Nghiên cứu công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift để khoan các giếng khai thác nước ngầm ở Nhơn Trạch- Đồng Nai

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 3 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM Ở NHƠN TRẠCH- ĐỒNG NAI NGUYỄN XUÂN THẢO* NGUYỄN DUY TUẤN NGUYỄN THẾ VINH** Research on applying reverse circulation technology by using erlift pump to drill wells in Nhon Trach- Dong Nai Abstract: One of the causes to the decline and breakage of the underground well in Nhon Trach - Dong Nai industrial zone is the application of forward circulation drilling technology. This method consists a lot of weak points when being used in cohesionless sedimentary layers in Nhon Trach. A number of researches on reverse circulation drilling technology by using Erlift pump in sedimentary layers in Nhon Trach, Dong Nai will be presented in this article.The advantage of this method is that the components are extruded from the boreholes such as gas, water and drill cuttings wash (3-phase flow) no directly impacts to the wellbores and aquifer characteristics. This has a positive impact on the life expectancy of the well, as well as improvement of the efficiency of use of wells. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Trong những năm gần đây, nhu cầu nước sạch cho sinh hoạt ở khu công nghiệp Nhơn Trạch-Đồng Nai ngày càng gia tăng; trong khi đó lưu lượng các giếng khai thác nước ngầm ngày càng suy giảm. Sau 5 năm vận hành khai thác, hầu hết các giếng đều giảm lưu lượng khai thác so với thiết kế ban đầu; trong đó có một số giếng bị hư hỏng nặng. Một trong các nguyên nhân gây ra suy giảm lưu lượng khai thác hoặc hư hỏng là do các giếng đều thi công bằng phương pháp khoan xoay tuần hoàn thuận truyền thống. Đây là phương pháp có nhiều nhược điểm khi khoan khai thác nước ngầm * Viện Công nghệ Khoan; ĐD: 0912 015 585; E-mail: thao.vimsat@gmail.com ĐD: 0913537739; E-mail: tuannd.vk@gmail.com ** Trường Đại học Mỏ -Địa chất ĐD: 098 365 5056; E-mail: thao.vimsat@gmail.com trong địa tầng trầm tích bở rời như ở Nhơn Trạch - Đồng Nai. Để đảm bảo yêu cầu thiết kế, chất lượng giếng và công suất khai thác, các tác giả đã nghiên cứu và lựa chọn công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift để khoan các giếng bổ sung khai thác nước ngầm trong địa tầng trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch - Đồng Nai thay thế các giếng đã hư hỏng. 2. NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM 2.1. Sơ lược về cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm erlift Bơm erlift (Airlift pump) được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp mỏ để bơm thoát nước tháo khô mỏ; trong khai thác khoáng sản rắn bằng phương pháp thủy lực; trong khai thác cát làm vật liệu xây dựng; bơm nước quan trắc thủy ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 4 văn, v.v.. Trong khoan thăm dò, bơm erlift được áp dụng để duy trì dòng nước rửa tuần hoàn nghịch khi khoan trong các điều kiện địa chất phức tạp với mục đích nâng cao tỷ lệ mẫu; khoan thăm dò sa khoáng ở thềm lục địa và khoan các giếng đường kính lớn khai thác nước ngầm. Cấu tạo bơm erlift (hình 1) gồm: ống nâng; ống dẫn khí; buồng hòa trộn khí; ống hút. Hình 1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm erlift (Airlift pump). 