Ứng dụng công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghịch để tăng tuổi thọ và công suất các giếng khoan khai thác nước ngầm vùng Hà Nội

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 49 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN XOAY TUẦN HOÀN NGHỊCH ĐỂ TĂNG TUỔI THỌ VÀ CÔNG SUẤT CÁC GIẾNG KHOAN KHAI THÁC NƯỚC NGẦM VÙNG HÀ NỘI NGUYỄN DUY TUẤN* NGUYỄN VĂN TÚC** Appling Reverse circulation rotary drilling technology for undergrournd water exploiting wells in Hanoi Uptonow, the drilling wells for underground water exploitation in Hanoi area are exercuted by the cable drop drilling or rotary drilling technology. With this technology, longevity of exloitating wells and capacity of water extraction are reduced Accordring to expricence from the Nhon Trach- Dong Nai area where the hydrogeological condition is the same of in Hanoi, the paper confirme that the reverse circulation rotary drilling technology can be effective in Hanoi area. 1. CÔNG NGHỆ KHOAN LÀ YẾU TỐ CHÍNH GÂY SUY THOÁI NHANH GIẾNG KHOAN KHAI THÁC NƢỚC NGẦM Ở VÙNG HÀ NỘI * 1.1. Công nghệ khoan giếng khai thác nƣớc ngầm ở Hà Nội qua các thời kỳ Trong hơn 1 thế kỷ khai thác nƣớc ngầm chứa trong tầng chứa nƣớc cát cuội sỏi Pleistocen (đƣợc các nhà ĐCTV gọi là tầng chứa nƣớc qp) bằng các giếng khoan đƣờng kính lớn đƣợc thi công với các công nghệ khoan khác nhau qua các thời kỳ. - Trƣớc năm 1954, ngƣời Pháp đã sử dụng phƣơng pháp khoan dộng trong ống chống, dùng ống chống để giữ thành giếng khoan, - Từ năm 1954 đến 1962 sử dụng phƣơng pháp khoan đập cáp bằng máy khoan YKC-22 và YKC-30 của Liên Xô (cũ) viện trợ dùng mai chữ nhất (-) để phá vỡ cuội sỏi và dùng dung * Viện Công nghệ Khoan ** Viện Địa chất, Nước và Môi trường dịch sét để giữ thành giếng khoan. - Từ 1962 đến nay sử dụng đồng thời 2 phƣơng pháp khoan đập cáp và khoan xoay tuần hoàn thuận với dung dịch sét giữ thành giếng khoan. 1.2. Tuổi thọ của giếng khoan đƣợc thi công qua các thời kỳ ở Hà Nội Trƣớc khi nhà máy nƣớc Sông Đà đi vào hoạt động (năm 2009), thì nƣớc ngầm chứa trong tầng cát cuội sỏi nằm ở độ sâu từ 30- 40m đến 70-80m là nguồn nƣớc duy nhất đáp ứng mọi nhu cầu cấp nƣớc sạch cho Thủ đô. Nguồn nƣớc ngầm của Hà Nội đƣợc ngƣời Pháp đƣa vào khai thác từ đầu thế kỷ 20 và đƣợc bắt đầu ở nhà máy nƣớc Yên Phụ nằm bên bờ sông Hồng bằng những giếng khoan. Lƣợng khai thác nƣớc ngầm ngày càng tăng theo sự phát triển của Thành phố. Thành phố phát triển đến đâu, thì các giếng khoan khai thác nƣớc ngầm cũng đƣợc phát triển đến đó. Bắt đầu là ở Yên Phụ (1929) rồi lan sang Đồn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 50 Thủy (1931) đều nằm bên bờ sông Hồng, tiếp đến là Ngọc Hà (1939), Ngô Sĩ Liên (1943) v.v. Đến nay, trên địa phận TP. Hà Nội đã có 15 nhà máy nƣớc với khoảng hơn 300 giếng khoan đƣờng kính lớn, hàng ngày khai thác khoảng 