kính l n khai thác nƣ 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, lƣu lƣợng nƣ c rửa cần thiết để rửa sạch đáy giếng khoan và vận chuyển mùn khoan lên bề mặt đƣợc xác định theo công thức sau: vNR VdQ 2785,0 (2) Trong đó: NRQ - lƣu lƣợng nƣ c rửa cần thiết để rửa sạch đáy giếng khoan và vận chuyển mùn khoan lên ề mặt, m3/s; d - đƣờng kính trong c a c t cần khoan, m; vV - vận t c d ng nƣ c rửa vận chuyển mùn khoan lên bề mặt đất,m/s. Vận t c d ng nƣ c rửa vận chuyển mùn khoan lên bề đƣợc xác định theo công thức sau: )( cukV vv  (3) trong đó: vV - vận t c d ng nƣ c rửa chảy lên mặt đất,m/s; vk =1,1-1,3- h s tính t i vận t c chuyển đ ng không đồng đều c a d ng nƣ 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 đƣợc xác định theo công thức Y. Meiz [9]:        1 12,1 2 m h hd g u   (4) trong đó nd - đƣờng kính c a hạt mùn, m; - h , m - kh i lƣợng riêng c a hạt mùn khoan và c a nƣ c rửa đã h a tr n v i mùn khoan, g/cm 3 ; g =9,8 m/s 2 – gia t c trọng trƣờng, m/s2. Thay giá trị g =9,8 m/s 2 vào biểu thức (4) ta có:        118,4 m h hdu   (5) Trong thực tế, khi tính toán vận t c c a dòng hỗn hợp nƣ c rửa chảy lên bề mặt thƣờng lấy c =0,25u . Khi đó iểu thức (3) có dạng nhƣ sau: ukuukV vvv 25,1)25,0(  (6) Thay giá trị u từ biểu thức (5) vào biểu thức (6) ta có:        1225,5 m h hvv dkV   (7) Sự ph thu c u=f(dh) và Vv=f(dh) trong cùng m t môi trƣờng nƣ c rửa có kh i lƣợng riêng m = 1,05 g/cm 3 khi kích thƣ c và kh i lƣợng lƣợng riêng c a hạt mùn thay đổi đƣợc trình bày ở hình 2 và hình 3. Từ các đồ thị (hình 2 và hình 3) ta thấy khi kích thƣ c và kh i lƣợng 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 nƣ c rửa vận chuyển mùn cũng tăng theo. Khi khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm trong tầng cu i sỏi; các hạt cu i sỏi hình dạng, kích thƣ c khác nhau đƣợc vận chuyển lên mặt đất hầu nhƣ c n giữ đƣợc 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 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 24 Hình 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 thƣ c các hạt sỏi lấy lên từ các giếng khai thác nƣ 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 thƣ c các hạt nhỏ hơn 10 mm thƣờng ão h a trong nƣ c rửa hoặc ở trạng thái lơ lửng. Còn các hạt kích thƣ c l n hơn 10mm nhƣ cu i,sỏi thƣờng lắng đọng ở phía dƣ i. Mu n vận chuyển các hạt mùn khoan kích thƣ c l n 10 mm cần lựa chọn lƣu lƣợng và vận t c d ng nƣ c rửa t i đa mà ơm AP có thể đạt đƣợc. 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 nƣ c rửa trong c t cần khoan l n hơn vận t c lắng đọng c a các hạt mùn khoan có kích thƣ c và kh i lƣợng 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 nƣ 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 nƣ c rửa [8,9] cho thấy mu n đƣa hạt mùn khoan lên bề mặt, vận t c d ng nƣ c rửa phải l n hơn vận t c lắng đọng c a hạt mùn trong d ng nƣ c rửa (hình 5a). Nếu vận t c d ng nƣ c rửa nhỏ hơn vận t c lắng đọng thì hạt mùn có xu hƣ ng chuyển đ ng xu ng dƣ i (hình 5b); nếu vận t c dòng nƣ c rửa bằng vận t c lắng đọng c a hạt mùn thì hạt mùn ở trạng thái lơ lửng trong nƣ c rửa (hình 5c). Hình 5. Sơ đồ quan hệ giữa vận tốc vV và vận tốc u ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 25 a. Hạt mùn chuyển đ ng lên phía trên: vV và c l n hơn u ; b. Hạt mùn chuyển đ ng xu ng phía dƣ i: vV và c nhỏ hơn u c. Hạt mùn lơ lửng trong nƣ c rửa: vV và 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 