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

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN<br /> NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC GIẾNG<br /> KHAI THÁC NƯỚC NGẦM Ở NHƠN TRẠCH- ĐỒNG NAI<br /> NGUYỄN XUÂN THẢO*<br /> NGUYỄN DUY TUẤN<br /> NGUYỄN THẾ VINH**<br /> <br /> Research on applying reverse circulation technology by using erlift<br /> pump to drill wells in Nhon Trach- Dong Nai<br /> Abstract: One of the causes to the decline and breakage of the<br /> underground well in Nhon Trach - Dong Nai industrial zone is the<br /> application of forward circulation drilling technology. This method<br /> consists a lot of weak points when being used in cohesionless sedimentary<br /> layers in Nhon Trach. A number of researches on reverse circulation<br /> drilling technology by using Erlift pump in sedimentary layers in Nhon<br /> Trach, Dong Nai will be presented in this article.The advantage of this<br /> method is that the components are extruded from the boreholes such as<br /> gas, water and drill cuttings wash (3-phase flow) no directly impacts to the<br /> wellbores and aquifer characteristics. This has a positive impact on the<br /> life expectancy of the well, as well as improvement of the efficiency of use<br /> of wells.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * trong địa tầng trầm tích bở rời như ở Nhơn<br /> Trong những năm gần đây, nhu cầu nước Trạch - Đồng Nai.<br /> sạch cho sinh hoạt ở khu công nghiệp Nhơn Để đảm bảo yêu cầu thiết kế, chất lượng<br /> Trạch-Đồng Nai ngày càng gia tăng; trong khi giếng và công suất khai thác, các tác giả đã<br /> đó lưu lượng các giếng khai thác nước ngầm nghiên cứu và lựa chọn công nghệ khoan tuần<br /> ngày càng suy giảm. Sau 5 năm vận hành khai hoàn nghịch bằng bơm erlift để khoan các giếng<br /> thác, hầu hết các giếng đều giảm lưu lượng khai bổ sung khai thác nước ngầm trong địa tầng<br /> thác so với thiết kế ban đầu; trong đó có một số trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch - Đồng<br /> giếng bị hư hỏng nặng. Một trong các nguyên Nai thay thế các giếng đã hư hỏng.<br /> nhân gây ra suy giảm lưu lượng khai thác hoặc 2. NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG<br /> hư hỏng là do các giếng đều thi công bằng NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH<br /> phương pháp khoan xoay tuần hoàn thuận BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC<br /> truyền thống. Đây là phương pháp có nhiều GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM<br /> nhược điểm khi khoan khai thác nước ngầm 2.1. Sơ lược về cấu tạo và nguyên lý làm<br /> việc của bơm erlift<br /> *<br /> Bơm erlift (Airlift pump) được áp dụng rộng<br /> Viện Công nghệ Khoan;<br /> rãi trong công nghiệp mỏ để bơm thoát nước<br /> ĐD: 0912 015 585; E-mail: thao.vimsat@gmail.com<br /> tháo khô mỏ; trong khai thác khoáng sản rắn<br /> ĐD: 0913537739; E-mail: tuannd.vk@gmail.com<br /> **<br /> bằng phương pháp thủy lực; trong khai thác cát<br /> Trường Đại học Mỏ -Địa chất<br /> làm vật liệu xây dựng; bơm nước quan trắc thủy<br /> ĐD: 098 365 5056; E-mail: thao.vimsat@gmail.com<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 3<br /> văn, v.v.. Trong khoan thăm dò, bơm erlift được khí. Năng lượng cần thiết của khí nén để nâng<br /> áp dụng để duy trì dòng nước rửa tuần hoàn hỗn hợp 3 pha được xác định như sau [4,5,6]:<br /> nghịch khi