700.000 m3/ngày, đáp ứng mọi nhu cầu cấp nƣớc sạch của Thủ đô, nhƣng hàng năm tổng công suất cấp nƣơc của Thành phố đã bị suy giảm mất 10%, do các giếng khoan bị suy thoái nhanh và mạnh. Năm 1983, trƣớc khi có Chƣơng trình cấp nƣớc Phần Lan, Công ty cấp nƣớc Hà Nội (Công ty nƣớc sạch Hà Nội hiện nay) đã có thống kê chƣa đầy đủ về hiện trạng thanh lý (tuổi thọ) của 20 giếng khoan khai thác nƣớc ngầm thuộc 7 nhà máy nƣớc vùng nội thành (bảng 1) Bảng 1: Hiện trạng thanh lý các giếng khoan khai thác nƣớc ngầm Hà Nội STT Nhà máy nƣớc Số hiệu giếng Năm đƣa vào khai thác Năm thanh lý Tuổi thọ (năm) 1 Yên Phụ 1 1929 1980 51 2 2 1929 1980 51 3 3 1929 1978 49 4 4 1929 1980 51 5 5 1929 1960 31 6 6 1929 1978 49 7 8 1929 1978 49 8 Đồn Thủy 1 1931 1980 49 9 2 1931 1980 49 10 Ngọc Hà 1 1939 1970 31 11 Ngô Sĩ Liên 1 1944 1982 28 12 3 1958 1961 3 13 4 1958 1961 3 14 5 1962 1982 20 15 7 1969 1975 6 16 Lƣơng Yên 1 1953 1970 17 17 Tƣơng Mai 1 1962 1980 18 18 4 1962 1982 19 19 5 1963 1980 17 20 Hạ Đình 2 1965 1975 10 Từ bảng 1 cho thấy: các giếng khoan đƣợc thi công thời Pháp thuộc (trƣớc năm 1954) có tuổi thọ cao, từ 49-51 năm, ít nhất cũng là 17- 28 năm; còn các giếng khoan đƣợc thi công sau năm 1954, thì tuổi thọ cao nhất cũng chỉ là 17-19 năm, trung bình 10 năm và ít nhất chỉ có 3-6 năm, nhƣ các giếng của nhà máy nƣớc Ngô Sĩ Liên: 02 giếng số 3 và 4 chỉ tồn tại 3 năm (1958-1961) và giếng số 6 tồn tại 6 năm (1969-1975). Gần đây nhất là các giếng của nhà máy nƣớc Nam Dƣ ở quận Hoàng Mai đƣợc bố trí theo dạng hành lang dọc bờ sông Hồng mới đƣợc thi công vào cuối những năm 90 của thế kỷ trƣớc và đầu những năm 2000, ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 51 nhƣng đến nay đã phải phục hồi lại hàng loạt bằng công nghệ “thay thế tầng lọc” của TS. Hoàng Văn Hƣng, có nghĩa là tuổi thọ của chúng cũng không quá 20 năm. 1.3. Nguyên nhân gây suy thoái nhanh giếng khoan khai thác nƣớc ngầm vùng Hà Nội Sự ổn định trong hoạt động của 1 giếng khoan đƣợc xác định bằng 2 đại lƣợng: lƣu lƣợng nƣớc bơm lên và trị số hạ thấp mực nƣớc trong giếng khoan và đƣợc biểu thị bằng tỷ lƣu lƣợng của giếng khoan là tỷ số giữa lƣu lƣợng và độ hạ thấp mực nƣớc của giếng khoan. Tỷ lƣu lƣợng của giếng khoan càng giảm, thì độ suy thoái của giếng khoan càng tăng, tức là tuổi thọ của giếng khoan càng giảm. Từ bảng 1 trình bày về tuổi thọ của các giếng khoan đƣợc thi công qua các thời kỳ cho thấy: - Các giếng khoan đƣợc thi công trƣớc năm 1954 có tuổi thọ rất lâu, từ 49-51 năm, ít nhất cũng là 17-28 năm do đƣợc thi công bằng công nghệ khoan dộng trong ống chống sử dụng ống chống để giữ thành giếng khoan, nên độ thấm của tầng chứa nƣớc đƣợc giữ nguyên, dẫn đến tuổi thọ của giếng khoan rất dài. - Các giếng khoan đƣợc thi công sau năm 1954 có tuổi thọ cao nhất cũng chỉ 17-19 năm, trung bình chỉ có 10 năm, thậm chí có những giếng khoan chỉ tồn tại 3-6 năm do chúng đều đƣợc thi công bằng 2 công nghệ khoan đập cáp và khoan xoay tuần hoàn thuận là những công nghệ đã làm chặt tầng chứa nƣớc ở các mức độ khác nhau và sử dụng dung dịch sét để giữ thành giếng khoan, nên đã làm bít trát tầng chứa nƣớc, làm cho tuổi thọ của giếng khoan suy giảm nhanh, tức là độ suy thoái của giếng khoan khai thác nƣớc ngầm tăng nhanh. Vậy công nghệ khoan là yếu tố (nguyên nhân) chính gây suy thoái giếng khoan khai thác nƣớc ngầm ở vùng Hà Nội. 2. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH ĐỂ TĂNG TUỔI THỌ VÀ CÔNG SUẤT CỦA CÁC GIẾNG KHOAN KHAI THÁC NƢỚC NGẦM VÙNG HÀ NỘI 2.1. Đặt vấn đề Ở Việt Nam từ trƣớc tới nay, để khoan các giếng khoan khai thác nƣớc ngầm đều chỉ sử dụng 2 công nghệ khoan truyền thống là khoan đập cáp và khoan xoay. Trong công nghệ khoan xoay, dựa vào chiều (hƣớng) tuần hoàn (di chuyển) của dung dịch khoan và mùn khoan trong cần khoan và giếng khoan lại chia ra làm 2 loại công nghệ khoan xoay khác nhau là khoan tuần hoàn thuận và khoan tuần hoàn nghịch. Ở Việt Nam, từ trƣớc đến nay chỉ sử dụng công nghệ khoan tuần hoàn thuận để khoan các giếng khoan khai thác nƣớc ngầm cả trong đá gốc gắn kết lẫn trong đá gốc nứt nẻ và trong các trầm tích bở rời; còn khoan xoay tuần hoàn nghịch chỉ mới đƣợc nghiên cứu ứng dụng trong những năm gần đây, nhƣng đã đem lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cao, cần phải đƣợc áp dụng rộng rãi. 2.2. Nguyên lý vận hành của công nghệ khoan tuần hoàn nghịch Sự khác biệt giữa công nghệ khoan tuần hoàn nghịch so với tuần hoàn thuận ở nguyên lý tuần hoàn (di chuyển) của dung dịch khoan, mùn khoan trong cần khoan và giếng khoan. Trong công nghệ khoan tuần hoàn nghịch, thì nƣớc và dung dịch đƣợc cấp từ miệng giếng khoan đi xuống đáy giếng khoan, sau đó cùng mùn khoan đƣợc máy bơm (ly tâm, chân không, nén khí..) hút và đi bên trong cần khoan để đƣa lên trên mặt đất, tức là theo chiều ngƣợc lại so với công nghệ khoan tuần hoàn thuận. Hai yếu tố quan trọng nhất của phƣơng pháp duy trì nƣớc rửa tuần hoàn nghịch trong giếng khoan bằng khí nén là lƣu lƣợng khí nén để vận chuyển mùn khoan và dòng nƣớc rửa lên mặt đất và hệ số ngập của buồng phối khí trong giếng khoan. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 52 - Lưu lượng khí cần thiết để vận chuyển mùn khoan và dòng nƣớc rửa lên mặt đất đƣợc xác định theo công thức: Trong đó: - Lƣu lƣợng khí cần thiết để vận chuyển mùn khoan và dòng nƣớc rửa lên mặt đất. - Lƣu lƣợng dòng nƣớc rửa vận chuyển lên mặt đất (m3/s). - Áp suất trong giếng khoan tạo chiều sâu đặt buồng phối khí – Mpa – Áp suất khí quyển (áp suất không khí tại miệng giếng khoan) – Mpa - Hiệu suất vận chuyển, lấy bằng 3 Kết quả thực hiện cho thấy thay đổi phụ thuộc vào tốc độ dòng khí nén. Giá trị nhỏ nhất khi tốc độ dòng khí bằng 1m/s. - Hệ số ngập của buồng phối khí đƣợc xác định bằng công thức Trong đó: - hE- chiều sâu ngập của buồng phối khí tính từ mực nƣớc thủy tĩnh, m. - H= hE + ho - Tổng chiều cao đẩy cột nƣớc tính từ chiều sâu đặt buồng phối khí – m Hình 1. Sơ đồ duy trì nước rửa tuần hoàn ngược bằng khí nén h0- chiều cao đẩy cột nƣớc tính từ mực nƣớc thủy tĩnh, m; hE- chiều sâu ngập của buồng phối khí tính từ mực nƣớc thủy tĩnh, m. hU- chiều sâu còn lại của lỗ khoan. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 53 Từ hình 1 cho thấy, khí nén từ máy nén khí theo tyô 9 và ống dẫn khí 10 hàn gắn kết với cần khoan xuống buồng phối khí 2. Khi khí nén vào buồng 2 sẽ tạo lên sự chênh áp và dƣới tác dụng của áp suất khí nén, nƣớc rửa và mùn khoan đƣợc vận chuyển lên phía trên đi ra ngoài. 2.3. Tính ƣu việt của công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghịch Hình 2. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng khí nén 1- ống nâng; 2- ống dẫn khí; 3-buồng phối khí; 4- ống hút Trong công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghịch thì phƣơng pháp duy trì nƣớc rửa tuần hoàn ngƣợc bằng khí nén có ƣu điểm vƣợt trội, do các thành phần đƣợc đẩy lên mặt đất từ giếng khoan gồm khí, nƣớc và mùn khoan (dòng ba pha) không tác động trực tiếp đến thành giếng khoan nhƣ phƣơng pháp khoan xoay tuần hoàn thuận và thành giếng khoan đƣợc giữ bằng áp lực cột nƣớc từ mặt đất (miệng giếng), không làm chặt tầng chứa nƣớc nhƣ phƣơng pháp khoan đập cáp và ít bị bít trát thành giếng khoan, nên ít làm ảnh hƣởng đến đặc tính thấm của tầng chứa nƣớc. Vì vậy công suất cấp nƣớc của giếng khoan ổn định hơn, ít bị suy giảm hơn (xem hình 2). 2.4. Kết quả áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch trong khoan giếng khai thác nƣớc ngầm ở vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai, nơi có điều kiện địa chất - địa chất thủy văn gần tƣơng tự vùng Hà Nội a) Điều kiện địa chất - địa chất thủy văn vùng Nhơn Trạch - Địa tầng: gần tƣơng tự nhƣ vùng Hà Nội, đều là những trầm tích bở rời tuổi Pliocen (N2) dày 70-80m gồm: + Trên cùng là những trầm tích hạt mịn gồm: cát sét, sét cát, cát, đôi nơi có lẫn ít sạn sỏi; phần trên bị phong hóa mạnh, màu loang lổ chứa nhiều hạt sạn sỏi laterit màu nâu gụ, gần tƣơng tự nhƣ các trầm tích Holocen thuộc 2 hệ tầng Thái Bình và Hải Hƣng của vùng Hà Nội. + Tiếp theo phía dƣới là lớp sét bột cách nƣớc phân bố trên toàn bộ diện tích vùng Nhơn Trạch. Đây chính là tầng cách nƣớc, gần tƣơng tự nhƣ tầng sét thuộc hệ tầng Vĩnh Phú của vùng Hà Nội. + Dƣới là tầng chứa nƣớc với thành phần là cát lẫn sạn sỏi tuổi Pliocen dầy 36-60m; gần tƣơng tự nhƣ tầng cát cuội sỏi tuổi Pleistocen thuộc hệ tầng Hà Nội - là tầng chứa nƣớc chính qp để kết cấu ống lọc của các giếng khoan khai thác nƣớc ngầm từ hơn 1 thế kỷ nay đáp ứng các nhu cầu cấp nƣớc của TP. Hà Nội. - Điều kiện địa chất thủy văn vùng Nhơn Trạch. Kết quả