1- ống nâng; 2- ống dẫn khí; 3-buồng phối khí; 4- ống hút Trong quá trình khoan, hỗn hợp ban đầu gồm dung dịch và mùn khoan (2 pha) ở phía dưới buồng hòa trộn khí; nhờ chênh lệch áp suất ở buồng hòa trộn khí, hỗn hợp 2 pha được hút vào buồng hòa trộn khí qua ống hút 4 và hòa trộn với khí tạo thành hỗn hợp 3 pha gồm dung dịch- mùn khoan- khí. Sau khi hòa trộn, hỗn hợp 3 pha được vận chuyển lên bề mặt qua ống 1. Mức độ hòa trộn của khí với hỗn hợp 2 pha để tạo thành hỗn hợp 3 pha có khối lượng riêng nhỏ hơn phụ thuộc vào lưu lượng và áp suất khí truyền vào buồng hòa trộn khí. Hỗn hợp 3 pha được vận chuyển lên bề mặt qua ống nâng 1 nhờ năng lượng tạo ra từ khí nén truyền từ máy nén khí vào buồng hòa trộn khí. Năng lượng cần thiết của khí nén để nâng hỗn hợp 3 pha được xác định như sau [4,5,6]: ) 10 1ln( 0 hPQN ak  (1) trong đó N - năng lượng cần thiết của khí nén để nâng hỗn hợp 3 pha,J; kQ - lưu lượng khí nén, m3/s; aP - áp suất khí quyển, N/m 2; 0h - chiều sâu nhấn chìm buồng hòa trộn khí so với mực nước động, m; 2.2. Tính toán lưu lượng và áp suất khí nén cần thiết để nâng hỗn hợp 3 pha trong cột cần khoan Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch cũng như công nghệ khoan tuần hoàn thuận cần đảm bảo rửa sạch mùn khoan ở đáy giếng. Đây là một trong các yếu tố cơ bản quyết định tới chất lượng và năng suất khoan. Để đảm bảo rửa sạch mùn khoan cần tính toán lưu lượng và tốc độ bơm rửa phù hợp với phương pháp khoan, đặc điểm và tính chất đất đá khoan qua. Lưu lượng cần thiết của bơm erlift để rửa sạch và tải mùn khoan lên bề mặt được xác định theo công thức sau: 0 2785,0 VDQ  (2) Trong đó: Q - lưu lượng cần thiết để rửa sạch mùn khoan ở đáy giếng, m3/s; D - đường kính trong của cần khoan, m; 0V - vận tốc trung bình của dòng hỗn hợp 3 pha chảy trong cần khoan, m/s. Khi nghiên cứu năng lượng khí cần thiết để nâng hỗn hợp 3 pha dọc theo cần khoan lên mặt đất, các tác giả đã xác định vận tốc dòng chảy của hỗn hợp 3 pha phụ thuộc vào lưu lượng khí truyền từ máy nén khí vào buồng hòa trộn và đường kính trong của cần khoan theo công thức: 3600. ).(4 20 D KQQV nk    (3) trong đó: kQ - lưu lượng khí cần thiết để tạo năng lượng nâng hỗn hợp 3 pha lên bề mặt, m3/h; nK - hệ số nén của khí do áp suất của cột dung dịch trong cần khoan ở phía trên buồng hòa trộn khí và được xác định theo công thức: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 5 )1 )10 10(5,0 0    h K n (4) Vận tốc hV dòng chảy của hỗn hợp 2 pha (dung dịch và mùn khoan) từ đáy giếng khoan lên buồng hòa trộn khí được xác định theo công thức sau: 3600 4 2 h h D QV   (5) hV - vận tốc của dòng chảy 2 pha từ đáy giếng khoan lên buồng hòa trộn khí, m/s; hD - đường kính cần khoan ở phía dưới buồng hòa trộn khí,m; Lưu lượng khí cần thiết để nâng hỗn hợp 3 pha lên bề mặt được xác định theo công thức sau [4,6]: )1 10 lg(23 0   h QHQk  (6) H - chiều cao nâng hỗn hợp 3 pha của bơm erlift, m;  - hệ số hữu ích của bơm erlift. Từ biểu thức (6),ta tính lưu lượng của bơm erlift phụ thuộc vào lưu lượng khí và chiều cao nâng hỗn hợp 3 pha: H h Q Q k )110 lg(23 0    (7) Hệ số hữu ích của bơm erlift xác định theo công thức [4,6]: ) 10 1lg( 0 0 hPQ gQH ak     (8) 0 - khối lượng riêng của hỗn hợp 3 pha, kg/m3; Lưu lượng bơm của bơm erlift không chỉ phụ thuộc vào lưu lượng khí và đường kính trong của cần khoan mà còn phụ thuộc vào hệ số nhấn chìm của bơm trong lòng giếng. Mối quan hệ giữa hệ số với chiều sâu nhấn chìm buồng hòa trộn khí và chiều cao nâng hỗn hợp 3 pha của bơm erlift trong lòng giếng được xác định theo công thức sau: Hh h   0 0 (9)  - hệ số nhấn chìm. Kết quả nghiên cứu [ 4,5,6] cho thấy đường đặc tính bơm phụ thuộc vào lưu lượng khí, hệ số và chiều sâu nhấn chìm của bơm erlift khi chiều cao nâng và sức kháng chuyển động của hỗn hợp 3 pha không thay đổi như mô tả ở hình 2. Đối với mỗi loại bơm erlift, khi thay đổi mực nước động trong giếng khoan sẽ dẫn tới thay đổi đặc tính bơm, vì chiều sâu nhấn chìm bơm erlift phụ thuộc vào mực nước động trong giếng khoan. 3. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM Ở NHƠN TRẠCH - ĐỒNG NAI 3.1. Đặc điểm địa chất thủy văn và địa tầng chứa nước Theo tài liệu Địa chất thủy văn [3] tầng chứa nước trong trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch là tầng Pliocen (N2) nằm dưới tầng Pleistocen; chiều dày tầng chứa nước dao động từ 35 m - 65m; lưu lượng đạt từ 3 l/s đến 19 l/s; hệ số dẫn nước (Km) từ 300 m2 /ngày đến 720m2/ngày; trữ lượng nước đạt tới 110.000 m3 /ngày. Hình 2. Đường đặc tính bơm của bơm erlift khi thay đổi hệ số và chiều sâu nhấn chìm. Cột địa tầng trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch gồm các lớp đất đá kém bền vững, liên kết yếu như : sét pha cát, cát hạt trung đến thô; ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 6 và các lớp sét lẫn sạn sỏi laterit ngăn cách nước. Tầng chứa nước là tầng cát hạt trung đến hạt thô lẫn sạn sỏi. Kết quả nghiên cứu thành phần hạt [3] cho thấy các lớp cát pha có kích thước hạt từ trung bình đến thô (từ 1mm-0,5mm) và rất thô (từ 2mm-1mm). Đặc biệt lớp cát nâu vàng có chứa sỏi kích thước từ 5 mm-2mm (tới 6,6%). Hầu hết các lớp sét pha đều chứa sỏi kích thước khác nhau; sỏi kích thước lớn hơn 10mm chiếm tới 29,3% ; sỏi kích thước nhỏ từ 10-5mm chiếm tới 13,3%. Các lớp cát pha hạt thô và rất thô có khối lượng riêng từ 2,63 g/cm3 đến 2,67 g/cm3; độ rỗng dao động từ 34-35%; hệ số rỗng dao động từ 0,511-0,579; cường độ kháng nén lớn nhất dao động từ 13,73 N/cm2 đến 14,58 N/cm2; lực dính kết dao động từ 0,49 N/cm2 đến 0,63 N/cm2. Các lớp sét pha và sét pha lẫn sạn sỏi laterit trạng thái déo,dẻo cứng, nửa cứng có khối lượng riêng từ 2,70 g/cm3 đến 2,77 g/cm3; độ rỗng dao động từ 37-44%; hệ số rỗng dao động từ 0,582-0,795; cường độ kháng nén lớn nhất dao động từ 9,48 N/cm2 đến 11,85 N/cm2; lực dính kết dao động từ 1,76 N/cm2 đến 2,83 N/cm2. 3.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với các giếng khai thác nước ngầm và thiết bị, dụng cụ khoan Các giếng bổ sung khai thác nước ngầm ở Nhơn Trạch- Đồng Nai được khoan thăm dò đường kính 120 mm từ 0m-80 m. Sau đó theo yêu cầu của thiết kế, các giếng khai thác nước đều được khoan đường kính 550 mm đến chiều sâu 78 m bằng công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghịch. Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift được áp dụng khoan 18 giếng bổ sung thay thế các giếng khai thác nước ngầm đã bị hư hỏng ở khu công nghiệp Nhơn Trạch- Đồng Nai. Hình 3 mô tả cấu trúc giếng khai thác nước ngầm GK5A đặc trưng cho vùng Nhơn Trạch được khoan bằng công nghệ tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift. Để khoan thử nghiệm các tác giả đã lựa chọn thiết bị và dụng cụ khoan như sau: 1. Máy khoan УРБ-ЗАМ-500 đã được cải tiến chuyên dùng cho khoan khai thác nước ngầm bằng công nghệ tuần hoàn nghịch . 2. Dụng cụ khoan gồm: bộ cần khoan đường kính ngoài 127mm, dày 9 mm, dài 3 m, nối với nhau bằng mặt bích; ống dẫn khí nén CS 33x27 mm,dài 3 m, lắp đối xứng ở cạnh bề mặt ngoài của cần khoan. 3. Chòong khoan ba cánh đường kính 650mm; 550 mm; Hình 3. Cấu trúc giếng GK5A khai thác nước ngầm 4. Máy nén khí PDS -750. Sơ đồ công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift xem hình 4. Chế độ khoan như sau: - Tải trọng chiều trục lên chòong khoan: 2500 N- 3000 N; - Tốc độ vòng quay: 25-30 v/ph. - Áp suất khí nén: 0,5-0,6 MPa; Lưu lượng khí nén: 6-7 m3/ph. Trong quá trình khoan sử dụng dung dịch ít sét để ngăn ngừa sự sập lở thành giếng khoan. Các thông số cơ bản của dung dịch khoan như sau: Trọng lượng riêng 1,05-1,1 g/cm3; độ nhớt biểu kiến 22-24 s; độ thải nước 8 - 10 cm3/30 ph. Sau khi khoan đến chiều sâu thiết kế, các giếng khoan được thực hiện các công đoạn xây ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 7 dựng, lắp đặt giếng khai thác nước ngầm như trong khoan tuần hoàn thuận. 3.3. Đánh giá kết quả thử nghiệm. Các kết quả thử nghiệm (bảng 1) áp dụng công nghệ tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift để khoan các giếng khai thác nước ngầm ở Nhơn Trạch- Đồng Nai cho thấy các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật đạt giá trị cao hơn so với công nghệ tuần hoàn thuận trong cùng điều kiện ở Nhơn Trạch - Đồng Nai (điều kiện địa tầng, yêu cầu thiết kế giếng, chiều sâu và công suất ở khai thác). Hình 4. Sơ đồ công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift 1.cần khoan phía dưới buồng hòa trộn khí;2. buồng hòa trộn khí; 3.