nƣ c rửa có kích thƣ c và kh i lƣợng riêng khác nhau, chúng sẽ chuyển đ ng v i vận t c khác nhau; các hạt mùn kích thƣ c nhỏ, kh i lƣợng riêng nhỏ sẽ chuyển đ ng v i vận t c nhanh hơn các hạt mùn có kích thƣ c và kh i lƣợng riêng l n. Hình 6 mô phỏng sự chuyển đ ng c a các hạt mùn khoan có kích thƣ c và kh i lƣợng riêng khác nhau trong d ng nƣ c rửa. Nếu lƣu lƣợng và vận t c d ng nƣ c rửa không đ l n đ để vận chuyển các hạt khoan kích thƣ c l n thì sẽ x y ra hi n tƣợng lắng đọng, vón c c,tạo nút trong c t cần khoan, g y khó khăn cho d ng nƣ c rửa vận chuyển mùn khoan lên ề mặt. Do đó, khi tính toán lƣu lƣợng và vận t c d ng nƣ c rửa để vận chuyển các hạt mùn khoan lên bề mặt cần tính cho các hạt mùn có kích thƣ c và kh i lƣợng riêng l n nhất. 3. GIẢI NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG BƠM AP CHO CÁC GIẾNG KHAI THÁC NƢỚC NGẦM TRONG TRẦM TÍCH BỞ RỜI Cũng nhƣ công ngh khoan tuần thuận, hi u quả công ngh khoan tuần hoàn nghịch đƣợc đánh giá ởi các chỉ tiêu tiến đ khoan và chất lƣợng giếng khoan khai thác nƣ c ngầm. Tiến đ khoan và chất lƣợng 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 lƣợng nƣ c rửa, phƣơng pháp và chế đ ơm rửa nhƣ lƣu lƣợng nƣ c rửa,vận t c vận chuyển mùn khoan lên ề mặt. Đặc điểm c a công ngh khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm là khoan các giếng đƣờng kính l n và yêu cầu hạn chế t i mức t i đa tầng chứa nƣ c ị nhiễm n, các khe nứt dẫn nƣ c không ị lấp nhét ởi mùn khoan,vỏ sét dung dich. Vì vậy khi khoan các giếng khoan khai thác nƣ c ngầm thƣờng đƣợc khuyến cáo sử d ng nƣ c lã. Khi sử d ng nƣ 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 lƣu lƣợng nƣ c trung ình m t giếng tăng từ 11 đến 39 [3,4]. Trong công ngh khoan tuần hoàn nghịch ằng ơm AP, lƣu lƣợng nƣ c rửa chảy lên từ ên trong c t cần khoan ph thu c vào nhiều yếu t , trong đó yếu t lƣu lƣợng khí truyền vào uồng h a tr n khí (HTK), chiều s u nhấn chìm uồng HTK trong giếng khoan, đƣờng kính trong c a c t cần khoan.. là các yếu t cơ ản. Vì vậy, vi c tính toán lƣu lƣợng nƣ c rửa hợp lý và lƣu lƣợng khí tƣơng ứng đảm ảo lƣu lƣợng ơm cần thiết theo yêu cầu rửa sạch và vận chuyển các hạt mùn khoan kích thƣ c khác nhau lên ề mặt nhằm m c đích n ng cao vận t c cơ học khoan và chất lƣợng giếng khai thác ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 26 nƣ 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 đƣờng kính l n khai thác nƣ c ngầm trong địa tầng trầm tích ở rời lẫn cu i sỏi kích thƣ c khác nhau cần áp d ng m t s i n pháp đồng nhƣ sau : 1. Khi khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm đƣờng kính l n 550 mm trong địa tầng trầm tích ở rời lẫn cu i sỏi, lƣu lƣợng ơm và lƣu lƣợng khí nén tƣơng ứng đảm ảo lƣu lƣợng ơm theo yêu cầu rửa sạch đáy giếng và vận chuyển mùn khoan lên ề mặt cần đƣợc tính theo phƣơng pháp sau [ 6,8,9]: Lƣu lƣợng ơm AP xác định theo công thức: 2,5 15,3APQ D  (8) Lƣu lƣợng khí nén để n ng hỗn hợp nƣ c rửa lên ề mặt đƣợc xác định theo công thức sau: 2,5 1,5 15KQ D   (9) Trong đó: APQ - lƣu lƣợng ơm c a ơm AP,m 3 /s; KQ - lƣu lƣợng khí tƣơng ứng v i lƣu lƣợng ơm AP để n ng hỗn hợp nƣ c rửa lên ề mặt, m3/s; D1 – đƣờng kính trong trong c a c t cần khoan, m;  - h s nhấn chìm uồng h a tr n khí (HTK) đƣợc xác định theo công thức: 0 h h h h H     (10) ho- chiều cao n ng c t hỗn hợp nƣ c rửa tính từ mực nƣ 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 