quan trắc và thống kê từ 38 giếng khoan ở vùng Nhơn Trạch cho thấy: lƣu lƣợng (công suất) đạt từ 3-19 l/s, hệ số dẫn nƣớc Km ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 54 đạt 300-720m2/ngày, mực nƣớc tĩnh nằm ở độ sâu 5-20m, hàng năm dao động 17-19m. b, Máy móc thiết bị sử dụng cho công nghệ khoan tuần hoàn nghịch. - Máy khoan: Dùng bộ máy khoan УРБ- ЗАМ-500 đã đƣợc cải tiến để khoan các giếng khoan khai thác nƣớc ngầm bằng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch. - Dụng cụ khoan: Bộ cần khoan đƣờng kính ngoài 127mm, dày 9mm, dài 3,0m có hàn ống dẫn khí nén CS 33x27mm. - Chòong khoan: Loại 3 cánh đƣờng kính 650mm và 550mm. - Máy nén khí: Hiệu PDS -750. c, Áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch ở Nhơn Trạch. Trƣớc khi khoan giếng khai thác tại mỗi vị trí giếng khoan đều khoan 1 hố khoan thăm dò đƣờng kính 120mm, sâu 80m để xác định địa tầng phục vụ cho thiết kế giếng khoan khai thác. Theo yêu cầu của thiết kế, các giếng khoan khai thác đều đƣợc khoan đƣờng kính 550mm đến độ sâu 78m bằng công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghịch với chế độ khoan nhƣ sau: - Tải trọng chiều trục lên chòong khoan: 2500-3000N. - Tốc độ vòng quay: 25-30 vòng/phút. - Áp suất khí nén: 0,5-0,6 Mpa. - Sử dụng dung dịch sét để giữ thành giếng khoan với các thông số cơ bản nhƣ sau: trọng lƣợng riêng:1,05 - 1,1 g/cm3, độ nhớt biểu kiến 22-24s, độ thải nƣớc: 8-10cm3/30ph. Sau khi khoan đến độ sâu thiết kế, các giếng khoan đƣợc kết cấu và lắp đặt theo quy trình tƣơng tự nhƣ kiểu các giếng khoan thi công bằng công nghệ khoan xoay tuần hoàn thuận (xem hình 3). d, Hiệu quả của việc ứng dụng công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghịch để khoan các giếng khoan khai thác nước ngầm ở vùng Nhơn Trạch. Ở vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai bằng công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghich đã khoan tổng cộng 16 giếng khoan khai thác nƣớc ngầm. Kết quả thực tế cho thấy các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật đều đạt giá trị cao hơn các giếng khoan cùng thời bằng công nghệ khoan xoay tuần hoàn thuận (xem bảng 2). Bảng 2. So sánh kết quả khoan các giếng khoan khai thác nƣớc ngầm bằng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch và thuận ở vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai STT Chỉ tiêu so sánh Công nghệ khoan tuần hoàn thuận Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch Tỷ lệ so sánh so với công nghệ khoan tuần hoàn thuận 1 Thời gian khoan 1 giếng (h/giếng) 67,8 55,3 Giảm 18% 2 Tiến độ khoan trung bình (m/h) 1,12 1,45 Tăng 23% 3 Lƣu lƣợng khai thác giếng (m3/h) 93 105 Tăng 11% ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 55 Hình 3. Cấu trúc địa tầng và giếng khoan khai thác nước dưới đất ở Nhơn Trạch- Đồng Nai khi khoan bằng phương pháp duy trì nước