khoan trong các điều kiện địa chất h<br /> N  Qk Pa ln(1  0 ) (1)<br /> phức tạp với mục đích nâng cao tỷ lệ mẫu; khoan 10<br /> thăm dò sa khoáng ở thềm lục địa và khoan các trong đó N - năng lượng cần thiết của khí<br /> giếng đường kính lớn khai thác nước ngầm. nén để nâng hỗn hợp 3 pha,J; Qk - lưu lượng khí<br /> Cấu tạo bơm erlift (hình 1) gồm: ống nâng; nén, m3/s; Pa - áp suất khí quyển, N/m2 ; h0 -<br /> ống dẫn khí; buồng hòa trộn khí; ống hút. chiều sâu nhấn chìm buồng hòa trộn khí so với<br /> mực nước động, m;<br /> 2.2. Tính toán lưu lượng và áp suất khí<br /> nén cần thiết để nâng hỗn hợp 3 pha trong<br /> cột cần khoan<br /> Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch cũng<br /> như công nghệ khoan tuần hoàn thuận cần đảm<br /> bảo rửa sạch mùn khoan ở đáy giếng. Đây là<br /> một trong các yếu tố cơ bản quyết định tới chất<br /> lượng và năng suất khoan. Để đảm bảo rửa<br /> sạch mùn khoan cần tính toán lưu lượng và tốc<br /> độ bơm rửa phù hợp với phương pháp khoan,<br /> đặc điểm và tính chất đất đá khoan qua. Lưu<br /> lượng cần thiết của bơm erlift để rửa sạch và<br /> tải mùn khoan lên bề mặt được xác định theo<br /> công thức sau:<br /> Hình 1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc<br /> Q  0,785D 2V0 (2)<br /> của bơm erlift (Airlift pump).<br /> Trong đó: Q - lưu lượng cần thiết để rửa<br /> 1- ống nâng; 2- ống dẫn khí;<br /> 3-buồng phối khí; 4- ống hút sạch mùn khoan ở đáy giếng, m3/s; D - đường<br /> kính trong của cần khoan, m; V 0 - vận tốc trung<br /> Trong quá trình khoan, hỗn hợp ban đầu gồm bình của dòng hỗn hợp 3 pha chảy trong cần<br /> dung dịch và mùn khoan (2 pha) ở phía dưới khoan, m/s.<br /> buồng hòa trộn khí; nhờ chênh lệch áp suất ở Khi nghiên cứu năng lượng khí cần thiết để<br /> buồng hòa trộn khí, hỗn hợp 2 pha được hút vào nâng hỗn hợp 3 pha dọc theo cần khoan lên mặt<br /> buồng hòa trộn khí qua ống hút 4 và hòa trộn đất, các tác giả đã xác định vận tốc dòng chảy<br /> với khí tạo thành hỗn hợp 3 pha gồm dung dịch- của hỗn hợp 3 pha phụ thuộc vào lưu lượng khí<br /> mùn khoan- khí. Sau khi hòa trộn, hỗn hợp 3 truyền từ máy nén khí vào buồng hòa trộn và<br /> pha được vận chuyển lên bề mặt qua ống 1. đường kính trong của cần khoan theo công thức:<br /> Mức độ hòa trộn của khí với hỗn hợp 2 pha để 4(Q  Qk .K n )<br /> V 0 (3)<br /> tạo thành hỗn hợp 3 pha có khối lượng riêng D 2 .3600<br /> nhỏ hơn phụ thuộc vào lưu lượng và áp suất khí trong đó: Qk - lưu lượng khí cần thiết để tạo<br /> truyền vào buồng hòa trộn khí. năng lượng nâng hỗn hợp 3 pha lên bề mặt,<br /> Hỗn hợp 3 pha được vận chuyển lên bề mặt m3/h; K n - hệ số nén của khí do áp suất của cột<br /> qua ống nâng 1 nhờ năng lượng tạo ra từ khí dung dịch trong cần khoan ở phía trên buồng<br /> nén truyền từ máy nén khí vào buồng hòa trộn hòa trộn khí và được xác định theo công thức:<br /> <br /> 4 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017<br />  10  - hệ số nhấn chìm.<br /> K n  0,5(  1) (4)<br /> 10  h0 ) Kết quả nghiên cứu [ 4,5,6] cho thấy đường<br /> Vận tốc Vh dòng chảy của hỗn hợp 2 pha (dung đặc tính bơm phụ thuộc vào lưu lượng khí, hệ số<br /> dịch và mùn khoan) từ đáy giếng khoan lên buồng và chiều sâu nhấn chìm của bơm erlift khi chiều<br /> hòa trộn khí được xác định theo công thức sau: cao nâng và sức kháng chuyển động của hỗn hợp<br /> 4Q 3 pha không thay đổi như mô tả ở hình 2. Đối với<br /> Vh  (5)<br /> Dh2 3600 mỗi loại bơm erlift, khi thay đổi mực nước động<br /> Vh - vận tốc của dòng chảy 2 pha từ đáy trong giếng khoan sẽ dẫn tới thay đổi đặc tính<br /> bơm, vì chiều sâu nhấn chìm bơm erlift phụ<br /> giếng khoan lên buồng hòa trộn khí, m/s; Dh -<br /> thuộc vào mực nước động trong giếng khoan.<br /> đường kính cần khoan ở phía dưới buồng hòa<br /> 3. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM CÔNG<br /> trộn khí,m;<br /> NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH<br /> Lưu lượng khí cần thiết để nâng hỗn hợp 3<br /> BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC<br /> pha lên bề mặt được xác định theo công thức<br /> GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM Ở<br /> sau [4,6]:<br /> NHƠN TRẠCH - ĐỒNG NAI<br /> QH<br /> Qk  (6) 3.1. Đặc điểm địa chất thủy văn và địa<br /> h0<br /> 23 lg(  1) tầng chứa nước<br /> 10<br /> Theo tài liệu Địa chất thủy văn [3] tầng chứa<br /> H - chiều cao nâng hỗn hợp 3 pha của bơm<br /> nước trong trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch<br /> erlift, m;  - hệ số hữu ích của bơm erlift. Từ<br /> là tầng Pliocen (N2) nằm dưới tầng Pleistocen;<br /> biểu thức (6),ta tính lưu lượng của bơm erlift<br /> chiều dày tầng chứa nước dao động từ 35 m -<br /> phụ thuộc vào lưu lượng khí và chiều cao nâng<br /> 65m; lưu lượng đạt từ 3 l/s đến 19 l/s; hệ số dẫn<br /> hỗn hợp 3 pha:<br /> nước (Km) từ 300 m2 /ngày đến 720m2/ngày; trữ<br /> h<br /> 23Q k lg( 0  1) lượng nước đạt tới 110.000 m3 /ngày.<br /> Q 10 (7)<br /> H<br /> Hệ số hữu ích của bơm erlift xác định theo<br /> công thức [4,6]:<br /> QH 0 g<br />  (8)<br /> h0<br /> Qk Pa lg(1  )<br /> 10<br />  0 - khối lượng riêng của hỗn hợp 3 pha,<br /> kg/m3;<br /> Lưu lượng bơm của bơm erlift không chỉ phụ<br /> thuộc vào lưu lượng khí và đường kính trong<br /> của cần khoan mà còn phụ thuộc vào hệ số nhấn<br /> chìm của bơm trong lòng giếng. Mối quan hệ<br /> giữa hệ số với chiều sâu nhấn chìm buồng hòa<br /> trộn khí và chiều cao nâng hỗn hợp 3 pha của Hình 2. Đường đặc tính bơm của bơm erlift<br /> bơm erlift trong lòng giếng được xác định theo khi thay đổi hệ số và chiều sâu nhấn chìm.<br /> công thức sau:<br /> h0 Cột địa tầng trầm tích khu công nghiệp Nhơn<br />  (9)<br /> h0  H Trạch gồm các lớp đất đá kém bền vững, liên<br /> kết yếu như : sét pha cát, cát hạt trung đến thô;<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 5<br /> và các lớp sét lẫn sạn sỏi laterit ngăn cách nước. tiến chuyên dùng cho khoan khai thác nước<br /> Tầng chứa nước là tầng cát hạt trung đến hạt thô ngầm bằng công nghệ tuần hoàn nghịch .<br /> lẫn sạn sỏi. 2. Dụng cụ khoan gồm: bộ cần khoan đường<br /> Kết quả nghiên cứu thành phần hạt [3] cho thấy kính ngoài 127mm, dày 9 mm, dài 3 m, nối với<br /> các lớp cát pha có kích thước hạt từ trung bình đến nhau bằng mặt bích; ống dẫn khí nén CS 33x27<br /> thô (từ 1mm-0,5mm) và rất thô (từ 2mm-1mm). mm,dài 3 m, lắp đối xứng ở cạnh bề mặt ngoài<br /> Đặc biệt lớp cát nâu vàng có chứa sỏi kích thước của cần khoan.<br /> từ 5 mm-2mm (tới 6,6%). Hầu hết các lớp sét pha 3. Chòong khoan ba cánh đường kính<br /> đều chứa sỏi kích thước khác nhau; sỏi kích thước 650mm; 550 mm;<br /> lớn hơn 10mm chiếm tới 29,3% ; sỏi kích thước<br /> nhỏ từ 10-5mm chiếm tới 13,3%.