nƣ c đ ng, m; H= ho+ h- chiều cao n ng c t hỗn hợp nƣ c rửa tính từ uồng HTK đến mi ng ng n ng. Vận t c chảy lên c a d ng hỗn hợp nƣ c rửa ở ên trong c t cần khoan đƣợc xác định nhƣ sau: 1 2 1 1,27 AP K Q Q V D   ( 11) Trong đó: 1V - vận t c chảy lên c a d ng hỗn hợp nƣ c rửa ở ên trong c t cần khoan, m/s; Vận t c chảy lên c a d ng hỗn hợp nƣ c rửa ở ên trong c t cần khoan cần thỏa mãn điều ki n: uVV v 1 (12) trong đó u – vận t c lắng đọng c a hạt mùn khoan (m/s) đƣợc xác định theo công thức (5); Vv - vận t c c a dòng hỗn hợp nƣ c rửa chảy lên bề mặt,m/s 2. Lựa chọn kích thƣ c c t cần khoan phù hợp v i điều ki n khoan, phù hợp v i lƣu lƣợng ơm rửa theo yêu cầu làm sạch đáy giếng và vận chuyển các hạt mùn khoan có kích thƣ c khác nhau lên ề mặt. Khi khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm trong địa tầng đá trầm tích liên kết yếu, ở rời lẫn cu i sỏi kích thƣ c khác nhau, đƣờng kính trong c a cần khoan đƣợc xác định từ công thức (8,9) nhƣ sau : 1 1 1 4( ) 1,129AP k AP k Q Q Q Q D V V     ( 13) D1- đƣờng kính trong c a c t cần khoan,m. Đồng thời, đƣờng kính trong c a c t cần khoan cần phải thỏa mãn điều ki n sau: hdD )25,1(1  (14) Kinh nghi m thực tế cho thấy vận t c chảy lên c a d ng hỗn hợp nƣ 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]. Đƣờng kính trong c a ng dẫn khí đƣợc tính theo công thức: 22 1 129,1 4 V Q V Q d KK   ( 15) 2V - vận t c d ng khí, m/s; theo kinh nghi m thực tế, khi tính toán đƣờng kính ng dẫn khí cần đảm ảo 2V nhỏ hơn 10 m/s , nêu l n hơn sẽ x y ra hi n tƣợng trƣợt khí khi n ng c t hỗn hợp nƣ c rửa lên ề mặt [ 8,9]. 3. Sử d ng nƣ c lã để rửa giếng khoan nhằm m c đích hạn chế tầng chứa nƣ c ị nhiễm n, các khe nứt dẫn nƣ c không ị lấp nhét ởi mùn khoan,v.v.. để tăng khả năng thu hồi nƣ c. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 27 4. Tăng khả năng phá h y và nghiền đất đá ở đáy giếng để tạo các hạt mùn khoan kích thƣ 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 lƣợng 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 nƣ 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 nhƣ sau: 1. Khi khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm trong trầm tích liên kết yếu bở rời lẫn cu i sỏi...; mùn khoan tạo thành trong quá trình khoan thƣờng lẫn cu i sỏi kích thƣ c khác nhau đã g y khó khăn phức tạp cho vi c rửa sạch giếng khoan làm ảnh hƣởng t i hi u quả khoan và chất lƣợng giếng. 2. Để tăng khả năng rửa sạch giếng và vận chuyển các hạt mùn khoan kích thƣ c khác nhau lên ề mặt cần phải áp d ng m t s i n pháp sau : a/ tính toán lƣu lƣợng ơm và lƣu lƣợng khí nén tƣơng ứng đảm ảo rửa sạch đáy giếng và vận chuyển mùn khoan lên ề mặt. b/ lựa chọn kích thƣ c d ng khoan, kích thƣ c c t cần khoan phù hợp v i điều ki n khoan, phù hợp v i lƣu lƣợng ơm rửa theo yêu cầu để làm sạch đáy giếng và vận chuyển các hạt mùn khoan có kích thƣ c khác nhau lên ề mặt. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Báo cáo kết quả khoan thăm d kết hợp khai thác nƣ c dƣ 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 nƣ c ngầm Tuy Hạ, công suất 22.000 m 3 /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 nƣ 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 ngƣợc trong các giếng khai thác nƣ c dƣ 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. Специальные работы при бурении и оборудовании скважин на иоду. М. Недра- 1988. Người phản biện: GS.TS TRƢƠNG BIÊN