rửa tuần hoàn ngược bằng khí nén. KẾT LUẬN 1. Công nghệ khoan đập cáp và khoan xoay tuần hoàn thuận là những công nghệ đã làm chặt tầng chứa nƣớc ở các mức độ khác nhau và sử dụng dung dịch sét để giữ thành giếng khoan đã bít trát tầng chứa nƣớc là những yếu tố chính gây suy thoái nhanh các giếng khoan khai thác nƣớc ngầm ở vùng Hà Nội. 2. Với kết quả khoan 16 giếng khoan khai thác nƣớc ngầm ở vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai đã cho thấy tính ƣu việt vƣợt trội của công nghệ khoan tuần hoàn nghịch so với tuần hoàn thuận cả về tiến độ khoan (1 giờ và 1 giếng) và công suất khai thác nƣớc ngầm của giếng khoan. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 56 3. Với điều kiện địa tầng và địa chất thủy văn của 2 vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai và vùng Hà Nội gần tƣơng tự nhau gồm: địa tầng cần khoan qua đều là các trầm tích bở rời, thành phần thạch học của tầng chứa nƣớc đều là các trầm tích hạt thô (cát sạn sỏi ở Nhơn Trạch và cát cuội sỏi ở Hà Nội), chiều sâu của các giếng khoan đều không quá 80m, thì việc ứng dụng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch để khoan các giếng khoan khai thác nƣớc ngầm ở vùng Hà Nội chắc chắn sẽ đem lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cao, các giếng khoan khai thác nƣớc ngầm sẽ hoạt động ổn định hơn, lâu dài hơn và chậm bị suy thoái hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Xuân Thảo – Kết quả áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch trong khoan khai thác nƣớc dƣới đất ở Nhơn Trạch, Đồng Nai - Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 54, 4/2016 (chuyên đề Khoan - Khai thác). 2. Nguyễn Duy Tuấn - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch nâng cao công suất và tuổi thọ các giếng khai thác nƣớc ngầm khu vực Nam bộ - Tiểu luận - 2017. 3. Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Văn Túc - Vấn đề suy thoái các giếng khoan khai thác nƣớc ngầm vùng Hà Nội - Tạp chí Tài nguyên nƣớc số 1 - năm 2018. 4. Nguyễn Văn Túc - Nƣớc ngầm vùng đồng bằng Bắc bộ miền bắc Việt Nam và triển vọng cho cung cấp nƣớc lớn - Luận án tiến sĩ năm 1971. 5. Nguyễn Văn Túc và nnk - Báo cáo kết quả thăm dò địa chất thủy văn giai đoạn thăm dò - khai thác để mở rộng và nâng công suất 3 nhà máy nƣớc thuộc giai đoạn II Chƣơng trình cấp nƣớc Hà Nội - Phần Lan: Mai Dịch - 60.000 m 3/ngày; Ngọc Hà: 45.000 m3/ngày và Lƣơng Yên: 45.000 m 3 /ngày - năm 1991 6. Nguyễn Văn Túc - Trữ lƣợng nƣớc ngầm vùng Hà Nội và giải pháp cấp nƣớc cho Thủ đô. Tờ trình gửi Chủ tịch UBND TP. Hà Nội, Bộ trƣởng Bộ xây dựng và Bộ trƣởng Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng - năm 2011. 7. Phan Vĩnh Cẩn - Ứng dụng phƣơng pháp nổ mìn trong giếng khoan để phục hồi công suất khai thác nƣớc ngầm các giếng khoan vùng Hà Nội - 1988. Người phản biện: NGND.PGS.TS TRƢƠNG BIÊN