<br /> Các lớp cát pha hạt thô và rất thô có khối<br /> lượng riêng từ 2,63 g/cm3 đến 2,67 g/cm3; độ<br /> rỗng dao động từ 34-35%; hệ số rỗng dao động<br /> từ 0,511-0,579; cường độ kháng nén lớn nhất dao<br /> động từ 13,73 N/cm2 đến 14,58 N/cm2; lực dính<br /> kết dao động từ 0,49 N/cm2 đến 0,63 N/cm2. Các<br /> lớp sét pha và sét pha lẫn sạn sỏi laterit trạng thái<br /> déo,dẻo cứng, nửa cứng có khối lượng riêng từ<br /> 2,70 g/cm3 đến 2,77 g/cm3; độ rỗng dao động từ<br /> 37-44%; hệ số rỗng dao động từ 0,582-0,795;<br /> cường độ kháng nén lớn nhất dao động từ 9,48<br /> N/cm2 đến 11,85 N/cm2; lực dính kết dao động từ<br /> 1,76 N/cm2 đến 2,83 N/cm2.<br /> 3.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với các giếng khai<br /> thác nước ngầm và thiết bị, dụng cụ khoan<br /> Các giếng bổ sung khai thác nước ngầm ở Hình 3. Cấu trúc giếng GK5A khai thác nước ngầm<br /> Nhơn Trạch- Đồng Nai được khoan thăm dò<br /> đường kính 120 mm từ 0m-80 m. Sau đó theo yêu 4. Máy nén khí PDS -750.<br /> cầu của thiết kế, các giếng khai thác nước đều Sơ đồ công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng<br /> được khoan đường kính 550 mm đến chiều sâu 78 bơm erlift xem hình 4. Chế độ khoan như sau:<br /> m bằng công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghịch. - Tải trọng chiều trục lên chòong khoan:<br /> Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng 2500 N- 3000 N;<br /> bơm erlift được áp dụng khoan 18 giếng bổ - Tốc độ vòng quay: 25-30 v/ph.<br /> sung thay thế các giếng khai thác nước ngầm đã - Áp suất khí nén: 0,5-0,6 MPa; Lưu lượng<br /> bị hư hỏng ở khu công nghiệp Nhơn Trạch- khí nén: 6-7 m3/ph.<br /> Đồng Nai. Hình 3 mô tả cấu trúc giếng khai thác Trong quá trình khoan sử dụng dung dịch ít sét<br /> nước ngầm GK5A đặc trưng cho vùng Nhơn để ngăn ngừa sự sập lở thành giếng khoan. Các<br /> Trạch được khoan bằng công nghệ tuần hoàn thông số cơ bản của dung dịch khoan như sau:<br /> nghịch bằng bơm erlift. Trọng lượng riêng 1,05-1,1 g/cm3; độ nhớt biểu<br /> Để khoan thử nghiệm các tác giả đã lựa chọn kiến 22-24 s; độ thải nước 8 - 10 cm3/30 ph.<br /> thiết bị và dụng cụ khoan như sau: Sau khi khoan đến chiều sâu thiết kế, các<br /> 1. Máy khoan УРБ-ЗАМ-500 đã được cải giếng khoan được thực hiện các công đoạn xây<br /> <br /> 6 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017<br /> dựng, lắp đặt giếng khai thác nước ngầm như khí; 9.tyô dẫn khí nén;10.cần chủ động; 11.đầu<br /> trong khoan tuần hoàn thuận. xanhic; 12.tyô xả; 13.bàn rô to; 14. mực nước<br /> 3.3. Đánh giá kết quả thử nghiệm. động; 15. hố dung dịch; 16. choòng khoan.<br /> Các kết quả thử nghiệm (bảng 1) áp dụng công<br /> nghệ tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift để khoan<br /> các giếng khai thác nước ngầm ở Nhơn Trạch-<br /> Đồng Nai cho thấy các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật<br /> đạt giá trị cao hơn so với công nghệ tuần hoàn<br /> thuận trong cùng điều kiện ở Nhơn Trạch - Đồng<br /> Nai (điều kiện địa tầng, yêu cầu thiết kế giếng,<br /> chiều sâu và công suất ở khai thác).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Hình ảnh sỏi và cát lấy từ giếng khai<br /> thác nước ngầm ở Nhơn Trạch khi khoan tuần<br /> hoàn nghịch bằng bơm erlift<br /> Hình 4. Sơ đồ công nghệ khoan tuần hoàn<br /> nghịch bằng bơm erlift Hình 5 mô tả một số hình ảnh thành phần và<br /> kích thước hạt mùn khoan lấy lên từ các giếng<br /> 1.cần khoan phía dưới buồng hòa trộn khí;2. khai thác nước ngầm ở vùng Nhơn Trạch Đồng-<br /> buồng hòa trộn khí; 3.