ống dẫn khí; 4.mực nước thủy tĩnh; 5.hỗn hợp mùn khoan-dung dịch- khí; 6. ống định hướng; 7.bong bóng khí; 8. máy nén khí; 9.tyô dẫn khí nén;10.cần chủ động; 11.đầu xanhic; 12.tyô xả; 13.bàn rô to; 14. mực nước động; 15. hố dung dịch; 16. choòng khoan. Hình 5. Hình ảnh sỏi và cát lấy từ giếng khai thác nước ngầm ở Nhơn Trạch khi khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift Hình 5 mô tả một số hình ảnh thành phần và kích thước hạt mùn khoan lấy lên từ các giếng khai thác nước ngầm ở vùng Nhơn Trạch Đồng- Nai khi khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift. Bảng 1. So sánh kết quả khoan các giếng khai thác nước ngầm ở Nhơn Trạch bằng công nghệ tuần hoàn nghịch và thuận Các chỉ tiêu Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch Công nghệ khoan tuần hoàn thuận Tỷ lệ tăng giảm so với tuần hoàn thuận - Thời gian trung bình khoan, h/giếng - Tiến độ khoan trung bình, m/h - Thời gian rửa và làm sạch giếng, h/giếng - Lưu lượng bình quân 1 giếng, m3/h 55, 3 1,45 24 115 67,8 1,12 52 83 Giảm 18% Tăng 29,5% Giảm 53,8% Tăng 39% ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 8 4. KẾT LUẬN Các kết quả nghiên cứu và thử nghiệm áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift để khoan các giếng khai thác nước ngầm ở Nhơn Trạch- Đồng Nai cho thấy: - Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift cho phép khoan các giếng khai thác nước ngầm đường kính đến 550 mm trong địa tầng trầm tích bở rời,liên kết yếu. Ưu điểm của phương pháp này là các thành phần được đẩy lên từ giếng khoan gồm khí,nước rửa và mùn khoan (dòng 3 pha) không tác động trực tiếp đến thành giếng khoan và đặc tính của tầng chứa nước. Điều này ít nhiều có tác động tích cực tới tuổi thọ của giếng cũng như nâng cao hiệu quả sử dụng giếng. - Trong cùng một điều kiện địa tầng như ở Nhơn Trạch, khi áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift cho phép tăng lưu lượng khai thác đến 39%; tốc độ cơ học tăng 29,5%; thời gian thi công giảm 18%; thời gian thổi rửa và làm sạch giếng giảm 53,8% so với công nghệ khoan tuần hoàn nghịch. -Tùy thuộc vào đường kính giếng khoan, đường kính cần khoan, lưu lượng và áp suất khí, công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift có thể nâng được cột dung dịch với hàm lượng mùn khoan tới 60%-70% và kích thước hạt mùn từ 50-60 mm tới chiều cao từ 80 m-100 m. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lê Kim Đồng và nnk. Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học “ Thiết kế chuyển đổi công nghệ khoan tuần hoàn thuận sang công nghệ khoan tuần hoàn ngược trong khoan khai thác nước dưới đất trong điều kiện Việt Nam. Tp. Hồ Chí Minh-2006 2. Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Xuân Thảo. Kết quả áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn ngược trong các giếng khai thác nước dưới đất ở Nhơn Trạch- Đồng Nai. Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ- Địa chất số 54/04-2016, tr. 62-65. 3. Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Minh Quân. Báo cáo kết quả khoan thăm dò và khai thác nước dưới đất khu công nghiệp Nhơn Trạch 5 tại Huyện Nhơn Trạch Tỉnh Đồng Nai.Viện Công nghệ Khoan- Hà Nội- 2015. 4. Drilling technique manual 1981, Wirth Maschen-und Bohrgerate –Fabrik Gmbh; Germal-1981 5. Xu Liu Wan. Air Lift Reverse Circulation Drilling Technique in Water Well Construction. Institute of Exploration Techniques. China Academy of Geosciences, Beijing 2004. 6. Гейер В. Г. Эрлифтные установки. Донецк-1982. Người phản biện:GS.TS. TRƯƠNG BIÊN