ống dẫn khí; 4.mực nước Nai khi khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift.<br /> thủy tĩnh; 5.hỗn hợp mùn khoan-dung dịch- khí;<br /> 6. ống định hướng; 7.bong bóng khí; 8. máy nén<br /> Bảng 1. So sánh kết quả khoan các giếng khai thác nước ngầm ở<br /> Nhơn Trạch bằng công nghệ tuần hoàn nghịch và thuận<br /> Công nghệ Công nghệ Tỷ lệ tăng giảm<br /> Các chỉ tiêu khoan tuần khoan tuần so với tuần hoàn<br /> hoàn nghịch hoàn thuận thuận<br /> - Thời gian trung bình khoan, h/giếng 55, 3 67,8 Giảm 18%<br /> - Tiến độ khoan trung bình, m/h 1,45 1,12 Tăng 29,5%<br /> - Thời gian rửa và làm sạch giếng, h/giếng 24 52 Giảm 53,8%<br /> - Lưu lượng bình quân 1 giếng, m3/h 115 83 Tăng 39%<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 7<br />  4. KẾT LUẬN<br /> Các kết quả nghiên cứu và thử nghiệm áp<br /> dụng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> bơm erlift để khoan các giếng khai thác nước<br /> ngầm ở Nhơn Trạch- Đồng Nai cho thấy: 1. Lê Kim Đồng và nnk. Báo cáo đề tài<br /> - Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng nghiên cứu khoa học “ Thiết kế chuyển đổi công<br /> bơm erlift cho phép khoan các giếng khai thác nghệ khoan tuần hoàn thuận sang công nghệ<br /> nước ngầm đường kính đến 550 mm trong địa khoan tuần hoàn ngược trong khoan khai thác<br /> tầng trầm tích bở rời,liên kết yếu. Ưu điểm của nước dưới đất trong điều kiện Việt Nam. Tp.<br /> phương pháp này là các thành phần được đẩy Hồ Chí Minh-2006<br /> lên từ giếng khoan gồm khí,nước rửa và mùn 2. Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Xuân Thảo.<br /> khoan (dòng 3 pha) không tác động trực tiếp Kết quả áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn<br /> đến thành giếng khoan và đặc tính của tầng ngược trong các giếng khai thác nước dưới đất ở<br /> chứa nước. Điều này ít nhiều có tác động tích Nhơn Trạch- Đồng Nai. Tạp chí Khoa học kỹ<br /> cực tới tuổi thọ của giếng cũng như nâng cao thuật Mỏ- Địa chất số 54/04-2016, tr. 62-65.<br /> hiệu quả sử dụng giếng. 3. Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Minh Quân.<br /> - Trong cùng một điều kiện địa tầng như ở Báo cáo kết quả khoan thăm dò và khai thác<br /> Nhơn Trạch, khi áp dụng công nghệ khoan tuần nước dưới đất khu công nghiệp Nhơn Trạch 5<br /> hoàn nghịch bằng bơm erlift cho phép tăng lưu tại Huyện Nhơn Trạch Tỉnh Đồng Nai.Viện<br /> lượng khai thác đến 39%; tốc độ cơ học tăng Công nghệ Khoan- Hà Nội- 2015.<br /> 29,5%; thời gian thi công giảm 18%; thời gian 4. Drilling technique manual 1981, Wirth<br /> thổi rửa và làm sạch giếng giảm 53,8% so với Maschen-und Bohrgerate –Fabrik Gmbh;<br /> công nghệ khoan tuần hoàn nghịch. Germal-1981<br /> -Tùy thuộc vào đường kính giếng khoan, 5. Xu Liu Wan. Air Lift Reverse Circulation<br /> đường kính cần khoan, lưu lượng và áp suất khí, Drilling Technique in Water Well Construction.<br /> công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm Institute of Exploration Techniques. China<br /> erlift có thể nâng được cột dung dịch với hàm Academy of Geosciences, Beijing 2004.<br /> lượng mùn khoan tới 60%-70% và kích thước hạt 6. Гейер В. Г. Эрлифтные установки.<br /> mùn từ 50-60 mm tới chiều cao từ 80 m-100 m. Донецк-1982.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Người phản biện:GS.TS. TRƯƠNG BIÊN<br /> <br /> <br /> <br /> 8 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017<br />